Cześć,
Jako uczeń technikum mechatronicznego jestem zainteresowany technologiami, jak i również pasjonatem historii. Z tej okazji postanowiłem podzielić się i być może zarazić pasją do odkrywania historii osoby czytające ten artykuł. Przedstawię w pewnym skrócie długą i ciężką drogę ludzkości do osiągnięcia poziomu technologicznego, na którym się dziś znajdujemy. Będą to odkrycia ważne w dziedzinie automatyki.
Wstęp
Na początku warto odpowiedzieć na pytanie: Czym jest automatyka? Najprościej mówiąc, jest to dziedzina techniki, która ma na celu wyręczenie człowieka w pracy, automatycznie obsługując produkcję, regulując procesy technologiczne a przy tym dbać o bezpieczeństwo maszyn i przede wszystkim człowieka. Osobiście uważam, że powstała dzięki wrodzonemu lenistwu człowieka, który od zawsze marzył, żeby wszystko robiło się samo.
Potrzeba matką wynalazków
W starożytności ludzie zaczęli odczuwać potrzebę odmierzania czasu. Z tym problemem rozprawił się (w miarę możliwości ówczesnej techniki) Ktesibios z Aleksandrii w III wieku p.n.e. Zegar odliczał czas poprzez regulację stałości poziomu wody w zbiorniku i przez to odpływu wody z tego zbiornika. Do regulacji wykorzystał fakt, że ciała lżejsze od wody wypływają na powierzchnię — opracował pływak. Utrzymywanie stałej głębokości prowadziło do stałego wypływu wody przez rurę na dnie zbiornika. W ten sposób drugi zbiornik napełniany był ze stałą prędkością. Poziom wody w drugim zbiorniku zależny był więc od czasu, jaki upłynął. Obecne układy potrafią odliczać czas nawet z dokładnością do mikrosekundy (10^-6 [s]), co pokazuje, jak ogromny postęp zrobiła nasza cywilizacja w tej dziedzinie. Cały dzisiejszy świat bez odmierzania czasu nie wyglądałby tak, jak wygląda. Przykładem z życia wziętym mogą być, chociażby rozkłady jazdy komunikacji miejskiej, z której korzysta ogromna liczba osób. Najmniejsze spóźnienie autobusu lub pociągu wprowadza chaos i dezorganizację.
XIX wieczna ilustracja przedstawiająca starożytny zegar Ktesibiosa
Uff, jak gorąco…
Każdy człowiek, który kiedykolwiek żył na naszej planecie borykał się z problemem zbyt wysokiej bądź niskiej temperatury. Wiele procesów w dzisiejszej automatyce wymaga precyzyjnej regulacji temperatury, której człowiek nie byłby w stanie zapewnić. Podobnie było w czasach rozwoju metalurgii i hutnictwa na skalę przemysłową, który przypada na XVII/ XVIII w. Potrzeba regulacji temperatur do otrzymywania różnych właściwości metali i stopów była ogromna. W 1830 r. Szkocki fizyk Andrew Ure wykorzystał bimetal, czyli element wykonany z dwóch nierozerwalnie połączonych pasków różnych metali. Każdy z metali ma inny współczynnik rozszerzalności cieplnej, dzięki czemu element zmienia krzywiznę przy zmianie jego temperatury, co powodowało zwarcie styków łącznika i załączenie np. grzałki. Dzisiejsze regulatory temperatury opierają się na mikroprocesorach i półprzewodnikach, a oprócz funkcji samej regulacji mogą np. wysyłać aktualne dane o temperaturze do serwera lub odpowiednio skonfigurowane diagnozować niepoprawne działanie maszyny.
Nie za szybko, nie za wolno…
Dzisiejszy przemysł nie istniałby, gdyby nie regulacja prędkości obrotowych. Przykładem mogą być obrabiarki CNC, gdzie dokładne określanie prędkości obrotowych wrzeciona jest kluczową sprawą do osiągnięcia wysokiej jakości elementów. Kolejnym przykładem mogą być kierowcy samochodów, którzy wiedzą, jak ważne jest odpowiednie dobieranie prędkości obrotowych silnika podczas jazdy. W tej sytuacji my jesteśmy regulatorem, który po czasie się zmęczy. A gdyby tak silnik sam decydował, kiedy przyśpieszyć bądź zwolnić… Na ten pomysł wpadł James Watt w 1788 roku. W maszynie parowej istniał problem sterowania mocą. Trudne było utrzymywanie stałej prędkości obrotowej, przy zmieniającej się odbieranej mocy. Regulator Watta samoczynnie zmniejszał lub zwiększał dopływ pary, utrzymując stałą prędkość obrotową. Jeśli maszyna jest w spoczynku, to ciężarki (kulki) są na samym dole, a przepustnica jest maksymalnie otwarta. Jeśli otworzymy dopływ pary, to maszyna zacznie pracować. Sprzężony z wałem silnika regulator zaczyna się obracać. Na kulki regulatora działają dwie siły. Siła grawitacji przyciągająca kulki pionowo w dół oraz siła odśrodkowa odciągająca kulki na zewnątrz, co powoduje unoszenie się kulek ku górze. Unoszące się kulki powodowały zamykanie się przepustnicy, a to skutkowało mniejszą ilością pary dostarczanej do maszyny parowej. Maszyna zwalniała, malała więc siła odśrodkowa, kulki opadały w dół, więc przepustnica się otwierała i tym samym dostarczała więcej pary do maszyny.
Początki logiki maszyn
Wraz z pojawieniem się pierwszej linii produkcyjnej i rozwojem elektryczności 1 grudnia 1913 roku w fabryce Forda, która produkowała seryjnie samochód osobowy (Ford model T), trzeba było sterować wieloma procesami. Człowiek, robiąc to manualnie np. poprzez wciskanie odpowiednich przycisków, mógł się łatwo pomylić, co mogło narażać życie innych pracowników. Z tego względu zaczęto wprowadzać obwody sterujące oparte na krańcówkach przyciskach i przekaźnikach. Tworzono proste przerzutniki (podtrzymanie przekaźnika), pojawiły się również możliwości budowy bramek logicznych. Każdy, kto budował układy oparte na przekaźnikach, wie, że ilości przewodów mogą przyprawić o ból głowy.
Wraz z wymyśleniem tranzystora w 1947 i rozwojem półprzewodników zaczęto dostrzegać potencjał w tworzeniu układów logicznych, które nie zużywają się mechanicznie, są szybkie i energooszczędne, aż w roku 1970 na wystawie obrabiarek w Chicago przedstawiono pierwszy system sterowania działający na zasadzie cyklicznego obiegu pamięci programu, czyli taki jaki stosowany jest w dzisiejszych sterownikach PLC. System pozwalał realizować różnorodne zadania sterownicze przy zachowaniu niezmiennej części sprzętowej – tylko przez zmiany zawartości pamięci programu. W końcu roku 1973 oszacowano, że w USA w przemyśle obróbki metali było ponad 3000 sterowników PLC. W Republice Federalnej Niemiec w roku 1976 było zainstalowanych około 1000 sterowników PLC, na tym rynku w tym czasie oferowało swe sterowniki 43 producentów.
Opracowanie pierwszych sterowników w firmie Hydra-Matic
Zastosowanie układów sterowania, które w modernizacji nie wymagają wielkich zmian sprzętowych, a jedynie zmianę programu zwiększyła wydajność produkcji i ułatwiła życie pracownikom. Należy pamiętać, że aby do tego doszło, tysiące ludzi odkrywało, ulepszało, głowiło się i ciężko pracowało. Niektórzy z nich zginęli lub tracili zdrowie np. podczas eksperymentów, abyśmy dzisiaj mieli do dyspozycji urządzenie mieszczące się bez problemu w rękach, potrafiące sterować nawet tysiącami wejść i wyjść, pobierając przy tym zaledwie kilkanaście watów mocy.
Bezpieczeństwo ponad wszystko
Warto jeszcze porównać zabezpieczenia, które stosowano kiedyś, z tymi, które posiadamy dziś. Pierwsze zastosowane zabezpieczenia, wyłączające maszyny oparte były o przycisk i stycznik, który w momencie kliknięcia odłączał zasilanie. Było to proste rozwiązanie, ale niepewne z uwagi na zjawisko zespawania się styków, co mogło prowadzić do ciągłej pracy maszyny po próbie wyłączenia jej. Często dodawano szeregowo połączony drugi stycznik, na wypadek uszkodzenia pierwszego, ale to również nie dawało 100% pewności zadziałania zabezpieczenia. Rozwiązaniem tych problemów było zastosowanie przekaźnika bezpieczeństwa, którego pracę nadzorował mikrokontroler. Mógł on monitorować stan styków, mierząc czasy przełączania, wykrywać zwarcia i kontrolować stan układów logicznych podłączonych do niego. Dodatkowo urządzenia te posiadają interfejsy komunikacyjne, pozwalające przesłać informacje o stanie pracy, błędy, a nawet statystyki o ilości przełączeń przekaźnika.
Przycisk E-stop (awaryjny)
Podsumowanie
Mając do dyspozycji opisy życia ludzi żyjących kilka tysięcy lat temu i informacje o osiągnięciach ówczesnej techniki, można wyobrazić sobie, jak długo zajęło naszej cywilizacji zbudowanie urządzeń, które wykonują to, co im powiemy (poprzez program). Można też dostrzec pewną współpracę między współczesnymi ludźmi a żyjącymi kilka wieków temu. Czerpiemy z ich wiedzy, wciąż ją ulepszamy, odkrywamy nowe zjawiska i być może za kilka tysięcy lat, przyszłe pokolenia wykorzystają naszą wiedzę do swoich potrzeb.
Nagrodę PROGRAMOWALNY PRZEKAŹNIK AKYTEC PR200 Z WYŚWIETLACZEM LCD dostarcza ambasador konkursu, firma akYtec. |
