ВВЕДЕНИЕ
Многие понятия техники возникли в эпоху эллинизма, завершающую эпоху истории Древней Греции (примерно с 300 до 30 г. до н. э.). К таким понятиям относятся: техника (искусство, мастерство), машина (нечто искусственное, придуманное), автомат (самодвижущий). Это означает, что в данный период в Греции были сделаны многие важные изобретения. Сохранились описания автомата, созданного греком Героном из Александрии (около первого века до н. э.). Он изобрел несколько устройств (пневматических), использующих давление воздуха. Одним из таких устройств являлся его храмовый автомат: когда разгорался жертвенный огонь, невидимое устройство распахивало двери храма и перед народом, охваченным священным трепетом, появлялись статуи богов.
К средним векам относится изобретение А. фон Больштадтом (XIII в.) «железного человека» – робота для открывания и закрывания дверей.
Несмотря на появление отдельных автоматических устройств, они оставались любопытными эпизодами и серьезного влияния на формирование техники и теории автоматического управления не оказали. Первое промышленное использование автоматических устройств началось в XVIII и XIX столетиях, в эпоху промышленного переворота в Европе. К важнейшим изобретениям этого периода относят: автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины, построенный в 1765 г. русским механиком И. И. Ползуновым; центробежный регулятор скорости паровой машины, на который в 1784 г. получил патент английский механик Дж. Уатт; первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты (для воспроизведения узоров на коврах), построенное в 1808 г. Ж. Жаккаром. Эти регуляторы открыли путь потоку изобретений принципов регулирования и регуляторов вплоть до середины XIX в.
Русский ученый офицер К. И. Константинов разработал в 1844 г. переключатель электрических цепей, а в 1854 г. – электромагнитный регулятор скоростей паровой машины. В 1869 г. электротехник В.Н.Чиколев предложил автоматический регулятор для дуговых ламп.
Первые теоретические работы в области автоматического управления появились во второй половине XIX в., когда в промышленности получили широкое распространение регуляторы паровых машин и инженеры стали сталкиваться с трудностями при их подключении к паровым машинам. Регулятор «раскачивал» машину или вообще оказывался неспособным ею управлять. При теоретических исследованиях регулятор рассматривался отдельно от паровой машины, не учитывалось их взаимовлияние. Именно в этот период крупный русский ученый и инженер И. А. Вышнеградский выполнил ряд фундаментальных научных исследований, результаты которых он изложил в своих работах «Об общей теории регуляторов» (1876 г.) и «О регуляторах прямого действия» (1877 г.). Он впервые осуществил системный подход к проблеме, рассмотрев регулятор и машину как единую динамическую систему, что позволило дать общий методологический подход к исследованию самых разнородных по признакам действия и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости, установить ряд важных общих закономерностей регулирования по принципу обратной связи. И. А. Вышнеградский является основоположником теории автоматического регулирования.
В дальнейшем выдающиеся русские ученые А. М. Ляпунов и Н. Е. Жуковский создали основы математической теории процессов, протекающих в автоматически управляемых машинах и механизмах. Н. Е. Жуковский является автором первого русского учебника «Теория регулирования хода машин» (1909 г.).
В первые десятилетия XX в. автоматика формируется как самостоятельная научная дисциплина. В это время в СССР и за рубежом были изданы первые монографии и учебники, в которых автоматические устройства различной физической природы рассматривались едиными методами.
Особенно большой вклад в развитие автоматики внесли советские ученые. Трудами А. А. Андронова и его школы, А. И. Лурье, А. М. Летова были созданы основы теории нелинейных автоматических систем. Я. 3. Цыпкиным разработаны основы теории релейных и импульсных систем. Трудами Г. В. Щипанова, B. C. Кулебакина, Б. Н. Петрова и других найдено решение задач автоматического регулирования по возмущению и компенсации возмущений и инвариантности. В. В. Казакевичем, А. А. Фельдбаумом, А. А Красовским и другими разработаны принципы экстремального управления. Л. С. Понтрягин, А. М. Летов, Н. Н. Красовский и другие создали основы теории оптимального управления.
Международным признанием заслуг советской школы автоматики явилось то, что первый конгресс Международной федерации по автоматическому управлению состоялся в 1962 г. в Москве. Первым председателем этой авторитетной организации был избран советский ученый акад. Б. Н. Петров.
Разработка и внедрение автоматических устройств и систем в горную промышленность начались в 30-х годах прошлого столетия. В 1930 г. проф. В. Б. Уманский опубликовал статью «Автоматизация рудничного подъема с приводом от асинхронного двигателя». В 1933 – 1934 гг. на ряде крупных шахт вводится диспетчерское управление подземным транспортом. Под руководством проф. B. C. Тулина (1947 г.) была испытана первая автоматически управляемая подъемная машина.
В первый период автоматизация носила экспериментальный характер, так как необходимо было выбрать особые, отличные от общепромышленных систем, принципы и методы автоматического управления горными объектами, разработать требования к аппаратуре и наладить ее серийный выпуск.
Широкое внедрение автоматических устройств в горной промышленности началось в послевоенные годы. В 1953 г. был создан институт Гипроуглеавтоматизация, возглавлявший работы по автоматизации производственных процессов на предприятиях угольной промышленности. Были организованы институт Автоматгормаш, ВНИИЦветмет, Цветавтоматика, Институт горной механики и технической кибернетики им. М.М. Федорова и др.
К началу 60-х годов был налажен выпуск широкой номенклатуры средств горной автоматики. Для производства различной аппаратуры автоматизации шахт и рудников были созданы заводы «Красный металлист» (г. Конотоп), шахтной автоматики (города Днепропетровск, Прокопьевск, Макеевка), «Севкавэлектроприбор» (г. Нальчик) и др.
Отечественная промышленность добилась серьезных успехов в деле создания разнообразной аппаратуры автоматизации, применяемой на добывающих предприятиях. В качестве примера можно назвать ряд автоматических устройств, характеризующихся высокими эксплуатационными качествами и предназначенных для управления конвейерными линиями (АУК.1М), шахтными поездами (СТАРТ-1), водоотливными и вентиляторными установками (УАВ, ВАВ, УКАВ-М, «МЕТАН»).
Вторая половина XX в. – период бурного развития электроники. Создание транзистора, тиристора, микропроцессора – все это привело к кардинальным изменениям в построении автоматических систем. Управляющие микроЭВМ стали неотъемлемой частью даже самых простых устройств.
С середины 70-х годов наряду с совершенствованием традиционных средств автоматики осуществляются работы по созданию автоматизированных систем управления (АСУ) горными предприятиями, характеризующихся широким использованием микроЭВМ для автоматического управления производственными процессами и сбора информации с целью ее анализа и последующего использования при управлении производством.
Современный период развития автоматических устройств в горной промышленности характеризуется массовым внедрением управляющих микроЭВМ в системах управления горных машин и установок, заменой релейно-контактных схем управления на программируемые логические контроллеры, применением цифровых устройств управления электроприводами горных машин и установок.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ УПРАВЛЕНИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ
Нормальный ход различных технологических и производственных процессов может быть обеспечен лишь при управлении ими. Сами по себе объекты, без управления ими, не могут устранить отклонение режима от заданного, вызываемое различными причинами.
Управлением называют целенаправленное воздействие, оказываемое на какой-либо объект для достижения определенной цели путем изменения его состояния.
Обратим внимание на то, что управление – это не просто внешнее воздействие на объект, а целенаправленное воздействие. Если цель управления не поставлена, то говорить об управлении бессмысленно.
Самым существенным при управлении является то, что для осуществления управления необходимо всегда меньшее количество энергии, чем требуется энергии для нормального протекания процесса, которым управляют.
Управление может быть ручным или автоматическим. При ручном управлении на объект управления воздействует человек, наблюдая по приборам за ходом процесса. При автоматическом управлении на объект управления воздействует специальное управляющее устройство, т.е. операции управления выполняют технические устройства. Управляющее устройство производит действия, которые при ручном управлении выполняет человек.
Замену труда человека в операциях управления называют автоматизацией, а технические устройства, выполняющие операции управления без участия человека, – автоматическими управляющими устройствами.
Область науки и техники, которая занимается созданием технических устройств, осуществляющих управление производственными процессами и машинами без участия человека, называется автоматикой.
Необходимой базой создания автоматических устройств является механизация. Она освобождает человека от тяжелого физического труда, передаёт машине действия человека, связанные с большими мышечными усилиями в производственном процессе.
Автоматизация производственных процессов – это высший этап развития машинного производства, когда техническим устройствам передаются функции управления, ранее выполнявшиеся человеком и связанные с работой его мозга (контроль, сигнализация, выбор наивыгоднейшего режима работы и т. д.).
Необходимость автоматизации вызвана объективными причинами, всем предшествующим развитием машинного производства.
Автоматизация позволяет:
вести процесс на таких скоростях, при которых человек не в состоянии обеспечить необходимый контроль за процессом;
обеспечить большую точность производственного процесса и исключить субъективное влияние человека на протекание процесса;
освободить человека от опасного и тяжелого труда;
увеличить долговечность оборудования за счет снижения уровня и продолжительности перегрузок;
осуществить эксплуатацию машин в рациональном режиме при оптимальном расходе сырья и электроэнергии;
снизить аварийность и уменьшить время простоев оборудования.
Совокупность связанных между собой автоматического управляющего устройства и объекта управления называется системой автоматического управления.
Системы автоматического управления (САУ) весьма многообразны и выполняют различные функции:
автоматический контроль, обеспечивающий получение и обработку информации о состоянии и условиях работы объекта;
автоматическую защиту, осуществляющую отключение управляемого объекта без участия человека при аварийных (ненормальных) режимах работы;
автоматический пуск, остановку и реверсирование машин и механизмов (водоотливная установка, компрессор, вентилятор);
автоматическое поддержание на заданном уровне параметров технологического процесса (напряжение генератора, скорость электродвигателя, давление компрессора и др.);
автоматическое изменение параметров технологического процесса по заданному закону во времени (скорость подъёмной установки при её пуске и остановке);
автоматический поиск наивыгоднейшего режима работы машин, механизмов (например, обеспечение заданного технологического процесса при минимальных расходах сырья и энергии).
По степени освобождения человека от функций непосредственного управления объектами и технологическими процессами принято различать частичную, комплексную и полную автоматизацию.
Частичная автоматизация предусматривает освобождение человека от простейших функций управления: измерения выходных величин системы и их стабилизации на заданном уровне, контроля работоспособности объектов, аварийного отключения, сигнализации. При этом могут полностью автоматизироваться отдельные машины и установки. Объектом управления в целом управляет человек, который выбирает режимы работы отдельных агрегатов и регуляторов, оценивает состояние технологического процесса, принимает решения после аварийных отключений при срабатывании защиты.
Комплексная автоматизация охватывает весь комплекс производства, все основные и вспомогательные операции. Одним из главных признаков комплексной автоматизации является наличие общей системы управления, объединяющей устройства управления отдельными машинами и установками. Все технические средства контроля, управления и связи сосредоточиваются на центральном диспетчерском пункте (ЦДП). Функции человека по управлению сводятся к выбору режимов работы оборудования, наблюдению за ходом производственного процесса и анализу его результатов.
Полная автоматизация завершает автоматизацию производства, когда все функции контроля и управления передаются устройствам автоматики. На данном этапе комплексная автоматизация дополняется созданием автоматизированной системы управления производством (АСУП), широким использованием электроннных вычислительных машин (ЭВМ) и телемеханических систем. Вся информация о ходе производственных процессов поступает в управляющую ЭВМ, где она обрабатывается по заданным программам. На основании собираемой информации система автоматического управления самостоятельно, без участия человека, решает задачи оптимального управления производственными процессами. Функции человека сводятся лишь к наблюдению за ходом производственного процесса, настройке и регулировке оборудования и систем управления.
При проведении горных работ применяют следующие виды управления: местное, дистанционное, полуавтоматическое, автоматическое, автоматизированное и централизованное.
При местном управлении включение, изменение режимов работы, контроль за ходом процессов и отключение осуществляются обслуживающим персоналом непосредственно с места установки механизма или машины.
При дистанционном управлении объект находится на некотором расстоянии (не превышающем 1000 м) от пункта управления, устанавливаемого в месте, удобном для управления и наблюдения.
При полуавтоматическом управлении одна группа операций выполняется оператором, другая группа операций – устройствами автоматики без участия оператора.
При автоматическом управлении все команды на включение, изменение режима работы и отключение машин и установок подаются без участия человека с помощью аппаратуры автоматики.
При автоматизированном управлении оператор подает пусковой импульс с помощью кнопок или ключей управления, а дальнейшая работа объекта осуществляется автоматически без непосредственного участия человека. Оперативный останов производится оператором, аварийный останов – автоматически.
При централизованном управлении все механизмы, машины и установки технологического комплекса или предприятия включаются и контролируются с помощью средств дистанционного и телемеханического управления с центрального диспетчерского пункта, обычно расположенного на значительном расстоянии от объектов управления.
При дистанционном управлении и контроле пункт управления находится на определенном удалении от объекта управления или контроля. Если расстояние между пунктом управления и объектом управления не превышает нескольких десятков метров, то их соединение между собой посредством электрических проводов не вызывает особых затруднений. Иначе обстоит дело, если пункт управления и объект управления расположены на значительном расстоянии друг от друга: на расстоянии нескольких сотен метров, километров и десятков километров. Так как при дистанционном управлении с увеличением числа передаваемых команд в прямой зависимости возрастает число проводов, необходимых для передачи этих команд, то стоимость соединительных линий, состоящих из множества электрических проводников большой длины, может значительно превысить стоимость остальных частей установки. Следовательно, при значительном расстоянии использование дистанционного управления экономически невыгодно. Кроме того, при больших расстояниях становится труднее обеспечить передачу сигналов без их существенного искажения: возможны помехи от электрических установок, расположенных вдоль линии прохождения сигналов, под действием атмосферных условий (температура, влажность) изменяются параметры соединительных линий.
Поэтому для передачи сигналов на значительные расстояния применяют специальные телемеханические системы, позволяющие сократить число линий связи, сделав его меньшим числа передаваемых команд. В этом случае по одной линии связи может передаваться одновременно несколько команд. Задачей телемеханических систем является выделение из большого количества посылаемых сигналов только одного, необходимого для управления объектом. Телемеханическая система позволяет обеспечить надежную и точную передачу сигналов и команд при действии помех и изменении параметров линии связи.
Область науки и техники, которая рассматривает теорию и технические средства передачи на большие расстояния команд управления и информации об объектах управления, называется телемеханикой.
Управляющие устройства САУ могут быть реализованы на основе различных аппаратных средств. Эти средства можно разделить на два больших класса – жесткой (монтажной) и программируемой логики. Для реализации устройств жесткой логики применяют электромеханические элементы – реле и контакторы, а также интегральные микросхемы малой и средней степени интеграции. Главный недостаток таких устройств – отсутствие гибкости при изменении параметров и структуры управления. В этом случае необходима переделка (перемонтаж) схем, связанная с заменой одних элементов на другие, добавлением новых, изменением схемы их соединений, т. е. требуется изменение аппаратной (элементной) части схемы управления. Другим недостатком устройств с жесткой логикой является трудность реализации сложных алгоритмов управления.
Устройства с программируемой логикой строятся на основе микропроцессорных систем управления. Основное преимущество устройств с программируемой логикой – гибкость. Путем замены одной программы другой возможно изменение не только параметров, но и структуры САУ. При этом аппаратная часть остается без изменений. Применение устройств с программируемой логикой позволяет снять ограничения, связанные с трудностью аппаратной реализации сложных алгоритмов управления. На основе микропроцессорных систем возможна организация самодиагностики и самотестирования управляющих устройств, проверка исправности преобразователей, двигателей, датчиков, механического оборудования, раннее предупреждение аварий.