А.Г. Староверов основы автоматизации производства

УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ

Староверов Анатолий Георгиевич

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

Настоящий учебник написан в соответствии с программой курса «Основы автоматизации производства» для учащихся средних специальных учебных заведений, что обусловило некоторую специфичность изложения материала. Так, для иллюстрации области применения измерительных приборов, регуляторов, систем управления приводятся несколько примеров, каждый для своей специальности. Структурно излагаемый материал делится на пять разделов.

В первом разделе рассмотрены элементы автоматики, т. е. сведения о первичных преобразователях, усилителях и стабилизаторах, задающих и исполнительных устройствах.

Во втором разделе приведены данные о контроле и измерительных приборах, используемых для измерения различных величин, характеризующих технологические процессы.

В третьем разделе изложены основы автоматического управления контроля и регулирования. Описываются типы, конструкции и характеристики промышленных регуляторов.

Четвертый раздел посвящен общим характеристикам микропроцессорных систем и их применению для управления производственными процессами.

В пятом разделе изложены основные сведения о конструкциях промышленных роботов и областях их применения.

ВВЕДЕНИЕ

К основным задачам развития народного хозяйства страны относятся всемерное ускорение темпов комплексной автоматизации производственных процессов во всех отраслях народного хозяйства, особенно механизации и автоматизации вспомогательных работ, и существенное сокращение доли ручного труда. Для выполнения этих задач, поставленных XXVII съездом КПСС, важное значение имеет широкое применение микропроцессорной техники и промышленных роботов, позволяющих внедрять автоматизированные системы управления, механизировать трудоемкие, тяжелые и опасные для здоровья человека работы, увеличивать производительность труда, улучшать качество продукции и снижать ее себестоимость. Здесь под управлением понимается определенная совокупность операций, необходимых для пуска и останова какого-либо агрегата или устройства, а также для поддержания или изменения величин, характеризующих протекающий на нем технологический процесс. При наиболее простых целях управления (например, поддержания температуры в рабочем пространстве печи) процесс управления называют регулированием.

В настоящее время под термином «автоматизация» понимается применение и внедрение автоматических устройств, приводящие к освобождению человека от непосредственного участия в технологических процессах. Теоретическую и научную базу автоматизации составляет целая область знаний – автоматика. Этим же словом обозначается определенная совокупность механизмов и устройств, действующих автоматически.

В современной автоматизации слились достижения различных областей знаний – математики и электроники, физики и химии, кибернетики и бионики. Влияние автоматизации распространяется даже на область психологии и философии.

Автомат (в переводе с греческого – самодействующий) – устройство (машина, аппарат, прибор, приспособление), позволяющее осуществлять производственный процесс без непосредственного участия человека и лишь под его контролем.

Практическое воплощение идеи автоматизации не было в ходе истории прямым: оно шло, то замедляясь, то приобретая бурный темп. Могучим толчком к развитию автоматики было изобретение часов. На базе часовых механизмов были созданы многие сотни и тысячи автоматов-игрушек в виде фигур людей, богов, животных, имитировавших движения, забавлявших своих владельцев, поражавших взоры современников. Но значение часов, их влияние на жизнь человечества гораздо шире и сложнее.

В развитие автоматики и вычислительной техники вложен труд многих отечественных и зарубежных ученых.

С именем великого мыслителя М.В. Ломоносова связано начало развития приборостроения. Он вместе с академиком Г.В. Рихманом впервые в мире построил электрический измерительный прибор со шкалой. М.В. Ломоносов доказал, что «электричество взвешено быть может».

Автоматический регулятор, принцип которого лежит в основе всех современных регуляторов, был разработан и испытан в 1765 г. И. И. Ползуновым за 20 лет до изобретения регулятора Уатта. В регуляторе Ползунова, правда в несовершенном виде, был заложен принцип прямой и обратной связи.

Академик Б.С. Якоби создал электродвигатель (1834 г.) и синхронную передачу. В 1850 г. Э.X. Ленц разработал осциллограф. Изобретатель А.П. Давыдов в 1865 г. создал следящий привод. В 1874 г. В.Н. Чиколевым был разработан электрический регулятор со следящей системой. Профессор Петербургского технологического института И.А. Вышнеградский в 1877 г. заложил основы теории автоматического регулирования.

Дальнейшее развитие теория автоматического регулирования получила в работах А.М. Ляпунова и, особенно, в трудах отца русской авиации проф. Н.Е. Жуковского.

После Великой Октябрьской социалистической революции большой вклад в развитие теории автоматического регулирования сделали советские ученые член-корреспондент АН СССР И.Н. Вознесенский, академики Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, А.А. Андронов, В.А. Котельников.

В настоящее время советские ученые занимают ведущее положение в разработке теории автоматического управления.

Огромный скачок в развитии автоматического управления был совершен, когда в системы автоматического регулирования стали включаться быстродействующие электронные вычислительные машины. Развитие вычислительной техники сделало возможным создание больших автоматических систем управления сложными производственными процессами и целыми отраслями промышленности.

Большой вклад в дело создания приборов и машин, связанных с развитием счетно-решающей техники, внесли русские ученые и инженеры. Описание приборов, относящихся к классу счетчиков, даны еще М.В. Ломоносовым в работе «Оптические и химические записки».

В XVII в. Б. Паскаль создал машину, выполняющую арифметические операции над числами и получившую большую известность во многих странах, но наладить в то время массовое производство счетных машин было невозможно.

В 1819 г. Ч. Бэббедж приступил к изготовлению разностной машины для расчета астрономических и морских таблиц. Из-за финансовых и технических трудностей проект этой машины не был осуществлен. Однако машина Ч. Бэббеджа послужила прообразом универсальных вычислительных машин.

В 1854 г. П.А. Зарубин изобрел ручной планиметр, являющийся по существу интегратором. Академик П.Л. Чебышев в 1883 г. создал счетную машину, выполняющую операции сложения, вычитания, умножения и деления. В 1874 г. русский инженер В.Т. Однер сконструировал механический арифмометр, который завоевал большую популярность.

Академик А.Н. Крылов основал теорию решения машинным способом сложных дифференциальных уравнений.

В конце XIX в., когда в технике начали использовать электричество, американский ученый Г. Холлерит предложил в качестве носителя информации при машинной обработке статистических данных использовать перфокарты. Этот ученый явился родоначальником машин, которые сейчас носят название счетно-перфорационных.

Счетно-аналитические машины непрерывно совершенствовались: в 1913 г. был создан табулятор, печатающий результаты; в 1921 г. к табулятору была прибавлена коммутационная форма, на которой могла храниться своеобразная программа обработки данных.

В середине 30‑х годов нашего столетия счетно-аналитические машины начали использоваться для выполнения научно-технических расчетов. Инициатором этого направления был англичанин Дж. Комри, создавший разностную машину на электромеханической основе по идеям Ч. Бэббеджа.

В начале 40‑х годов американский ученый Шеннон и советский физик В.И. Шестаков независимо друг от друга предложили применение аппарата математической логики к анализу и синтезу релейных схем.

Первые электронные вычислительные машины были построены на электронных лампах. Они имели низкую надежность и большие габаритные размеры.

Развитие полупроводниковой техники и серийного производства полупроводниковых приборов позволило приступить к разработке ЭВМ второго поколения. В этих машинах использовались полупроводниковые приборы и малогабаритные радиодетали, а соединение элементов между собой осуществлялось методом печатного монтажа. Высокая надежность, сравнительно малые размеры элементов дали возможность разработать специализированные ЭВМ, включаемые в системы автоматического управления.

Дальнейшее развитие технологии изготовления радиоэлементов привело к созданию микроэлектронных вычислительных машин и устройств автоматики. Эти машины получили название машин третьего поколения. По сравнению с машинами второго поколения они имеют меньшие габаритные размеры и потребляемую мощность и более высокие надежность и быстродействие. Автоматизация производства интегральных схем, использование многослойного печатного монтажа снизили в целом стоимость ЭВМ, позволили шире применять их в системах автоматики.

В настоящее время без применения ЭВМ, микропроцессорной техники не мыслится современное производство.

Анализируя тенденции развития автоматизации производственных процессов, можно отметить три основных ступени, на которых решались различные по своей сложности задачи.

На первой ступени автоматизации рабочего цикла основное внимание уделялось созданию автоматов и полуавтоматов, которое явилось неизбежным следствием развития и совершенствования конструкции рабочих машин. На этой ступени автоматизация технологических процессов охватывает лишь отдельные операции обработки, а сборку, контроль и упаковку готовой продукции проводят вручную или с применением средств механизации.

Второй ступенью автоматизации является создание автоматических машин (автоматических линий), объединяющих выполнение разнообразных операций обработки, контроля, сборки, упаковки и т. д. Автоматической линией называется автоматическая система машин, расположенных в технологической последовательности, объединенных средствами транспортировки, управления, автоматически выполняющих весь комплекс операций, кроме наладки.

Третьей ступенью автоматизации является комплексная автоматизация производственных процессов – создание автоматических участков, цехов и заводов с широким использованием ЭВМ, автоматических систем управления производством (АСУП), систем управления качеством, гибких роботизированных комплексов.

РАЗДЕЛ І. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ