Automaatika

Allikas: Vikipeedia

Automaatika on teaduse ja tehnika haru, mis tegeleb automaatseadmete ja automatiseeritavate protsesside kontrollimise ja juhtimise meetodite ning vahenditega.

Automaatikasüsteemide töö rajaneb süsteemi kuuluvate seadmete ja süsteemiosade seisundit kirjeldaval informatsioonil, mida edastatakse elektriliste, pneumaatiliste, hüdrauliliste, optiliste jm signaalide abil ja mis tagasisidestatuna saavad protsesse mõjutada. Signaalid juhitavast keskkonnast saadakse mitmesugustest anduritest.

Automaatika ja automaatjuhtimises on kasutada erinevaid kontrollisüsteemid nagu masinad, tootvad tehased, katlad, telefonivõrgud, laevade ja õhusõidukite juhtimis- ning kontrollimissüsteemid, vähendada inimese osakaalu tehnilistes protsessides. Mõned protsessid on automatiseeritud täielikult.

Suurimat kasu saame automaatikast see läbi, et see säästab tööjõudu. Kuid seda kasutatakse ka selleks, et säästa energiat ja materjale ning parandada kvaliteeti, usaldusväärsust ja täpsust.[1]

Mõiste automaatika (inglise keeles Automation), mis ei olnud laialdaselt kasutusel enne 1947. kui General Motors kehtestatud automaatika osakonna.[2]

Sell ajal tegi tööstus läbi kiire arengu ja tekkis nõudlus tagasisidestatud kontrollerite järele. Võeti kasutusele 1930. aastatel.[3]

Automaatika läbi juhuitavad potssessid võivad olla mehaanilised, hüdraulilised, pneumaatilised, elektrilised ja neid juhib mingit tüüpi arvuti. Tööstus automaatika puhul on tavaliselt protsessid kombineeritud. Keerulised süsteemid, nagu tänapäeva tehased, lennukid ja laevad kasutavad tavaliselt kõik tehnikaid.

AUTOMAATIKA TÜÜBID[muuda | muuda lähteteksti]

Kontroll süsteemid[muuda | muuda lähteteksti]

Diskreetne kontroll (START / STOPP)[muuda | muuda lähteteksti]

Üks lihtsamaid automaatika tüüpe on START /STOPP juhtimine. Näiteks jahutus ventilaatori mootori käima ja seisma panemine. Kui ruumi temperatuur tõuseb üle lubatud piiri, siis automaatika lülitab jahutus ventilaatori mootori tööle. Pärast ruumide jahutamist, kui temperatuur langeb soovitud tasemele, lülitatakse ventilaator taas seisma.

Järjestik kontrolli ahelad, milles on programmeeritud kindlat järjekorda täitvad diskreetsed toimingud. Näiteks lifti juhtimissüsteem omab järjestik kontrolli, kus ühele toimingule järgneb teine diskreetne sündmus.

Pidev kontroll[muuda | muuda lähteteksti]

Pideva kontrolli puhul mõõdetakse koguaeg anduriga mingisugust parameetrit ja vastavalt saadud tulemusele automaatika teostab toiminguid. Näiteks laevadel olev stabiliseerimissüsteem, mis jälgib laeva kalde nurka maakera raskuskeskme suunas. Vastavalt saadud tulemustele pumbatakse pallastipaakidest vesi ümber paremasse või vasakusse pardasse. See võimaldab ennetada laeva iseeneslikku kreeni vajumist. Süsteem võib koguda ka andmeid mitmelt andurilt ja vastavalt saadud tulemustele teostada mingisuguseid toiminguid.[4]

Avatud ja suletud ahel[muuda | muuda lähteteksti]

Kõik elemendid, mis mõõdavad ja kontrollivad ühte muutujat nimetatakse juhtahelaks.

Juhtahelad, mis kasutab mõõdetud parameetreid, võrdlevad neid, korrigeerivad ja saadab siis tagasi, et koguda uued andmed, nimetatakse suletud ahelaks. Teine ahel, kus kogutud andmeid ei töödelda ja tagasi ei saadeta nimetatakse avatud ahelaks.

Ahela juhtimist harilikult teostatakse läbi kontrolleri. Teoreetiline kutsutakse avatud ja suletud ahelaga automaatikat juhtteooriaks.

Jada- ja loogilinekontroll või ühtne süsteemikontroll[muuda | muuda lähteteksti]

Süsteemikontroll võib omada, kas jada- või loogilist ahelat. Mõlemad täidavad erinevaid tegevusi sõltudes mitmetest süsteemi osadest. Näiteks reguleeritav, kuid muidu kindla järjestusega töötav murukastmise süsteem.

Ühtse süsteemikontrollis on kasutusel erinevaid jada- ja loogilisekontrolli osasid, mis võivad esineda kasutamisel. Näiteks on lift, mis kasutab loogikal põhinevat süsteemi ja vastab kasutaja esitatud toimingu tingimustele. Kui kasutaja vajutab mingi korruse nuppu, siis süsteem reageerib sellele sõltuvalt, kas lift asetseb kasutajast kõrgemal või madalamal, kas lift sõidab või seisab, kas liftil on uksesuletud või avatud ja muudest tingimustest.[5]

Varem kasutati jadakontrolli, mis põhines releeloogikal, kus elektrilised releed toimisid kontaktidel. Kontaktid said olla kas avatud või suletud seisundis. Releesid hakati kasutama telegraafi võrkudes enne kui need levisid tööstuslikele seadmetele. Hiljem levisid releed tehastesse, kus neid kasutati mootorite käivitamiseks ja seiskamiseks või solenoidil põhinevate klappide avamiseks ja sulgemiseks. Kasutades relee kontrolli saab arendada välja jadakontrolli ahela, kus ühe relee rakendumisel rakendatakse järgmised releed ja sündmuste ahel. Keerukamad süsteemid on näiteks värava riivi süsteem, kus värava avamis mootoreit ei saa käivitada enne, kui värava riiv on avatud. Sulgemisel oodatakse ära värava sulgemine ja seejärel lukustub riiv.

Mõnes suuremas tehases võib releede, sammloendurite ja trumli sekventserite koguarv olla sadu või isegi tuhandeid. Sellised suured süsteemid oli vaja muuta programmeeritavateks ja juhitavateks. Ühena esimestest programmeerimis tehnikatest oli redel loogika, kus releed ühendamine sarnanes redeli pulkadele. Tänapäeval on töötatud välja spetsiaalsed arvutid, mida nimetatakse programmeeritavateks loogika kontrolleriteks ( Programmable Logic Controllers - PLC). PLC on mõeldud asendama relee loogika ahelaid ja neid on kergem uute tööülesannete jaoks ümber programmeerida.

Tavalise vahelduvvoolu mootori START ja STOPP ahel (nn. Juhtahel), kus mootor käivitub, kui vajutatakse START nuppu ja mootor peatub, kui vajutatakse STOPP nuppu. Selleks kasutatakse: START nuppu, millel on normaalolekus avatud kontakt, STOPP nuppu, millel on normaaloekus suletud kontakt ja releed või suuremate voolude korral kontaktorit, millel on kolm jõukontakti tööstusvoolu ja üks abikontakt kontroll ahela juhtimise jaoks. Pärast START nupu vajutamist ja nupu kontakti sulgemist pingestatakse relee mähis. Mähise pingestamise tagajärel relee rakendub ja kontaktid sulguvad. Jõukontaktidest läbiv vool juhitakse mähisesse, mis käivitab mootori. Sulgunud abikontakt on paralleelselt ühendatud START nupu kontaktiga, see relee mähisel pinge hoidmise ka pärast START nupu vabastamist. STOPP nupu normaalses olekus suletud kontakt on järjestiku ühendatud juhtahelas esimeseks. Pärast STOPP nupu vajutamist katkestatakse juhtahela vool ja releekontaktid avanevad. See peatab ka mootori töö. [6]

Enamasti lisatakse juhtahelasse veel elemente, mis kontrollivad süsteemi tööd. Näiteks mootori töötamiseks on vajalik eelnevalt käivitada teised protsessid, nagu õlitamine või jahutus. Sell juhul lisatakse mootori juhtahelasse plokeeringud, mis takistavad mootori käivitumist enne õlipumpa või jahutusventilaatorit. Loendurid, lõpulülitid või elektrilised silmad on samuti osad kontroll ahelat piiravateks elementideks.

Solenoidventiile kasutatakse laialdaselt suruõhu või hüdraulilise vedeliku vooluga ajamite mehhaaniliste komponentide liikuma panemiseks. Kuigi mootorite pöörlema panemiseks on lihtsam kasutada elektrit, väga täpse ja ühtlase liikumise saavutamiseks on mõistlik kasutada hüdraulilist energiad. Veel on hüdraulikat lihtne kasutada hüdraulilistel hoobadel, pressidel, haaratsitel, lohistitel jt.

Arvuti juhtimine[muuda | muuda lähteteksti]

Arvuti juhtimisega on võimalik teha nii jada kontroll ahelaid, kui ka tagasisidestusega kontroll ahelaid. Tavaliselt tööstuslikud arvutid teostavad mõlemaid protsesse. PLC on teatud eriotstarbelised arvutid, mis sisaldavad nii loendureid, sisend/väljund kontroll ahelaid, loogika ahelaid jne. PLC suudab suhelda kasutajaga üle võrguliidese. PLC-d suudavad reaalajas analüüsida andmeid ja edastada graafilise pildina kasutajatele.

Rahaautomaat on näide protsesside kogumikust, milles arvuti täidab loogika tehteid vastates kasutaja soovidele, suheldes samal ajal üle interneti andmebaasidega. 

AJALUGU[muuda | muuda lähteteksti]

Esimesed tagasiside kontroll mehhanismid võeti kasutusele riidest labadega tuulikutes. See patenteeriti Edmund Lee poolt 1745.[7]

Tsentrifugaaljõudu hakati kasutama 18. sajandi teisel veerandil, sellega reguleeriti veskikivide vahelist survet.[8] Aastal 1785 kasutas Oliver Evans jahuveskis tsentrifugaaljõudu, luues automaatse kiirust reguleeriva süsteemi. 1788 aastal kasutas tsentrifugaaljõu regulaatorit James Watt aurumasinal.[7]

Tsentrifugaaljõu regulaatorit ei saanud kasutada suurte kiiruste juures. See toimis ainult aeglastel kiirustel. Et tsentrifugaaljõu regulaatorit saaks kasutada aurumasinad, tehti mitmeid edasi arendusi reguleerides soojust kateldes. Ka sellistes süsteemides tekkisid kiiruse kõikumised, kuna süsteem reageeris tavaliselt viitega. Kuni 19. sajandini viidi sisse mitmeid muudatusi, et parandada kontrolli masinate kiiruse üle.[7]

Tsentrifugaaljõu regulaatori arendused toimusid edasi katsetuste põhimõttel ja teaduslikule uurimusele pöörati vähe tähelepanu. Esimesena avaldas raamatu James Clerk Maxwell, milles kirjeldati elektromagnetilise väljateooriaid. Maxwelli teooriaid aluseks võttes 1920. a arendati välja elektrooniline võimendi, mis oli oluliseks sammuks pikamaa telefonisides. See võimaldas kõrgemat signaali-müra suhet, mis oli lahendatud negatiivse tagasisidega mürasummutuses. Militaar sektoris võeti kasutusele Teise maailmasõja ajal. Maxwelli teooriaid kasutades võeti kasutusele tulejuhtimissüsteem ja õhusõidukite kontroll süsteem. Sõna "automaatika" ise võeti kasutusele 1940. aastatel General Electric poolt. [8] Klassikaline käsitlus kontrolli teooriale on antud aastatel 1940. ja 1950.[4]

Relee loogika ja elektrifitseerimine võeti kasutusele tehastes 1900. Aastaks 1920 oli teinud läbi kiire arengu. Kasvav elektri nõudlus tõi kaasa elektrijaamade kiire arengu. Kõrgsurvekatlad, auruturbiinid ja elektrialajaamad tekitasid suure nõudluse kontrolli seadmete järgi.

Kesksed kontrollruumid hakkasid tekkima 1920. aastatel. Põhilised protsessi juhtimised olid sisse ja välja lülitamised. Süsteemi operaatorid said avada ja sulgeda ventiile, sisse ja välja lülitada mootoreid, jälgida graafikuid salvestada andmeid ja andmeid väljastada, teha parandusi ja muudatusi. Kontrollruumidesse võeti kasutusele värvikoodidega signaaltuled. Töötajad said teha muudatusi käsitsi, puudus veel süsteemi poolne operatsiooni juhtimine.[9]

Kontrollerid, mis olid suutelised täitma lihtsamaid arvutuslike ülesandeid ja viima sisse muudatusi ning seadistama süsteeme korrigeerima kõrvalekallet seatud punktist, võeti kasutusele 1930 aastatel. Kontrollerid, mis võimaldasid jälgid tehaste tootlikust samal ajal vähendada elektri kasutamisele pandud kulusid.[10]

Aastal 1959 Texaco Port Arthur rafineerimistehase oli esimene keemiatehas, mis võttis kasutusele digitaalse kontrolli süsteemi. [11] Digitaalne kontroll süsteem tehastes hakkas kiiresti levima 1970 aastatel, kui arvuti riistvara hind langes.

OLULISED RAKENDUSED[muuda | muuda lähteteksti]

Automaatne telefonikeskjaam võeti kasutusele 1892. aastal koos kettaga telefonidega. [12] 1929. aastal 31,9% Bell süsteem oli automaatsed. Automaatses telefonikeskjaamas kasutati algselt vaakumtoru võimendeid ja elektro-mehaanilisi lülitid, mis tarbisid suures koguses elektrienergiat. Telefoni kõnede helitugevuse kasvas lõpuks nii kiiresti, et kardeti telefonide süsteem tarbiks ära kogu toodetava elektrienergia, see sundis Bell Labs-i alustama transistorite uuringuid.[13]

Telefonide lülitusreleede loogika andis inspiratsiooni digitaalse arvuti loomisele.

Esimene kaubanduslikult edukas automaatne klaaspudelite puhumismasin, tuli kasutusele 1905. aastal.[14] Masin, mida haldab kahe meheline meeskond, töötatakse 12-tunniste vahetustega ja suudaks toota 17280 pudelit 24 tunni jooksul. Võrreldes käsitsi valmistatult suutis kuusmeest valmistada ööpäevas 2880. Kulude arvutuslikult tuli masinaga toodetult ühe pudeli hinnaks 10 kuni 12 senti bruto ja käsitsi valmistatult $ 1,80 bruto.

Tehastes, kus kasutati seksioonideks jaotatud elektriajameid koostööliinides, arendati välja kontrolli teooria. Erinevad ajamid pidid töötama erineva kiirusega. Terase valtsimis tehased, kus terast tõmmatakse läbi erineva paksusega rullide vahelt. Esimesed rullid, mille vahe on kõige suurem pöörlevad kõige aeglasemalt. Iga järgmine rulli paar pöörleb järjest kiiremini. Kõik rullid peavad pöörlema püsiva kiirusega. Sarnane süsteem toimib ka paberi valmistamise tehastes, kus iga rulli paar peab töötama kindla püsiva kiirusega. Esimene elektri ajamil töötav seksioonideks jaotatud masin oli paberi tootmis masin 1919.[15] Üks tähtsamaid arenguid terasetööstuses 20. sajandi jooksul oli laia terasplekki valmistav masin Armco 1928.[16]

Enne automaatikat valmistati palju kemikaale partiidena. 1930. aastal leidsid laialdast kasutamist instrumendid ja arendati kontrollerid, mis võimaldasid pidevat tootmist. Asutajaks oli Dow Chemical Co. [17]

Isetoimivad tööpingid, mida saaks ümber seadistada selliselt, et neid suudaksid hallata ka oskusteta töölised. Esimese sellise töötas välja James Nasmyth 1840. aastal.[18] Tööpingid, mis olid automaitseeritud arvjuhtimist(Numerical Control - NC) kasutades, programmeeritud perforeeritud kaartide peale 1950. See arenes kiiresti arvutipõhiseks numbriliseks kontrolliks (Computeriszed Numerical Control - CNC).

Tänapäeval kasutatakse automaatikat igat liiki tootmis ja montaaži liinides. Mõned suurimad tootmis harud on elektri tootmine, nafta rafineerimine, keemiatööstus, terase tööstus, plastiku tootmine tsemendi tehased taime väetise tootmine, maagaasi eraldamine, toidutööstus, klaasi tootmine jne. Robotid on eriti kasulikud ohtlike tööde teostamisel nagu keemia tööstus. Roboteid kasutatakse ka näiteks pisikeste elektroonika komponentide tootmiseks, millega inimesed enam hakkama ei saaks. Paljudes tehastes tänapäeval teevad toote valmis algusest lõpuni ja inimese osakaal on ainult seadmeid kontrollida ja koordineerida.

EELISED JA PUUDUSED[muuda | muuda lähteteksti]

Peamised eelised automaatika juures on:[muuda | muuda lähteteksti]

  • Suurem tootlikkus või produktiivsus.
  • Parem kvaliteet.
  • Parem protsesside või loodud toodete töökindlus (järjepidevus).
  • Vähendatud inimese otsese tööjõukulu.
  • Suurenenud kasumlikkus.

Järgmised meetodid töötavad enamasti tootlikkuse, kvaliteedi või töökindluse parandamiseks.[muuda | muuda lähteteksti]

  • Automaatika paigaldamine vähendab operatsioonideks teostatava tsükli aeg.
  • Automaatikat on sobiv kasutada kohtades, kus on suurt täpsust vaja.
  • Asendades inimese töö ülesandeid, mis hõlmavad rasket füüsilist või monotoonset töö. [19]
  • Asendades inimest ohtlikes ülesannetes (nt tulekahju, kosmoses, vulkaanidel, tuumarajatistes, veealustes töödes jne)
  • Täita ülesandeid mis on üle inimese võimete näiteks suuruse, kaalu, kiiruse, vastupidavuse jms
  • Automaatika võib edendada majandust ja ettevõtteid. Näiteks, kui ettevõte investeerib automaatika, tehnoloogia arendamisse, tõuseb tootlikus ja kasum.
  • Vähendab tööaega.
  • Töötajad saavad täita teisi ülesandeid.
  • Pakub töökohti kvalifitseeritud spetsialistidele, kes on suutelised seadmeid hooldama ja häälestama.

Peamised automaatika puudused on:[muuda | muuda lähteteksti]

  • Julgeolekuoht / haavatavus: automatiseeritud süsteem on piiratud intelligentsus tasemega ning on seetõttu kergemini haavatav välistele mõjutajatele.
  • Ettearvamatu / liigsed arenduskulud: Uuringute ja arendustegevuse kulud protsesside automatiseerimiseks võivad ületada kulud, mida hiljem üritatakse säästa.
  • Kõrge esialgne maksumus: uue toote jaoks automaatika loomine nõuab suurt esialgset investeeringut ja aega.

Töötlevas tööstuses automaatika kasutamise eesmärgid on loonud laiemad küsimused tootlikkus, maksumuse ja aja kohta.

VIITED[muuda | muuda lähteteksti]

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Automation#CITEREFBennett1993
  2. Rifkin, Jeremy (1995). The End of Work: The Decline of the Global Labor Force and the Dawn of the Post-Market Era. Putnam Publishing Group. pp. 66, 75
  3. Bennett, S. (1993). A History of Control Engineering 1930-1955. London: Peter Peregrinus Ltd. On behalf of the Institution of Electrical Engineers. ISBN 0-86341-280-7
  4. 4,0 4,1 Bennett 1993
  5. The elevator example is commonly used in programming texts, such as Unified modeling language
  6. http://www.exman.com/mshoass.html
  7. 7,0 7,1 7,2 Bennett 1979
  8. Bennett, S. (1979). A History of Control Engineering 1800-1930. London: Peter Peregrinus Ltd. pp. 47, 266. ISBN 0-86341-047-2.
  9. Bennett 1993, pp. 31
  10. Field, Alexander J. (2011). A Great Leap Forward: 1930s Depression and U.S. Economic Growth. New Haven, London: Yale University Press. ISBN 978-0-300-15109-1.
  11. Rifkin 1995
  12. Jerome, Harry (1934). Mechanization in Industry, National Bureau of Economic Research (PDF). p. 158.
  13. Constable, George; Somerville, Bob (1964). A Century of Innovation: Twenty Engineering Achievements That Transformed Our Lives. Joseph Henry Press. ISBN 0309089085.
  14. "The American Society of Mechanical Engineers Designates the Owens "AR" Bottle Machine as an International Historic Engineering Landmark" (PDF). 1983.
  15. Bennett 1993, pp. 7
  16. Landes, David. S. (1969). The Unbound Prometheus: Technological Change and Industrial Development in Western Europe from 1750 to the Present. Cambridge, New York: Press Syndicate of the University of Cambridge. p. 475. ISBN 0-521-09418-6.
  17. Bennett 1993, pp. 65Note 1
  18. Musson; Robinson (1969). Science and Technology in the Industrial Revolution. University of Toronto Press.