Automaatika

Allikas: Vikipeedia

Automaatika on teaduse ja tehnika haru, mis käsitleb tootmise automaatse ja automatiseeritud juhtimise teooriat ning selle juhtimise vahendite ja süsteemide ehituspõhimõtteid. Teadusharuna uurib automaatika tehniliste protsesside kulgemise tingimusi ja juhtimisalgoritme ning nende protsesside seaduspärasusi, loob automaatjuhtimissüsteemide sünteesi ja analüüsi meetodeid ning nende ehitamise põhimõtteid. Selles on automaatika tihedalt seotud tehnilise küberneetikaga.[1]

Automaatika all võib mõista ka automaatreguleerimist või -juhtimist, mis juhtimissüsteemide abil juhib masinaid, teostab tehastes erinevaid protsesse, suunab või stabiliseerib laevu ja lennukeid ning seda kõike inimeste sekkumiseta. Selle suurimaks eeliseks on tööjõu, energia ja materjalide säästlikkus, samuti kõrgem töökvaliteet ja täpsus. Automaatika ja automaatjuhtimine vähendavad inimese osalust masinate, tehaste, katede, telefonivõrkude, laevade, õhusõidukite jt tehniliste protsesside reguleerimiselsel ja juhtimisel. Automaatkas kasutatakse erinevaid juhtimis- ning automaatreguleerimissüsteeme. Mõned protsessid on täielikult automatiseeritud.

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 mitmesugustelt anduritelt (sensoritelt). Suurtele kaugustele kantakse kontroll- ja juhtimisinformatsiooni üle andmedastuse ja telemehaanika seadmetega.[2]


Suurimat kasu saame automaatikast seega, et see säästab tööjõudu. Kuid seda kasutatakse ka selleks, et säästa energiat ja materjale ning parandada töö kvaliteeti, usaldusväärsust ja täpsust.[3] Mõiste automaatika (inglise keeles Automation) ei olnud laialdaselt kasutusel enne 1947. kui General Motors lõi automaatikaosakonna.[4] Sel ajal tegi tööstus läbi kiire arengu ja tekkis nõudlus tagasisidestatud regulaatorite (kontrollerite) järele, need võeti kasutusele 1930. aastatel.[5]

Automaatjuhtimissüsteemid võivad olla mehaanilised, hüdraulilised, pneumaatilised, elektrilised ja neid juhib mingit tüüpi regulaator või arvuti. Tööstusautomaatika puhul on tavaliselt need süsteemid kombineeritud. Keerulised ettevõtted ja masinad, nagu tänapäeva tehased, lennukid ja laevad kasutavad tavaliselt kõiki juhtimissüsteeme.[6]

Automaatika liigitus[muuda | muuda lähteteksti]

Automaatika põhiharud on:

Automaatika kitsamad harud on:

Automaatjuhtimissüsteemid[muuda | muuda lähteteksti]

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

Üks lihtsamaid automaatjuhtimisi on START /STOPP juhtimine (positsioonreguleerimine). Näiteks jahutusventilaatori mootori käivitamine ja seiskamine. Kui ruumi temperatuur tõuseb üle lubatud piiri, siis automaatika lülitab jahutusventilaatori mootori tööle. Pärast ruumide jahtumist, kui temperatuur langeb soovitud tasemele, lülitatakse ventilaator taas seisma.

Jadajuhtimise ahelad on need, kus on programmeeritud kindlat järjekorda täitvad diskreetsed toimingud. Näiteks lifti juhtimissüsteem on jadajuhtimissüsteem, kus ühele toimingule järgneb teine diskreetne sündmus.

Pidevjuhtimine[muuda | muuda lähteteksti]

Pideva juhtimise puhul mõõdetakse anduriga pidevalt mingisugust parameetrit ja vastavalt saadud tulemusele automaatika toimib. Näiteks laevadel olev stabiliseerimissüsteem, mis jälgib laeva kaldenurka maakera raskuskeskme suunas (vertikaalsihi suhtes). Vastavalt saadud tulemustele pumbatakse pallastipaakidest vesi ümber paremasse või vasakusse pardasse. See võimaldab ennetada laeva iseeneslikku kreeni vajumist ja laeva liigset kõikumist. Süsteem võib koguda ka andmeid mitmelt andurilt korraga ja vastavalt saadud tulemustele teha erinevaid timinguid.[7]

Avatud ja suletud juhtimisahelad[muuda | muuda lähteteksti]

Ahelaid, mis mõõdavad ja kontrollivad ühte muutujat nimetatakse juhtahelaiks.

Juhtahelaid mis võrdlevad mõõdetud parameetreid, korrigeerivad neid ja saadavad tagasi uute andmete kogumiseks, nimetatakse suletud ahelakteks. Selliseid ahelaid kus kogutud andmeid ei töödelda ja tagasi ei saadeta nimetatakse avatud ahelateks.

Ahelaid juhitakse harilikult regulaatoriga (kontrolleriga). Avatud ja suletud ahelate automaatikateooriat nimetatakse automaatjutimise teooriaks.

Jada- ja loogikajuhtimine või ühtne juhtimisspüsteem[muuda | muuda lähteteksti]

Esimeses juhtimissüsteemis kasutatakse kas jada- või loogikaahelat. Mõlemad täidavad erinevaid tegevusi sõltudes mitmetest süsteemi osadest. Näiteks reguleeritav, kuid muidu kindla järjestusega töötav murukastmise süsteem.

Ühtses juhtimissüsteemis on kasutusel erinevad jada- ja loogikakontrolli osad. Näiteks lift, mis kasutab loogikal põhinevat süsteemi ja vastab kasutaja esitatud toimingu tingimustele. Kui kasutaja vajutab mingi korruse nuppu, siis süsteem juhib sellest sõltuvalt, kas lift asetseb kasutajast kõrgemal või madalamal, kas lift sõidab või seisab, kas liftil on uks suletud või avatud ja muudest tingimustest.[8]

Varem kasutati jadajuhtimist, mis põhines releeloogikal, kus kasutati kontaktidga elelektromagnetilisi releesid. Kontaktid said olla kas avatud või suletud seisundis. Releesid hakati kasutama telegraafivõrkudes enne kui need levisid tööstuslikele seadmetele. Hiljem levisid releed tehastesse, kus neid kasutati mootorite käivitamiseks ja seiskamiseks või elektromagneti (solenoidi) abil klappide avamiseks ja sulgemiseks. Kasutades releejuhtimist saab arendada välja jadajuhtimise ahela, kus ühe relee rakendumisel rakendatakse järgmised releed ja sündmuste ahel. Keerukamad süsteemid on näiteks värava riivi süsteem, kus värava avamismootoreit 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 trummellülitite (sekventserite) koguarv olla sadu või isegi tuhandeid. Sellised suured süsteemid oli vaja muuta programmeeritavateks ja juhitavateks. Üks esimesi programmeerimisvahendeid oli redelloogika, kus releede ühendusskeem sarnanes redelile (vt joonis). Tänapäeval on töötatud välja spetsiaalsed arvutid, mida nimetatakse programmeeritavateks loogikakontrolleriteks ( Programmable Logic Controllers - PLC). PLC on mõeldud asendama releeloogika ahelaid ja neid on kergem uute tööülesannete jaoks ümber programmeerida.

Vooluliini mootorite automaatse juhtimise põhimõtteskeem

Tavalise vahelduvvoolu mootori START ja STOPP ahel (nn. juhtahel), kus mootor käivitub, kui vajutatakse START nuppu ja mootor seiskub, 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 juhtimisahela juhtimiseks. Pärast START nupu vajutamist ja nupu kontakti sulgemist pingestatakse relee mähis. Mähise pingestamise tagajärel relee rakendub ja kontaktid sulguvad. Jõukontakte läbiv vool juhitakse mootori mähisesse, see käivitub. Sulgunud abikontakt on paralleelselt ühendatud START nupu kontaktiga, see hoiab relee mähisel pinge 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. [9]

Enamasti lisatakse juhtahelasse veel elemente, mis kontrollivad süsteemi tööd. Näiteks mootori töötamiseks on vajalik eelnevalt käivitada teised protsessid, nagu õlitamine või jahutus. Sel juhul lisatakse mootori juhtahelasse blokeeringud, mis takistavad mootori käivitumist enne õlipumba või jahutusventilaatori käivitamist. Loendurid, lõpulülitid või elektrilised signaallambid on samuti osa kontrollahela elementideks.

Elektromagnetventiile (solenoidventiile) kasutatakse laialdaselt suruõhu või hüdraulilise vedeliku voolu avamiseks-sulgemiseksa pneumo- või hüroajamite juhtimisel. Kuigi mootorite pöörlemapanemiseks on lihtsam kasutada elektrit, siis väga täpse, ühtlase liikumise ja suure jõu saavutamiseks on mõistlik kasutada hüdraulilist energiat silindrite liigutamiseks. Veel on hüdraulikat lihtne kasutada hüdrauliliste hoobade, presside, haaratsite, lohistitel jt käitamiseks.

Arvutiga juhtimine[muuda | muuda lähteteksti]

Arvutiga juhtimisel on võimalik reliseerida nii jadaautomaatreguleerimist, kui ka tagasisidestusega automaatreguleerimist. Tavaliselt tööstuslikud arvutid võivad teha mõlemaid protsesse. PLC on teatud eriotstarbelised arvutid, mis sisaldavad nii loendureid, sisend-väljund-, juhtimis- kontrol- ja loogikaahelaid. PLC suudab suhelda kasutajaga üle võrguliidese. PLC-d suudavad reaalajas analüüsida andmeid ja edastada neid graafilise pildina ekraanile kasutaja jaoks.

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

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Esimesed tagasisidega juhtimismehhanismid võeti kasutusele riidest labadega tuulikutes. See patenteeriti Edmund Lee poolt 1745.[10]

Tsentrifugaaljõudu hakati kasutama 18. sajandi teisel veerandil, sellega reguleeriti veskikivide vahelist survet.[11] Aastal 1785 kasutas Oliver Evans jahuveskis tsentrifugaaljõudu, luues automaatse kiirust reguleeriva süsteemi. 1788 aastal kasutas tsentrifugaaljõuregulaatorit James Watt aurumasinal.[10]

Tsentrifugaaljõuregulaatorit ei saanud kasutada suurte kiiruste juures. See toimis ainult aeglastel kiirustel. Et tsentrifugaaljõu regulaatorit saaks kasutada aurumasinal, tehti mitmeid edasiarendusi, reguleerides soojust kateldes. Ka sellistes süsteemides tekkisid kiiruse kõikumised, kuna süsteem reageeris tavaliselt viitega. Kuni 19. sajandini viidi sisse mitmeid muudatusi, et parandada jutimismasinate toimimiskiirust.[10]

Tsentrifugaaljõuregulaatori 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 arendati 1920. a välja elektrooniline võimendi, mis oli oluliseks sammuks pikamaa telefonisides. See võimaldas kõrgemat signaali-müra suhet, mis oli lahendatud negatiivse tagasisidega mürasummutuses. Militaarsektoris võeti kasutusele Teise maailmasõja ajal. Maxwelli teooriaid kasutades võeti kasutusele tulejuhtimissüsteem ja õhusõidukite juhtimissüsteem. Sõna "automaatika" ise võeti kasutusele 1940. aastatel General Electric poolt. [8] Klassikaline käsitlus juhtimisteooriale on antud aastatel 1940. ja 1950.[7]

Releeloogika ja elektrifitseerimine võeti kasutusele tehastes 1900. aastaks. Aastaks 1920 olid need teinud läbi kiire arengu. Kasvav elektrienergia nõudlus tõi kaasa elektrijaamade kiire arengu. Kõrgsurvekatlad, auruturbiinid ja elektrialajaamad tekitasid suure nõudluse juhtimisseadmete järgi.

Kesksed juhtimis- ja kontrollruumid hakkasid tekkima 1920. aastatel. Põhilised protsessi juhtimised olid sisse- ja väljalülitamised. Süsteemi operaatorid said avada ja sulgeda ventiile, sisse ja välja lülitada mootoreid, jälgida graafikuid, salvestada andmeid ning neid väljastada, teha parandusi ja muudatusi. Juhtimisruumides võeti kasutusele värvikoodidega signaaltuled. Töötajad said teha muudatusi käsitsi, puudus veel süsteemi poolne operatsioonijuhtimine.[12]

Regulaatorid (kontrollerid), mis olid suutelised täitma lihtsamaid arvutusülesandeid ja viima sisse muudatusi ning seadistama süsteeme, korrigeerima soovitud väärtuse (seadeväärtuse) kõrvalekallet , võeti kasutusele 1930. aastatel. Samuti võeti kasutusele regulaatorid, mis võimaldasid jälgida tehaste tootlikust samal ajal vähendades kulutusi elektrienergiale.[13]

Aastal 1959. oli Texaco Port Arthur rafineerimistehas esimene keemiatehas, mis võttis kasutusele digitaalse reguleerimissüsteemi. [14] Digitaalne reguleerimissüsteem hakkas tehastes kiiresti levima 1970. aastatel, kui arvuti riistvara hind langes.

Rakendused[muuda | muuda lähteteksti]

Automaatne telefonikeskjaam võeti kasutusele 1892. aastal koos kettaga telefonidega. [15] 1929. aastal oli 31,9% telefonidest automaatsed Bell´i telefonivõrkudes . Automaatses telefonikeskjaamas kasutati algselt vaakumtoruvõimendeid ja elektro-mehaanilisi lüliteid, mis tarbisid palju elektrienergiat. Telefonikõnede hulk kasvas lõpuks nii kiiresti, et kardeti telefonide süsteemi poolt kogu toodetava elektrienergia äratarbmist, see sundis Bell Labs-i alustama transistoride uuringuid.[16] Telefonide lülitusreleede loogika andis inspiratsiooni digitaalse arvuti loomiseks.

Esimene kaubanduslikult edukas automaatne klaaspudelite puhumismasin, tuli kasutusele 1905. aastal.[17] See masin, mida teenindas kahemeheline meeskond, töötatades 12-tunniste vahetustega suutis toota 17280 pudelit 24 tunni jooksul. Samas, kui käsitsi suutis kuus meest valmistada ööpäevas 2880 pudelit. Masinaga toodetud ühe pudeli hinnaks oli 10 kuni 12 senti ja käsitsi valmistatult 1,80 $.

Tehastes, kus kasutati agregaatelektriajameid koostööliinidel, arendati välja automaatreguleerimisteooria. Erinevad ajamimootorid pidid töötama erineva kiirusega terase valtsimismasinatel, kus terastooteid (traati, plekki, torusid, terasprofiile jm) tõmmatakse läbi erineva läbimõõduga rullide vahelt. Esimesed rullid, mille vahe on kõige suurem, pöörlevad kõige aeglasemalt. Iga järgmine rullipaar pöörleb kiiremini. Kõik rullid peavad pöörlema sünkroonselt püsiva kiirusega. Sarnane süsteem toimib ka paberi valmistamise tehastes ja trükikodades, kus iga rullipaar peab pöörlema kindla püsiva kiirusega ja kiirus on sünkroniseeritud teiste rullide kiirusega. Esimene agregaatajamiga töötav masin oli paberi tootmise masin 1919. aastal.[18] Üks tähtsamaid arenguid terasetööstuses 20. sajandil oli laia terasplekki valmistava masina Armco kasutuselevõtmine 1928. a.[19]

Enne automaatika kasutamist valmistati sageli kemikaale perioodiliselt üksikute partiidena. 1930. aastal leidsid laialdast kasutamist seadmed ja arendati regulaatorid, mis võimaldasid pidevat tootmist. Arendajaks oli Dow Chemical Co. [20]

Võeti kasutusele automaattööpingid, mida saaks ümber seadistada selliselt, et neid suudaksid hallata ka oskusteta töölised. Esimese sellise tööpingi töötas välja James Nasmyth 1840. aastal.[21] Arvjuhtimisga (Numerical Control – NC) tööpingid, mis kasutasid automatiseerimiseks perfokaartidele kantud programme võeti kasutusele 1950. a. See suund arenes kiiresti arvutipõhiseks numbriliseks juhtimiseks (arvprogrammjuhtimiseks - Computeriszed Numerical Control – CNC).

Tänapäeval kasutatakse automaatikat igat liiki tootmis- ja montaažiliinidel. Mõned suurimad tootmisharud on näiteks elektrienergia tootmine, nafta rafineerimine, keemiatööstus, terasetööstus, plastmaterjalide tootmine, tsemenditehased, mineraalväetiste tootmine, maagaasi hankimine, toiduainetööstus, klaasi tootmine jne. Robotid on eriti kasulikud ohtlike tööde teostamisel näiteks keemiatööstuses, merepõhjas, suure radiatsiooni tingimustes jm. Roboteid kasutatakse ka näiteks pisikeste elektroonikakomponentide tootmiseks, millega inimesed enam hakkama ei saaks. Paljudes tehastes tänapäeval teevad automaatliinid ja robotid toote valmis algusest lõpuni ning inimese osa on ainult seadmeid kontrollida ja koordineerida.

Eelised ja puudused[muuda | muuda lähteteksti]

Peamised eelised automaatika juures on:

  • Suurem tootlikkus (produktiivsus).
  • Parem kvaliteet.
  • Parem protsesside või loodud toodete töökindlus (järjepidevus).
  • Väiksem otsese inimtöö kulu.
  • Suurem kasum.

Tootlikkuse, kvaliteedi või töökindluse parandamine:

  • Automaatika kasutamine vähendab operatsioonidele kuluva tsükli aega.
  • Automaatikat on sobiv kasutada kohtades, kus on vaja suurt täpsust .
  • Automaatika asendab inimese raske füüsilise või monotoonse töö.
  • Automaatika asendab inimest ohtlike ülesannete (nt tulekahju, kosmoses, vulkaanidel, tuumarajatistes, veealustes töödes jne) täitmisel.
  • Automaatika võimaldab täita ülesandeid, mis on üle inimese võimete näiteks: suuruse, kaalu, kiiruse, vastupidavuse jms

tõttu.

  • Automaatika võib edendada majandust ja ettevõtteid. Näiteks, kui ettevõte investeerib automaatikasse, tehnoloogia arendamisse, tõuseb tootlikkus ja kasum.
  • Vähendab tööaega.
  • Töötajad saavad täita teisi ülesandeid.
  • Pakub töökohti kvalifitseeritud spetsialistidele, kes on suutelised seadmeid hooldama ja häälestama.

Peamised automaatika puudused:

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

Töötlevas tööstuses automaatika kasutamise eesmärgid on tõstatanud uued küsimused tootlikkuse, maksumuse ja aja kohta.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Automaatika.Tehnikaleksikon. Tallinn, Kirjastus Valgus, 1981. lk. 41
  2. 2,0 2,1 Automaatika. Eesti Nõokogude Entsüklopeedia, kd 1. Tallin; Kirjastus Valgus 1985 lk 402
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Automation#CITEREFBennett1993
  4. 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
  5. 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
  6. Naadel, R. Automaatjuhtimise alused. TTÜ 2006
  7. 7,0 7,1 Bennett 1993
  8. The elevator example is commonly used in programming texts, such as Unified modeling language
  9. http://www.exman.com/mshoass.html
  10. 10,0 10,1 10,2 Bennett 1979
  11. Bennett, S. (1979). A History of Control Engineering 1800–1930. London: Peter Peregrinus Ltd. pp. 47, 266. ISBN 0-86341-047-2.
  12. [Automation Bennett 1993], pp. 31
  13. 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.
  14. Rifkin 1995
  15. Jerome, Harry (1934). Mechanization in Industry, National Bureau of Economic Research (PDF). p. 158.
  16. Constable, George; Somerville, Bob (1964). A Century of Innovation: Twenty Engineering Achievements That Transformed Our Lives. Joseph Henry Press. ISBN 0309089085.
  17. "The American Society of Mechanical Engineers Designates the Owens "AR" Bottle Machine as an International Historic Engineering Landmark" (PDF). 1983.
  18. Bennett 1993, pp. 7
  19. 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.
  20. Bennett 1993, pp. 65Note 1
  21. Musson; Robinson (1969). Science and Technology in the Industrial Revolution. University of Toronto Press.