Automaatika

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.
Automaatika all võib mõista ka automaatreguleerimist või -juhtimist, mille puhul juhtimissüsteemide abil juhitakse masinaid, teostatakse tehastes erinevaid protsesse, suunatakse või stabiliseeritakse laevu ja lennukeid ning seda kõike inimeste sekkumiseta. Automaatika kasutamise suurimaks eeliseks on tööjõu, energia ja materjalide säästlikkus, samuti kõrgem töökvaliteet ja täpsus. Automaatika ja automaatjuhtimine vähendavad inimese osalust masinate, tehaste, katelde, keemiliste reaktorite, telefonivõrkude, laevade, õhusõidukite jt tehniliste protsesside reguleerimiselsel ja juhtimisel. Automaatkas kasutatakse erinevaid automaatjuhtimis- ja 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. Tagasisidestatuna saavad need süsteemid protsesse mõjutada.
Signaalid juhitavast keskkonnast saadakse mitmesugustelt anduritelt (sensoritelt). Suurtele kaugustele kantakse kontroll- ja juhtimisinformatsiooni üle andmeedastuse ja telemehaanika seadmetega.
Suurimat kasu saame automaatikast sellega, et see säästab tööjõudu. Kuid seda kasutatakse ka selleks, et säästa energiat ja materjale ning parandada töö kvaliteeti, usaldusväärsust ja täpsust.
Mõiste "automaatika" (inglise keeles "automation") ei olnud laialdaselt kasutusel enne 1947. aastat, kui General Motors lõi automaatikaosakonna. Sel ajal tegi tööstus läbi kiire arengu ja tekkis nõudlus tagasisidestatud regulaatorite (kontrollerite) järele. Need võeti kasutusele 1930. aastatel.
Automaatjuhtimissüsteemid võivad olla mehaanilised, hüdraulilised, pneumaatilised või elektrilised. Juhtimist teostab 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 liiki juhtimissüsteeme.
Automaatika liigitus.
Automaatika põhiharud on
Automaatika kitsamad harud on
Automaatjuhtimissüsteemid.
Diskreetne juhtimine (START/STOPP).
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.
Pidevatoimelise juhtimise puhul mõõdetakse anduriga pidevalt huvipakkuvat objekti parameetrit ja vastavalt saadud mõõtmistulemusele, täpsemalt, selle erinevusele etteandesuurusest toimub objekti juhtimine selle kontrollitava sisendi kaudu. Näiteks laevadel olev stabiliseerimissüsteem, mis jälgib laeva küljesuunalise kalde nurka maakera raskuskeskme suuna (vertikaalsihi) suhtes. Vastavalt saadud tulemustele (kõrvalekaldele vertikaalsuunast) pumbatakse pallastipaakides olevat vett ümber paremasse või vasakusse pardasse. See võimaldab vähendada laeva iseeneslikku kreeni vajumist ja teatud tingimuste täidetuse korral ka laeva liigset kõikumist.
Pidevjuhtimise hea näide on ka analoogelektroonika valdkonda kuuluv negatiivse tagasisidega haaratud operatsioonvõimendi.
Süsteem võib koguda andmeid mitmelt andurilt korraga ja vastavalt saadud tulemustele teha erinevaid toiminguid.
Avatud ja suletud juhtimisahelad.
Ahelaid, mis mõõdavad ja kontrollivad ühte muutujat nimetatakse juhtahelaiks.
Selliseid ahelaid, kus juhitavalt objektilt kogutud andmeid ei töödelda ja tagasi juhtimisahelasse (regulaatorisse või kontrollerisse) ei saadeta, nimetatakse avatud ahelateks, vastavaid automaatikasüsteeme aga otsesidega süsteemideks. See ei tähenda, et juhtimisahelas mõõdetud andmeid üldse ei kasutata.
Juhtimisahelaid, mis võrdlevad mõõdetud parameetrite väärtusi etteandesuuruste väärtustega, korrigeerivad võrdluse tulemusi ja saadavad edasi süsteemi, nimetatakse suletud (tagasisidestatud) süsteemi juhtimisahelateks. Juhttoime moodustamise põhiliseks tehteks on lahutustehe - etteandesuuruse väärtusest lahutatakse tagasisidesuuruse väärtus.
Juhttoime moodustatakse juhtimisahelates harilikult regulaatori (kontrolleri) abil.
Avatud ja suletud (tagasisidega) juhtimisahelate kasutamisel põhinevate automaatikasüsteemide teooriat nimetatakse automaatjuhtimise teooriaks, laiemalt võttes aga küberneetikaks.
Jada- ja loogikajuhtimine või ühtne juhtimissüsteem.
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. Sellise süsteemi näiteks on 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.
Varem kasutati jadajuhtimist, mis põhines releeloogikal, kus kasutati kontaktidega elektromagnetilisi 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 redeliga (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.
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 normaalolekus 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 tagajärjel 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 järjestikku ühendatud juhtahelas esimeseks. Pärast STOPP-nupu vajutamist katkestatakse juhtahela vool ja releekontaktid avanevad, see peatab ka mootori töö.
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-sulgemiseks pneumo- või hüdroajamite 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, lohistite jms käitamiseks.
Arvutiga juhtimine.
Arvutiga juhtimisel on võimalik realiseerida 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-, kontroll- 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 kogumist, milles arvuti täidab loogikatehteid vastates kasutaja soovidele, suheldes samal ajal interneti kaudu andmebaasidega. 
Ajalugu.
Esimesed tagasisidega juhtimismehhanismid võeti kasutusele riidest labadega tuulikutes. Selle patendi sai Edmund Lee 1745.
Tsentrifugaaljõudu hakati kasutama 18. sajandi teisel veerandil, sellega reguleeriti veskikivide vahelist survet. 1785. aastal kasutas Oliver Evans jahuveskis tsentrifugaaljõudu, luues automaatse kiirust reguleeriva süsteemi. 1788. aastal kasutas James Watt tsentrifugaaljõuregulaatorit aurumasinal.
Tsentrifugaaljõu kasutamisel põhinevat regulaatorit ei saanud kasutada suurte kiiruste juures. See toimis ainult aeglastel kiirustel. Et tsentrifugaaljõu kasutamisel põhinevat pöörlemiskiiruse regulaatorit saaks kasutada aurumasinal, tehti mitmeid edasiarendusi. Hakati reguleerima aurukatla küttekoldes eralduva soojuse hulka. Ka sellistes süsteemides tekkisid kiiruse kõikumised, kuna süsteem reageeris alles pöörlemiskiiruse langusele ja oli seetõttu suure viitega.
Kuni 19. sajandini tehti mitmesuguseid muudatusi, et parandada jutimismasinate toimimiskiirust.
Tsentrifugaaljõuregulaatori arendused toimusid edasi katsetuste põhimõttel ja teaduslikule uurimusele pöörati vähe tähelepanu. Esimesena avaldas juhtimisteooria teoreetilisi aluseid käsitleva raamatu James Clerk Maxwell.
Kui 1920. aastatel arendati välja elektroonilised võimendid, mis olid oluliseks sammuks pikamaa telefonsides, siis võeti nendes kasutusele võimenduse fikseerimine negatiivne tagasiside abil. Sellega saavutati nendes ka signaali-müra suhte paranemine.
Militaarsektoris võeti automaatjuhtimine teise maailmasõja ajal kasutusele tulejuhtimissüsteemides ja navigatsioonisüsteemides.
Sõna "automaatika" võttis kasutusele 1940. aastatel General Electric. [8] Klassikaline käsitlus juhtimisteooriale on antud aastatel 1940 ja 1950.
Releeloogika ja elektrifitseerimine võeti kasutusele tehastes 1900. aastaks. 1920. aastaks 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 värvkoodidega signaaltuled. Töötajad said teha muudatusi käsitsi, puudus veel süsteemi poolne operatsioonijuhtimine.
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 tootlikkust, samal ajal vähendades kulutusi elektrienergiale.
Umbes samal perioodil leidsid tagasisidestatud süsteemid laialdasemat kasutamist ka raadioelektroonikas (pinge stabiliseerimise süsteemid, automaatsed raadiosignaali nivoo reguleerimise süsteemid või automaatsed võimenduse reguleerimise (AVR, inglise k AGC) süsteemid, tagasisidestatud vahelduvvoolu mõõtedetektorid, automaatsed sageduse reguleerimise süsteemid (inglise k AFC) ja faasisünkronisatsiooni süsteemid (PLL).
1959. aastal oli Texaco Port Arthur rafineerimistehas esimene keemiatehas, kus võeti kasutusele digitaalne reguleerimissüsteem. Selline reguleerimissüsteem hakkas tehastes kiiresti levima 1970. aastatel, kui arvuti riistvara hind langes.
Rakendused.
Automaatne telefonikeskjaam võeti kasutusele 1892. aastal koos kettaga telefonidega. 1929. aastal oli 31,9% telefonidest automaatsed Belli telefonivõrkudes. Automaatses telefonikeskjaamas kasutati algselt vaakumtoruvõimendeid ja elektromehaanilisi lüliteid, mis tarbisid palju elektrienergiat. Telefonikõnede hulk kasvas lõpuks nii kiiresti, et kardeti telefonide süsteemi poolt kogu toodetava elektrienergia äratarbimist, see sundis Bell Labsi alustama transistoride uuringuid. Telefonide lülitusreleede loogika andis inspiratsiooni digitaalse arvuti loomiseks.
Esimene kaubanduslikult edukas automaatne klaaspudelite puhumismasin, tuli kasutusele 1905. aastal. See masin, mida teenindas kahemeheline meeskond, töötades 12-tunniste vahetustega suutis toota 17 280 pudelit 24 tunni jooksul. Samas käsitsi suutis kuus meest valmistada ööpäevas 2880 pudelit. Masinaga toodetud ühe pudeli hinnaks oli 10–12 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 paberitehastes ja trükikodades, kus iga rullipaar peab pöörlema kindla püsiva kiirusega ja kiirus on sünkroonitud teiste rullide kiirusega. Esimene agregaatajamiga töötav masin oli paberi tootmise masin 1919. aastal. Üks tähtsamaid verstaposte terasetööstuses 20. sajandil oli laia terasplekki valmistava masina Armco kasutuselevõtmine 1928. aastal.
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.
Võeti kasutusele automaattööpingid, mida saaks ümber seadistada nii, et neid suudaksid hallata ka oskusteta töölised. Esimese sellise tööpingi töötas välja James Nasmyth 1840. aastal. Arvjuhtimisega (Numerical Control – NC) tööpingid, mis kasutasid automatiseerimiseks perfokaartidele kantud programme, võeti kasutusele 1950. aastal. 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 tegemisel näiteks keemiatööstuses, mere põhjas, 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.
Peamised eelised automaatika juures:
Tootlikkuse, kvaliteedi või töökindluse parandamine:
Peamised automaatika puudused:
Töötlevas tööstuses on automaatika kasutamise eesmärgid tõstatanud uued küsimused tootlikkuse, maksumuse ja aja kohta.