Основные этапы развития автоматики и автоматизации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Грозненский государственный нефтяной институт

имени акад. М.Д. Миллионщикова

РЕФЕРАТ

по истории автоматизации

к кандидатскому экзамену

по курсу

«ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ»

на тему

«Основные этапы развития автоматики и автоматизации»

Проверил:

кандидат технических наук,

профессор зав. кафедрой «Прикладная механика»                     А.К. Гериханов

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор кафедры АТП  МАДИ                                                                   В. И. Марсов

Выполнил: 

аспирант (соискатель)

ученой степени кандидата технических наук

кафедры «Автоматизация и управление»                                           В.В. Пашаев

Грозный -2010г.

Содержание

Введение                                                                                                                  3

ГЛАВА 1.  ОСНОВНЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ  РАЗВИТИЯ 

АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1. Значимые события в истории автоматики                                                 5

1.2. Автоматика и автоматизация в период СССР                                            10                        

ГЛАВА 2.    МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ЭПОХА

АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. Развитие микроэлектроники                                                                    14

2.2. Компьютеризация  процесса  автоматизации                                          20

2.3. Программируемые логические контроллеры                                             23

Заключение

Список литературы

Введение

Автоматизация управления производственными процессами, энергетическими системами,  транспортными объектами, научно – испытательными установками  и т.п. является одним из самых прогрессивных направлений в общем развитии науки и техники нашего времени. Автоматизация охватывает буквально все области техники, включая и военную технику.

Без автоматизации процессов управления совершенно немыслимы ни развитие реактивных летательных и космических аппаратов, ни применение атомной энергии, а также и целый ряд современных производственных процессов. Автоматизация касается не только управления машинами и другими сложными техническими объектами. Автоматизировать можно также  технику инженерных расчетов при проектировании машин, предприятий, различных установок, в том числе и при проектировании самих автоматических устройств.

Автоматизации подвергаются любые сложные вычисления, связанные с решением систем алгебраических, дифференциальных и других уравнений при проведении научно-исследовательских работ, а также экономические и другие вычисления при учете и планировании в любом масштабе вплоть до общегосударственного.

Из всего этого видно, что если механизация была призвана облегчить физический труд человека, то теперь автоматизация, совершенствуя выполнение этой задачи, имеет целью также облегчить и умственный труд человека (это важнейшая ее особенность). Облегчая труд человека, повышая культуру человеческого труда во всех ее видах, сглаживая различие между физическим и умственным трудом, автоматизация в то же время в сотни и тысячи раз повышает производительность труда, позволяет полнее удовлетворять многообразные потребности человека и человеческого общества в целом. Вместе с тем, автоматизация делает практически осуществимым целый ряд таких производств и новых видов сообщения и связи, а также инженерных экономических расчетов, которые без нее были бы вообще невозможны.

ГЛАВА 1.  ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1. Значимые события в истории автоматики

Первые сведения об автоматах появились в начале нашей эры в работах Герона Александрийского, который описал механические и пневматические автоматы (пневмоавтомат для открывания дверей храма при зажигании жертвенного огня,  автомат для продажи священной воды – прообраз наших автоматов для отпуска жидкостей, механических театр марионеток и др.).

Древнегреческое слово «аутоматос» (и производное от него – «автомат») означает – самодействующий аппарат.

В середине века получила развитие «андроидная» автоматика. Изобретатели создавали автоматические устройства, которые по внешнему виду и некоторым действиям напоминали  человека. Поэтому их называли «андроидами», то есть человекоподобными.

В эпоху промышленного переворота в Европе (конец XVIII – начало XIX вв.) появляется практический интерес к автоматике, связанный с ее внедрением в промышленность.

Крупной вехой на пути практического применения автоматики явилось изобретение в 1765 г. И.И. Ползуновым автоматического регулятора питания парового котла и в 1784 г. Уаттом автоматического регулятора скорости паровой машины.

Первыми автоматическими устройствами в электротехнике были регулятор напряжения Э.Х. Ленца  и Б.С. Якоби и дифференциальный регулятор для дуговых ламп В.Н. Чиколева, предложенные в середине XIX в.

С разработкой автоматических регуляторов начинает развиваться и теория автоматического регулирования. Первые фундаментальные работы по теории автоматического регулирования опубликованы академиком П.Л. Чебышевым и профессором Петербургского технологического института И.А. Вышнеградским. В статье «О регуляторах прямого действия» (1876 г.) И. А. Вышнеградский рассматривает регулятор и машину как единую динамическую систему. Это позволило для исследования динамики систем регулирования установить общие методы, которые используются и в настоящее время.

В связи с запросами теории регулирования Раусом (1874 г.) по предложению Максвелла и Гурвицем (1895 г.) по просьбе видного чешского ученого Стодолы, исследовавшего вопросы теории регулирования паровых и гидравлических турбин, были разработаны алгебраические критерии устойчивости. Большой вклад в теорию регулирования сделан Н. Е. Жуковским, автором первого русского учебника «Теория регулирования хода машин».

Общая теория устойчивости динамических систем была разработана     А. М. Ляпуновым в труде «Общая задача об устойчивости движения» (1892г.).

В 1932 г. американский ученый Найквист предложил частотный критерий устойчивой работы электронных усилителей, который был обобщен  и развит применительно к теории регулирования в работах А.В. Михайлова (1936 г.), давших ряд инженерных методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования.

В послевоенный период теория автоматического регулирования  и автоматика в целом получают новое качественное развитие, связанное с колоссальным техническим прогрессом всех отраслей промышленности, а также с разработкой современных технических средств и методов автоматизации.

Если 40-х годов в автоматике разрабатывались вопросы устойчивости, то в последующий период исследуется качество регулирования. Я.З. Цыпкин и И.Н. Вознесенский предложили метод анализа качества по степени устойчивости (1945 г.), В.В. Солодовников предложил метод оценки качества по частотным характеристикам и разработал метод построения  переходных процессов с помощью трапецеидальных характеристик (1949 г.).

По теперешним представлениям автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем и образующих их технических средств. Автоматическое управление предполагает управление производственным процессом без непосредственного участия человека. В то время в ряде работ отечественных и зарубежных ученых осуществляется развитие теории и систем со многими регулируемыми параметрами и запаздыванием, систем экстремального регулирования и автоматической оптимизации. Эти исследования были вызваны современными тенденциями развития техники, которые были связаны распространением непрерывных поточных процессов, нарастанием скоростей их протекания и ускорением перехода от одного процесса к другому. Усиливались связи между отдельными процессами, соединенными в общий  производственный поток. Выход из строя, какого – либо механизма вызывал нарушение всего производственного цикла. В соответствии с развитием техники повышаются требования к скорости, точности и объективности управления, которое может выполняться только автоматическими устройствами, не связанными с восприятием и реакцией человека.

В области автоматизации производственных процессов наблюдался переход от частичной автоматизации к комплексной, от комплексной к полной,  а в конечном счете – к цехам – и заводам–автоматам, обеспечивающим наивысшую технико–экономическую эффективность производства. Для интенсивных и сложных производственных процессов при обеспечении высокого качества автоматического управления требуется большая математическая обработка результатов замера контролируемых параметров. В этом случае в систему  автоматического управления внедрялись электронно-вычислительные машины. Происходила замена не только физического труда, но и умственного труда человека. В последующем специальные методы и технические средства автоматики позволили объединить в один технологический процесс работу большого количества машин и установок, расположенных друг от друга на значительных расстояниях. Такие системы  автоматики стали называть телемеханическими.

Телемеханика – область науки и техники, охватывающая теорию и технические средства автоматической  передачи на расстояние команд управления, а также информации о состоянии объекта. Для управления сложными развивающимися процессами начинают использовать методы кибернетики и кибернетические устройства. Термин «кибернетика» не нов в науке. Еще древнегреческий философ Платон назвал кибернетикой искусство управления кораблем. В переводе с древнегреческого слово «кибернетас» означает управляющий, рулевой, кормчий.

Американский математик Н. Винер придал новый смысл этому термину, назвав в 1947 г. кибернетикой науку, изучающую законы управления в живых организмах и машинах. Советский ученый академик А.И. Берг объединяет живые организмы и машины в одно общее понятие – система, подчеркивая ее динамический и сложный характер. Согласно современным представлениям, кибернетика – это наука о целенаправленном управлении сложными развивающимися системами и процессами, изучающая общие математические законы управления объектами различной природы.

Сфера действия кибернетики необычайно обширна. В круг ее интересов входят вопросы управления машинами и системами машин, производственными процессами и организованной деятельностью людей, физиологическими, биохимическими и биофизическими процессами, включая умственную деятельность человека.

Говоря об автоматизации, имеют в виду полное или частичное применение всего комплекса средств автоматики, телемеханики и вычислительной техники. Эти средства в настоящее время исключительно разнообразны; среди других технических средств здесь все более широкое применение получает, в частности, электроника, полупроводники, бесконтактные электромагниты, микромодульные, молекулярные и другие элементы. Однако сохраняют свою важную роль также электропневматические и электрогидравлические устройства, обладающие как силовые исполнительные устройства в ряде случаев большей надежностью и быстродействием, чем чисто электрические. Разнообразны также и общие принципы структурного построения автоматических, телемеханических и вычислительных систем. Они могут иметь любую физическую природу и включать в себя устройства любой конструкции и принципа действия, а также аппаратно – программные комплексы и людей.

1.2. Автоматика и автоматизация в период СССР

В СССР освоение автоматизированных средств управления и регулирования производственных процессов началось одновременно с созданием тяжёлой промышленности и машиностроения и проводилось в соответствии с решениями Коммунистической партии и Советского правительства об индустриализации и механизации производства. В 1930 по инициативе Г. М. Кржижановского в Главэнергоцентре ВСНХ СССР был организован комитет по автоматике для руководства работами по автоматизации в энергетике. В правлении Всесоюзного электротехнического объединения (ВЭО) в 1932 было создано бюро автоматизации и механизации заводов электропромышленности. Началось применение автоматизированного оборудования в тяжёлой, лёгкой и пищевой промышленности, совершенствовалась транспортная автоматика. В специальном машиностроении наряду с отдельными автоматами были введены в действие конвейеры с принудительным ритмом движения. Организовано Всесоюзное объединение точной индустрии (ВОТИ) по производству и монтажу приборов контроля и регулирования.

В научно-исследовательских институтах энергетики, металлургии, химии, машиностроения, коммунального хозяйства создавались лаборатории автоматики. Проводились отраслевые и всесоюзные совещания и конференции по перспективам её применения. Начались технико-экономические исследования значения А. п. для развития промышленности в различных социальных условиях. В 1935 в АН СССР стала работать Комиссия телемеханики и автоматики для обобщения и координации научно-исследовательских работ в этой области. Началось издание журнала "Автоматика и телемеханика".

В 1936 Д. С. Хардер (США) определял автоматизацию как "автоматическое манипулирование деталями между отдельными стадиями производственного процесса". По-видимому, вначале этим термином обозначали связывание станков с автоматическим оборудованием передачи и подготовки материалов. Позднее Хардер распространил значение этого термина на каждую операцию производственного процесса.

Высокая экономическая эффективность, технологическая целесообразность и часто эксплуатационная необходимость способствовали широкому распространению автоматизации в промышленности, на транспорте, в технике связи, в торговле и различных сферах обслуживания. Её основные предпосылки: более эффективное использование экономических ресурсов - энергии, сырья, оборудования, рабочей силы и капиталовложений.

При этом улучшается качество и обеспечивается однородность выпускаемой продукции, повышается надёжность эксплуатации установок и сооружений.
Социалистическое государство, рассматривая А. п. как один из наиболее мощных факторов развития народного хозяйства, осуществляет её по единому комплексному плану, увязанному с соответствующими ассигнованиями и материально-техническим обеспечением.

В ходе выполнения первых трёх пятилетних планов развития народного хозяйства (1928-41) были созданы первые заводы, производящие приборы и аппаратуру автоматики и телемеханики для А. п. Во время Великой Отечественной войны (1941-45) А. п. имела огромное значение в материально-техническом обеспечении фронта и удовлетворении нужд оборонной промышленности СССР. В первом послевоенном плане восстановления и развития народного хозяйства (1946-50) была предусмотрена дальнейшая автоматизация в энергетике, химической, нефтяной и нефтехимической промышленности, широкое внедрение в производство автоматизированного электропривода. Программа дальнейшего развития А. п. в период 1953-58, принятая на 19-м съезде КПСС, предусматривала, в частности, механизацию работ и А. п. на предприятиях чёрной металлургии, в горной промышленности, в машиностроении, а также полную автоматизацию ГЭС.

Практически 50-е гг. явились периодом, когда А. п. начала внедряться во все имеющие значительный удельный вес отрасли народного хозяйства СССР. В машиностроении - производстве тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин - были пущены автоматические линии; начал работать автоматизированный завод по производству поршней для автомобильных двигателей. Закончен перевод на автоматическое управление агрегатов ГЭС, многие из них были полностью автоматизированы. На ряде крупнейших ТЭЦ были автоматизированы котельные цехи. В металлургической промышленности около 95% чугуна и 90% стали выплавлялось в автоматизированных печах; были введены в эксплуатацию первые автоматизированные прокатные станы. Пущены автоматические установки на нефтеперерабатывающих предприятиях. Осуществлено телемеханическое управление газопроводами. Автоматизированы многие системы водоснабжения. Начали действовать автоматические бетонные заводы. Лёгкая и пищевая промышленность стала широко оснащаться автоматами и полуавтоматами для расфасовки, дозировки и упаковки продукции и автоматическими линиями по производству продуктов. Парк автоматизированного оборудования в 1953 вырос в 10 раз по сравнению с 1940. В металлообрабатывающей промышленности появились станки с программным управлением. Для производства массовой продукции были применены роторные автоматические линии. Во взрывоопасных химических производствах получило широкое распространение телемеханическое управление процессами.

К концу 20-го столетия автоматика шагнула далеко вперед. Получили развитие многие новые виды автоматических систем в различных областях промышленности, транспорта, энергетики, связи, строительства, жилищно-комунального хозяйства и т.п. Появились совершенно новые научные направления и разработки в области автоматизации.

Новый этап в развитии АСУП пришелся на вторую половину 70-х годов и 80-е годы. Это были комплексные АСУП, в которых органически интегрировались в единое целое задачи автоматизированного проектирования новых изделий (САПР), технологической подготовки производства (АСПП), автоматизации испытаний готовых изделий и автоматизации организационного управления предприятием (АСУП в прежнем, функциональном понимании). Техническую базу нового поколения АСУП составляли, как правило, модели ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ. Комплексные АСУП были разработаны и внедрены на Ульяновском авиационном заводе и других предприятиях оборонного комплекса под руководством В. И. Скурихина, А. А.Морозова.

Одновременно комплексные АСУП создавались научно-исследовательскими институтами Всесоюзного объединения "Союзсистемпром" Минприбора СССР: ЦНИИТУ, г. Минск; ГНИПИ ВТ, г. Казань; НИИУМС, г. Пермь и др. для промышленных предприятий народно-хозяйственной сферы (Минский тракторный завод и др.). В настоящее время вместо понятия АСУП используется более точное понятие "интегрированные системы планирования ресурсов предприятия" (Enterprize Resource Planning Systems - ERP-системы). Под ними понимают системы, в которых функционально объединяются существовавшие ранее как автономные ("островки автоматизации") системы для решения задач автоматизации учета и управления производством, финансами, снабжением и сбытом, кадрами и информационными ресурсами. Техническую базу современных ERP-систем, использующих преимущественно распределенную архитектуру клиент-сервер, составляют серверы и рабочие места пользователей, объединенные локальными сетями.

ГЛАВА 2.    МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ЭПОХА АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. Развитие микроэлектроники

Электроника представляет собой бурноразвивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область, посвященная применению электронных приборов в промышленности назвали Промышленной электроникой.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50–е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи эл./магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолокации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.

Современный этап развития техники характеризуется все возрастающим проникновении электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно–технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Предметами научных исследований в электронике являются:

- изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с эл./магнитными полями.

- разработка методов создания электронных приборов, в которых это взаимодействие используется для преобразования энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственных процессов, создания энергетических устройств, создания контрольно–измерительной аппаратуры, средств научного эксперимента и других целей.

Исключительно малая инерционность электрона позволяет эффективно использовать взаимодействие электронов, как с макрополями внутри прибора, так и микрополями внутри атома, молекулы и кристаллической решетки, для генерирования преобразования и приема эл./магнитных колебаний с частотой до 1000ГГц. А также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма излучения. Последовательное практическое освоение спектра эл./магнитных колебаний является характерной чертой развития электроники.

История создания электронных запоминающих устройств берет начало с изобретения в 1967 г. Диннардом из IBM однотранзисторной динамической запоминающей ячейки для ЗУ с произвольной выборкой (ДЗУПВ). Это изобретение оказало сильное и длительное влияние на электронную промышленность текущего времени и отдаленного будущего. Его влияние по общему признанию сравнимо с изобретением самого транзистора. В ячейке объединены в один ключ на МОППТ и один конденсатор. МОППТ служит переключателем для заряда (записи) и разряда (считывания). К 1988 г. выпуск таких ячеек занял первое место по количеству из всех искусственных объектов на нашей планете. Са прогнозировал на начало XXI века годовой выпуск этих ячеек 1020 шт. 

Накопительный конденсатор имеет двухслойный диэлектрик из нитрида кремния на тонком слое, термически выращенного оксида кремния.

Записанная на эту ячейку информация теряется при отключении источника питания (энергозависимая ПЗУ). В 1971 году сотрудник фирмы Intel Фроман-Бенчковски предложил и запустил в серийное производство энергонезависимое стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство. Снятие заряда на плавающих затворах этих ПЗУ производилось ультрафиолетовым светом. Позже инженеры фирмы Intel предложили быстродействующие электрические стираемые ПЗУ.

Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль, в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений.

Особое значение для массового производства микросхем представляет метод проектирования микросхем, разработанный Деннардом из фирмы IBM. В 1973 г. Деннард и его коллеги показали, что размеры транзистора можно уменьшать без ухудшения его ВАХ (вольт-амперных характеристик). Этот метод проектирования получил название закон масштабирования.

Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции.

Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:

1)          1960 – 1969гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0,25 x 0,5 мм (МИС).

2)          1969 – 1975гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС).

3)          1975 – 1980гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС).

4)          1980 – 1985гг. – интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС).

5)          С 1985г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).

Переход от МИС до УБИС происходил на протяжении четверти века. В качестве параметра количественно иллюстрирующего этот процесс используют ежегодное изменение числа элементов n размещаемых на одном кристалле, что соответствует степени интеграции. По закону Мура число элементов на одной ИС каждые три года возрастает в 4 раза. Наиболее популярны и прибыльны оказались логические кристаллы высокой плотности – микропроцессоры фирмы Intel и Motorolla.

В 1981– 1982 годах прогресс интегральных микросхем СБИС стимулировался наличием технологии литографии (электронно-лучевая, рентгеновская и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера) и наличием производственного оборудования. Уже в 1983 г. как отметил Мур (на международной конференции) ввиду образования излишних производственных мощностей, как в США, так и в Азии, прогресс в развитии микроэлектроники стал определяться только ситуацией на рынке. Так уже в 1985 – 1987 годах 80% всех ДЗУПВ в США поставляет уже Япония, так как им удалось усовершенствовать технологию и снизить цены.

По данным, опубликованным в вестнике основателем микроэлектроники в СССР был Старос Филипп Георгиевич. Он родился в 1918 г. в пригорода Нью-Йорка, в семье выходца из Греции Саранта. Закончил в 1941 г. колледж, получил диплом инженера-электрика, работал в оборонных исследовательских центрах, а вечерами учился, чтобы сдать экзамен на степень магистра технических наук. В студенческие годы он участвовал в антифашистском движении, вступил в компартию США, был дружен с Розенбергами. Когда Розенбергов арестовали, ФБР вызвал и Саранта. После первого же допроса в ФБР Сарант иммигрировал в СССР сменив имя и фамилию. Так у нас появился специалист – Старос Ф.Г., которого командировали в Чехословакию главным конструктором военно-технического института. Когда в 1955 г. Хрущев взял курс на научно-техническую революцию, Староса пригласили в СССР и предложили возглавить специальную лабораторию, созданную в Ленинграде под эгидой комитета авиационной техники. Уже в 1958 году Старос выступил на закрытом совещании ведущих работников электронной промышленности с докладом, содержавшим предложение по развитию новой элементной базы, а фактически с программой создания новой отрасли науки и техники – микроэлектроники. Эти идеи нашли поддержку в верхних эшелонах власти, и уже в 1959 г. Старос получил возможность создать свое конструкторско-технологическое бюро (АКТБ). В начале 60-х годов там, под руководством Староса, была разработана цифровая управляющая машина (УМ–1) с быстродействием 8 тыс. опер/сек. и продолжительностью безотказной работы 250 часов. В ней еще не использовались микросхемы (т.к. их надежность в то время была очень низкой) и активными элементами служили германиевые транзисторы П15. Однако благодаря страничному монтажу получилась компактная дешевая машина. В 1960 году за создание этой машины Старос получил государственную премию. Ближайший помощник Староса – Иосив Виниаминович Берг (в прошлом Джоэль Берг). Берг после внезапной иммиграции Саранта поехал искать его в Европу и нашел в Москве, когда тот готовился к отъезду в Прагу. Берг сделался Бергом.

В 1962 году АКТБ посетил Хрущев. Ему показали машины УМ–1 и Электроника-200. Позднее американские специалисты отмечали, что Электроника-200 была первым компьютером советского производства, который можно считать хорошо разработанным и удивительно современным. Эта машина, на первых советских интегральных схемах, была способна выполнять 40 тыс. операций в секунду. Хрущев остался доволен.

В это время уже существовал госкомитет электронной промышленности, работавший на оборону и возглавлял его Александр Шокин – человек прогрессивных взглядов. Он предложил Старосу создать научно-технический центр электронного профиля в подмосковье (г. Зеленоград). Старос с жаром взялся за исполнение и в считанные недели подготовил детальный план организации комплекса из нескольких институтов и опытного завода. План получил одобрение в верхах и Старос был назначен научным руководителем будущего центра. Таким образом, появляются первые компьютеры  и микропроцессоры, которые в последующем стали неотъемлемой частью автоматизации производственных  процессов и т.п.

2.2. Компьютеризация  процесса  автоматизации

Появление же в начале 80-х годов персональных компьютеров, доступных даже небольшим компаниям, подтолкнуло разработчиков к созданию программного обеспечения нового типа, а именно систем учета, интегрирующих в себе сразу несколько функций. Пользователями подобного ПО могли теперь быть и работники, не имеющие столь тщательной технической подготовки, какая требовалась раньше. Примерно в этот период компаниями начали активно использоваться АРМ – автоматизированные рабочие места для сотрудников различного профиля.

Возможность объединения АРМ внутри предприятия в единую систему как способ упростить управление производственными процессами быстро стала очевидной, и к концу 80-х годов появилась MRP (Materials Resource Planning) – система планирования потребностей предприятия в материальных ресурсах, необходимых для производства.

Основные функции MRP – своевременное удовлетворение потребностей предприятия в сырье и материалах, планирование закупочных операций, снижение издержек, связанных со складскими запасами.  

Соответственно, серьезным недостатком MRP является учет системой лишь одной группы производственных ресурсов – сырья и материалов (а учет стоимости рабочей силы, загрузки производственных мощностей и т. д. остается без внимания системы и требует дополнительных расчетов). Поэтому с течением времени была разработана MRP II (Manufacturing Resource Planing) – система, позволяющая планировать все производственные ресурсы предприятия, причем не только в материальных (как MRP), но и в денежных измерителях.

Развитие систем управления, разумеется, не остановилось на MRP II, и с годами была разработана ERP (Enterprise Resource Planning) – система учета и планирования абсолютно всех ресурсов, которые применяются на предприятии, охватывающая в той или иной степени все ключевые процессы компании во всех сферах ее деятельности. В основе ERP лежит принцип создания единого хранилища данных, накапливающего всю деловую информацию, собранную фирмой в процессе ее деятельности. Из этого хранилища обладающий соответствующими полномочиями сотрудник своевременно получает полную и актуальную информацию, необходимую ему для работы.

На сегодняшний день практически все системы автоматизации, установленные на западных предприятиях, относятся к классу ERP. И, наконец, CSRP (Customer Synchronized Resource Planning) – система планирования ресурсов, синхронизированная с покупателем (а не ориентированная лишь на внутреннюю организацию компании, как MRP, MRP-II и ERP) – является на данный момент наиболее современной из систем автоматизации. Используя CSRP-систему, компания как бы вступает с заказчиком в партнерские отношения: покупатель сам размещает заказ на изготовление продукции, сам отвечает за точность его выполнения и сам отслеживает сроки производства и поставки. Подобные системы на сегодняшний день внедрили у себя более 2500 предприятий мира. Разработчики называют CSRP системой будущего десятилетия.   

К сожалению, большинство из известных систем, внедренных на российские предприятия, по мнению аналитиков, едва отвечает стандарту MRP. Интересно следующее объяснение этого факта: производители систем не получают ясных требований со стороны клиентов. Многие руководители просто не знают, что они хотят улучшить за счет автоматизации.

По словам руководителя одной из фирм-разработчиков, наблюдается "неосознанное понимание" потребности в автоматизации управления с «неосознанными» же пока задачами. Необходимость же внедрения систем MRP оказывается для руководства российских предприятий более-менее ясной, поэтому на них и формируется спрос.

Для решения данной проблемы российским разработчикам следует более подробно информировать заказчиков о разновидностях современных компьютерных интегрированных систем. А руководству компании, принявшей решение об автоматизации производственных процессов - внимательно изучить возможности каждого класса с тем, чтобы выбрать максимально эффективную систему.

2.3. Программируемые логические контроллеры

Исторически сложилось так, что изобретение микропроцессоров положило начало эры программируемых логических контроллеров – ПЛК (Programmable logic Controller – PLC). Первые PLC пришли на смену дискретным системам управления на базе электромеханических реле. В соответствии с требованиями задач, для решения которых они предназначались, для PLC было характерно преобладание дискретных входных и выходных сигналов (поэтому контроллеры и назвали логическими), высокое быстродействие, слаборазвитое программное обеспечение, не способное выполнить операции с плавающей запятой и функции ПИД – регулирования. Одна из сфер применения PLC – системы телемеханики. PLC в этих системах играют роль контролируемых пунктов (КП) и называются RTU (Remote terminal Unit – удаленное терминальное устройство). Для дистанционной передачи данных PLC (RTU) снабжаются дополнительными коммуникационными модулями и программным обеспечением, реализующим какой – либо протокол передачи данных по проводным или радиоканалам. Несколько позже на замену аналоговым приборам (регуляторам) пришли DCS – системы (Distributed Control System – распределенные системы управления), адаптированные для управления непрерывными технологическими процессами. Это уже не просто контроллер, а целый комплекс технических и программных средств:

- набор процессоров с четко распределенными функциями (например, управляющий, интерфейсный, прикладной);

- рабочие станции (станции оператора);

- каналы связи;

- ПО для конфигурирования (программирования) контроллеров и для создания человеко – машинного интерфейса.

В 80 – е годы оба рассмотренных выше класса микропроцессорных систем (на базе PLC и DCS) имели свои сферы применения и своих производителей. В силу своей дороговизны DCS применялись, как правило, в крупных системах управления. В некоторых  случаях в крупных системах PLC  как подсистема для решения задач противоаварийной защиты и блокировок.

Затем PLC стали приобретать некоторые свойства, которые позволили им успешно внедриться в сферу небольших систем управления непрерывными процессами. К этим свойствам можно отнести достаточно развитый ввод/вывод аналоговых сигналов и возможности ПИД – регулирования.

Большую роль в перераспределении рынка средств и систем управления в пользу PLC сыграло появление специализированного программного обеспечения операторских интерфейсов SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition – супервизорное / диспетчерское управление и сбор данных). Это усилило проникновение PLC в те области, где они могли бы успешно конкурировать с DCS. DCS, в свою очередь, взяли на вооружение современные средства обработки дискретных сигналов. DCS вынуждены были перейти к созданию «открытых» систем. Уже к концу двадцатого столетия каждый второй PLC продавался для использования в управлении непрерывными технологическими процессами.

Характерной особенностью DCS 80-х годов была замкнутость их архитектуры и несовместимость с программно-аппаратными средствами различных фирм – производителей PLC. Это приводило к повышенным эксплуатационным затратам. Дальнейшее совершенствование DCS – комплексов могло бы потребовать огромных затрат от производителей. Решение проблемы было найдено в переходе к созданию «открытых» систем. Смысл этого заключался в использовании при создании DCS стандартных элементов, узлов, программного обеспечения, протоколов передачи данных и т.п. Стандартизация привела к появлению большого числа фирм, производящих отдельные элементы систем управления и еще большего количества «системных интеграторов» о компаний и фирм, которые собирали и внедряли под «ключ» законченные системы. Резко возросла конкуренция, что положительно отразилось на цене систем управления и их технических характеристиках.

В результате всех этих причин произошел постепенный переход от традиционной  архитектуры DCS, в которой PLC выполняли роль подсистемы управления дискретными процессами, требующими быстрой реакции, к архитектуре, в которой PLC  выполняет функции управления любыми непрерывными и дискретными процессами, а персональные или промышленные компьютеры служат в качестве операторского интерфейса и выполняют функции диспетчерского управления.

Сети DCS спроектированы так, чтобы обеспечить высокую работоспособность и избыточность всех системных компонентов, что позволяет исключить сбои. Тесная стыковка операторского интерфейса, контроллеров и системного программного обеспечения гарантирует высокую безопасность системы. Некоторые системы на базе PLC не могут дать такой же уровень избыточности.

Производители DCS предлагают общесистемную поддержку, осуществляемую обслуживающим персоналом одной фирмы на основе контрактов. Производители ПЛК и SCADA – систем обычно не осуществляют общесистемного обслуживания, особенно, если заказчик пользуется оборудованием разных изготовителей.

Разделение программно – аппаратных средств автоматизации на два класса - PLC и DCS – является историческим.

С середины 80 –х годов в системах управления все чаще стали использоваться персональные компьютеры. Сначала они играли роль инженерных станций для конфигурирования DCS и технической диагностики. С появлением персональных компьютеров в промышленном исполнении и развитием программного обеспечения их все чаще стали использовать в качестве операторских станций в системах мониторинга и диспетчерского управления.

С середины 90 – х в системах управления постепенно стало появляться тенденция сосредоточения функций управления на т.н. промышленных компьютерах. Это было связано с резким падением цен на компьютеры и комплектующие изделия, платы ввода/вывода и средства коммуникации, а также с появлением универсального прикладного программного обеспечения типа SCADA и средств программирования контроллеров на базе IBM PC.

Использование IBM PC – платформы в контроллерах за рубежом называется  «softlogic» (софтлоджик), а сами PC – совместимые контроллеры  «soft PLC» (софт ПЛК). Промышленные компьютеры (контроллеры) представляют собой программно совместимые с обычными персональными компьютерами IBM PC машины (PC – совместимые контроллеры), адаптированные для жестких условий эксплуатации – для установки на производстве, в цехах, подстанциях  и т.д.  Адаптация относится не только конструктивному исполнению, но и к архитектуре и схемотехнике.

Производители DCS, PLC и PC – контроллеров поставляют широкий комплекс программно – технических средств автоматизации.

Кроме микропроцессорных контроллеров нескольких модификаций в состав такого комплекса входят наборы модулей ввода/вывода различные дисплейные пульты операторов. Для объединения этих компонентов в систему фирмы предлагают различные сетевые решения, снабжая свои комплексы наборами коммуникационных модулей для взаимодействия с сетями различных уровней. Обязательным компонентом является и прикладное программное обеспечение. Эти системы в Росси получили название программно – технических комплексов (ПЛК).

Таким образом, к настоящему времени сложилось два направления на пути создания многоуровневых систем управления технологическими процессами:

- системы, построенные на базе PLC со своим пакетом программирования и станций оператора/диспетчера (ПК), оснащенных SCADA – пакетом человеко – машинного интерфейса, получившие название «SCADA – системы»;

- «DCS - системы» - интегрированные системы, включающие контроллеры (процессоры), станции оператора (ПК), коммуникационное оборудование и интегрированное программное обеспечение. Стоит обратить внимание на особенности различных технологических процессов. Именно эти особенности определяют архитектуру АСУТП и применяемые для ее реализации аппаратные средства автоматизации. Для некоторых технологических процессов характерна значительная рассредоточенность объектов по площадям. Для рассредоточенных объектов применяют SCADA – системы.  Задачей таких систем является обеспечение автоматического дистанционного наблюдения и дискретного управления, сбор и передача данных, которая реализуется дистанционно расположенными терминальными устройствами (RTU).

Заключение

В области автоматизации за последнее десятилетие произошли революционные изменения. Особенно это видно из представленной хронологической справки развития автоматизации. В мире уже появились и полностью оформились новые направления автоматизации технологических процессов. И базируются они, прежде всего на применении микропроцессорной техники, персональных компьютеров, контроллеров, функционирующих под управлением специализированного программного обеспечения. Современный этап развития техники, характеризуется все возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей.

Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно–технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования.

В работе раскрыт период появления интегральных микросхем, отмечено как они сыграли решающую роль, в развитии электроники положив начало новому этапу микроэлектроники.

Известно, что изобретение микропроцессоров положило начало эры программируемых логических контроллеров – ПЛК (Programmable logic Controller – PLC).  PLC было характерно преобладание дискретных входных и выходных сигналов, высокое быстродействие, слаборазвитое программное обеспечение, не способное выполнить операции с плавающей запятой и функции ПИД – регулирования.

Совсем недавно основными средствами автоматизации, например, нефтегазовой отрасли были пневмоавтоматика и громоздкие телемеханические системы, а централизованные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) строились на базе специализированных управляющих вычислительных комплексов (УВК).

"Революция" в области автоматизации произошла так быстро (практически за 10-15 лет), что не успело даже смениться поколение специалистов. Это означает, что многих специалистов надо переучивать. Молодое поколение специалистов, которое общается на "ты" с компьютерами и контроллерами, пока еще не определяет уровень автоматизации на местах.

Если раньше  автоматизация касалась  только промышленных производств и цехов, то на сегодняшний день она вошла в каждый дом, т.е. автоматизируется все!  Автоматизация – одно из главнейших направлений развития современной науки и техники.

Список литературы

1.                  Попов Е.П. Автоматическое регулирование и управление. – М.: Изд – во Наука. – 1966. – 388 с.

2.                  Пантаев Н.Ф., Дианов В.Г. Основы теории автоматического регулирования и авторегуляторы. – М.: Изд – во Недра. – 1970. – 354 с.

3.                  Бородин И.Ф. Основы автоматики. – М.: изд – во Колос. – 1970. – 320 с.

4.                  Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. – М.: Изд – во Машиностроение. – 1978. – 735 с.

5.                  Андреев Е.Б. Попадько В.Е. Автоматизация технологических процессов добычи и подготовки нефти и газа. – М.: Изд – во Недра. – 2008. – 397 с.

2