Automatika

A ma embere lépten-nyomon találkozik valamilyen szóösszetételben az automata, automatika és az automatizálás szavakkal, ezért először ezek értelmét célszerű tisztáznunk. Automatán olyan szerkezetet, illetve berendezést értünk, amely beindításától leállásáig vagy leállításáig önállóan, azaz emberi beavatkozás nélkül, működik. Automatikának szokás nevezni valamely technológiai rendszer vagy részrendszer működésének automatizálására {IV-274.} szolgáló készülékek összességét. Ugyanakkor automatika az a tudományág, amely az automaták és az automatizálás elméleti és gyakorlati kérdéseivel foglalkozik. Automatizáláson azt a tevékenységet értjük, amivel különböző (ipari, irodai stb.) területeken az emberi közreműködést kiküszöbölik vagy jelentősen csökkentik.

Az automatika szakterületén a mérés- és műszertechnikához hasonló fejlődést láthatunk. Automatákat már az antik görögök, sőt már az egyiptomiak is készítettek. A ránk maradt emlékek szerint ezek olyan elmésen megalkotott mechanikus szerkezetek voltak, amelyek működtetéséhez a magasabban fekvő víztározókban összegyűjtött víz vagy magasba emelt kőtömb helyzeti energiáját használták fel. A gőzgépek feltalálásáig – az 1700-as évek második feléig – az emberi és állati izommunkán kívül (beleértve rugó felhúzására vagy súly felemelésére fordított munkát) kizárólagos energiaforrás a víz és a szél volt. A gőzgépekkel kapcsolatban, kezdetben számos műszaki probléma merült fel. Ezek közül az egyenes vonalú, pulzáló mozgás forgó mozgássá való átalakítását emeljük ki; itt az automatizálás körébe a vezérlés, a tolattyúk, illetve a szelepek működtetése, a holtponton történő átjuttatás, valamint a forgó mozgás egyenletessé tétele tartoztak. Ezekben az automatikákban a mechanikus elemek mellett már a sűrített levegővel működő pneumatikus elemek is jelentős szerepet kaptak.

A 19. század második felére a már jól használható, megbízható gőzgépek elterjedésének köszönhetően felgyorsult a nagy iparágak fejlődése. A termelésben használt mechanikus gépekhez mechanikus elveken működő automatikákat dolgoztak ki. A villamos meghajtású gépek és mechanikai/villamos átalakítók megjelenésével kezdődött meg a villamos elemekből épített automatikák elterjedése. Később a híradástechnika fejlődése során létrejött elektronikus alkatrészek felhasználásával vált lehetővé az automatikák gyors ütemű fejlesztése. A vegyiparban – a villamos szikra robbanást okozó hatása miatt – az 1970-es évekig pneumatikus automatikákat alkalmaztak. A probléma elektronikus megoldására a század második felében fejlesztettek ki gyújtószikramentes áramköröket, később ez a megoldás már egyeduralkodóvá vált.

A mai háztartások többségében is található automata, például egy hűtőszekrény. Ebben az automatika a hűtőtér hőmérsékletét hasonlítja össze a felhasználó által beállított értékkel, s amennyiben a hőmérséklet magasabb a kívántnál, egy relével bekapcsolja a hűtést végző villamos vagy elektromechanikus egységet, majd ha a hőmérséklet a beállított szint alá csökken, leállítja azt. Ez a példa természetesen az automatizálás egyszerűbb esetei köréből való. Az ipari termelésben és az iparszerű szolgáltatásokban (energiaellátás, közlekedés, hírközlés stb.) sokkal bonyolultabb automatikus szabályozási és vezérlési feladatok megoldására van szükség.

A szabályozás célja egyszerű esetben a szabályozott jellemző állandó értéken tartása. Az ún. értéktartó szabályozásnál külső utasításként be kell állítani egy alapjelet, ezzel hasonlítja össze a szabályozó a visszacsatolt jelet (mérési információt, ellenőrző jelet). Ha megegyeznek, a szabályozó nem avatkozik be, ellenkező esetben megfelelő irányban, mértékben és ütemben beavatkozik. Az a sáv, amelyben a szabályozott jellemző változhat, annál kisebb, minél pontosabb a szabályozás. A korlátozó szabályozásnál ez a sávbeállítás kérdése, két határérték között a szabályozott jellemző szabadon változhat, csak ebből a sávból nem mehet ki az értéke. A követő szabályozásnál viszont az alapjel változik, illetve egy időben változó jellemzőt követ. Például tüzelésszabályozásnál lényeges gazdasági/technológiai szempont, hogy a tüzelőanyaghoz kevert {IV-275.} égéslevegő se túl sok, se túl kevés ne legyen. Mivel a tüzelőanyag mennyiségét a hőmérséklet-szabályozás szempontjai állítják be, az égéslevegő beállítása csak követő szabályozás formájában lehetséges. Merőben különbözik az alapjel szerepe és a szabályozás algoritmusa az optimum-szabályozásoknál. Az előírás itt abban áll, hogy egy hatásfok- vagy költségjellegű függvény szélsőértékén kell a rendszert tartani. Ha a célfüggvény hatásfokjellegű, akkor a szabályozás a maximumra, ha pedig költségjellegű, akkor a minimumra irányul. Az algoritmus ezekben az esetekben sokkal bonyolultabb, mint az előzőkben, ezért többnyire a rendszerbe iktatott számítógép végzi a szükséges beavatkozást.

A szabályozási és vezérlési funkciók megvalósítása történhet mechanikus, pneumatikus, villamos és elektronikus úton, illetve ezek kombinációjával. Műszaki rendszerekben az információk mérések, kapcsoló (bináris) jelzések és utasítások révén juthatnak a döntést kidolgozó és a végrehajtást végző szervbe. A mérő-átalakítók feladata a mérési adattal lehetőleg arányos nagyságú villamos áram, feszültség, frekvencia, vagy digitális jel előállítása. A digitális jelek kiértékelése azóta tartozik az egyszerű feladatok közé, amióta elterjedtek a mikroprocesszoros technikák és a számítógépek.

Wheatstone-hidas ellenállásmérés

Automatizált folyamatok általánosított sémája

A digitális jelfeldolgozási eljárások főbb csoportjai: a kommunikáció, a tárolás és a jelanalízis. A jelanalízis csoportba tartozik például a határérték, vagy trendfigyelés és szűrés; bonyolultabb esetekben a spektrumanalízis és korrelációszámítás.

Az automatizálásnak a napjainkban alapvető eszköze a programozható logikai vezérlő (Programmable Logic Controller, azaz PLC), amelyet kezdetben csak vezérlési feladatokra alkalmaztak, de az 1980-as évek óta szabályozási feladatokra is alkalmassá tettek. Programrendszere két részből áll: a gyártó cég által elkészített és memóriában tárolt vezérlőprogramból és az alkalmazó által egyszerű utasításokkal vagy grafikusan megadható felhasználói programból. A PLC a felhasználói programot ciklikusan ismétli, azaz a felhasználói utasítások sorrendjében beolvassa a bemeneteket, elvégzi azok kiértékelését, ennek eredményeitől függően állítja a kimeneteket mindaddig, míg a leállás feltételei nem teljesülnek.

Míg a PLC-k rugalmasan, vagyis tetszőleges feladatra programozhatók, az ún. berendezésorientált áramkörök (BOÁK) csak egy konkrét berendezés kiszolgálására készülnek. Ezeket a nagy sorozatban gyártott berendezésekben előforduló változatlan feladatok ellátására használják, például telefonautomatákban vagy a mosógépekben.