Если когда-нибудь у вас в руках было электромагнитное реле, то вы знаете этот приятный щелчок, когда оно срабатывает. За этим звуком — целая эпоха.

Задолго до того как умный чайник получил Wi-Fi, а на заводах развернули первые SCADA, инженеры XX века строили умные системы на реле, шаговых искателях и Булевой алгебре. 

Без микропроцессоров, без языков верхнего уровня, без OTA-обновлений. Только электромеханика.

Щёлк-щёлк и ехали поезда, крутились турбины, говорили абоненты. Давайте посмотрим, какой была автоматизация до появления ПЛК. И оценим вклад в историю прогресса одной из ключевых промышленных технологий - релейной автоматики.

Включай!

Первое реле появилось в районе 1830-1832 годов. Изобретение приписывают российскому ученому Павлу Шиллингу или американскому физику Джозефу Генри. Они оба работали над созданием убийцы голубиной почты, то есть над телеграфом. И оба столкнулись с похожей проблемой.

Для передачи сообщений они пускали по проводам электрический ток. На приемном конце телеграфа ток должен был как-то сообщить оператору о приходе сообщения. Например, привести в действие устройство, которое печатает точки и тире на ленте. 

Но сигнал на концах провода большой длины затухал, его не хватало для питания печатного устройства. Нужен был какой-то регистратор прихода сообщений. 

Шиллинг и Генри пришли к похожему решению. Ток из провода поступал на соленоид (электромагнит), который притягивал к себе подвижный металлический якорь. Якорь, в свою очередь, замыкал или размыкал контакт и активровал работу печатного механизма. В этой схеме реле выполняло роль своеобразного усилителя, принимавшего слабый сигнал и передававшего его дальше. Даже название нового устройства (английское слово relay) означало эстафету. 

Но получилось куда лучше простого усилителя. Ведь реле обладало еще одной важнейшей функцией - дискретностью. Оно не имело промежуточных состояний. Сигнал либо есть, либо его нет. И это удобно, ибо на ленте остаются либо полосы разной длины (точки/тире) либо пустое место. Напомню, что до появления термина “бит” еще больше ста лет.

Спора а-ля Попов/Маркони у Генри и Шиллинга не вышло. Телеграф (а в его составе и реле) запатентовал Самуэль Морзе в 1840 году. Правда Морзе указал, что использует реле системы Генри. А вот Павел Шиллинг применял наработки только в России и на международный рынок не стремился. Впрочем, телеграф он строил по заказу самого Николая Первого. С таким заказчиком и без международных контрактов неплохо.  

Поезд прибывает на четвертый путь третьей платформы

Телеграф развивался стремительно и нога в ногу шел с еще одной новинкой XIX века - железной дорогой.

Собственно, благодаря первому вторая развивалась быстрее и ездила точнее. Потому, инженеры-телеграфисты и инженеры путей сообщения всегда находились в плотном контакте. 

Именно из их контакта родилось второе направление в использовании реле. Блокировка путей.

Первые стрелки, с помощью которых поезд мог поменять путь, управлялись вручную. Однако, это было, как минимум, неудобно. А, главное, небезопасно. Потому, появляются стрелки, управляемые дистанционно. В том числе, с помощью электромагнитов.

Чтобы вы прочувствовали хотя бы часть боли от вождения поезда в XIX веке, посмотрите на фото ниже.

Это стандартная семафорная башня, которая использовалась на железных дорогах. Сверху видны сами семафоры. В те годы это куда более широкое понятие, чем просто приборы для подачи сигналов поезду. Не будем уходить в сторону, важно другое - это не привычный нам светофор. Семафор скорее похож на флюгер, положение которого определяет разрешено движение или нет. Когда семафор опущен можно ехать, 45 градусов вниз - сбавить скорость, когда поднят - путь занят. 

Эта система на редкость ненадежна и особенно хромает при плохой видимости: ночью или в тумане. Потому поезд тех лет ведет не только машинист, но и целая локомотивная бригада, раскиданная по разным частям состава. И все же с безопасностью тут прямо плохо. Железнодорожные аварии случались, стоили дорого и был прямой запрос от компаний на автоматизацию.

В 1870 году Уильям Робинсон разработал и опробовал в Киндзуа (Пенсильвания) свою открытую сигнальную систему (“open track circuit”). Если грубо - это прообраз современных железнодорожных систем блокировки.

Идея проста. Выделяется участок пути. Когда на нем есть поезд, колеса замыкают два металлических рельса, создавая контур цепи питания. Реле срабатывает от этого замыкания и подает команду на включение запрещающих сигналов и блокировку переключаемых стрелок, предотвращая столкновения поездов.

Технология получила широкое распространение на железных дорогах Европы и Америки, став прототипом современной железнодорожной автоматики. Важно заметить, что все управление осуществлялось исключительно с использованием механических контактов и элементарной логической обработки, построенной на принципе ЕСЛИ-ТО.

ЕСЛИ поезд на пути, ТО реле замкнуто.

ЕСЛИ реле замкнуто, ТО сигналы запрещают проезд, а стрелки заблокированы.

ЕСЛИ поезда на путях нет (реле разомкнуто), ТО сигналы разрешают проезд, а стрелки разблокированы.

В зависимости от размера участка логика может быть довольно примитивной, а может быть очень сложной. Настоящий умный транспорт образца XIX века

Робинсон еще усовершенствует свою систему, сделав ее закрытой (Closed Track Circuits). Такие системы непрерывно проверяли наличие напряжения на участках дороги, что повышало надежность защиты.

Системы блокировки стали важной точкой отсчета для автоматизации железных дорог. Ее принципы сохранились вплоть до наших дней. Более того, на железной дороге до сих пор используется именно релейная автоматика. 

Что же до изобретателей, то они, глядя на каскады реле системы Робинсона, придумают, как использовать эту новинку в других областях. Настоящее царство реле будет в энергетике и, чуть позже, в телефонии.

У вас пробки выбило

Развитие технологий к концу XIX века требует все больше электричества. Из диковинки электрическая энергия превращается в необходимость. Все это приводит к созданию огромного числа генераторов и линий электропередачи. А с прогрессом приходят и проблемы.

Главная проблема генераторов конца XIX века - перегрузки. Было несколько ситуаций, в которых эти перегрузки происходили регулярно:

1. Короткое замыкание. КЗ на линии - рост тока генератора - выход генератора из строя, и еще спасибо, если без жертв.

2. Слишко много потребителей на линии. В те годы нагрузку балансировали вручную и недосмотр оператора приводил к перегрузу конкретного генератора.

3. Несинхронная работа цепочки генераторов. Эта проблема проявлялась в сетях переменного тока, в которой генераторы должны быть синхронизированы по частоте и фазе. Выпадение одного генератора из общего “строя” вызывали перетоки реактивной мощности.

4. Еще ряд специфичных проблем, которые могли привести к аварии генератора. 

Чтобы как-то автоматизировать защиту от перегрузок два электрогиганта тех лет - Westinghouse и General Electric (GE) внедряют реле максимального тока. 

Их принцип прост и мало отличается от изобретения Генри-Шиллинга. Через обмотку электромагнита течет ток, рядом находится якорь, удерживаемый пружиной. Как только ток превышает допустимый предел, пружина не может удержать якорь и он притягивается к магниту, попутно размыкая/замыкая цепь и вызывая какие-то действия. Например, отключает генератор от цепи или включает тревожный сигнал для оператора. 

Надо понимать, что высокие токи и напряжения - это не лампочку в комнате выключить. При размыкании цепи под большой нагрузкой между контактами пройдет не просто искра, а настоящая электрическая дуга. Ее хватит, чтобы солидно подпалить контакты реле.

Потому, подобные реле начинают помещать в масляные емкости или колбы с инертным газом. 

Формируется новое направление в электротехнике - релейная защита. Как и с железной дорогой, это направление до сих пор актуально и активно развивается. 

В нашей истории важно, что именно на этом этапе, на электростанциях стыка веков сделан следующий шаг в автоматизации. А еще рождается классификация релейной автоматики:   

1. Релейная защита. Если произошла нештатная ситуация, реле выводит из работы проблемный участок. Защитные реле имеют разный принцип действия. Например, они могут отработать не только от подачи управляющего электросигнала, но и по изменению температуры.

2. Контрольные реле. Они фиксируют состояние оборудования. Допустим, зажигают красную лампу при аварии.

3. Управляющие реле. Отвечают за включение и выключение агрегатов. В этом пункте еще выделяют регулирующие реле, задача которых поддерживать какой-нибудь параметр, например уровень жидкости. Но, по большому счету, все они занимаются управлением в том или ином виде.

4. Коммутационные реле. Они управляют линиями электропередач, обеспечивая равномерную нагрузку или резервирование. Почти как управляли стрелками на железных дорогах.

Примерно с того же времени термин “реле” используют в значении “электромеханический контакт с внешним воздействием”. Помимо классической конструкции, реле может срабатывать по температуре, времени, давлению и еще куче параметров. Не суть важно, что именно вызывает срабатывание реле, но важно, что это приводит к замыканию или размыканию токовой цепи.

“Молчаливый страж”. Легендарная книга Westinghouse 1924 года, по которой до сих пор учатся релейщики. Страж - имеется ввиду реле.

Коммутатор слушает

Как бы не была сложна логика железных дорог или электрических станций конца XIX века, она не идет ни в какое сравнение со следующей вехой развития релейной автоматики. 

В 1891 некто Элмон Браун Строуджер патентует Strowger switch, телефонный коммутатор, не требующий участия человека для соединения. Так рождается АТС - автоматическая телефонная станция. Настоящий триумф электромеханической логики.

Первоначально изобретение Строуджера выглядело громоздко и неудобно. Телефон имел столько клавиш, сколько было в сети абонентов минус одна. Если в сети сто абонентов, на телефоне девяносто девять клавиш (сотый сам абонент). Появился новый телефон - всем добавляем по клавише. Это нежизнеспособно.

Потому Строуджер придумал коммутатор. Коммутатор представлял собой контактный щуп, который мог вращаться вниз-вверх (вертикальная ось) и туда-сюда (горизонтальная ось), двигаясь по матрице с абонентами. 

Получается, что задача набирающего номер - выдать нужное число импульсов для вертикального движения щупа и нужное число импульсов - для движения по горизонтали. В этом было главное неудобство. Как выдавать импульсы и не ошибиться? Дать абоненту два телеграфных ключа?

Однако, Строуджер решил эту задачу, выкатив еще одно изобретение - дисковый номеронабиратель. Это легендарная штуковина на десятилетия станет одним из символов телефонной связи. 

При наборе набиратель возвращался назад, отправляя в линию число импульсов, равное набираемой цифре. 

Сам Строуджер толкового прототипа не построил, а свой патент и долю в основанной компании продал за хорошие, но не космические деньги. И, важно отметить, что не он первым изобрел АТС. До него разные вариации похожих идей делали как малоизвестные самоучки, так и сам Александр Белл. Но история совершила удивительный поворот и именно безвестный гробовщик из Канзас-Сити умудрился внедрить технологию, которая уволит всех барышень с телефонных станций.

В дальнейшем, идея Строуджера эволюционировала в настоящего монстра - декадно-шаговый искатель. Это уже не реле в классическом понимании, это коммутатор на сто состояний, который использовали на АТС вплоть до недавнего времени. Хотя искатель имеет признаки классического реле - якорь, возвратную пружину и контакты. 

Вообще, вопрос “является ли декадно-шаговая АТС системой релейной автоматики” довольно дискутабельный. И если следовать формальной логике, то нет. Реле замыкает или размыкает цепь под внешним воздействием, а шаговый искатель АТС занимается переключением. С другой стороны, шаговый искатель можно рассматривать как совокупность большого числа реле. Как быть? 

Ответ дала история. Так уж сложилось, что шаговые искатели перекочевали из телефонии в системы автоматизации технологических процессов (АСУТП) заводов, фабрик и даже городов. Там они заняли место именно в шкафах релейной автоматики, кратно снизив сложность таких систем. Потому, назвать шаговый искатель составной частью той самой релейной автоматики не будет ошибкой.  

Автоматический город

В 1923 году Гаретт Морган получает патент на первый трехцветный светофор. До этого светофоры были двухцветными и, часто, механическими. Но с 1920хх годов начинается массовое внедрение светофорных систем в городах.

Конечно, полностью автоматические светофоры тех лет завязаны на таймер и реле с принципом “ИЛИ”. То есть может гореть один из трех цветов.

Но на этом не остановились. Светофоры собирали в группы и подключали к релейным панелям. Они все работали взаимосвязано от одной общей системы. Отныне, не могло случиться ситуации, что из-за несовершенства таймера начинался рассинхрон по перекресткам.

Параллельно с этим все больше городов обживаются центральными водопроводами. Становится важно не только качать воду, но и поддерживать ее давление в системе. При том, что потребители прямо вообще не помогают и синхронно открывают краны примерно в одинаковое время (утро/вечер). 

Пока жителей еще какое-то приемлемое число, справляются водонапорные башни и паровые насосы. А если у вас живет два миллиона, как в Берлине в начале 1910хх годов?

Реле, опять реле. В 1910-1920ее годы AEG и Siemens модернизируют водопровод тогда еще столицы Германской Империи. И превращают его в инженерное чудо тех лет. Главная новинка - используют центробежные насосы и (внимание!) реле для поддержания давления. Столица потихоньку отказывается от водонапорных башен, потому что теперь она может. 

Берлинский водопровод станет примером для подражания многих крупных городов мира. А Siemens, освоив насосы, с головой погрузится в промавтоматизацию. Да так, что и через век останется одним из главных инноваторов и производителей оборудования в этой сфере. AEG до наших дней доживет лишь в виде торговой марки, но сама компания уже ушла в историю.

Это еще не умный город, но его первые ласточки. Чем вам не винтажный IIoT?

Проблемы масштабов

Реле отлично зарекомендовали себя сразу в нескольких сферах и, потихоньку, их конструкции становятся все сложнее. Как и конструкции из них становятся все сложнее. Но пока, в основном, связь, железные дороги и энергетика применяют их системно. Все остальные от случая к случаю. Во второй части мы узнаем как родилась полноценная релейная логика, что заставило ее появиться на свет и разберем работу релейной автоматики на конкретном примере. А также узнаем пережила ли технология появление ПЛК (спойлер - пережила).