Напомню, что мы исследуем историю релейной автоматики и, неразрывно связанной с ней, релейной логики. И пытаемся понять, как в первой половине ХХ века огромные заводы работали, выполняли сложнейшие операции и почти не сбоили. Хотя все современные инженеры IIoT на тот момент еще даже не родились, а устройства ПЛК только шли в разработку. 

В первой части мы узнали, что главной хитростью автоматизаторов тех лет оказалось реле. Именно с помощью этих простых устройств делали ооочень непростые вещи. Но ХХ век шел вперед и инженеры сталкивались вызовами, масштаб которых раньше сложно было представить. 

Автоматика Ривер Руж 

К 1920 годам компания Westinghouse выпускали все новые и более совершенные реле для энергетики. Например “Overload and reverse-current relay” - реле отслеживающее сразу два параметра и срабатывающее по любому из них. Сейчас мы бы сказали, что это логический принцип “ИЛИ”.

Аналогично с General Electric. У них “ИЛИ” реализовано, к примеру, на “DC reverse power and under‑load relay”.

Но долгое время релейная автоматика не покидает электростанции и железные дороги, оставаясь очень нишевым продуктом. Вживить их в промышленность целиком долго никому не приходит в голову. Отдельные системы автоматизации так или иначе встречаются, но совсем уж блеклыми примерами.

Понятия “релейная логика” в современном понимании еще нет. Есть слабые попытки использовать не только здравый смысл, но и математическое описание процессов работы реле. 

Например, шифр Вернама, который использовался в телеграфии. Сейчас мы бы сказали, что он работает по принципу исключающего ИЛИ. Именно такой операцией шифровальный ключ примешивается к исходному сообщению. В железе шифрование Вернама было реализовано именно на реле.

Однако, нет толковой единой системы, с понятными общепринятыми правилами. И на небольших проектах они как будто особо и не нужны. Но ХХ век набирает обороты и у инженеров появляются такие вызовы, о которых они раньше и помыслить не могли.

В районе 1915 года некий состоятельней джентельмен выкупает участок вдоль реки Руж (Мичиган). Участок дорог сердцу этого джентльмена, он очень любил там гулять, когда был маленьким. Планируется создать на берегу птичий заповедник. 

Однако, все перечеркивает запрос ВМС США. Им срочно нужны патрульные корабли и есть большой заказ на их производство. Идет Первая Мировая Война. 

Джентльмен, которого звали Генри Форд, откладывает идею птичника и на берегу начинает строительство корпусов нового завода.

Ривер Руж станет самым большим заводом в мире. 93 здания, 160 километров железнодорожных путей, свой причал, своя электростанция, сталелитейный цех, стекольный завод, бумажный завод. Гиганта обслуживает 100 000 человек персонала. На нем делают корабли, трактора и, конечно же, автомобили. 

Форд известный инноватор, но на своем новом заводе он превосходит сам себя. Ривер Руж строится по принципу “все в одном” или “от руды до автомобиля”. Т.е. Форд стремиться засыпать в один конец завода сырье, а с другого получать готовую продукцию. И у него получается. 

Однако, был еще один, не столь известный принцип возведения нового завода. Звучал он так: “сначала делаем, потом смотрим”. Его суть  - активное внедрение самых передовых технологий, постройка прототипов и тестирование. Если пошло - масштабирование.

При таком подходе Ривер Руж стал настоящим полигоном автоматизации, тем более что сам Форд автоматизацию очень любил. 

Конвейер не поедет, если не отработал концевой датчик. Механизмами управляет один оператор с пульта и удаленно. Сплошь и рядом реализована логика, включающая несколько условий. Из реле собирают целые шкафы. Про доменные печи и автоматические пресса завода вообще ходили легенды. 

И хотя Ривер Руж был успешно запущен, он показал важную проблему. В какой-то момент масштабирования логика становится слишком сложной. На новом заводе Форда это коснулось всех аспектов. Принцип “все в одном” для тех лет оказался почти не подъемен. С огромным трудом удавалось обеспечивать бесперебойные поставки сырья, обслуживать такую кучу железа и отруливать настолько масштабные процессы.    

Вряд Форд обратил внимание на одну частную проблему релейной логики, но его инженеры обратили. 

Нельзя просто строить каскады реле и связывать их между переделами и цехами. Это не парочку генераторов релейной защитой обеспечить. Тут много вариаций сработок и каждая из них должна быть правильно описана. Не должно быть тупиковых веток или нерегламентированных ситуаций. 

Нужен какой-то принцип (сейчас бы сказали фреймворк), чтобы все это упорядочить. 

Решение удастся найти инженеру, криптоаналитику и математику Клоду Шеннону.

Помимо криптографии, Шеннон активно исследует области, которые в будущем условно окрестят “промышленным интеллектом”. Ему хватает знаний и широты взглядов, чтобы, наконец, найти принцип, по которому опишут работу даже самой сложной производственной системы. Но назван этот принцип совсем не именем Шеннона. Более того, Шеннон даже не автор принципа. Он просто обнаружил его. Обнаружил в самом неожиданном месте. 

Буль-Буль

Математик Джордж Буль еще в середине XIX века предложил довольно любопытную концепцию математических вычислений.

Вся алгебра Буля двоична и состоит из двух состояний - ИСТИНА и ЛОЖЬ. Над ними можно проводить математические операции разной степени сложности.

Основные - это конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ) и отрицание (НЕ). Например, ИСТИНА и ЛОЖЬ в конъюнкции дадут ЛОЖЬ, а в дизъюнкции - ИСТИНУ. 

Для понимания это проще представить, как ИСТИНА - единица, ЛОЖЬ - ноль, конъюнкция - умножение, дизъюнкция - сложение, НЕ - смена состояния.

Есть в Булевой алгебре и более сложные операции, вроде исключающего ИЛИ, но сейчас речь не про то.

Эти измышления так и остались бы философскими упражнениями. Но в 1938 году Клод Шеннон извлек творения Буля из небытия и показал, что язык Булевой алгебры идеально ложится на язык электрических схем. Именно стараниями Шеннона чудака Джорджа Буля изучают не будущие философы, а программисты и инженеры АСУТП.

Булева алгебра отлично подошла для систем релейной автоматики, ибо классическое реле - это устройство с двумя состояниями. Теми самыми ИСТИНОЙ и ЛОЖЬЮ. Потому выстраивание релейной логики очень удобно объяснять теми правилами, что Буль ввел. 

Конечно, у самого Джорджа Буля не было никаких мыслей, относительно промышленной автоматики. Думаю, он бы ооочень удивился, если бы узнал в какой сфере увековечил свое имя.

Однако, он умер в 1864 году, не дожив даже до автоматизации железнодорожных стрелок в Пенсильвании. Зачем же он сделал такие странные и очевидные (на первый взгляд) выкладки?

Дело в том, что Буль был философ. Он пытался решать философские проблемы с помощью математики. Весь процесс мышления Буль надеялся представить в виде блок-схем с логическими выводами, не имеющими двойного толкования. 

Вместо тысячи вариантов - бинарная система ответов. Классический пример философии Буля: “Все люди смертны. Сократ - человек. Если Сократ человек, то он смертен”. 

Шеннон был удивлен, насколько хорошо эта философия закрыла проблему релейной логики. Но решение есть решение. Сократов отбросили, а ИСТИНАш и ЛОЖЬ работают по сей день. 

Даешь промышленную автоматизацию!

Давайте оставим историю и посмотрим, как релейная логика работала на практике, на примере работы нагревательной печи середины XX века. Никакой электроники, ламп или транзисторов. Только электромеханика. Пример абстрактный, исключительно на понимание, но близкий к реальности.

Итак, у нас есть печь, задача которой последовательно пройти несколько состояний:

1. Включиться

2. Прогреться

3. Какое-то время работать на максимальной температуре.

4. Выключиться и быстро охладиться. 

5. Повторить цикл.

В шкафу автоматики и на печи у нас находятся следующие приборы:

1. Кнопка “Пуск”.

2. Шаговый искатель на 4 положения.

3. Два термореле 

4. Реле-таймер 

5. Реле ТЭНов на полную мощность.

6. Реле ТЭНов на половину мощности.

7. Реле вентиляторов охлаждения.

8. Табло “Процесс завершен”.

9. Кнопка “Охлаждение”.

Ну что ж, пройдемся по техпроцессу:

1. Мы нажимаем кнопку “Пуск” и наш шаговый искатель встает в начальное положение. В этом положении включается реле ТЭНов на полную мощность. ТЭНы начинают греть печь. 

2. Когда температура рабочая, срабатывает первое термореле и шаговый искатель встает во второе положение. Реле полной мощности ТЭНов отключается, но подключается реле с половиной мощности. ТЭНы переходят в режим поддержания температуры. Во втором положении запускается реле-таймер. Выполняется техпроцесс (например, обжиг).

3. Завершение работы реле-таймера переключает шаговый искатель в третье положение. Здесь у нас выключаются ТЭНы и одновременно включаются вентиляторы охлаждения. 

4. Когда печь остыла, второе термореле двигает искатель в четвертое положение. Выключаются вентиляторы. Зажигается надпись на табло “процесс завершен”. 

Давайте попробуем усложнить нашу систему и добавим операцию Булевой алгебры. Допустим, переход на шаг 3 может случится при двух событиях: сработка таймера или нажатие кнопки “охлаждение”. Любая из этих сработок приведет к выключениею ТЭНов и запуску вентиляторов.

Тогда кнопка должна инициировать переключение шагового искателя на следующую позицию. В этом случае реле-таймер и сработка кнопки работают по правилу ИЛИ. Если кто-то из них переходит в состояние ИСТИНА, то ИСТИНУ принимает и искатель.

Вот и все. Никаких вам ПЛК, SCADA и уж тем более IIoT-платформы. Только старая-добрая релейная логика. 

Надо сказать, что при качественном исполнении реле, она мало того, что простая, так еще и надежная. Плюс - у нее есть совершенно четкое время переключения состояний, она не зависнет и не затупит. 

Даже если что-то пойдет не так, в будке рядом с печью сидит оператор, который может вмешаться. Dark Factory мы пока не строим. Зато один оператор может управляться с несколькими печами. И для первой половины ХХ века это огромный шаг вперед. 

А если к печи присоединить конвейер и связать два шкафа автоматики (печи и конвейера), то уже получается полноценная автоматизированная линия. А если объединить в общий контур механизмы до и после конвейера, то и до полной автоматизации предприятия недалеко.

Не дребезжи контактами!

Релейная автоматика захватывает заводы, города и технологические процессы. Каскады реле множатся в геометрической прогрессии. АТС, электростанции, производственные линии, системы дорожного движения, железная дорога. Все исправно работает и тихонько пощелкивает. Что еще надо от технологии?

Но у системы релейной автоматики есть совершенно четкие ограничения:

1. Да, она не может зависнуть из-за ошибки программы или перегруза процессора. Однако, механические контакты изнашиваются и выгорают, а значит логика может в прямом смысле застрять при выполнении. Это не такая большая проблема, как может показаться. Реле научились делать надежными, а главное, предсказуемыми. Есть регламентный срок работы и предусмотренное число срабатываний, после которого нужны ППР или замена. Если соблюдать эти сроки, то реле современным ПЛК еще сто очков вперед дадут.

2. А вот с улучшением этой системы была просто беда. Любая смена логики производства требовала смены логики работы реле. Это вам не программу в ПЛК загрузить, это с отверткой (и часто паяльником) идти по шкафам и все менять. Очень высокая цена модернизации.

3. Громоздкость и стоимость. Шкаф релейной автоматики - это куча дорогущего железа. Его надо купить, где-то установить, запитать и поменять все в регламентный срок. 

4. Специфичные проблемы электромеханических реле (вроде дребезга контактов). Их надо было учитывать в конструкциях, иначе можно словить ложные сработки.

Про дребезг контактов стоит рассказать отдельно, ибо это боль всех механических соединений. Благодаря борьбе с этим явлением, многие контактные группы выглядят так, как будто после инженеров там поработал еще и дизайнер. 

Для тех, кто родился чуть позже 1920 года напомню. Дребезг контактов — это когда электрический контакт (например, в кнопке или реле) не соединяется мгновенно, а многократно быстро замыкается и размыкается за доли секунды. Т.е. по сути вибрирует, прежде чем устаканиться.

Это создает проблемы: такая вибрация может быть воспринята как дополнительный импульс. Если взять наши пример с печью выше, то дребезг контактов на входе шагового искателя может переключить его не на одно, а сразу на два состояния. Тогда печь не сможет нормально работать, ибо из техпроцесса всегда будет вылетать важный этап. 

С этим можно бороться через конструктив электрических схем или механически. В первом случае самый простой способ поставить в параллель конденсатор, который сгладит вибрации. Но нас интересует механическое решение. 

Для примера возьмем декадно-шаговый искатель ДШИ-11. Он на фото ниже. Обратите внимание на треугольную группу подвижных контактов, которые выделены красными кружками. Контакты вращаются по своей оси и замыкают необходимую группу ламелей (неподвижных контактов). 

Казалось бы - зачем на конце контактов нужен разрез? Площадь соединения становится меньше, площадка уже не такая крепкая, выше риск, что отгорит или погнется. Не говоря уж об усложнении при изготовлении.

Но именно в такой конфигурации контакты гораздо стабильнее встают на ламели и не дают ненужных паразитных сигналов. Перед нами сердце советских АТС, там паразитные сигналы реально могут привести к ошибкам.

Такие “дизайнерские изыски” можно встретить на многих электромеханических устройствах. И, чаще всего, есть причина, почему они там появились.

В общем, хорошо с вашей механикой, но сложно. 

Потому, уже в 1940хх годах начинают строить прообраз ПЛК тогда еще на лампах. Чуть позже подтянуться транзисторы. 

Всю логику стремятся забрать у электромеханики и передать в полупроводники, ведь те в разы компактнее, меньше потребляют и не требуют замены из-за износа подвижных контактов. Окончательной победой нового поколения автоматизации становится возможность менять логику работы программно. Без паяльника и отвертки. Золотой век реле окончательно подходит к концу. 

Заключение

Релейная автоматика не сдается.

Ее по-прежнему используют там, где высока цена ошибки, требуется исключительная надежность и не слишком сложная цепочка вычислений. Релейная защита в энергетике, железная дорога, аварийная автоматика, лифты и ряд других систем.  

И все же большая часть винтажного IIoT разобрана, сдана на цветмет или перекочевала в музеи. Однако, именно реле заложили основы современной промышленной автоматизации. 

Об этом нам напоминает язык Ladder Diagram, разработанный буквально на основе работы реле и Булевой алгебры. В данный момент он остается одним из самых востребованных для программирования логических контроллеров и отлично отображает логику техпроцессов.

В общем реле хоть и сдают позиции, но их рано отправлять на пенсию. А значит, резкие щелчки электромагнитной коробочки будет знать еще не одно поколение инженеров АСУТП.