Мы продолжаем прослеживать развитие релейной автоматики и связанной с ней релейной логики, пытаясь понять, как в первой половине XX века крупные заводы выполняли сложнейшие операции с невероятной надёжностью ещё до появления программируемых логических контроллеров и специалистов IIoT.
В первой части мы выяснили, что главным инструментом автоматизаторов тех лет были электромеханические реле, с помощью которых решали по-настоящему непростые задачи. Но по мере роста масштабов производства требования к системам управления становились всё выше, а сложности — глубже.
Автоматизация Ривер Руж
К началу 1920-х Westinghouse предлагала всё более совершенствованные реле для энергетических установок. Например, «Overload and reverse-current relay» одновременно контролировало перегрузку и обратный ток — фактически реализуя логическую операцию «ИЛИ».
General Electric следовала схожей логике: их «DC reverse power and under-load relay» действовало по тому же принципу «ИЛИ» между двумя параметрами.
Тем не менее релейная автоматика долго оставалась специализированной нишей электростанций и железнодорожных сетей. Массовое внедрение в промышленное производство откладывалось, а систематического подхода ещё не сложилось.
Понятие «релейная логика» в современном понимании только зарождалось: инженеры всё больше склонялись к математическому описанию работы реле, отходя от сугубо эмпирических методов.
Одним из первых примеров применения логических операций стала телеграфная шифровальная система по методу Вернама, где ключ через исключающее «ИЛИ» смешивался с исходным сообщением. Аппаратно такая операция выполнялась при помощи реле.
Однако единых правил проектирования до поры до времени не было.
Рождение гиганта: завод Ривер Руж
Около 1915 года Генри Форд приобрёл участок вдоль реки Руж в штате Мичиган, где в детстве любил гулять. Изначально планировался птичий заповедник, но с началом Первой мировой войны ВМС США потребовали срочной постройки патрульных кораблей.
Форд отложил идею заповедника и приступил к возведению гигантского завода, который вскоре стал крупнейшим в мире: 93 здания, 160 км рельсов, собственный причал, электростанция, сталелитейный и стекольный цеха, бумажный комбинат — общая численность персонала переваливала за 100 000.
Форд применил принцип «от руды до автомобиля»: сырьё загружалось на одном конце конвейера, а готовая продукция выходила с другого. В основе реализации лежал подход «прототип — испытание — масштабирование», что сделало завод настоящим полигоном передовых технологий.
Конвейеры останавливали работу при не сработавшем концевом датчике, операторы управляли механизмами удалённо, а в машинных шкафах разрабатывались сложные логические цепи из реле. Доменные печи и автоматические прессы работали по легендарным схемам.
Однако при расширении грузопотоков и числа производственных линий релейные схемы становились чересчур громоздкими: уследить за каждым условием, исключить тупиковые ветвления и обеспечить бесперебойную подачу сырья было всё труднее.
Инженеры завода поняли: нельзя бесконечно наращивать каскады реле без единых принципов проектирования. Требовался своего рода фреймворк, задающий чёткие правила описания всех возможных ситуаций.
Шаг Шеннона: математизация автоматизации
Эту проблему помог решить Клод Шеннон — инженер, криптоаналитик и математик, работавший над теорией игр и систем управления. В 1938 году он обнаружил, что булева алгебра Джорджа Буля идеально соответствует работе реле, и предложил формализованный подход к проектированию логических схем.
Булева алгебра и реле
Джордж Буль в середине XIX века ввёл двоичную систему с двумя значениями — Истина и Ложь — и определил операции «И» (конъюнкция), «ИЛИ» (дизъюнкция) и «НЕ» (инверсия). Эти операции позволяют создавать чёткие логические выражения без двусмысленности.
Шеннон продемонстрировал, что замкнутый контакт реле соответствует логической «1», а разомкнутый — «0». Это совпадение стало основой релейной логики и лёгло в основу современной автоматизации.
Пример: автоматическое управление печью
Рассмотрим упрощённую печь XX века, где автоматика построена на электромеханике и реле:
- Запуск работы;
- Нагрев до заданной температуры;
- Поддержание максимального режима;
- Выключение и охлаждение;
- Повтор цикла.
В элементарном шкафу управления присутствуют кнопка «Пуск», шаговый переключатель на четыре позиции, два термореле, реле-таймер, реле нагрева (100 % и 50 % мощности), реле вентиляторов, индикатор «Процесс завершён» и кнопка «Охлаждение».
Алгоритм:
- При «Пуск» переключатель в позиции 1 включает реле полной мощности.
- Первое термореле при достижении рабочей температуры переводит переключатель в позицию 2: отключается полная мощность, подключается половинная и запускается таймер.
- По срабатыванию таймера переключатель в позиции 3 включает вентиляторы и отключает нагрев.
- Второе термореле при остывании переходит в позицию 4, глушит вентиляторы и зажигает индикатор завершения.
Если добавить кнопку «Охлаждение», её срабатывание и таймер объединяются операцией «ИЛИ» — любое событие переводит систему в третий этап.
Достоинства и ограничения
Преимущества:
- Чёткое и предсказуемое время переключения;
- Высокая надёжность при соблюдении регламентных интервалов обслуживания;
- Простота проверки логики и диагностики.
Ограничения:
- Механический износ контактов и необходимость замены;
- Сложность и стоимость изменения логических схем;
- Габариты и материалоёмкость шкафов;
- Дребезг контактов, приводящий к ложным импульсам.
Дребезг — это многократное быстрое замыкание-размыкание при переключении, которое можно сгладить конденсатором или специальной формой контактных групп.
Уже в конце 1940-х на лампах, а затем на транзисторах стали создавать прототипы ПЛК. Полупроводниковая логика позволила компактно и надёжно реализовать программируемые алгоритмы без износа механики.
Заключение
Релейная автоматика и сегодня используется в критичных отраслях: энергетике, железнодорожной сигнализации, аварийных системах и лифтах. Хотя большинство винтажных релейных шкафов ушло в прошлое или музеи, именно они заложили основы современной промышленной автоматизации.
Язык Ladder Diagram, возникший на базе работы реле и булевой алгебры, остаётся одним из ключевых для программирования ПЛК, подтверждая долговечность идей Буля и Шеннона. Реле никуда не исчезнут, пока нужны надёжность и предсказуемость — значит, щёлчки электромагнитных контактных групп будут сопровождать инженеров ещё не одно поколение.
