Телемеханика

Под телемеханикой разумеют управление машинами и механизмами на расстоянии. Телемеханика — новая, еще совсем молодая отрасль техники. Но, несмотря на это, она достигла уже значительных результатов и бурно развивается в различных направлениях.

Вспомним телевоксы, действиями которых управляют на расстоянии с помощью звука; телелюксы, отвечающие на световые приказы; наконец, радиороботы — автомобили, корабли, самолеты, подчиняющиеся радиосигналам. Все это — проявления телемеханики, которая начинает проникать теперь и в область промышленности — в практику заводов и фабрик.

Здесь пока что исключительное распространение находит лишь способ управления машинами по проволокам с помощью электрического тока. Простейший случай представляют различные станки для обработки металла и дерева — всякие токарные, долбежные, строгальные, сверлильные рабочие машины.

В прежнее время все станки какого-либо завода приводились в движение одним центральным двигателем — паровой машиной. Через все помещение со станками проходил длинный передаточный (трансмиссионный) вал с попарно сидящими на нем шкивами. Один из них закреплялся на валу наглухо (рабочий шкив), другой сидел свободно (холостой шкив). На станке тоже были шкивы. Связь между трансмиссионным валом и станками устанавливалась при помощи бесконечных ремней.

Чтобы пустить в ход стоящий станок, нужно было длинным рычагом, свешивающимся с потолка, передвинуть ремень с холостого шкива на рабочий. Для остановки станка производилось обратное передвижение ремня. Это была тоже телемеханика, но с помощью довольно грубых приемов. Да и передача силы от двигателя к станку производилась тоже громоздкими частями — трансмиссионным валом, шкивами и ремнями.

Развитие электротехники очень сильно изменило внутренний вид новых заводов. Энергия от первичного двигателя — паровой машины, водяной турбины — стала передаваться на завод в виде электрического тока по проводам. Место ремня и шкива у каждого станка занял небольшой электрический двигатель — индивидуальный электромотор такой мощности, которая как раз необходима для приведения в движение этого станка. Чтобы пустить станок в ход, теперь нужно было только включить ток в электромотор.

Исчезли ремни, исчезли шкивы. Обращение со станком упростилось. Но все же еще оставался пусковой реостат, управление которым требовало от рабочего и внимания и умения. При слишком быстром выключении сопротивления через мотор мгновенно проходят очень сильные токи, которые могут сжечь его. Так не раз и бывало. При слишком же медленном передвижении рукоятки рабочий теряет драгоценное время.

Появилась необходимость в каком-то дополнительном механизме, который избавил бы рабочего от возможности делать ошибки. Этот механизм теперь изобретен. Он называется контактором и представляет собою электромагнитное реле. Контактор с раз навсегда установленной скоростью включает или выключает из цепи тока необходимые сопротивления. На контакторе находятся кнопки управления. Обычно бывают три кнопки, окрашенные в разные цвета.

Если станок, кроме индивидуального электромотора, имеет еще и контактор, то обращение с ним до крайности упрощается. Для пуска станка рабочему следует только нажать кнопку. Останавливается станок нажатием другой кнопки. Третья кнопка служит для придачи станку вращения в обратную сторону.

Все станки наших многочисленных новых заводов снабжаются индивидуальными электромоторами и контакторами с кнопками.

В некоторых случаях станки с кнопочным управлением достигают огромных размеров. Один из американских заводов построил, например, токарный и одновременно шлифовальный станок, на котором можно обрабатывать предметы длиною в 14 м и весом до 135 тонн — это вес паровоза. Обслуживают станок 8 электромоторов общей мощностью в 140 лошадиных сил. Главный электромотор, вращающий обтачиваемую громаду металла, имеет 75 лошадиных сил.

С одной стороны станка находятся два суппорта для токарных инструментов, с другой — один суппорт с шлифовальным кругом. Для передвижения суппортных салазок служат два электромотора по 10 лошадиных сил и один для шлифовального круга в 25 лошадиных сил.

Управление всеми движениями станка производится с помощью кнопок. Полный набор кнопок помещен в четырех местах: на станине станка и на каждом из трех суппортов, что позволяет рабочему управлять гигантской машиной с любого рабочего места.

Командные кнопки можно было бы помещать и вдали от станков, например, на каком-нибудь командном мостике, переброшенном поперек цеха. Один человек, скажем главный мастер, находясь на таком мостике и имея на столе перед собою все необходимые кнопки, мог бы в таком случае управлять станками всего цеха. Так именно и сделано на рамном заводе компании Смита.

То же самое мы найдем и у наших доменных печей. Сложнейшим механизмом доменного подъемника, в состав которого входят полтора десятка разных электромоторов, управляет один человек, находящийся перед центральным командным щитом.

Можно было бы командный пост поместить на расстоянии километра и более от управляемых машин. В доменном деле это не требуется. Но существуют химические заводы, работа которых связана с опасностью взрыва. Там перенесение командного поста на далекое расстояние становится необходимостью. И это сделано уже на некоторых заводах Германии.

Удаление командного поста от управляемых механизмов за пределы непосредственной видимости поставило перед техникой очень важную задачу — создать возможность телеконтроля, то есть надзора на расстоянии за тем, что делают машины, каково состояние аппаратов, котлов.

Для телеконтроля прежде всего необходима передача на расстоянии показаний разных измерительных приборов, определяющих температуру печей (пирометров), давления пара в котлах (манометров), скорость вращения моторов (тахометров), силу электрического тока (амперметров), процент влажности воздуха (гигрометров) и т. д.

Эта задача телеизмерений, или, как еще иначе говорят, дистанционных измерений, теперь вполне разрешена. Создано немало приборов, передающих на сотни и тысячи метров показания своих стрелок.

Чтобы с ними познакомиться, нам стоит только зайти в контрольную комнату термического цеха любого металлообрабатывающего завода. В цехе стоят закалочные печи, в которых разогреваются изделия. На их стенах в определенном месте виднеются циферблаты пирометров, стрелки которых показывают температуру внутри печи. У каждого из этих пирометров имеется двойник, расположенный на щите в контрольной комнате. Стрелка двойника не только повторяет показания основного прибора, но еще и записывает их на непрерывно движущейся ленте бумаги.

Дежурный инженер, глядя на циферблаты двойников, получает возможность следить на расстоянии за температурой печей.

Вторая задача телеконтроля — проверка исполнения приказа. Между людьми это получается просто. Когда, например, капитан парохода командует в машинное отделение: «Полный вперед!», то механик, услышав распоряжение, повторяет его: «Есть полный вперед!» и таким путем извещает капитана о выполнении приказа.

А как быть с машиной, если возле нее нет человека, если она сама исполняет приказы?

Выход ясен: нужно «научить» машину в ответ на приказ командира сообщать ему: «Есть приказ выполнен!»

И это уже сделано. Придумано много способов, с помощью которых машины и аппараты сообщают на командный пост о выполнении приказания. Основной из них — сигнализация лампами. Способ этот очень прост и состоит в следующем.

На командном щите или на пульте (на наклонном столе) возле кнопок или рычагов, отдающих приказания, помещаются одна или несколько сигнальных ламп. Предположим, для простоты, что перед нами две кнопки, управляющие где-то установленным насосом, и возле них — сигнальная лампа. Она соединена с насосом таким образом, что загорается только в том случае, когда насос работает.

Нажмем теперь на пусковую кнопку. Почти в то же мгновение зажигается контрольная лампа. Это ответ насоса. «Есть! — как бы говорит он. — Ваше приказание исполнено — я работаю полным ходом!»

Нажмем на остановочную кнопку. Мы увидим, что сигнальная лампа в то же мгновение гаснет. Этим насос сообщает о прекращении работы.

Наиболее широкое применение телемеханика и телеконтроль находят сейчас в той области промышленности, которая занимается добыванием и распределением электрической энергии. В настоящее время электрические станции строят непосредственно у источников первичной энергии — на реках, на торфяных или угольных залежах. Это объясняется тем, что электрическую энергию гораздо легче передавать по проводам на далекие расстояния, чем перевозить на эти же расстояния по железной дороге торф, уголь или другое топливо.

На первичной станции ток получается напряжением в несколько тысяч вольт. Для передачи на дальнее расстояние напряжение тока повышают до ста и более тысяч вольт, чтобы иметь возможность без больших потерь передавать ток по сравнительно тонким проводам. Это удешевляет электропередачу. В месте назначения напряжение тока понижается. Для этого служат приборы вспомогательных электрических станций, которые называются подстанциями. Иногда на подстанциях устанавливаются только простейшие аппараты (трансформаторы), не требующие за собою присмотра. Такие подстанции не имеют обслуживающего персонала. Но на более важных подстанциях, с более сложными аппаратами и машинами, люди дежурят круглые сутки.

Большая электрическая станция питает энергией десятки заводов, тысячи жилых помещений. Сеть ее проводов простирается на сотню, а иногда и более километров. В целом получается очень сложное сооружение, далеко выходящее за пределы видимости человека. Отсюда необходимость телеконтроля, теленаблюдения за тем, что происходит в различных участках сети электростанции.

С этой целью на самой электростанции в особом, хорошо освещенном помещении устанавливается щит управления. На нем в упрощенном виде (схематически) изображается вся сеть проводов со всеми подстанциями. Щит разделяется на отдельные участки, соответствующие подстанциям. В верхней части щита помещаются обычно измерительные приборы той подстанции, которая представлена этим участком щита. Ниже идут три горизонтальные линии, изображающие отдельные провода высоковольтной установки с переменным током. Еще ниже проходят горизонтальные линии, изображающие провода низковольтной сети. Между первой и второй сетью включены различные приборы и машины, показанные на щите условными значками.

Если в проводах есть ток, то изображающие их линии на щите светятся. Если тока нет, линии темны. В каждом условном значке тоже имеется контрольная лампа. При исправном действии соответствующей установки на подстанции лампа эта светит спокойно. Если же там, на месте, возникает неисправность, то лампа начинает мигать.

Удачное применение световых сигналов очень упрощает наблюдение за всем распределительным щитом, так как потемневшие линии или мигающие лампочки сразу же бросаются в глаза.

Кроме органов телеконтроля, щит имеет еще органы управления — командные кнопки и рычаги. Их помещают под щитом на специальных столах с наклонной поверхностью, которые называются пультами.

Если в квартире имеется электрическое освещение, то бывает крайне неприятно, когда оно гаснет. Это нарушает течение жизни обитателей квартиры, мешает их веселью или работе. Несравнимо тяжелее перерывы в подаче электричества на заводы и фабрики, на шахты и рудники. Это приводит к остановке станков и машин, к расстройству работы, к большим убыткам производства.

Поэтому электрические станции принимают всевозможные меры к бесперебойной работе, а в случае аварии — к скорейшему ее устранению.

Наиболее частые причины аварий — соединение главных проводов (фидеров) между собою или — при разрыве — с землею. Это называется коротким замыканием. Оно приводит к почти мгновенному усилению электрических токов во много раз, в результате чего обмотки электрических машин (генераторов) на станции сгорают.

Именно так и бывало в начале развития электрификации. Замена сгоревшей обмотки новой выводит машину из строя на долгий срок — на несколько дней или даже недель. Поэтому еще на заре электрификации практика поставила задачу — найти средство для спасения генераторов в случае короткого замыкания.

Собственно говоря, средство это было известно: нужно поскорее выключить генератор из сети, в которой произошло короткое замыкание. Это и делали дежурящие на станции инженеры или техники.

Если выключение производилось своевременно, то генератор оставался невредимым.

Но чаще всего люди опаздывали. Ведь нужно заметить аварию, подойти к выключателю, поднять руку, повернуть рычаг. На все это требуется 5—10 секунд времени при крайнем напряжении внимания дежурного. А в его распоряжении всего одна секунда или даже доля секунды. Ясно, что человек по природе своей к столь быстрым действиям не способен.

И его пришлось заменить механическим дежурным. Были созданы специальные реле, названные максимальными, которые помещают возле основных выключателей. Эти реле «чувствуют» силу тока и при увеличении ее в полтора- два раз заставляют выключатели «сработать», то есть произвести размыкание. Таким образом генератор спасается от порчи.

Современные максимальные реле все операции производят в течение десятой доли секунды. В быстроте действия они во много раз превзошли человека.

За максимальными реле последовало множество других: дистанционные, ватметровые, блокировочные, температурные, фазовые, частотные.

В детских сказках, созданных народной фантазией, часто встречаются разные добрые волшебники, которые оберегают какого-нибудь Иванушку от всяких несчастий. Вот такими «добрыми волшебниками» на современной электрической станции и являются реле. У них нет ни длинной седой бороды, ни помела с клюкой, как у их сказочных родственников. Основною их частью нередко служит электромагнит или проволочная катушка. Располагаются они везде и всюду: возле трансформаторов, у генераторов, у подшипников, у щитов управления, на подстанциях.

Целая армия «добрых волшебников»!

Одни из них в момент аварии действуют самостоятельно, производя спасительные выключения, другие при приближении опасности, например, когда перегревается обмотка генератора, дают дежурному предупредительные сигналы, привлекая его внимание на угрожаемый участок. Есть и такие реле, которые следят за самим человеком.

Причиной аварий не всегда бывают стихийные обстоятельства — буря, гроза, обледенение проводов. Очень часто виновниками оказывались сами дежурные у распределительного щита, по рассеянности или от усталости производившие неправильные включения. Чтобы этого не происходило, созданы блокировочные реле. Эти механические разумники не дают человеку сделать ошибку. Благодаря им всякое неправильное включение становится невозможным.

Завоеванием защиты нашествие «добрых волшебников» на электростанции не закончилось. Реле начинают теперь принимать на себя самое управление машинами. Это позволило прежде всего автоматизировать многие подстанции. Затем очередь автоматизации дошла и до самих электрических станций. Проще всего это было сделать со станциями, использующими энергию текущей воды.

Первая автоматизированная гидроэлектрическая станция была построена в Германии в 1898 г., возле города Меца. Ее мощность была всего 250 лошадиных сил. Пуск машин в ход или остановка производились на расстоянии — телемеханически.

Развитие автоматических станций шло сначала медленно, но в послевоенное время сильно ускорилось. К 1935 г. число автоматических станций во всем мире поднялось до 10 тысяч. Некоторые из этих станций, как, например, в Луисвилле (США), имеют мощность, превышающую 100 тысяч лошадиных сил.

Появились автоматические станции и у нас. Первая была построена в 1932 г. на Кавказе, возле города Эривани. Мощность ее — 3 тысячи лошадиных сил. Вторая сооружена в 1934 г. на Москва-реке, возле Рублева.

Некоторые автоматические станции работают вполне самостоятельно. Лишь время от времени на них заезжают инженеры для проверки работы. Чаще, однако, автоматические станции соединяются проводами с неавтоматическими. В этом случае автоматика тесно переплетается с телемеханикой. Управление станцией без людей и контроль за ее работой производится на расстоянии, с основной станции. Органы телеконтроля и телеуправления размещаются на щите и на пультах основной станции.

Пульт для управления Эриванской станцией находится в двух километрах от нее. На нем всего четыре кнопки. Если станция не работает, то для пуска ее в ход достаточно нажать всего только одну кнопку. Остановка станции производится нажатием другой кнопки. Остальные кнопки служат для изменения режима (величины) работы.

Пульт Рублевской станции находится от нее на расстоянии трех километров.

Оборудование для автоматизации Эриванской станции приобретено за границей. Аппараты для Рублевской станции сконструированы и изготовлены нашим Гидроэнергетическим институтом совместно с Харьковским электромеханическим заводом.

На всех автоматизированных электростанциях машины работают заметно лучше, чем при ручном управлении. Кроме того, сильно сокращаются расходы на персонал. Немалая экономия получается и на зданиях. Для автоматических подстанций и станций здания строят меньших размеров— ведь машинам ходить не приходится, — потолки делают ниже и совсем не устраивают окон, так как машинам ни чистый воздух, ни свет не нужны.

Кроме электрических станций, промышленная телемеханика позволяет управлять на расстоянии многими другими вещами. Интересный пример дают шлюзы Панамского канала. Управление ими централизовано. Пульт управления находится в особой контрольной комнате, которая называется диспетчерским (распорядительским) постом. Перед пультом— схематическая модель зашлюзованной части канала с маленькими алюминиевыми воротцами, со стерженьками — указателями уровня воды, и другими подробностями.

У пульта находится диспетчер — распорядитель движения. Перекачиванием воды из одной камеры шлюза в другую, открыванием и закрыванием шлюзовых ворот он управляет, нажимая на те или иные кнопки.

Контрольные сигналы о выполнении телемеханического приказания дает модель. Ее маленькие воротца, открываясь или закрываясь, движутся в точности так же, как и настоящие ворота на канале. По мере прибывания воды в камеру на модели поднимаются стерженьки, показывая уровень воды с ошибкой не более как на три миллиметра.

Находясь у такого пульта «с живой схемой» (так называют модель), забываешь о расстоянии. Кажется, что наблюдаешь действительное явление, а не его копию.

Подобная же, но еще более совершенная централизация управления шлюзовыми воротами и затворами плотин вводится на строящемся сейчас огромном канале Волга — Москва, который будет самым лучшим в мире. Электрическая связь по проводам и без проводов (по радио) между всеми участками канала будет такова, что главный диспетчер (распорядитель), находящийся на своем посту в Дмитрове или в Химках, на специальном табло (щите) будет видеть, где находятся пароходы, куда они движутся и каково положение механизмов канала.

Дежурные механики из своих центральных постов, нажимая на кнопки, смогут открывать и закрывать ворота шлюзов, поднимать или опускать затворы плотин. На контрольных щитах они тогда будут видеть, как работают все эти механизмы.

Особенно много занимались централизацией управления в железнодорожном деле. В этой области в США достигнуты к настоящему времени значительные результаты, и мы многое начинаем вводить у себя.

В 1935 г. завод имени Казицкого в Ленинграде построил сложнейшую диспетчерскую аппаратуру для централизованного управления всеми стрелками и светофорами на участке железных дорог протяжением в 70 км. Пульт этой установки по форме напоминает пианино. На щите перед пультом находится план всего участка в виде «живой схемы». На ней с помощью светящихся сигналов изображаются положение стрелок и место нахождения поездов.

Аппарат устроен так, что, если какой-либо путь на станции занят, диспетчер даже по ошибке не может направить туда второй поезд: «добрые волшебники» — блокировочные реле — этого не допустят.

Вся эта телемеханическая аппаратура будет установлена под Москвой между станциями Люберцы и Куровская, Московско-Казанской железной дороги.