Зарождение электроавтоматики

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Первые автоматические устройства, или автоматы, были чисто механическими, наиболее совершенные из которых — андроиды, автоматоны — имитировали поведение человека или животных [1]. С началом промышленной революции в XVIII в. стали широко применяться регуляторы машин, описанные в статье [2] данного цикла. Однако в середине XIX в. внедрение электричества привело к созданию новых элементов автоматики — электроавтоматики, что сделало возможной автоматизацию других областей инженерной деятельности, таких как связь, измерения, военное дело и т. д. Подробный обзор применения электроавтоматики в России в конце XIX в. содержится в работах [3, 4]. В настоящей статье рассказывается о наиболее ярких примерах контактной автоматики в телеграфии, телефонии, измерительной технике и артиллерии.

Основным элементом контактной автоматики является электромагнитное реле, созданное в 1835 г. великим американским ученым-электриком Джозефом Генри (Joseph Henry). Он изобрел его в Принстонском университете при проведении опытов по передаче электрических сигналов на расстояние до одной мили [5, 6]. Для этого Генри использовал в цепи электромагнит Стэрджена, якорь которого подсоединил к рычагу, ударяющему по звонку (рис. 1). Для увеличения расстояния на приемном конце цепи он установил другой электромагнит, замыкающий металлические контакты во второй цепи с электрической батареей, что позволило неограниченно удлинять гирлянду цепей. Название этого усилительного устройства, «реле», произошло от старофранцузского слова relais, обозначающего дорожную станцию для смены лошадей.

Рис. 1. Опыт Генри

Другой вид реле — с ртутными контактами — предложил в 1838 г. известный американский физик и изобретатель профессор химии Чарльз Пэйдж (Charles Page) для прерывания первичной цепи повышающего трансформатора, подключенного к батарее [7]. Это устройство, называемое индукционной катушкой, позволяло генерировать мощные искры. Пейдж также известен как создатель одного из первых электрических локомотивов с линейным электромагнитом и кривошипно-шатунным механизмом мощностью до 10 л. с.

Электромагнитное реле было сразу же применено в одном из самых важных изобретений XIX в. — электрическом телеграфе [8]. Первые действующие телеграфные аппараты, предложенные русским академиком-востоковедом и дипломатом бароном Павлом Львовичем Шиллингом в 1832 г. и английским ученым и изобретателем Чарльзом Уитстоном (Charles Wheatstone) в 1837 г., использовали на приемном конце стрелочные гальванометры с буквенными циферблатами и сложными кодами. В аппарате Шиллинга было шесть стрелок, а у Уитстона — пять, требующих шести проводов. В усовершенствованной системе Уитстона число стрелок было снижено до двух, а проводов — до трех, и такие телеграфы были весьма популярны как на железной дороге, так и на почте Англии в середине XIX в. За создание телеграфа и другие достижения Уитстон был удостоен рыцарского звания. В 1847 г. более совершенный аппарат был создан Вернером Сименсом, всего с одной стрелкой и двумя проводами [9].

Однако к концу XIX в. все они были вытеснены телеграфами по системе Морзе, построенными на реле. Малоизвестному живописцу из Нью-Йорка Сэмуэлю Морзе (Samuel Morse) во время его месячного плавания из Европы, где он совершенствовал свое мастерство, пришла в голову мысль об электрическом телеграфе. Имея самые отдаленные представления об электричестве и отчаянно нуждаясь в средствах, Морзе, тем не менее, смело взялся за строительство аппарата. Однако упорные трехлетние усилия ничего не дали и вынудили Морзе обратиться за советом к самому Джозефу Генри. Тот не только посвятил его в тайны электромагнетизма, но и посоветовал строить линии в виде гирлянды цепей с усилителями в виде реле [5]. Это помогло Морзе довести свой телеграф до работоспособного состояния и получить в 1840 г. патент США, принесший ему впоследствии богатство и славу [10]. На рис. 2 показана схема приемного аппарата из этого патента. Приемный электромагнит (1) с рычагом (2) действует на перо, отмечающее точки и тире на бумажной ленте (3) лентопротяжного механизма, которая поступает в приемную кассету (4).

Рис. 2. Приемный аппарат Морзе

В 1844 г. заработала первая телеграфная линия Морзе — между Балтимором и Вашингтоном, длиной 40 км, построенная на субсидию Конгресса США. Первой переданной телеграммой была фраза из Библии: «Чудны дела Твои, Господи!». Успеху проекта также способствовал совет Генри прокладывать линию не подземным кабелем, как это делалось изначально, а в виде проводов на столбах. В качестве изоляторов использовались горлышки бутылок. Правда, патент Морзе был оспорен в суде Пейджем, служившим также экспертом в Патентном ведомстве и противопоставившим упомянутый выше патент на индукционную катушку. Вопрос был окончательно закрыт лишь тогда, когда основная телеграфная компания «Вестерн Юнион», обладающая всеми патентами Морзе, выкупила и патент Пейджа [7].

К концу XIX в. весь мир был опутан телеграфными линиями с пишущими аппаратами Морзе. Его победе способствовали не только более простая и надежная система с реле, требующая всего двух проводов, но и знаменитый импульсный код Морзе, который содержал только два элемента: точку и тире. Одна из ранних конструкций американского телеграфного реле-ретранслятора 1850-х гг. для удлинения линии показана на рис. 3, где: 1 — обмотка; 2 — якорь, переключающий контакты наверху; 3 — возвратная пружина [11]. К концу XIX в. усовершенствованные реле, называвшиеся тогда почтовыми, позволили довести скорость передачи до 200 слов в минуту.

Рис. 3. Телеграфное усилительное реле

В 1876 г. Александр Белл (Alexander Bell), шотландец по происхождению и учитель школы для глухо­немых из Бостона, изобрел телефон, а в 1891 г. американец Элмон Строуджер (Almon Strowger) запатентовал коммутатор телефонной станции на базе шагового искателя и основал первую автоматическую телефонную станцию (АТС) [12]. В отличие от обычного реле шаговый искатель имеет не два, а десять устойчивых положений. Говорят, что с этим изобретением связана следующая история. Строуджер владел похоронным бюро, несшим большие убытки из-за действий конкурента, жена которого была телефонисткой на местной телефонной станции и перенаправляла мужу все звонки в бюро Строуджера. Это и навело последнего на идею придумать беспристрастный «телефон без барышень, ругани и ожидания» (англ. «girl-less, cuss-less and wait-less») [13]. Он же изобрел и дисковый номеронабиратель.

Рис. 4. Хроноскоп Уитстона-Хиппа

В России первая АТС на 10 тысяч номеров была создана С. М. Бердичевским-Апостоловым в 1894 г. [3].

С ростом глобальной телефонизации релейно-контактные коммутаторы стали потреблять такое огромное количество электроэнергии, что в начале ХХ в. лаборатория «Белл», основанная Александром Беллом, занялась поиском экономичных электронных переключателей. В итоге в 1947 г. это привело к созданию транзистора.

Электромагнитное реле в качестве усилителя использовал также Александр Степанович Попов в приемнике радиоволн с когеррером, впервые продемонстрированном в 1895 г. [3].

С именем Уитстона связано создание еще одного элемента автоматики — прибора для измерения коротких промежутков времени. В 1840 г. он запатентовал электрический хроно­скоп, который был вскоре усовершенствован швейцарским часовщиком Матиасом Хиппом (Matthias Hipp) и долго служил основным физическим прибором для измерения скорости падения груза, времени полета артиллерийского снаряда, времени реакции человека и т. д. [14]. Прибор Уитстона — Хиппа, показанный на рис. 4, представлял собой часовой механизм, приводимый в движение грузом (1) с регулятором стабильной скорости, который обеспечивал быстрое вращение стрелок на циферблатах (2). Пуск и остановка стрелок выполнялись электрическим реле по сигналу на клеммах (3).

Предположим, что стрелка одного из циферблатов вращается со скоростью 10 об/с. Тогда, если стрелка будет запущена с началом некоторого процесса и остановлена в его конце на 1/10 оборота циферблата, то длительность процесса составит 10 мс. Наличие двух циферблатов повышало точность измерений, которая в лучших хроноскопах того времени доходила до 1 мс.

Уитстон использовал этот аппарат для измерения скорости полета снаряда, помещая в стволе орудия и на мишени включенные в гальваническую цепь проволочные сетки, разрыв которых свидетельствовал о начале и конце процесса. Испытательную аппаратуру для стрельбы существенно усовершенствовал русский военный инженер и ученый Константин Иванович Константинов, создавший в 1844 г. баллистическую установку. Его работам будет посвящена отдельная статья.

Элементы электроавтоматики применялись и для дистанционных измерений. На рис. 5 показана схема автоматической записи уровня прилива (мареографа), созданная в Николаеве военными моряками Фердинандом Фердинандовичем Врангелем и Иваном Михайловичем Диковым в 1876 г. [3].

Рис. 5. Уровнемер (мареограф)

Устройство имеет коммутатор в виде колеса (1) с 36 металлическими контактными штырями (2) на ободе и качающимся контактом (3), верхняя часть которого может замыкать один из двух неподвижных контактов (4), образующих цепи электромагнитов (5) и (6) перьевых отметчиков. Последние подключены к левой клемме гальванического элемента (7), правая клемма которого соединена со всеми штырями (2). Контакт (3) удерживается пружиной в вертикальном положении. Уровень прилива отмечается поплавком (8) с грузом (9). Устройство снабжено часовым механизмом, протягивающим бумажную ленту, на которой перьевые отметчики с краской оставляют точки при замыкании соответствующего электромагнита — (5) или (6). При подъеме воды контакт (3) замыкает левый штырь (2) и левый контакт (4), вызывая срабатывание электромагнита (5) и появление точки на ленте. Расстояние между штырями составляет один дюйм, поэтому высота прилива определяется по числу точек. Аналогично измеряется и снижение уровня воды, однако при этом уже замыкается цепь электромагнита (6), а точки отмечаются в другом месте ленты. В современной терминологии рассмотренное устройство называется импульсным датчиком положения.

Электромагнитные реле и переключатели широко применялись и при автоматизации артиллерийских установок. Так, в 1867 г. выпускник Московского университета военный инженер Алексей Павлович Давыдов разработал и испытал систему «гальванической стрельбы» корабельной артиллерии. Выстрел каждого орудия производился при замыкании цепи, содержащей три последовательно включенных реле [3]. Первое реле замыкалось, когда курс корабля имел заданное значение, второе — при введении в орудие надлежащего угла возвышения, а третье замыкалось механическим кренометром в виде маятника, когда палуба корабля при качке принимала горизонтальное положение. В современных системах пуска ракет цепь пуска содержит десятки таких реле, отвечающих за готовность всех систем ракеты.

Через десять лет усовершенствованная система Давыдова, обеспечивающая также управление стрельбой нескольких орудий с центральной станции, была внедрена на нескольких военных судах Российского флота. Результаты ее испытаний показали увеличение скорости стрельбы в шесть раз, а числа попаданий — почти в четыре раза по сравнению со штатной системой. Позднее Давыдов также изобрел силовую следящую систему для автоматической стабилизации орудия по крену корабля, которую он назвал «мотор-кренометром» [3].

К началу ХХ в. техника автоматического управления имела уже значительные успехи — как в части автоматических регуляторов хода машин, так и в контактно-релейной автоматике. Однако широкой автоматизации всех отраслей препятствовало отсутствие электронных усилительных и вычислительных устройств, развитию которых будут посвящены последующие статьи.

В 1835 г. изобретение Генри электромагнитного реле создало новое направление электротехники — электроавтоматику, нашедшую много полезных применений.

• В телеграфии реле использовались для удлинения линии связи (в ретрансляторах) и для записи сигналов на ленту в приемном аппарате, созданном Морзе в 1840 г.

• Автоматические телефонные станции, изобретенные Строуджером в 1891 г., строились на электромагнитных шаговых искателях.

• В измерительной технике были созданы релейные автоматические приборы для измерения быстропротекающих процессов (хроноскоп Уитстона в 1840 г., баллистическая установка Константинова в 1844 г.), а также устройства измерения положения.

Разработка Давыдова (1867 г.) положила начало автоматизации стрельбы корабельной артиллерии в условиях качки.