Od zegarów wodnych po loty w kosmos. Jak automatyzacja wpłynęła na nasze życie?

Automatyzacja to proces polegający na wykorzystaniu technologii do wykonywania zadań i procesów bez bezpośredniego udziału człowieka lub z minimalnym jego zaangażowaniem. Automatyzacja ma w założeniu zwiększyć efektywność, precyzję i powtarzalność działań przede wszystkim dzięki wyeliminowaniu błędów ludzkich.

Choć automatyzacja zwykle kojarzy nam się z nowoczesnymi rozwiązaniami wykorzystującymi komputery czy zaawansowaną elektronikę, to tak naprawdę jest to dziedzina obecna w ludzkiej technologii już od czasów starożytności - człowiek po prostu z natury dąży do ułatwienia swojej pracy. Jak więc wyglądała historia rozwoju automatyki?

Za pierwsze w historii urządzenie, który można nazwać układem automatyki, uznaje się starożytne polinezyjskie czółna z odsadnią. Są to niewielkie kajaki, do których po bokach mocowano drewniane pływaki, które powodowały automatyczną stabilizację pierwotnie dość wywrotnej konstrukcji. Dzięki tego rodzaju łodziom ludy z obszaru Polinezji mogły sprawnie migrować między tamtejszymi wyspami często znacznie od siebie oddalonymi.

Kolejna z serii dawnych mechanizmów automatycznych powstała dzięki wynalazkowi Ktesibiosa z Aleksandrii. Opracował on około 270 r. p.n.e. regulator pływakowy, który umożliwiał regulację poziomu wody w zbiorniku, działający podobnie do tego we współczesnych spłuczkach w toaletach. 

Dzięki zastosowaniu tego układu możliwy był chociażby pomiar czasu. Taki zegar wodny składał się z dwóch zbiorników, jeden z nich posiadał otwór na dnie, a jego poziom wody utrzymywany był na stałym poziomie dzięki regulatorowi. Poziom wody w drugim zbiorniku, do którego ze stałym tempem wpływała ciecz z pierwszego, zależny był wtedy od czasu. 

M.in. na podstawie tego wynalazku powstały liczne projekty Herona z Aleksandrii z I wieku n.e. Należały do nich m.in. automatycznie otwierane drzwi świątyni wykorzystujące parę wodną, samonapełniająca się miska z winem czy swoista maszyna vendingowa, która na podstawie wagi monety wydawała odpowiednią ilość wody do obmywania się w trakcie obrzędów religijnych.

Podobne wynalazki rozwijano w świecie arabskim do XIII wieku n.e. Można tutaj wymienić chociażby dzieła Ismaila Al-Dżazariego, który obecnie uznawany jest za ojca robotyki dlatego, że jego projekty miały odpowiadać potrzebom ludzi, a nie tak jak w przypadku Greków “tworzyć wrażenie magii dla samego widowiska". Stworzył on m.in. robotyczny zespół muzyczny działający w oparciu o przepływ wody i potrafiący grać kilka zaprogramowanych utworów, czy też automatyczną kelnerkę serwującą napoje.

Prawdziwy przełom w automatyzacji rozpoczął się dopiero w XVIII wieku, w czasie rewolucji przemysłowej. Wprowadzenie na dużą skalę maszyn parowych wymagało opracowania systemów sterowania, gdyż urządzenia te nieszczególnie nadawały się do regulacji ręcznej. 

Jednym z najciekawszych i najbardziej przełomowych wynalazków z tego okresu jest tzw. regulator Watta z 1788 roku, który umożliwiał automatyczne sterowanie prędkością obrotową silników parowych. Regulator ten samoczynnie regulował dopływ pary i tym samym (po odpowiedniej kalibracji) utrzymywał stałą prędkość obrotową. 

Działał on na zasadzie siły odśrodkowej - gdy silnik był w spoczynku, dwie kule stanowiące jego podstawowe elementy znajdowały się w dolnym położeniu i tym samym maksymalnie otwierały dopływ pary do silnika. Wraz ze wzrostem prędkości kulki zaczynały się obracać, a siła odśrodkowa unosiła je do góry, co prowadziło do powolnego zamykania zaworu i stabilizacji prędkości obrotowej silnika. Prędkość można było zmieniać poprzez zastosowanie kul o innej masie.

Regulator ten uznawany jest za największe osiągnięcie ówczesnej automatyki, choć nie był on rozwiązaniem idealnym. Przede wszystkim działał stosunkowo wolno, więc nie był w stanie sprawnie reagować na nagłe zmiany prędkości silnika. Nie był także szczególnie precyzyjny z uwagi na to, że sterował prędkością jedynie proporcjonalnie, czyli działał "idealnie" tylko w wąskim zakresie prędkości.

Z tego powodu przez cały XIX wiek opracowano tysiące sposobów na usprawnienie regulatora Watta. Z reguły powstawały one jednak na zasadzie metody prób i błędów bez szerszego zrozumienia mechanizmów stojących za działaniem tych układów. Dzięki pracy tych wynalazców świat jednak całkowicie się zmienił i możliwa stała się produkcja przemysłowa.

Za początek teorii opisującej automatyzację uznaje się natomiast połowę XIX wieku kiedy pojawiały się pierwsze udane próby analizy zachowania układów automatycznych z wykorzystaniem matematyki. Za jedne z najważniejszych prac z tego okresu uznaje się m.in dzieła J.C. Maxwella, Edwarda Johna Routha czy Adolfa Hurwitza. Od tego czasu podejście teoretyczne bardzo powoli zaczęło przejmować rolę poprzedniego ściśle praktycznego projektowania urządzeń automatycznych. 

W czasach od początku XX wieku do końca 2 wojny światowej obserwowaliśmy kolejny etap w rozwoju automatyzacji. To wtedy zaczęto na coraz większą skalę wprowadzać w życie teoretyczne aspekty opracowane w XIX wieku. 

W początkach XX wieku opracowano m.in. pierwszego autopilota wykorzystującego żyroskopy, powstały pierwsze regulatory napięcia dla energetyki, które umożliwiły jej coraz szersze rozprzestrzenianie. Stworzono także pierwsze systemy kontroli ognia dla artylerii okrętowej, które umożliwiały prowadzenie dokładniejszego ostrzału.

W 1922 roku wynaleziono natomiast regulator PID, który obecnie stanowi podstawę znacznej większości układów automatycznych. Urządzenie, które miało demonstrować jego możliwości, doskonale radziło sobie z automatycznym sterowaniem kursem statku (lepiej niż doświadczeni sternicy), jednak z uwagi na opór załóg rozwiązania nie wprowadzono i stało się ono popularne dopiero kilka dekad później.

Podczas drugiej wojny światowej w największym jak dotąd stopniu skupiono się na tworzeniu nowych rozwiązań na podstawie teorii, a nie metody prób i błędów. Powstał wtedy m.in. celownik bombowy automatycznie wyliczający miejsce trafienia bomb na podstawie prędkości i wysokości samolotu.

Po drugiej wojnie światowej prym w dziedzinie automatyki wiódł ZSRR, w dużej mierze dzięki wykorzystywaniu teorii opracowanej w XIX wieku przez rosyjskiego naukowca Aleksandra Lapunowa, która na Zachodzie była praktycznie zapomniana. 

Na skutek tego ZSRR jako pierwszy wystrzelił w kosmos sztucznego satelitę - Sputnika-1. Był to spory szok dla Amerykanów, którzy musieli wtedy szybko “nadrobić zaległości" co ostatecznie doprowadziło ich do zwycięskiego wyścigu na Księżyc. 

Kolejną rewolucją było wprowadzenie sterownika PLC w 1970 roku. Jest to urządzenie, które umożliwia łatwe zaprogramowanie określonych algorytmów działania np. procesu produkcyjnego. Funkcjonuje ono w sposób zbliżony do komputera, jednak przystosowane jest ściśle do obsługi procesów przemysłowych. 

Uprzednio algorytmy takie tworzono po prostu poprzez zastosowanie odpowiednich połączeń przewodowych między stycznikami, wszelkie zmiany programu wymagały więc fizycznej ingerencji w logikę układu. PLC bardzo usprawniły proces programowania procesów przemysłowych. Obecnie sterowniki te są standardem w przemyśle, w Polsce ich produkcję rozpoczęto już w 1977 roku w zakładach MERA ZAP Ostrowie Wielkopolskim.

Równie ważne dla automatyzacji stało się upowszechnienie komputerów osobistych oraz rozwój technik telekomunikacyjnych, dzięki czemu obecnie jesteśmy w stanie tworzyć ogromne systemy automatyki wymieniające między sobą bezprzewodowo dane w czasie rzeczywistym. Nazywane jest to czwartą rewolucją przemysłową.

Automatyzacja przyniosła ludzkości ogromne korzyści w wielu dziedzinach życia. Przykładowo w lotnictwie systemy fly-by-wire podnoszą bezpieczeństwo, automatycznie korygując lot samolotu. Możliwe stały się także loty w kosmos i znacznie zwiększyły się nasze możliwości w precyzji i jakości wytwarzania przedmiotów.

Dziś automatyzacja wkracza jednak także do naszych domów w postaci inteligentnych urządzeń, systemów zarządzania energią czy nawet autonomicznych samochodów. Przykładem jest "smart home", gdzie urządzenia takie jak termostaty, oświetlenie czy systemy alarmowe są sterowane za pomocą aplikacji na telefonie. Na coraz szerszą skalę stosujemy także m.in. roboty wykonujące za nas część prac domowych.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!