Промышленность 1960х: эволюция автоматизации

Шестидесятые годы. Эпоха, когда человечество рвалось в космос, но на земле, в заводских цехах, царил грохот и хаос. Это было десятилетие великого перелома, когда индустриальный мир, достигший пика своего механического развития, уперся в потолок. Дальше расти было некуда: станки становились слишком сложными, линии – слишком длинными, а шкафы управления – слишком горячими.

Чтобы понять, какой подвиг совершили инженеры той эпохи, нужно представить себе атмосферу типичного автозавода Детройта или металлургического гиганта Урала образца 1965 года. Здесь не было стерильных сенсорных панелей и бесшумных сервоприводов. Здесь пахло горелым текстолитом, озоном от искрящих контактов и машинным маслом. Автоматизация держалась на "жесткой логике" – миллионах километров медного провода, спаянного вручную. Именно в этом десятилетии произошел тот самый "Большой взрыв", ударная волна от которого сформировала современный облик АСУ ТП.

Сердцем любой автоматической линии 60-х был релейный шкаф. Точнее, это был не шкаф, а целая стена, иногда длиной в двадцать метров. Внутри, подобно полкам в библиотеке, рядами стояли электромеханические реле, таймеры на вакуумных лампах и огромные хлопающие магнитные пускатели.

Каждое реле – это один бит информации. Включено или выключено. Чтобы реализовать простейшую логику "Если нажата кнопка А и сработал концевик Б, то включить мотор В", нужно было физически соединить проводами катушки и контакты трех устройств. А теперь представьте конвейер сборки коробок передач. Это тысячи условий, тысячи датчиков и десятки тысяч проводов.

Главной проблемой была не сложность сборки, а невозможность изменений. В середине 60-х автомобильный рынок начал требовать разнообразия. Покупатель хотел выбирать комплектацию, цвет, тип кузова. Маркетологи требовали запускать новые модели каждый год. Для заводских инженеров это звучало как приговор. Переналадка линии на новую модель означала, что сотни электриков должны были вооружиться кусачками и отвертками, выдрать тысячи старых проводов и проложить новые. Завод вставал на месяц. Стоимость простоя исчислялась миллионами долларов.

Кроме того, релейная автоматика была "живой". Контакты окислялись, пружины ослабевали, катушки перегорали. Поиск одной неисправности в стене из пяти тысяч щелкающих устройств превращался в детективное расследование с прозвонкой цепей лампочкой-пробником. Индустрия задыхалась под весом собственной сложности. Нужен был выход.

История современной автоматизации имеет точную дату рождения. В 1968 году Билл Стоун из подразделения Hydramatic корпорации General Motors написал спецификацию на "Стандартный контроллер машины". Это был крик души. В документе говорилось, что новое устройство должно быть твердотельным (без движущихся частей), гибким (программируемым, а не паяемым), работать в грязной и шумной среде цеха и, самое главное, быть ремонтопригодным.

На этот призыв откликнулась небольшая компания Bedford Associates, возглавляемая харизматичным инженером Диком Морли. Легенда гласит, что концепцию он набросал на салфетке, мучаясь похмельем 1 января. Но реальность была прозаичнее и гениальнее. Морли понял главную психологическую проблему: заводские электрики боятся компьютеров. Они не знают Фортрана или Ассемблера. Если дать им клавиатуру и монитор, они устроят забастовку.

Решение Морли стало фундаментом всей отрасли. Он создал устройство, которое внутри было компьютером, но снаружи притворялось релейным шкафом. Так появился Modicon 084 (это была 84-я попытка создания прототипа). Но главным изобретением стал не "железный ящик", а язык программирования – Ladder Logic (Лестничные диаграммы).

Электрик смотрел на экран программатора и видел привычные ему две вертикальные шины питания и горизонтальные цепи с контактами и катушками. Ему не нужно было учить синтаксис кода. Он просто "рисовал" схему на экране, и она начинала работать. Это позволило внедрить цифровую логику без переучивания персонала. Modicon 084 выдерживал вибрации, жару, масляный туман и наводки от сварочных аппаратов. То, что раньше занимало комнату реле, теперь помещалось в один шкаф. Время переналадки сократилось с недель до часов. Это была победа.

Пока электрики осваивали контроллеры, на механических участках происходила своя революция – внедрение ЧПУ (Числового Программного Управления). В 60-е годы станок перестал быть продолжением рук токаря и стал продолжением математики.

В начале десятилетия носителем информации была перфолента – дюймовая бумажная или лавсановая лента с рядами дырочек. Подготовка производства выглядела сюрреалистично. Инженеры-расчетчики в белых рубашках сидели в бюро и вычисляли координаты движения резца, заполняя таблицы. Затем девушки-операторы на специальных машинках-перфораторах (напоминающих пишущие машинки) перебивали эти цифры в дырочки на ленте.

Бобина с лентой торжественно доставлялась в цех и заправлялась в считывающее устройство станка. Фотоэлементы ловили свет сквозь отверстия, и огромный фрезерный станок начинал двигаться, вытачивая сложнейшие детали для авиации – лонжероны, нервюры, лопатки турбин. Именно аэрокосмическая гонка (программа "Аполлон" и создание сверхзвуковых истребителей) стала драйвером ЧПУ. Вручную выточить монолитную панель крыла истребителя было невозможно.

В 60-е годы произошел переход от ламповых стоек ЧПУ (которые занимали шкаф размером с холодильник и требовали мощного кондиционирования) к транзисторным. Появился язык APT (Automatically Programmed Tool) – прадедушка современных CAM-систем. Он позволял описывать деталь геометрически ("проведи линию от точки А до точки Б, скругли угол радиусом R"), а компьютер сам переводил это в дырочки на ленте. Станки научились интерполяции – плавному движению по кривой. Раньше, чтобы выточить дугу, станок делал тысячи микроскопических шажков лесенкой. Теперь он "скользил".

Не стоит забывать про непрерывные производства – нефтепереработку и химию. Там ПЛК не прижились сразу, потому что задачи были иными: не включать/выключать, а плавно регулировать. В 60-е годы здесь царила пневмоавтоматика.

Это поразительная, ныне забытая ветвь технологий. ПИД-регуляторы того времени работали без электричества. Входным сигналом было давление сжатого воздуха (стандарт 3–15 psi или 0.2–1.0 кгс/см²). Внутри контроллера стояла сложнейшая система сильфонов, сопел, заслонок и рычагов. Это были настоящие аналоговые компьютеры, где вычисления производились за счет баланса сил давления воздуха.

Инженеры настраивали коэффициенты ПИД, подкручивая игольчатые дроссели отверткой, меняя сопротивление потоку воздуха. Эти системы были невероятно надежны (в них нечему искрить, что критично для взрывоопасных производств), но громоздки. Передача сигнала на 300 метров по медной трубке давала задержку в несколько секунд.

К концу 60-х в этот сектор начали проникать первые мини-ЭВМ, такие как легендарный PDP-8. Они были достаточно компактными и дешевыми (по меркам того времени), чтобы поставить их недалеко от установки. Началась эра DDC (Direct Digital Control) – прямого цифрового управления, когда компьютер напрямую управлял клапанами. Но надежность первых ЭВМ была низкой, поэтому рядом всегда оставляли старую добрую пневматику "на всякий случай".

Если на уровне цеха битва шла за управление "железом", то на уровне заводоуправления битва шла за данные. В 60-е годы в корпорации вошли большие ЭВМ – мэйнфреймы, символом которых стала IBM System/360.

Это были компьютеры, занимавшие целые залы ("стеклянные башни"), с фальшполами, под которыми вились удавы кабелей, и штатом операторов в белых халатах. Простой рабочий не имел доступа к мэйнфрейму. Связь между цехом и "мозгом" осуществлялась через перфокарты.

В конце смены мастер цеха заполнял бумажную ведомость: сколько деталей сделано, сколько брака, сколько металла потрачено. Утром эти данные набивались на перфокарты и скармливались компьютеру. Машина гудела, мигала лампочками и выдавала распечатку-простыню. Так родились системы MRP (Material Requirements Planning).

Впервые завод смог точно посчитать, сколько подшипников нужно закупить, чтобы собрать план следующего месяца. До этого снабжение работало интуитивно, создавая гигантские складские запасы "про запас". Компьютер позволил оптимизировать склады, хотя цикл обратной связи был чудовищно долгим – данные устаревали на неделю, пока доходили до распечатки. Это была "пакетная обработка" данных, далекая от реального времени, но это был первый шаг к цифровой экономике.

В СССР 60-е стали временем романтической веры в кибернетику. Если на Западе автоматизация шла "снизу" (от потребности бизнеса удешевить производство), то в Союзе пытались внедрить её "сверху".

Советские ЭВМ того времени (БЭСМ-6, "Минск-32") по вычислительной мощности не уступали, а часто и превосходили западные аналоги. Академик Виктор Глушков предложил визионерский проект ОГАС – Общегосударственную автоматизированную систему учета и обработки информации. По сути, это был прообраз интернета для управления плановой экономикой всей страны. Глушков хотел перевести все заводы на безбумажный документооборот еще в середине 60-х.

Однако советская автоматизация столкнулась с проблемой элементной базы и бюрократией. Промышленность не могла массово производить надежную периферию (датчики, АЦП, терминалы). Проекты АСУП (Автоматизированные системы управления предприятием) внедрялись на передовых заводах (АЗЛК, ВАЗ, оборонка), но часто оставались "вещью в себе" – дорогими игрушками, которые выдавали отчеты, не влияющие на реальные решения директоров. Тем не менее, именно в 60-е была создана мощнейшая школа теории автоматического управления, математические алгоритмы которой (особенно в космосе и атомной энергетике) до сих пор считаются эталонными.

Чтобы понять технологический уровень того времени, достаточно взглянуть на то, как хранили данные. Никаких флешек или жестких дисков в современном понимании. Оперативная память была на ферритовых сердечниках.

Это было настоящее рукоделие. Представьте рамку, на которой натянута сетка из тончайших проводов. В каждом пересечении висит крошечное ферритовое колечко диаметром меньше миллиметра. Через каждое колечко пропущены три-четыре провода. Намагниченное кольцо – единица, размагниченное – ноль.

Эту память "ткали" вручную женщины под микроскопами. Блок памяти объемом 32 килобайта весил как гиря и стоил как автомобиль. Именно на такой памяти летали корабли "Аполлон" и работали первые промышленные компьютеры. Она была энергонезависимой (при выключении питания данные не стирались) и невероятно устойчивой к радиации, но чудовищно дорогой в производстве. Это объясняет, почему программисты 60-х бились за каждый байт кода. Оптимизация была не правилом хорошего тона, а условием работоспособности системы.

Шестидесятые закончились, оставив нам фундамент, на котором стоит современная Индустрия 4.0. Именно тогда произошло разделение на уровни автоматизации, которое мы используем до сих пор:

Инженер 60-х годов перестал быть просто механиком. Ему пришлось научиться мыслить абстрактно. Он перестал видеть мир как набор шестеренок и начал видеть его как поток информации. Релейные стены ушли в прошлое, уступив место строкам кода, но запах озона и гул трансформаторов остались вечными спутниками тех, кто оживляет железо.