順序控制分類
根據(jù)工藝特點(diǎn)及設(shè)備特性，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)把實(shí)現(xiàn)順序控制的功能大致分成了三種方式：基本方式，步序方式和步進(jìn)方式。
1、基本方式
只要輸入信息符合預(yù)定的邏輯關(guān)系，基本邏輯式控制方式就有相應(yīng)的輸出，因?yàn)橐淮闻袚?jù)中不要求包括上一步的二次判據(jù)，所以沒有明顯反映出順序的關(guān)系，這種方式比較簡(jiǎn)單，僅僅是根據(jù)若干條件的滿足，然后產(chǎn)生某種結(jié)果，一般應(yīng)用在工藝要求相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)。
2、步序方式
步序方式是在每步的一次判據(jù)中包含有上一步的二次判據(jù)，故有明顯的先后關(guān)系工程序步轉(zhuǎn)移的同時(shí)，根據(jù)需要可以將以前任意步的輸出閉鎖或不閉鎖。利用閉鎖手段可構(gòu)成多種步輸出形式，以適應(yīng)不同被控對(duì)象的要求，不過這時(shí)接線將復(fù)雜，處理方式也不便統(tǒng)一。步與步之間通過特定判據(jù)的轉(zhuǎn)換，只有活動(dòng)的步才有操作的輸出，并且整個(gè)過程是循環(huán)運(yùn)行的，通過幾個(gè)步的操作來實(shí)現(xiàn)某種工藝的要求，而且這樣的操作在工藝中是循環(huán)往復(fù)進(jìn)行的。比如我們要啟動(dòng)循環(huán)水系統(tǒng)，首先需要保證循環(huán)泵出口門全部關(guān)閉，這是條件，然后再看循環(huán)水壓力是否滿足開啟條件，當(dāng)滿足時(shí)，循環(huán)泵入口自動(dòng)打開，經(jīng)過幾秒鐘后，循環(huán)泵自動(dòng)運(yùn)行，再經(jīng)過壓力要求或時(shí)間要求后，自動(dòng)打開循環(huán)泵出口門，這樣就完成了循環(huán)泵系統(tǒng)的自動(dòng)啟動(dòng)過程。
如圖2-11所示，這里多說幾句，我們發(fā)現(xiàn)在每個(gè)判定過程都會(huì)有一個(gè)“故障處理”過程，對(duì)應(yīng)控制策略，對(duì)于每一種可能的結(jié)果，我們都應(yīng)該有相關(guān)的處理，這樣才被稱之為智能系統(tǒng)，因此對(duì)于每個(gè)判據(jù)的另一種結(jié)果我們都應(yīng)該有相關(guān)的處理，也就是圖中的故障處理過程，這使得控制方案在任意情況下都會(huì)返回到起點(diǎn)，或者拋開故障，進(jìn)行下一步，而不至于步序無(wú)法返回或進(jìn)行，至于故障處理的內(nèi)容應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)要求來決定。
比如出口門沒有關(guān)閉信號(hào)返回，那么我們就需要查找原因，是出口門反饋信號(hào)錯(cuò)誤？還是出口門根本就沒有動(dòng)作了還是遠(yuǎn)程站故障?當(dāng)然了，如果把這些信號(hào)或者反饋結(jié)果都加入到控制方案中，把每一步結(jié)果都反映在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，那么這樣的系統(tǒng)將變得更加智能，甚至可以增加故障分析功能，也可以根據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障處理程序。
再大膽想象一下，如果加入相關(guān)的故障處理設(shè)備或者系統(tǒng)，我們真的可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程處理故障的夢(mèng)想。
3、步進(jìn)方式
這種順序控制方式是對(duì)步序方式的改進(jìn)或者說是補(bǔ)充，或者說是另一種說法，其實(shí)在應(yīng)用中沒必要分得那么清楚，實(shí)際也無(wú)法分辨清楚。如果非要分清楚就是“死”讀書或者是讀“死”書了。我們?cè)诳偨Y(jié)規(guī)律或者理論研究時(shí)，只要把主要矛盾區(qū)別出來就可以了，沒必要把各種特性一一對(duì)比，找出不同，這樣做就是鉆牛角尖。
順序控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式
順序控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式大致可分成三級(jí)控制：機(jī)組級(jí)控制、功能組級(jí)控制和設(shè)備級(jí)控制?？刂葡到y(tǒng)分級(jí)控制示意圖如圖2-12所示。
圖2 分級(jí)控制示意圖
機(jī)組級(jí)控制為最高級(jí)，它在最少人工干預(yù)下，完成整套機(jī)組的啟動(dòng)和停止。當(dāng)順控(即順序控制)系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令后，將機(jī)組從起始狀態(tài)逐步啟動(dòng)到某一負(fù)荷狀態(tài)。它只需在某些重要的環(huán)節(jié)設(shè)置少量斷點(diǎn)，由運(yùn)行人員決定什么時(shí)間、什么狀況下確認(rèn)，并按下按鈕后工程序繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)功能執(zhí)行完畢后，發(fā)出“完成”信號(hào)反饋給主控系統(tǒng)，表示這一控制功能已結(jié)束。
機(jī)組級(jí)控制并不等于機(jī)組啟停全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，它需要必要的人工干預(yù)。機(jī)組級(jí)控制也叫功能組自動(dòng)控制方式，而功能組手動(dòng)方式也叫功能組級(jí)控制，一般指機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)自啟動(dòng)系統(tǒng)等。從管理的組織結(jié)構(gòu)角度來看，它是設(shè)備控制的“最高領(lǐng)導(dǎo)”，只關(guān)心每個(gè)子組運(yùn)行的結(jié)果，比如鍋爐啟動(dòng)過程，如圖2-13所示，首先啟動(dòng)給水系統(tǒng)，然后啟動(dòng)風(fēng)煙系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)，燃料系統(tǒng)等，只要每個(gè)過程結(jié)束后，把運(yùn)行結(jié)果發(fā)送給“最高領(lǐng)導(dǎo)”，“領(lǐng)導(dǎo)”據(jù)此來判斷下一步要做的事情，因此“領(lǐng)導(dǎo)”都是從宏觀角度出發(fā)來解決問題的，具體問題的處理它是不會(huì)關(guān)心的，當(dāng)然了，每一步的處理它都會(huì)給出提示(報(bào)警)，由運(yùn)行人員來決定“領(lǐng)導(dǎo)”的決策方向，這樣看來，最終的決定權(quán)還是由運(yùn)行人員來實(shí)現(xiàn)的，這樣做的目的是實(shí)現(xiàn)最大限度的安全運(yùn)行及故障處理。
圖2 鍋爐自啟動(dòng)系統(tǒng)示意圖
功能組級(jí)控制是“部門領(lǐng)導(dǎo)”，它是將相關(guān)聯(lián)的一些設(shè)備相對(duì)集中地整合在一起，進(jìn)行啟動(dòng)或停止控制，為了突出重點(diǎn)(設(shè)備的重要級(jí)別)，一般以某一臺(tái)重要的輔機(jī)為中心進(jìn)行順控設(shè)計(jì)。如某臺(tái)引風(fēng)機(jī)的功能組級(jí)順控系統(tǒng)就包括了引風(fēng)機(jī)及其相對(duì)應(yīng)的冷卻風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)油站和電動(dòng)機(jī)油站、煙風(fēng)道擋板等設(shè)備，并按預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，在啟動(dòng)或停止時(shí)，自動(dòng)地完成整個(gè)啟動(dòng)或停止過程。又如電動(dòng)泵的功能組級(jí)順控，就包括電動(dòng)泵、輔助潤(rùn)滑油泵、電動(dòng)泵出口門、電動(dòng)泵進(jìn)口門和電動(dòng)泵再循環(huán)截止門等的控制。
一個(gè)完整的功能組，可包含三種操作：
①功能組的啟停操作和自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換
在用功能組級(jí)控制時(shí)，應(yīng)將開關(guān)先切換到“手動(dòng)”位置，然后再進(jìn)行啟停操作。自動(dòng)功能是把控制權(quán)交給更上一級(jí)的“領(lǐng)導(dǎo)”來協(xié)調(diào)處理，配合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制。
②“中止”(Halt)和“開放”(Release)操作
把控制方式置于“開放”狀態(tài)時(shí)，可對(duì)功能組隨意進(jìn)行啟、停操作，在這種情況下，“部門領(lǐng)導(dǎo)”可以在任意時(shí)刻直接指揮部門的任意成員。當(dāng)功能組在執(zhí)行啟、停指令時(shí)，如果把控制方式置于“中止”狀態(tài)，控制程序則停止執(zhí)行，因此，中止有相當(dāng)高的優(yōu)先權(quán)，它可以讓“部門領(lǐng)導(dǎo)”在任意時(shí)刻、任意狀態(tài)下，命令該部門的任意成員停止工作，這樣做也是出于對(duì)設(shè)備安全的考慮。
③當(dāng)有兩臺(tái)以上的冗余設(shè)備時(shí)，選擇某一臺(tái)設(shè)備作為啟動(dòng)操作的“首臺(tái)設(shè)備”，并有自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)
一般說來，當(dāng)選擇好“首臺(tái)設(shè)備”之后，應(yīng)將開關(guān)切換到“自動(dòng)”位置。這樣，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)設(shè)備啟動(dòng)完成之后，控制邏輯就會(huì)把第二臺(tái)設(shè)備選定為“首臺(tái)設(shè)備”，隨時(shí)準(zhǔn)備啟動(dòng)。一般情況下，生產(chǎn)工藝要求某些重要的參數(shù)保持穩(wěn)定，為此配備了冗余設(shè)備，這臺(tái)設(shè)備應(yīng)該是絕對(duì)良好的，在任意時(shí)刻都能投入運(yùn)行，因此，這樣的設(shè)置就保障了在其他設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，備用設(shè)備能夠及時(shí)投入運(yùn)行，保障系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定。
設(shè)備級(jí)控制是順控系統(tǒng)的基礎(chǔ)級(jí)，它不用功能組，而是對(duì)設(shè)備分別進(jìn)行操作。它可以在計(jì)算機(jī)鍵盤上進(jìn)行操作，通過CRT屏幕監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，也可以在BTG盤上進(jìn)行遙控硬操作。這里也有一個(gè)相對(duì)高級(jí)的權(quán)利，比如某臺(tái)設(shè)備處于檢修狀態(tài)，在系統(tǒng)中就可以給它掛上“檢修”標(biāo)志，這時(shí)，“部門領(lǐng)導(dǎo)”和“最高領(lǐng)導(dǎo)”就不能控制該設(shè)備的運(yùn)行了。這很好理解，員工都生病了，再大的領(lǐng)導(dǎo)也不能把人家從醫(yī)院里拉過來工作吧，因?yàn)榧词箒砹艘膊荒芎芎玫赝瓿勺约旱墓ぷ?，反倒增添麻煩。可以看出，這個(gè)系統(tǒng)的各種功能的設(shè)置是管理思想的體現(xiàn)。
順序控制系統(tǒng)的基本組成
順序控制系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、順序控制裝置、開關(guān)量變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成，如圖2-14所示。一個(gè)順序控制系統(tǒng)所能達(dá)到的水平，主要取決于下列三個(gè)方面；
①主設(shè)備(被控對(duì)象)的可控性；
②外部設(shè)備所具備的功能；
③順序控制裝置所能達(dá)到的水平。
主設(shè)備的可控性取決于設(shè)備制造廠家的產(chǎn)品性能，外部設(shè)備的功能屬于基礎(chǔ)自動(dòng)化方面的工作，然而順序控制裝置所能達(dá)到的能力應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行周密的考慮，盡量地使系統(tǒng)達(dá)到較為完善的功能。順序控制裝置作為施控系統(tǒng)的核心，它向被控系統(tǒng)發(fā)出操作命令，并接受被控系統(tǒng)及過程參數(shù)的反饋信號(hào)。通常，順序控制裝置主要由四大部分組成：輸入部分、邏輯控制部分、輸出部分和操作顯示部分。
圖2 順序控制系統(tǒng)基本組成
對(duì)于應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制裝置來說，輸入輸出部分是很重要的，它具有接受或輸出控制信號(hào)、隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾、轉(zhuǎn)換電平進(jìn)行信號(hào)功率放大等許多功能，是與現(xiàn)場(chǎng)接口的設(shè)備。邏輯控制部分由不同類型的邏輯控制電路構(gòu)成。根據(jù)工作原理，邏輯控制電路主要分為兩類：基本邏輯式控制電路和步進(jìn)式控制電路。順序控制裝置的操作顯示部分主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互，是運(yùn)行人員與設(shè)備交流的載體。
順序控制裝置主要功能
一般，順序控制裝置具有如下幾項(xiàng)主要功能：
①主控制程序；
②在條件滿足時(shí)，執(zhí)行和轉(zhuǎn)換程序；
③提供人機(jī)聯(lián)系，除按程序自動(dòng)操作外，還可向運(yùn)行人員提供點(diǎn)步、跳步及手動(dòng)操作被控對(duì)象功能，同時(shí)裝置應(yīng)能向運(yùn)行人員提供必要的顯示、報(bào)警和故障信號(hào)；
④具有與外部設(shè)備配合完善的接口方式和信號(hào)聯(lián)系通道；
⑤具有一定的程序檢查功能，在有必要時(shí)可設(shè)置能夠驗(yàn)證程序進(jìn)展正確性的自檢回路；
⑥具有一定的保護(hù)功能，能夠在執(zhí)行程序時(shí)，檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障；發(fā)生各種事故時(shí)，可以中斷或復(fù)歸程序。
隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，順序控制裝置的發(fā)展過程出現(xiàn)了下列幾種類型：
①機(jī)電型。機(jī)械凸輪式時(shí)序控制器。
②繼電器型。由繼電器組成。
③固態(tài)邏輯型。由半導(dǎo)體分離元件和集成電路組成。
④矩陣電路型。由二極管矩陣電路組成。
⑤PLC型。由可編程序控制器(PLC)組成。
⑥D(zhuǎn)CS型。由計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)組成。
在這六種類型中，目前在電廠順序控制中使用較多的是繼電器型、PLC型和DCS型。由于繼電器型是由一個(gè)個(gè)繼電器組成的裝置，所以接線較復(fù)雜，適用于簡(jiǎn)單獨(dú)立的小規(guī)模的順序控制，其可靠性較低，控制邏輯修改困難，維護(hù)工作量大，目前在電廠順序控制中只作為輔助手段，某些設(shè)計(jì)也認(rèn)為它是對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性補(bǔ)充，因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)也不是萬(wàn)能的，如果出現(xiàn)故障，也需要有系統(tǒng)完成重要的工作，比如MFT系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候就會(huì)參考這方面的需求，當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰時(shí)，由繼電器邏輯回路完成主燃料跳閘的操作，避免事故的發(fā)生和災(zāi)害的擴(kuò)大，因此先進(jìn)的事物并不代表可靠，往往越原始的設(shè)備可靠性越高，這種設(shè)計(jì)理念充分體現(xiàn)了安全性的重要?？删幊炭刂破骶哂锌煽啃愿摺⑦壿嬓薷姆奖?、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，還可以與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，大小規(guī)模的順序控制系統(tǒng)都可以使用。目前在電廠中的輸煤、除灰、化學(xué)水處理等順序控制子系統(tǒng)中一般均采用這種形式。
在電廠采用集散控制系統(tǒng)(DCS)時(shí)，SCS的功能可以直接包含在DCS中。DCS不僅具備PLC的所有優(yōu)點(diǎn)，而且可以與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)等有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而節(jié)省大量檢測(cè)元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。目前大型單元機(jī)組的PLC的功能就是在DCS中實(shí)現(xiàn)的。
順序控制系統(tǒng)的分類
如果按控制系統(tǒng)的構(gòu)成來劃分，可以分為以下兩種類型：
①開環(huán)系統(tǒng)
開環(huán)系統(tǒng)是按照頂先編排好的程序，進(jìn)行規(guī)定的操作，并控制執(zhí)行部件的動(dòng)作(一般是開關(guān)量工程序的進(jìn)行并不需要以被控對(duì)象動(dòng)作后的回報(bào)信號(hào)為反饋信息，自動(dòng)進(jìn)行下去，回報(bào)信號(hào)可以作為運(yùn)行人員的監(jiān)視量，送到控制盤上。
②閉環(huán)系統(tǒng)
被控設(shè)備按照邏輯回路的輸出指令進(jìn)行動(dòng)作，操作以后，利用信號(hào)反饋元件，將執(zhí)行結(jié)果的回報(bào)信號(hào)反饋輸入到邏輯控制回路，只有當(dāng)這些必要的回報(bào)信號(hào)都達(dá)到要求之后工程序才能往下進(jìn)行，即構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)動(dòng)作控制系統(tǒng)。
如果按順序步轉(zhuǎn)換條件來劃分，可以分為時(shí)序控制系統(tǒng)和條件控制系統(tǒng)。
①時(shí)序控制系統(tǒng)
在熱力過程的程控系統(tǒng)中，一般來說，按時(shí)序控制的系統(tǒng)是開環(huán)的，只要按時(shí)間要求使程序進(jìn)行下去就可以，即程序的轉(zhuǎn)換完全依時(shí)間而定，在某一時(shí)間間隔內(nèi)，可以使控制指令去操作一個(gè)被控設(shè)備，也可以同時(shí)操作數(shù)個(gè)被控設(shè)備。
②條件控制系統(tǒng)
按條件控制的系統(tǒng)必定要做成閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)某一控制過程來說，事先就應(yīng)該準(zhǔn)備充分的條件，只有這些條件都滿足了，才可以進(jìn)行下面的操作，這些條件被稱為一次判據(jù)，當(dāng)把程序動(dòng)作結(jié)果作為下一步運(yùn)行的條件時(shí)，稱為二次判據(jù)，對(duì)下一步程序來說，可認(rèn)為是一次判據(jù)。也就是說，在程序步的轉(zhuǎn)換中，上一步二次判據(jù)又作為下一步的一次判據(jù)，成為轉(zhuǎn)步條件。當(dāng)下一步事先準(zhǔn)備好的其他條件已經(jīng)滿足，并且有了這個(gè)轉(zhuǎn)步條件后工程序就能發(fā)生轉(zhuǎn)換而不斷地進(jìn)行下去。如這些判據(jù)中有一個(gè)條件不滿足工程序就不能正常進(jìn)行。由此可見，按條件進(jìn)行控制的系統(tǒng)，一定要有程序動(dòng)作結(jié)果的回報(bào)信號(hào)作為一下步程序的判據(jù)，以構(gòu)成閉環(huán)工作狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)順序控制系統(tǒng)內(nèi)既有時(shí)序控制方式又有條件控制方式時(shí)，所組成的控制系統(tǒng)為混合控制系統(tǒng)。
在電廠控制系統(tǒng)中，順序控制系統(tǒng)主要包括：風(fēng)機(jī)順序控制系統(tǒng)，給水泵順序控制系統(tǒng)，空氣預(yù)熱器順序控制系統(tǒng)，循環(huán)泵順序控制系統(tǒng)，高低壓加熱器順序控制系統(tǒng)，除氧器順序控制系統(tǒng)，制粉系統(tǒng)順序控制系統(tǒng)，排污系統(tǒng)順序控制系統(tǒng)，吹灰程控系統(tǒng)，機(jī)爐大連鎖等。也就是說整個(gè)電廠控制系統(tǒng)，由以上各個(gè)子系統(tǒng)組成，這些系統(tǒng)按一定順序結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了電廠發(fā)電的全過程。據(jù)說某些先進(jìn)的電廠能達(dá)到“一鍵啟機(jī)”的效果，也就是說，按下一個(gè)啟動(dòng)按鈕，各部分自動(dòng)完成生產(chǎn)過程，直到并網(wǎng)發(fā)電。這在理論上是完全可能的，但是實(shí)際上就比較難了，這樣的系統(tǒng)和工程應(yīng)該是我們的目標(biāo)。還有一部分叫做聯(lián)鎖保護(hù)，這個(gè)過程與順序控制正好是相反的，也就是說SCS一般是指順序啟動(dòng)各個(gè)設(shè)備，那聯(lián)鎖保護(hù)就是快速及時(shí)地停止各個(gè)設(shè)備，是保護(hù)設(shè)備及人身安全的，因?yàn)楫?dāng)設(shè)備在啟動(dòng)或運(yùn)行過程中發(fā)生危及設(shè)備和人身安全的故障時(shí)，為了最大限度地保障人的安全和減少損失，就要使某些設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)行，形成一種聯(lián)鎖反應(yīng)。比如當(dāng)一次風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)120s后，出口擋板門還沒有打開，那么該風(fēng)機(jī)就應(yīng)該馬上停止運(yùn)行，否則風(fēng)機(jī)將會(huì)受損，再如一次風(fēng)機(jī)的軸承振動(dòng)大于某個(gè)限定值時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)立即停止運(yùn)行。這些都是聯(lián)鎖保護(hù)邏輯：電廠的運(yùn)行規(guī)程里面都會(huì)有詳細(xì)的記錄，可以說運(yùn)行規(guī)程是電廠對(duì)于運(yùn)行描寫得最全面的參考資料，每個(gè)員工都會(huì)熟記自己崗位的規(guī)程，并嚴(yán)格按規(guī)程執(zhí)行。詳細(xì)說明云南昌暉儀表制造有限公司在以后的技術(shù)文章中會(huì)有介紹。
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