[科普中国]-自动顺序控制

自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。

自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。基础的结论是由诺伯特·维纳，鲁道夫·卡尔曼提出的。

室内温度的调节 室内温度的调节是一个简明易懂的例子。目的是把室内温度保持在一个定值θ，尽管开窗等因素使得室内热量散发出室外（干扰d）。为了达到这个目的，加热必须被适当的影响。通过阀门的调节，温度就会保持恒定。除此之外，在人们有感觉之前，暖器热水的温度也会受外界温度的干扰。其余的例子还有三油桶系统。

顺序控制，是指按照生产工艺预先规定的顺序，各个执行机构自动地有秩序地进行操作，在工业生产和日常生活中应用十分广泛，例如搬运机械手的运动控制、包装生产线的控制、交通信号灯的控制等。顺序控制有三个要素：转移条件、转移目标和工作任务，按照顺序控制系统实现顺序控制的特征，可以将顺序控制划分为时间顺序控制、逻辑顺序控制和条件顺序控制三类。

如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，那么系统的这种控制称为顺序控制。

要求几台电动机的启动或停止必须按一定的先后顺序来完成的控制方式，叫做顺序控制。

顺序控制是工业生产过程、工程机械设备等领域中的一种典型控制方式，在工业生产和日常生活中应用十分广泛，例如搬运机械手的运动控制、包装生产线的控制、交通信号灯的控制等。分析这类系统的控制特点，可以看出，顺序控制是指根据预先规定好的时间或条件，按照预先确定的操作顺序，对开关量实现有规律地逻辑控制，使控制过程依次进行的一种控制方法。

顺序控制有三个要素：转移条件、转移目标和工作任务。

按照顺序控制系统实现顺序控制的特征，可以将顺序控制划分为时间顺序控制、逻辑顺序控制和条件顺序控制三类。1

时间顺序控制是指以执行时间为依据，每个设备的运行与停止都与时间有关。

逻辑顺序控制是指按照逻辑先后顺序执行操作指令，与执行时间无严格关系。

条件顺序控制是指按照条件是否满足执行相应的操作指令。

顺序控制系统有多种实现方式，包括：2

在继电器组成的顺序控制系统中，所有操作和逻辑关系都是由硬件完成的，即由继电器的常开、常闭触点，延时断开、延时闭合触点、接触器、开关等元件完成系统所需要的逻辑功能。在继电器控制系统中，受继电器机械接触点的寿命和可靠性限制，此类系统的可靠性较差，使用寿命短，更改逻辑关系不方便，只是用在一些老式的或简单的控制系统中。

20世纪70年代出现的顺序控制器，主要由分立元件和中小规模集成电路组成，由于采用晶体管、晶闸管等半导体元件代替继电器，组成无触点顺序逻辑控制电路，使逻辑控制系统提高了可靠性和使用寿命，但仍存在更改逻辑关系不方便的缺点，目前也较少使用。

20世纪70年代之后可编程控制器出现并逐步得到了广泛的应用，PLC用存储器代替了机械式开关和电子式开关，用存储器的存储值代替了开光的状态，提高了开关的可靠性，延长了使用寿命，而且存储器的存储值可以无限次使用，只要改变控制程序就可以实现更改逻辑关系了。

计算机，特别是数字计算机的出现，与工业控制相结合，形成了不同种类的计算机控制系统。计算机顺序控制系统可实现逻辑控制功能，通常用于集散控制系统中，适合于大型和逻辑关系复杂的系统。

最早的自动化控制要追溯到我国古代的自动化计时器和漏壶指南车，而自动化控制技术的广泛应用则开始于欧洲的工业革命时期。英国人瓦特在发明蒸汽机的同时，应用反馈原理，于1788年发明了离心式调速器。当负载或蒸汽量供给发生变化时，离心式调速器能够自动调节进气阀的开度，从而控制蒸汽机的转速。

150多年前第一代过程控制体系是基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。

第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它标志了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。

第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4－20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。

第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4－20mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。

第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。由于传统的DCS的技术水平虽然在不断提高，但通信网络最低端只达到现场控制站一级，现场控制站与现场检测仪表、执行器之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号，成本高，效率低，维护困难，无法发挥现场仪表智能化的潜力，实现对现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。所谓现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。简单地说传统的控制是一条回路，而FCS技术是各个模块如控制器、执行器、检测器等挂在一条总线上来实现通信，当然传输的也就是数字信号。主要的总线有Profibus，LonWorks等。

1、 40年代--60年代初：

需求动力：市场竞争,资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。主要特点：此阶段主要为单机自动化阶段，主要特点是:各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。

2、60年代中--70年代初期：

需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以自动生产线为标志，其主要特点是:在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。

3、70年代中期--至今：需求动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能。主要特点：自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点是:CIM已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受；CIM也是一种实现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理，就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是:数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品：CIMS工厂，柔性制造系统(FMS)。

随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。

为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。

在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。

到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计题。

顺序控制系统由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。顺序控制装置又称顺序控制器，包括操作信号处理、逻辑处理、故障显示、报警和比较检出等环节。顺序控制器有固定式顺序控制器、矩阵式顺序控制器、表格程序控制器及可编程序控制器等。3

顺序控制系统由三部分构成：

状态检测设备检测被控设备的状态，如设备是否运行、是否全开或全关等。这些检测设备包括继电器触点、位置开关、压力开关、温度开关等。

控制设备用来实现状态检查、逻辑判断（即进行逻辑运算）、产生控制命令。控制设备主要有下列几种：

（1）机电型：机械凸轮式时序控制器。

（2）继电器型：由继电器构成。

（3）固态逻辑型：由半导体分立元件和集成电路构成。

（4）矩阵电路型：由二极管矩阵电路组成。

（5）PLC型：由可编程序控制器组成。

（6）DCS型：由计算机分散控制系统构成。

在这六种类型中，目前在电厂顺序控制中用得最多的是继电器型、PLC型和DCS型。

如电动机的驱动及控制电路、电动头驱动的阀门/挡板的驱动及控制电路、电磁阀等。

在绘制顺序控制系统原理图时，一般应遵循以下原则：

（1）表示导线、信号通路、连接线等的图线都应是交叉和弯曲最少的直线。可以水平布置或者垂直布置，也可以用斜的交叉线。4

（2）电路和元件应按功能布置，并尽可能按其工作顺序排列。对因果次序清楚的简图，尤其是电路图和逻辑图，其布局顺序应该从左到右和从上到下。

（3）为了突出或区分某些电路、功能等，导线符号、信号通路、连接线等可采用粗细不同的线条来表示。

（4）元器件和设备的可动部分通常应表示在非激励或不工作的状态或位置。

（5）所有图形符号应符合 GB 4728《电气图用图形符号》的规定。如果采用上述标准中未规定的图形符号时应需加说明。

目前单元机组的顺序控制一般分为三级，即系统级、功能组级和设备级。

系统级是较高级的顺序控制，也称为功能组自动方式。它能在少量人工干预下实现一个较大系统的起停，甚至整台机组的起停。SCS系统级程序在接受系统启动指令后，可以按照一定的顺序，将一个系统（如风烟通道系统）中的若干台设备安全的启动；在系统级顺序控制的基础上，还可实现整台机组的顺序控制，即在发出机组顺序启动指令后，可以将机组从起始状态带到某个负荷，甚至100%负荷，中间只有少量断点，需要由运行人员按一下按钮，程序才能继续进行下去。实现系统级控制时，各功能组均处在自动方式，每个功能组程序执行完毕时都向系统级程序发出完成信号，系统级程序再发出指令指令启动下一个功能组。

功能组级，也称为功能组手动方式。操作人员发出功能组启动指令后，同一功能组的有关设备将按预定的操作顺序和时间间隔自动启动。功能组级控制是将相关联的一些设备相对集中地进行启动或停止的顺序控制。它以某一台重要的辅机为中心进行顺控。

一个完整的功能组，包含三种操作。

第一种操作是功能组起、停和自动/手动切换，在用功能组级控制时，应将开关先切换到“手动”位置，然后再进行起停操作。

第二种操作是“暂停HALT”和“释放RELEASE”操作。当将控制顺序置于“释放”状态时，可对功能组随意进行起、停操作。当功能组在执行起、停指令时，若将控制方式置于“释放”状态时，则控制程序停止执行。

第三种操作是有两台以上的冗余设备时，选择某一台设备作为启动操作的“首台设备”，并有自动/手动切换开关。一般来说，当选择好“首台设备”，应将开关切换到“自动”位置。这样，当第一台设备启动完成之后，便会自动选择第二台设备作为“首台设备”启动做好准备。5

设备级是SCS的基础级。操作人员通过CRT键盘或BTG盘上的按钮对各台设备进行操作，实现单台设备的起停。当系统处于设备级控制时，操作员可通过操作台的CRT画面完成每一个驱动级设备的单独操作。