[电子教案]过程控制系统课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章控制系统工程设计,第八章控制系统工程设计,内容提要,本章简单介绍了控制系统工程设计的基本知识，包括工程设计的基本任务、设计步骤、设计内容和方法。重点讲述了工艺控制流程图（管道仪表流程图）、仪表设备的选择及自控设备表、仪表盘正面布置图、仪表盘背面电气接线图等基本设计文件。最后对其他设计文件作了简要说明。,第八章控制系统工程设计内容提要,1,8.1 工程设计的基本知识,过程控制工程设计就是将实现生产过程自动化的内容，用设计图纸和文字资料进行表达的全部工作。设计文件和图纸一方面提供给上级机关，以便对该建设项目进行审批，另一方面作为施工建设单位进行施工安装和生产的依据。,学习工程设计的目的，是为了培养学生综合运用所学专业的基本理论、基本知识和基本技能，分析和解决工程中实际问题的能力。通过本章的学习，应学会看图、识图，掌握自控设备的安装及系统连线的必备技能，为以后走上工作岗位打下良好的基础。,8.1 工程设计的基本知识过程控制工程设计就是将实,2,8.1.1 工程设计的基本任务和设计步骤,1基本任务与设计宗旨,自控系统工程设计的基本任务是：依据生产工艺的要求，以企业经济效益、安全、环境保护等指标为设计宗旨，对生产工艺过程中的温度、压力、流量、物位、成分及火焰、位置、速度等各类质量参数进行自动检测、反馈控制、顺序控制、程序控制、人工遥控及安全保护（如自动信号报警与联锁保护系统等）等方面的设计，并进行与之配套的相关内容（如控制室、配电、气源，以及水、蒸汽、原料、成品计量等）的辅助设计。,在实际工作中，必须按照国家的经济政策，结合工艺特点进行精心设计。一切设计既要注意厂情，又要符合国情，严格以科学的态度执行相关技术标准和规定，在此基础上建树设计项目的特色。总之，工程设计的宗旨应切合实际、技术上先进、系统安全可靠、经济投入/效益比要小。,8.1.1 工程设计的基本任务和设计步骤1基本任,3,2设计步骤,一般，工程设计分三个阶段进行，即设计准备阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。对于工艺条件苛刻、技术复杂且缺乏成熟设计经验的项目，还需在初步设计完成后进行可行性试验。,设计工作之所以要分阶段进行，是为了便于审查，随时纠正错误，避免或减少不必要的经济损失，及时协调各专业间的关系，使设计工作能顺利地按计划完成。,（1）设计准备阶段的主要任务是各类资料的收集，为初步设计与施工图设计做准备，另外进行大项目必要的人事组织分工。,（2）在初步设计阶段，必须深入了解工艺流程特点，确定控制方案，正确地选择控制仪表和自控材料，确定中央控制室设置的水平、动力供应、环境特性等。初步设计中如出现某些难度较大而工程上又要求必须解决的技术问题，应请示上级审批，进行必要的可行性试验。一般问题可以结合施工图设计、做进一步的深入调研来解决。,2设计步骤,4,（3）当初步设计的审批文件下达后，应着手施工图设计。施工图是进行施工用的技术文件（图纸资料），必须从施工的角度出发，解决设计中的细节部分。在施工图设计完成后，不允许再留下技术上未解决的问题；图纸的多少可根据施工单位的情况，有的要详细些，有的可简单些。,施工图完成以后，将设计文件和图纸下发给施工建设单位、设备材料供应单位和生产单位，进行施工准备、订货制造和生产准备工作。,（3）当初步设计的审批文件下达后，应着手施工图设计。施,5,8.1.2 工程设计的内容,过程控制的工程设计是以某一具体生产工序为对象，以这种对象的生产工艺机理、流程特点、操作条件、设备及管道布置状况为基础，按一定控制要求所进行的自动化设计。,在不同的设计阶段，其设计内容和设计深度也有所不同。由于施工图设计资料既作为基建阶段施工安装的依据，又是正式投产后对自控系统进行维护和改进的技术参考，因此，本章仅介绍施工图设计阶段的主要设计内容。,施工图设计的内容分为采用常规仪表控制和采用计算机控制（包括DCS）的施工图设计文件两部分。,1采用常规仪表控制的施工图设计文件,采用常规仪表控制的施工图设计文件，具体包括以下内容：,8.1.2 工程设计的内容过程控制的工程设计是以某,6,（1）自控图纸目录；（21）半模拟盘正面布置图；,（2）设计说明书；（22）继电器箱正面布置图；,（3）自控设备表；（23）总供电箱接线图；,（4）节流装置计算数据表；（24）分供电箱接线图；,（5）控制阀计算数据表；（25）仪表回路接线图；,（6）差压式液位计计算数据表；（26）仪表回路接管图；,（7）综合材料表；（27）报警器回路接线图；,（8）电气设备材料表；（28）仪表盘背面电气接线图（端子图）；,（9）电缆表；（29）仪表盘穿板接头图；,（10）管缆表； （30）半模拟盘背面电气接线图（端子图）；,（1）自控图纸目录；（21）半模拟盘正面布置图,7,（11）测量管路表； （31）继电器箱电气接线图（端子图）；,（12）绝热伴热表； （32）接线箱接线图；,（13）铭牌注字表； （33）空气分配器接管图；,（14）带控制点的工艺流程图（工艺提供）（34）仪表供气空视图；,（15）信号报警及联锁原理图； （35）伴热保温供气空视图；,（16）半模拟盘信号原理图； （36）接地系统图；,（17）控制室仪表盘正面布置总图； （37）控制室电缆、管缆平面敷设图；,（18）仪表盘正面布置图； （38）电缆、管缆平面敷设图；,（19）架装仪表布置图； （39）（带位号）仪表安装图；,（20）报警器灯屏布置图； （40）非标准部件安装制造图；,（41）管道及仪表流程图。,（11）测量管路表； （31）,8,2采用计算机控制（或DCS控制）的施工图设计文件,（1）设计文件目录；（8）控制室电缆布置图；,（2）DCS技术规格书；（9）仪表接地系统图；,（3）DCS-I/O表；（10）DCS监控数据表；,（4）联锁系统逻辑图；（11）DCS系统配置图；,（5）仪表回路图；（12）端子（安全栅）柜布置图；,（6）控制室布置图；（13）机房设计。,（7）端子配线图；,3若承担DCS组态工作时，应完成的设计文件,（1）工艺流程显示图；（5）DCS生产报表；,（2）DCS操作组分配表；（6）软件设计说明书；,（3）DCS趋势组分配表；（7）系统操作手册；,（4）网络组态数据文件；（8）其他必须文件。,本章根据高职学生就业岗位所接触的专业内容，主要介绍常规过程控制系统工程设计文件中较为典型的带控制点的工艺流程图、自控设备表、仪表盘正面布置图和仪表盘背面电气接线图。其余图纸的绘制方法可查阅相关教材和有关的设计资料。,2采用计算机控制（或DCS控制）的施工图设计文件本章根,9,8.1.3 自控系统工程设计的方法,接到一个工程项目后，在进行自控系统的工程设计时，一般应按照以下所述的方法来完成。,（1）熟悉工艺流程,熟悉工艺流程是自控设计的第一步。自控设计人员对工艺流程熟悉和了解的深度将决定设计的好坏与成败。在此阶段还需收集工艺中有关的物性参数和重要数据。,（2）确定自控方案，完成带控制点的工艺流程图的绘制,了解工艺流程，并与工艺人员充分协商后，定出各检测点、控制点、控制系统，确定全工艺流程的自控方案；在此基础上，画出工艺控制流程图，并配合工艺系统专业完成各管道、仪表流程图。,（3）仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件,在仪表选型中，首先要确定的是采用常规仪表还是PLC系统、DCS系统，或是现场总线系统；然后，以确定的控制方案和所有的检测点，按照工艺提供的数据及仪表选型的原则，查阅有关的产品目录、厂家的产品样本与说明书，调研产品的性能、质量和价格，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格与型号，并编制出自控设备表或仪表数据表等有关仪表信息的设计文件。,8.1.3 自控系统工程设计的方法接到一个工程项,10,（4）控制室设计,自控方案确定及仪表选型后，根据工艺特点可进行控制室的设计。在采用常规仪表时，首先考虑仪表盘的正面布置，画出仪表盘布置图等有关图纸；然后均需画出控制室布置及控制室与现场信号连接的有关设计文件（如仪表回路图、端子配线图等）。在进行控制室的设计中，还应向土建、暖通、电气等专业提出有关的设计条件。,（5）节流装置和控制阀的计算,控制方案已定，所需的节流装置、控制阀的位置和数量也都已确定，根据工艺数据和有关计算方法进行计算，分别列出仪表计算数据表中控制阀及节流装置的计算数据及结果，完善自控设备表，并将有关条件提供给管道专业，供管道设计之用。,（6）仪表供电、供气系统的设计,自控系统的实现不仅需要供电，还需要供气（由于目前仍在大量地使用气动控制阀，所以以压缩空气作为气动仪表的气源也是不可少的）。为此，需按照仪表的供电、供气负荷大小及配制方式，画出仪表供电系统图、仪表供气系统图（或管道平面图）等设计文件。,（4）控制室设计,11,（7）依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关设计文件,土建、管道等专业的工程设计深入开展后，自控专业的现场条件也就清楚了。此时，按照现场的仪表设备的方位、控制室与现场的相对位置及系统的联系要求，进行仪表管线的配置工作。在此基础上，可列出有关的表格（如列出电缆表、管缆表、仪表伴热绝热表等）和绘制相关的图纸，画出仪表位置图、仪表电缆桥架布置总图、仪表电缆（管缆）及桥架布置图、现场仪表配线图等。,（8）根据自控专业有关的其他设备、材料的选用等情况，完成有关的设计文件,自控专业除了进行仪表设备的选用外，在仪表设备的安装过程中，还需要选用一些有关的其他设备材料。对这些设备材料需根据施工要求，进行数量统计，编制仪表安装材料表。,（9）设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文件,（7）依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关,12,在设计开始时，先初定应完成的设计内容，待整个工程设计工作基本完成后，要对所有的设计文件进行整理，并编制设计文件目录、仪表设计规定、仪表施工安装要求等工程设计文件。,上述设计方法和顺序，仅仅是原则性的提法，在实际工程设计中各种设计文件的编（绘）制，还应按照工程的实际情况进行。,高职学生在校期间，应根据专业课程的教学要求及进展情况，有选择地进行一些内容经典、深度适当的控制系统课程设计方面的训练，或将其作为毕业设计环节，以培养和提高学生的看图、识图、掌握自控设备的安装及系统连线等方面的必备技能，为以后走上工作岗位打下良好的基础。,在设计开始时，先初定应完成的设计内容，待整个工程设计工,13,8.2 控制方案及工艺控制流程图的设计,带控制点的工艺流程图（管道仪表流程图）是在工艺物料流程图的基础上，用过程检测和控制系统的文字代号和图形符号，描述生产过程自动化内容的图纸。它是控制方案的全面体现，也是工程设计的依据，亦可供施工安装和生产操作时参考。,8.2.1 工程设计的图例符号,工程设计的内容，都是用设计图纸和文字资料进行表达的。其中，设计图纸是设计内容的主要表示形式，而文字资料则是对设计图纸的诠释。在设计图纸中，其具体内容都是用图形符号、字母代号及数字编号来表示的。,根据国家行业标准过程测量与控制仪表的功能标志及图形符号（HG/T 205052000），参照国家标准过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号（GB 262581），化工自控中常用的图形符号及字母代号如下所述。,1字母代号,在设计图纸中，字母代号表示被测变量和仪表功能。其具体内容见表8.1。,8.2 控制方案及工艺控制流程图的设计带控制点,14,表8.1被测变量和仪表功能的字母代号,（自动-手动）,首位字母,后继字母,被测变量,修饰词,读出功能,输出功能,修饰词,A,分析,报警,B,喷嘴、火焰,供选用,供选用,供选用,C,电导率,控制,D,密度,差,E,电压（电动势）,检测元件,F,流量,比（分数）,G,供选用,视镜、观察,H,手动,高,I,电流,指示,J,功率,扫描,表8.1被测变量和仪表功能的字母代号（自动-手动）首位字母,15,（自动-手动）,K,时间、时间程序,变化速率,操作器,L,物位,（指示）灯,低,M,水分或湿度,瞬动,中、中间,N,供选用,供选用,供选用,供选用,O,供选用,节流孔,P,压力、真空,连接或测试点,Q,数量,积算、累计,R,核辐射,记录,S,速度、频率,安全,开关、联锁,（自动-手动）K时间、时间程序变化速率操作器L物位（指示）灯,16,T,温度,传送（变送）,U,多变量,多功能,多功能,多功能,V,振动、机械监视,阀、风门、百叶窗,W,重量或力,套管,X,未分类,X,轴,未分类,未分类,未分类,Y,供选用,Y,轴,继动器（继电器）、计算器、转换器,Z,位置、尺寸,Z,轴,驱动器、执行元件,T温度传送（变送）U多变量多功能多功能多功能V振动、机械监视,17,对于表8.1中所涉及的内容简要说明如下。, “首位字母”在一般情况下为单个表示被测变量或引发变量的字母。首位字母附加修饰字母（如d、f、m、k、q）后，其意义改变，即表示另外一种含义的被测变量。例如，TdI和TI分别表示温差指示和温度指示。, “后继字母”可根据需要分为一个字母（读出功能）或两个字母（读出功能+输出功能），有时为三个字母（读出功能输出功能读出功能）；后继字母的确切含义，根据实际需要可以有不同的解释。例如，“R”可以解释为“记录仪”、“记录”或“记录用”；“T”可理解为“变送器”、“传送”等。, “供选用”指该字母在本表相应栏目中未规定其具体含义，可根据使用者的需要确定并在图例中加以说明。, “未分类”（X）表示作为首位字母和后继字母均未规定其具体含义，在应用时，要求在表示仪表位号的图形符号（圆圈或正方形）外注明其具体含义。,对于表8.1中所涉及的内容简要说明如下。,18, “分析（A）”指分析类功能，并未表示具体分析项目。当需指明具体分析项目时，则在表示仪表位号的图形符号（圆圈或正方形）旁（一般在右上方）标明。例如，分析二氧化碳时，圆圈内标A，圆圈外标注CO2。, 用后继字母“Y”表示继动或计算功能时，应在仪表圆圈外（一般在右上方）注明其具体功能。但功能明显时，也可不予标注。, 后继字母修饰词“H（高）”、“M（中）”、“L（低）”应与被测变量相对应，而并非与仪表输出的信号相对应。H、M、L分别标注在表示仪表位号的图形符号（圆圈或正方形）的右上、中、下方。,当H（高）、L（低）用来表示阀或其他开关装置的位置时，“H”表示阀在全开或接近全开的位置，“L” 表示阀在全关或接近全关的位置。, 字母“U”表示“多变量”时，可代替两个以上首位字母组合的含义；表示“多功能”时，可代替两个以上后继字母组合的含义。, “安全（S）”仅用于紧急保护的检测仪表或检测元件及最终控制元件。, 后继字母“K”表示设置在控制回路的自动-手动操作器。例如，流量控制回路的自动-手动操作器为“FK”，它区别于HC手动操作器。, “分析（A）”指分析类功能，并未表示具体分析项目。,19,2图形符号,模拟仪表、工艺设备及管线等图形符号有以下几种。,（1）测量点,测量点（包括检出元件）是由过程设备的轮廓线或管道符号（粗实线）引至检测元件或就地仪表的起点，一般无特定的图形符号。通常与检出元件或仪表画在一起，其连接引线用细实线表示，如图8.1（a）所示。,若测量点位于设备中，当需要标出测量点在过程设备中的具体位置时，可在引线的起点加一个直径约2 mm的小圆圈符号或加虚线，如图8.1（b）所示。必要时，检测仪表或检出元件也可以用象形或图形符号（详细内容请查阅国家或行业标准）表示。,2图形符号,20,图8.1测量点,（2）连接线图形符号,通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。用细实线表示仪表连接线的场合包括工艺参数测量点与检测装置或仪表（圆圈）的连接引线和仪表与仪表能源的连接线。当有必要标注能源类别时，可采用相应的缩写字母标注在能源线符号之上。例如，AS-0.14为0.14 MPa的空气源，ES-24DC为24 V的直流电源。表示仪表能源的字母组合标志如下：,图8.1测量点（2）连接线图形符号,21,AS：空气源IA：仪表空气,ES：电源NS：氮气源,GS：气体源SS：蒸汽源,HS：液压源WS：水源,当通用的仪表信号线为细实线可能造成混淆时，通用信号线符号可在细实线上加斜短划线（斜短划线与细实线成45角）。,常用仪表连接线的图形符号见表8.2。,AS：空气源IA：仪表空气,22,表8.2常用仪表连接线的图形符号,序号,类 别,图形符号,备 注,1,通用仪表的信号线,（细实线，下同）,2,仪表与工艺设备、管道上测量点的连接线,3,连接线交叉,4,连接线相接,5,表示信号的方向,当有必要区分信号线的类别时,表8.2常用仪表连接线的图形符号序号类 别图形符号备,23,6,气压信号线,斜短划线与细实线成45角,7,电信号线,8,导压毛细管,9,液压信号线,（其他类型的信号线从略）,6气压信号线斜短划线与细实线成45角7电信号线8导压毛细管,24,（3）仪表图形符号,仪表图形符号用一个直径为10 mm（或12 mm）的细实线圆圈表示。当仪表位号的字母或阿拉伯数字较多、圆圈内不能容纳时，可以将圆圈上下断开，如图8.2（a）所示。处理两个或多个变量，或处理一个变量但有多个功能的复式仪表，可用相切的仪表圆圈表示，如图8.2（b）所示。当两个测量点引到一台复式仪表上，而两个测量点在图纸上距离较远或不在同一张图纸上时，则分别用两个相切的实线圆圈和虚线圆圈表示，如图8.2（c）所示。,图8.2 仪表图形符号,（3）仪表图形符号图8.2 仪表图形符号,25,（4）仪表的安装位置,仪表的安装位置可用加在圆圈中的细实线、细虚线来表示，见表8.3。这里的仪表盘包括柜式、屏式、架装式、通道式仪表盘和操纵台等。就地仪表盘面安装的仪表包括就地集中安装的仪表。仪表盘后安装的仪表包括盘后面、柜内、框架上和操纵台内安装的仪表。,表8.3 仪表安装位置的图形符号,序号,安装位置,图形符号,序号,安装位置,图形符号,1,就地安装仪表,4,就地仪表盘面安装仪表,2,嵌在管道中的就地安装仪表,5,集中仪表盘后安装仪表,3,集中仪表盘面安装仪表,6,就地仪表盘后安装仪表,（4）仪表的安装位置表8.3 仪表安装位置的图形符号序,26,（5）执行器的图形符号,执行器的图形符号由执行机构和调节机构的图形符号组合而成。常用执行机构的图形符号见表8.4，调节机构的图形符号见表8.5。一般在带控制点的工艺流程图上，执行机构上的阀门定位器不予表示。,表8.4 常用执行机构的图形符号,序号,形 式,图形符号,序号,形 式,图形符号,1,通用的执行机构（不区别执行机构形式）,5,电动机执行机构,2,带弹簧的气动薄膜执行机构,6,电磁执行机构,3,活塞执行机构,7,执行机构与手轮组合,4,带气动阀门定位器的气动薄膜执行机构,8,带能源转换的阀门定位器的气动薄膜执行机构,（5）执行器的图形符号表8.4 常用执行机构的图形符号,27,表8.5 调节机构的图形符号,序号,形 式,图形符号,序号,形 式,图形符号,1,球形阀、闸阀等直通阀,4,四通阀,2,角阀,5,蝶阀、挡板或百叶窗,3,三通阀,6,没有分类的特殊阀门,（工程图纸的图例中应说明其具体形式）,3仪表位号及编制方法,（1）仪表位号的组成,在检测、控制系统中，构成一个回路的每个仪表（或元件）都应有自己的仪表位号。仪表位号由字母代号组合和回路编号（阿拉伯数字）两部分组成。仪表位号中，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能；回路编号可以按装置或工段（区域）进行编制，一般由三至五位数字表示。例如：,表8.5 调节机构的图形符号序号形 式图形符号序号形,28,T,RC,1,03,序号（一般用两位数字，也可以用三位数字）,工序或车间代号（可以一位数字，也可以是两位数字）,功能字母代号（记录调节）,被测变量字母代号（温度）,（2）仪表位号的分类与编号, 仪表位号按被测变量进行分类，其第一位字母（或者是被测变量字母和修饰词字母组合）只能按照被测变量来分类，即同一个装置（或工段）的相同被测变量的仪表位号中数字编号是连续的，但允许中间有空号；不同被测变量的仪表位号不能连续编号。例如，FR101、FR102、FR105、FR107，LI101、LI102、LI104；不能编成FR101、TR102、PR103、LR104。, 在带控制点的工艺流程图和仪表系统图中，仪表位号的标注方法是：字母代号填写在圆圈的上半圆中，数字（回路）编号填写在下半圆中。集中仪表盘面安装仪表，圆圈中有一个横线，如图8.3（a）所示；就地安装仪表中间没有，如图8.3（b）所示。,T RC 1 03序号（一般用两位数字，也可以用三位数,29,图8.3集中与就地安装仪表位号的标注方法, 一台仪表或一个圆圈内，仪表位号的字母代号最好不要超过五个字母。表示功能的后继字母应按IRCQSA（指示、记录、控制、积算、联锁、报警）的顺序标注。具有指示和记录功能时，只标注字母代号“R”，而不标注“I”；具有开关和报警功能时，只标注字母代号“A”，而不标注“S”；当字母代号“SA”同时出现时，表示具有联锁和报警功能；一台仪表或一个圆圈内具有多功能时，可以用多功能字母代号“U”标注。例如，“LU”可以表示一台具有液位高报警、液位变送、液位指示、记录和控制等功能的仪表。, 如果同一个仪表回路中有两个以上的具有相同功能的仪表，可用仪表位号后附加尾缀（大写英文字母）加以区别。例如，PT202A、PT202B分别表示同一系统中的两台变送器；PV201 A、PV201 B分别表示同一系统中的两台控制阀。,图8.3集中与就地安装仪表位号的标注方法 ,30, 当属于不同工段的多个检测元件共用一台显示仪表时，仪表位号只编顺序号，不表示工段号。例如，多点温度指示仪的仪表位号为TI1，相应的检测元件仪表位号为TE11、TE12。, 当一台仪表由两个或多个回路共用时，应标注各回路的仪表位号。例如，一台双笔记录仪记录流量和压力时，仪表位号为FR121/PR131；若记录两个回路的流量时，仪表位号应为FR101/FR102或FR101/102。, 在带控制点的工艺流程图或其他设计文件中，构成一个仪表回路的一组仪表，可以用主要仪表的位号或仪表位号的组合来表示。例如，FR121可以代表一个流量记录仪表回路。在带控制点的工艺流程图上，一般不表示出仪表冲洗或吹气系统的转子流量计、压力控制器、空气过滤器等设备，而应另出详图表示。, 当属于不同工段的多个检测元件共,31, 随设备成套供应的仪表，在带控制点的工艺流程图上也应标注位号，但是在仪表位号圆圈外应标注“成套”或其他符号。, 仪表附件，如冷凝器、隔离装置等，不标注仪表位号。, 为了表达清楚，必要时可在仪表图形符号旁边附加简要说明。,根据上述图形符号、文字代号及仪表位号的表示方法，就可以着手绘制或识读管道仪表流程图了。, 随设备成套供应的仪表，在带控制点,32,8.2.2 控制方案的设计,控制方案的设计是控制系统工程设计中首要和关键的问题，控制方案的设计是否正确、合理，将直接关系到设计的成败，控制方案设计的定位水平将影响到系统的自动化水平。因此，在工程设计中，必须高度重视控制方案的设计。,1控制方案设计涉及的主要内容,控制方案的设计，就是根据生产过程的原理和工艺操作的要求，确定反馈控制系统、自动检测系统、自动信号报警与联锁系统。在技术上主要考虑每个控制系统中被控变量和操纵变量的选择，确定测量点位置和控制阀的安装位置，选择实现测量和控制的手段。在被测变量中，哪些需要自动指示、记录、报警，哪些需要设置安全联锁保护系统，都要合理地确定。在设计方法上，首先应该了解工艺机理，从实际出发，做到工艺上合理可行；从全局出发，充分考虑各设备之间的联系，相互协调；从实际使用考虑，尽量做到操作稳定可靠且简便易行；同时考虑经济性和技术先进性的统一。具体来说，控制方案的设计主要包括以下几项内容。,8.2.2 控制方案的设计 控制,33,（1）确定合理的控制目标,工程设计的控制方案是根据设计任务书的要求，在充分考虑生产实际的基础上确定的。因此，应掌握必要的工艺知识，了解产品生产的工艺过程和特点、物料的特性、主要工艺设备、管线的特征和布置情况、基本操作方法和条件、控制指标要求及安全措施等情况，作为确定方案的基础资料。,（2）正确地选择所需的检测点及其检测仪表的安装位置,工艺过程中影响生产的因素很多，在设计中应根据实际生产过程的基本操作条件、控制指标要求及安全措施等情况，合理地选择所需的被测变量。被测变量确定以后，应从能够准确、迅速和可靠地反映被测变量的实际情况，符合检测仪表的安装条件及正常运行要求，尽量减少对工艺过程运行的影响等三方面来选择所需的检测点及其检测仪表的安装位置。,（1）确定合理的控制目标,34,（3）正确地选择必要的被控变量和恰当的操纵变量,虽然在工艺过程中有很多因素会影响生产的正常进行，但并非所有变量都要进行自动控制。因此，在控制系统的设计中，应该按照被控变量的选择原则，选择那些对产品质量、产量、生产安全、节约能源和原材料、提高经济效益起决定作用的主要变量加以控制。对于某些人工操作难以满足要求，或者人工操作虽然可行但操作频繁、劳动强度大的变量要首先考虑进行自动控制。,（4）合理地设计控制系统,在确定控制方案的过程中，要认真研究所选用方案在工艺上的合理性和技术上的可行性。所选用的方案应该是经过实践考验并且行之有效的，这是进行设计工作时必须遵循的原则。进行设计时，要根据工艺机理、约束条件、对象特性、扰动的来源和大小及被控变量的允许偏差范围，结合有关生产实践的经验和资料来选用合适的控制方案，以确定组成简单还是复杂的控制系统。,（5）根据所选被控对象的特性及控制要求，选择合适的控制算法。,（3）正确地选择必要的被控变量和恰当,35,（6）根据被控介质的特点、工艺操作条件及要求，选择合适的执行器及其安装位置。,（7）设计生产安全保护系统，包括声、光信号报警系统、联锁系统及其他保护性系统。,利用自动信号报警系统进行监视的通常是工艺生产上的重要变量、关键变量，如设备的安全报警极限变量，化学反应器中的温度、压力变量，容器的液位变量等。当这些变量超限后，操作人员必须及时采取措施，以免发生事故；当超限严重时，联锁保护系统应能发挥作用，将主要生产设备自动停车，使生产处于安全保护状态。,应当指出，控制方案的自动化水平应根据工程项目的需要、重要性、投资量等因素综合考虑。自动化水平并非越高越好。如果用简单控制系统可以满足工艺要求，就不必采用复杂控制系统。控制回路也并非越多越好，要注意各控制回路之间的关联问题。信号报警和联锁系统不能滥用，如果设置不好，会造成因频繁停车而影响生产的不良后果。,总之，控制方案的确定，要从工艺过程的实际需要出发，从生产过程的全局考虑，使之满足要求、简便易行、安全可靠。,（6）根据被控介质的特点、工艺操作条件及,36,2工艺控制流程图的设计,在控制方案确定以后，运用国家规定的过程检测与控制系统用文字代号与图形符号中的图例符号，在工艺流程图上按其流程顺序标注检测点、控制点和控制系统，并绘制工艺控制流程图。,（1）工艺流程图,工艺流程图是用来表达整个工厂或车间生产流程的图样。它是一种示意性的展开图，即按工艺流程顺序，把设备和流程线自左至右都展开在同一平面上。其图面主要包括工艺设备和工艺流程线。, 工艺设备的画法。方案流程图中用细实线画出设备的大致轮廓或示意结构，一般不按比例，但应保持各设备的相对大小。各设备之间的高低位置及设备上重要接管口的位置应大致符合实际情况。, 工艺流程线的画法。方案流程图中一般只画出主要工艺流程线，其他辅助流程线则不必一一画出。用粗实线画出主要物料的流程线，在流程线上用箭头标明物料流向，并在流程线的起讫处注明物料的名称、来源或去向。如遇有流程线自检、流程线与设备之间发生交错或重叠而实际上并不相连时，其中的一线应断开或曲折绕过设备图形。,2工艺控制流程图的设计,37,（2）工艺控制流程图,工艺控制流程图又称管道仪表流程图，它是在工艺流程图的基础上，用过程检测和控制系统设计符号，在工艺流程图上标注检测点、控制点和控制系统的。因此，工艺控制流程图是描述生产过程自动化内容的图纸，是自动化水平和自动化方案的全面体现，是自动化工程设计的依据，亦可供施工安装和生产操作时参考。,具体绘制时，按照各设备上检测点和控制点的密度，布局上可做适当的调整，以免图面上出现疏密不均的情况。通常，设备进出口的检测点和控制点应尽可能地标注在进出口附近。有时为顾全图面的质量，可适当地移动某些检测点和控制点的位置。, 工艺控制流程图的主要内容,图形：带位号、名称和接管口的设备简图，并配以连接设备的主、辅物料管线、阀门、管件及过程检测和控制系统设计符号等。,（2）工艺控制流程图 ,38,标注：设备位号、名称、管段编号、控制点符号、必要的尺寸及数据等。,图例：图形符号、字母代号及其他的标注、说明、索引等。,标题栏：注写图名、图号、设计项目、设计阶段、设计时间和会签栏等。, 工艺控制流程图的画法,图样画法。工艺控制流程图采用展开图的形式，按工艺流程顺序，自左至右依次画出设备的图例符号，并配以物料流程线和必要的标注及说明。图中设备、机器的大小及比例无特殊要求，保证图形清楚即可，但需保持设备间的相对大小。通常按1:100或1:200的比例绘制。,设备和机器表示方法。用细实线画出设备、机器的简略外形和内部特征。一般不画管口，需要时可用单线画出。常用设备、机器的图形符号可参照“附录A 工艺流程图上设备和机器图例符号”绘制。, 标注：设备位号、名称、管段编号、控制点符,39,在工艺控制流程图上，要在两处标注设备位号：一处是在图的上方或下方，按如图8.4所示标注，位号排列要整齐，并尽可能与设备对正；另一处是在设备内或近旁，此处只标注位号，不标注名称。,图中设备之间的相对位置，在保证图面清晰的原则下，主要考虑便于连接管线和标注符号、代号，应注意避免管线过长或设备过于密集。,图8.4 设备标注,在工艺控制流程图上，要在两处标注设,40,管道表示方法。在工艺控制流程图中，应画出全部物料管道，对辅助管道、公用系统流程图中的管道应水平或垂直画出，尽量避免斜线。,各种常用管道规定画法可参照“附录C 工艺流程图上管道、管件、阀门及附件图例符号”进行。在绘制管道图时，应尽量避免管道穿过设备或交叉管道在图上相交。当表示交叉管道相交时，一般应将横向管道断开。管道转弯处，一般应画成直角而不画成圆弧，如图8.5所示。管道上应画出箭头，以表示物料流向。各流程图之间相衔接的管道，应在始（或末）端注明其接续图的图号及来自（或去）的设备位号或管道号，如图8.6所示。,图8.5 交叉管道,图8.6 来向和去向, 管道表示方法。在工艺控制流程图,41,每段管道都应标注。横向管道，在管道上方标注；竖向管道，在管道左侧标注。管道标注的内容包括管道号、管径和管道等级三部分，如图8.7所示。,管道号包括物料代号、主项代号和管段序号。常用物料代号见“附录B 工艺流程图上常用物料代号”。主项代号用两位数字表示，各主项应独立编写。管段序号应按生产流向依次编写，一般用两位数字表示。辅助管段可另行独立编写。,管径为管道的公称直径，一般以mm为单位，不注明单位符号。,管道等级是根据介质的温度、压力及腐蚀等情况，由工艺设计确定的。有隔热、隔音措施的管道，在管道等级之后要加注代号。,图8.7 管道标注,每段管道都应标注。横向管道，在管道,42,阀门和管件表示方法。在管道上的阀门及其他管件，应以细实线按国家标准所规定的符号在相应位置画出，并注明规格代号，如图8.8所示。阀门和管件的符号可参考“附录C 工艺流程图上管道、管件、阀门及附件图例符号”中的图例。无特殊要求时，管道上的一般连接件，如法兰、三通、弯头等均不画出。,图8.8 阀门及异径接头在管路上的画法,控制方案表示方法。在工艺物料流程图上，按照过程检测和控制系统设计符号及使用方法，把已确定的控制方案按流程顺序标注出来。,绘图时，设备进出口的测量点尽可能标注在设备进出口附近。有时为了照顾图面质量，可适当移动某些测量点的标注位置。管网系统的测量点最好都标注在最上一根管线的上面。控制系统的标注可自由处理。,仪表控制点以细实线在相应的管路上用代号、符号画出，并应大致符合安装位置。其代号、符号的含义参见表8.1。, 阀门和管件表示方法。在管道上的,43,8.2.3 工艺控制流程图的绘制,根据上面所述基本知识，就可以着手绘制或识读工艺控制流程图了。,1工艺控制流程图的绘制步骤,（1）绘图时，图面布置合理、清晰。设备及管道排列均匀，便于标注。,（2）按流程顺序，并考虑设备位差要求，自左至右依次画出设备外形图。,（3）画出主要物料流程线，留出管道上阀门、管件等符号的位置。,（4）画出有关阀门、管件的图例符号。在管道上画出物料流向的箭头。,（5）画出所有自动检测、控制系统。,（6）标注设备、管道、仪表的位号及名称等内容。,（7）在图的右上侧画出有关符号、代号的图例及说明；在图的右下框线处画出标题栏，并填入相关内容。,8.2.3 工艺控制流程图的绘制,44,2工艺控制流程图示例,某化工厂某工序的工艺控制流程图及其总体布局图如图8.9和图8.10所示,图8.10 带控制点工艺流程图的总体布局,2工艺控制流程图示例图8.10,45,电子教案过程控制系统课件,46,8.3 控制系统的设备选择,8.3.1 仪表自动化设备的选型,生产过程自动化的实现，不仅需要制定合理的控制方案，而且需要正确地选用自动化仪表。,工业自动化仪表的类型很多，品种、规格各异。目前，主要的控制装置有基地式控制仪表、单元组合式仪表、组装式控制仪表、可编程序数字调节器、可编程序控制器（PLC）、计算机控制系统、分散型控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等八种，且基本上都已实现数字化控制。,对于控制装置的选择，首先应根据控制对象确定采用何种控制装置来实现系统的控制。常规仪表的选用应倾向于数字化、智能化的仪表。目前，气动控制仪表已很少使用，少数有爆炸危险的现场控制，尚有选用气动控制仪表的。,8.3 控制系统的设备选择 8.3.1 仪,47,常规控制仪表的选择没有严格的规定，选择时一般应考虑以下几个因素。,（1）价格因素,通常，数字式仪表比模拟仪表价格高，新型仪表比老型仪表价格高，引进或合资生产的仪表比国产仪表价格高，电动仪表比气动仪表价格高。因此，选型时要考虑投资的情况、仪表的性能/价格比。,（2）管理的需要,从管理上考虑，首先应尽可能地使全厂的仪表选型一致，以有利于仪表的维护管理。此外，对于大中型企业，为实现现代化的管理，控制仪表应选择带有通信功能的，以便实现连网。,常规控制仪表的选择没有严格的规定，,48,（3）工艺的要求,控制仪表应选择能满足工艺对生产过程的监测、控制和安全保护等方面的要求。对于检测元件（或执行器）处在有爆炸危险的场合时，必须考虑安全栅的使用。,随着计算机网络技术的不断发展，生产现场的数据信息不仅用于过程控制，还用于生产管理、企业决策等，因此，在进行控制装置的选择时，应对其网络功能予以重视，从而实现从单一的生产过程到整个企业的各个生产过程的统一控制与管理，为企业与外部世界信息共享奠定基础。,（3）工艺的要求,49,8.3.2 检测仪表的选择,检测仪表的选择一般应考虑如下因素。,（1）被测对象及环境因素,被测对象的温度、压力、流量、黏度、腐蚀性、毒性、脉动等因素，以及仪表使用环境（如防火、防爆、防震等）是决定检测仪表选型的主要条件，关系到仪表选用的合理性和仪表的使用寿命等。,（2）检测仪表的功能,各检测点的参数在操作上的要求是仪表的指示、记录、积算、报警、控制、遥控等功能选择的依据。,（3）仪表的精度及量程,检测仪表的精确度应按工艺过程的要求和变量的重要程度合理选择。一般来说，集中监控系统的检测仪表精确度应较高些，就地指示型检测仪表的精确度可略低。,仪表的量程应按正常生产条件选取。有时还要考虑到开、停车，以及生产事故时变量变动的范围。,8.3.2 检测仪表的选择 检测,50,（4）经济性和统一性,仪表的选型在一定程度上也取决于投资，一般应在满足工艺和自控要求的前提下，进行必要的经济核算，取得适宜的性能/价格比。,为了便于仪表的维修和管理，在选型时应考虑到仪表的统一性。尽量地选用同一系列、同规格型号及同一生产厂家的产品。,（5）仪表的可靠性和供应情况,所选用的仪表应是较为成熟的，并经现场使用证明其性能可靠；同时，要注意到选用的仪表应当是货源及备品、备件供应充裕，短期内不会淘汰或停产的产品。,（4）经济性和统一性,51,8.3.3 显示控制仪表的选型,仪表的指示、记录、积算、报警、控制、手动遥控等功能，应根据工艺过程的实际需要选用。一般，对工艺过程影响不大但需经常监视的变量，可选指示型仪表；对需要经常了解其变化趋势的重要变量，应选记录型仪表；对工艺过程影响较大、需随时进行监控的变量，应选控制型仪表；对关系到物料平衡和动力消耗而要求计量或经济核算的变量，宜选具有积算功能的仪表；对变化范围较大且必须操作的变量，宜选手动遥控型仪表；对可能影响生产或安全的变量，宜选报警型仪表。此外，控制型仪表的远传信号传输方式应与控制系统的信号输入方式相匹配。,显示控制类仪表的精确度，应按工艺过程的要求和变量的重要程度合理选择。一般指示仪表的精确度不应低于1.5级，记录仪表的精确度不应低于1.0级。就地安装仪表的精确度可略低些。构成控制回路的各种仪表的精确度要相匹配，必要时应按误差分配与综合原则核算精确度。,8.3.3 显示控制仪表的选型,52,仪表的量程应按正常生产条件选取，同时还必须考虑开（停）车、生产故障及事故状态下变量的预计变动范围。,对于0100%线性刻度的仪表，变量的正常值宜使用在读数为50%70%的范围，最大值可用到90%，读数在10%以下不宜使用。液位正常值一般用在读数的50%左右。对于010的方根刻度，变量的正常值宜使用在读数为78.5的范围内，最大可用到9.5，读数为3以下的范围不宜使用。,1显示仪表的选型,显示仪表的选型总体上应根据安装的环境条件进行选择。, 在控制室仪表盘上安装的仪表，宜选用矩形表面的仪表；需要密集安装时，宜选用小型仪表；需要显示醒目时，宜选用大、中型仪表。, 指示、记录仪的量程，一般按正常生产条件选取，需要时还应考虑到开、停车和生产事故状态下预计的变动范围。,仪表的量程应按正常生产条件选,53, 需要快速显示，示值精度高，读数直接而方便，要求在测量范围内量程可任意压缩、迁移，或要求对输入信号做线性处理等变换，或要求对变量进行显示的同时兼作变送输出等，均可选用数字显示仪表。要求复杂数学运算的，应选用带微处理器的智能型仪表。, 工艺过程中需要记录时，宜选用单笔或双笔记录仪；相关的多个变量需记录时，可采用多通道（笔式或无笔式）记录仪；在多个变量中，需要随时选择其中几个进行记录时，可采用选点切换器与记录仪配合，做选点记录。在记录纸上能明显区分的，可采用打点式记录；不能明显区分的，宜采用数字式记录。采用选点方式作多点显示的仪表，其切换装置的切换点数宜留有备用量。, 两个或多个变量的记录仪，可根据被测变量的类别和量程分别选取单一刻度、双重或多重刻度记录纸及标尺。, 为了醒目、形象化，指示仪、记录仪可选用带附设色带或光柱显示。特别是对于物位显示，采用色带或光柱显示较为直观。, 需要快速显示，示值精度高，读,54, 为了提高分辨率和减小读数误差，可分别选用带量程切换装置的显示仪表和带量程设定的显示仪表。, 要求对一个或多个变量做高速、精确记录时，可选用带微处理器的记录仪。当需要变速、变量程、调节、报警、制表打印等多种附加功能时，宜选用带微处理器的可编程序（模拟/数字）混合型记录仪。, 报警及巡回检测仪表的选型。指示仪表及记录仪表可根据需要选用带有报警功能的仪表；多点切换的指示、记录仪表，需要增设报警功能时，对多机组设定值相同的变量可采用多点同定值越限报警；对设定值不同的变量，可采用多点各定值越限报警；对多个重要变量的报警，宜将报警触点信号引入多点闪光报警仪表作声光报警，并根据需要选取带首出（第一事故）、重闪、回铃、继电器触点输出等各种附加功能；对工艺过程影响不大、变化缓慢但仍需要及时了解其变化的多个变量，宜设自动巡回检测仪表，还需要报警的可选用巡回检测报警仪表；巡回检测多点报警系统，宜留有适当的备用点数。, 为了提高分辨率和减小读数误差,55,2控制仪表的选型,控制仪表的选型应根据设计项目的具体情况，即被控对象的特性和工艺对控制质量的要求来确定。有关控制器控制规律的选择，正、反作用方式的确定等问题在第2章中已作详细介绍，这里不再重述。在选择常规控制仪表时，还应遵循以下原则：, 控制仪表一般可选用电动或气动单元组合式仪表、组装式仪表、数字控制仪表等。, 对于不易稳定或经常开、停车的生产过程，对于模拟仪表，宜选用全刻度指示控制器，不宜选用偏差指示控制器；对于数字式仪表，宜选用带有光带指示的控制器。, 当控制器用于联锁和自动开、停车时，或允许执行器全开、全关及系统控制要求不高的简单控制系统，可选用二位、三位或四位等位式控制器。若要求适当改善控制品质时，应该选用具有时间比例、位式比例积分或位式比例积分微分控制规律的位式控制器。,2控制仪表的选型,56, 控制仪表附加功能的选用。在只允许单向偏差存在或间歇工作的控制器的场合，若使用积分控制规律，则必须选用具有防积分饱和功能的控制器；采用电动型等控制器时，为了便于维修和使系统正常运行，应备有能临时插入仪表盘取代正常工作的控制器功能的便携式操作器；根据工艺过程要求（如为了生产安全，对于某些控制阀有限制开度的要求等），对于控制器的输出信号需要限幅的控制系统，宜选用具有输出限幅功能的控制器。, 在复杂控制系统中控制器的选用。用于前馈、串级、间歇、非线性等复杂控制系统的控制仪表，一般宜选用智能型或电动单元组合式及组装式仪表中具有相应控制功能的控制器；对于负荷变化较大、非线性严重及扰动较大的生产过程，手动整定控制器的参数较困难时，可选用带自适应功能或带PID参数自整定功能的控制器；对于纯滞后较大或非线性特别严重的被控对象，可采用智能控制器，如纯滞后补偿控制器、自适应控制器、神经网络控制器等。, 需要手动远距离改变控制系统设定值，或对执行器进行直接操作的场合，可选用手动操作器（或遥控器）。, 控制仪表附加功能的选用。在只允,57,3控制阀的选型,由于工业生产过程大多存在易燃、易爆等危险性介质，因此，从可靠性和防爆性考虑，通常选用气动控制阀。对气动控制阀的选择也已在第2章中详细论述。一般要从以下几方面进行考虑：, 根据工艺条件，选择合适的控制阀结构类型和材质；, 根据生产安全和产品质量等项要求，选择控制阀的气开、气关形式；, 根据被控过程的特性，选择控制阀的流量特性；, 根据工艺参数，计算控制阀的流通能力，确定阀的口径；, 根据工艺要求，选择与控制阀配用的阀门定位器。,除此之外，在选择控制阀时，还必须注重考虑其具体工艺操作条件和使用环境。主要应注意以下几点。, 被控制流体的种类，分为液体、蒸汽或气体。对于液体通常要考虑黏度的修正，当液体黏度过高时，其雷诺数下降，改变了流体的流动状态，在计算控制阀流通能力时，必须考虑黏度校正系数。对于气体，应该考虑其可压缩性。对于蒸汽，要考虑饱和蒸汽或过热蒸汽等。,3控制阀的选型,58, 流体的温度、压力。根据工艺介质的最大工作压力来选定控制阀的公称压力时，必须对照工艺温度条件综合选择，因为公称压力是在一定基准温度下依据强度确定的，其允许最大工作压力必须低于公称压力。例如，对于碳钢阀门，当公称压力,P,N1.6 MPa、介质的温度在200 时，最大耐压力为1.6 MPa；当250 时，最大压力变为1.5 MPa；当400 时，最大工作压力只有0.7 MPa。,对于压力控制系统，还要考虑其阀前取压、阀后取压和阀前后压差，再进一步来选择阀的形式。, 流体的黏度、密度和腐蚀性。根据流体黏度、密度和腐蚀性来选择不同形式的控制阀，以便满足工艺的要求。对于高黏度、含纤维介质，常用O形和V形球阀；对于腐蚀性强、易结晶的流体，常用阀体分离型的阀。, 流体的温度、压力。根据工艺介,59, 控制阀旁路和手轮机构的设置。在下列情况下可设置旁路阀：,液体会出现闪蒸、空化；流体中含有固体颗粒和具有腐蚀性的场合；,对于洁净流体，控制阀公称通径,D,N80 mm的场合；,控制阀发生故障或检修时，不致引起工艺事故的场合。,对于需要限制开度或未设置旁路的控制阀应设置手轮机构。但对工艺安全生产联锁用的紧急放空阀和安装在禁止人进入的危险区的控制阀，不应设置手轮机构。, 控制阀旁路和手轮机构的设置。在下,60,8.3.4 自控设备表,自控设备表是用来反映设计中所选用仪表设备的类型、规格、数量、安装地点等详细内容的表格，它是提供投资概算、设备订货等的依据。,所有控制系统（包括就地控制系统）及传送至控制室进行集中检测的仪表（不包括温度）均填表，并按信号流向依次填写。,自控设备表（见附录E及附录F）按检测系统和控制