过程控制系统设计

第4章工程设计4.1概述4.2工程设计步骤4.3工程设计内容4.3.1确定控制变量与控制方案4.3.2硬件选择4.3.3节流元件计算4.3.4调节阀选择4.3.5计算举例4.1.1工程设计的定义

把生产过程自动化的各种控制方案，用设计图纸资料和设计文件资料表达出来的全部工作。4.1概述4.1.2自控工程设计的基本任务从我国的实际情况出发，结合本厂的特点，确定生产过程自动化水平。根据工艺要求，确定各种检测参数。主要控制参数的控制系统的设计。工艺生产过程必要的信号报警和联锁保护设计。控制室、仪表盘的设计。仪表车间的设计。

4.1.3对工程设计人员的要求

在工厂建设中，要求设计人员综合地考虑某项工程的经济性、安全性、耐久性和企业的特点，消除公害的措施，与各部门的相互配合等等，制订出合理的计划。自控设计是工厂建设的一个重要组成部分，也同样需要运用系统工程的思想指导它的设计与施工的全过程。为此对设计人员提出以下要求：（1）接到设计任务书后，要认真领会设计任务书的要求，并严格地贯彻执行一系列技术条例和规定。（2）按照任务书的要求，从实践中取得第一手资料，作出合理的设计，使设计建立在可靠和落实的基础上，决不能闭门造车。（3）在设计中要认真贯彻勤俭建国的方针，加强经济观点，注意经济效益。对自动化水平的确定要适合国情，对仪表的投资要进行经济概算。（4）自控设计是整个工程设计的一部分，与工艺、化工设备、电气、土建等其它专业都有联系。4.1.3对工程设计人员的要求（5）现代生产中由于电子计算机及分析仪表的在线控制，因此微弱信号的传递，取样管的安装，配线施工中的干扰问题也突出出来，所以设计人员要引起高度的重视。（6）现代工业生产中，对于特殊工艺条件下的检测和控制技术要求比较高，仪表本身的质量固然重要，但施工方法不能忽视。设计人员不仅要熟悉常规的自动化仪表的各种安装规范外，对于特殊的检测和控制也要推荐一定的施工方法。4.1.3对工程设计人员的要求4.2工程设计步骤工程设计分两步进行：（1）初步设计（2）施工图设计4.2.1初步设计内容

初步设计的主要目的，是报有关领导审批，并为定货做好准备。在该设计阶段必须要了解工艺生产的特点，环境特性，确定控制方案，对重要的控制系统要作出详细的说明；正确地选择仪表和其他自动化技术工具，主要材料的选型，确定控制水平，动力供应等，进行设计概算。初步设计设计资料的主要内容初步设计说明书带控制点流程图主要仪表设备、材料汇总表初步设计概算4.2.2施工图设计（1）自控图纸目录（2）施工图说明书（3）带控制点的工艺流程图（4）自控设备汇总表（5）自控设备表（6）综合材料表（7）电气设备材料表（8）电缆、电线表（9）管缆表（10）测量管线表

(11）仪表及管线绝热保温表（12）节流装置计算数据表（13）调节阀计算数据表（14）液位计参数表（15）管件及工件明细表（16）供电系统图（17）信号及连锁原理图

（18）（控制室）仪表盘正面布置总图（19）仪表盘正面布置图（20）半模拟盘正面布置图

(21）继电器箱正面布置图（22）仪表盘背面电气接线图（23）半模拟盘背面电气接线图（24）继电器箱电气接线图（25）仪表盘背面气动管线接线图（26）仪表供气空视图

（27）仪表及管线伴热保温系统图（28）气动管线外部连接系统图（29）接管箱接线图（30）电缆、电线外部连接系统图（31）供电箱（或接线端子箱）接线图（32）电缆、管缆平面敷设图（33）复杂控制系统图（34）非标准部件安装制造图（35）工艺管道及控制流程图4.3工程设计内容（1）根据工艺要求和控制目标确定系统变量（2）建立数学模型（3）确定控制方案（4）选择硬件设备（5）选择控制算法，进行控制器设计（6）软件设计之后进行安装、调试、整定、投运。（一）确定控制变量与控制方案确定控制目标

1、被控变量(1)选择直接变量(2)选择与直接变量有单值关系的间接变量注意：考虑工艺的合理性、被控变量必须是独立可控。选择时考虑：（1）工艺合理性（2）被控对象的特性（a）使被控对象控制通道的放大倍数较大，时间常数较小，纯滞后越小越好；（b）使被控对象干扰通道的放大倍数尽可能小，时间常数越大越好对象被控变量y操纵变量q干扰ƒ2、操纵变量的选择（一）确定控制变量与控制方案例一：加热炉qq燃t选：t为被控变量；

q燃为操纵变量。（一）确定控制变量与控制方案确定控制方案（一）确定控制变量与控制方案1、控制结构2、控制算法选取控制规律：PPIPDPID反馈控制前馈控制串级、比值、均匀、分程、选择控制（二）硬件选择1、检测变送2、执行器3、其它报警、联锁、保护控制装置DCSPLC可靠、实用、先进、经济（三）节流装置计算1、节流元件2、取压方式3、确定节流元件开孔直径（四）调节阀口径计算1、有关的系数2、流量系数C的计算3、调节阀口径的计算步骤调节阀的流量基本方程C：流量系数C的表达式：阻力越大，C值越小C的大小反映调节阀流量F的大小，故习惯称为流通能力

C的定义：调节阀全开，阀两端压差为100Kpa，介质密度为1g/cm3时，每小时流过调节阀的流量（m3/h）。（1）阻塞流阻塞流的流量与差压的关系不遵循流量方程。1、有关的系数当阀前压力一定，通过阀的流量随阀前后差压的增大而增大，到达临界状态时，流量不随△P变化，为最大流量的流动状况。在阻塞流，计算C时，对不可压缩、可压缩、低雷诺数流体都要修正是否形成阻塞流，流量系数的计算公式不同。（2）压力恢复系数FLFg引入FL：阀全开时压力恢复的程度节流装置之后压力开始恢复，其程度随阀的结构及阀的开度的不同而不同。对液体，非阻塞流下：PVC查P199表11-2阻力越小的阀，恢复越厉害，越偏离压力曲线，结果与实际误差越大。

对气体，产生阻塞流的条件：△Pmax为阀产生阻塞流动的临界压差。当△P＜△Pmax时为正常流动当△P≥△Pmax时为阻塞流动。阻塞流下：阀入口液体饱和蒸汽压力临界压力比系数（2）压力恢复系数FLFg（3）雷诺数修正系数FR

在湍流下，C为常数，当雷诺数Re<3500时，C随Re而减小，故引入FR（4）管件形状修正系数FpC的计算公式要满足：D阀=D管道阀前后有一定长度的直管段，前20D，后7D。一般不用修正查P199表11-21、有关的系数由Cmax→额定流量系数C100→调节阀的口径最大流量系数Cmax

，是确定调节阀的口径的依据。关键是合理确定调节阀流量和压差2、流量系数C的计算（1）流量系数C的计算步骤第一步：根据已知条件查参数：FL、Pc；△P≥△Pmax为阻塞流动:①判别Pv

是大于还是小于0.5P1；

②由①采用相应的△Pmax公式：第二步：决定流动状态。

液体：△P＜△Pmax为一般流动:

一般流动

气体：

阻塞流动（1）流量系数C的计算步骤上述计算式乘或（更精确）例1

介质液氨，t＝33℃，ρ＝0.59g/cm3，F＝13m3／h，P1＝530×100KPa，P2＝70×100KPa，△P＝460×100KPa，Pv＝15×100KPa，选用高压阀，流闭型。

（2）流量系数C的计算举例1第一步：查表得FL＝0.8，Pc＝114.5×100KPa

第二步：∵0.5P1＝265＞Pv

∴△Pmax＝FL

（P1－Pv）＝329×100KPa

△P＞△Pmax，为阻塞流动

第三步：采用阻塞流动公式

=0.55（2）流量系数C的计算举例2

例2

介质空气，t＝20℃，ρN＝1kg/m3，FN＝100M3/h，P1＝2×100KPa（绝压），P2＝1.5×100KPa（绝压），△P＝0.5×100KPa，选用单座阀，流开型。第一步：查表得FL＝0.9第二步：∵△P/P1

＝

0.5/2=0.25第三步：采用一般流动公式计算C

＜0.5FL2

＝0.5×0.81＝0.4为一般流动例3

在例2基础上，改P2＝1.1×100KPa（绝压），即△P＝0.9×100KPa

（2）流量系数C的计算举例3∵△P/P1

＝

0.9/2=0.45采用阻塞流动公式

＞0.5FL2＝0.4为阻塞流动

=2.9更精确（2）调节阀C计算举例4已知条件：介质：水Qmax

=8.1m3/h，Qmin

=4.0m3/hP1

=2.335×100KPa，P2

=1.335×100KPaρ=0.9982g/cm3，t

=20℃Pv（阀入口温度下的液体饱和蒸汽压）=0.02×100KPaPc（热力学临界压力）=225.65×100KPaFF（临界压力比）=FL（压力恢复系数）=0.9采用柱塞形阀芯解：1、判断是否阻塞流？△P=P1-P2=2.335-1.335=1×100KPa△P<FL2（P1-FFPv）=0.92(2.335-0.9574*0.02)=1.875×100KPa为非阻塞流2、计算C对C进行圆整，一般为1.15～1.5倍取C=123、调节阀口径计算步骤：1、根据工艺条件，初选阀的形式、流向及流量特性，决定流量系数C的计算方法2、确定与C有关的常数，如阀前后压力及差压、大中小流量、密度、各修正系数（FL,Fg,XT等）3、判别是否为阻塞流？4、选用合适的C值计算公式，计算Cmax值，并圆整。5、由Cmax得到额定C100对应的阀径即为所选阀径。6、校验进行压力及差压、可调比、开度校验。（1）调节阀口径计算步骤①确定最大流量避免过大或过小，一般为正常流量的1.25～2②确定压差Q△pS△pp△pV有多种方法，按阻力比S来确定（1）调节阀口径计算步骤④选取流量系数CV③计算流量系数Cmax

⑤验算调节阀开度计算最大流量时的开度kmax不大于90%计算最小流量时的开度kmin不小于10%,稳定性差的阀20%-30%选择合适的计算公式，根据已决定的流量和压差，求得最大流量时的流量系数Cmax。根据Cmax

，在所选用的产品型式的标准系列中，选取大于Cmax并与其最接近的那一挡CV值。（1）调节阀口径计算步骤不带定位器：直线kmax≤86%，对数kmax≤92%带定位器：直线kmax≤89%，对数kmax≤96%直线特性调节阀的开度等百分比特性的调节阀的开度（1）调节阀口径计算步骤⑥验算调节阀实际可调比须满足⑧确定调节阀口径上述验算合格，根据Cv值决定调节阀的公称直径和阀座直径（1）调节阀口径计算步骤若不合格，需重定口径（及Cv值），或另选其它阀，再验算至合格。⑦压差校核（仅从开度、可调比上验算还不行，这样可能造成阀关不死，启不动