过程工业成套装备-过程控制工程设计

第7章过程控制工程设计

7.1过程控制工程设计概述

1.过程控制工程设计的基本任务

2.过程控制工程设计的基本程序7.2信号联锁系统的设计

1.信号联锁系统设计的原则

2.信号联锁系统的基本组成环节7.3过程控制系统的设计

7.3.1过程控制系统方案的确定

7.3.2过程控制系统设计中的注意事项

7.3.3单回路控制系统的设计原则

7.3.4单回路控制系统设计举例7.4自动化装置的选型

7.4.1仪表选型

7.4.2控制阀的选型7.5微机控制系统设计步骤

1.系统分析设计图

2.总体方案设计

3.硬件设计

4.软件设计

5.系统联调7.6DCS及FCS[11，12]7.6.1基本概念

7.6.2用FieldPoint组成的FCS系统

7.6.3工业自动化组态软件Lookout7.1过程控制工程设计概述

1.过程控制工程设计的基本任务过程控制工程设计是把实现生产过程自动化的各种方案，用文字资料和图纸资料表达出来的全部工作过程。这两种资料一方面可以提供给上级机关，对该建设项目进行审批；另一方面是作为施工建设单位进行施工安装和生产的依据。

过程控制工程设计一般应包括以下六部分内容：确定自动化水平，确定各种检测参数，主要参数控制方案的设计，信号联锁系统的设计，控制室、仪表盘的设计，节流装置、调节阀的计算。在进行设计时，

首先要认真领会设计任务书的要求，严格贯彻一系列技术条例和规定。

必须加强经济观念，对自动化仪表（包括计算机）的投资进行经济核算，认真进行技术经济分析，比较各种方案的经济效果。

2.过程控制工程设计的基本程序

一般工程建设项目按两个阶段进行设计初步设计，确定控制方案，正确选择仪表和其他自动化技术工具，进行主要材料的选型，确定中央控制室设置的水平、动力供应、环境特性，找出存在问题并提出试验项目。施工图设计是进行施工用的技术文件，是在初步设计完成以后，经过审批，再进一步编制的图纸资料。因此，必须从施工的角度出发解决设计中的细节问题。在施工图设计完成后，不应再留下技术上未解决的问题。7.2信号联锁系统的设计1.信号联锁系统设计的原则

信号联锁系统是为了满足生产过程对工艺参数超限报警或联锁保护而设计的。为了确保生产安全，对重要的工艺参数选用信号报警，报警接点可利用仪表的内部接点。

当发生事故时，操作人员有可能来不及处理或对生产过程有严重危险的场合，可考虑采用自动联锁保护装置。在重要的场合，联锁接点可与信号接点分开而独立设置。在信号联锁系统设计时，要防止两种不良倾向。一种是到处使用信号联锁系统，这一方面使设计投资增加，另一方面会给工艺开车和正常生产带来不少困难，经常出现动辄停车的现象；另一种是对信号联锁系统不重视，认为可有可无，结果会造成严重的生产事故或人身伤亡事故。2.信号联锁系统的基本组成环节信号联锁系统按其构成的元件不同，可分成接点式和无接点式两类（或是混合式）。无接点式或无触点式可用晶体管或软、硬件逻辑元组成。

以继电器组成的接点式线路为例介绍它们的基本组成环节。其基本组成环节大致可分为：信号接受环节、光显示环节、音响环节、记忆环节、切换环节、互锁环节、执行环节等几种．(见图、切换)7.3过程控制系统的设计

过程控制系统的设计是工程设计的一个重要环节，该设计的正确与否将直接影响到项目建成后能否投入正常运行。因此要求过程控制专业人员必须根据生产过程的特点、工艺对象的特性和生产操作的规律，

正确运用过程控制理论、合理选用自动化技术工具，才能做出

技术先进、经济合理、符合生产需要的控制系统的设计。7.3过程控制系统的设计

7.3.1过程控制系统方案的确定

1.过程工艺分析

控制系统的设计与工艺流程设计，工艺设备设计以及机泵设备选型等都有密切的关系。过程控制设计人员必须学习了解国内外有关的生产工艺和技术资料，熟悉生产工艺流程、操作条件、设备性能、产品质量指标、操作岗位分布、定员和投资等，并与工艺人员一起研究各操作单元的特点、它们之间的相互联系和影响以及整个生产装置工艺流程的特性，以便确定保证产品质量和生产安全的关键参数。控制和工艺设计人员应密切配合，使设计做到能提高产量，保证质量，节省投资，降低消耗指标。1.过程工艺分析2.过程控制分析

经过工艺分析后，就可根据工艺流程制订各种控制系统方案。控制方案就是用自动化技术工具代替人工操作的方案，保证整个生产过程在预先规定的一定状况下操作或使整个装置在操作过程中将一系列参数保持在界限内的一整套办法。在确定控制系统方案时，有两种情况；

一种是现场已有相同的控制对象，其控制系统是行之有效的。另一种是新的生产过程和新的控制对象。必需熟悉工艺，掌握对象特性，正确地选择被控变量和操纵变量，分析各种干扰因素，分析负荷变化和滞后对控制系统的影响，选择合适的自动化技术工具，规定合理的控制方案。装置日趋大型化、复杂化。在确定控制方案时，必须对过程对象的静态和动态特性作分析研究。7.3.2过程控制系统设计中的注意事项

1.确定安全措施各种生产过程在正常操作遭到破坏时，轻则会使产品质量不合格，重则会造成设备损坏，甚至引起火灾、爆炸或人身事故。尤其对于一些在高温、高压下操作，原料、中间体、产品有毒、易燃、易爆的生产过程，在控制系统设计中，对于安全措施应给予充分的重视。为了保证安全生产，需设置必要的自动联锁停机系统，以保护局部装置的安全。但是对于这类系统的设计要作慎重考虑，因为这种硬保护系统若设置得过多，表面上看局部虽然“安全”了，而对整个生产过程来说却又造成了不安全，有可能出现动辄停车，以致整个装置无法投入正常运行。

在短期内生产不太正常的情况，可设计选择性控制系统即软保护系统。这种控制系统是把由工艺生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统中去。当生产操作趋向限值条件时，一个用于不安全情况下的控制系统将自动取代正常情况下工作的控制系统，以达到既能起自动保护作用，又不造成停车事故。2.控制方案的经济性比较衡量一个控制系统设计方案好坏的标准是要看该方案在技术上是否先进、可靠，而且在经济上是否合理。7.3.3单回路控制系统的设计原则

单回路控制系统是指由控制对象、测量变送元件、调节器和调节阀等四部分所组成的单回路反馈控制系统，它是实现过程控制的最基本的自动化单元。其方块图如图.7.6所示。在单回路控制系统中，由于调节器可以实现比例、比例积分、比例积分微分三种控制规律，调节阀特性有线性、等百分比、快开和抛物线等型式，对于不同的控制对象，为了达到控制目的，只要选择合适的控制规律、阀门特性、测量变送元件和操作参数，采用单回路控制系统，其被控变量一般可以得到较好的控制质量，因此目前在过程控制设计中所占比例很高。单回路控制系统设计应考虑下列原则(1)1.合理选择被控变量

1)对于定值控制，其被控变量往往可按工艺要求直接选定。

2)对于产品质量控制系统，最好直接用质量指标作为被控变量。

3)选择被控变量时，还应考虑到工艺过程的合理性和国内仪表生产的现状。2.合理选择操纵变量

1)选择的操纵变量应以对克服主要干扰最有效为原则，即选择的操纵变量应使对象调节通道的放大倍数为最大。

2)选择操纵变量应使对象干扰通道的时间常数越大越好，而对象调节通道的时间常数应当小一些。

3)要考虑工艺上的合理性，一般避免选用主物料流量为操纵变量。3.正确选择测量元件和确定合适的安装位置

测量元件的滞后会引起控制系统过渡时间和超调量的增大，当被测参数变化频繁时还会引起记录值的严重失真，容易造成操作人员判断错误而产生事故。一般以选快速测量元件为宜，测量元件时间常数为对象调节通道时间常数的1/10则更好。控制系统总的纯滞后总是降低控制质量的，因此在选择测量元件安装位置时，应将测量元件安装在具有代表性的点上，尽量减少纯滞后。

单回路控制系统设计应考虑下列原则(2)4.正确预估负荷变化对控制质量的影响一般工业装置的控制对象，其特性大部分为非线性的，当负荷大幅度、频繁变化时，会引起对象特性漂移，从而影响控制系统的正常运行。目前应用的方法是用选择调节阀的特性来补偿由于负荷变化所引起的对象特性漂移或可采用其它控制规律,以满足工业控制对象的要求。5.正确选用调节器的控制规律调节器的控制规律选择将直接影响控制质量。控制规律的选用可大致归纳如下：

1)

当对象调节通道和测量元件时间常数较大，纯滞后较小时，应用微分作用可以获得相当良好的效果。

2)

当对象调节通道时间常数较小，系统负荷变化较大时，为了消除余差，可选用比例积分作用（如流量控制系统）。

3)

当对象调节通道时间常数较小时，采用反微分作用可以收到良好的效果。

4)

对于一个控制系统来说，比例作用是主要的、基本的。为了消除余差，可引入积分作用，但积分作用的引入总是使其他控制质量变差。

5)

如果对象调节通道纯滞后很大，负荷变化也很大，这时单回路控制系统无法满足工艺要求，需设计更复杂的控制系统。

按以上所述,自动化系统设计内容可归纳为：被调参数的确定、

操纵变量的选定、测量元件选择、

调节器及调节规律的确定、

调节系统结构的确定等。7.3.4单回路控制系统设计举例图7.7是一套乳化物干燥过程的示意图，由于乳化物是一种胶体物质，在剧烈搅拌下容易固化，所以不采用泵输送物料，而采用高位槽。两个过滤器是轮流使用以保证连续生产。干燥后产品质量要求高，含水分不能波动很大，因此对于干燥温度YO要求严格控制。这套装置中，影响干燥温度的因素有乳化物流入量fG，蒸汽压力fP和鼓风机风量fQ

。)系统中可选作调节参数的有：乳化物流入量；旁路空气量（改变旁路空气量可改变热风温度）；加热蒸汽量（也等于改变热风温度）。选其中任何一个调节参数都能够构成温度调节系统，达到控制干燥温度的目的。在图7.7中，用调节阀位置代表3种调节方案。(插入控制图控制系统的确定应该考虑多方面的问题

首先考虑工艺上的合理性。在上面所举的例子中，如果从控制系统的角度来看，无疑是方案1最佳。但是，由于此方案中，以改变生产负荷的手段来达到控制变量温度不变的目的。这种操作方式工艺上是不会允许的，为此，此方案不可采用。其次应考虑可能性。在上面的例子中虽然并不出现这类问题。但是，在实际工业控制系统中常常会出现这类情况。此类问题是在确定控制系统时，应该考虑是否可以检测到所需要的信号？是否可以对系统进行控制？此部分问题首先应该考虑需要检测的信号是否能测量？有时即使可以测量，但因测量的时间过长，同样可以认为无法测量到所需要的信号。另外，还应考虑该系统是否可以控制？如果所设计的系统其它都符合要求，但是，无法解决控制手段；即无法配置调节机构（执行机构），此系统仍然不可采纳。考虑了以上两点后，尚需进一步考虑本节前面已经说过的有关控制系统中关键问题：被控变量的选择，操纵变量的选择，测量元件的选择和安装位置的确定，负荷变化对控制质量影响的预估，调节器控制规律的选用等问题。以上对3种可能出现的调节通路进行比较的分析方法称为扰动分析方法。所谓扰动分析方法，可以理解为，首先确定几种控制方案。然后做出所选控制系统的方框图，或从系统执行机构端开始，顺着控制路线找出实现控制作用的路线，在这个基础上可以定性的确定每个通道的执行时间和作用的强度（通道的放大倍数）大小。选择放大倍数大及时间常数小的系统，作为控制系统的理想方案。最后，再从工艺、仪表等各方面考察合理性确定控制系统。7.4自动化装置的选型(1)

7.4.1仪表选型

1.选型原则

1)

根据工艺对变量的要求

需经常监视的变量选用指示型仪表；要求计量或经济核算的选累计功能仪表；需要经常了解其变化趋势的变量宜选用记录型仪表；对变化范围较大且必须操作的变量选手动遥控型仪表；对工艺过程影响较大，需随时进行监控的变量选用控制型仪表；对可能影响生产或安全的变量宜选用报警型仪表。

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.O级，就地安装的仪表精确度可略低些。构成控制回路的各种仪表的精确度要相配。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、生产事故时变量变动的范围。

2)仪表系列的选择

基地式仪表的功能往往限于单回路控制，适用于中小型生产装置或大型生产中的一些就地控制场合。电动单元组合仪表可编程控制器、微型计算机控制是以微处理机为控制核心，具有多功能、自诊断功能的特色。能够适应复杂控制系统，尤其是同一系统要求功能较多的场合。计算机配上D/A、A/D转换器及操作台就构成了计算机控制系统。它可以实现实时数据采集、实时决策和实时控制，具有计算精度高、存贮信息容量大、逻辑判断能力强及通用灵活等特点，广泛地应用于各种过程控制领域。

3)根据自动化水平选用仪表自动化水平和投资规模决定着仪表的选型。根据自动化水平分为就地检测与控制；机组集中控制；中央控制室集中控制等类型。7.4自动化装置的选型(2)2.温度测量仪表的选型

工业温度检测主要采用热电偶和热电阻。选型可参考表7.1～7.3及有关文献。3.压力测量仪表的选型根据使用环境和测量介质的性质选择根据显示方式及其它要求选择压力表

3)精确度等级的选择

一般选用1.5级或2.5级；精密测量选O.1、O.5或O.16级。4)测量范围的选择测量稳定压力时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的2/3～1/3。测量脉动压力（如泵、压缩机、风机等出口处压力）时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的1/2～1/3。测量高、中压力（大于4MPa）时，正常操作压力值不应超过仪表测量范围上限值的1/2。5)压力变送器、传感器的选择必须根据介质的特性选择。6)安装附件的选择安装压力表时，应根据使用环境条件和介质特性选择安装附件。7.4自动化装置的选型(3)

4.流量测量仪表的选型参考有关文献[3]

。

5.物位测量仪表的选型参考表7.4及有关文献

6.过程分析仪表的选型参考表7.5及文献[1]

7.显示调节仪表的选型

1)显示仪表的选型

2)调节仪表的选型调节仪表一般可选用电动单元组合式仪表、组装式仪表，基地式仪表等模拟式仪表，但也根据实际情况，选用带微处理器的智能型仪表或一般的数字显示式调节仪表，对于大、中型企业和有条件的小型工厂可采用集散控制系统（DCS）和可编程序控制(PLC)。

当生产过程不易稳定或经常开停车时。对于模拟仪表宜选用全刻度指示调节器。对于数字式仪表宜用带有光带指示的调节器。调节器调节规律的确定应考虑对象，检测元件、变送器、调节仪表、执行器等系统中各环节的特性、干扰形式及系统要求的调节品质等因素。在简单调节系统中调节器调节规律的选用，一般可参照表7.6进行选择。7.4.2控制阀的选型

(1)1.控制阀结构型式的选择

控制阀结构型式的选型不当就会造成控制阀寿命缩短或经常发生故障。

控制阀结构型式的选择主要依据工艺变量（温度、压力、压降和流速等）、流体特性（粘度、腐蚀性、毒性、含悬浮物或纤维等）以及控制系统的要求（可调比、泄漏量和噪声等）、控制阀管道连结形式等方面综合考虑。

一般情况下优先选用体积小，流通能力大，技术先进的直通单、双座控制阀和普通套筒阀，也可以选用低S值节能阀和精小型控制阀。表7.7中列出了常用阀的特点及适用场合，可供选用时参考。2.控制阀理想流量特性的选择

控制阀的理想流量特性有直线、等百分比、快开及抛物线等几种。一般按控制系统特性、干扰源和S（阀阻比）值二方面综合考虑。快开特性的控制阀基本上作为双位式控制用，抛物线特性控制阀作为三通阀用。控制阀理想流量特性选择原则为：

1)当阀上压差变化小，给定值变化小，工艺过程主要变量的变化小，S

＞O.75的控制对象时，宜选用直线流量特性。

2)慢速的生产过程，当S＞O.4时，宜选用直线流量特性。

3)可调范围要求大，管道系统压力损失大，开度变化及阀上压差变化相对较大的场合，选用等百分比流量特性。

4)快速的生产过程，当系统动态过程不太了解时，宜选用等百分比流量特性。

5)根据经验可按表7.8选择流量特性。

7.4.2控制阀的选型

(2)3.执行机构的选择

执行机构在阀全关时的输出推力F（或力矩M）应满足以下公式的要求：

F≥1.1（Ft＋F0）或

M≥l.1（Mt＋M0）（7—1）式中Ft,Mt,—一阀不平衡力或力矩；F0,M0——阀座压紧力或力矩。4.控制阀附件的选择控制阀的附件较多，常用的是阀门定位器和继动器。

阀门定位器通常用于缓慢过程需提高控制阀响应速度的场合，

继动器用于快速过程需要提高控制阀响应速度的场合，5.控制阀气开、气关形式的选择

控制阀气开、气关形式的选择原则是：当仪表供气系统发生故障或控制信号突然中断时，控制阀的开度应处于使生产装置安全的位置。气开是指控制信号中断时控制阀处于关闭状态，气关是指控制信号中断时控制阀处于开启状态。

7.5微机控制系统设计步骤框(图7.12表示)

1.系统分析设计图

2.总体方案设计

1)完善的中断系统

2)足够的存贮容量

3)完备的输入输出通道

3.硬件设计主要包括输入、输出接口电路设计，输入、输出通道设计和操作控制台的设计。系统硬件必须认真做好元件的选定、筛选、印刷电路板制作、单元电路设计和试验以及每一块单板的焊接调试等每一个环节，才能保证硬件的质量。

4.软件设计

微机控制系统是一个实时系统，要求软件具有实时性、可靠性和灵活性。

5.系统联调7.6DCS及FCS

7.6.1基本概念

DCS即集散控制系统又称分布式计算机控制系统，其实质是利用计算技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算控制系统。它吸收了两者的优点发展起来的系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优点。自70年代发展到今天，已达到十分成熟的状况。世界