過程控制工程設(shè)計(jì)

第七章 過程限制工程設(shè)計(jì)教學(xué)重點(diǎn)：過程限制工程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和基本程序教學(xué)難點(diǎn)：工程實(shí)例分析17.1過程限制工程設(shè)計(jì)概述

1.過程限制工程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)過程限制工程設(shè)計(jì)是把實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的各種方案，用文字資料和圖紙資料表達(dá)出來的全部工作過程。這兩種資料一方面可以供應(yīng)應(yīng)上級(jí)機(jī)關(guān)，對(duì)該建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行審批；另一方面是作為施工建設(shè)單位進(jìn)行施工安裝和生產(chǎn)的依據(jù)。自動(dòng)檢測系統(tǒng)自動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖愛護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)操縱系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)2過程限制工程設(shè)計(jì)一般應(yīng)包括以下六部分內(nèi)容：確定自動(dòng)化水平確定各種檢測參數(shù)主要參數(shù)限制方案的設(shè)計(jì)信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，限制室、儀表盤的設(shè)計(jì)，節(jié)流裝置、調(diào)整閥的計(jì)算。3一般工程建設(shè)項(xiàng)目按兩個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)，確定限制方案，正確選擇儀表和其他自動(dòng)化技術(shù)工具，進(jìn)行主要材料的選型，確定中心限制室設(shè)置的水平、動(dòng)力供應(yīng)、環(huán)境特性，找出存在問題并提出試驗(yàn)項(xiàng)目。施工圖設(shè)計(jì)是進(jìn)行施工用的技術(shù)文件，是在初步設(shè)計(jì)完成以后，經(jīng)過審批，再進(jìn)一步編制的圖紙資料。因此，必需從施工的角度動(dòng)身解決設(shè)計(jì)中的細(xì)微環(huán)節(jié)問題。在施工圖設(shè)計(jì)完成后，不應(yīng)再留下技術(shù)上未解決的問題。2.過程限制工程設(shè)計(jì)的基本程序47.2信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)是為了滿足生產(chǎn)過程對(duì)工藝參數(shù)超限報(bào)警或聯(lián)鎖愛護(hù)而設(shè)計(jì)的。為了確保生產(chǎn)平安，對(duì)重要的工藝參數(shù)選用信號(hào)報(bào)警。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，操作人員有可能來不及處理或?qū)ιa(chǎn)過程有嚴(yán)峻危急的場合，可考慮接受自動(dòng)聯(lián)鎖愛護(hù)裝置。設(shè)計(jì)時(shí)防止兩種不良傾向。一種是到處運(yùn)用信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)，這一方面使設(shè)計(jì)投資增加，另一方面會(huì)給工藝開車和正常生產(chǎn)帶來不少困難，常常出現(xiàn)動(dòng)輒停車的現(xiàn)象；另一種是對(duì)信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)不重視，認(rèn)為可有可無，結(jié)果會(huì)造成嚴(yán)峻的生產(chǎn)事故或人身傷亡事故。5信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)按其構(gòu)成的元件不同，可分成接點(diǎn)式和無接點(diǎn)式兩類（或是混合式）。無接點(diǎn)式或無觸點(diǎn)式可用晶體管或軟、硬件邏輯元組成。以繼電器組成的接點(diǎn)式線路為例介紹它們的基本組成環(huán)節(jié)。其基本組成環(huán)節(jié)大致可分為：信號(hào)接受環(huán)節(jié)、光顯示環(huán)節(jié)、音響環(huán)節(jié)、記憶環(huán)節(jié)、切換環(huán)節(jié)、互鎖環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)等幾種．2.信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié)67.3過程限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該設(shè)計(jì)的正確與否將干脆影響到項(xiàng)目建成后能否投入正常運(yùn)行。因此要求過程限制專業(yè)人員必需依據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)、工藝對(duì)象的特性和生產(chǎn)操作的規(guī)律，正確運(yùn)用過程限制理論、合理選用自動(dòng)化技術(shù)工具，才能做出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、符合生產(chǎn)須要的限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。71.過程工藝分析確定關(guān)鍵工藝參數(shù)專業(yè)會(huì)審7.3過程限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7.3.1過程限制系統(tǒng)方案的確定82.過程限制分析依據(jù)工藝流程制訂各種限制系統(tǒng)方案。限制方案就是用自動(dòng)化技術(shù)工具代替人工操作的方案，保證整個(gè)生產(chǎn)過程在預(yù)先規(guī)定的確定狀況下操作或使整個(gè)裝置在操作過程中將一系列參數(shù)保持在界限內(nèi)的一整套方法。常用兩種方法：類比法：是現(xiàn)場已有相同的限制對(duì)象，其限制系統(tǒng)是行之有效的。創(chuàng)新法：是新的生產(chǎn)過程和新的限制對(duì)象。必需熟悉工藝，駕馭對(duì)象特性，正確地選擇被控變量和操縱變量，分析各種干擾因素，分析負(fù)荷變更和滯后對(duì)限制系統(tǒng)的影響，選擇合適的自動(dòng)化技術(shù)工具，規(guī)定合理的限制方案。97.3.2過程限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的留意事項(xiàng)1.確定平安措施a.硬愛護(hù)系統(tǒng)：為了保證平安生產(chǎn)，需設(shè)置必要的自動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)系統(tǒng)，以愛護(hù)局部裝置的平安。但是這種硬愛護(hù)系統(tǒng)若設(shè)置得過多，表面上看局部雖然“平安”了，而對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程來說卻又造成了擔(dān)憂全，有可能出現(xiàn)動(dòng)輒停車，以致整個(gè)裝置無法投入正常運(yùn)行。b.軟愛護(hù)系統(tǒng)：由工藝生產(chǎn)過程中的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系，疊加到正常的自動(dòng)限制系統(tǒng)中去。當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限值條件時(shí)，一個(gè)用于擔(dān)憂全狀況下的限制系統(tǒng)將自動(dòng)取代正常狀況下工作的限制系統(tǒng)，以達(dá)到既能起自動(dòng)愛護(hù)作用，又不造成停車事故。2.限制方案的經(jīng)濟(jì)性比較衡量一個(gè)限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案好壞的標(biāo)準(zhǔn)是要看該方案在技術(shù)上是否先進(jìn)、牢靠，而且在經(jīng)濟(jì)上是否合理。107.3.3單回路限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則單回路限制系統(tǒng)是指由限制對(duì)象、測量變送元件、調(diào)整器和調(diào)整閥等四部分所組成的單回路反饋限制系統(tǒng)，它是實(shí)現(xiàn)過程限制的最基本的自動(dòng)化單元。其方塊圖如圖7.6所示11人工自動(dòng)限制第一，視察玻璃管液位計(jì)的指示值（測量）其次，將指示值與給定值比較并算出兩者差值第三，開大或關(guān)小閥門第四，重復(fù)上述工作調(diào)整器變送器自動(dòng)調(diào)整器調(diào)整閥12人工自動(dòng)限制調(diào)整器變送器自動(dòng)調(diào)整器調(diào)整閥對(duì)象11234給定值偏差測量值干擾13在單回路限制系統(tǒng)中，由于調(diào)整器可以實(shí)現(xiàn)比例、比例積分、比例積分微分三種限制規(guī)律，調(diào)整閥特性有線性、等百分比、快開和拋物線等型式，對(duì)于不同的限制對(duì)象，為了達(dá)到限制目的，只要選擇合適的限制規(guī)律、閥門特性、測量變送元件和操作參數(shù)，接受單回路限制系統(tǒng)，其被控變量一般可以得到較好的限制質(zhì)量，因此目前在過程限制設(shè)計(jì)中所占比例很高。141.合理選擇被控變量1)對(duì)于定值限制，其被控變量往往可按工藝要求干脆選定。2)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量限制系統(tǒng)，最好干脆用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量。3)選擇被控變量時(shí)，還應(yīng)考慮到工藝過程的合理性和國內(nèi)儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀。2.合理選擇操縱變量1)選擇的操縱變量應(yīng)以對(duì)克服主要干擾最有效為原則，即選擇的操縱變量應(yīng)使對(duì)象調(diào)整通道的放大倍數(shù)為最大。2)選擇操縱變量應(yīng)使對(duì)象干擾通道的時(shí)間常數(shù)越大越好，而對(duì)象調(diào)整通道的時(shí)間常數(shù)應(yīng)當(dāng)小一些。3)要考慮工藝上的合理性，一般避開選用主物料流量為操縱變量。單回路限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮下列原則153.正確選擇測量元件和確定合適的安裝位置測量元件的滯后會(huì)引起限制系統(tǒng)過渡時(shí)間和超調(diào)量的增大，當(dāng)被測參數(shù)變更頻繁時(shí)還會(huì)引起記錄值的嚴(yán)峻失真，簡潔造成操作人員推斷錯(cuò)誤而產(chǎn)生事故。一般以選快速測量元件為宜。限制系統(tǒng)總的純滯后總是降低限制質(zhì)量的，因此在選擇測量元件安裝位置時(shí)，應(yīng)將測量元件安裝在具有代表性的點(diǎn)上。4.正解預(yù)估負(fù)荷變更對(duì)限制質(zhì)量的影響一般工業(yè)裝置的限制對(duì)象，其特性大部分為非線性的，當(dāng)負(fù)荷大幅度、頻繁變更時(shí)，會(huì)引起對(duì)象特性漂移，從而影響限制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前應(yīng)用的方法是用選擇調(diào)整閥的特性來補(bǔ)償由于負(fù)荷變更所引起的對(duì)象特性漂移或可接受其它限制規(guī)律,以滿足工業(yè)限制對(duì)象的要求。165.正確選用調(diào)整器的限制規(guī)律調(diào)整器的限制規(guī)律選擇將干脆影響限制質(zhì)量。限制規(guī)律的選用可大致歸納如下：1)當(dāng)對(duì)象調(diào)整通道和測量元件時(shí)間常數(shù)較大，純滯后較小時(shí)，應(yīng)用微分作用可以獲得相當(dāng)良好的效果。2)當(dāng)對(duì)象調(diào)整通道時(shí)間常數(shù)較小，系統(tǒng)負(fù)荷變更較大時(shí)，為了消退余差，可選用比例積分作用（如流量限制系統(tǒng)）。3)當(dāng)對(duì)象調(diào)整通道時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，接受反微分作用可以收到良好的效果。4)對(duì)于一個(gè)限制系統(tǒng)來說，比例作用是主要的、基本的。為了消退余差，可引入積分作用，但積分作用的引入總是使其他限制質(zhì)量變差。5)假如對(duì)象調(diào)整通道純滯后很大，負(fù)荷變更也很大，這時(shí)單回路限制系統(tǒng)無法滿足工藝要求，需設(shè)計(jì)更困難的限制系統(tǒng)。17自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容可歸納為：被調(diào)參數(shù)的確定、操縱變量的選定、測量元件選擇、調(diào)整器及調(diào)整規(guī)律的確定、調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定等。小結(jié)187.3.4單回路限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例19

7.4自動(dòng)扮裝置的選型7.4.1儀表選型1.選型原則1)依據(jù)工藝對(duì)變量的要求需常常監(jiān)視的變量選用指示型儀表；要求計(jì)量或經(jīng)濟(jì)核算的選累計(jì)功能儀表；須要常常了解其變更趨勢的變量宜選用記錄型儀表；對(duì)變更范圍較大且必需操作的變量選手動(dòng)遙控型儀表；對(duì)工藝過程影響較大，需隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控的變量選用限制型儀表；對(duì)可能影響生產(chǎn)或平安的變量宜選用報(bào)警型儀表。儀表的精確度應(yīng)按工藝過程的要求和變量的重要程度合理選擇。以下布置學(xué)生課外自學(xué)，老師可作適當(dāng)提示。20

2)儀表系列的選擇基地式儀表的功能往往限于單回路限制，適用于中小型生產(chǎn)裝置或大型生產(chǎn)中的一些就地限制場合。電動(dòng)單元組合儀表可編程限制器、微型計(jì)算機(jī)限制是以微處理機(jī)為限制核心，具有多功能、自診斷功能的特色。能夠適應(yīng)困難限制系統(tǒng)，尤其是同一系統(tǒng)要求功能較多的場合。計(jì)算機(jī)配上D/A、A/D轉(zhuǎn)換器及操作臺(tái)就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)。它可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)決策和實(shí)時(shí)限制，具有計(jì)算精度高、存貯信息容量大、邏輯推斷實(shí)力強(qiáng)及通用敏捷等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種過程限制領(lǐng)域。3)依據(jù)自動(dòng)化水平選用儀表自動(dòng)化水平和投資規(guī)模確定著儀表的選型。依據(jù)自動(dòng)化水平分為就地檢測與限制；機(jī)組集中限制；中心限制室集中限制等類型。212.溫度測量儀表的選型工業(yè)溫度檢測主要接受熱電偶和熱電阻。選型可參考表7.1～7.3及有關(guān)文獻(xiàn)。3.壓力測量儀表的選型依據(jù)運(yùn)用環(huán)境和測量介質(zhì)的性質(zhì)選擇依據(jù)顯示方式及其它要求選擇壓力表3)精確度等級(jí)的選擇一般選用1.5級(jí)或2.5級(jí)；精密測量選O.1、O.5或O.16級(jí)。4)測量范圍的選擇測量穩(wěn)定壓力時(shí)，正常操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的2/3～1/3。測量脈動(dòng)壓力（如泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等出口處壓力）時(shí)，正常操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的1/2～1/3。測量高、中壓力（大于4MPa）時(shí)，正常操作壓力值不應(yīng)超過儀表測量范圍上限值的1/2。5)壓力變送器、傳感器的選擇必需依據(jù)介質(zhì)的特性選擇。6)安裝附件的選擇安裝壓力表時(shí)，應(yīng)依據(jù)運(yùn)用環(huán)境條件和介質(zhì)特性選擇安裝附件。224.流量測量儀表的選型參考有關(guān)文獻(xiàn)[3]。5.物位測量儀表的選型參考表7.4及有關(guān)文獻(xiàn)6.過程分析儀表的選型參考表7.5及文獻(xiàn)[1]7.顯示調(diào)整儀表的選型

237.4.2限制閥的選型一、限制閥結(jié)構(gòu)型式的選擇限制閥結(jié)構(gòu)型式的選型不當(dāng)就會(huì)造成限制閥壽命縮短或常常發(fā)生故障。限制閥結(jié)構(gòu)型式的選擇主要依據(jù)工藝變量（溫度、壓力、壓降和流速等）、流體特性（粘度、腐蝕性、毒性、含懸浮物或纖維等）以及限制系統(tǒng)的要求（可調(diào)比、泄漏量和噪聲等）、限制閥管道連結(jié)形式等方面綜合考慮。一般狀況下優(yōu)先選用體積小，流通實(shí)力大，技術(shù)先進(jìn)的直通單、雙座限制閥和一般套筒閥，也可以選用低S值節(jié)能閥和精小型限制閥。表7.7中列出了常用閥的特點(diǎn)及適用場合，可供選用時(shí)參考。24二、限制閥志向流量特性的選擇限制閥的志向流量特性有直線、等百分比、快開及拋物線等幾種。一般按限制系統(tǒng)特性、干擾源和S（閥阻比）值二方面綜合考慮。快開特性的限制閥基本上作為雙位式限制用，拋物線特性限制閥作為三通閥用。限制閥志向流量特性選擇原則為：1)當(dāng)閥上壓差變更小，給定值變更小，工藝過程主要變量的變更小，S＞O.75的限制對(duì)象時(shí)，宜選用直線流量特性。2)慢速的生產(chǎn)過程，當(dāng)S＞O.4時(shí)，宜選用直線流量特性。3)可調(diào)范圍要求大，管道系統(tǒng)壓力損失大，開度變更及閥上壓差變更相對(duì)較大的場合，選用等百分比流量特性。4)快速的生產(chǎn)過程，當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程不太了解時(shí)，宜選用等百分比流量特性。5)依據(jù)閱歷可按表7.8選擇流量特性。25三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)在閥全關(guān)時(shí)的輸出推力F（或力矩M）應(yīng)滿足以下公式的要求：F≥1.1（Ft＋F0）或M≥l.1（Mt＋M0）（7—1）式中Ft,Mt,—一閥不平衡力或力矩；F0,M0——閥座壓緊力或力矩。四、限制閥附件的選擇限制閥的附件較多，常用的是閥門定位器和繼動(dòng)器。閥門定位器通常用于緩慢過程需提高限制閥響應(yīng)速度的場合，繼動(dòng)器用于快速過程須要提高限制閥響應(yīng)速度的場合。26五、限制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇限制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇原則是：當(dāng)儀表供氣系統(tǒng)發(fā)生故障或限制信號(hào)突然中斷時(shí)，限制閥的開度應(yīng)處于使生產(chǎn)裝置平安的位置。氣開是指限制信號(hào)中斷時(shí)限制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣關(guān)是指限制信號(hào)中斷時(shí)限制閥處于開啟狀態(tài)。

277.5微機(jī)限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟框1.系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)圖2.總體方案設(shè)計(jì)1)完善的中斷系統(tǒng)2)足夠的存貯容量3)完備的輸入輸出通道3.硬件設(shè)計(jì)主要包括輸入、輸出接口電路設(shè)計(jì)，輸入、輸出通道設(shè)計(jì)和操作限制臺(tái)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件必需細(xì)致做好元件的選定、篩選、印刷電路板制作、單元電路設(shè)計(jì)和試驗(yàn)以及每一塊單板的焊接調(diào)試等每一個(gè)環(huán)節(jié)，才能保證硬件的質(zhì)量。4.軟件設(shè)計(jì)微機(jī)限制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求軟件具有實(shí)時(shí)性、牢靠性和敏捷性。5.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)287.6DCS及FCS7.6.1基本概念DCS即集散限制系統(tǒng)又稱分布式計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散限制的一種限制技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測量限制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展、滲透而產(chǎn)生的，既不同于分散的儀表限制系統(tǒng)，又不同于集中式計(jì)算限制系統(tǒng)。它吸取了兩者的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的系統(tǒng)工程技術(shù)，具有很強(qiáng)的生命力和顯著的優(yōu)點(diǎn)。自70年頭發(fā)展到今日，已達(dá)到特別成熟的狀況。世界上，幾十家公司生產(chǎn)DCS，產(chǎn)品品種已有50多種。大型工藝生產(chǎn)流程大部分已運(yùn)用了DCS系統(tǒng)，獲得了很大利益。

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