第七章過程控制工程設(shè)計(jì)概要.ppt

1、1,第七章過程控制工程設(shè)計(jì),教學(xué)重點(diǎn)： 過程控制工程設(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,2,7.1 過程控制工程設(shè)計(jì)概述,1. 過程控制工程設(shè)計(jì)的基本任務(wù),過程控制工程設(shè)計(jì)是把實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的各種方案，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提供給上級機(jī)關(guān)，對該建設(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)。,自動檢測系統(tǒng),自動信號聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),自動操縱系統(tǒng),自動調(diào)節(jié)系統(tǒng),自動化系統(tǒng),3,過程控制工程設(shè)計(jì)一般應(yīng)包括以下六部分內(nèi)容： 確定自動化水平 確定各種檢測參數(shù) 主要參數(shù)控制方案的設(shè)計(jì) 信號聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 控制室、儀表盤的設(shè)

2、計(jì)， 節(jié)流裝置、調(diào)節(jié)閥的計(jì)算。,4,一般工程建設(shè)項(xiàng)目按兩個階段進(jìn)行設(shè)計(jì) 初步設(shè)計(jì)，確定控制方案，正確選擇儀表和其他自動化技術(shù)工具，進(jìn)行主要材料的選型，確定中央控制室設(shè)置的水平、動力供應(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，必須從施工的角度出發(fā)解決設(shè)計(jì)中的細(xì)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. 過程控制工程設(shè)計(jì)的基本程序,5,7.2 信號聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì),1. 信號聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則,信號聯(lián)鎖系統(tǒng)是為了滿足生產(chǎn)過程對工藝參數(shù)超限報(bào)警或聯(lián)鎖保護(hù)而設(shè)計(jì)的。為了確保生產(chǎn)安全，對

3、重要的工藝參數(shù)選用信號報(bào)警。 當(dāng)發(fā)生事故時，操作人員有可能來不及處理或?qū)ιa(chǎn)過程有嚴(yán)重危險(xiǎn)的場合，可考慮采用自動聯(lián)鎖保護(hù)裝置。,設(shè)計(jì)時防止兩種不良傾向。 一種是到處使用信號聯(lián)鎖系統(tǒng)，這一方面使設(shè)計(jì)投資增加，另一方面會給工藝開車和正常生產(chǎn)帶來不少困難，經(jīng)常出現(xiàn)動輒停車的現(xiàn)象； 另一種是對信號聯(lián)鎖系統(tǒng)不重視，認(rèn)為可有可無，結(jié)果會造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故或人身傷亡事故。,6,信號聯(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： 信號接受環(huán)節(jié)、 光顯示環(huán)節(jié)、

4、 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. 信號聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本組成環(huán)節(jié),7,7.3 過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)，該設(shè)計(jì)的正確與否將直接影響到項(xiàng)目建成后能否投入正常運(yùn)行。因此要求過程控制專業(yè)人員必須根據(jù)生產(chǎn)過程的特點(diǎn)、工藝對象的特性和生產(chǎn)操作的規(guī)律， 正確運(yùn)用過程控制理論、合理選用自動化技術(shù)工具， 才能做出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、符合生產(chǎn)需要的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。,8,1. 過程工藝分析 確定關(guān)鍵工藝參數(shù) 專業(yè)會審,7.3 過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),7.3.1過程控制系統(tǒng)方案的確定,9,2. 過程控制分析 根據(jù)工藝流程制訂各種控制系統(tǒng)方案。控制方

5、案就是用自動化技術(shù)工具代替人工操作的方案，保證整個生產(chǎn)過程在預(yù)先規(guī)定的一定狀況下操作或使整個裝置在操作過程中將一系列參數(shù)保持在界限內(nèi)的一整套辦法。 常用兩種方法： 類比法：是現(xiàn)場已有相同的控制對象，其控制系統(tǒng)是行之有效的。 創(chuàng)新法：是新的生產(chǎn)過程和新的控制對象。必需熟悉工藝，掌握對象特性，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)荷變化和滯后對控制系統(tǒng)的影響，選擇合適的自動化技術(shù)工具，規(guī)定合理的控制方案。,10,7.3.2過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng),1. 確定安全措施 a.硬保護(hù)系統(tǒng)：為了保證安全生產(chǎn)，需設(shè)置必要的自動聯(lián)鎖停機(jī)系統(tǒng)，以保護(hù)局部裝置的安全。但是這種硬保護(hù)系統(tǒng)若設(shè)置得

6、過多，表面上看局部雖然“安全”了，而對整個生產(chǎn)過程來說卻又造成了不安全，有可能出現(xiàn)動輒停車，以致整個裝置無法投入正常運(yùn)行。 b.軟保護(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，疊加到正常的自動控制系統(tǒng)中去。當(dāng)生產(chǎn)操作趨向限值條件時，一個用于不安全情況下的控制系統(tǒng)將自動取代正常情況下工作的控制系統(tǒng)，以達(dá)到既能起自動保護(hù)作用，又不造成停車事故。 2. 控制方案的經(jīng)濟(jì)性比較 衡量一個控制系統(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)、可靠，而且在經(jīng)濟(jì)上是否合理。,11,7.3.3單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,單回路控制系統(tǒng)是指由控制對象、測量變送元件、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥等四部分所組成的單回路反饋

7、控制系統(tǒng)，它是實(shí)現(xiàn)過程控制的最基本的自動化單元。其方塊圖如圖7.6所示,12,人工,自動控制,第一，觀察玻璃管液位計(jì)的指示值（測量）,第二，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)節(jié)器,變送器,自動調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)閥,13,人工,自動控制,調(diào)節(jié)器,變送器,自動調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)閥,對象,1,1,2,3,4,給定值,偏差,測量值,干擾,14,在單回路控制系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)比例、比例積分、比例積分微分三種控制規(guī)律，調(diào)節(jié)閥特性有線性、等百分比、快開和拋物線等型式，對于不同的控制對象，為了達(dá)到控制目的，只要選擇合適的控制規(guī)律、閥門特性、測量變送元件和操作參數(shù)，采用

8、單回路控制系統(tǒng)，其被控變量一般可以得到較好的控制質(zhì)量，因此目前在過程控制設(shè)計(jì)中所占比例很高。,15,1. 合理選擇被控變量 1) 對于定值控制，其被控變量往往可按工藝要求直接選定。 2) 對于產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)，最好直接用質(zhì)量指標(biāo)作為被控變量。 3) 選擇被控變量時，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)以對克服主要干擾最有效為原則，即選擇的操縱變量應(yīng)使對象調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)為最大。 2) 選擇操縱變量應(yīng)使對象干擾通道的時間常數(shù)越大越好，而對象調(diào)節(jié)通道的時間常數(shù)應(yīng)當(dāng)小一些。 3) 要考慮工藝上的合理性，一般避免選用主物料流量為操縱變量。,

9、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮下列原則,16,3. 正確選擇測量元件和確定合適的安裝位置 測量元件的滯后會引起控制系統(tǒng)過渡時間和超調(diào)量的增大，當(dāng)被測參數(shù)變化頻繁時還會引起記錄值的嚴(yán)重失真，容易造成操作人員判斷錯誤而產(chǎn)生事故。一般以選快速測量元件為宜。 控制系統(tǒng)總的純滯后總是降低控制質(zhì)量的，因此在選擇測量元件安裝位置時，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)荷變化對控制質(zhì)量的影響 一般工業(yè)裝置的控制對象，其特性大部分為非線性的，當(dāng)負(fù)荷大幅度、頻繁變化時，會引起對象特性漂移，從而影響控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前應(yīng)用的方法是用選擇調(diào)節(jié)閥的特性來補(bǔ)償由于負(fù)荷變化所引起的對象特性漂移或可采用其它控

10、制規(guī)律,以滿足工業(yè)控制對象的要求。,17,5. 正確選用調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律選擇將直接影響控制質(zhì)量?？刂埔?guī)律的選用可大致歸納如下： 1) 當(dāng)對象調(diào)節(jié)通道和測量元件時間常數(shù)較大，純滯后較小時，應(yīng)用微分作用可以獲得相當(dāng)良好的效果。 2) 當(dāng)對象調(diào)節(jié)通道時間常數(shù)較小，系統(tǒng)負(fù)荷變化較大時，為了消除余差，可選用比例積分作用（如流量控制系統(tǒng)）。 3) 當(dāng)對象調(diào)節(jié)通道時間常數(shù)較小時，采用反微分作用可以收到良好的效果。 4) 對于一個控制系統(tǒng)來說，比例作用是主要的、基本的。為了消除余差，可引入積分作用，但積分作用的引入總是使其他控制質(zhì)量變差。 5) 如果對象調(diào)節(jié)通道純滯后很大，負(fù)荷變化也很大，這

11、時單回路控制系統(tǒng)無法滿足工藝要求，需設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。,18,自動化系統(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)節(jié)器及調(diào)節(jié)規(guī)律的確定、調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定等。,小結(jié),19,7.3.4單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例,20,7.4 自動化裝置的選型,7.4.1 儀表選型 1. 選型原則 1) 根據(jù)工藝對變量的要求 需經(jīng)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；需要經(jīng)常了解其變化趨勢的變量宜選用記錄型儀表；對變化范圍較大且必須操作的變量選手動遙控型儀表；對工藝過程影響較大，需隨時進(jìn)行監(jiān)控的變量選用控制型儀表；對可能影響生產(chǎn)或安全的變量宜選用報(bào)警型儀表。 儀表

12、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)，教師可作適當(dāng)提示。,21,2) 儀表系列的選擇 基地式儀表的功能往往限于單回路控制，適用于中小型生產(chǎn)裝置或大型生產(chǎn)中的一些就地控制場合。 電動單元組合儀表可編程控制器、微型計(jì)算機(jī)控制是以微處理機(jī)為控制核心，具有多功能、自診斷功能的特色。能夠適應(yīng)復(fù)雜控制系統(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)換器及操作臺就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集、實(shí)時決策和實(shí)時控制，具有計(jì)算精度高、存貯信息容量大、邏輯判斷能力強(qiáng)及通用靈活等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種過程控制領(lǐng)域。 3) 根據(jù)自動化水平選用儀表

13、 自動化水平和投資規(guī)模決定著儀表的選型。根據(jù)自動化水平分為就地檢測與控制；機(jī)組集中控制；中央控制室集中控制等類型。,22,2. 溫度測量儀表的選型 工業(yè)溫度檢測主要采用熱電偶和熱電阻。選型可參考表7.17.3及有關(guān)文獻(xiàn)。 3. 壓力測量儀表的選型 根據(jù)使用環(huán)境和測量介質(zhì)的性質(zhì)選擇 根據(jù)顯示方式及其它要求選擇壓力表 3) 精確度等級的選擇 一般選用1.5級或2.5級； 精密測量選O.1、O.5或O.16級。 4) 測量范圍的選擇 測量穩(wěn)定壓力時，正常操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的2/31/3。測量脈動壓力（如泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等出口處壓力）時，正常操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的1/21/3

14、。測量高、中壓力（大于4MPa）時，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 必須根據(jù)介質(zhì)的特性選擇。 6) 安裝附件的選擇 安裝壓力表時，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境條件和介質(zhì)特性選擇安裝附件。,23,4. 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)節(jié)儀表的選型,24,7.4.2 控制閥的選型,一、控制閥結(jié)構(gòu)型式的選擇,控制閥結(jié)構(gòu)型式的選型不當(dāng)就會造成控制閥壽命縮短或經(jīng)常發(fā)生故障。 控制閥結(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（

15、粘度、腐蝕性、毒性、含懸浮物或纖維等）以及控制系統(tǒng)的要求（可調(diào)比、泄漏量和噪聲等）、控制閥管道連結(jié)形式等方面綜合考慮。 一般情況下優(yōu)先選用體積小，流通能力大，技術(shù)先進(jìn)的直通單、雙座控制閥和普通套筒閥，也可以選用低S值節(jié)能閥和精小型控制閥。表7.7中列出了常用閥的特點(diǎn)及適用場合，可供選用時參考。,25,二、控制閥理想流量特性的選擇,控制閥的理想流量特性有直線、等百分比、快開及拋物線等幾種。一般按控制系統(tǒng)特性、干擾源和S（閥阻比）值二方面綜合考慮?？扉_特性的控制閥基本上作為雙位式控制用，拋物線特性控制閥作為三通閥用?？刂崎y理想流量特性選擇原則為： 1) 當(dāng)閥上壓差變化小，給定值變化小，工藝過程主要

16、變量的變化小，S O.75的控制對象時，宜選用直線流量特性。 2) 慢速的生產(chǎn)過程，當(dāng)SO.4時，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，開度變化及閥上壓差變化相對較大的場合，選用等百分比流量特性。 4) 快速的生產(chǎn)過程，當(dāng)系統(tǒng)動態(tài)過程不太了解時，宜選用等百分比流量特性。 5) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可按表7.8選擇流量特性。,26,三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇,執(zhí)行機(jī)構(gòu)在閥全關(guān)時的輸出推力F（或力矩M）應(yīng)滿足以下公式的要求： F1.1（Ft F0）或 Ml.1（Mt M0） （71） 式中 Ft,Mt,一閥不平衡力或力矩； F0,M0閥座壓緊力或力矩。,四、控制閥附件的選擇,控制閥的附件較多

17、，常用的是閥門定位器和繼動器。 閥門定位器通常用于緩慢過程需提高控制閥響應(yīng)速度的場合， 繼動器用于快速過程需要提高控制閥響應(yīng)速度的場合。,27,五、控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇,控制閥氣開、氣關(guān)形式的選擇原則是： 當(dāng)儀表供氣系統(tǒng)發(fā)生故障或控制信號突然中斷時，控制閥的開度應(yīng)處于使生產(chǎn)裝置安全的位置。氣開是指控制信號中斷時控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣關(guān)是指控制信號中斷時控制閥處于開啟狀態(tài)。,28,7.5 微機(jī)控制系統(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

18、操作控制臺的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件必須認(rèn)真做好元件的選定、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)試等每一個環(huán)節(jié)，才能保證硬件的質(zhì)量。 4. 軟件設(shè)計(jì) 微機(jī)控制系統(tǒng)是一個實(shí)時系統(tǒng)，要求軟件具有實(shí)時性、可靠性和靈活性。 5. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào),29,7.6 DCS及FCS,7.6.1基本概念 DCS即集散控制系統(tǒng)又稱分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種控制技術(shù)。它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(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控制系統(tǒng)，又不同于集中式計(jì)算控制系統(tǒng)。它吸收了兩者的優(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年代發(fā)展到今天，已達(dá)到十分成熟的狀況。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)流程大部分已使用了DCS系統(tǒng)，獲得了很大利益。,30,FCS 可根據(jù)國際電工委員會（Interna