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1、第一章 绪论控制工程设计是为了实现生产过程的白动化，用图纸资料和文字资料的形式表达出来的全部工作。对于自动化专业的本科学生在学习各专业课程后，进行一次控制工程设计的实践是十分必要的。l学习控制工程课程设计的重要性工程设计是工程建设过程中一个很重要的环节，对整个工程项目起着指导作用。作为自动化一类工科专业的学生，从事控制工程设计将是毕业后工作任务中的一项重要内容。因此，在校学习阶段能掌握工程设计的基本程序和方法，并进行一次基本训练的实践是十分必要的。在老师的指导下，通过控制工程设计的训练，学生毕业后走上工作岗位，一旦要做控制工程设计方面的一些工作，可大大缩短熟悉的过程。可以说控制工程设计是自动化
2、专业学生的一项基本功，今后无论从事本学科领域的哪方面工作，都是极为有用的。学习工程设计也是工科专业学生加强工程实际观念、进行专业知识全面综合运行的一个极好的过程。控制工程设计是运用过程控制工程的知识、针对某生产工艺流程，实施控制方案的具体体现。完成控制工程设计，既要掌握控制理论及控制工程的基本理论，又要熟悉自动化技术工具(控制及检测仪表)的使用方法及型号、规格、价格等信息，而且要学习本专业的有关工程实际知识，如工程设计的程序和方法、仪表安装方式及常用设备材料的规格、型号等。在经过一次控制工程设汁的全面训练后将使学生深深体会到各专业课程所学知识的有机结合和综合应用的重要性：2掌握控制工程设计的方
3、法控制工程设计需要大量的专业知识，这些基本上在相关课程的教学中已学习过了。与此同时，尚需了解和掌握工程设计的程序和方法、合关的规程和规定。这些必须通过亲自实践，才能逐步掌握。要独立完成项工程的控制设计，需懂得设计工作的程序。要用图纸、文字资料来表达设计意图，使别人能清楚地看懂自己的设计图纸，并能按图纸进行施工，就要熟悉有关的设计规范。这一过程涉及到查阅各种设计资料的能力培养。由于涉及面广，也难以通过几节课讲述清楚的。所以，整个工程设计的学习，最好的方法是边干边学。在进行控制工程设计的模拟设计时，要大量查阅设计规程和规定，体会并掌握正确的设计表达方法。同时，在广泛了解仪表、设备、材料等的有关信息
4、中，学会收集设计资料的方法和途径。另外，在编制众多的控制设计图纸资料过程中，训练、提高工程设计图纸资料的编制能力。3控制工程设计的发展概况近几十年来，随着自动化技术工具的发展以及新型过程控制系统的出现，设计工作的内容、程序和方法有了较大的变化。尤其当进入20世纪80年代以后，微电子技术推动了计算机的迅猛发展，使得过程控制所采用的仪表、设备等发生了根本性的改变。这些更促使控制工程设计工作进行全曲的调整。在20世纪50、60年代，当时在工业过程中，尤其在石油、化工生产过程中，大量使用气动仪表，以满足防爆的要求。而常用的控制系统仅仅是单回路反馈控制系统(简单调节系统)或少量的串级、均匀和比值控制系统
5、。因此控制工程设计工作相对来说较为简单。随着电动单元组合仪表的出现，一直到DDZ型仪表问世，本质安全防爆的性能，根本上满足了工业过程的防爆要求：于是，在控制工程设计中，电动仪表逐步取代气动仪表。然而，无论是气动仪表或是电动仪表，都属于常规仪表。因此，在控制工程设计，基本的程序和方法内容是相似的。中国在70、80、90年代分别制定了有关控制工程设计的施工图内容深度规定，作为控制专业使用常规仪表进行工程设计的指导性文件。20世纪80年代中期，分散控制系统(Distributed Control System , DCS也称集散控制系统)开始在工业过程中得到了应用。分散控制系统与传统常规仪表的控制有
6、着决然不同的方式与内涵，控制工程设计工作也发生了很大的变化。为适应改革、开放的经济政策，我国的工程设计必须与国际接轨。因此，在进入21世纪前，总结了国内外控制工程设计的经验，开始推行国际通用设计体制和方法，使得控制工程设计工作更为规范有序。4本书的编写宗旨本书的编写首先是为了自动化专业的学生，在校期间能较快地了解控制工程设计的全貌，并在本书的指导下，针对某一工艺流程，进行一次控制工程设计的基本训练。因此，全书除了全面介绍控制工程设计的内容和程序外，还较为详细地讨论了完成设计任务中各项工作，具体的方法及步骤，应遵循的设计规程。第二章 控制工程课程设计第一节 课程设计要求一、课程设计目的过程控制工
7、程课程设计密切结合过程工业实际的实践环节之一，是学习完过程控制工程课程和下厂实习后进行的一次全面的综合练习。其目的在于加深对过程控制工程设计思想的理解，掌握过程控制领域常用和有效的控制方案和控制系统，掌握过程工业典型操作单元的控制方案和系统特点；并接受严格和系统的实验操作训练，从而为以后的毕业环节工作和担负实际工程任务打下良好和坚实的基础。过程控制工程课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在校期间必须接受的一项工程训练。在课程设计过程中，在教师指导下，运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，了解必须提交的
8、各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：(1) 独立工作能力和创造力；(2) 综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；(3) 查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；(4) 工程绘图的能力；(5) 编写技术报告和编制技术资料的能力。二、课程设计任务学习过程控制工程课程和下厂实习4周后，在对现场的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对实习环节的被控对象（控制装置），设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和6-7个简单回路），并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系
9、统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。1. 独立完成设计任务，每个人根据下厂实习环节，确定自己的课程设计题目，每人一组；2. 选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图；3. 绘制控制系统原有的控制回路；4. 利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软件，对控制系统进行组态；5. 改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态；6. 调节控制参数，使性能指标达到要求；7. 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中
10、经验教训，总结收获。三、进度安排 本次课程设计 时间3周(第1、2、3周)1. 第1周 选用一种组态软件绘制系统工艺流程图；绘制控制系统原有的控制回路；2. 第2周 利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软件，对控制系统进行组态；3. 第3周(1-3) 改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态；调节控制参数，使性能指标达到要求；4. 第3周(4) 写设计工作小结5. 第3周(5) 演示、答辩四、课程设计说明书的编写规范写出不少于5000字的课程设计说明书。说明书中除了在封面应有题目、班级、姓名、学号和课程设计日期、地点以外，其正文一般有如下几个方面的内容：1.
11、 学生要认真复习教材，阅读有关规范、设计手册等资料，独立按时完成任务；2. 设计工艺流程和要求的简单说明；3. 装置原有控制回路和重要控制策略介绍；4. 确定控制方案，利用组态软件进行组态仿真设计的过程5. 控制参数调整步骤和方法；6. 仪表的选型，编写有关的仪表信息设计文件。第二节 控制工程设计的方法一、控制工程设计的方法在接到一个工程项目后进行控制工程设计时，按照什么样的方法来完成这些内容呢?1熟悉工艺流程这是控制设计的第一步。控制设计人员对工艺熟悉和了解的深度将是重要的因素。在这阶段还需收集工艺中有关的物性参数和重要数据。2确定控制方案，完成工艺控制流程图(PCD)了解工艺流程，并在和工
12、艺人员充分协商后，定出各检测点、控制系统，确定全工艺流程的控制方案在此基础上可画出工艺控制流程图(PCD)，并配合工艺系统专业完成各版管道仪表流程图(P&ID)。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DCS系统。然后，以确定的控制方案和所有的检测点，技照工艺提供的数据及仪表选型的原则，查问有关部门汇编的产品目录和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、型号。并编制出控制设备表或仪表数据表等有关仪表信息的设计文件。4控制室设计控制方案确定，仪表选型后，根据工艺特点，可进行控制室的设计。对采用常规仪表
13、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。然后均需画出控制宣布置图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。在进行控制室设计中，还应向土建、暖通、电气等专业提出有关设计条件。5节流装置和调节阀的计算控制方案已定，所需的节流装置、调节阀的位置和数且也都已确定，根据工艺数据和有关计算方法进行计算，分别列出仪表数据表中调节阀及节流装置计算数据表与结果，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、供气系统的设计控制系统的实现不仅需要供电，还需要供气(压缩空气作为气动仪表的气源，对于电动仪表及DCS系统，由于目前还大量使用气动调节阀，所以气源也是不可少
14、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、仪表空气管道平面图(或系统图)等设计文件。7依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关设计文件土建、管道等专业的工程设计深入开展后，控制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和绘制相关的图纸如列出电缆表、管缆表、仪表伴热绝热表等，画出仪表位置图、仪表电缆桥架布置总图、仪表电统(管缆)及桥架布置图、现场仪表配线图等。8根据控制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控制专业除了进行仪表设备的选用外
15、，这些仪表设备在安装过程中，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。第三节 管道仪表流程图(P&ID：Process and Instrument Drawing)管道仪表流程图(P&ID)的绘制是控制工程设计的核心内容，虽然在设计新体制中、各版管道仪表流程图(P&ID)并不归在控制专业工程设计的设计文件内，但它仍是整个控制设计的龙头。所
16、以控制设计人员必须认真仔细地配合工艺、系统设计人员完成管道仪表流程图。第一节 控制方案的确定要进行生产过程的控制设计，必须先要了解生产过程的构成及特点。以化工生产过程为例来说明。化工生产过程的构成可由图2-1表示。 图2-1 化工生产过程的构成化工生产过程的主体一般是化学反应过程，化学反应过程中所需的化工原料，首先送入输人设备。然后将原料送入前处理过程，对原料进行分离或精制，使它符合化学反应对原料提出的要求和规格。化学反应后的生成物进入后处理过程，在此将半成品提纯为合格的产品并回收未反应的原料和副产品，然后进人输出设备中贮存。同时为了化学反应及前、后处理过程的需要，还有从外部提供必要的水、电、
17、汽以及冷量等能源的公用工程。有时，还有能量回收和三废处理系统等附加部分。化工生产过程的特点是产品从原料加工到产品完成，流程都较长而复杂，并伴有副反应。工艺内部各变量间关系复杂操作要求高。关键设备停车会影响全厂生产。大多数物料是以液体或气体状态，在密闭的管道、反应器。塔与热交换器等内部进行各种反应、传热、传质等过程。这些过程经常在高温、高压、易燃、易爆、有毒、有腐蚀、有刺激性臭味等条件下进行。控制方案的正确确定应当在与工艺人员共同研究的基础上进行。要把控制设计提到一个较高的水平，控制设计人员必须熟悉工艺，这包括了解生产过程的机理，掌握工艺的操作条件和物料的性质等。然后，应用控制理论与过程控制工程
18、的知识和实际经验，结合工艺情况确定所需的控制点，并决定整个工艺流程的控制方案。控制方案的确定主要包括以下几方面的内容：(1)正确选定所需的检测点及其安装位置；(2)合理设计各控制系统，选择必要的被控变量和恰当的操纵变量；(3)生产安全保护系统的建立。包括声、光信导报警系统、联锁系统及其他保护性系统的设计。在控制方案的确定中还应处理好以下几个关系1可靠性与先进性的关系在控制方案确定时，首先应考虑到它的可靠性，否则设计的控制方案不能被投运、付之实践，将会造成很大的损失。在设计过程中将会有两类情况出现，一类是设计的工艺过程已有相同或类似的装置在生产运转中。此时，设计人员只要深入生产现场进行调查研究，
19、吸收现场成功的经验与原设计中不足的教训，其设计的可靠性是较易保证的。另一类是设计新的生产工艺，则必须熟悉工艺，掌握控制对象，分析扰动因素，并在与工艺人员密切配合下，确定合理的控制方案。可靠性是一个设计成败的关链因素。但是从发展的眼光看，要推动生产过程自动化水平不断提高，使生产过程处在最佳状态下运行，获取最大的经济效益，先进性将是衡量设计水平的另一个重要标准。随着计算机技术成功地应用于生产过程的控制后，除了常规的单回路、串级、比值、均匀、前馈、选择性等控制系统已广泛应用外，一些先进的控制算法。如纯滞后补偿、解耦、推断、预测、自适应、最优等也能借助于计算机的灵活、丰富的功能，较为容易地在过程控制中
20、实现。况且，近年来人们对生产过程的认识逐步深化，人工智能的研究卓有成效，这些都为自动化水平的进一步提高创造了有利条件。所以，在考虑控制方案时，必须处理好可靠性与先进性之间的关系。一般来说，可以采用以下两种方法：一种是留有余地，为下步的提高水平创造好条件。也就是在眼前设计时要为将来的提高工作留出后路，不要造成困难。另一种是做出几种设计方案，可以先投运简单方案，再投运下一步的方案。采用DCS等计算机控制系统后完全可以通过软件来改变方案这为方案的改变提供了有利的条件。2控制与工艺、设备的关系要使控制方案切实可行，控制设计人员熟悉工艺，并与工艺人员密切配合是必不可少的。然而，目前大多数是先定工艺，再确
21、定设备，最后再配控制系统。由工艺方面来决定控制方案，而自动化方面的考虑不能影响到工艺设计的做法是较为普遍的状况。从发展的观点来看，控制人员长期处于被动状态并不是正常的现象。工艺、设备与控制三者的整体化将是现代工程设计的标志。3技术与经济的关系设计工作除了要在技术上可靠、先进外，还必须考虑到经济上的合理性。过程中应在深入实际调查研究的基础上，进行方案的技术、经济性的比较。处理好技术与经济的关系，控制水平的提高将会增加仪表等软、硬件的投资，但可能从改变操作、节省设备投资或提高生产效益、节省能源等方面得到补偿。当然，盲目追求而无实效的做法，并不代表技术的先进，而只能造成经济上的损失。此外，自动化水平
22、的高低也应从工程实际出发，对于不同规模和类型的工程，做出相应的选择，使技术和经济得到辨证的统一。第 四 节 图例符号的统一规定在控制工程设计的图纸上，按设计标准，均有统一规定的图例、符号。在本节把行业标准过程检测和控制系统用文字代号和图形符号中的一些主要内容作简要介绍，这些文字代号和图形符号主要用于工艺控制流程图、管道仪表流程图的应用。一、仪表位号在检测、控制系统中，构成一个回路的一组工业自动化仪表，其中每个仪表(或元件)都用仪表位号来标识。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组成，仪表位号中的第一位字母表示被测量，后继字母表示仪表的功能；回路的编号由工序号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉
23、伯数字表示，如下所示。 仪表位号按被测量变量不同进行分类：即同一个装置(或工序)的同类被测量变量的仪表位号中顺序编号是连接的，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。仪表位号在管道仪表流程图和系统图中的标注方法是：字母代号填写在仪表圆圈的上半圆中；回路编号填写在下半圆中，如图22所示。图中(a)表示安装在集中仪表盘面上的位号为TRC-131的温度记录与控制仪表，(b)表示就地安装的位号为PI-1201的压力指示仪表。在编制仪表位号中，还有一些具体的规定，现摘要介绍如下。(1)多机组的仪表位号一般按顺序编制，而不用同一位号加尾缀的方法。(2)如果同一仪表回路中有两个以上相同功能的仪
24、表，可用仪表位号加尾缀(大写英文字母)的方法加以区别。例如：FT-201A、FT-201B表示同一回路内的两台流量变送器。(3)当属于不同工序的多个检测元件共用一台显示仪表时显示仪表位号在回路编号中不表示工序号，只编制顺序号；在显示仪表回路编号后加阿拉伯数字顺序号尾级的方法表示检测元件的仪表位号。例如：多点温度指示仪的仪表位号为TI-1，相应的检测元件仪表位号为TE-1，TE-2，。(4)当一台仪表由两个或多个回路共用时，各回路的仪表位号都应标注，例如：一台双笔记录仪记录流量和压力时，仪表位号为FR-121PR-131，若用于记录两个回路的压力时，仪表位号应为PR-123PR-124或PR-1
25、23124。(5)仪表位号的第一位字母代号(或者是被测变量和修饰字母的组合)只能按被测变量来选用，而不是按照仪表的结构或被控变量来选用。例如：当被测变量为流量时，差压式记录仪应标注FR，而不是FDR，控制阀应标注FY；当被测变量为压差时，差压式记录仪应标注PDR，控制阀应标注PDV。(6)仪表位号中表示功能的后继字母，是按照读出或输出功能而不是按照被控变量选用，后继字母应按IRCTQSA的顺序标注。(7)仪表位号的功能字母代号最多不要超过四个字母。一台仪表具有指示、记录功能时仪表位号的功能字母只标注字母“R”，而不标注字母“I”。一台仪表具有开关、报警功能时，只标注字母代号“A，而不标注“S”
26、。当字母“SA”出现时，表示这台仪表具有联锁和报警功能。一台仪表具有多功能时，可以用多功能字母代号“U”标注，也可以将仪表的功能字母代号分组进行标注。例如：一个温度控制器带有湿度开关，则可用两个相切的圆圈分别填人TIC-301和TAS-301来表示。二、文字代号表2-1列出了仪表位号中表示被测变量和仪表功能的字母代号，表2-2列出了常用被测变量及仪表功能字母组合的示例。三、图形符号过程检测和控制系统的图形符号，一般来讲包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈三部分组成。(一)测量点测量点(包括检出元件)是由过程设备或管道符号引到仪表圆圆的连接引线的起点，一般无特定的图形符号，如图2-3所示
27、。(二)连接线图形符专仪表圆圈与过程测量点的连接引线，通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。如图2-5所示。当有必要标注能源类别时，可采用相应的缩写字标注在能源线符号之上。例如AS-0.14为0.14MPa的空气源，ES-24DC为24v的直流电源。当通用的仪表信号线为如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(斜短划线与纫实线成450角)。当有必要区分信号线的类别时还可以专门的图形符号来表示，如图2-6所示。在复杂系统中，当有必要表明信息流动的方向时，应在信号线符号上加箭头。图2-7所示为通用信号线上加箭头的情况。连接线的交叉和连接线的相接图形符号有两种方式，在同一个工程中
28、只能任选一种。图28所示为连接线的交叉为断线；连接线相接不打点。而图2-9所示为连接线的交叉不断线：连接线相接则需打点。(三)仪表图形符号1常规仪表图形符号仪表图形符号是直径为12M(或10MM)的细实线圆圈。仪表位号的字母或阿拉伯数字较多，圆圈不能容纳时，可以断开，如图2-10所示。处理两个或多个变量(而不采用多变量字母u标注)，或处理一个变量但有多个功能的复式仪表，可用相切的仪表团圆表示，如图211所示。2分散控制系统仪表图形符号分散控制系统仪表图形符号是直径为12mm(或10mm)的细实线圆圈，外加与圆圈相切的细实线方框，如图2-13所示。作为分散控制系统一个部件的计算机功能图形符号，是
29、对角线长为12mm(或10mm)的细实线六边形，如图2-14所示。(四)表示仪表安装位置的图形符号表2-3所示为仪表安装位置的图形符号。(五)控制闯的图形符号控制阀的图形符号分别如表2-4、表2-5和表2-6所示；第五节 管道仪表流程图的绘制根据工艺专业提出的工艺流程图)，以及有关的工艺参数、条件等情况，确定全工艺过程的控制方案。在工艺流程图上按其流程顺序标注控制点和控制系统，绘制工艺控制流程图。在工艺流程图亡标注控制点和控制系统时，按照各设备上控制点的密度，布局上可作适当调整，以免图面上出现疏密不均的情况。通常，设备进出口控制点尽可能标注在进出口附近。有时为照顾图面的质量，可适当移动某些控制点的位置。控制系统可自由处理。对管网系统的控制点最好都标注在员上面一根管子的上面。