1,第七章 过程控制工程设计,教学重点： 过程控制工程设计的基本任务和基本程序 教学难点： 工程实例分析,2,7.1 过程控制工程设计概述,1. 过程控制工程设计的基本任务,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。,自动检测系统,自动信号联锁保护系统,自动操纵系统,自动调节系统,自动化系统,3,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，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。,4,一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。,2. 过程控制工程设计的基本程序,5,7.2 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。 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。,设计时防止两种不良倾向。 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。,6,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,2. 信号联锁系统的基本组成环节,7,7.3 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。,8,人工,自动控制,第一，观察玻璃管液位计的指示值（测量）,第二，将指示值与给定值比较并算出两者差值,第三，开大或关小阀门,第四，重复上述工作,调节器,变送器,自动调节器,调节阀,9,1. 过程工艺分析 确定关键工艺参数 专业会审,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,10,2. 过程控制分析 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。 常用两种方法： 类比法：是现场已有相同的控制对象，其控制系统是行之有效的。 创新法：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。,11,7.3.2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。 a.硬保护系统：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。 b.软保护系统：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。,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。,12,2. 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。,13,14,7.3.3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。,15,人工,自动控制,调节器,变送器,自动调节器,调节阀,对象,1,1,2,3,4,给定值,偏差,测量值,干扰,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。,单回路控制系统设计应考虑下列原则(2),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。 4. 正解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。,单回路控制系统设计应考虑下列原则(3),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。,单回路控制系统设计应考虑下列原则(3),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。,20,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。,小结,21,7.3.4单回路控制系统设计举例,22,7.4 自动化装置的选型,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。,以下布置学生课外自学，教师可作适当提示。,23,2) 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。,24,2. 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7.17.3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2/31/3。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1/21/3。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。,25,4. 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,26,7.4.2 控制阀的选型,一、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。,27,二、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