第十章过程控制工程设计基础

第十章自动化工程设计基础自动化工程设计是为了实现生产过程的自动化，按照国家标准和行业标准，采用图纸资料和文字资料，将自动化技术方案按工程方式表达出来的全过程。第一节工程设计的基本概念1．项目（Project）项目是若干工程的集合。例如30万吨乙烯项目；天然气进京项目；城市污水处理项目等。每个项目中可有若干个工程。例如天然气进京项目中包括土建工程；管道铺设工程；数据采集与监控工程等。自动化工程是这些工程中的一项。上述概念可用图10．1-1表示：2．工程设计是技术方案的工程表达。根据目的不同、表述对象的不同，对技术方案可有各种各样的表述。例如科学概念的表述、实施过程的表述、动态投资表述等等。工程表述是从技术实施方面对一个工程的表述。该表述要经过一系列的计算、选择、计算工作，最后以设计文件方式将工程的全部实施内容表达出来。工程设计是工程实施过程的一个阶段。工程实施包括可行性研究、项目报批、工程设计、工程实施、阶段验收、开车、试生产、总体验收投产等阶段。该过程可用图10．1-2表示：图10．1-2项目实施过程示意图3．工程设计必须按专业标准规定进行。不同的行业有不同的行业标准。例如石油行业标准、机械工业标准、化工行业标准、冶金行业标准等。根据采用化工行业标准不同，设计阶段可分为初步设计、施工图设计，对于大型工程或采用新技术的工程，可将初步设计划分为初步设计和扩大初步设计（老设计体制HG20506—92，自控专业施工图设计内容深度规定，93．5）；或分为基础工程设计和详细工程设计（国际通用设计体制HG20636~20639，化工装置自控工程设计规定，98．6）。图10．1-3工程设计阶段划分图初步设计施工图设计扩大初步设计基础工程设计详细工程设计可行性研究项目报批工程实施阶段验收开车、试生产总体验收投产工程设计工程工程工程工程工程工程项目图10．1-1项目组成示意图4．自动化工程设计是整体工程设计的一部分。化工工程设计过程中，以工艺设计为主导，其他各个专业相配合。设计过程中根据设计进程的需要，各个专业相互交换技术数据，所以国际通用设计体制下的设计过程规定了设计进程管理规定，该标准规定为本专业提供数据的称为本专业的输入文件，本专业为其他专业提供数据的称为本专业的输出文件。具体提交数据内容和时间见设计规定相关条款。图10．1-4工程设计专业关系图第二节自控工程设计的任务自控工程设计的基本任务是负责工艺生产装置与公用工程、辅助工程的控制系统，检测仪表、在线分析仪表和控制及管理用计算机等系统的设计以及有关的程序控制、信号报警和联锁系统的设计。按照国际通用设计体制要求，自控专业工程设计阶段的工作可归纳为六个方面内容：⑴根据工艺专业提出的监控条件绘制工艺控制图（PCD:ProcessControlDrawing）；⑵配合系统专业绘制各版管道仪表流程图（P&ID:PipingandInstrumentationDrawing）；⑶征集研究用户对P&ID及仪表设计规定的意见；⑷编制仪表请购单，配合采购部门开展仪表和材料的采购工作；⑸确定仪表制造商的有关图纸，按仪表制造商返回的技术文件，提交仪表接口条件，并开展有关设计工作；⑹编（绘）制最终自控工程设计文件。在国际通用设计体制中，列出自控工程设计的八项任务：⑴负责生产装置、辅助工程和公用工程系统的检测、控制、报警、联锁/停车和监控/管理计算机系统的设计；⑵负责检测仪表、控制系统及其辅助设备和安装材料的选型设计；⑶负责检测仪表和控制系统的安装设计；⑷负责DCS（DCS:DistributedControlSystem）、FCS(FieldBusControlSystem)、PLC(ProgrammableLogicalController)、SIS(SafetyInstrumentedSystem)系统和上位计算机（监控、管理）的系统配置、功能要求和设备选型，并负责或参加软件的编制工作；⑸负责现场仪表的环境防护措施的设计；⑹接受工艺、系统和其他主导专业的设计条件，提出设备、管道、电气、土建、暖通和给排水等专业的设计条件；⑻负责工厂生产过程计量系统的设计。工程设计可分为新建项目的工程设计、老厂的改造扩建工程设计、国外项目的工程设计和引进项目的配套工程设计等几类，此外还有工程设计开发和有关试验装置的设计。自控工程设计常用的方法通常有两种，一种是由工艺专业提技术条件，自控与工艺专业一起讨论确定控制方案，这种设计方法比较容易确定出合理恰当的控制方案，但是，由于各自的技术角度不同，目标与出发点各异，在确定技术方案的过程中容易出现技术冲突。第工艺专业仪表专业动力专业公用专业土建专业设备专业电气专业二种方法是由工艺专业确定控制方案，由自控专业进行工程设计。该方法更多的是从工艺角度出发来制定技术方案，更有利于生产过程。比较适合于一些新工艺、试验工艺等。国外公司通常会采用这种做法。该方法要求工艺人员要有足够的自动化知识。掌握自动化工程设计的工作流程，熟悉自动化工程设计的标准规范。第三节自控工程设计的方法和程序一、自控工程设计的方法就自动化工程设计人员来说，进行自控工程设计时，通常会按照下面的的方法和步骤完成设计内容。1．熟悉工艺流程自动化设计人员熟悉工艺流程是自控设计的第一步，对工艺熟悉和了解的深度将是做出良好工程设计的重要因素。在这阶段还需收集工艺中有关的物性参数和重要数据。2．确定自控方案，完成工艺控制流程图（PCD）了解工艺流程，并在和工艺人员充分协商后，定出各检测点、控制系统，确定全工艺流程的自控方案，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，首先要确定采常规仪表还是DCS系统。然后以确定的控制方案和所有的检测点，按照工艺提供的数据及仪表选型的原则，查阅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。并编制出自控设备表或仪表数据表等有关仪表信息的设计文件。采用DCS、FCS、PLC、SIS系统时，需要编制DCS、FCS、PLC、SIS规格书。4．控制室设计自控方案确定，仪表选型后，根据工艺特点，可进行控制室的设计。对采用常规仪表时，首先考虑仪表盘的正面布置，画出仪表盘布置画等有关图纸。然后均需画出控制室布置图及控制室与现场信号连接的有关设计文件。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、调节阀的位置和数量也都已确定，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、供气系统的设计自控系统工作还需要供电（自动化装置电源），供气（压缩空气作为气动仪表、气动调节阀的气源）。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，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，进行仪表管线的配制工作。在此基础上可列出有关的表格和绘制相关的图纸。8．根据自控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自控专业除了进行仪表设备的选用外，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。上述设计方法和顺序，仅仅是原则性的提法，在实际工程设计中各种设计文件的编（绘）制，应按自控工程设计的程序进行。二、自控工程设计的程序自控专业工程设计的程序如图10．3-1所示，工作程序图反映了自控专业在各版P&ID期间所要开展的工作。图10．3-1a自控专业工程设计阶段工作程序图图10．3-1b自控专业工程设计阶段工作程序图图10．3-1c自控专业工程设计阶段工作程序图图10．3-1d自控专业工程设计阶段工作程序图对于图10．3-1所示工作程序图有如下几点说明：1．图中各版P&ID期间所列各种设计文件是表示开始编（绘）制时间，有些设计文件可在该期间完成，有些设计文件则要延续到设计后期才能完成，如仪表索引、仪表回路图等。2．对于某个具体工程项目图中所列的设计文件并不一定都要完成，可以根据需要编（绘）制有关的设计文件。若设计选用气动仪表时，则设计文件应增绘相关图，本程序中未列入。3．工艺专业提交的自控设计条件有两种形式，一种为工艺流程图和工艺说明、材料平衡表、主要控制说明等设计资料；一种为“仪表条件表”。两种形式自控专业都可以接受。4．仪表采购的配合工作在基础工程设计阶段就开始了，如向采购部门提供“仪表设计规定”，推荐和评估仪表询价厂商等。5．仪表定位会议一般与模型审核会（设备、配管模型）一起召开。对于不开展模型设计的工程项目，仪表定位会议往往不正式召开。而仪表的定位是通过自控专业与管道等专业往返设计图、表以及相互协商来确定的。6．程序图中未包括DCS应用组态所需的设计文件。这类设计文件在工程设计完成后根据需要编（绘）制，编（绘）制时要完成的设计文件有：①工艺流程显示图；②各种显示画面编制（包括总貌、分组、回路、报警、趋势以及流程画面等）；③重要工艺操作数据储存要求；④外部通信连接要求；⑤各类报表格式（包括小时、班、日、周、旬、月等报表）；⑥其他必需文件。第四节图例符号的统一规定工程设计文件中表示测量点、自控设备有两种，即图形符号和文字代号，其表示遵循的国家标准是《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》（HG20505—92）。目前老设计体制和国际通用设计体制都采用该标准的规定。下面对涉及化学工程专业的内容进行介绍。图形符号：1．测量点、控制系统表示测量点、控制系统表示由三部分组成：测量点、圆圈、圆圈内的功能代号。a．测量点的一般表示用一个小的实心圆点表示，从该原点引出一条直线到圆圈。如果需要表示出不同的测量元件，则根据规定采用不同的符号表示。b．圆圈为一个10毫米或12毫米圆。根据不同的需要，中间可有实线、双实线、虚线、双虚线、或没有线。如果采用的是非常规仪表（例如DCS系统、FCS系统、PLC系统等），需要用在圆形外面加一个矩形框表示（该矩形框的内切圆为10毫米或12毫米）。c．功能表示由两部分组成，一是用圆内线段表示，即：实线表示中央控制室仪表盘盘面集中功能、双实线辅助仪表盘集中功能、虚线中央控制室仪表盘盘后集中功能、双虚线辅助仪表盘盘后集中功能、或没有线现场功能。二是用文字代号表示，文字代号由两部分组成，线段上部表示功能组合，线段下部表示位号。文字代号的第一位表示被测变量：T表示温度；P表示压力；L表示物位；F表示流量。A表示成分。此外还有三个修饰字母：D表示差值；F表示比值；Q表示累积值。例如TD表示温度差；FF表示流量比；FQ表示流量累积值。后面的文字代号表示功能组合。例如I表示指示；R表示记录；C表示控制；A表示报警；S表示联锁等。如果有多个功能代号，则按IRCTQSA顺序排列。功能代号最多不能超过4个，如果超过4个则需要按多功能仪表表示（两个以上的相切圆）。位号表示该点的标号，该标号在所有设计文件中都是唯一的。它由两部分组成，第一位表示工序号；第二位表示顺序号。同一种类参数顺序号可以不连续但是必须是唯一的，不同种类参数顺序号可以有同号出现。文字代号的规定见下表：表10．4-1表示被测变量和仪表功能的字母代号第一位字母后续字母被测变量或引发变量修饰词读出功能输出功能修饰词A分析报警B烧嘴、火焰供选用供选用供选用C电导率控制D密度差E电压检测元件F流量比（分数）G供选用视镜、观察H手动高I电流指示J功率扫描K时间、时间程序变化