控制工程设计

过程控制工程设计200KW螺旋桨模拟负载装置过程控制工程设计第2章管道仪表流程图3§2管道仪表流程图（P&ID:ProcessandInstrumentdrawing）§2-1控制方案的确定§2-2图例符号的统一规定§2-3管道仪表流程图（P&ID）的绘制4管道仪表流程图（P&ID）的绘制是自控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）并不归在自控专业工程设计的设计文件内，但它仍是整个自控设计的龙头。所以，自控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（P&ID）。§2管道仪表流程图（P&ID）工艺专业：工艺流程图（PFD）自控专业：工艺控制流程图（PCD）系统专业：管道仪表流程图（P&ID）5§2-1控制方案的确定要进行生产过程的自控设计，必须先要了解生产过程的构成及特点。现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。1主体——化学反应过程。2化学反应过程中所需的化工原料，首先送入输入设备。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。3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，然后进入输出设备中贮存。4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、汽以及能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。提纯回收分离精制7化工生产过程的特点：（1）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。（2）工艺内部各变量间关系复杂，操作要求高。（3）关键设备停车会影响全厂生产。（4）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。8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。要把自控设计提到一个较高的水平，自控设计人员必须：一、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。二、应用控制理论与过程控制工程的知识和实际经验，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、光信号报警系统、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。91．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，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键因素，但是从发展的眼光看，要推动生产过程自功化水平不断提高，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。10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，在考虑自控方案时，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。112．自控与工艺、设备的关系要使自控方案切实可行，自控设计人员熟悉工艺，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，再确定设备，最后再配自控系统。由工艺方面来决定自控方案，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，自控人员长期处于被动状态并不是正常的现象。工艺、设备与自控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。12§2-2图例符号的统一规定（重点）在自控工程设计的图纸上，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》（HG20505－92）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（PCD）、管道仪表流程图（P&ID）。另外在新体制的设计规定中，专有一个分规定“自控专业工程设计用图形符号和文字代号”（HG/T20637.2），列出了：①仪表回路图图形符号；②逻辑图图形符号；③仪表位置图图形符号；④半模拟流程图和过程显示图形符号；⑤仪表常用电器设备图形符号和文字代号；⑥其他常用文字代号。这些内容主要用于化工装置自控工程设计的仪表回路图、仪表位置图、仪表电缆桥架布置总图、仪表电缆（管缆）及桥架布置图、现场仪表配线图、逻辑图、半模拟流程图和DCS过程显示、仪表常用电器设备等图形符号的绘制。13一、仪表位号（重点）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。1.仪表位号的组成：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伯数字表示，如下所示。温度记录与控制仪表142.仪表位号按被测变量不同进行分类：即同一个装置（或工序）的同类被测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。3.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2-2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。154.在编制仪表位号中，还有一些具体的规定。（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；用FV-201A、FV-201B表示同一回路内的两台控制阀。（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缀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,……。16（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-121/PR-131，若用于记录两个回路的压力时，仪表位号应为PR-123/PR124或PR-123/124。（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FV；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。17（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”。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温度开关，则可用两个相切的圆圈分别填入TIC-301和TS-301来表示。18二、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，并在附注中进行了必要的说明。表2-2列出了常用被测变量及仪表功能字母组合的示例。第一位字母后继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(电动势)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、时间程序变化速率操作器L物位灯M水分或湿度瞬动中、中间N供选用供选用供选用供选用O供选用孔节流第一位字母后继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P压力、真空连接点、测试点Q数量积算、累计R核辐射记录S速度、频率安全开关、连锁T温度传送U多变量多功能多功能多功能V振动、机械监视阀、风门、百叶窗W重力、力X未分类X轴未分类未分类未分类Y事件、状态Y轴继动器、计算器、转换器Z位置、尺寸Z轴驱动器、执行机构表2-1仪表位号中表示被测量和仪表功能的字母代号注：表中字母组合示例，仅例举一部分；①A报警（信号装置），可以采用与表中S开关（驱动装置）相同的字母组合方式；②在含义不确切时，字母H和L可暂不标注。22三、图形符号过程检测和控制系统的图形符号，一般来说包括测量点、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圈的连接引线的起点，一般无特定的图形符号，如图2-3所示。23必要时，检出元件或检出仪表可以用一些专门的图形符号表示，如图2-4所示。24（二）连接线图形符号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。1.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。2.当通用的仪表信号线为细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（斜短划线与细实线成45o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。3.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。（线宽（0.25～0.3)b)(b为主线条宽度）图2－5连接线通用符号是细实线254.连接线的交叉和连接线的相接图形符号有两种方式，在同一个工程中只能任选一种。图2-8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。图2-7信号线符号上加箭头（a）交叉线的表示方式（b）连接线的表示方式图2-8连接线的交叉与相接的表示方式之一（a）交叉线的表示方式（b）连接线的表示方式图2-9连接线的交叉与相接的表示方式之二26(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12mm（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，可用相切的仪表圆圈表示，如图2-11所示。27当两个测量点引到一台复式仪表上，而两个测量点在图纸上距离较远或不在同一张图纸上，则分别用图2-12的两个相切的实线圆圈和虚线圆圈表示。282．分散控制系统(DCS)仪表图形符号分散控