過程控制系統(tǒng)設(shè)計

第4章工程設(shè)計4.1概述4.2工程設(shè)計步驟4.3工程設(shè)計內(nèi)容4.3.1確定控制變量與控制方案4.3.2硬件選擇4.3.3節(jié)流元件計算4.3.4調(diào)節(jié)閥選擇4.3.5計算舉例4.1.1工程設(shè)計的定義

把生產(chǎn)過程自動化的各種控制方案，用設(shè)計圖紙資料和設(shè)計文件資料表達(dá)出來的全部工作。4.1概述4.1.2自控工程設(shè)計的基本任務(wù)從我國的實際情況出發(fā)，結(jié)合本廠的特點，確定生產(chǎn)過程自動化水平。根據(jù)工藝要求，確定各種檢測參數(shù)。主要控制參數(shù)的控制系統(tǒng)的設(shè)計。工藝生產(chǎn)過程必要的信號報警和聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計?？刂剖?、儀表盤的設(shè)計。儀表車間的設(shè)計。

4.1.3對工程設(shè)計人員的要求

在工廠建設(shè)中，要求設(shè)計人員綜合地考慮某項工程的經(jīng)濟(jì)性、安全性、耐久性和企業(yè)的特點，消除公害的措施，與各部門的相互配合等等，制訂出合理的計劃。自控設(shè)計是工廠建設(shè)的一個重要組成部分，也同樣需要運用系統(tǒng)工程的思想指導(dǎo)它的設(shè)計與施工的全過程。為此對設(shè)計人員提出以下要求：（1）接到設(shè)計任務(wù)書后，要認(rèn)真領(lǐng)會設(shè)計任務(wù)書的要求，并嚴(yán)格地貫徹執(zhí)行一系列技術(shù)條例和規(guī)定。（2）按照任務(wù)書的要求，從實踐中取得第一手資料，作出合理的設(shè)計，使設(shè)計建立在可靠和落實的基礎(chǔ)上，決不能閉門造車。（3）在設(shè)計中要認(rèn)真貫徹勤儉建國的方針，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)觀點，注意經(jīng)濟(jì)效益。對自動化水平的確定要適合國情，對儀表的投資要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)概算。（4）自控設(shè)計是整個工程設(shè)計的一部分，與工藝、化工設(shè)備、電氣、土建等其它專業(yè)都有聯(lián)系。4.1.3對工程設(shè)計人員的要求（5）現(xiàn)代生產(chǎn)中由于電子計算機(jī)及分析儀表的在線控制，因此微弱信號的傳遞，取樣管的安裝，配線施工中的干擾問題也突出出來，所以設(shè)計人員要引起高度的重視。（6）現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，對于特殊工藝條件下的檢測和控制技術(shù)要求比較高，儀表本身的質(zhì)量固然重要，但施工方法不能忽視。設(shè)計人員不僅要熟悉常規(guī)的自動化儀表的各種安裝規(guī)范外，對于特殊的檢測和控制也要推薦一定的施工方法。4.1.3對工程設(shè)計人員的要求4.2工程設(shè)計步驟工程設(shè)計分兩步進(jìn)行：（1）初步設(shè)計（2）施工圖設(shè)計4.2.1初步設(shè)計內(nèi)容

初步設(shè)計的主要目的，是報有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審批，并為定貨做好準(zhǔn)備。在該設(shè)計階段必須要了解工藝生產(chǎn)的特點，環(huán)境特性，確定控制方案，對重要的控制系統(tǒng)要作出詳細(xì)的說明；正確地選擇儀表和其他自動化技術(shù)工具，主要材料的選型，確定控制水平，動力供應(yīng)等，進(jìn)行設(shè)計概算。初步設(shè)計設(shè)計資料的主要內(nèi)容初步設(shè)計說明書帶控制點流程圖主要儀表設(shè)備、材料匯總表初步設(shè)計概算4.2.2施工圖設(shè)計（1）自控圖紙目錄（2）施工圖說明書（3）帶控制點的工藝流程圖（4）自控設(shè)備匯總表（5）自控設(shè)備表（6）綜合材料表（7）電氣設(shè)備材料表（8）電纜、電線表（9）管纜表（10）測量管線表

(11）儀表及管線絕熱保溫表（12）節(jié)流裝置計算數(shù)據(jù)表（13）調(diào)節(jié)閥計算數(shù)據(jù)表（14）液位計參數(shù)表（15）管件及工件明細(xì)表（16）供電系統(tǒng)圖（17）信號及連鎖原理圖

（18）（控制室）儀表盤正面布置總圖（19）儀表盤正面布置圖（20）半模擬盤正面布置圖

(21）繼電器箱正面布置圖（22）儀表盤背面電氣接線圖（23）半模擬盤背面電氣接線圖（24）繼電器箱電氣接線圖（25）儀表盤背面氣動管線接線圖（26）儀表供氣空視圖

（27）儀表及管線伴熱保溫系統(tǒng)圖（28）氣動管線外部連接系統(tǒng)圖（29）接管箱接線圖（30）電纜、電線外部連接系統(tǒng)圖（31）供電箱（或接線端子箱）接線圖（32）電纜、管纜平面敷設(shè)圖（33）復(fù)雜控制系統(tǒng)圖（34）非標(biāo)準(zhǔn)部件安裝制造圖（35）工藝管道及控制流程圖4.3工程設(shè)計內(nèi)容（1）根據(jù)工藝要求和控制目標(biāo)確定系統(tǒng)變量（2）建立數(shù)學(xué)模型（3）確定控制方案（4）選擇硬件設(shè)備（5）選擇控制算法，進(jìn)行控制器設(shè)計（6）軟件設(shè)計之后進(jìn)行安裝、調(diào)試、整定、投運。（一）確定控制變量與控制方案確定控制目標(biāo)

1、被控變量(1)選擇直接變量(2)選擇與直接變量有單值關(guān)系的間接變量注意：考慮工藝的合理性、被控變量必須是獨立可控。選擇時考慮：（1）工藝合理性（2）被控對象的特性（a）使被控對象控制通道的放大倍數(shù)較大，時間常數(shù)較小，純滯后越小越好；（b）使被控對象干擾通道的放大倍數(shù)盡可能小，時間常數(shù)越大越好對象被控變量y操縱變量q干擾?2、操縱變量的選擇（一）確定控制變量與控制方案例一：加熱爐qq燃t選：t為被控變量；

q燃為操縱變量。（一）確定控制變量與控制方案確定控制方案（一）確定控制變量與控制方案1、控制結(jié)構(gòu)2、控制算法選取控制規(guī)律：PPIPDPID反饋控制前饋控制串級、比值、均勻、分程、選擇控制（二）硬件選擇1、檢測變送2、執(zhí)行器3、其它報警、聯(lián)鎖、保護(hù)控制裝置DCSPLC可靠、實用、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)（三）節(jié)流裝置計算1、節(jié)流元件2、取壓方式3、確定節(jié)流元件開孔直徑（四）調(diào)節(jié)閥口徑計算1、有關(guān)的系數(shù)2、流量系數(shù)C的計算3、調(diào)節(jié)閥口徑的計算步驟調(diào)節(jié)閥的流量基本方程C：流量系數(shù)C的表達(dá)式：阻力越大，C值越小C的大小反映調(diào)節(jié)閥流量F的大小，故習(xí)慣稱為流通能力

C的定義：調(diào)節(jié)閥全開，閥兩端壓差為100Kpa，介質(zhì)密度為1g/cm3時，每小時流過調(diào)節(jié)閥的流量（m3/h）。（1）阻塞流阻塞流的流量與差壓的關(guān)系不遵循流量方程。1、有關(guān)的系數(shù)當(dāng)閥前壓力一定，通過閥的流量隨閥前后差壓的增大而增大，到達(dá)臨界狀態(tài)時，流量不隨△P變化，為最大流量的流動狀況。在阻塞流，計算C時，對不可壓縮、可壓縮、低雷諾數(shù)流體都要修正是否形成阻塞流，流量系數(shù)的計算公式不同。（2）壓力恢復(fù)系數(shù)FLFg引入FL：閥全開時壓力恢復(fù)的程度節(jié)流裝置之后壓力開始恢復(fù)，其程度隨閥的結(jié)構(gòu)及閥的開度的不同而不同。對液體，非阻塞流下：PVC查P199表11-2阻力越小的閥，恢復(fù)越厲害，越偏離壓力曲線，結(jié)果與實際誤差越大。

對氣體，產(chǎn)生阻塞流的條件：△Pmax為閥產(chǎn)生阻塞流動的臨界壓差。當(dāng)△P＜△Pmax時為正常流動當(dāng)△P≥△Pmax時為阻塞流動。阻塞流下：閥入口液體飽和蒸汽壓力臨界壓力比系數(shù)（2）壓力恢復(fù)系數(shù)FLFg（3）雷諾數(shù)修正系數(shù)FR

在湍流下，C為常數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)Re<3500時，C隨Re而減小，故引入FR（4）管件形狀修正系數(shù)FpC的計算公式要滿足：D閥=D管道閥前后有一定長度的直管段，前20D，后7D。一般不用修正查P199表11-21、有關(guān)的系數(shù)由Cmax→額定流量系數(shù)C100→調(diào)節(jié)閥的口徑最大流量系數(shù)Cmax

，是確定調(diào)節(jié)閥的口徑的依據(jù)。關(guān)鍵是合理確定調(diào)節(jié)閥流量和壓差2、流量系數(shù)C的計算（1）流量系數(shù)C的計算步驟第一步：根據(jù)已知條件查參數(shù)：FL、Pc；△P≥△Pmax為阻塞流動:①判別Pv

是大于還是小于0.5P1；

②由①采用相應(yīng)的△Pmax公式：第二步：決定流動狀態(tài)。

液體：△P＜△Pmax為一般流動:

一般流動

氣體：

阻塞流動（1）流量系數(shù)C的計算步驟上述計算式乘或（更精確）例1

介質(zhì)液氨，t＝33℃，ρ＝0.59g/cm3，F(xiàn)＝13m3／h，P1＝530×100KPa，P2＝70×100KPa，△P＝460×100KPa，Pv＝15×100KPa，選用高壓閥，流閉型。

（2）流量系數(shù)C的計算舉例1第一步：查表得FL＝0.8，Pc＝114.5×100KPa

第二步：∵0.5P1＝265＞Pv

∴△Pmax＝FL

（P1－Pv）＝329×100KPa

△P＞△Pmax，為阻塞流動

第三步：采用阻塞流動公式

=0.55（2）流量系數(shù)C的計算舉例2

例2

介質(zhì)空氣，t＝20℃，ρN＝1kg/m3，F(xiàn)N＝100M3/h，P1＝2×100KPa（絕壓），P2＝1.5×100KPa（絕壓），△P＝0.5×100KPa，選用單座閥，流開型。第一步：查表得FL＝0.9第二步：∵△P/P1

＝

0.5/2=0.25第三步：采用一般流動公式計算C

＜0.5FL2

＝0.5×0.81＝0.4為一般流動例3

在例2基礎(chǔ)上，改P2＝1.1×100KPa（絕壓），即△P＝0.9×100KPa

（2）流量系數(shù)C的計算舉例3∵△P/P1

＝

0.9/2=0.45采用阻塞流動公式

＞0.5FL2＝0.4為阻塞流動

=2.9更精確（2）調(diào)節(jié)閥C計算舉例4已知條件：介質(zhì)：水Qmax

=8.1m3/h，Qmin

=4.0m3/hP1

=2.335×100KPa，P2

=1.335×100KPaρ=0.9982g/cm3，t

=20℃Pv（閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓）=0.02×100KPaPc（熱力學(xué)臨界壓力）=225.65×100KPaFF（臨界壓力比）=FL（壓力恢復(fù)系數(shù)）=0.9采用柱塞形閥芯解：1、判斷是否阻塞流？△P=P1-P2=2.335-1.335=1×100KPa△P<FL2（P1-FFPv）=0.92(2.335-0.9574*0.02)=1.875×100KPa為非阻塞流2、計算C對C進(jìn)行圓整，一般為1.15～1.5倍取C=123、調(diào)節(jié)閥口徑計算步驟：1、根據(jù)工藝條件，初選閥的形式、流向及流量特性，決定流量系數(shù)C的計算方法2、確定與C有關(guān)的常數(shù)，如閥前后壓力及差壓、大中小流量、密度、各修正系數(shù)（FL,Fg,XT等）3、判別是否為阻塞流？4、選用合適的C值計算公式，計算Cmax值，并圓整。5、由Cmax得到額定C100對應(yīng)的閥徑即為所選閥徑。6、校驗進(jìn)行壓力及差壓、可調(diào)比、開度校驗。（1）調(diào)節(jié)閥口徑計算步驟①確定最大流量避免過大或過小，一般為正常流量的1.25～2②確定壓差Q△pS△pp△pV有多種方法，按阻力比S來確定（1）調(diào)節(jié)閥口徑計算步驟④選取流量系數(shù)CV③計算流量系數(shù)Cmax

⑤驗算調(diào)節(jié)閥開度計算最大流量時的開度kmax不大于90%計算最小流量時的開度kmin不小于10%,穩(wěn)定性差的閥20%-30%選擇合適的計算公式，根據(jù)已決定的流量和壓差，求得最大流量時的流量系數(shù)Cmax。根據(jù)Cmax

，在所選用的產(chǎn)品型式的標(biāo)準(zhǔn)系列中，選取大于Cmax并與其最接近的那一擋CV值。（1）調(diào)節(jié)閥口徑計算步驟不帶定位器：直線kmax≤86%，對數(shù)kmax≤92%帶定位器：直線kmax≤89%，對數(shù)kmax≤96%直線特性調(diào)節(jié)閥的開度等百分比特性的調(diào)節(jié)閥的開度（1）調(diào)節(jié)閥口徑計算步驟⑥驗算調(diào)節(jié)閥實際可調(diào)比須滿足⑧確定調(diào)節(jié)閥口徑上述驗算合格，根據(jù)Cv值決定調(diào)節(jié)閥的公稱直徑和閥座直徑（1）調(diào)節(jié)閥口徑計算步驟若不合格，需重定口徑（及Cv值），或另選其它閥，再驗算至合格。⑦壓差校核（僅從開度、可調(diào)比上驗算還不行，這樣可能造成閥關(guān)不死，啟不動