[教育教學精品論文]過程控制工程課程設計指導書

1、過程控制工程課程設計指導書自動化學院第一章 緒論控制工程設計是為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程的白動化，用圖紙資料和文字資料的形式表達出來的全部工作。對于自動化專業(yè)的本科學生在學習各專業(yè)課程后，進行一次控制工程設計的實踐是十分必要的。l學習控制工程課程設計的重要性工程設計是工程建設過程中一個很重要的環(huán)節(jié)，對整個工程項目起著指導作用。作為自動化一類工科專業(yè)的學生，從事控制工程設計將是畢業(yè)后工作任務中的一項重要內容。因此，在校學習階段能掌握工程設計的基本程序和方法，并進行一次基本訓練的實踐是十分必要的。在老師的指導下，通過控制工程設計的訓練，學生畢業(yè)后走上工作崗位，一旦要做控制工程設計方面的一些工作，可大大縮短熟

2、悉的過程。可以說控制工程設計是自動化專業(yè)學生的一項基本功，今后無論從事本學科領域的哪方面工作，都是極為有用的。學習工程設計也是工科專業(yè)學生加強工程實際觀念、進行專業(yè)知識全面綜合運行的一個極好的過程。控制工程設計是運用過程控制工程的知識、針對某生產(chǎn)工藝流程，實施控制方案的具體體現(xiàn)。完成控制工程設計，既要掌握控制理論及控制工程的基本理論，又要熟悉自動化技術工具(控制及檢測儀表)的使用方法及型號、規(guī)格、價格等信息，而且要學習本專業(yè)的有關工程實際知識，如工程設計的程序和方法、儀表安裝方式及常用設備材料的規(guī)格、型號等。在經(jīng)過一次控制工程設汁的全面訓練后將使學生深深體會到各專業(yè)課程所學知識的有機結合和綜合

3、應用的重要性：2掌握控制工程設計的方法控制工程設計需要大量的專業(yè)知識，這些基本上在相關課程的教學中已學習過了。與此同時，尚需了解和掌握工程設計的程序和方法、合關的規(guī)程和規(guī)定。這些必須通過親自實踐，才能逐步掌握。要獨立完成項工程的控制設計，需懂得設計工作的程序。要用圖紙、文字資料來表達設計意圖，使別人能清楚地看懂自己的設計圖紙，并能按圖紙進行施工，就要熟悉有關的設計規(guī)范。這一過程涉及到查閱各種設計資料的能力培養(yǎng)。由于涉及面廣，也難以通過幾節(jié)課講述清楚的。所以，整個工程設計的學習，最好的方法是邊干邊學。在進行控制工程設計的模擬設計時，要大量查閱設計規(guī)程和規(guī)定，體會并掌握正確的設計表達方法。同時，在

4、廣泛了解儀表、設備、材料等的有關信息中，學會收集設計資料的方法和途徑。另外，在編制眾多的控制設計圖紙資料過程中，訓練、提高工程設計圖紙資料的編制能力。3控制工程設計的發(fā)展概況近幾十年來，隨著自動化技術工具的發(fā)展以及新型過程控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，設計工作的內容、程序和方法有了較大的變化。尤其當進入20世紀80年代以后，微電子技術推動了計算機的迅猛發(fā)展，使得過程控制所采用的儀表、設備等發(fā)生了根本性的改變。這些更促使控制工程設計工作進行全曲的調整。在20世紀50、60年代，當時在工業(yè)過程中，尤其在石油、化工生產(chǎn)過程中，大量使用氣動儀表，以滿足防爆的要求。而常用的控制系統(tǒng)僅僅是單回路反饋控制系統(tǒng)(簡單調節(jié)系

5、統(tǒng))或少量的串級、均勻和比值控制系統(tǒng)。因此控制工程設計工作相對來說較為簡單。隨著電動單元組合儀表的出現(xiàn)，一直到ddz型儀表問世，本質安全防爆的性能，根本上滿足了工業(yè)過程的防爆要求：于是，在控制工程設計中，電動儀表逐步取代氣動儀表。然而，無論是氣動儀表或是電動儀表，都屬于常規(guī)儀表。因此，在控制工程設計，基本的程序和方法內容是相似的。中國在70、80、90年代分別制定了有關控制工程設計的施工圖內容深度規(guī)定，作為控制專業(yè)使用常規(guī)儀表進行工程設計的指導性文件。20世紀80年代中期，分散控制系統(tǒng)(distributed control system , dcs也稱集散控制系統(tǒng))開始在工業(yè)過程中得到了應用

6、。分散控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)常規(guī)儀表的控制有著決然不同的方式與內涵，控制工程設計工作也發(fā)生了很大的變化。為適應改革、開放的經(jīng)濟政策，我國的工程設計必須與國際接軌。因此，在進入21世紀前，總結了國內外控制工程設計的經(jīng)驗，開始推行國際通用設計體制和方法，使得控制工程設計工作更為規(guī)范有序。4本書的編寫宗旨本書的編寫首先是為了自動化專業(yè)的學生，在校期間能較快地了解控制工程設計的全貌，并在本書的指導下，針對某一工藝流程，進行一次控制工程設計的基本訓練。因此，全書除了全面介紹控制工程設計的內容和程序外，還較為詳細地討論了完成設計任務中各項工作，具體的方法及步驟，應遵循的設計規(guī)程。第二章 控制工程課程設計第一節(jié) 課

7、程設計要求一、課程設計目的過程控制工程課程設計密切結合過程工業(yè)實際的實踐環(huán)節(jié)之一，是學習完過程控制工程課程和下廠實習后進行的一次全面的綜合練習。其目的在于加深對過程控制工程設計思想的理解，掌握過程控制領域常用和有效的控制方案和控制系統(tǒng)，掌握過程工業(yè)典型操作單元的控制方案和系統(tǒng)特點；并接受嚴格和系統(tǒng)的實驗操作訓練，從而為以后的畢業(yè)環(huán)節(jié)工作和擔負實際工程任務打下良好和堅實的基礎。過程控制工程課程設計是一項重要的實踐性教育環(huán)節(jié)，是學生在校期間必須接受的一項工程訓練。在課程設計過程中，在教師指導下，運用工程的方法，通過一個簡單課題的設計練習，可使學生初步體驗過程控制系統(tǒng)的設計過程、設計要求、完成的工作

8、內容和具體的設計方法，了解必須提交的各項工程文件，也達到鞏固、充實和綜合運用所學知識解決實際問題的目的。通過課程設計，應能加強學生如下能力的培養(yǎng)：(1) 獨立工作能力和創(chuàng)造力；(2) 綜合運用專業(yè)及基礎知識，解決實際工程技術問題的能力；(3) 查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；(4) 工程繪圖的能力；(5) 編寫技術報告和編制技術資料的能力。二、課程設計任務學習過程控制工程課程和下廠實習4周后，在對現(xiàn)場的實際過程控制策略、實習環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)以及相應的組態(tài)軟件有一定的認識和了解的基礎上，針對實習環(huán)節(jié)的被控對象（控制裝置），設計一個復雜控制系統(tǒng)（至少包含一個復雜回路和6-7個簡單回路），并

9、利用組態(tài)軟件進行動態(tài)仿真設計，調節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)達到要求的控制效果。1. 獨立完成設計任務，每個人根據(jù)下廠實習環(huán)節(jié)，確定自己的課程設計題目，每人一組；2. 選用一種組態(tài)軟件（例如：采用力控組態(tài)軟件）繪制系統(tǒng)工藝流程圖；3. 繪制控制系統(tǒng)原有的控制回路；4. 利用下廠收集的實際數(shù)據(jù)和工藝要求，選擇被控對象模型，利用組態(tài)軟件，對控制系統(tǒng)進行組態(tài)；5. 改進原有的控制回路，增加1-2個復雜回路，并進行組態(tài)；6. 調節(jié)控制參數(shù)，使性能指標達到要求；7. 寫出設計工作小結。對在完成以上設計過程所進行的有關步驟：如設計思想、指標論證、方案確定、參數(shù)計算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對所完成

10、的設計作出評價，對自己整個設計工作中經(jīng)驗教訓，總結收獲。三、進度安排 本次課程設計 時間3周(第1、2、3周)1. 第1周 選用一種組態(tài)軟件繪制系統(tǒng)工藝流程圖；繪制控制系統(tǒng)原有的控制回路；2. 第2周 利用下廠收集的實際數(shù)據(jù)和工藝要求，選擇被控對象模型，利用組態(tài)軟件，對控制系統(tǒng)進行組態(tài)；3. 第3周(1-3) 改進原有的控制回路，增加1-2個復雜回路，并進行組態(tài)；調節(jié)控制參數(shù)，使性能指標達到要求；4. 第3周(4) 寫設計工作小結5. 第3周(5) 演示、答辯四、課程設計說明書的編寫規(guī)范寫出不少于5000字的課程設計說明書。說明書中除了在封面應有題目、班級、姓名、學號和課程設計日期、地點以外，

11、其正文一般有如下幾個方面的內容：1. 學生要認真復習教材，閱讀有關規(guī)范、設計手冊等資料，獨立按時完成任務；2. 設計工藝流程和要求的簡單說明；3. 裝置原有控制回路和重要控制策略介紹；4. 確定控制方案，利用組態(tài)軟件進行組態(tài)仿真設計的過程5. 控制參數(shù)調整步驟和方法；6. 儀表的選型，編寫有關的儀表信息設計文件。第二節(jié) 控制工程設計的方法一、控制工程設計的方法在接到一個工程項目后進行控制工程設計時，按照什么樣的方法來完成這些內容呢?1熟悉工藝流程這是控制設計的第一步。控制設計人員對工藝熟悉和了解的深度將是重要的因素。在這階段還需收集工藝中有關的物性參數(shù)和重要數(shù)據(jù)。2確定控制方案，完成工藝控制流

12、程圖(pcd)了解工藝流程，并在和工藝人員充分協(xié)商后，定出各檢測點、控制系統(tǒng)，確定全工藝流程的控制方案在此基礎上可畫出工藝控制流程圖(pcd)，并配合工藝系統(tǒng)專業(yè)完成各版管道儀表流程圖(p&id)。3儀表選型，編制有關儀表信息的設計文件在儀表選型中，首先要確定的是采用常規(guī)儀表還是dcs系統(tǒng)。然后，以確定的控制方案和所有的檢測點，技照工藝提供的數(shù)據(jù)及儀表選型的原則，查問有關部門匯編的產(chǎn)品目錄和廠家的產(chǎn)品樣本與說明書調研產(chǎn)品的性能、質量和價格，選定檢測、變送、顯示、控制等各類儀表的規(guī)格、型號。并編制出控制設備表或儀表數(shù)據(jù)表等有關儀表信息的設計文件。4控制室設計控制方案確定，儀表選型后，根據(jù)工藝特點

13、，可進行控制室的設計。對采用常規(guī)儀表時，首先考慮儀表盤的正面布置，畫出儀表盤布置圖等有關圖紙。然后均需畫出控制宣布置圖及控制室與現(xiàn)場信號連接的有關設計文件，如儀表回路圖、端子配線圖等。在進行控制室設計中，還應向土建、暖通、電氣等專業(yè)提出有關設計條件。5節(jié)流裝置和調節(jié)閥的計算控制方案已定，所需的節(jié)流裝置、調節(jié)閥的位置和數(shù)且也都已確定，根據(jù)工藝數(shù)據(jù)和有關計算方法進行計算，分別列出儀表數(shù)據(jù)表中調節(jié)閥及節(jié)流裝置計算數(shù)據(jù)表與結果，并將有關條件提供給管道專業(yè)，供管道設計之用。6儀表供電、供氣系統(tǒng)的設計控制系統(tǒng)的實現(xiàn)不僅需要供電，還需要供氣(壓縮空氣作為氣動儀表的氣源，對于電動儀表及dcs系統(tǒng)，由于目前還大

14、量使用氣動調節(jié)閥，所以氣源也是不可少的)。為此需按照儀表的供電、供氣負荷大小及配制方式，畫出儀表供電系統(tǒng)圖、儀表空氣管道平面圖(或系統(tǒng)圖)等設計文件。7依據(jù)施工現(xiàn)場的條件，完成控制室與現(xiàn)場間聯(lián)系的相關設計文件土建、管道等專業(yè)的工程設計深入開展后，控制專業(yè)的現(xiàn)場條件也就清楚了。此時按照現(xiàn)場的儀表設備的方位、控制室與現(xiàn)場的相對位置及系統(tǒng)的聯(lián)系要求，進行儀表管線的配置工作。在此基礎上可列出有關的表格和繪制相關的圖紙如列出電纜表、管纜表、儀表伴熱絕熱表等，畫出儀表位置圖、儀表電纜橋架布置總圖、儀表電統(tǒng)(管纜)及橋架布置圖、現(xiàn)場儀表配線圖等。8根據(jù)控制專業(yè)有關的其他設備、材料的選用等情況，完成有關的設計

15、文件控制專業(yè)除了進行儀表設備的選用外，這些儀表設備在安裝過程中，還需要選用一些有關的其他設備材料。對這些設備材料需根據(jù)施工要求，進行數(shù)量統(tǒng)計，編制儀表安裝材料表。9設計工作基本完成后編寫設計文件目錄等文件在設計開始時，先初定應完成的設計內容，待整個工程設計工作基本完成后，要對所有設計文件進行整理，并編制設計文件目錄、儀表設計規(guī)定、儀表施工安裝要求等工程設計文件。第三節(jié) 管道儀表流程圖(p&id：process and instrument drawing)管道儀表流程圖(p&id)的繪制是控制工程設計的核心內容，雖然在設計新體制中、各版管道儀表流程圖(p&id)并不歸在控制專業(yè)工程設計的設計文

16、件內，但它仍是整個控制設計的龍頭。所以控制設計人員必須認真仔細地配合工藝、系統(tǒng)設計人員完成管道儀表流程圖。第一節(jié) 控制方案的確定要進行生產(chǎn)過程的控制設計，必須先要了解生產(chǎn)過程的構成及特點。以化工生產(chǎn)過程為例來說明?；どa(chǎn)過程的構成可由圖2-1表示。 圖2-1 化工生產(chǎn)過程的構成化工生產(chǎn)過程的主體一般是化學反應過程，化學反應過程中所需的化工原料，首先送入輸人設備。然后將原料送入前處理過程，對原料進行分離或精制，使它符合化學反應對原料提出的要求和規(guī)格?；瘜W反應后的生成物進入后處理過程，在此將半成品提純?yōu)楹细竦漠a(chǎn)品并回收未反應的原料和副產(chǎn)品，然后進人輸出設備中貯存。同時為了化學反應及前、后處理過程

17、的需要，還有從外部提供必要的水、電、汽以及冷量等能源的公用工程。有時，還有能量回收和三廢處理系統(tǒng)等附加部分?；どa(chǎn)過程的特點是產(chǎn)品從原料加工到產(chǎn)品完成，流程都較長而復雜，并伴有副反應。工藝內部各變量間關系復雜操作要求高。關鍵設備停車會影響全廠生產(chǎn)。大多數(shù)物料是以液體或氣體狀態(tài)，在密閉的管道、反應器。塔與熱交換器等內部進行各種反應、傳熱、傳質等過程。這些過程經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆、有毒、有腐蝕、有刺激性臭味等條件下進行?？刂品桨傅恼_確定應當在與工藝人員共同研究的基礎上進行。要把控制設計提到一個較高的水平，控制設計人員必須熟悉工藝，這包括了解生產(chǎn)過程的機理，掌握工藝的操作條件和物料的性質

18、等。然后，應用控制理論與過程控制工程的知識和實際經(jīng)驗，結合工藝情況確定所需的控制點，并決定整個工藝流程的控制方案?？刂品桨傅拇_定主要包括以下幾方面的內容：(1)正確選定所需的檢測點及其安裝位置；(2)合理設計各控制系統(tǒng)，選擇必要的被控變量和恰當?shù)牟倏v變量；(3)生產(chǎn)安全保護系統(tǒng)的建立。包括聲、光信導報警系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)及其他保護性系統(tǒng)的設計。在控制方案的確定中還應處理好以下幾個關系1可靠性與先進性的關系在控制方案確定時，首先應考慮到它的可靠性，否則設計的控制方案不能被投運、付之實踐，將會造成很大的損失。在設計過程中將會有兩類情況出現(xiàn)，一類是設計的工藝過程已有相同或類似的裝置在生產(chǎn)運轉中。此時，設

19、計人員只要深入生產(chǎn)現(xiàn)場進行調查研究，吸收現(xiàn)場成功的經(jīng)驗與原設計中不足的教訓，其設計的可靠性是較易保證的。另一類是設計新的生產(chǎn)工藝，則必須熟悉工藝，掌握控制對象，分析擾動因素，并在與工藝人員密切配合下，確定合理的控制方案?？煽啃允且粋€設計成敗的關鏈因素。但是從發(fā)展的眼光看，要推動生產(chǎn)過程自動化水平不斷提高，使生產(chǎn)過程處在最佳狀態(tài)下運行，獲取最大的經(jīng)濟效益，先進性將是衡量設計水平的另一個重要標準。隨著計算機技術成功地應用于生產(chǎn)過程的控制后，除了常規(guī)的單回路、串級、比值、均勻、前饋、選擇性等控制系統(tǒng)已廣泛應用外，一些先進的控制算法。如純滯后補償、解耦、推斷、預測、自適應、最優(yōu)等也能借助于計算機的靈活

20、、豐富的功能，較為容易地在過程控制中實現(xiàn)。況且，近年來人們對生產(chǎn)過程的認識逐步深化，人工智能的研究卓有成效，這些都為自動化水平的進一步提高創(chuàng)造了有利條件。所以，在考慮控制方案時，必須處理好可靠性與先進性之間的關系。一般來說，可以采用以下兩種方法：一種是留有余地，為下步的提高水平創(chuàng)造好條件。也就是在眼前設計時要為將來的提高工作留出后路，不要造成困難。另一種是做出幾種設計方案，可以先投運簡單方案，再投運下一步的方案。采用dcs等計算機控制系統(tǒng)后完全可以通過軟件來改變方案這為方案的改變提供了有利的條件。2控制與工藝、設備的關系要使控制方案切實可行，控制設計人員熟悉工藝，并與工藝人員密切配合是必不可少

21、的。然而，目前大多數(shù)是先定工藝，再確定設備，最后再配控制系統(tǒng)。由工藝方面來決定控制方案，而自動化方面的考慮不能影響到工藝設計的做法是較為普遍的狀況。從發(fā)展的觀點來看，控制人員長期處于被動狀態(tài)并不是正常的現(xiàn)象。工藝、設備與控制三者的整體化將是現(xiàn)代工程設計的標志。3技術與經(jīng)濟的關系設計工作除了要在技術上可靠、先進外，還必須考慮到經(jīng)濟上的合理性。過程中應在深入實際調查研究的基礎上，進行方案的技術、經(jīng)濟性的比較。處理好技術與經(jīng)濟的關系，控制水平的提高將會增加儀表等軟、硬件的投資，但可能從改變操作、節(jié)省設備投資或提高生產(chǎn)效益、節(jié)省能源等方面得到補償。當然，盲目追求而無實效的做法，并不代表技術的先進，而只

22、能造成經(jīng)濟上的損失。此外，自動化水平的高低也應從工程實際出發(fā)，對于不同規(guī)模和類型的工程，做出相應的選擇，使技術和經(jīng)濟得到辨證的統(tǒng)一。第 四 節(jié) 圖例符號的統(tǒng)一規(guī)定在控制工程設計的圖紙上，按設計標準，均有統(tǒng)一規(guī)定的圖例、符號。在本節(jié)把行業(yè)標準過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號和圖形符號中的一些主要內容作簡要介紹，這些文字代號和圖形符號主要用于工藝控制流程圖、管道儀表流程圖的應用。一、儀表位號在檢測、控制系統(tǒng)中，構成一個回路的一組工業(yè)自動化儀表，其中每個儀表(或元件)都用儀表位號來標識。儀表位號由字母代號組合和回路編號兩部分組成，儀表位號中的第一位字母表示被測量，后繼字母表示儀表的功能；回路的編號由工序

23、號和順序號組成，一般用三位至五位阿拉伯數(shù)字表示，如下所示。 儀表位號按被測量變量不同進行分類：即同一個裝置(或工序)的同類被測量變量的儀表位號中順序編號是連接的，但允許中間有空號；不同被測變量的儀表位號不能連續(xù)編號。儀表位號在管道儀表流程圖和系統(tǒng)圖中的標注方法是：字母代號填寫在儀表圓圈的上半圓中；回路編號填寫在下半圓中，如圖22所示。圖中(a)表示安裝在集中儀表盤面上的位號為trc-131的溫度記錄與控制儀表，(b)表示就地安裝的位號為pi-1201的壓力指示儀表。在編制儀表位號中，還有一些具體的規(guī)定，現(xiàn)摘要介紹如下。(1)多機組的儀表位號一般按順序編制，而不用同一位號加尾綴的方法。(2)如果

24、同一儀表回路中有兩個以上相同功能的儀表，可用儀表位號加尾綴(大寫英文字母)的方法加以區(qū)別。例如：ft-201a、ft-201b表示同一回路內的兩臺流量變送器。(3)當屬于不同工序的多個檢測元件共用一臺顯示儀表時顯示儀表位號在回路編號中不表示工序號，只編制順序號；在顯示儀表回路編號后加阿拉伯數(shù)字順序號尾級的方法表示檢測元件的儀表位號。例如：多點溫度指示儀的儀表位號為ti-1，相應的檢測元件儀表位號為te-1，te-2，。(4)當一臺儀表由兩個或多個回路共用時，各回路的儀表位號都應標注，例如：一臺雙筆記錄儀記錄流量和壓力時，儀表位號為fr-121pr-131，若用于記錄兩個回路的壓力時，儀表位號應

25、為pr-123pr-124或pr-123124。(5)儀表位號的第一位字母代號(或者是被測變量和修飾字母的組合)只能按被測變量來選用，而不是按照儀表的結構或被控變量來選用。例如：當被測變量為流量時，差壓式記錄儀應標注fr，而不是fdr，控制閥應標注fy；當被測變量為壓差時，差壓式記錄儀應標注pdr，控制閥應標注pdv。(6)儀表位號中表示功能的后繼字母，是按照讀出或輸出功能而不是按照被控變量選用，后繼字母應按irctqsa的順序標注。(7)儀表位號的功能字母代號最多不要超過四個字母。一臺儀表具有指示、記錄功能時儀表位號的功能字母只標注字母“r”，而不標注字母“i”。一臺儀表具有開關、報警功能時

26、，只標注字母代號“a，而不標注“s”。當字母“sa”出現(xiàn)時，表示這臺儀表具有聯(lián)鎖和報警功能。一臺儀表具有多功能時，可以用多功能字母代號“u”標注，也可以將儀表的功能字母代號分組進行標注。例如：一個溫度控制器帶有濕度開關，則可用兩個相切的圓圈分別填人tic-301和tas-301來表示。二、文字代號表2-1列出了儀表位號中表示被測變量和儀表功能的字母代號，表2-2列出了常用被測變量及儀表功能字母組合的示例。三、圖形符號過程檢測和控制系統(tǒng)的圖形符號，一般來講包括測量點、連接線（引線、信號線）和儀表圓圈三部分組成。(一)測量點測量點(包括檢出元件)是由過程設備或管道符號引到儀表圓圓的連接引線的起點，一般無特定的圖形符號，如圖2-3所示。(二)連接線圖形符專儀表圓圈與過程測量點的連接引線，通用的儀表信號線和能源線的符號是細實線。如圖2-5所示。當有必要標注能源類別時，