自控工程设计

第三章自控设备的表达仪表索引、仪表数据表（或自控设备表）等的绘制的自控设计中的一个主要的设计文件。

在这些设计文件里，将反映出设计中所使用的仪表等设备的类型、规格、数量及在系统中的位置等，为设计投资核算、仪表设备的订货等提供依据。

第一节控制装置的选择一个正确合理的自控方案，不仅要有正确的测量和控制方案，而且还需正确选择和使用各种自动化仪表，即进行正确的仪表选型。

仪表选型中，首先应对控制装置进行合理的选择。

一、控制装置的类型和特点（1）基地式仪表。

它是发展历史最早的一类仪表，它的输入信号来自检测元件，输出信号直接送至执行器。

有些基地式仪表甚至把检测元件或执行器也包括在内。

它们的功能往往限于单回路控制。

这类仪表多用于中小型生产装置，或用于大生产中一些就地控制的场合。

虽然这类仪表的使用比例已大大下降，但鉴于它的简便、可靠、至今还有发展和应用。

（2）单元组合式仪表。

它们是20世纪50、60年代发展起来的一类仪表，把仪表的功能分散到各自单元，一个测量回路或控制回路需由许多单元组合而成。

此类仪表可分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。

一般对于大、中型生产装置均可应用。

其中电动单元组合仪表由于传送距离较长，在防爆问题上又有突破，此外与计算机能较方便的连接，因此曾得到广泛的应用。

如DDZ-Ⅲ型系列、Ⅰ系列、EK系列等电动单元组合仪表。

（3）组装式仪表。

它是一种按结构分离型号的组件组装式电动。

主要应用于电站，在石油化工行业中用得不多。

（4）可编程序数字控制器（单回路控制器）。

它是以微处理器为主体，控制算法是数字式的，功能和外形与模拟式控制器相近，它们的控制算法较丰富，每台可有多个输入和输出。

使用一台可编程序数字控制器就能实现复杂控制系统，所以有时又称为单回路控制器。

由于它灵活、方便、可靠性高，曾倍受人们的欢迎。

目前国内这类仪表有DDZ-S数字智能仪表、DIGITRONIK系列单回路数字仪表、YS-100系列单回路电子控制系统等。

（5）可编程序控制器（PLC）。

它也是以微处理器为主体的一种数字控制器，主要用于顺序控制、联锁保护、过程控制和管理等场合。

目前在国内使用的品种非常繁多。

（6）计算机控制系统。

随着工业生产过程的大规模化、复杂化和数字计算机技术的发展，从20世纪60年代开始，在生产过程中逐渐引入了计算机控制系统。

它的主要特点是由一台计算机（工业控制机或简称工控机）完成控制系统的全部功能，如数据采集、控制、信息通信、集中显示操作等，使生产过程控制管理水平得到进一步提高。

由于一台计算机要集中控制几十个到几百个回路，成百上千个过程变量的集中显示操作和报警，功能的高度集中，必然使事故发生的危险集中。

为确保生产的正常运行，可采用双机运行或常规仪表备用的方式，这样增加了设备投入和维修工作量，而且未能根本解决危险性的问题。

（7）分散控制系统（DCS）。

进入20世纪70年代，大规模集成电路问世，以微处理器为基础，兼顾常规仪表控制和计算机控制系统的优点的新型控制系统——分散控制系统（DCS）出现在工业生中。

带微处理器的控制站可控制几个到几十个回路，由若干控制站组合，能控制整个生产过程，使危险分散。

系统各个站通过完全双重化数据高速通信网络连接起来，人机接口采用两台或多台彩色屏幕显示器（CRT）进行监视、操作和管理。

因此，分散控制系统能够实现连续控制、批量（间歇）控制、顺序控制、数据采集、先进过程控制等。

目前，DCS系统硬件、系统软件及应用软件已日趋完善，在过程控制领域得到了广泛的应用。

国内引进的DCS系统品种很多，其主要厂商及品牌有：①Honeywell TDC3000、TPS②Y okogawa CENTUM-XL，CS③Foxboro I/A④ABB (Tailor) MOD300,AdvantOCS⑤Fisher-Rosemount PROVOK-Plus Ⅱ⑥Westinghouse WDPF-Ⅱ⑦MooreProducts MYCRO Ⅱ⑧SIEMENS TELEPERMM⑨Bailey INFI-90（8）现场总线。

20世纪90年代以来，数字控制系统出现了现场总线技术。

所谓现场总线是数字化通信网络实用技术，采用了数字多路复用技术，把具有不同地址编码的数字信号通过同一根电缆进行传输，实现现场智能仪表与主控系统之间的信息交换。

它可使现场智能仪表管理和控制达成统一，使现场智能仪表完成过程，并监视非控制信号。

一般说来，现场总线系统由三部分组成：现场智能仪表、现场通信总线和计算机接口。

近十年来，世界上出现了多种现场总线的企业集团的制定标准，并有相应的现场总线的产品，从而形成目前多种现场总线共存的局面。

归结起来可分成两大类：世界各国公认的现场总线基金会（Fieldbus Foundation 简称FF）所发布的现场总线；目前较流行的非基金会的现场总线，如Profibus、CAN、LONWORKS、HART、FIP、DE等。

现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS）传统的DCS相比显示了许多优点：①FCS信号传输实现了全数字化，从最底层现场仪表就实现了通信网络结构，与DCS 相比，投资费用可大量节省。

②FCS实现了全分散化，将DCS控制站的I/O单元及功能块全部分散到各个现场仪表。

功能块的分散便于用户统一组态和灵活运用。

③FCS现场仪表按开放型设计已全部实现互操作性和互交换性，而目前DCS的控制层一般是封闭专用的，不同公司的产品既不能互换也不能互操作。

④FCS实现了全开放式的网络标准，从而实现网络中的数据库的资源共享。

因此，现场总线将对传统的自控系统产生一场大变革和一次概念性的革命，有仅要对传输信号标准、通信标准和自动化设计标准进行一次大的变革，而且也将使自动化仪表的体系结构、自动化系统设计方法以及安装、调试等工作发生重大的变化。

二、控制装置的选择控制装置的选择首先确定是采用常规仪表控制还是DCS系统，至于现场总线系统当前尚处于发展、成熟阶段，尚未全面推广使用。

对于大型生产过程或自动化水平要求较高的场合，可采用DCS系统。

然后，根据投资的情况、生产规模、控制和管理等方面要求，进行可行性研究，发出DCS的正式询价书，至少向三个DCS供方询价。

收到DCS供方报价书后，进行评审。

最后，与最终用户共同确定DCS的选型及供方厂商。

常规仪表的选用也倾向于数字化、智能化。

目前，气动控制仪表已很少使用，少数有爆炸危险的现场机组控制，尚有采用气动控制仪表。

常规控制仪表的选择，没有严格的规定，一般可考虑如下几个因素。

（1）价格因素通常数字式仪表比模拟仪表贵，新型仪表比老型仪表贵，引进或合资生产的仪表比国产仪表贵，电动仪表比气动仪表贵。

因此，选型时要考虑投资的情况、仪表的性能/价格比。

（2）管理的需要管理上的需要首先应尽可能使全厂的仪表选型一致，有利于仪表的维护管理。

此外，对于大中型企业，为实现现代化的管理，控制仪表应选择带有通信功能的，以便实现联网化。

（3）工艺的要求控制仪表应选择能满足工艺对生产过程的监测、控制和安全保护等方面的要求。

对于检测元件和/或执行器处在有爆炸危险的场合时，需考虑安全栅的使用。

第二节检测仪表（元件）及控制阀的选型检测仪表（元件）及控制阀选型的一般原则如下。

1、工艺过程的条件工艺过程的温度、压力、流量、粘度、腐蚀性、毒性、脉动等因素是决定仪表选型的主要条件，它关系到仪表选用的合理性、仪表的使用寿命及车间的防火、防爆、保安等问题。

2、操作上的重要性各检测点的参数在操作上的重要性是仪表的指示、记录、积算、报警、控制、遥控等功能选定依据。

一般来说，对工艺过程影响不大，但需监视的变量，可选指示型；对需要经常了解变化趋势的重要变量，应选记录式；而一些对工艺过程影响较大的，又需随时监控的变量，应设控制；对关系到物料衡算和动力消耗而要求计量或经济核算的变量，宜设积算；上些可能影响生产或安全的变量，宜设报警。

3、经济性和统一性仪表的选型也决定于投资的规模，应在满足工艺和自控的要求前提下，进行必要的经济核算，取得适宜的性能/价格比。

为便于仪表的维修和管理，在选型时也要注意到仪表的统一性。

尽量选用同一系列、同一规格型号及同一生产厂家的产品。

4、仪表的使用和供应情况选用的仪表应是较为成熟的产品，经现场使用证明性能可靠的；同时要注意到选用的仪表应当是货源供应充沛，不会影响工程的施工进度。

一、温度测量仪表的选型（一）温度测量仪表的类型及特点常用工业温度计的分类如下。

各种温度计的特点如表3-1所示。

表3-1 各种温度计的特点（二）温度测量仪表的选择1．就地温度仪表的选择双金属温度计：在满足测量范围、工作压力和精度要求时，应优先选用。

压力式温度计：对于-80℃以下低温、无法近距离观察、有振动及精确度要求不高的场合可选用。

玻璃温度计：由于汞害，一般不推荐使用（除作为成套机械，要求测量精度不高的情况下使用外）2．温度检测元件的选择热电偶适用一般场合，热电阻适用于无振动场合，热敏电阻适用于要求测量反应速度快的场合。

根据对测量响应速度的要求，可选择：热电偶600s、100s、20s三级；热电阻90~180s、30~90s、10~30s、<10s四级；热敏电阻<1s。

3．根据使用环境条件选择温度计接线盒普通式：条件较好的场所；防溅式、防水式：潮湿或露天的场所；隔爆式：易燃、易爆的场所；插座式：仅适用于特殊场合。

4．连接方式的选择一般情况下可选用螺纹连接方式，下列场合应选用法兰连接方式：①在设备、衬里管道和有色金属管道上安装；②结晶、结疤、堵塞和强腐蚀性介质；③易燃、易爆和剧毒介质。

5．特殊场合下温度计的选择①温度 >870℃、氢含量>5%的还原性气体、惰性气体及真空场合，选用钨铼热电偶或吃气热电偶；②设备、管道外壁和转体表面温度，选用表面或铠装热电偶、热电阻；③含坚硬固体颗粒介质，选用耐磨热电偶；④在同一个检测元件保护套管中，要求多点测温时，选用多支热电偶。

6．检测元件插入长度（尾长）的选择插入长度的选择应以检测元件插至被测介质温度变化灵敏，且具体代表性的位置为原则。

7．测温保护管的选择应根据被介质的条件正确选用，可参见表3-2。

二、压力测量仪表的选型（一）压力测量仪表的分类和特点压力测量仪表按其工作原理可分为液柱式、弹性式、活塞式（负荷式）及压力传感式四大类。

各类仪表的性能及用途可见表3-3所示。

（缺表）其中常用的液柱式压力计与弹性压力表的特点可比较如下。

1．液柱式压力计优点：①简单可靠；②精度和灵敏度均较高；③可采用不同密度的工作液；④适合低压、低压差测量；⑤价格较低。

缺点：①不便携带；②没有超量程保护；③介质冷凝会带来误差；④被测介质与工作液需适当搭配。