过程控制系统与设计

10.1.2 设计过程控制前要做的工作
作为一名过程控制工程师，要设计好一个生产过程控制系统，首先需要花一定的时间了解
和熟悉生产过程的基本原理、工艺流程，掌握生产过程特点与要求，为设计和实施过程控制系 统提供客观而真实的基础。这些可以通过下到生产现场与工人一起工作、实际操作，以及与生 产工艺技术人员进行交流等途径来获得。 其次，对生产过程中的有关状态（例如压力、流量、物位、温度和成分等）要准确和及时 掌握，做到心中有数，这些可通过检测器来实现，并将这些状态信息实时传递给有关仪表和设
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控制方案设计是控制系统设计的核心内容，必须确保正确无误。因为如果控制方案不正确， 不管你选何种仪表、安装如何合格，控制系统在生产中难以发挥作用，达不到预期的指标，从 而导致劳民伤财。
系统控制方案的设计主要是针对生产过程流程中的问题与生产技术要求，确定系统的控制 方式和组成。这是在了解过程特性的基础上，根据控制任务和技术指标要求，对系统的运行方 式作总体考虑与计划。控制系统需考虑的问题主要有：被控变量的选择、操作变量的选择、被 控量检测器的选择、执行器的选择和控制器控制规律选择和正反作用方式的确定等。其中有些 具体的问题，也划归工程设计来考虑。方案设计与工程设计两者既有联系，又有各自不同的分 工，共同完成系统设计的任务。前者着重一些大的框架性的东西，后者较为具体，表现为现场 化的工作。鉴于方案设计的内容在第 6 章的单回路控制系统中基本都讨论过，这里不准备重复。 至于一些开关量的控制，也属于考虑的范围，一般较为简单，这些大都由可编程控制器来解决。
2. 工程设计
工程设计是在控制方案设计正确的基础上进行的，它是工程建设中重要的一环，是工程实 施的依据。过程控制工程设计是运用控制工程的知识，针对具体的工艺流程，实现自动控制的 具体体现。具体内容包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电和供气系统设计、信号及 连锁保护系统的设计、线路设计、电缆铺设、以及施工图的绘制等。对于一些危险或恶劣的现 场环境，如高温、高压、易燃易爆、强腐蚀等生产现场，还要增加相应的防护措施，确实保证 工作人员生命和财产的安全。
10.1.3 过程控制系统设计的主要内容
一个完整的过程控制系统设计包括：控制方案设计（Control Scheme Design）、工程设计 （Engineering Design）、工程安装与仪表调试（Engineering Installation and Instrument Debugging），以及控制器参数整定（Controller Parameter Setting）等四部分。 1. 控制方案设计
过程控制工程设计中通常需要完成的内容有： （1）熟悉工艺流程：这是控制方案设计的基础，也是工程设计的第一步。在熟悉工艺流程 中，应注意有关物料或半成品的物理和化学特性，关键参数和重要数据。
（2）确定控制方案，绘制工艺控制流程图：在了解工艺过程，并与工艺人员充分协商之后， 确定全工艺流程的控制方案，并在此基础上绘制工艺控制流程图，配合工艺专业完成各管道、 仪表流程图。 （3）仪表选型，编制与仪表相关信息的设计文件：首先确定是采用常规仪表，还是现场控 制总线，还是工业以太网，然后根据控制方案确定的检测器和执行器，按工艺要求及仪表选型 原则，查阅有关组织和机构汇编的产品目录、厂家产品样本和说明书等资料，调研产品性能、 质量和价格，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格与型号，并编制出仪表数据表或 设备表。 （4）控制室设计：在控制方案和仪表选型确定之后，根据工艺要求和现场实际情况进行 控制室设计。画出控制室的布置图、以及控制室与现场信号的连接图等。对常规仪表，应考虑 仪表盘的正面布置，并画出仪表盘布置图等系列图纸。还应与土建、通暖、电气等专业人员协 商，提出有关设计要求。 （5）节流装置和调节阀的计算：控制方案确定之后，所需的节流装置和调节阀的数量和 位置也确定了。根据工艺过程数据和有关计算方法进行计算，获得调节阀和节流装置计算的数 据与结果，并提供给管道专业技术人员进行管道设计。 （6）供电和供气系统的设计：由于电动仪表和气动仪表需要电能和气能才能工作，所以需 要有相应的供电供气系统。具体来说，需要按照供电供气负荷大小及配置方式，画出仪表供电 系统图、仪表空气管道平面图等设计文件。
备，以便对其进行显示、控制和评估，为后续控制工作提供信息。
最后，根据获得的现场实时状态信息和预期的工艺控制目的，决定对生产过程中的物料流 （如固体、液体和气体等）、能量流（如蒸汽、煤气和电源等）实施合理的调度和传输，满足 各种工艺要求的各种反应、配比、控温、调压和位移等作业程序，实现预期的各项技术指标， 最终获得合格的产品。 总的来说，过程控制设计前的工作归纳起来主要有如下几条： 1. 深入了解生产产品要求，提出满足生产过程的各种控制技术要求或指标。 2. 深入作业现场调查生产工艺流程及各种物料配送或变化情况，以便实现对各种被测参数 的实时检测，以及对各种物料和能量的有效控制，完成产品的生产制造过程。 3. 建立被控过程数学模型，以便合理选择控制器形式和控制算法，实现预期的控制系统指 标。
（7）控制室与现场设备之间相关连接的设计：根据现场设备的位置，进行现场与控制室之 间仪表管线的配置。并画出相关的图纸和表格，例如，电缆表、管缆表、仪表伴热绝热表、配 线图、配管图、仪表电缆桥架布置图等。 （8）根据与控制相关的设备、材料的选用情况，编制有关设计文件：在进行仪表与控制设 备的设计、安装和使用中，可能会选用一些辅助设备和材料，需要根据施工要求，画出相关图 纸、编制相关材料表格。 （9）编写设计文件目录，归档编号等：整理设计文件，编制设计文件目录、仪表规定和施 工要求等工程设计文件，统一定制归档编号。 3. 工程安装与仪表调试 工程安装是保证系统正常工作的前提。工程安装是依据施工图纸，对控制系统进行装配与 调试。安装完毕后，需对照图纸逐项逐条检查核实，然后对每台仪表进行单独校验，接着对每 个控制回路进行校验，对控制器还需进行参数整定（属下面的内容），待各部分完成调试后， 还需进行整个系统进行联动校验。由于这部分内容实践性较强，需在现场实际操作才能获得具 体的技能。 4. 控制器参数整定 在控制方案正确、安装无误的情况下，需进行控制器参数整定，即通过调整控制器参数， 使系统运行在最佳的状态，并使各项指标满足要求。这是过程控制设计中重要的环节之一。如 果多次进行控制器参数整定，仍达不到预期的控制效果，此时应考虑控制方案是否合理，控制 器选择是否恰当等问题。
2. 稳定性。在产品的加工生产中，保证产品的质量和数量是生产者十分关切的，这种保证 是通过过程控制系统的稳定来实现的。系统稳定了，生产质量和数量才能稳定。在完成了生产 试验之后，控制系统定型了，它应该对外界的干扰具有一定抵抗能力，当系统参数和工艺条件 在一定范围内变化时，系统应有一定适应能力，并维持稳定。用控制的术语来说，应有一定的 稳定裕量。 3. 安全性。安全性就是要保障生产者生命与生产设备的安全，这是通过一定的措施来实现 的。目前在过程控制中的保护性措施主要有：保护性连锁或互锁，参数超限报警、故障报警与 排除，以及设备冗余等。