過程控制工程設(shè)計—自控設(shè)備的選擇

1、1,自控設(shè)備的選擇,機電學院自動化研究所：許素安仰儀南樓310 電話：86914549,1.控制裝置的選擇2.溫度、壓力、流量、物位、控制閥及過程分析儀表的選型3.儀表數(shù)據(jù)庫4.自控設(shè)備表,自控設(shè)備的選擇,一個正確合理的自控方案，不僅要有正確的測量和控制方案，而且還需要選擇和使用各種自動化儀表，即進行正確的儀表選型。儀表選型中，首先應(yīng)對控制裝置進行合理的選擇。,控制裝置的選擇,4,基地式儀表,特點是儀表各部分之間以不可分離

2、的機械結(jié)構(gòu)相聯(lián)接，把指示、記錄、調(diào)節(jié)等部分合在一起，裝在一個表殼里，形成一個有機的整體。這樣一臺儀表不僅能對某參數(shù)進行指示或記錄，而且還有調(diào)節(jié)功能。由于它簡單、可靠，至今仍有發(fā)展和應(yīng)用。 一般用于簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通常都安裝在現(xiàn)場的工藝管道和生產(chǎn)裝置附近。,頻率檢測器,智能電動調(diào)節(jié)蝶閥,電動O型切斷調(diào)節(jié)球閥,5,基地式儀表,一般與檢測裝置、顯示裝置一起組裝在一個整體之內(nèi)同時具有檢測、控制與顯示的功能結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使

3、用方便通用性差，信號不易傳遞一般應(yīng)用于簡單控制系統(tǒng)中。,6,單元組合式儀表,將儀表按其功能分成若干單元各個單元之間以統(tǒng)一的標準信號相互聯(lián)系具有高度的靈活性和通用性，各個單元可以適當組合，也可與計算機等設(shè)備配合，組成各種復雜的、新型的控制系統(tǒng)。 有氣動組合儀表和電動單元組合儀表（QDZ和DDZ儀表）兩類。,7,氣動單元組合儀表（QDZ）,采用140kPa壓縮空氣為能源，以20～100kPa標準統(tǒng)一信號輸出結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、性

4、能穩(wěn)定、工作可靠、安全防火防爆特別適用于石油、化工等易燃易爆場合,8,電動單元組合儀表（DDZ）,采用0-10mA 或4-20mA標準統(tǒng)一信號體積小、重量輕、安裝維護方便、便于計算機接口部分儀表（如DDZ-Ⅲ型）采取了先進的安全防爆措施，能構(gòu)成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)，同樣能應(yīng)用于易燃易爆場合。,9,綜合自動化階段,工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)了一個車間甚至于一個工廠的綜合自動化過程檢測控制儀表是單元組合儀表和組裝式儀表逐步采用數(shù)字計算機以及以微

5、處理器為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)。,10,組裝式儀表,一種按結(jié)構(gòu)分離型的組裝式電動儀表主要用于電站,在石油化工行業(yè)中用得不多。,一種大型柜式的調(diào)節(jié)儀表。它按照控制系統(tǒng)中的各種功能劃分組件（組件的結(jié)構(gòu)標準化），各組件可在機架上插裝，方便地組合成整套控制系統(tǒng)。,11,可編程序數(shù)字控制器（單回路控制器）,它是以微處理器為主體，控制算法是數(shù)字式的，功能和外形與模擬式控制器相近，它們的控制算法較豐富，每臺可有多個輸入和輸出。使用一臺可編程序數(shù)字控

6、制器就能實現(xiàn)復雜的控制系統(tǒng)，所以有時又稱為單回路控制器。 優(yōu)點：靈活、方便、可靠性高。 目前國內(nèi)這類儀表有DDZ－S數(shù)字智能儀表、DIGITRONIK系列單回路數(shù)字儀表、YS-100系列單回路電子控制系統(tǒng)等。,12,可編程序控制器（PLC）,PLC英文全稱Programmable Logic Controller ,它也是以微處理器為主體的一種數(shù)字控制器，主要用于順序控制、聯(lián)鎖保護、過程控制和管理等場合

7、。目前在國內(nèi)使用的品種非常繁多。,13,計算機控制系統(tǒng),由一臺計算機完成控制系統(tǒng)所有功能：數(shù)據(jù)采集、控制、信號通信、集中顯示操作等生產(chǎn)過程控制管理水平提高 適于大規(guī)模、復雜化系統(tǒng)的控制集中控制幾十上百個回路，會有什么后果？如何克服？,14,計算機控制系統(tǒng)（續(xù)）,過程變量的高度集中顯示操作和報警，功能的高度集中，必然使事故發(fā)生的危險性集中。 為確保生產(chǎn)的正常運行，可采用 雙機運行

8、 常規(guī)儀表備用 思考 問題得到解決了嗎？,15,計算機控制系統(tǒng)（續(xù)）,采用雙機運行或常規(guī)儀表備用的方式，可在一定程度上解決上述問題，未能真正根本解決危險性的問題。 此外還增加了設(shè)備投入和維修工作量。 如何解決上述問題？,16,分散控制系統(tǒng)（DCS）,大規(guī)模集成電路問世微處理器為基礎(chǔ) 由若干控制站組合，使危險分散各站通過完全雙重化數(shù)據(jù)高速通信網(wǎng)絡(luò)連接,17,DCS的設(shè)計思想是“控制分散、管理集中”。 與

9、傳統(tǒng)的集中式計算機控制系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)的危險被分散，可靠性大大增加。DCS具有良好的圖形界面，方便的組態(tài)軟件，豐富的控制算法和開放的聯(lián)網(wǎng)能力等優(yōu)點。成為過程控制系統(tǒng)，特別是大中型流程工業(yè)企業(yè)中控制系統(tǒng)的主流。,分散控制系統(tǒng)（DCS）（續(xù)）,18,DCS代表廠家,80年代國內(nèi)DCS的市場幾乎全被國外產(chǎn)品占有，代表廠家有：美國的HONEYWELL；日本的橫河（YAKOGAWA）；德國的SIEMENS等等。進入90年代，國產(chǎn)DC

10、S的市場占有率不斷上升，代表性的有：北京和利時公司；浙大中控公司。,19,DCS的特點,采用分級結(jié)構(gòu)：通常分為三級，第一級為過程控制，第二級為監(jiān)督控制，第三級為工廠管理； 采用局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)； 豐富的功能軟件包； 強有力的人機接口功能；采用高可靠性技術(shù)。,20,DCS 系統(tǒng),管理計算機,操作員站,工程師站,現(xiàn)場操作站,現(xiàn)場控制站,21,現(xiàn)場總線是應(yīng)用于過程控制現(xiàn)場的一種數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，它不僅包含有過程控制信息交換，而且還包含設(shè)備

11、管理信息的交流。通過現(xiàn)場總線，各種智能設(shè)備（智能變送器、調(diào)節(jié)閥、分析儀和分布式I/O單元）可以方便地進行數(shù)據(jù)交換，過程控制策略可以完全在現(xiàn)場設(shè)備層次上實現(xiàn)。目前，使用較多的現(xiàn)場總線主要是FUNDATION fieldbus基金會現(xiàn)場總線（FF總線）和PROFIBUS現(xiàn)場總線。 應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)可以將各種分布在控制現(xiàn)場的相關(guān)智能設(shè)備和I/O單元方便的連接在一起，構(gòu)成控制系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為DCS發(fā)展的趨勢。,現(xiàn)場總線,22

12、,是指將現(xiàn)場設(shè)備（如數(shù)字傳感器、變送器、儀表與執(zhí)行機構(gòu)等）與工業(yè)過程控制單元、現(xiàn)場操作站等互連而成的計算機網(wǎng)絡(luò)。主要用于現(xiàn)場的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、I/O模塊等現(xiàn)場設(shè)備間的信息傳遞。具有全數(shù)字化、分散、雙向傳輸和多分支的特點，是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場級發(fā)展的產(chǎn)物。,現(xiàn)場總線特點,23,采用現(xiàn)場總線技術(shù)進行數(shù)字通信，而不再用模擬信號通過電線、電纜互連，信號傳遞方式發(fā)生了根本性變化，信號傳遞更加可靠、經(jīng)濟、各個儀表及裝置之間的互連更

13、加方便靈活。采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成的分散控制系統(tǒng)，其控制功能將更加分散，系統(tǒng)構(gòu)成將更加靈活、可靠性更高。,現(xiàn)場總線特點（續(xù)）,24,現(xiàn)場級的控制網(wǎng)絡(luò)可以分為三個層次：Sensor Bus：面向的是簡單的數(shù)字傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，主要傳輸狀態(tài)信息，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是位（bit）；Device Bus：面向的是模擬傳感器和執(zhí)行器，主要傳輸模擬信號的采集轉(zhuǎn)換值、校正與維護信息等，網(wǎng)上交換的數(shù)據(jù)單元是字節(jié)（Byte）；Field Bus：面

14、向的是控制過程，除了傳輸數(shù)字與模擬信號的直接信息外，還可傳輸控制信息，即Field Bus上的結(jié)點可以是過程控制單元（PCU），F(xiàn)ield Bus網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)單元是幀（Frame）。,現(xiàn)場總線的層次,25,基于PROFIBUS的PLC-SCADA系統(tǒng)在磨礦過程中的應(yīng)用,1.理解SCADA:數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)2.磨礦工藝流程圖3.磨礦過程自動控制的目標4.磨礦過程控制特點5.控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計6.操作站主要功能,26,控

15、制裝置的選擇 控制裝置的選擇首先確定是采用常規(guī)儀表控制還是DCS系統(tǒng)，至于現(xiàn)場總線系統(tǒng)當前尚處于發(fā)展、成熟階段，尚未全面推廣使用。 1、 對于大型生產(chǎn)過程或自動化水平要求較高的場合，可采用DCS系統(tǒng)。 然后，根據(jù)投資的情況、生產(chǎn)規(guī)模、控制和管理等方面要求，進行可行性研究，發(fā)出DCS的正式詢價書，至少向三個DCS供方詢價。收到DCS供方報價書后，進行評審。最后，與最終用戶共同確定DCS

16、的選型及供方廠商。 2、 常規(guī)儀表的選用也傾向于數(shù)字化、智能化。 目前，氣動控制儀表已很少使用，少數(shù)有爆炸危險的現(xiàn)場機組控制，尚有采用氣動控制儀表。,27,3、常規(guī)控制儀表的選擇，沒有嚴格的規(guī)定，一般可考慮如下幾個因素。 （1）價格因素 通常數(shù)字式儀表比模擬儀表貴，新型儀表比老型儀表貴，引進或合資生產(chǎn)的儀表比國產(chǎn)儀表貴，電動儀表比氣動儀表貴。因此，選型時要考慮投資的情況、

17、儀表的性能／價格比。 （2）管理的需要 管理上的需要首先應(yīng)盡可能使全廠的儀表選型一致，有利于儀表的維護管理。此外，對于大中型企業(yè)，為實現(xiàn)現(xiàn)代化的管理，控制儀表應(yīng)選擇帶有通信功能的，以便實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)化。 （3）工藝的要求 控制儀表應(yīng)選擇能滿足工藝對生產(chǎn)過程的監(jiān)測、控制和安全保護等方面的要求。對于檢測元件或執(zhí)行器處在有爆炸危險的場合時，需考慮安全柵的使用。,28,檢測儀

18、表（元件）及控制閥的選型,檢測儀表（元件）及控制閥選型的一般原則如下： 1．工藝過程的條件 工藝過程的溫度、壓力、流量、粘度、腐蝕性、毒性、脈動等因素是決定儀表選型的主要條件，它關(guān)系到儀表選用的合理性、儀表的使用壽命及車間的防火、防爆、保安等問題。 2．操作上的重要性 各檢測點的參數(shù)在操作上的重要性是儀表的指示、記錄、積算、報警、控制、遙控等功能選定依據(jù)。

19、 一般來說， （1）對工藝過程影響不大，但需經(jīng)常監(jiān)視的變量，可選指示型； （2）對需要經(jīng)常了解變化趨勢的重要變量，應(yīng)選記錄式；,29,（3）而一些對工藝過程影響較大的，又需隨時監(jiān)控的變量，應(yīng)設(shè)控制；（4）對關(guān)系到物料衡算和動力消耗而要求計量或經(jīng)濟核算的變量，宜設(shè)積算； （5）一些可能影響生產(chǎn)或安全的變量，宜設(shè)報警。 3．經(jīng)濟性和統(tǒng)一性 儀表的選型也決定于投資的規(guī)模，應(yīng)在滿足工藝和自控的要求

20、前提下，進行必要的經(jīng)濟核算，取得適宜的性能／價格比。 為便于儀表的維修和管理，在選型時也要注意到儀表的統(tǒng)一性。盡量選用同一系列、同一規(guī)格型號及同一生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。 4．儀表的使用和供應(yīng)情況 選用的儀表應(yīng)是較為成熟的產(chǎn)品，經(jīng)現(xiàn)場使用證明性能可靠的；同時要注意到選用的儀表應(yīng)當是貨源供應(yīng)充沛，不會影響工程的施工進度。,30,溫度測量儀表的選型(工業(yè)溫度檢測主要采用熱電偶和熱電阻)

21、（一）溫度測量儀表的類型及特點 常用工業(yè)溫度計的分類如P85。（二）溫度測量儀表的選擇 1. 就地溫度儀表的選擇 雙金屬溫度計：在滿足測量范圍、工作壓力和精確度要求時，應(yīng) 優(yōu)先選用。 壓力式溫度汁：對于-80oC以下低溫、無法近距離觀察、有振動 及精確

22、度要求不高的場合可選用。 玻璃溫度汁：出于汞害，一般不推薦使用（除作為成套機械，要 求測量精度不高的情況下使用外）。,31,2．溫度檢測元件的選擇 熱電偶適用一般場合，熱電阻適用于無振動場合，熱敏電阻適用于要求測量反應(yīng)速度快的場合。 根據(jù)對測量響應(yīng)速度的要求，可選擇： 熱電偶600s、100s、20s三級；

23、 熱電阻90~180s、30~90s、10~30s、<10s四級； 熱敏電阻<1s。3. 根據(jù)使用環(huán)境條件選擇溫度計接線盒 普通式：條件較好的場所； 防濺式、防水式：潮濕或露天的場所； 隔爆式：易燃、易爆的場所； 插座式：僅適用于特殊場合。,32,壓力測量儀表的選型1) 精確度等級的選擇 一般選用1.5級或2.5級； 精密測量選

24、O.1、O.5或O.16級。2) 測量范圍的選擇 測量穩(wěn)定壓力時，正常操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的2/3～1/3。測量脈動壓力（如泵、壓縮機、風機等出口處壓力）時，正常操作壓力值應(yīng)在儀表測量范圍上限值的1/2～1/3。測量高、中壓力（大于4MPa）時，正常操作壓力值不應(yīng)超過儀表測量范圍上限值的1/2。,33,對象： 封閉管道和敞開管道流量計 目的： 總量（累計流量）和流量（瞬時） 原理： 力學（應(yīng)用最多），電

25、學，聲學，熱學，光學和原 子物理。 按測量體積和質(zhì)量流量： 體積流量計和質(zhì)量流量計（直接 /間接） 按測量方法和結(jié)構(gòu) 參見圖6-2 P91,流量測量儀表的選型,不同類型的流量儀表性能和特點各異，選型時必須考慮的因素？,流量儀表的分類（可按不同的原則進行）,34,物位測量儀表的分類和特性 直接式液位測量儀表：就地測量，現(xiàn)場顯示 差壓式液位測量

26、儀表：主要用于石化生產(chǎn) 浮力式液位測量儀表： 電氣式液位測量儀表：結(jié)構(gòu)簡單，價低 超聲波式液位測量儀表： 放射性液位計： 真正的不接觸測量，必須有專人管理 雷達液位計： 惡劣的操作環(huán)境下,物位測量儀表的選型,35,物位測量儀表的選型 儀表的技術(shù)性能 測量的對象 被測介質(zhì)的特性 根據(jù)工藝要求確定儀表的功能、量程及精度 特殊場合下的特別要求P.97 表6-1

27、1、6-12儀表選型推薦表和參考表,物位測量儀表的選型（續(xù)）,36,過程分析儀表的類型和特性 熱導式分析儀：應(yīng)用廣泛 磁導式分析儀（熱磁式氧分析儀/磁力機械式氧分析儀） 光學式分析儀 光學煙氣分析儀 電化學式分析儀 血糖監(jiān)測 熱化學式分析儀 色譜儀 質(zhì)譜分析儀 其他類型分析儀： 核磁共振波譜儀、硫酸濃度計,過程分析儀表的選型,37,成分分析儀

28、的特點是專用性很強，每一種分析儀的適用范圍都是有限的。同一類分析儀即使有相同的測量范圍，但由于待測試樣的背景組成不同，并不一定都能適用。選用時考慮： 分析對象分析儀性能的選擇（選擇性/響應(yīng)時間/精確性）適應(yīng)安裝現(xiàn)場的環(huán)境要求其他因素,過程分析儀表的選型（續(xù)）P100,過程分析儀表的選型的原則？,38,紅外傅立葉光譜分析儀 （美國NICOLET公司）,主要用于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)化合物的定性定量及結(jié)構(gòu)分析，可廣泛應(yīng)用于

29、有機化合物分析、藥物分析、環(huán)境科學、農(nóng)業(yè)科學等各研究領(lǐng)域。,39,控制閥的選型控制閥的分類和特性 控制閥如果按其執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動能源來分可分為氣動、電動、液動三大類。而從閥來分類型更多。1 .以執(zhí)行機構(gòu)進行分類氣動執(zhí)行機構(gòu)、電動執(zhí)行機構(gòu)、液動執(zhí)行機構(gòu)以閥進行分類直通單座閥，直通雙座閥，角形閥，三通閥,40,儀表數(shù)據(jù)表,自控方案確定和儀表選型后，此時可編制自控儀表規(guī)格表。 反映

30、自控儀表的型號、規(guī)格及在各測量、控制系統(tǒng)中的使用和位置等情況，根據(jù)不同的設(shè)計體制和設(shè)計標準，可以編制成各種形式的儀表規(guī)格表。 本節(jié)將介紹國際通用設(shè)計體制《化工裝置自控工程設(shè)計規(guī)定》（HG/T 20636~20639）對自控儀表規(guī)格表的編制方式。,41,在這個國際通用設(shè)計體制中，主要由“儀表索引”、“儀表數(shù)據(jù)表”來表達自控儀表的選型和使用等情況的。 “儀表索引”是以一個儀表回路為單元，按

31、被測變量英文字母代號的順序列出所有構(gòu)成檢測、控制系統(tǒng)的儀表設(shè)備位號、用途、名稱和供貨部門以及相關(guān)的設(shè)計文件號。表6－16列出了“儀表索引”的示例。 “儀表數(shù)據(jù)表”是與儀表有關(guān)的工藝、機械數(shù)據(jù)，對儀表及附件的技術(shù)要求、型號及規(guī)格等。,42,“儀表數(shù)據(jù)表”在國際通用設(shè)計體制中有三種版本：中英文對照版儀表數(shù)據(jù)表、中文版儀表數(shù)據(jù)表、英文版儀表數(shù)據(jù)表。 通常國內(nèi)工程項目可選用中英文對照版或中文版

32、，出口工程項目或涉外工程項目可選用中英文對照版或英文版。 中英文對照版儀表數(shù)據(jù)表在《自控專業(yè)工程設(shè)計用典型表格》（HG/T 20639.1）中列出73種典型表格。,43,需注意： 在“儀表數(shù)據(jù)表“中，對于某些現(xiàn)場安裝的儀表，如表6－16所示的壓力變送器，其中有一欄反映該儀表安裝要求的“安裝圖號”是指在《自控安裝圖冊》(HG/T 21581)中采用哪種具體形式。

33、通過“儀表索引”和“儀表數(shù)據(jù)表”兩種表格的配合，能清楚地表達出在自控工程設(shè)計項目中，選用了哪些儀表，這些儀表的型號、規(guī)格、位號、用途，在檢測、控制系統(tǒng)中的位置，安裝方式等情況。把整個工程項目中，選用儀表的重要信息清晰地反映出來。,44,自控設(shè)備表,自控設(shè)備表分為兩種： 表一：通常所有控制系統(tǒng)（包括就地調(diào)節(jié)系統(tǒng)）以及傳送到控制室進行集中檢測的儀表（不包括溫度）均填寫在自控設(shè)備表（表一）上，并按信號流向依次