1、过程控制工程课程设计绪论 3第一章 自控工程设计概述 41.1 自控设计的任务 41.2 自控设计的内容 41.3 自控设计的方法 51.4 自控设计的意义 6第二章 工艺介绍及控制方案选择 62.1 脱硫工艺简介 62.1.1 工艺原理和工艺流程 72.1.2 HPF法脱硫操作条件 82.1.3 主要工艺操作控制指标 92.2 管道仪表流程图 102.2.1 主要控制回路和方案 102.2.2 管道仪表流程图的绘制 16第三章 自控设备的选型 163.1 控制装置的选择 163.1.1 PLC控制系统的组成 163.1.2 DCS控制系统的组成 173.1.3 PLC与DCS的比较 173.
2、1.4 结论 183.2 PLC的硬件选型 183.2.1 PLC选型注意事项 183.2.2 PLC 的组成 193.3 图例符号的统一规定 203.4 检测仪表的选型 243.4.1 温度测量仪表的选型 243.4.2 压力测量仪表的选型 253.4.3 流量测量仪表的选型 25第四章 控制室设计 264.1 设计要求 264.1.1 位置选择 264.1.2 尺寸设计 264.1.3 控制室的采光 264.1.4 控制室的供电及安全 274.2 根据要求结合工程特点设计 274.3 其他补充说明 27第五章 仪表连接 275.1 系统的整体连接 275.1.1 仪表回路接线/接管图 28
3、5.1.2 仪表盘端子图/仪表盘穿板接头图 285.2 设计仪表端子图 29第六章 供电 296.1 仪表供电系统设计 296.1.1 供电系统设计内容 296.1.2 仪表供电要求 296.1.3 对供电交变类型和电压的等级要求 306.1.4 对供电质量的要求 306.2 仪表供电配电设计 306.2.1 供电回路分组 306.2.2 配电方式 31第七章 信号报警及连锁 31第八章 安全保护及信息接地 328.1 仪表防爆设计 328.1.1 防爆设计的重要性 328.1.2 危险环境的分类 328.2 仪表接地设计 338.2.1 接地作用和要求 338.2.2 接地系统的设计原则与方
4、法 34第九章 施工试验及验收 349.1 自控工程的施工 359.1.1 施工工作内容 359.2 自控工程的试运行和验收 359.2.1 仪表的调校 359.2.2 仪表的试运行 359.2.3 仪表的交工验收 36第十章 设计心得 36参考文献 38绪论1.学习自控工程设计的重要性本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。工程设计是工程建
5、设过程中一个很重要的环节，对整个工程项目起着指导作用。作为过程装备与控制工程专业的学生，从事控制工程设计将是毕业后工作任务中的一项主要内容。因此，在校学习阶段能掌握工程设计的基本程序和方法，并进行一次基本训练的实践是十分必要的。在老师的指导下，通过控制工程设计的训练，学生毕业后走上工作岗位，一旦要做控制工程设计方面的一些工作，可大大缩短熟悉的过程。可以说控制工程设计是自动化专业学生的一项基本功，今后无论从事本学科领域的哪方面工作，都是极为有用的。学习工程设计也是工科专业学生加强工程实际观念、进行专业知识全面综合运行的一个极好的过程。控制工程设计是运用过程控制工程的知识、针对某生产工艺流程，实施
6、控制方案的具体体现。完成控制工程设计，既要掌握控制理论及控制工程的基本理论，又要熟悉自动化技术工具(控制及检测仪表)的使用方法及型号、规格、价格等信息，而且要学习本专业的有关工程实际知识，如工程设计的程序和方法、仪表安装方式及常用设备材料的规格、型号等。在经过一次控制工程设汁的全面训练后将使学生深深体会到各专业课程所学知识的有机结合和综合应用的重要性。2.掌握控制工程设计的方法控制工程设计需要大量的专业知识，这些基本上在相关课程的教学中已学习过了。与此同时，尚需了解和掌握工程设计的程序和方法、合关的规程和规定。这些必须通过亲自实践，才能逐步掌握。要独立完成项工程的控制设计，需懂得设计工作的程序
7、。要用图纸、文字资料来表达设计意图，使别人能清楚地看懂自己的设计图纸，并能按图纸进行施工，就要熟悉有关的设计规范。这一过程涉及到查阅各种设计资料的能力培养。由于涉及面广，也难以通过几节课讲述清楚的。所以，整个工程设计的学习，最好的方法是边干边学。在进行控制工程设计的模拟设计时，要大量查阅设计规程和规定，体会并掌握正确的设计表达方法。同时，在广泛了解仪表、设备、材料等的有关信息中，学会收集设计资料的方法和途径。另外，在编制众多的控制设计图纸资料过程中，训练、提高工程设计图纸资料的编制能力。3.控制工程设计的发展概况近几十年来，随着自动化技术工具的发展以及新型过程控制系统的出现，设计工作的内容、程
8、序和方法有了较大的变化。尤其当进入20世纪80年代以后，微电子技术推动了计算机的迅猛发展，使得过程控制所采用的仪表、设备等发生了根本性的改变。这些更促使控制工程设计工作进行全曲的调整。在20世纪50、60年代，当时在工业过程中，尤其在石油、化工生产过程中，大量使用气动仪表，以满足防爆的要求。而常用的控制系统仅仅是单回路反馈控制系统(简单调节系统)或少量的串级、均匀和比值控制系统。因此控制工程设计工作相对来说较为简单。随着电动单元组合仪表的出现，一直到DDZ型仪表问世，本质安全防爆的性能，根本上满足了工业过程的防爆要求：于是，在控制工程设计中，电动仪表逐步取代气动仪表。然而，无论是气动仪表或是电
9、动仪表，都属于常规仪表。因此，在控制工程设计，基本的程序和方法内容是相似的。中国在70、80、90年代分别制定了有关控制工程设计的施工图内容深度规定，作为控制专业使用常规仪表进行工程设计的指导性文件。20世纪80年代中期，分散控制系统(Distributed Control System , DCS也称集散控制系统)开始在工业过程中得到了应用。分散控制系统与传统常规仪表的控制有着决然不同的方式与内涵，控制工程设计工作也发生了很大的变化。为适应改革、开放的经济政策，我国的工程设计必须与国际接轨。因此，在进入21世纪前，总结了国内外控制工程设计的经验，开始推行国际通用设计体制和方法，使得控制工程设
10、计工作更为规范有序。第一章 自控工程设计概述1.1自控设计的任务自控工程设计的基本任务是负责工艺生产装置于公用工程、辅助工程系统的控制，检测仪表、在线分析仪表和控制及管理用计算机等系统的设计以及有关的顺序控制、信号报警和联锁系统、安全仪表系统（SIS）和紧急停车系统（ESI）的设计。完成这些基本任务时，还要考虑自控所用的辅助设备及附件、电气设备材料、安装材料的选型设计；自控的安全技术措施和防干扰、安全设施的设计；以及控制室、仪表车间与分析器室的设计。1.2自控设计的内容按照当前实施的设计“新体制”的要求，自控工程设计阶段的工作可归纳为以下六个方面的内容：1 根据工艺专业提出的监控条件绘制工艺控
11、制图（PCD: Process Control Drawing）;2 配合系统专业绘制各版管道仪表流程图（P&ID: Piping and Instrumentation Drawing）；3 征集研究用户对P&ID及仪表设计规定的意见；4 编制仪表请购单，配合采购部门开展仪表和材料的采购工作；5 确定仪表制造上的有关图纸，按仪表制造商返回的技术文件，提交仪表接口条件，并开展有关设计工作；6 编（绘）制最终自控工程设计文件。在设计工作中，必须严格的贯彻执行一系列技术标准和规定，根据现有同类型工厂或实验装置的生产经验及技术资料，使设计建立在可靠的基础上。在设计过程中，应对工程的情况、国内外自动化
12、水平、自动化技术工具的制造质量和供应情况，以及当前生产中的一些新技术发展的情况进行深入调查研究，才能有一个正确的判断，做出合理的设计。设计中还应加强经济观念，注意提高经济效益。自控工程设计常用的方法是有工艺专业提条件，而自控与工艺专业一起讨论确定控制方案，确定必要的中间储槽及其容量，确定合适的设备余量，确定开、停车以及紧急事故处理方案等。这种设计方法对合理确定控制方案，充分发挥自控专业的主观能动性是有益的。但在实际设计过程中，尤其对一些新工艺，有时主要是由工艺专业提出条件确定控制方案，自控专业进行设计，在某些国外的公司就采用这种做法。1.3自控设计的方法在接到一个工程项目后，进行自控工程设计时
13、，按照什么样的方法来完成这些内容呢？本节介绍完成这些内容的先后顺序和它们之间相互关系。熟悉工艺流程这是自控设计的第一步。一个成功的自控设计，自控设计人员对工艺熟悉和了解的深度将是重要的因素。在这阶段还需要收集工艺中有关的物性参数和重要数据。确定自控方案，完成工艺控制流程图（PCD）了解工艺流程，并在和工艺人员充分协商后，定出各监测点、控制系统，确定全工艺流程的自控方案，在此基础上可画出工艺控制流程图（PCD）,并配合工艺系统专业完成各版管道仪表流程图（P&ID）。仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件在仪表选型中，首先要确定的是采用常规仪表还是DCS系统。然后，以确定的控制方案和所有的监测点，按
14、照工艺提供的数据及仪表选型的原则，查阅有关部门汇编的产品目录和厂家的产品样本与说明书，调研产品的性能、质量和价格，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格、型号。并编制出自控设备或仪表数据表等有关的信息的设计文件。控制室的设计自控方案的确定，仪表选型后，根据工艺特点，可进行控制室的设计。对采用常规仪表时，首先考虑仪表盘的正面布置，画出仪表盘布置图有关的图纸。然后均需画出控制室布置图及控制室与现场信号连接的有关设计文件，如仪表回路图、端子配线图等。在进行控制室设计中，还应向土建、暖通、电气等专业提出有关的设计条件。节流装置和调节阀的计算控制方案已定，所需的节流装置、调节阀的位置和数量也都已确定
15、，根据工艺数据和有关计算翻番进行计算，分别列出仪表数据表中调节阀及节流装置计算数据表与结果。并将有关条件提供给管道专业，供管道设计之用。仪表供电、供气系统的设计自控系统的实践不仅需要供电，还需要供气（压缩空气作为启动仪表的气源，对于电动仪表及DCS系统，由于目前还大量使用气动调节阀，所以气源是不可少的）。为此需按照仪表的供电、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（或系统图）等设计文件。依据施工现场的田间，完成控制室与现场联系的相关设计文件按照现场的仪表设备的方位、控制室与现场的相对位置及系统的联系要求，进行仪表管线的配置工作。在此基础上可列出有关的表格和绘制相关的图纸
16、，如列出电缆表（管缆）及桥架布置图、现场仪表配线图等。根据自控专业有关的其他设备、材料的选用等情况，完成有关的设计文件自控专业除了进行仪表设备的选用外，这些仪表设备在安装过程中，还需要选用一些有关的其他设备材料。对这些设备材料需根据施工要求，进行数量统计，编制仪表安装材料表。设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文件在设计开始时，先初定应完成的设计内容，待整个工程设计工作基本完成后，要对所有的设计文件进行整理，并编制设计文件目录、仪表设计规定、仪表施工安装要求等工程设计文件。上述设计方法和顺序，仅仅是原则性的提法，在实际的工程设计中各种设计文件的编制，还应按自控工程的程序进行。1.4自控设计的
17、意义过程控制工程课程设计密切结合过程工业实际的实践环节之一，是学习完过程控制工程课程和下厂实习后进行的一次全面的综合练习。其目的在于加深对过程控制工程设计思想的理解，掌握过程控制领域常用和有效的控制方案和控制系统，掌握过程工业典型操作单元的控制方案和系统特点；并接受严格和系统的实验操作训练，从而为以后的毕业环节工作和担负实际工程任务打下良好和坚实的基础。过程控制工程课程设计是一项重要的实践性教育环节，是学生在校期间必须接受的一项工程训练。在课程设计过程中，在教师指导下，运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，
18、了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；5 工程绘图的能力；第二章 工艺介绍及控制方案选择2.1脱硫工艺简介HPF法脱硫属湿式催化氧化法脱硫工艺，是PDS脱硫工艺4的改进工艺，两者的区别在于所使用的催化剂略有差异：前者使用对苯二酚加PDS及硫酸亚铁的复合催化剂(HPF)，后者使用PDS催化剂。HPF催化剂在脱硫和再生过程中均有催化作用，是利用焦炉煤气中的氨做吸收剂，以HPF为催化剂的湿式氧化脱硫。
19、煤气中的H2S等酸性组分由气相进入液相与氨反应，转化为硫氢化铵等酸性铵盐，再在空气中氧的氧化下转化为硫。HPF法脱硫选择使用HPF(钴铁类)复合型催化剂，可使焦炉煤气的脱硫效率达到99%左右。2.1.1 工艺原理和工艺流程HPF法脱硫工艺置于喷淋式饱和器法生产硫铵的工艺之后，从鼓风冷凝工段来的温度约55 的煤气，首先进入直接式预冷塔与塔顶喷洒的循环冷却水逆向接触，被冷至3035然后进入脱硫塔。预冷塔自成循环系统，循环冷却水从塔下部用预冷循环泵抽出送至循环水冷却器，用低温水冷却至2025后进入塔顶循环喷洒。采取部分剩余氨水更新循环冷却水，多余的循环水返回鼓风冷凝工段，或送往酚氰污水处理站。煤气在
20、脱硫塔内与塔顶喷淋下来的脱硫液逆流接触以吸收煤气中的硫化氢、氰化氰(同时吸收煤气中的氨，以补充脱硫液中的碱源)。脱硫后煤气含硫化氢降至50mgm3。左右，送入硫酸铵工段。其主要反应为：NH3 + H2O NH4OH (1)H2S + NH4OH NH4HS + H2O (2)2NH4OH + H2S (NH4)2 S + 2H2O (3)NH4OH + HCN NH4CN + H2O (4)NH4OH + CO2 NH4CO3 (5)NH4OH + NH4HCO3 (NH4)2CO3 + H2O (6)NH4OH + NH4HS + (x一1)S (NH4)2Sx + 2H20 (7)吸收了H
21、2S、HCN的脱硫液从脱硫塔底排出，经液封槽满流人反应槽。然后用脱硫循环液泵抽出后送人再生塔底部，再生塔的塔底部通人压缩空气，使溶液在塔内得以氧化再生。再生空气从再生塔顶放散管至洗净塔洗涤后放散，再生后的溶液从塔顶经液位调节器自流回脱硫塔循环再生。其主要反应为：再生反应NH4HS + 12O2 NH4OH + S (8)(NH4)2S + 12O2 + H2O 2NH4OH + S (9)(NH4)2S + 12O4 + H2O 2NH4OH + S (10)除上述反应外，还进行以下副反应2NH4HS + 2O2 (NH4)2S2O3 + H2O (11)2(NH4)2S2O3 + O2 2(
22、NH4)2SO4 + 2S (12)浮于再生塔顶部扩大部分的硫磺泡沫，利用位差自流人泡沫槽，经澄清分层后，清液返回反应槽，硫泡沫用泡沫泵送人熔硫釜，经数次加热、脱水，再进一步加热熔融，最后排出熔融硫磺，经冷却后装袋外销。系统中不凝性气体经尾气洗净塔洗涤后放散。为避免脱硫液中副反应盐类积累影响脱硫效果，排出少量废液送往配煤。自鼓风冷凝送来的剩余氨水，经氨水过滤器除去夹带的煤焦油等杂质，进入换热器与蒸氨塔底排出的蒸氨废水换热后进入蒸氨塔，用直接蒸汽将氨蒸出。同时向蒸氨塔上部加一些稀碱液以分解剩余氨水中的固定铵盐。蒸氨塔顶部的氨气经分凝器和冷凝冷却器冷凝成含氨大于10 的氨水送人反应槽，以增加脱硫液
23、中的碱源。其工艺流程图如下：图2.1 氨法HPF脱硫工艺流程2.1.2 HPF法脱硫操作条件山西南村化工设计焦炭年产量为150万吨，与参考文献12中年产145万吨的涟钢焦化厂非常相似。涟钢的实际生产情况对本设计有莫大的帮助。 脱硫液中盐类的积累脱硫过程中生成的脱硫溶液中(NH4)2S2O3和NH4CNS，在催化再生过程中与氧反应生成NH3H2O后又重新参与脱硫反应，因此能降低脱硫过程中氨的消耗量。由于再生反应可控制NH4CNS的生成，故脱硫液中NH4CNS的增长速度较为缓慢。但脱硫液中的盐类积累到超过250gL时，对脱硫效率的影响很明显。 煤气及脱硫液温度当脱硫液温度较高时，会增大溶液表面上的
24、氨气分压，使脱硫液中氨含量降低，脱硫效率随之下降。但脱硫液的温度太低也不利于再生反应的进行，因此，在生产过程中宜将煤气温度控制在2535，脱硫液温度应控制在3540。 脱硫液和煤气中的含氨量脱硫液中所含的氨由煤气供给，煤气中的含氨量对操作的影响很大，当氨硫物质的量之比不小于1，煤气中煤焦油含量不大于50mgm3、含萘小于05gm3时，即使一塔操作，其脱硫效率也可达99左右，脱氰效率大于80，当氨硫物质的量之比小于1时，即使采用双塔脱硫工艺，也必须对操作参数适当调整后才能保证脱硫效率。当煤气含氨量小于3gm3时，脱硫液中所含的氨小于7gL时，脱硫效率就会明显下降。 液气比对脱硫效率的影响增加液气
25、比可使传质面迅速更新，以提高其吸收推动力，有利于脱硫效率的提高。但液气比达到一定程度后，脱硫效率的增加量不明显，反而会增加循环泵的动力消耗，故液气比也不宜太大。 再生空气量与再生时间氧化lkg硫化氢的理论空气用量不足2m3，在实际再生生产中，考虑到浮选硫泡沫的需要，再生塔的鼓风强度一般控制在100m3(m2h)。由于HPF催化剂在脱硫和再生过程中均有催化作用，故可适当降低再生空气量。但是，减少再生空气量后会影响硫泡沫的漂浮效果，因此在实际生产中不降低再生空气量，而是适当减少再生停留时间，再生生产操作控制在20min左右。 煤气中杂质对脱硫效率的影响生产实践表明，煤气中煤焦油和萘等杂质不仅对煤气
26、的脱硫效率有较大影响，还会使硫磺颜色发黑。因此，要求进入脱硫塔的煤气中煤焦油含量小于50mgm3，萘含量不大于05gm3。6 硫渣再生塔顶部硫泡沫进入熔硫工序，在熔硫过程中产生的硫渣，可送回硫釜中熔硫，这样还可减轻硫渣对环境的污染。但是目前一些熔硫釜的运行操作情况不理想，硫渣和硫膏分离不好，而操作费用又高，现在一些厂使用了板框压滤机替代熔硫釜分离硫泡沫成清液和硫膏，硫膏含硫在7075。板框压滤机操作，设备费和操作费低，但劳动强度大，操作环境差，生产的硫膏价值低。2.1.3 主要工艺操作控制指标主要控制指标如下：预冷塔补充氨水温度 40入脱硫塔煤气温度 2535入脱硫塔脱硫循环液温度 3545脱
27、硫循环液泵出口压力 0.5MPa进再生塔空气压力 05MPa脱硫塔阻力 1500Pa预冷塔阻力 5gLH(对苯二酚) 0103gLPDS含量 812mgkgF(硫酸亚铁) 0103gL悬浮硫 15gLNH4CNS和(NH4)2S2O3含量 250gL2.2管道仪表流程图管道仪表流程图(P&ID)的绘制是控制工程设计的核心内容，虽然在设计新体制中、各版管道仪表流程图(P&ID)并不归在控制专业工程设计的设计文件内。2.2.1控制方案的确定要进行生产过程的控制设计，必须先要了解生产过程的构成及特点。以化工生产过程为例来说明。化工生产过程的构成可由图2.2表示。图2.2 化工生产过程的构成化工生产过
28、程的主体一般是化学反应过程，化学反应过程中所需的化工原料，首先送入输人设备。然后将原料送入前处理过程，对原料进行分离或精制，使它符合化学反应对原料提出的要求和规格。化学反应后的生成物进入后处理过程，在此将半成品提纯为合格的产品并回收未反应的原料和副产品，然后进人输出设备中贮存。同时为了化学反应及前、后处理过程的需要，还有从外部提供必要的水、电、汽以及冷量等能源的公用工程。有时，还有能量回收和三废处理系统等附加部分。控制方案的确定主要包括以下几方面的内容：正确选定所需的检测点及其安装位置；合理设计各控制系统，选择必要的被控变量和恰当的操纵变量；生产安全保护系统的建立。包括声、光信导报警系统、联锁
29、系统及其他保护性系统的设计。在控制方案的确定中还应处理好以下几个关系1.可靠性与先进性的关系在控制方案确定时，首先应考虑到它的可靠性，否则设计的控制方案不能被投运、付之实践，将会造成很大的损失。在设计过程中将会有两类情况出现，一类是设计的工艺过程已有相同或类似的装置在生产运转中。此时，设计人员只要深入生产现场进行调查研究，吸收现场成功的经验与原设计中不足的教训，其设计的可靠性是较易保证的。另一类是设计新的生产工艺，则必须熟悉工艺，掌握控制对象，分析扰动因素，并在与工艺人员密切配合下，确定合理的控制方案。可靠性是一个设计成败的关链因素。但是从发展的眼光看，要推动生产过程自动化水平不断提高，使生产
30、过程处在最佳状态下运行，获取最大的经济效益，先进性将是衡量设计水平的另一个重要标准。随着计算机技术成功地应用于生产过程的控制后，除了常规的单回路、串级、比值、均匀、前馈、选择性等控制系统已广泛应用外，一些先进的控制算法。如纯滞后补偿、解耦、推断、预测、自适应、最优等也能借助于计算机的灵活、丰富的功能，较为容易地在过程控制中实现。况且，近年来人们对生产过程的认识逐步深化，人工智能的研究卓有成效，这些都为自动化水平的进一步提高创造了有利条件。所以，在考虑控制方案时，必须处理好可靠性与先进性之间的关系。一般来说，可以采用以下两种方法：一种是留有余地，为下步的提高水平创造好条件。也就是在眼前设计时要为
31、将来的提高工作留出后路，不要造成困难。另一种是做出几种设计方案，可以先投运简单方案，再投运下一步的方案。采用DCS等计算机控制系统后完全可以通过软件来改变方案这为方案的改变提供了有利的条件。2.控制与工艺、设备的关系要使控制方案切实可行，控制设计人员熟悉工艺，并与工艺人员密切配合是必不可少的。然而，目前大多数是先定工艺，再确定设备，最后再配控制系统。由工艺方面来决定控制方案，而自动化方面的考虑不能影响到工艺设计的做法是较为普遍的状况。从发展的观点来看，控制人员长期处于被动状态并不是正常的现象。工艺、设备与控制三者的整体化将是现代工程设计的标志。3.技术与经济的关系设计工作除了要在技术上可靠、先进外，还必须考虑到经济
