自控系统设计

编制：桂明哲制作单位：吉林市伯仲恒德自控设备有限责任公司前言自控系统是由检测仪表（如压力变送器、流量变送器、温度变送器、液位变送器等）、操作开关、逻辑判断与事件处理单元（由调节器、DCS、PLC等）、执行元件（如阀门、指行机构、电机等）构成的集合。自控系统的整体结构和布线设计是整个控制系统能否正常工作的基础，本人从事系统设计工作多年，将一些实际工作中的经验教训加以总结介绍给大家，希望对大家有所帮助。由于本人水平有限，难免出现错误，希望大家给予批评指正。课程内容一、一般工程的实施步骤二、确定控制方案、制作单回路控制框图三、仪表选型并确定现场仪表的性能及控制方式四、确定DCS/PLC类型五、设计系统单回路控制图六、机柜的选择七、分配I/O、设计机柜结构八、制作机柜布线图九、系统接地十、机柜布线一、一般工程的实施步骤1、根据使用方的工艺控制要求完成控制方案2、仪表选型3、根据控制方案设计系统单回路控制图4、根据自控系统规模（I/O数量）分配机柜5、选择并配置机柜，设计机柜内部器件布置图6、设计控制程序或组态调节器参数7、将程序下载至DCS或PLC并进行模拟测试8、系统整体调试、开车9、编制交工资料1、根据使用方的工艺控制要求，如动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁、操作方式（手动、自动、连续、顺序等）等对工艺的每一个环节仔细与工艺沟通。如果要想取得良好的控制效果就必须对工艺控制流程进行详细了解，了解工艺过程中每一个步骤，每一个参数对工艺的影响，并和工艺人员进行良好的沟通，那么你才能为自控系统设计打下一个良好的基础。二、根据使用方的工艺控制要求完成控制方案2、根据工艺流程图及与工艺人员的沟通结果设计系统控制方案并形成单回路控制框图，确定自控系统需要的输入/输出器件。常用到的输入器件有按钮、开关（选择开关、行程开关）、传感器（温度、压力、流量）等，常用的输出器件有继电器、指示灯、被控设备（阀门、变频器、电子装置）。单回路控制框图单回路控制框图并不需要什么标准，指示给自己看的，只要你自己能看明白就行。主要是开始阶段对控制方案的记录，还有对现场仪表的基本要求。压力检测PT-1101量程：-0.1-1MPa介质：水进入DCS只显示温度检测TE-1101量程：0-100℃介质：水，压力Max1MPa进入DCSPID调节记录、上下限报警调节阀介质：饱和蒸汽阀前压力：0.6MPa阀后压力：0.3MPa最小流量：0.5t/h最大流量：2t/h正常流量：1.3t/h工艺流程图中自控仪表常用标号含义详细参见化工工艺设计施工图内容和深度同一规定测量点PG1101现场仪表PT1101自控仪表PC1101DCS/PLCS执行机构调节执行机构字母首位字母后续字母A分析报警C电导率控制D密度差E检测F流量比值/分数G长度玻璃H手动I电流指示字母首位字母后续字母L物位信号M水分/湿度P压力/真空试验点Q数量/件数积分/累积R放射性记录/打印S速度/频率安全/联锁T温度传递实例：PIC-1101控点编号字母表述编号表示为压力显示控制编号为1101TE-1101表示温度检测点编号为1101仪表的选型对仪表能否成功使用往往起着很重要的作用，由于被测控对象的复杂状况以及仪表品种的繁多、性能指标各异，使得仪表选型比较困难。没有一种十全十美的仪表，各类仪表都有自己的特点，选型的目的就是在众多的品种中扬长避短选择自己合适的仪表。一般选型可以从五个方面进行考虑，这五个方面为仪表的性能、介质的特性、安装条件、环境条件和经济因素。三、仪表选型、确定现场仪表的性能及控制方式并完成控制方案1仪表性能准确度、重复性、线性度、范围度、量程范围、信号输出特性、响应时间、压力损失、最高承受压力等;2介质特性温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容、等熵指数等；3安装条件管道布置方向，流动方向，检测元件前后直管段长度、管道口径、维修空间、电源、接地、辅助设备（如过滤器、消气器）、安装位置、开口容器还是闭口容器等4环境条件环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道震动等；5经济条件仪表购置费用、安装费用、运行费用、校验费用、维修费用、使用寿命、备品备件。仪表选型步骤1依据介质种类及五个方面因素初选可用仪表类型；2对初选类型进行资料及价格信息收集，为进一步选型做条件准备3采用淘汰法进一步对五个方面进行精心反复比较确定目标。注：当仪表选型结束，就意味着仪表的参数及接线方式以确定，这时我们建立仪表产生表，其内容包括介质参数、仪表性能、仪表特性、接线方式、供电电源等！四、确定DCS/PLC类型随着DCS/PLC的推广普及，DCS/PLC产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的DCS/PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择DCS/PLC，对于提高DCS/PLC在控制系统中的应用起着重要作用。1、PLC、DCS、FCS控制系统的特点1.1PLC控制器的特点（1）主要侧重于开关量控制、顺序控制、逻辑处理。（2）事件处理速度快（可达到毫秒级），并接受外部事件中断（3）中小型可以处理少量模拟量（4）当前的PLC大系统同DCS的功能以十分接近。1.2DCS分散控制系统特点（1）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。（2）主要侧重于大量的模拟量处理（3）可处理大量闭环控制回路（4）可做全部或局部冗余（5）所有卡件/模块可在线更换1.3FCS现场系统特点FCS系统的本质是信息处理现场化（1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。（2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。（3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、控制中心，取代每台仪器两根线。（4）在总线上控制器与仪器、仪表、控制装置都是平等的。（5）多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。（6）是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。（7）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。（8）由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机（9）可组建局域网，并可与internet相通。（10）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准。（11）同时具备PLC/DCS特点2、PLC、DCS、FCS控制系统的选择上面我们已经介绍了PLC/DCS/FCS的特点，那么我们怎样为工程选择控制系统呢？虽然FCS系统具有许多优秀的特点，但由于各生成厂商为独霸市场，通讯协议不公开，造成各厂商之间系统不兼容、硬件不能互换，且价格昂贵，一般企业无法承受；另外尽管FCS系统十分先进，但毕竟是全新结构，其自身还需要进一步完善，所有目前使用量还是非常少。（我个人认为目前不宜选择）对于是选择DCS还是PLC我个人认为应从以下几点进行选择：1、控制系统对速度的要求如安全保护系统、机械手、流水线、铁路设备的控制要求控制器反映非常快，有时要求甚至达到1ms以内，此时应选择PLC。由于DCS系统反映较慢，所以对于高速应用不建议采用DCS。PLC的反映时间一般为1~100ms,DCS的反映时间一般为100~1000ms2、逻辑控制与模拟量控制的比例如控制系统中逻辑控制占的比例比较大选择PLC，否则选择DCS3、系统对冗余的要求如系统要求高可靠冗余以尽量减少因控制系统引起的停车，此时应选择DCS4、控制系统的规模如控制系统规模比较大应选择DCS5、在特殊情况下可选两者结合如系统规模较大且局部要求高速运行。首先根据控制方案规模选择DCS或PLC系统，确定DCS或PLC类型能够满足系统控制需求。控制系统的选择原则：1、确定控制系统是否有特殊输入、输出信号，如有DCS/PLC首先应能满足该信号。2、确定控制系统是否对响应时间有特殊要求，如有DCS/PLC是否能满足响应时间。3、DCS/PLC系统的控制规模是否够用并能保证有足够的余量。4、DCS/PLC系统控制器存储容量是否够用。（存储容量可按显示报警回路0.1K/回路、1K/调节回路、0.2K/流量累积估算，并留有一定余量）5、DCS/PLC系统通讯能力是否能满足要求6、DCS/PLC系统可扩展能力是否能满足用户要求7、DCS/PLC系统维护能力是否能满足用户要求3、DCS/PLC的选型五、设计系统单回路控制图单回路图内容包括：仪表所在区域、仪表型号、仪表工艺位号、仪表端子号、仪表辅助设备、连接电缆号、端子号等，具体标准请参照自控专业工程设计用图像符号和文字代号。同时应注明仪表的供电电压、功率、电源开关位号、保险丝规格等参数。单回路图例：六、机柜的选择机柜的主要功能是确保柜体中的设备正常运行，不受外界侵扰；并且保护操作者，使其避免危险的接触。机柜一直被看作是自动化控制应用领域中的附属产品，只是用来容纳DCS/PLC、变频器等设备的容器，并不被重视。但是，机柜却是这些昂贵的电气设备最直接的物理保护。那么机柜在自动控制应用中究竟应该如何选型，选型过程中应该注意那些问题呢？以下这几点是机柜选型时应该注意的几个方面：可靠的质量保证；承重保证；防护等级；温度控制系统；机柜的兼容性。机柜选择的重点条件：机柜的尺寸及安装版结构机柜的防护等级（防尘、防水、防爆）机柜及柜内安装件的承载能力（通过计算所安装元件的重量确定，并有足够的过载能力）机柜内部温度控制（通风或恒温控制）机柜防腐能力如出口还应考虑是否有相关认证机柜的颜色IP防护等级介绍防护等级IP54，IP为标记字母，数字5为第一标记数字，4为第二标记数字第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级，第二标记数字表示防水保护等级；第一个数字接触保护和外来物保护0无防护1防护50mm直径和更大的固体2防护12.5mm直径和更大的固体3防护2.5mm直径和更大的固体4防护1.0mm直径和更大的固体5防护灰尘6灰尘封闭第二个数字防水保护等级0无防护1垂直落下的水滴不应引起损害2柜体向任何一侧倾斜15度角时，垂直落下的水滴不应引起损害3防护溅出的水，以60度角从垂直线两侧溅出的水不应引起损害5防护喷水，从每个方向对准柜体的喷水都不应引起损害6防护强射水，从每个方向对准柜体的强射水都不应引起损害7防护短时浸水，柜体在标准压力下短时浸入水中时，不应有能引起损害的水量浸入8防护长期浸水可以在特定的条件下浸入水中，不应有能引起损害的水量浸机柜认证介绍1、欧洲采用IEC标准、DNV、TUeV、VDE等认证2、北美地区采用NEMA标准、CSA、UL/cUL认证对出口机柜通常都需要这些国外的认证。还有特殊需求的认证，比如船用设备，通常需要船级社的认证，象Lloyds’劳埃德船级社认证等。再有防爆箱体需要相应防爆等级的认证。七、分配I/O、设计机柜结构在自控系统中，机柜结构和布线设计似乎属于技术含量较低的工作，经常被人忽视，但是优秀的机柜结构及布线是避免柜内设备之间干扰、外界电磁干扰并保证设备可靠运行根本。同时优秀的机柜结构及布线保证了操作者的人身安全，在机柜的结构与布线设计上有很多需要考虑的问题。1、对于I/O的分配要遵循一定的原则对应较小规模的控制系统，可能只需要一台机柜或一个控制箱就能满足装配条件，这时不需要考I/O分配问题，只要考虑机柜结构和布局就可以了。对于大型的控制系统，一台机柜根本装不下所有的控制原件，这时就需要多机柜结构。此时不但要考虑机柜结构和布局，同时还要考虑为每台机柜分I/O的数量、类型及供电系统的配置。我个人在多年的实践中总结了一些规则，仅供各位参考：6.1.1、每台机柜I/O点上不宜过多虽然现在的DCS/PLC系统越来越小型化，I/O的密度越来越高，但每台机柜进入的电缆容量是有限度的。如分配的I/O点数太多就会给施工及日后维护带来不便。6.1.2、多点数卡件与小点数卡件合理分配如果多点数卡件过度集中到某一机柜，就会造成进