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1第一章绪论控制工程设计是为了实现生产过程的白动化，用图纸资料和文字资料的形式表达出来的全部工作。对于自动化专业的本科学生．在学习各专业课程后，进行一次控制工程设计的实践是十分必要的。l学习控制工程课程设计的重要性工程设计是工程建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。作为自动化一类工科专业的学生，从事控制工程设计将是毕业后工作任务中的一项重要内容。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。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2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—Ⅲ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(DistributedControlSystem,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，使得控制工程设计工作更为规范有序。4本书的编写宗旨本书的编写首先是为了自动化专业的学生，在校期间能较快地了解控制工程3设计的全貌，并在本书的指导下，针对某一工艺流程，进行一次控制工程设计的基本训练。因此，全书除了全面介绍控制工程设计的内容和程序外，还较为详细地讨论了完成设计任务中各项工作，具体的方法及步骤，应遵循的设计规程。第二章控制工程课程设计第一节课程设计要求一、课程设计目的《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，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：(1)独立工作能力和创造力；(2)综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；(3)查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；(4)工程绘图的能力；(5)编写技术报告和编制技术资料的能力。二、课程设计任务学习《过程控制工程》课程和下厂实习4周后，在对现场的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对实习环节的被控对象（控制装置），设计一个复杂控制系统（至少包含一个复4杂回路和6-7个简单回路），并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。1.独立完成设计任务，每个人根据下厂实习环节，确定自己的课程设计题目，每人一组；2.选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图；3.绘制控制系统原有的控制回路；4.利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软件，对控制系统进行组态；5.改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态；6.调节控制参数，使性能指标达到要求；7.写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。三、进度安排本次课程设计时间3周(第1、2、3周)1.第1周选用一种组态软件绘制系统工艺流程图；绘制控制系统原有的控制回路；2.第2周利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软件，对控制系统进行组态；3.第3周(1-3)改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态；调节控制参数，使性能指标达到要求；4.第3周(4)写设计工作小结5.第3周(5)演示、答辩四、课程设计说明书的编写规范写出不少于5000字的课程设计说明书。说明书中除了在封面应有题目、班级、姓名、学号和课程设计日期、地点以外，其正文一般有如下几个方面的内容：1.学生要认真复习教材，阅读有关规范、设计手册等资料，独立按5时完成任务；2.设计工艺流程和要求的简单说明；3.装置原有控制回路和重要控制策略介绍；4.确定控制方案，利用组态软件进行组态仿真设计的过程5.控制参数调整步骤和方法；6.仪表的选型，编写有关的仪表信息设计文件。第二节控制工程设计的方法一、控制工程设计的方法在接到一个工程项目后．进行控制工程设计时，按照什么样的方法来完成这些内容呢?1．熟悉工艺流程这是控制设计的第一步。控制设计人员对工艺熟悉和了解的深度将是重要的因素。在这阶段还需收集工艺中有关的物性参数和重要数据。2．确定控制方案，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，定出各检测点、控制系统，确定全工艺流程的控制方案．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)。3．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检测点，技照工艺提供的数据及仪表选型的原则，查问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。并编制出控制设备表或仪表数据表等有关仪表信息的设计文件。4．控制室设计控制方案确定，仪表选型后，根据工艺特点，可进行控制室的设计。对采用6常规仪表时，首先考虑仪表盘的正面布置，画出仪表盘布置图等有关图纸。然后均需画出控制宣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设计条件。5．节流装置和调节阀的计算控制方案已定，所需的节流装置、调节阀的位置和数且也都已确定，根据工艺数据和有关计算方法进行计算，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。6．仪表供电、供气系统的设计控制系统的实现不仅需要供电，还需要供气(压缩空气作为气动仪表的气源，对于电动仪表及DCS系统，由于目前还大量使用气动调节阀，所以气源也是不可少的)。为此需按照仪表的供电、供气负荷大小及配制方式，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。7．依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关设计文件土建、管道等专业的工程设计深入开展后，控制专业的现场条件也就清楚了。此时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．如列出电缆表、管缆表、仪表伴热绝热表等，画出仪表位置图、仪表电缆桥架布置总图、仪表电统(管缆)及桥架布置图、现场仪表配线图等。8．根据控制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控制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。9．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，7要对所有设计文件进行整理，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。第三节管道仪表流程图(P&ID：ProcessandInstrumentDrawing)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，但它仍是整个控制设计的龙头。所以．控制设计人员必须认真仔细地配合工艺、系统设计人员完成管道仪表流程图。第一节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2-1表示。图2-1化工生产过程的构成化工生产过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。化工生产过程的特点是产品从原料加工到产品完成，流程都较长而复杂，并伴有副反应。工艺内部各变量间关系复杂．操作要求高。关键设备停车会影响全厂生产。大多数物料是以液体或气体状态，在密闭的管道、反应器。塔与热交换8器等内部进行各种反应、传热、传质等过程。这些过程经常在高温、高压、易燃、易爆、有毒、有腐蚀、有刺激性臭味等条件下进行。控制方案的正确确定应