1 设计概述
1.1 设计目的和意义
工程设计是工程建设中一个重要的环节，是工程项目实施的依据。没有一个成熟的工程设计，就不可能有一个良好的实施结果，甚至会导致工程项目的失败。作为过控专业的学生，除了要有坚实的理论基础外，还必须掌握一些工程方面的知识，才能成为合格的自动化工程技术人员。通过此次的工程设计，让我们能建立起过程控制工程设计的概念，对过程控制工程设计有一整体的了解。特别是在老师的指导下，进行自控工程设计的训练，使我们在毕业后走上工作岗位，如果在自控工程领域工作，可大大缩短熟悉的过程。可以说自控工程设计是我们过控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。
自控工程设计是为了实现生产过程的自动化，用图纸资料和文字资料的形式表达出来全部工作。也是我们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用的一个极好的过程。自控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，实施自控方案的具体体现。完成自控工程设计，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，如项目概念及项目运作方式、招标及投标、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。在经过一次自控工程设计的全面训练后，能使我们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。
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。
1.2 课程设计任务
1.2.1工程设计的任务
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
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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。
在这个“新体制”中，列出自控工程设计的八项任务：
① 负责生产装置、辅助工程和公用工程系统的检测、控制、报警、联锁/
停车和监控/管理计算机系统的设计；
② 负责检测仪表、控制系统及其辅助设备和安装材料的选型设计； ③ 负责检测仪表和控制系统的安装设计；
④ 负责DCS、PLC、SIS、ESD和上位计算机（监控、管理）的系统配置、
功能要求和设备选型，并负责或参加软件的编制工作； ⑤ 负责现场仪表的环境防护措施的设计；
⑥ 接受工艺、系统和其他主导专业的设计条件，提出设备、管道、电气、
土建、暖通和给排水等专业的设计条件； ⑦ 负责控制室、分析器室以及仪表车间的设计； ⑧ 负责工厂生产过程计量系统的设计。 1.2.2工程设计内容
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 ④ ⑤
征集研究用户对P&ID及仪表设计规定的意见；
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； 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。
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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。
2 设计说明
2.1 HPF法脱硫工艺简介
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。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
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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30～35℃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20～25℃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50mg／m3。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H2S、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 + 1／2O2 → NH4OH + S (8)
(NH4)2S + 1／2O2 + H2O → 2NH4OH + S (9) (NH4)2S + 1／2O4 + 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(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
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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，以增加脱硫液中的碱源。
其工艺流程图[5][6]如下：
图2.1 氨法HPF脱硫工艺流程
2.1.2HPF法脱硫工艺特点
以氨为碱源、HPF为催化剂的焦炉煤气脱硫脱氰新工艺，具有较高的脱硫脱氰效率(脱硫效率99%，脱氰效率80%)，脱硫后煤气H2s含量在50mg／m3以下。而且流程短，不需外加碱，催化剂用量小，脱硫废液处理简单，操作费用低，一次性投资省。
硫磺收率一般为50%～ 60%，硫损失约为40%，这部分硫主要生成硫氰酸铵和硫代硫酸铵随废液流失，其废液量约为300～500kg／(1000m3·h)，废液回兑至配煤中，对焦炭的质量有一定的影响。
硫膏产品质量不理想，外观多为暗灰色，纯度90%左右，产品销售难度大。若后续能再配置硫膏生产硫酸的工艺，硫酸用于硫铵生产，
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则HPF工艺不失为一种完善的工艺。
脱硫塔中可以填充聚丙烯填料(或波纹填料)，不易堵塞，脱硫塔操作阻力较小，生产成本较低。
脱硫废液送往配煤，工艺简单，对周边环境无污染。再生塔采用空气与脱硫液预混再生，再生过程排放的尾气量少，尾气含氨达2．5g／m3左右，如直接排往大气不但损失了氨，而且还会污染环境，故尾气必须进一步净化处理。
在脱硫过程中，因氨生成(NH4)2S2O3和NH4CNS等氨盐随废液回兑至配煤
中，以及再生尾气带出而损失一部分。氨的损失率约15%。
2.1.3HPF法脱硫操作条件
山西南村化工设计焦炭年产量为1万吨。
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NH3·H2O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250g／L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25～35℃，脱硫液温度应控制在35～40℃。
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50mg／m3、含萘小于0．5g／m3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3g／m3时，脱硫液中所含的氨小于7g／L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
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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／(m2·h)。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50mg／m3，萘含量不大于0．5g／m3。
7)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70～75％。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。 2.1.4 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 25～35℃ 入脱硫塔脱硫循环液温度 35～45℃ 脱硫循环液泵出口压力 ≥0.5MPa 进再生塔空气压力 ≥0．5MPa 脱硫塔阻力 <1500Pa 预冷塔阻力 <500kPa 泡沫槽液位 满流管以下
预冷塔及脱硫塔液位 必须低于煤气入口管低
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熔硫釜内压力 ≤0．4MPa 进再生塔溶液流量(单塔) ～1 000m3／h 釜内外压差 ≤0．2MPa 外排清液温度 60～90℃ 脱硫溶液组成：
pH 8.2～9 游离氨 >5g／L H(对苯二酚) 0．1～0．3g／L PDS含量 8～12mg／kg F(硫酸亚铁) 0．1～0．3g／L 悬浮硫 <1．5g／L NH4CNS和(NH4)2S2O3含量 <250g／L
2.2 控制方案
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(P&ID)。 2.2.1自控方案确定原则
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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当在与工艺人员共同研究的基础上进行。要把控制设计提到一个较高的水平，控制设计人员必须熟悉工艺，这包括了解生产过程的机理，掌握工艺的操作条件和物料的性质等。然后，应用控制理论与过程控制工程的知识和实际经验，结合工艺情况确定所需的控制点，并决定整个工艺流程的控制方案。
控制方案的确定主要包括以下几方面的内容： (1)正确选定所需的检测点及其安装位置；
(2)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；
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(3)生产安全保护系统的建立。包括声、光信导报警系统、联锁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
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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，还必须考虑到经济上的合理性。过程中应在深入实际调查研究的基础上，进行方案的技术、经济性的比较。
处理好技术与经济的关系，控制水平的提高将会增加仪表等软、硬件的投资，但可能从改变操作、节省设备投资或提高生产效益、节省能源等方面得到补偿。当然，盲目追求而无实效的做法，并不代表技术的先进，而只能造成经济上的损失。此外，自动化水平的高低也应从工程实际出发，对于不同规模和类型的工程，做出相应的选择，使技术和经济得到辨证的统一。 2.2.2主要控制回路及其控制策略
由于此次设计，只是选择部分工艺流程，所以所需控制点较少，主要控制点有：
表2-1 脱硫工艺主要控制点
控制点 进脱硫塔脱硫液流量 换热器出口脱硫液温度
（1）、进脱硫塔脱硫液流量的控制
控制系统类型 串级 简单 范围 此控制回路系统为串级控制系统，其主被控变量为进脱硫塔脱硫液流量。 主回路是通过流量计过检测入脱硫塔的脱硫液的流量，变送后与其设定值进行比较得到偏差。将偏差送入控制器按一定算法产生控制信号驱动电动调节阀，来减小偏差。而进入脱硫塔的脱硫液流量势必会受到进入脱硫塔的煤气流量的影响，所以将进入脱硫塔的煤气流量通过流量计检测反馈给主回路。
进脱硫塔脱硫液流量控制回路如下图2-3所示：
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图2-3进脱硫塔脱硫液流量控制回路
（2）、换热器出口脱硫液温度的控制
此控制回路系统为简单控制系统，其被控变量为出口脱硫液温度。 进换热器的脱硫液与冷却水逆流接触换热，来降低脱硫液的温度。要使得脱硫液温度控制在一定范围内，可以增加补充冷却水的流量或者减小脱硫液的流量来实现。从工艺合理性考虑，减小脱硫液流量势必影响生产工艺过程的负荷，可能影响正常的生产。所以通过改变冷却水的流量来达到控制目的。脱硫液的温度，
设定值 温度控制器 换热器 脱硫液温度 电动调节阀 热电偶 HPF法脱硫工艺课程设计 13
与设定值比较得到偏差送入控制器，控制器根据一定得算法产生控制信号驱动调节阀。
图2-4 脱硫液温度控制系统简化方块图
换热器出口脱硫液流量控制回路如下图2-5所示：
图2-5换热器出口脱硫液流量控制回路
2.2.3 图例符号的统一规定
工程设计都是以图形和代号等工程设计符号来表示的，在控制工程设计的图纸上，按设计标准，均有统一规定的图例、符号。在本节把行业标准《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》中的一些主要内容作简要介绍，这些文字代号和图形符号主要用于工艺控制流程图、管道仪表流程图的应用。
一、仪表位号
在检测、控制系统中，构成一个回路的一组工业自动化仪表，其中每个仪表(或元件)都用仪表位号来标识。仪表位号由字母代号组合和回路编号两部分组
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成，仪表位号中的第一位字母表示被测量，后继字母表示仪表的功能；回路的编号由工序号和顺序号组成，一般用三位至五位阿拉伯数字表示，如下图2-6所示：
图2-6仪表位号
二、图形符号
过程检测和控制系统的图形符号，一般来讲包括测量点、连接线（引线、信号线）和仪表圆圈三部分组成。
2.3管道仪表流程图（P&ID）的绘制
根据脱硫工艺流程图（PDF），以及有关的工艺参数、条件等情况，确定全工艺过程的控制方案。用标准HG-T 20505-2000《过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号的统一规定》，在工艺流程图上按其流程顺序标注控制点和控制系统，绘制工艺控制流程图（PCD）。随着设计系统、深入进行绘制出管道及仪表流程图（P&ID）。
本设计的管道仪表流程图请参阅附图纸。
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3 控制系统的选型
3.1几种常见控制系统特点及比较
3.1.1 PLC控制系统
PLC传统的继电器回路发展而来，主要特点如下：
（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。 （2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。 （3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机 作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
（5）PLC网格既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。
（6）大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。
（7）PLC网络如Siemens公司的SINEC—L1、SINEC—H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NET、MELSEC—NET/MINI。
（8）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。 （9）制造商：GOULD（美）、AB（美）、GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。 PLC控制系统的组成:
由PLC构成的控制系统也是由输入、输出和控制三部分组成，PLC控制系统的输入、输出部分和电器控制系统的输入、输出部分基本相同，但控制部分是采用“可编程”的PLC，而不是实际的继电器线路。因此，PLC控制系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解决了电器控制系统控制电路难以改变的问题。同时，PLC控制系统不仅能实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。 3.1.2 DCS控制系统
DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来，其主要特点如下：
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（1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技术于一身的监控技术。
（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。 （3）PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 （4）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。
（5）模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。
（6）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。
（7）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。
（8）缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。
（9）用于大规模的连续过程控制，如石化等。
（10）制造商：Bailey（美）、Westinghouse（美）、HITACH（日）、LEEDS & NORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB （瑞士）、Hartmann & Braun（德）、 Yokogawa（日）、Honeywell（美国）、Taylor（美）等。 3.1.3 FCS控制系统 FCS系统的特点如下：
（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、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。
（4）在总线上PID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。
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（9）局域网，再可与internet相通。
（10）改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。 （11）制造商：美Honeywell 、Smar 、Fisher— Rosemount、 AB/Rockwell、Elsag— Bailey 、Foxboro 、Yamatake 、日Yokogawa、欧 Siemens、 GEC—Alsthom 、Schneider、 proces—Data、 ABB等。 3.1.4PLC与DDZ的比较
传统的模拟量控制系统主要采用电动组合仪表，常用的有DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型仪表。其特点是结构简单、价格便宜，但体积大、功耗大、安装复杂、通用性和灵活性较差、控制精度和稳定性较差。另外，其控制运算功能简单，不能实现复杂的过程控制。 PLC是在DDZ-Ⅲ型仪表的基础上，采用微处理器技术发展起来的第四代仪表。它的强大功能、灵活性、可靠性、控制精度、数字通讯能力是传统的电动组合仪表无法比拟的。PLC是智能化的工业装置，有其特色。PLC以开关量控制为主，模拟量控制为辅，且 PLC的可靠性、灵活性、强大的开关量控制能力和通讯联网能力，在模拟量控制上也富有特色。特别在开关量、模拟量混合控制系统中更显示出其独特的优越性。 3.1.5PLC与DCS的比较
1.控制处理能力
一个PLC的控制器，往往能够处理几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。而DCS的控制器，一般只能处理几百个I/O点（不超过500个I/O）。从集散体系的要求来说，不允许有控制集中的情况出现，太多点数的控制器在实际应用中是毫无用处的，DCS开发人员根本就没有开发带很多I/O点数控制器的需要驱动，他们的主要精力在于提供体系的可靠性和灵活性。而PLC不一样，作为一个独立的柔性控制装置，带点能力越强当然也就代表其技术水平越高了，至于整个控制体系的应用水平呢，这主要是工程商和用户的事情，而不是PLC制造商的核心目标。
2.硬件封装结构
PLC一般为大底版式机架，封闭式I/O模件，封闭式结构有利与提高I/O模件的可靠性，抗射频、抗静电、抗损伤。PLC模件的I/O点数有8点、16点、32点。
DCS大部分为19英寸标准机箱加插件式I/O模件，I/O模件为裸露式结构。
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每个模件的I/O点数有8点和16点，很少使用32点模件。
DCS的这种结构源于其使用领域主要在大型控制对象，19英寸标准机箱便于密集布置，较少的I/O点数则是由于对分散度的要求。PLC的大底版式机架，封闭式模件结构在管理和配置上更加灵活，单个设备的可靠性更高。
3. PLC与DCS 集散控制系统（DCS）是1975年问世的，它的是3C（computer、communications、control）技术的产物，它将顺序控制装置、数据采集装置、过程控制的模拟量仪表、过程监控装置有机地结合在一起，产生了满足各种不同要求的DCS。而今天的PLC加强了模拟量控制功能，多数配备了各种智能模块，具有了PID调节功能和构成网络、组成分级控制的功能，也实现了DCS所能完成的功能。
3.2控制系统的选型
通过上述比较，我们可以看出，PLC控制系统比其他类型的控制系统更适合这个工艺系统，因此，在本次的控制工程的设计中选用PLC控制系统对工艺过程进行控制。
3.3传感器的选型设计
3.3.1传感器选型设计原则 1 、工艺过程的条件
工艺过程的温度、压力、流量、黏度、腐蚀性、毒性、脉动等因素是决定仪表选型的主要条件，它关系到仪表选用的合理性、仪表的使用寿命及车间的防火、防爆、保安等问题。 2、操纵上的重要性
各检测点的参数在操作的重要性是仪表的指示、记录、积算、报警、控制、遥控等功能的依据。一般来讲，对工艺过程影响不大，但需经常监视的变量，可选指示型；对需要经常了解变化趋势的重要变量，应选记录型；而一些对工艺过程影响较大的，又需时时监控的对象，应设控制；对关系到物料衡算和动力消耗而要求计量或经济核算的变量，宜设积算； 一些可能影响生产或安全的变量，宜设报警。
3、经济性与统一性
仪表的选型也决定于投资的规模，应在满足工艺与自控要求的前提下，进行
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必要的经济核算，取得适宜的性能/价格比。
为了便于仪表的维修与管理，在选型时也要注意到仪表的统一性。尽量选用同一系列、同一规格型号及同一生产厂家的产品。 4、仪表的使用和供应情况
选用的仪表是较为成熟的产品，经现场使用证明可靠的；同时要注意到选用的仪表应当是货源供应充沛，不会影响到施工的进度。
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指针。 2、灵敏度的选择
通常 ，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测
量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂干扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3、频率响应特性
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传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有 — 定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中，应根据信号的特点 ( 稳态、瞬态、随机等 ) 响应特性，以免产生过火的误差。 4、线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5、稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6、精度
精度是传感器的一个重要的性能指针，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足
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整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 3.3.2温度测量仪表的选型 3.3.2.1、就地显示温度仪表
就地显示温度仪表选择南京万达仪器仪表厂供应的WSS系列双金属温度计。WSS系列双金属温度计的特点：
a．现场显示温度，直观方便 b．安全可靠，使用寿命长；
c. 抽芯式温度计可不停机短时间维护或更换机芯。
d. 轴向型、径向型、135º型、万向型等品种齐全，适应于各种现场安装的需要。
WSS系列双金属温度计的技术参数：
产品执行标准： JB/T8803-1998 GB3836-83
标度盘公称直径：60、100、150 精度等级：1.0、1.5 热响应时间：≤40s 防护等级：IP55
图3-1 WSS系列双金属温度计
回差：温度计回差应不大于基本误差限的绝对值。
重复性：温度计重复性极限范围切应不大于基本误差限绝对值的1／2。 角度调整误差：角度调整误差 应不超过其量程的1.0％。
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3.3.2.2温度检测仪表
温度检测仪表选择南京万达仪器仪表厂供应的WZCF-130和WZP2F-130两系列的热电阻。 产品特点： 1、应用
采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。 2、主要技术参数
电气出口：M20x1.5，NPTI1/2 热响应时间：≤8S 防护等级：IP65
隔爆等级：d‖BT4.d‖CT5 3.3.3压力仪表的选型 3.3.3.1、就地显示压力仪表
压力仪表选择南京万达仪器仪表厂供应的YJTW系列的耐腐耐高温压力表。 主要技术参数：
表3-1 YJTW系列表技术参数
型号 精确度 使用环境条件 温度影响 标度范围 使用温度如偏离0～0.6;0～YJTW-100 YJTW-150 -40～70℃， -40～+200℃ 1.6、2.5 （耐高温）, 20±5℃ 其温度附加误 差不大于1;0～1.6; 0～2.5;0～4;0～6; 0～10;0～25;0～40;0～60 相对湿度不大于85% 0.4%/10℃ 20±5℃
3.3.3.2压力检测、变送仪表
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压力检测、变送仪表选择南京万达仪器仪表厂供应的WD-PB系列的压力变送器。
该变送器特点：
1、高准确度、高稳定性，选用进口原装传感器，对整机在使用过程范围内的综合性温度漂移，非线性进行今昔补偿，因此在使用范围内非线性小，温度稳定性好。
2、可靠的机械保护和防爆保护，适用于各种恶劣环境。 3、可用于测量粘稠，结晶及腐蚀性介质。 4、4~20mADC标准电流信号输出，二线制工作。 5、体积小、重量轻，安装、调试、使用方便。
6、技术指标：
表3-2 WD-PB系列压力变送器技术指标
测量范围 精度 负载电阻 使用环境温度 使用环境湿度 抗震 过程连接方式
0~35MPa 0.5级 ≤750欧姆 -10~+80℃ ≤85% 10g 50Hz 1/2NPT;M20*1.5 过载极限 供电电压 输出信号 长期稳定性 绝缘电阻 外壳材料 1.5~3倍 12~36VDC 4~20mA 0.3%F.S/年 20M欧姆 铝合金 3.3.4流量测量仪表的选型
流量测量仪表选择江苏苏科仪表有限公司提供的SKLG系列孔板流量计和SKLZ系列金属转子流量计。 3.3.4.1SKLG系列孔板流量计
SKLG系列孔板流量计是测量流量的差压发生装置，配合各种差压计或差压变送器可测量管道中各种流体的流量。孔板流量计节流装置包括环室孔板，喷嘴等。孔板流量计节流装置与差压变送器配套使用，可测量液体、蒸汽、气体的流量，孔板流量计广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。
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特点：
▲孔板流量计节流装置结构易于复制，简单、牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。
▲孔板计算采用国际标准与加工
▲孔板流量计应用范围广，全部单相流皆可测量，部分混相流亦可应用。 ▲标准型节流装置无须实流校准，即可投用。
▲一体型孔板流量计安装更简单，无须引压管，可直接接差压变送器和压力变送器。
智能型孔板流量计特点
▲采用进口单晶硅智能差压传感器 ▲高精度，完善的自诊断功能
▲智能孔板流量计智能孔板流量计其量程可自编程调整。 ▲智能孔板流量计可同时显示累计流量、瞬时流量、压力、温度。 ▲具有在线、动态全补偿功能外，智能孔板流量计还具有自诊断、自行设定量程。
▲配有多种通讯接口 ▲稳定性高
▲量程范围宽、大于10：1 智能型孔板流量计技术指标 ▲高精度：±0.075%
▲高稳定性：优于0.1%FS/年 ▲高静压：40MPa ▲连续工作5年不需调校 ▲可忽略温度、静压影响 ▲抗高过压
3.3.4.2 SKLZ系列金属转子流量计
SKLZ系列金属转子流量计具有结构简单、工作可靠、适用范围广、测量准确、安装方便等特点，具有耐高温、耐高压、SKLZ系列金属转子流量计有普通
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型和防腐蚀型，以上两种类型均分为现场指示型（SKLZZ-）和电远传型（SKLZD-）、普通型流量传感器、仪表材料为（1Cr18Ni9Ti）、防腐型为（1Cr18Ni9Ti）内衬PTEF。
如果金属转子流量计测量的介质中含有铁磁性颗粒，就应在流量计入口处安装磁过滤器。它的材质应于对应的流量计相同。
主要技术参数 （1）基本
测量范围：水（20℃） 2.5-150000L/h 空气（20℃，0.1013MPa）0.07-4000Nm3/h 量程比：10：1 精度：1.5/2.5 工作压力：≤6.4MPa
工作温度：-40 ～ 350℃（氟塑料衬里-10 ～ 80℃） 环境温度：-20 ～ 80℃ 介质粘度：DN15≤5mPa.S DN25 ～ DN150≤250mPa.S
管体材质：1Cr18Ni9Ti,316L,内衬PTEF等 过程连接：法兰，或按用户提供
蒸汽佳套头：法兰，DN15/PN1.6，或按用户提供 （2）远传装置
①SK5W1-1角位移变送器 基本误差：1.5%F.S 输出信号：4 ～ 20mA 负载阻抗：350Ω 电源电压：24VDC 环境温度：-30 ～ 80℃ 出线口：M20 × 1.5 防爆标志：ExibIICT4
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3.3.5液位测量、变送仪表的选型
流量测量仪表选择江苏苏科仪表有限公司提供的SK-F2系列射频电容液位变送器。
变送器特点:
结构简单，安装容易。
耐腐蚀性强，用聚四氟乙烯做探杆。 耐高温，一般为200℃，特殊可达到1000℃。 耐高压，最高压为32MPa。 原理用途：
如果将探杆和容器壁视做两块相互平行的电极板，被测液体视做它们之间的介质，那么一个简单的电容形成了。当液位上升时，电容量就会增加，射频电路将这一变化转换为模拟信号输出。 酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面，中药等液体位测量。 技术性能：
量程： 0-125～3000mm（杆式） 精度： 0.5% 供电： 24VDC 输出： 4-20mA
电子部分工作温度： -40-85℃ 防护等级： IP65 防爆等级： dIICT6 3.3.6 电动阀门执行器的选型
电动阀门执行器选择上海益同仪器仪表有限公司的ML7420A6033系列执行器。
执行器特点： 防护等级：IP54
电源：24Vac(正负15％）50Hz/60Hz 功耗：7VA最大（24Vac) 轴杆推力： 600N
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执行器行程： 20mm
输入信号： 0-10Vdc或2-10Vdc 信号源输出阻抗： 1千欧姆 负载： 最大1mA
环境温度： 负10°C至50°C 储存温度： 负40°C至70°C
最大阀介质温度： 150°C，若介质温度超过150°C，需用高温组件43196000-001/002,温度范围扩展到220°C。 湿度： 5-95％相对湿度（无结露） 隔离： 保护等级（24Vac)
认证标志： UL94-5V防火符合CE要求 电缆接口： 两个标准的开孔位于执行器壳上 材料： 壳ABS-FR塑料 基座： PGTP-FR塑料 支架： 铸造铝 重量： 1.3公斤
3.4 PLC硬件配置
随着PLC控制的普及与应用，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国，日本，德国等国家引进的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。目前在国内应用较多的PLC产品主要包括：美国AB，GE，MODICON公司，德国西门子公司，以及日本OMRON，三菱公司等的PLC产品。因此PLC的品种繁多，其结构型式，性能，容量，指令系统，编程方法，价格等各有自已的特点，适用场合也各有侧重。因些，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。
选择恰当的PLC产品去控制一台机器或一个过程时，不仅应考虑应用系统目前的需求，还应考虑到那些包含于工厂未来发展目标的需要。如果能够考虑到未来的发展将会用最小的代价对系统进行革新和增加新功能。若考虑周到，则存储器的扩充需求也许只要再安装一个存储器模块即可满足；如果具有可用
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的通信口，就能满足增加一个外围设备的需要。对局域网的考虑可允许在将来将单个控制器集成为一个厂级通信网。若未能合理估计现在和将来的目标，PLC控制系统会很快变为不适宜的和过时的。
选型原则：
（1） 最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求。 （2） 在满足控制要求的前提下，力求简单，经济，操作方便。 （3） 考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。 硬件设计的主要步骤：
（1） 深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求。
（2） 确定I/O设备，常用的输入设备有按钮，选择开关，行程开关，传感
器等，常用的输出设备有继电器，接触器，指示灯，电磁阀等。 （3） 选择合适的PLC类型， 根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输
入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型。 （4） 分配I/O点，编制出输入/输出端子的接线图。
有必要说明，之后为PLC软件的设计，和本设计一起组成完整控制系统设计，包括系统梯形图程序、人机界面等的设计。 3.4.1、PLC的硬件选型
下面是西门子S7-200部分选型表
表3-3西门子S7-200编程软件选型表
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表3-4西门子S7-200硬件选型表（一）
表3-5西门子S7-200硬件选型表（二）
根据工艺控制情况选择以下型号：
中央处理单元CPU 6ES7 212-1BB21-0XB0 扩展模块 EM 6ES7 223-1PH20-OXAO 编程软件 6ES7 810-2BC01-0YX3 电缆、网络连接器，中继器 6ES7 292-1AG20-0AA0 操作面板 6ES7 272-0AA00-OYA0
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4 控制室设计
过程工业常采取集中控制方式，即所有现场信号都进入到中央控制室内。一部分信号经过控制计算返回到生产装置上以干预、调整生产过程，一部分信号在中央控制室内进行显示、趋势记录、报警。某些工程项目中也可能出现现场控制室、现场仪表室，这种情况不多见。
这里所说控制室是指中央控制室。控制室是生产操作人员运用自动化工具（DCS、FCS、PLC、智能仪表）对生产过程实行集中监视、控制的核心岗位。进行控制室设计时，不仅要为自动化工具正常地运行提供良好的条件，还要为生产操作人员提供良好的工作环境。
4.1设计要求
控制室设计的一般要求有如下几个方面：控制室的位置选择；控制室的面积；控制室的建筑要求；控制室的采光、照明；控制室的空调和采暖；控制室的进线方式及电缆、管缆敷设；控制室的供电及安全保护等。
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4.1.1位置选择
控制室的位置应位于安全区域内，选择在接近现场和方便操作的地方。方向宜朝南，对于高压和易爆的生产装置，宜背向装置。要避免接近振动源和电磁干扰的场所。对易燃、易爆和有毒及腐蚀性介质的生产装置，控制室应在主导风向的上风侧。 4.1.2尺寸设计
控制室的面积主要考虑到长度、进深以及盘前、盘后区大小的分配，以使于安装维修及日常操作。具体要求如下:
控制室的进深：有操纵台时不宜小于7. 5m；无操纵台时不宜小于6m；大型控制室长度超过20m一时，进深宜大于9m；小型控制室仪表盘数量较少时，进深可适当减少。盘前区：不设操纵台时，盘面至墙面距离一般不小于3. 5m；有操纵台时操纵台至盘面距离一般取2.5～4mc盘后区：包括仪表盘的进深和仪表盘后边缘至墙面的距离。盘后边缘至墙面的距离一般不小于1．5m。采用框架式仪表盘可取l .5～2m；屏式仪表盘宜取1.5～2. 5m；通道式仪表盘宜取0 .8m。若盘后有其他辅助设备，则要加辅助设备的宽度。 4.1.3控制室的采光
采用自然采光的控制室，采光面积和盘前区地面面积比不应小于l／5.自然采光不应直射仪表盘上，不要产生眩光，应有遮阳措施。人工照明的照度标准为：盘面及操纵台台面不小于3001x(勒克斯)，盘后区不小于200lx，控制室外通道、门廊不应小于100lx。对于事故照明，盘前应不低于50h．，盘后区不低于30lx。照明方式和灯具布置应使仪表盘盘面和操纵台得到最大照度．光线柔和，操作人员接近盘监视仪表时，不应出现阴影。 4.1.4控制室的供电及安全
控制室的供电及安全保护措施。供电与接地应分别符合《仪表供电设计规定》(HG20509—92)、《仪表接地设计规定》(HG 20513—92)的标准。控制室有可能出现可燃、有毒气体时，应设置可燃或有毒气体泄漏报警器。当位于火灾、爆炸危险场所时，宜采用正压通风，在所有通道关闭时，能维持30～50Pa压力，当未采用空调时，换气次数不应小于6次／小时。
4.2根据要求结合工程特点设计
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控制室平面图、地沟线缆敷设图（见附图）
4.3其他补充说明
控制室的空调主要用于采用电子式仪表为主的大、中型控制室和仪表设备对湿、温度有较高要求的场合冬季室外采腥计算温度小于0摄氏度的地区需设置采暖。
控制室的进线方式和电缆、管缆的敷设方式。常用的有架空进线和地淘进线两种方式。进线密封问题需慎重考虑。地沟进线室内沟底应高出室外沟底300mm~以上。并考虑排水、电缆、管缆的敷设应符合《仪表配管、配线设计规定》(HG 20512-——92)。
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5 仪表连接
自控工程设计中．除了确定恰当的控制方案、选择合适的控制工具(测量仪表、常规二次仪表、DCS系统、FCS系统、PLC系统与各种执行机构)、正确安装仪表之外，还要正确连接各个控制单元来构成控制系统。
控制系统各个单元之闻的信号是通过相互连接的电(管)缆、电(管)线进行传递的，连接正确则可正确的传递信号，各个单元可按部就班的协调工作．完成预想的设计目的。如果连接错误，则信号传输错误，相应的接收单元不能接受到相应的信号，此时各单元不能协调工作，也就不能完成预想的设计目的。因此，仪表的正确连接是自动控制系统对生产过程实行控制的前提。
仪表连接的内容除了各个单元之问信号的连接之外，还包括仪表工作时所需能量的连接，即还需要进行仪表电源、气源和液压源的连接。要保证控制系统和仪表的正常工作，仪表连接过程中还需要考虑抗干扰和使用安全问题，因此仪表连接还包括信号电缆屏蔽层接地、仪表接地端子接地等内容。
5.1系统的整体连接
控制系统的整体连接，即组成控制系统的各个单元的连接。根据各个单元的安装位置的不同大致可分为两部分，即控制室内仪表盘上仪表的相互连接，现场仪表与控制室仪表的相互连接。控制室内仪表盘上安装的仪表可分为仪表盘盘面安装仪表和仪表盘盘后安装的仪表。现场仪表主要是测量单元和执行器．其连接主要是和控制室仪表的相互连接。在某些小项目中不太重要参数可采用基地式仪表进行控制，此时会出现现场仪表之间的相互连接问题。
控制室仪表与现场仪表相互连接时必须采用电缆或管缆连接。根据工程的具体情况，可采用多芯电缆或管缆将若干个信号送到现场或将多个现场仪信号送到控制室内。采用本质安全仪表的防爆的自控工程，控制室与现场连接时要遵循相互隔离的原则，即本安信号与非本安信号不可共用同一根电缆．并且本安电缆与非本安电缆应当分开敷设或采取适当的隔离措施进行隔离。 5.1.1仪表回路接线/接管图
仪表回路接线圈是电动仪表的整体连接关系的表达。工程实践中，仪表盘盘
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内仪表(包括仪表盘盘面安装仪表和仪表盘盘后框架安装仪表)之间采用单根电线相互连接，仪表盘与现场仪表、与其他仪表盘内的仪表之间的相互连接；仪表盘与现场接线箱以及现场接线箱之问则采用多芯电缆相互连接。仪表回路接线图所要表达的是连接关系，因此该图中并未表示出哪些是电线连接，哪些是电缆连接。
在仪表回路接线图中，根据仪表的安装位置不同可分为现场安装仪表和控制室室内安装仪表，控制室室内安装仪表又可分为仪表盘盘面安装仪表(盘装仪表)和仪表盘盘后架装仪表(架装仪表)。因此，图中划分三个区域，即现场仪表区、架装仪表区和盘装仪表区．将所连接的仪表分别置于相对应的区域内。 各区内的仪表按《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》(HG 20505—92)规定绘制出相应的符号与位号，同时在该仪表附近标示出其型号。为了表达出仪表之间的相互连接．应当绘制出该仪表相应的接线端子，不用的端子可不绘出。
如果现场仪表采用接线箱连接．刚在现场仪表区内，在现场仪表的右侧绘制出接线箱，标上接线箱编号和接线箱端子编号。接线箱端子编号只绘制与该表连接有关的端子。包括该表的屏蔽与接地连接端子，其他与该表接线无关的端子则不必绘制。
由于控制室内的盘装仪表和架装仪表与现场仪表或其他仪表盘上的仪表连接时都要通过端子排相互连接，因此，需要在该图的架装仪表区绘翩出该仪表上的接线端子排。仪表盘盘后的靖子排通常有两个，即信号端子排(SX)和接地端子排(PG)，在小规模白控工程中．有时将这两个端子排合并为一个端子排(SX)。如果是采用本质安全防爆技术的自控工程。还需要单独设置本安信号端子排，因此,图中还需要绘制出本安信号端子排(IX)。
盘装仪表区内安装的仪表通常是一些记录仪、指示仪、调节器、报警器、按钮、切换开关等设备。这些仪表通常只与架装仪表、仪表盘上的端子排、本盘上的其他盘装仪表发生连接关系，个别场合也会与现场仪表发生直接连接，但这种情况比较少。
5.1.2仪表盘端子图/仪表盘穿板接头图
仪表回路图所表达的是控制系统的整体连接关系，作为施工依据的工程设计文件，仅绘制仪表回路图是不够的，因此，《自控专业施工图设计内容深度规定》
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(HG20506—92)中规定，除了仪表回路图之外，对于电动仪表来说，还需绘制仪表盘端子图或仪表盘背面接线图；对于气动仪表来说．还需绘制仪表盘穿板接头图或仪表盘背面接管图。仪表盘端子图／仪表盘穿板接头图和仪表盘背面接线图／仪表盘背面接管图与仪表回路图一起使用，表达出控制室内仪表盘仪表(包括盘装仪表和架装仪表)的连接关系。现场仪表的连接关系，则由电缆表／管缆表(或电缆、管缆敷设图)和接线箱接线图／接管箱接管图来表达。
这里所说的仪表盘端子图是指安装在某个仪表盘盘后(通常装在框架下部)的信号端子排的接线圈。仪表盘穿板接头图是指安装在某个仪表盘盘后(通常装在框架上部)的信号穿板接头的接管图。
5.2电缆/管缆的连接
控制系统各个组成部分之间的连接，大致可分为两部分，即控制室内的仪表相互连接与控制室仪表与现场仪表之间、现场仪表与现场仪表之间的相互连接。由于控制室仪表所处的工作环境相对优越，且相互距离比较接近，可以采用单芯的电线相互连接。
相对于控制室仪表来说，现场仪表所处的工作环境就比较恶劣，引向这些仪表的导线就需要有一定得保护措施，防护措施主要从两个方面加以考虑，即连接导线的电气防护措施与机械损伤防护措施，一般导线都不能满足这些要求。另一方面，控制室和现场之间的距离一般比较长，如每个信号都使用单芯的电线连接，势必增加电线的敷设工作量，造成工程费用开支加大。如果控制室和现场之间相对集中地信号采用多芯电缆进行连接，则可大大减少电线敷设工作。
采用气动仪表的中控工程，信号是通过气动管线或气动管缆进行传递。与采用电动仪表的自控工程类似，仪表盘内仪表采用单根的气动管线连接，控制室与现场之间采用多芯管缆连接。
5.2.1电缆线的敷设
电缆/管缆敷设设计部分是对仪表系统整体连接的具体实现，该部分设计内容也是影响自控工程质量的重要部分。电缆/管缆敷设设计师紧密相连的两部分，每个部分的设计改动都将影响到另一部分。
完成仪表整体连接设计之后，从仪表回路图中可以得到各个仪表端子、信号端子排、接线箱端子相互之间是如何对应连接的信息，但这只是概念上的连接，
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仅凭这些内容是无法施工的。 （1）电缆/管缆敷设的原则
1) 电缆电缆/管缆敷设的距离应当尽量短，这样可避免信号的过量衰减，减少引
入干扰的可能性，减少建设费用。
2) 电缆/管缆敷设的距离应当尽量避开高温、高粉尘场所，温度过高会影响信号
的传递，粉尘在电缆表面的沉积会影响电缆的散热。
3) 电缆/管缆敷设的路径应当尽量避开强振动场所，以及存在在较大机械损伤可
能性的场所，以避免对电缆/管缆产生的机械损伤。
4) 电缆敷设的路径应当尽量避开大功率用电设备，大功率用电设备周围存在较
强的电磁场，会对电信号产生较强的干扰。
5) 如果必须在强电磁场干扰场所敷设电缆，或不能避开产生机械损伤可能性的
场所，则应当穿保护管敷设。为避免电磁干扰而穿保护管，则保护管应当按接地原则进行接地。
6) 如有可能，电缆/管缆应当尽量敷设在建筑物内。
7) 如果现场仪表的位置相对集中，可以考虑其信号共用一条电缆/管缆。 8) 共用电缆/管缆时，现场应当设置接线箱/接管箱进行信号分接。 9) 不同类型的信号一般不共用一条电缆 10) 不同性质的信号不能共用一条电缆。 11) 强电信号与弱点信号不能共用一条电缆。
12) 不同性质的电缆一般不敷设在同一条电缆桥架内，如果不能避免则需要采取
相应的隔离措施。
13) 需要穿保护管时，一般一条电缆/管缆穿一条保护管，不能多条电缆/管缆穿
在一条保护管内。
14) 电缆/管缆敷设时应当尽量避免穿越建筑物的深缝隙，避免从穿越公路、河流
等，如果不能避免则应当采取相应的保护措施。 （2）电缆/管缆的敷设
在自动化工程中，仪表的电缆/管缆敷设常常采用埋设和架空两种敷设方法。当多芯长电缆/管缆需要穿越建筑物和道路时，或者现场不具备架空敷设时常常采用埋设方法进行敷设，这种敷设比较安全，但是不便于电缆/管缆的检修、更
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换操作。架空敷设时将电缆/管缆在空间的一定高度上进行敷设，这种敷设需要对电缆/管缆进行支护，汇线桥架这时自动化工程中仪表电缆/管缆架空敷设的重要设备。除了电缆/管缆架空敷设之外，还有一种在电缆沟内架空敷设的方法，这种方法是上两种方法的结合，采用这种敷设方式也需要使用汇桥架。
5.3设计仪表端子图
接线端子图（见附图）
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6 供电系统
自动控制系统工作时，需要能源为其提供能量。能源质量是自动控制系统正常工作的保证，能源质量的好坏直接影响自动控制系统的控制质量，因此能源系统的设计是非常重要的。
自动控制系统的能源可分为电源、气源和液压源．其中用的最多的是电源和气源。电源是为电动仪表提供能量，气源为气动仪表提供能量。一般来说一个工程既有电动仪表，也有气动仪表(例如气动薄膜调节阀)，因此两种能量都会用到。比较小的项目中也有可能只使用一种仪表(采用电动仪表和电动执行器或全部采用气动仪表)．因此也可能使用一种能量。
6.1仪表供电系统设计
6.1.1供电系统设计内容
(1)根据生产工艺以及所选用的自动化仪表的具体特点对供电的安全级别、电源交变类型、电压等级、用电量和供电质量提出要求；
(2)根据自动化仪表具体配置情况进行配电设计： (3)提供相应的电气设备材料表以备订货采购；
(4)如果仪表测量管线采用电伴热，还要进行电伴热设计。 6.1.2仪表供电要求
根据用电负荷在生产过程中的重要程度，提出不同的供电可靠性和连续性的要求。为了确保生产安全必须将负荷分类。根据国家标准《工厂电力设计技术规范》中的规定，电力负荷分为三级： （1）一级一类负荷(保安负荷)。
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当企业工作电源突然中断时，可能会发生爆炸、火灾、人身伤亡和关键设备损坏的用电负荷；出现上述情况时，相应的事故处理系统、关键设备的保护系统、工艺中紧急停车设备与操作系统、重要的计算桃与控制系统、报瞢与通讯系统等用电负荷。
化工生产过程中，高温高压设备、中高压蒸汽发生器、各种加热炉、各种反应器和气体发生器、反应器的冷却水泵、聚合反应器阻聚剂输送设备、大型压缩机的润滑油泵等通常是一级一类负荷。与之相对应的计算机系统、检测仪表和报警联锁系统、自动控制系统以及紧操作系统也是一级一类负荷。
这一类负荷必须由保安电源(紧急电源)供电。保安电潦(紧急电源)需要由两个相互独立电源提供电力。两个电源中一个为工作电源．一个为后备电源。当工作电源发生故障时应当能够及时切换到后备电源供电。相互独立是指当一个电源发生故障是不至于影响另一个电源供电。
后备电源通常有三种，即蓄电池、柴油发电机组和满足相对独立要求的其他电源。其中蓄电池可提供直流后备电源，也可通过逆变器提供交流电潦；柴油发电机组可提供交流后备电源，也可通过整流设备提供直流后备电源；满足相对独立要求的其他电源通常是电网中通过备用配电装置供电的电源。注意，因为市电是一个供电电同．电源的独立性只是相对的。对于特别重要的工序或设备，通常采用几种备用电源以增加安全保护性能。 （2）一级二类负荷(重要负荷)。
当企业工作电源突然中断时，将使企业的产品及原料大量报废，恢复供电之后，又需要很长时间才能恢复生产，可造成重大经济损失的负荷，以及从保安负荷中挑选剩下的重要负荷。
与这类生产单元相对应的测量与控制系统、计算机系统、报警联锁系统，其供电级别与工艺单元供电级别相同。
一级二类负荷应当由两个相互之间无联系的电源供电。如果两个电源问有联系，在发生任何一种电气故障时，两个电源的任何部分不应同时受到损坏。 （3）二级负荷(次要负荷)。
当企业工作电源突然中断时，企业连续生产过程被打乱．大量产品报废，生产过程需要较长时间才能恢复，可造成较大经济损失的负荷。连续生产过程中的
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大部分负荷都可划分在这一级中。
与这类生产单元相对应的测量与控制系统计算机系统、报警联锁系统，其供电级别与工艺单元供屯级别相同。应当保证当电力变压器或电力线路发生常见故障时不致中断供电。如果负荷较小或地区供电困难时，也可以采取一路供电。 （4）三级负荷(一般负荷)。
不属于一级、二级负荷的用电负荷。例如允许停电几个小时而不会造成生产损失的用电负荷、机修等辅助车间、生产主线之外的辅助工序等。这类用电负荷对供电无特殊要求，采用一路供电即可。 6.1.3对供电交变类型和电压等级的要求
供电交变类型是指所使用的电源是交流电源还是直流电源。电压级别是指电源电压的大小。
选择什么样的交变类型电源由所使用的仪表所决定。如果所使用仪表的电源为交流电则应当选择交流电源，如果所使用仪表的电源为直流电则应当选择直流电源。
电压等级要求同样根据仪表要求选择。一般交流电源仪表的电压为220V，直流电源仪表的电压为24V或48V。工程实践中，常常是这两种供电要求的仪表共同存在，这是就需要提供两种电源．即20V交流电源和24V直流电源。有些系列仪表本身就有两种供电型号可选．所以自动化工程当中通常都需要提供这两种电源。
6.1.4对供电质量的要求
供电质量要求是指对电源的电压、频率、电源电压降低、瞬间中断对问、负载能力、纹渡系数、渡动峰值、电源噪声等多方面的要求。
电动仪表是以电力为动力工作的仪表，电源质量的好坏直接影响仪表的工作质量。例如电源质量下降可能会造成仪表的精度和灵敏度下降，严重时可能会造成仪表损害，使控制与测量失灵。自动化工程对电源的要求可以归纳为以下几点。
(1)电源电压允许偏差： 交流电源：220V±10％ 直流电源：24V(一5％～+10％) 48V±10％ (2)电源频率：
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50HZ±1HZ。
(3)电源电压降低及线路电压降在允许范围内。
电源电压降低，主要是电网电压瞬间波动所致，特别是短时电压降低，有可能导致系统误控制动作。线路电压降．主要是供电线路较远时，当线径选择不当，由线路损失所致，一般用途的指示记录仪表．电源电压降低或线路电压降应不大于额定电压的25％。埘于重要的记录调节仪表及信号报警、联锁系统的电源允许的电压降的数值尚没有统一的规定。设计时可视具体仪表的电气特性及其所处系统的重要程度，提出相应的压降限制要求。
6.2仪表供电配电设计
6.2.1供电回路分组
按用电负荷的类型、电压等级、用电对象及场所分布进行分组供电。例如按仪表及自动化系统、报警与联锁系统、电伴热保温系统等分别设置供电回路。还可按“保安负荷”用电和一般工作电源用电分别设置供电回路。也可按电压等级、交流或直流分组供电。一般不允许一类类型用电负荷接入到另一类用电负荷供电回路中。
分组供电具有下列好处： (1)可保证安全可靠的供电；
(2)各供电回路简单明了．回路电压单～专用，可以避免误操作：
(3)重要(保安负荷)回路与一般回路．本安回路、联锁回路与一般回路的各用户主次分明，重点突出。 6.2.2配电方式
根据用电仪表分布情况与用电负荷的大小，仪表烘电可分为三级供电，二级供电和一级供电三种供电方式。
三级供电方式由总供电箱{柜、盘)向各分供电箱(柜、盘)供电，再由各分供电箱（柜、盘)向设置在最底层的各供电箱供电。三级供电系统一般用于车问多且分散、仪表用电量大的大型工程二级供电方式由总供电箱(柜、盘)直接向设置在最底层的各供电箱供电。二级供电系统一般用于中、小工程，这种工程仪表用电量不是很大且仪表分布相对比较集中。
所谓一级供电就是不设置总供电箱(柜、盘)，而是由电源直接向设置在最底层的
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各供电箱供电。
上述三种配电方式中，单回路供电方式属于并联供电，各分供电箱(柜、盘)可以单独设置电源开关，并且某个分供电箱(柜、盘)电源开关的闭合与断开不会影响到其他分供电箱(柜、盘)的工作状态。环形回路供电方式属于串联供电，各分供电箱(柜、盘)不可单独设置电源开关，如果设置电源开关，如果某个分供电箱(柜、盘)电源开关断开，整个电源回路就会断开．则其他分供电箱(柜、盘)将不能正常供电。
无论单回路供电方式还是环形回路供电方式，各分供电箱(柜、盘)的电力负荷都集中在总供电箱(柜、盘)的一对(两个)端子上．如果这对端子出现问题则下面的各个分供电箱(柜、盘)都不能工作。这两种供电方式在进行电力负荷分配时也不够灵活。
多回路供电方式是将各个分供电箱(柜、盘)分别接到总供电箱(柜、盘)上的各组端子上，这样即可进行多回路供电，灵活的进行用电负荷的分配，也可以将端子故障(如接触不良、端子损坏等)的影响分散开来。所以上进三种配电方式中采用最多的为多回路供电方式。
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7 信号报警及连锁
7.1信号报警、联锁系统设计原则
信号报警及联锁系统是现代化生产过程中非常重要的组成部分，是保证安全生产的重要措施之一。其作用是对生产过程状况进行自动监视，当某些工艺参数达到或超过一定数值时，或者生产运行状态发生异常变化时，采用灯光和声音方式提醒操作人员注意．此时生产过程已经处在临界状态或危险状态，必须采取相应措施以恢复正常。如果生产过程出现剧烈变化．操作人员来不及采取措施，工艺参数继续上升(或下降)，联锁系统必须按照预先设计的逻辑关系自动的采取紧急措施．启动(或关闭)某些设备甚至自动停车，从而避免发生更大的事故，保证人身和设备安全。
合理的设计信号报警及联锁系统是保证生产安全进行的必要条件，另一方面．如果信号报警及联锁系统设计不台理．比如信号报警点过多、报警设定值过低(或过高)等，此时可能会出现，当工艺参数距离危险界限较远时发生多点报警，
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给生产操作带来不必要的麻烦。如果联锁系统中信号动作点过多、动作点设定值过低(或过高)，工艺参数距离危险界限较远时出现联锁操作．造成一些设备的频繁启动或停车．给生产设备造成损害，严重时甚至造成生产的局部乃至全线停车，对于大型的化工生产线来说．设备和工艺参数之间关联非常强，开车停车并非易事．所以每次开车停车都会花费大量的人力物力．因此如果信号报警及联锁系统设计不合理．这些不必要的停车将会造成很大的生产损失。
信号报警、联锁系统的设计原则如下:
(1)信号报警、联锁点的设置，动作设定值及调整范围必须符合生产工艺的要求。
(2)在满足安全生产的前提下．应当尽量选择线路简单、元器件数量少的方案。这是因为当线路复杂、元器件数量多时．信号报警、联锁系统本身就越发容易出现故障，容易出现误报警和误动作。此外应当优先选择定型产品或成套产品来构成信号报警、联锁系统。
(3)信号报警、联锁设备应当安装在震动小、灰尘少、无腐蚀气体、无电磁干扰的场所。
(4)信号报警、联锁系统即可采用有触点的继电器线路，也可采用无触点式晶体管电路。前者线路简单、价格低廉，后者逻辑功能多、灵活，可实现较复杂的逻辑功能。一般来说，信号报警系统即可采用有触点的继电器线路．也可采用无触点式晶体管电路。联锁系统则宜采用有触点的继电器线路。当前控制工程当中常常采用闪光报警器做声光报警用。
(5)信号报警、联锁系统中安装在现场的检出装置和执行器应当符合所在场所的防爆、防火要求；系统中安装在危险场所的按钮、信号灯、开关等元件应当符合所在场所的防爆、防火要求。
(6)信号报警系统供点要求与一般仪表供电等级相同，即由独立的电源回路和保护装置供电；联锁系统供电要求应当根据工艺装置的要求而定，为保证重要联锁系统稳定、可靠的工作，应当为其配备不问断电源，供电时间根据工艺装置的要求而定，一般不应小于30分钟。
(7)信号报警、联锁系统中各元件间用铜芯塑料导线相互连接，线芯截面积一般为1．O—1．5mm2。一般情况下电线可采用下列颜色：
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信号报警系统 黄色(注意) 联锁系统 红色(危险) 接地线 绿色(大地) 交流电源相线 黑色 交流电源零线 白色
7.2信号报警系统设计
7.2.1信号报警系统的组成
信号报警系统一般由检出元件、信号报警器以及信号灯、音响器、按钮等组成。
（1）检出元件对生产过程中的某个量进行自动监视．当该参数达到某一特定数值时，向信号报警系统提供一个开关信号，该信号通常是一个接点信号，即该参数达到某一特定值时，该元件的常开接点闭合，常闭接点断开。故检出元件为信号报警系统的输入元件。检出元件大致可分为以下四类。
①检出开关。这类验出装置通常由测量敏感元件、连杆机构、刻度标尺、可调设定装置和接点组成。测量敏感元件将生产过程变量的变化转变为一个位移变化，连杆机构将这个位移变化进行放大、变换．与设定装置进行比较，然后将信号传递给接点开关系统，如果变量越限，则接点状态发生变化。刻度标尺的作用是给出一个生产过程变量的指示。通过对可调设定装置的调整，可设定生产过程变量的报警动作点。这一类检出装置通常直接安装在生产设备上，由于他们处在生产现场，当生产现场是危险区域时，应当注意选择满足现场安全要求的检出装置。这类装置的安全等级一般是隔离防爆类型的。如果隔离防爆不能满足要求．则应当选其他类型的检出装置。这类常用的检出开有温度开关、压力开关、液位开关、流量开关。
②模拟信号报警开关。这类检出装置接收标准模拟信号，即4．20mA DC、0～lO mA DC、l-5VDC和0.02-0.1MPa，输出报警开关信号。该装置上通常都有刻度标尺和可调设定装置，刻度标尺的作用是给出一个生产过程变量的指示，可调设定装置一般可在全信号范围内调整．通过对可调设定装置的调整，可设定生产过程变量的报警动作点。接点开关系统则在变量越限时则发生状态变化。这类检出装置是一个独立的报警设定装置．接收的是标准模拟信号．因此可以和一般
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的模拟仪表(变送器)配合使用。一般将它安装在控制室内的仪表盘上，由于检出装置处在安全区域内．所以可以很好的解决防爆、防火问题。常用的电动、气动报警设定器、报警指示仪就属于这类检出装置。
③附属的辅助报警开关。这类报警开关是某些指示、记录仪的附属开关。在这类带有
报警开关的指示、记录仪上有一个可调整的报警值设定装置，通过该装置可以设定或改变报警动作点。当生产过程变量越限时，该表的指针就会越过报警设定点．从而带动内部机械机构将报警接点断开或闭合。这类常用仪表有动圈报警指示仪、色带报警指示仪、带报警接点的自动平衡电子电位差计和自动平衡电桥等。由于这类检出装置是指示、记录仪表的附属开关，而这类仪表是安装在控制室内的二次仪表．处在安全区域内。也可较好的解决防爆、防火问题。
④无触点报警开关。这类开关的工作原理是利用一个动金属片与开关端面之间距离的变化来决定是否触发开关动作．实际上是一种接近开关。与上面三种所不同的是．上面三种开关信号都是接点的通断，这种开关信号是半导体开关的通断，所以它只能与输人为半导体开关信号的电气元件配合使用。这类报警开关的安全等级有隔离防爆型和本质安全型两种。
信号报警系统的输入开关信号即可采用常开动合接点作为输入。也可采用常闭动断接点作为输入。这两种不同类型的输入信号各有特点，设计人员应当根据生产工作的具体要求进行选择。
（2）信号报警器可分为两类．有触点信号报警器和无触点信号报警器。前者是通过继电器接点进行逻辑运算，带动相应的信号灯和音响器(电铃、电笛、蜂鸣器等)发生声、光报警信号；后者是通过半导体逻辑电路进行逻辑运算，带动相应的信号灯发生光报警信号。这类信号报警器通常需要外接音响器才能发出声报警信号。
此外信号报警系统一般都配备有消声和试验按钮。消声按钮又称确认按钮，当过程变量出现越限时，信号报警系统便发出声、光信号报警，操作人员得知后按下消声按钮进行确认．音响信号停止，灯光信号变为平光显示．操作人员可根据灯光信号所显示的位号(每个信号灯都有监视变量位号)，采取相应的措施来消除故障．待过程变量回到正常状态之后，相应信号灯熄灭。
(3) 信号报警系统的功能和动作
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①一般信号报警系统的功能和动作
具有闪光信号的报警系统。当过程参数发生越限时．检出装置检测到这个信号并将它送到信号报警系统，报警系统发出声音报警信号．同时给出闪光或者旋光信号。操作人员得知后按下消音按钮．声音消失，信号灯变为平光指示。当过程参数回到安全范围之内时，灯光熄灭。
不闪光信号的报警系统。当过程参数发生越限时，检出装置检测到这个信号并将它送到信号报警系统，报警系统发出声音报警信号．同时给出不闪动的光信号。操作人员得知后按下消音按钮．声音消失．信号灯仍然保持亮的状态。当过程参数回到安全范围之内时，灯光熄灭。
②能区别第一事故原因的信号报警系统
生产过程中有时会在生产设备上设置几个不同的生产过程参数报警，当生产不正常时．为了便于事故原因分析，区分原发性故障，即第一原因事故，所以就必须设计一个能够区分第一事故原因的信号报警系统。可区分第一事故原因的信号报警系统也可分为两种．即闪光信号报警系统和不闪光信号报警系统。闪光信号报警系统以闪光方式显示第一事故原因的报警信号；不闪光信号报警系统通常以黄颜色表示报警，以红颜色表示第一事故原因的报警。
③能区别瞬时原因的信号报警系统
生产过程中参数越限可以分为两种情况．一种是瞬问越限，很短时间内又恢复正常；一种是较长时间的越限。对于第一种情况，如果不采用具有特殊功能的信号报警系统，很有可能操作人员还来不及确认．报警系统就恢复正常了。这不利于生产过程的监视。为此，设计人员应当设计出具有自保持功能，能够区别瞬间原因的信号报警系统。这种信号报警系统也有闪光和不闪光两种类型。
7.3联锁系统的设计
大型化工生产过程中由于生产流程长、生产设备多、参数多且,td互关系复杂，且多是在高负荷条件下生产。使得生产过程变化非常快。又由于对生产过程多是远距离监视和控制，并且监视和控制的变量又非常多，即使是控制仪表盘采用高密度安装．仪表盘上的仪表数量也是非常多的。由于这些问题的存在．可能会出现由于操作人员监视不及时．采取措施不果断而引发事故，严重时可能会出现人身安全和设备安全事故。为了解决这个问题．必须有联锁系统辅助操作人员
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对生产过程进行监视．在出现危险情况时自动采取措施。启动或关掉某些设备，防止事故进一步扩大。
联锁系统动作时也发出声光报警信号，但是同时还要发出联锁信号到执行机构，启动或关掉某些设备，从而切断或隔离生产过程中的某一部分，使危险尽量维持在较小情况下，与信号报警系统相比，不同之处在于联锁系统对故障检出信号处理之后。还要向生产过程输出信号对生产过程进行干预．所以联锁系统中要有信号输出部分和执行机构，除此之外，其他部分与信号报警系统在结构上、功能和要求是相似的，不同之处在于对联锁系统的可靠性要求更高，这是因为如果联锁系统内部故障会直接对生产过程产生重大影响。
7.4联锁设计图
根据联锁的原则，对工艺中的脱硫塔进行联锁控制图7-1：
图7-1脱硫塔联锁控制图
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8 安全防护及信号接地
自控设计中，根据仪表所安装的位置可以分为两类，即安装在控制室内的仪表和安装在现场的仪表。所有仪表除了信号联系之外，控制室内仪表除了相互之间的信号联系之外．还要通过电缆电线与现场仪表进行信号联系。由于室内仪表的工作环境是控制室，工作条件较好，如果控制室设计合理．采取恒温、净化、排除强电磁干扰等措施．一般不存在环境干扰问题。现场仪表除了与控制室仪表进行信号联系之外，还存在环境噪声、环境温度、环境气体的影响。由于要进行测量，还要与工艺介质接触，所以还要受到工艺介质的温度、形态、物性的影响。 自控设计中除了选择适当的控制方案及正确选择仪表之外，仪表的安全及防护措施也是非常重要的。为了使仪表系统能够可靠、精确的工作．自控设计中必须要解决好
仪表的各种防护问题。自控设计中的仪表防护问题有 ①仪表及仪表管的保温(隔热)问题； ②仪表测量部分与工艺介质的隔离问题：
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③信号的抗干扰问题；
④仪表的防爆(爆炸性环境气体)问题。
8.1仪表防爆设计
8.1.1防爆设计的重要性
燃烧与爆炸是化学反应的结果。都是一种剧烈的氧化反应。形成燃烧和爆炸的条件是，存在可燃物、氧气(空气)、足够商的温度或火源。当这些条件同时存在时就形成燃烧或爆炸，足以引发燃烧和爆炸的温度称之为点燃温度
防爆防火技术原理就是消除形成爆炸和燃烧的条件。即密封可燃物、隔离空气、消除火源和避免形成点燃温度。 8.1.2危险环境的分类
具有形成爆炸和火灾条件的场所称之为危险环境。危险环境可以分为两大类，即爆炸区和火灾区。
爆炸环境有两类，一类为：
①存在易燃气体、易燃液体的蒸气或薄雾； ②上述物质与空气混台并且达到爆炸极限：
③存在足以点燃爆炸性混合气体的火花、电弧或高温。 还有一类爆炸环境，即：
①存在易燃的粉尘、纤维、微小颗粒： ②上述物质与空气混合并且达到爆炸极限：
③存在足以点燃爆炸性混合气体的火花．电弧或高温。
火灾环境的形成条件与爆炸形成条件稍有不同．当上述条件①、③成立，但条件②不成立，也就是虽然有可燃物质存在，但是没有达达爆炸极限，此时有可能形成火灾环境。
8.2仪表接地设计
由于自动化控制工程中大量使用电子仪表和计算机系统，接地是一个非常重耍的问题，接地系统是这些控制设备安全可靠、稳定精确工作的保证。如果接地系统设计的不合理．可能会带来干扰，造成较大测量控制误差，以至于仪表系统不能投运或甚至可能损害仪表和计算机系统的I／0扳卡；如果接地系统中存在
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重大错误．还可能会造成重大的人身和设备安全事故。所以自控设计人员一定要重视接地系统的设计问题。接地系统中包括两类接地．即保护性接地和工作接地。 8.2.1接地作用和要求 1．保护性接地
设置保护接地的目的是保护设备和人身安全，以防设备带电发生事故。 正常情况下．用电仪表的外壳、电气设备的外表面、各种仪表盘(柜)等都不应该带电，但是在设备运行过程中因某些原因造成电气设备绝缘性能下降或被破坏，就有可能是电设备不该带电的部位带电．如果这时有人触及这些部位就可能出现危及人身安全的触电事故。由于设备外壳带电．在某些条件下可能会出现电火花．一旦现场具备条件就有可能出现 爆炸或失火，这是非常危险的。
为此将设备正常工作条件下不应带电的部位通过接地系统接大地，保证任何时候这些部位的电位都是零电位，此即为保护性接地。 自控设计中需要保护性接地的设备有： ①仪表盘(箱、柜、台)及底盘； ②用电仪表的外壳； ③配电盘(箱、柜)；
④金属接线盒、汇线槽、电缆桥架、导线穿管和铠装电缆的铠装层。 2．工作接地
工作接地是仪表系统正常工作的保证。正确的接地可抑制干扰、提高仪表的测量精度．提高仪表系统工作的安全性能。工作接地包括信号回路接地、屏蔽接地和本安仪表接地。 (1)信号回路接地
为了保证仪表系统正常工作，有时需要将信号回路的某点接地。这类接地可分为两种．第一种是仪表本身结构造成的事实接地，例如在温度测量过程中，为了减小温度测量的滞后常选择一些快速热电偶，而有一种快速热电偶是将热电偶的测温端点与保护套管焊接在一起以减小其温度惰性，将热电偶安装在设备上的时候．热电偶的测温端点就通过保护套管与设备相连，而化工设备通常是接地的，所以热电偶的测温端点也就与大地相通了。再比如pH计，其溶液也是通过该表
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的结构形成事实接地的。另一种是为抑制干扰而设置的接地。例如同样是采用热电偶的温度测量系统．为了克服高温下漏电流对温度测量的影响也需要将测温端点接地，这样就可保证测温端点与大地等电位，排除漏电流对温度测量的影响。除此之外还有仪表系统电源公共端(24Ⅵ)c的负端)、电磁流量计等都需要接地。 (2)屏蔽接地
为了克服电阻、电容、电感耦和干扰．需要将仪表系统中的一些部件用金属外层(金属管材、金属箱、金属编制层等)包裹起来，然后将这些金属外层接地。自控设计中需要考虑屏蔽接地的有：
①导线的屏蔽层、排扰线： ②仪表上的屏蔽接地端子：
③未做保护接地而用作屏蔽层的金属穿管、金属汇线槽和屏蔽仪表用的仪表外壳和仪表箱。 (3)本安仪表接地
采用本安型仪表的自控工程，本安仪表接地不仅仅是排扰措施，更是高安全性能的重要措施。因此必须严格按照设计规定以及仪表的使用要求进行接地。本安仪表接地除导线屏蔽接地之外，还需接地的部分包括：
①全栅的接地端子；
②盘装仪表和架装仪表上接地端子； ③24V直流电源的负极；
④现场仪表的金属外壳、现场仪表盘(箱、柜、台、架等)，现场接线盒、金属汇线槽、穿线管等配线金属部件。
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图 8-1 仪表工作接地系统结构示意图
8.2.2接地系统的设计原则与方法 1．接地系统的组成
接地系统由接地电极、接地导线两大部分构成一个接地网络系统，生产过程中的设备专业、电气专业、仪表专业、计算机信息系统等需要接地的部分都连接到该接地网络上。接地网络的主干部分一般由电气专业根据各相关专业所提要求规划设计。一些有特殊要求的单独设置的接地系统由相应专业自己设计。需要接她的电气设备．由相应的接地端子引线到该盘的接地母线或接地端子排上。通过接地分干线连接到公用连接板，所有公用连接板通过接地总干线接到接地电极上。保护接地系统也由这几部分组成。
根据具体工程的要求以及所使用的仪表、计算机等电气设备的接地要求，保护接地系统与工作接地系统可用接地电极或单独设置接地电极。根据HG,，T 20636．4—1998《自控专业与电气专业的设计分工》的规定，仪表接地系统中保护接地。接地(接地电极)和接地网干线(接地总干线)由电气专业设计，现场仪表到接地网由仪表专业设计；控制室内的仪表的接地系统由仪表专业提出公用连接板位置和接地总干线人口等设计要求．电气专业负责设计公用连接板及接地总干线到公用连接板之间的连接，仪表专业负责设计接地设备到公用连接板之闻的连接。工作接地系统的设计划分与上面的规定相似，接地体(接地电极)和接地网干线(接地总干线)由电气专业设计．仪表专业提出接地体(接地电极)的设置要求(单独设置还是合并设置)，接地电阻要求等。 2．接地设计的原则 。
接地电阻值是接地系统的一个非常重要的参数．电阻值越低说明接地性能就越好，该值大于一定数值就表明接地线路中有接触不良甚至开路点，此时该系统就不能实现接地目的。为此除了设计好接地体之外，接地导线的截面积、导线的连接方式、接地连接点的选择是影响接地电阻的重要因素。
由于某些电气设备需要作密封、抗振动等技术处理．需要使用导电性能不好的一些材料，比如橡胶、塑料等，由于这些材料的存在可能会使电气设备出现一部分接地良好，另外一部分不能接地的现象。保护性接地设计中．此时需要将电气设备上的这些部分用导线连接起来再接地．或者采用多点接地方法。应当尽量
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避免采用第二种方法，因为该方法接线比较混乱，不利于系统的维护检修。 工作接地设计时需要遵循的一个重要选择是：同一个信号回路、屏蔽层、排扰线接地中不能有一个以上的接地点。这样做的目的是避免由于地电阻存在所形成的地电位差，给仪表系统带来干扰，对于本安仪表系统来说，除了干扰之外还会带来不安全因素。如果多点接地是不可避免的，则应当用导线将多个接地点连接起来消除地电位差。
9 施工试验及验收
一个大的工程建设过程是一个非常复杂的系统工程。从工程开始的可行性
研究、工程的前期准备、初步设计、工程设计(施工图设计)到施工建设、试运行与验收，直至投产，各个阶段都非常重要。这些环节是紧密相关的，前一个环节直接影响到后一个环节的实施，因此工程管理就显得非常重要。
作为一个自控专业的设计人员．应当对各个环节有所了解，作为设计人员．对于工程设计的可宴施性应当特别关注。另一方面，设计单位在工程施工过程中，作为工程实施一方要参与工程的施工过程，设计人员有时作为设计代表驻扎在工地参与施工．解决施工过程中出现的设计问题。根据《自控专业的职责范围》(HG/T 20636.1-1998)中第六条的规定，在施工阶段，自控专业负责下列工作： ①向施工单位进行设计交底工作：
②派出设计代表到现场，配合仪表的安装、调校和开车工作； ③及时处理现场提出的问题，做好技术服务工作： ④做好现场施工、调试和开车工作总结； ⑤做好竣工图(需要的话)和设计回访工作。
因此，作为设计人员应当了解自控工程的施工、试运行及验收中的一些规定。
为了说明自控工程的施工、试运行及验收过程的问题，需要介绍一些工程组
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织方面的内容。首先需要说明的是工程项目实施过程中都有哪些单位参加，在工程实施过程中都担负什么样的责任。
9.1自控工程的施工
自控工程的施工是在工程设计(施工图设计)完成之后进行的。自控工程的施工是生产
自动化得以实现的重要环节。生产自动化的优劣即取决于工程设计的好坏．也取决于施工质 量的好坏。
对于自控工程的施工及管理，应当按照国家的相应法规、标准及规范进行。现有的涉及
自控工程的施工及管理国家及行业标准有：
①工业自动化仪表工程施工及验收规范(国家标准：GBJ 93—86)； ②自动化仪表安装工程质量检验评定标准(国家标准：GBJ 13l—90)； ③石油化工仪表工程施工技术规范(中石化标准：SHJ 521—9I)； ④工业控制计算机系统验收大纲(机械部标准：JH／T 5234)
⑤电气装置安装工程接地装置施工及验收规范(国家标准：GB 50169)；
电气装置安装工程低压电器施工及验收规范(国家标准：GB 50254) 9.1.1施工条件
自控工程什么时候进入到施工阶段，取决于整体工程进展情况，这包括相关专业的工程进展、自控工程的准备情况、相关人员的培训情况。一般可将这条件划分为组织机构和人员的准备、技术文件的准备和施工条件的准备。
(1)根据《化学工业大、中型装置试车工作规范》(HGJ 231—91)中的规定，“建设单位或生产单位必须在工程建设开始时即成立生产准备机构，负责各项生产准备工作，以满足试车和生产的需要，其主要领导必须从建设开始就主持该项工作，以保证工程建设与生产的衔接。”
(2)根据《工业自动化仪表工程施工及验收规范》(GBJ 13l一90)中的规定，“仪表工程应具有下列条件方可施工：
①设计施工图纸、有关技术文件及必要的仪表安装使用说明书已齐全； ②施工图纸已经过会审：
③已经过技术交底和必要的技术培训等技术准备工作：
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④施工现场已具备仪表工程的施工条件。”
(3)施工现场的土建、设备等工程已经完成并进行的必要的清理。施工现场的水、电、气符台仪表工程要求，交通、通讯设施良好。仪表设备已经到达现场并按要求进行仓储保管。 9.1.2施工工作内容
仪表工程施工工作大体上可分为管路部分、仪表部分、电线电缆部分和仪表盘(箱、柜)部分的施工。每部分可分为预处理和安装两步工作，例如管路部分，需要先进行除锈防腐蚀处理；仪表部分安装之前先进行检验调整，然后再进行安装。
各个部分安装的技术要求，在国标和行业规范标准中都有规定，内容比较多，也比较繁杂，此处不再一一列举，施工过程中参照相应标准执行。另一方面，施工过程中需要做好技术数据的记录工作，这些记录将作为工程试车、工程验收的技术文件。
9.2自控工程的试运行和验收
仪表工程安装工作结束之后，就进人到斌运行和验收阶段。 9.2.1仪表的调校
根据《工业自动化仪表工程施工及验收规范》(GBJ 131-90)中的规定，仪表的调校分两步进行，即单体调拉和系统调校。
单体调校即对单台仪表的检验、调整和校准。该步工作应当在仪表安装之前，在仪表调校室内进行。进行仪表调校的条件、所使用的调控工具、诵校的点数应当遵守《工业自动化仪表工程施工及验收规范》 (GBJ 131—90)中的规定。调校人员应当将调校结果认真地填写在调校记录中，以备交工时使用。
经过调校合格的仪表、相关的取源部件、仪表管路、仪表供电、仪表供气、相关电气设备及附件，接设计和《工业自动化仪表工程施工及验收规范》(GBJ 131—90)中的要求安装完毕之后，即为技术竣工合格状态，此时可进入试运行。 9.2.2仪表的试运行
技术竣工合格的仪表系统，可进行系统联调．系统联调也叫做系统调校。进行系统调校时，在系统的信号发生端(变送器或检测元件处)输入一个模拟信号，检查系统的误差。
如果系统误差不满足要求，则应当重新检查调校系统内的各个仪表。
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技术竣工合格的仪表系统，经系统调校合格并且符合设计要求，符台《工业自动化仪表工程施工及验收规范》(GBJ 131—90)中的规定，系统即为无负荷试运行合格。
无负荷联动试车合格的仪表系统．已接受了T艺参数信号，而且已起到对工艺参数的检测、调节、报警和联锁作用，并经48小时连续正常运行后，系统即为负荷试运行合格。
一般情况下，系统无负荷联动试车由仪表专业人员主持．工艺专业人员配合；系统负荷联动试车由工艺专业人员主持，仪表专业人员配合。
仪表系统负荷联动试车合格之后就可向生产单位进行交工，生产单位应当及时组织验收。 9.2.3仪表的交工验收
仪表工程交工时应当交验下列技术文件：
①工程竣工图； ②隐蔽工程记录；
③孔板、喷嘴、文丘里管及流量检测元件安装记录； ④电缆(线)绝缘电阻测定记录； ⑤接地电阻测定记录； ⑥管路压力试验、脱脂记录；
⑦仪表设备交接清单； ⑧未完工程项目明细表： ⑨ 仪表调校记录。
关于试车、交工过程中的验收文件的格式，可由工程各方商定。
严格的讲工程施工与验收已经不是过程工程设计的内容，但是作为工程设计人员应当对这些内容有所了解，所以这里只是对工程施工与验收进行简单介绍，工作实践中应当详细的阅读相关的国家规范和行业标准，严格按规定执行。
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