第3章　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范

3.1　管道及儀表流程圖（P&ID）的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的管道及儀表流程圖（P&ID，Process Instrument Drawing）的繪制是自控工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，各管道儀表流程圖并不歸在自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)文件內(nèi)，但它仍是整個(gè)自控設(shè)計(jì)的龍頭。所以，自控設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)真仔細(xì)地配合工藝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員完成管道及儀表流程圖。

3.1.1　控制方案的確定

3.1.1.1　熟悉被控對(duì)象

要進(jìn)行生產(chǎn)過程的自控設(shè)計(jì)，必須先要了解生產(chǎn)過程的構(gòu)成及特點(diǎn)。下面以選礦生產(chǎn)過程為例來說明，選礦生產(chǎn)過程的構(gòu)成可由圖3.1表示。

圖3.1中的選礦生產(chǎn)過程的主體一般是選別過程。選別反應(yīng)過程中所需的礦石原料，首先送入輸入設(shè)備，然后將原料送入磨礦過程，對(duì)礦石進(jìn)行粉碎以達(dá)到礦物與脈石充分解離，使粉碎后的礦石細(xì)度達(dá)到工藝要求和規(guī)格。礦石經(jīng)選別過程處理后獲得的產(chǎn)品進(jìn)入脫水處理，在此將精礦礦漿中的大部分水分脫除，然后由輸送設(shè)備將精礦粉輸送到礦倉中貯存。同時(shí)整個(gè)生產(chǎn)過程還需要從外部提供必要的水、電等能源的公用工程。還有尾礦處理、廢水回收處理系統(tǒng)等附加部分。

選礦生產(chǎn)過程的特點(diǎn)是從原料加工到產(chǎn)品完成，流程都較長而且復(fù)雜。工藝內(nèi)部各變量間關(guān)系復(fù)雜，操作要求高。關(guān)鍵設(shè)備停車會(huì)影響全廠生產(chǎn)。物料是以礦漿狀態(tài)，在磨礦設(shè)備內(nèi)粉碎，在管道內(nèi)運(yùn)輸，在選別設(shè)備內(nèi)進(jìn)行有用礦物與無用礦物的分離，在脫水設(shè)備中將精礦中的水分脫出。這些過程條件惡劣、機(jī)理復(fù)雜。

3.1.1.2　確定控制方案

控制方案的正確確定應(yīng)當(dāng)在與工藝人員共同研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行。要把自控設(shè)計(jì)提到一個(gè)較高的水平，自控設(shè)計(jì)人員必須熟悉工藝，這包括了解生產(chǎn)過程的機(jī)理，掌握工藝的操作條件和物料的性質(zhì)等。然后，應(yīng)用控制理論與過程控制工程的知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工藝情況確定所需的控制點(diǎn)，并決定整個(gè)工藝流程的控制方案。控制方案的確定主要包括以下幾方面的內(nèi)容。

①正確選定所需的檢測點(diǎn)及其安裝位置。

②合理設(shè)計(jì)各控制系統(tǒng)，選擇必要的被控變量和恰當(dāng)?shù)牟倏v變量。

③生產(chǎn)安全保護(hù)系統(tǒng)的建立，包括聲、光信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)及其他保護(hù)性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在控制方案的確定中還需要處理好以下幾個(gè)關(guān)系。

（1）可靠性與先進(jìn)性的關(guān)系。在控制方案確定時(shí)，首先應(yīng)考慮到它的可靠性，否則設(shè)計(jì)的控制方案不能被投運(yùn)、付諸實(shí)踐，將會(huì)造成很大的損失。在設(shè)計(jì)過程中，將會(huì)有兩類情況出現(xiàn)，一類是設(shè)計(jì)的工藝過程已有相同或類似的裝置在生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)中。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員只要深入生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，吸收現(xiàn)場成功的經(jīng)驗(yàn)與原設(shè)計(jì)中不足的教訓(xùn)，其設(shè)計(jì)的可靠性是較易保證的。另一類是設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)工藝，則必須熟悉工藝，掌握控制對(duì)象，分析擾動(dòng)因素，并在與工藝人員密切配合下，確定合理的控制方案。

可靠性是一個(gè)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。但是從發(fā)展的眼光看，要推動(dòng)生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平不斷提高，使生產(chǎn)過程處在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，先進(jìn)性將是衡量設(shè)計(jì)水平的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)成功地應(yīng)用于生產(chǎn)過程的控制后，除了常規(guī)的單回路、串級(jí)、比值、均勻、前饋、選擇性等控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用外，一些先進(jìn)的控制算法，如純滯后補(bǔ)償、解耦、推斷、預(yù)測、自適應(yīng)、最優(yōu)等也能借助于計(jì)算機(jī)的靈活、豐富的功能，較為容易地在過程控制中實(shí)現(xiàn)。況且，近年來人們對(duì)生產(chǎn)過程的認(rèn)識(shí)逐步深化，人工智能的研究卓有成效，這些都為自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高創(chuàng)造了有利條件。所以，在考慮自控方案時(shí)，必須處理好可靠性與先進(jìn)性之間的關(guān)系。一般來說，可以采用以下兩種方法。

一種是留有余地，為下步的提高水平創(chuàng)造好條件。也就是在眼前設(shè)計(jì)時(shí)要為將來的提高工作留出后路，不要造成困難。

另一種是做出幾種設(shè)計(jì)方案，可以先投運(yùn)簡單方案，再投運(yùn)下一步的方案。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，完全可以通過軟件來改變方案，這為方案的改變提供了有利的條件。

（2）自控與工藝、設(shè)備的關(guān)系。要使自控方案切實(shí)可行，自控設(shè)計(jì)人員熟悉工藝，并與工藝人員密切配合是必不可少的。然而，目前大多數(shù)是先定工藝，再確定設(shè)備，最后再配自控系統(tǒng)。由工藝方面來決定自控方案，而自動(dòng)化方面的考慮不能影響到工藝設(shè)計(jì)的做法是較為普遍的狀況。從發(fā)展的觀點(diǎn)來看，自控人員長期處于被動(dòng)狀態(tài)并不是正常的現(xiàn)象。工藝、設(shè)備與自控三者的整體化將是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的標(biāo)志。

（3）技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系。設(shè)計(jì)工作除了要在技術(shù)上可靠、先進(jìn)外，還必須考慮到經(jīng)濟(jì)上的合理性。所以，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)在深入實(shí)際調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性的比較。

處理好技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，自控水平的提高將會(huì)增加儀表等軟、硬件的投資，但可能從改變操作、節(jié)省設(shè)備投資或提高生產(chǎn)效益、節(jié)省能源等方面得到補(bǔ)償。當(dāng)然，盲目追求而無實(shí)效的做法，并不代表技術(shù)的先進(jìn)，而只能造成經(jīng)濟(jì)上的損失。此外，自動(dòng)化水平的高低也應(yīng)從工程實(shí)際出發(fā)，對(duì)于不同規(guī)模和類型的工程，做出相應(yīng)的選擇，使技術(shù)和經(jīng)濟(jì)得到辯證的統(tǒng)一。

3.1.2　管道及儀表流程圖（P&ID）的設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1.2.1　設(shè)備

（1）設(shè)備的名稱和位號(hào)。每臺(tái)設(shè)備包括備用設(shè)備，都必須標(biāo)示出來。對(duì)于擴(kuò)建、改建項(xiàng)目，已有設(shè)備要用細(xì)實(shí)線表示，并用文字注明。

（2）成套設(shè)備。對(duì)成套供應(yīng)的設(shè)備（如快裝鍋爐、冷凍機(jī)組、壓縮機(jī)組等），要用點(diǎn)畫線畫出成套供應(yīng)范圍的框線，并加標(biāo)注。通常在此范圍內(nèi)的所有附屬設(shè)備位號(hào)后都要帶后綴“X”以示這部分設(shè)備隨主機(jī)供應(yīng)，不需另外訂貨。

（3）設(shè)備位號(hào)和設(shè)備規(guī)格。P&ID上應(yīng)注明設(shè)備位號(hào)和設(shè)備的主要規(guī)格和設(shè)計(jì)參數(shù)，如泵應(yīng)注明流量Q和揚(yáng)程H；容器應(yīng)注明直徑D和長度L；換熱器要注出換熱面積及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；儲(chǔ)罐要注出容積及有關(guān)的數(shù)據(jù)。和PFD不同的是，P&ID中標(biāo)注的設(shè)備規(guī)格和參數(shù)是設(shè)計(jì)值，而PFD標(biāo)注的是操作數(shù)據(jù)。

（4）接管與連接方式。管口尺寸、法蘭面形式和法蘭壓力等級(jí)均應(yīng)詳細(xì)注明。一般而言，若設(shè)備管口的尺寸、法蘭面形式和壓力等級(jí)與相接管道尺寸、管道等級(jí)規(guī)定的法蘭面形式和壓力等級(jí)一致，則不需特殊標(biāo)出；若不一致，須在管口附近加注說明，以免在安裝設(shè)計(jì)時(shí)配錯(cuò)法蘭。

（5）零部件。為便于理解工藝流程，零部件如與管口相鄰的塔盤、塔盤號(hào)和塔的其他內(nèi)件（如擋板、堰、內(nèi)分離器、加熱/冷卻盤）都要在P&ID中表示出來。

（6）標(biāo)高。對(duì)安裝高度有要求的設(shè)備必須標(biāo)出設(shè)備要求的最低標(biāo)高。塔和立式容器須標(biāo)明自地面到塔、容器下切線的實(shí)際距離或標(biāo)高；臥式容器應(yīng)標(biāo)明容器內(nèi)底部標(biāo)高或到地面的實(shí)際距離。

（7）驅(qū)動(dòng)裝置。泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置要注明驅(qū)動(dòng)機(jī)類型，有時(shí)還要標(biāo)出驅(qū)動(dòng)機(jī)功率。

（8）排放要求。P&ID應(yīng)注明容器、塔、換熱器等設(shè)備和管道的放空、放凈去向，如排放到大氣、泄壓系統(tǒng)、干氣系統(tǒng)或濕氣系統(tǒng)。若排往下水道，要分別注明排往生活污水、雨水或含油污水系統(tǒng)。

3.1.2.2　配管

（1）管道規(guī)格。在P&ID中要表示出全部在正常生產(chǎn)、開車、停車、事故維修、取樣、備用、再生各種工況下所需要的工藝物料管線和公用工程管線。所有的管道都要注明管徑、管道號(hào)、管道等級(jí)和介質(zhì)流向。管徑一般用公稱直徑（DN）表示，根據(jù)工程的要求，也可采用英制（英寸）。若同一根管道上使用了不同等級(jí)的材料，應(yīng)在圖上注明管道等級(jí)的分界點(diǎn)。一般在P&ID上管道改變方向處標(biāo)明介質(zhì)流向。

（2）間斷使用的管道。對(duì)間斷使用的管道要注明“開車”、“停車”、“正常無流量（NNF）”等字樣。

（3）閥件。正常操作時(shí)常閉的閥件或需要保證開啟或關(guān)閉的閥門要注明“常閉（N.C）”、“鉛封開（C.S.O）”、“鉛封閉（C.S.C）”、“鎖開（L.O）”、“鎖閉（L.C）”等字樣。所有的閥門（儀表閥門除外）在P&ID上都要示出，并按圖例表示出閥門的形式；若閥門尺寸與管道尺寸不一致時(shí)，要注明。閥門的壓力等級(jí)與管道的壓力等級(jí)不一致時(shí)，要標(biāo)注清楚；如果壓力等級(jí)相同，但法蘭面的形式不同，也要標(biāo)明，以免安裝設(shè)計(jì)時(shí)配錯(cuò)法蘭，導(dǎo)致無法安裝。

（4）管道的銜接。管道進(jìn)出P&ID中，圖面的箭頭接到哪一張圖及相接設(shè)備的名稱和位號(hào)要交代清楚，以便查找相接的圖紙和設(shè)備。

（5）兩相流管道。兩相流管道由于容易產(chǎn)生“塞流”而造成管道振動(dòng)，因此應(yīng)在P&ID上注明“兩相流”。

（6）管口。開車、停車、試車用的放空口、放凈口、蒸汽吹掃口、沖洗口和滅火蒸汽口等，在P&ID上都要清楚地標(biāo)示出來。

（7）伴熱管。蒸汽伴熱管、電伴熱管、夾套管及保溫管等，在P&ID中要清楚地標(biāo)示出來，但保溫厚度和保溫材料類別不必示出（可以在管道數(shù)據(jù)表上查到）。

（8）埋地管道。所有埋地管道應(yīng)用虛線標(biāo)示，并標(biāo)出始末點(diǎn)的位置。

（9）管件。各種管路附件，如補(bǔ)償器、軟管、永久過濾器、臨時(shí)過濾器、異徑管、盲板、疏水器、可拆卸短管、非標(biāo)準(zhǔn)的管件等都要在圖上標(biāo)示出來。有時(shí)還要注明尺寸，工藝要求的管件要標(biāo)上編號(hào)。

（10）取樣點(diǎn)。取樣點(diǎn)的位置和是否有取樣冷卻器等都要標(biāo)出，并注明接管尺寸、編號(hào)。

（11）特殊要求。管道坡度、對(duì)稱布置和液封高度要求等均必須注明。

（12）成套設(shè)備接管。P&ID中應(yīng)標(biāo)示出和成套供應(yīng)的設(shè)備相接的連接點(diǎn)，并注明設(shè)備隨帶的管道和閥門與工程設(shè)計(jì)管道的分界點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)部分必須在P&ID上標(biāo)示，并與設(shè)備供貨的圖紙一致。

（13）擴(kuò)建管道與原有管道。擴(kuò)建管道與已有設(shè)備或管道連接時(shí)，要注明其分界點(diǎn)。已有管道用細(xì)實(shí)線表示。

（14）裝置內(nèi)、外管道。裝置內(nèi)管道與裝置外管道連接時(shí)，要畫“管道連接圖”。并列表標(biāo)出管道號(hào)、管徑、介質(zhì)名稱；裝置內(nèi)接往某張圖、與哪個(gè)設(shè)備相接；裝置外與裝置邊界的某根管道相接，這根管道從何處來或去何處。

（15）特殊閥件。雙閥、旁通閥在P&ID上都要標(biāo)示清楚。

（16）清焦管道。在反應(yīng)器的催化劑再生時(shí)；須除焦的管道應(yīng)標(biāo)注清楚。

3.1.2.3　儀表與儀表配管

（1）在線儀表。流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等在線儀表的接口尺寸如與管道尺寸不一致時(shí)，要注明尺寸。

（2）調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥及其旁通閥要注明尺寸，并標(biāo)明事故開（FO）或事故關(guān)（FC）、是否可以手動(dòng)等。我國鋼制調(diào)節(jié)閥閥體的最低壓力等級(jí)是4×10⁶Pa，而管道的壓力等級(jí)往往低于4×10⁶Pa，此點(diǎn)在P&ID上要注明，以免法蘭配不上。

（3）安全閥/呼吸閥（壓力真空釋放閥）。要注明連接尺寸和設(shè)定壓力值。

（4）設(shè)備附帶儀表。設(shè)備上的儀表如果是作為設(shè)備附件供應(yīng)，不須另外訂貨時(shí)，要加標(biāo)注，該儀表編號(hào)可加后綴“X”。

（5）儀表編號(hào)。儀表編號(hào)和電動(dòng)、氣動(dòng)信號(hào)的連接不可遺漏，按圖例符號(hào)規(guī)定（lead sheet）編制。

（6）連鎖及信號(hào)。聯(lián)鎖及聲、光訊號(hào)在P&ID上也要表示清楚。

（7）沖洗、吹掃。儀表的沖洗、吹掃要示出。

（8）成套設(shè)備。成套供應(yīng)設(shè)備的供貨范圍要標(biāo)明。對(duì)由制造廠成套供貨范圍內(nèi)的儀表，要加標(biāo)注，可在編號(hào)后加后綴“X”。

3.1.2.4　其他

在P&ID中要將特殊的設(shè)計(jì)及安裝要求標(biāo)示出來，也可作為注釋單獨(dú)列出，如開/停車聯(lián)鎖、再生要求、儀表與有關(guān)管道閥的安裝要求、特殊的專用管件等。

3.1.3　管道及儀表流程圖（P&ID）的繪制

根據(jù)工藝專業(yè)提出的工藝流程圖（PFD），以及有關(guān)的工藝參數(shù)、條件等情況，按照前面介紹的原則，可確定全工藝過程的自控方案。按照后面介紹的圖形符號(hào)、文字符號(hào)、圖例等繪制規(guī)定，在工藝流程圖上按其流程順序標(biāo)注控制點(diǎn)和控制系統(tǒng)，繪制工藝控制流程圖（PCD）。然后把工藝控制流程圖（PCD）提交給系統(tǒng)專業(yè)，由系統(tǒng)專業(yè)隨著工程設(shè)計(jì)的深入進(jìn)行，繪制出各版管道及儀表流程圖（P&ID）。

在工藝流程圖上標(biāo)注控制點(diǎn)和控制系統(tǒng)時(shí)，按照各設(shè)備上控制點(diǎn)的密度，布局上可作適當(dāng)調(diào)整，以免圖面上出現(xiàn)疏密不均的情況。通常，設(shè)備進(jìn)出口控制點(diǎn)盡可能標(biāo)注在進(jìn)出口附近。有時(shí)為照顧圖面的質(zhì)量，可適當(dāng)移動(dòng)某些控制點(diǎn)的位置。控制系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要作自由處理。對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的控制點(diǎn)最好都標(biāo)注在最上面一根管子的上面。