第3章 控制系统设计规范
3.1 管道及仪表流程图（P&ID）的设计
控制系统的管道及仪表流程图（P&ID，Process Instrument Drawing）的绘制是自控工程设计的核心内容，各管道仪表流程图并不归在自控专业工程设计的设计文件内，但它仍是整个自控设计的龙头。所以，自控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及仪表流程图。
3.1.1 控制方案的确定
3.1.1.1 熟悉被控对象
要进行生产过程的自控设计，必须先要了解生产过程的构成及特点。下面以选矿生产过程为例来说明，选矿生产过程的构成可由图3.1表示。
图3.1 选矿生产过程的示意图
图3.1中的选矿生产过程的主体一般是选别过程。选别反应过程中所需的矿石原料，首先送入输入设备，然后将原料送入磨矿过程，对矿石进行粉碎以达到矿物与脉石充分解离，使粉碎后的矿石细度达到工艺要求和规格。矿石经选别过程处理后获得的产品进入脱水处理，在此将精矿矿浆中的大部分水分脱除，然后由输送设备将精矿粉输送到矿仓中贮存。同时整个生产过程还需要从外部提供必要的水、电等能源的公用工程。还有尾矿处理、废水回收处理系统等附加部分。
选矿生产过程的特点是从原料加工到产品完成，流程都较长而且复杂。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。物料是以矿浆状态，在磨矿设备内粉碎，在管道内运输，在选别设备内进行有用矿物与无用矿物的分离，在脱水设备中将精矿中的水分脱出。这些过程条件恶劣、机理复杂。
3.1.1.2 确定控制方案
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。要把自控设计提到一个较高的水平，自控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。
③生产安全保护系统的建立，包括声、光信号报警系统、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需要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、付诸实践，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键因素。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，在考虑自控方案时，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）自控与工艺、设备的关系。要使自控方案切实可行，自控设计人员熟悉工艺，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，最后再配自控系统。由工艺方面来决定自控方案，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，自控人员长期处于被动状态并不是正常的现象。工艺、设备与自控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。所以，在设计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，自控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，使技术和经济得到辩证的统一。
3.1.2 管道及仪表流程图（P&ID）的设计内容
3.1.2.1 设备
（1）设备的名称和位号。每台设备包括备用设备，都必须标示出来。对于扩建、改建项目，已有设备要用细实线表示，并用文字注明。
（2）成套设备。对成套供应的设备（如快装锅炉、冷冻机组、压缩机组等），要用点画线画出成套供应范围的框线，并加标注。通常在此范围内的所有附属设备位号后都要带后缀“X”以示这部分设备随主机供应，不需另外订货。
（3）设备位号和设备规格。P&ID上应注明设备位号和设备的主要规格和设计参数，如泵应注明流量Q和扬程H；容器应注明直径D和长度L；换热器要注出换热面积及设计数据；储罐要注出容积及有关的数据。和PFD不同的是，P&ID中标注的设备规格和参数是设计值，而PFD标注的是操作数据。
（4）接管与连接方式。管口尺寸、法兰面形式和法兰压力等级均应详细注明。一般而言，若设备管口的尺寸、法兰面形式和压力等级与相接管道尺寸、管道等级规定的法兰面形式和压力等级一致，则不需特殊标出；若不一致，须在管口附近加注说明，以免在安装设计时配错法兰。
（5）零部件。为便于理解工艺流程，零部件如与管口相邻的塔盘、塔盘号和塔的其他内件（如挡板、堰、内分离器、加热/冷却盘）都要在P&ID中表示出来。
（6）标高。对安装高度有要求的设备必须标出设备要求的最低标高。塔和立式容器须标明自地面到塔、容器下切线的实际距离或标高；卧式容器应标明容器内底部标高或到地面的实际距离。
（7）驱动装置。泵、风机和压缩机的驱动装置要注明驱动机类型，有时还要标出驱动机功率。
（8）排放要求。P&ID应注明容器、塔、换热器等设备和管道的放空、放净去向，如排放到大气、泄压系统、干气系统或湿气系统。若排往下水道，要分别注明排往生活污水、雨水或含油污水系统。
3.1.2.2 配管
（1）管道规格。在P&ID中要表示出全部在正常生产、开车、停车、事故维修、取样、备用、再生各种工况下所需要的工艺物料管线和公用工程管线。所有的管道都要注明管径、管道号、管道等级和介质流向。管径一般用公称直径（DN）表示，根据工程的要求，也可采用英制（英寸）。若同一根管道上使用了不同等级的材料，应在图上注明管道等级的分界点。一般在P&ID上管道改变方向处标明介质流向。
（2）间断使用的管道。对间断使用的管道要注明“开车”、“停车”、“正常无流量（NNF）”等字样。
（3）阀件。正常操作时常闭的阀件或需要保证开启或关闭的阀门要注明“常闭（N.C）”、“铅封开（C.S.O）”、“铅封闭（C.S.C）”、“锁开（L.O）”、“锁闭（L.C）”等字样。所有的阀门（仪表阀门除外）在P&ID上都要示出，并按图例表示出阀门的形式；若阀门尺寸与管道尺寸不一致时，要注明。阀门的压力等级与管道的压力等级不一致时，要标注清楚；如果压力等级相同，但法兰面的形式不同，也要标明，以免安装设计时配错法兰，导致无法安装。
（4）管道的衔接。管道进出P&ID中，图面的箭头接到哪一张图及相接设备的名称和位号要交代清楚，以便查找相接的图纸和设备。
（5）两相流管道。两相流管道由于容易产生“塞流”而造成管道振动，因此应在P&ID上注明“两相流”。
（6）管口。开车、停车、试车用的放空口、放净口、蒸汽吹扫口、冲洗口和灭火蒸汽口等，在P&ID上都要清楚地标示出来。
（7）伴热管。蒸汽伴热管、电伴热管、夹套管及保温管等，在P&ID中要清楚地标示出来，但保温厚度和保温材料类别不必示出（可以在管道数据表上查到）。
（8）埋地管道。所有埋地管道应用虚线标示，并标出始末点的位置。
（9）管件。各种管路附件，如补偿器、软管、永久过滤器、临时过滤器、异径管、盲板、疏水器、可拆卸短管、非标准的管件等都要在图上标示出来。有时还要注明尺寸，工艺要求的管件要标上编号。
（10）取样点。取样点的位置和是否有取样冷却器等都要标出，并注明接管尺寸、编号。
（11）特殊要求。管道坡度、对称布置和液封高度要求等均必须注明。
（12）成套设备接管。P&ID中应标示出和成套供应的设备相接的连接点，并注明设备随带的管道和阀门与工程设计管道的分界点。工程设计部分必须在P&ID上标示，并与设备供货的图纸一致。
（13）扩建管道与原有管道。扩建管道与已有设备或管道连接时，要注明其分界点。已有管道用细实线表示。
（14）装置内、外管道。装置内管道与装置外管道连接时，要画“管道连接图”。并列表标出管道号、管径、介质名称；装置内接往某张图、与哪个设备相接；装置外与装置边界的某根管道相接，这根管道从何处来或去何处。
（15）特殊阀件。双阀、旁通阀在P&ID上都要标示清楚。
（16）清焦管道。在反应器的催化剂再生时；须除焦的管道应标注清楚。
3.1.2.3 仪表与仪表配管
（1）在线仪表。流量计、调节阀等在线仪表的接口尺寸如与管道尺寸不一致时，要注明尺寸。
（2）调节阀。调节阀及其旁通阀要注明尺寸，并标明事故开（FO）或事故关（FC）、是否可以手动等。我国钢制调节阀阀体的最低压力等级是4×106Pa，而管道的压力等级往往低于4×106Pa，此点在P&ID上要注明，以免法兰配不上。
（3）安全阀/呼吸阀（压力真空释放阀）。要注明连接尺寸和设定压力值。
（4）设备附带仪表。设备上的仪表如果是作为设备附件供应，不须另外订货时，要加标注，该仪表编号可加后缀“X”。
（5）仪表编号。仪表编号和电动、气动信号的连接不可遗漏，按图例符号规定（lead sheet）编制。
（6）连锁及信号。联锁及声、光讯号在P&ID上也要表示清楚。
（7）冲洗、吹扫。仪表的冲洗、吹扫要示出。
（8）成套设备。成套供应设备的供货范围要标明。对由制造厂成套供货范围内的仪表，要加标注，可在编号后加后缀“X”。
3.1.2.4 其他
在P&ID中要将特殊的设计及安装要求标示出来，也可作为注释单独列出，如开/停车联锁、再生要求、仪表与有关管道阀的安装要求、特殊的专用管件等。
3.1.3 管道及仪表流程图（P&ID）的绘制
根据工艺专业提出的工艺流程图（PFD），以及有关的工艺参数、条件等情况，按照前面介绍的原则，可确定全工艺过程的自控方案。按照后面介绍的图形符号、文字符号、图例等绘制规定，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）。然后把工艺控制流程图（PCD）提交给系统专业，由系统专业随着工程设计的深入进行，绘制出各版管道及仪表流程图（P&ID）。
在工艺流程图上标注控制点和控制系统时，按照各设备上控制点的密度，布局上可作适当调整，以免图面上出现疏密不均的情况。通常，设备进出口控制点尽可能标注在进出口附近。有时为照顾图面的质量，可适当移动某些控制点的位置。控制系统可根据实际需要作自由处理。对管网系统的控制点最好都标注在最上面一根管子的上面。