第五屆西門子杯全國(guó)大學(xué)生控制仿真挑戰(zhàn)賽考題

1、2010年第五屆西門子杯全國(guó)大學(xué)生控制仿真挑戰(zhàn)賽考題根據(jù)所提供的工藝對(duì)象，通過(guò)分析其對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)和實(shí)施完整的控制方案。方案中需突出本次大賽主題“低碳、安全”。 一、被控對(duì)象描述 1. 工藝流程介紹 所選被控對(duì)象為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的自然循環(huán)鍋爐。 經(jīng)處理的軟化水進(jìn)入除氧器V1101上部的除氧頭，進(jìn)行熱力除氧，除氧蒸汽由除氧頭底部通入。除氧的目的是防止鍋爐給水中溶解有氧氣和二氧化碳，對(duì)鍋爐造成腐蝕。熱力除氧是用蒸汽將給水加熱到飽和溫度，將水中溶解的氧氣和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，進(jìn)一步去除軟化水中的氧氣和二氧化碳。 除氧后的軟化水經(jīng)由上水泵P1101泵出，分兩

2、路，其中一路進(jìn)入減溫器E1101與過(guò)熱蒸汽換熱后，與另外一路混合，進(jìn)入省煤器E1102。進(jìn)入減溫器E1101的鍋爐上水走管程，一方面對(duì)最終產(chǎn)品（過(guò)熱蒸汽）的溫度起到微調(diào)（減溫）的作用，另一方面也能對(duì)鍋爐上水起到一定的預(yù)熱作用。省煤器E1102由多段盤管組成，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^(guò)管間，與管內(nèi)的鍋爐上水換熱，回收煙氣中的余熱并使鍋爐上水進(jìn)一步預(yù)熱。 被煙氣加熱成飽和水的鍋爐上水全部進(jìn)入汽包V1102，再經(jīng)過(guò)對(duì)流管束和下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱在水冷壁里變成汽水混合物，然后返回汽包V1102進(jìn)行汽水分離。鍋爐上汽包為臥式圓筒形承壓容器，內(nèi)部裝有給水分布槽、汽水分離器等，汽水分

3、離是上汽包的重要作用之一。分離出的飽和蒸汽再次進(jìn)入爐膛F1101進(jìn)行汽相升溫，成為過(guò)熱蒸汽。出爐膛的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入減溫器E1101殼程，進(jìn)行溫度的微調(diào)并為鍋爐上水預(yù)熱，最后以工藝所要求的過(guò)熱蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。 燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器；空氣經(jīng)由變頻鼓風(fēng)機(jī)K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生熱量使鍋爐水汽化。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，對(duì)省煤器E1102中的鍋爐上水進(jìn)行預(yù)熱。 2. 工藝過(guò)程簡(jiǎn)介 軟化水流量為F1106，溫度為常溫20，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥V1106進(jìn)入除氧器V1101頂部。除氧蒸汽分兩路，一路進(jìn)入熱力除氧頭，管線上設(shè)有調(diào)節(jié)

4、閥PV1101；另外一路進(jìn)入除氧器下水箱，管線上設(shè)有開關(guān)閥XV1106。除氧器壓力為P1106，除氧器液位為L(zhǎng)1101。軟化水在除氧器底部經(jīng)由上水泵P1101泵出。 鍋爐上水流量為F1101，鍋爐上水管線上設(shè)有上水泵出口閥XV1101，上水管線調(diào)節(jié)閥V1101，以及旁路閥HV1101。鍋爐上水被分為兩路。一路進(jìn)入減溫器E1101預(yù)熱，預(yù)熱后與另外一路混合進(jìn)入省煤器E1102。兩路鍋爐上水管道上分別設(shè)有調(diào)節(jié)閥V1102和V1103。正常工況時(shí)，大部分鍋爐上水直接流向省煤器，少部分鍋爐上水流向減溫器，其流量為F1102。 汽包V1102頂部設(shè)放空閥XV1104，汽包壓力為P1103。汽包中部設(shè)水位

5、檢測(cè)點(diǎn)L1102。在汽包中通過(guò)汽水分離得到的飽和蒸汽溫度為T1102，經(jīng)過(guò)爐膛汽相升溫得到的過(guò)熱蒸汽溫度為T1103。 過(guò)熱蒸汽進(jìn)入減溫器E1101，進(jìn)行溫度的微調(diào)。最終過(guò)熱蒸汽壓力為P1104，溫度為T1104，流量為F1105。過(guò)熱蒸汽出口管道上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1105。 燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，燃料流量為F1103，燃料壓力為P1101，燃料流量管線設(shè)調(diào)節(jié)閥V1104，燃料泵出口閥XV1102?？諝饨?jīng)由變頻風(fēng)機(jī)K1101送入燃燒器，變頻器頻率為S1101（被歸一化到0100%之間），空氣量為F1104。 省煤器煙氣出口處的煙氣流量為F1107，溫度為T1105。煙氣

6、含氧量A1101設(shè)有在線分析檢測(cè)儀表。煙道內(nèi)設(shè)有擋板DO1101。 爐膛壓力為P1102，爐膛中心火焰溫度為T1101，為紅外非接觸式測(cè)量，僅提供大致溫度的參考。 3. 儀表及操作設(shè)備說(shuō)明 （1）檢測(cè)儀表 位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說(shuō)明單位位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說(shuō)明單位AI1101煙氣含氧量%PT1101燃料壓力MPaFT1101鍋爐上水流量kg/hPT1102爐膛壓力MPaFT1102去減溫器的鍋爐上水流量kg/hPT1103汽包壓力MPaFT1103燃料流量kg/hPT1104過(guò)熱蒸汽壓力MPaFT1104空氣量m3/sPT1106除氧器壓力MPaFT1105過(guò)熱蒸汽流量kg/hTT1101爐膛中心火焰溫度FT110

7、6軟化水流量kg/hTT1102汽水分離后的過(guò)熱蒸汽溫度FT1107煙氣流量kg/hTT1103進(jìn)入減溫器的過(guò)熱蒸汽溫度LT1101除氧器液位%TT1104最終過(guò)熱蒸汽溫度LT1102汽包水位%TT1105煙氣溫度（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明V1101鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥V1106軟化水管線調(diào)節(jié)閥V1102直接去省煤器的鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥PV1101除氧蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1103去減溫器的鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥S1101鼓風(fēng)機(jī)變頻器V1104燃料管線調(diào)節(jié)閥DO1101煙道擋板V1105過(guò)熱蒸汽管線調(diào)節(jié)閥（3）開關(guān)閥 位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明XV1101鍋爐上水泵出口閥/截止

8、閥XV1104汽包頂部放空閥XV1102燃油泵出口閥/截止閥XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管線閥（4）手操閥 位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明HV1101鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥旁路閥二、比賽題目和要求 簡(jiǎn)介：根據(jù)甲方對(duì)于安全、穩(wěn)定、減排的生產(chǎn)目標(biāo)，設(shè)計(jì)和實(shí)施完整的控制系統(tǒng)?？己藢W(xué)生系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、綜合優(yōu)化的能力。 現(xiàn)場(chǎng)要求完成：Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線的配置；成熟的HMI人機(jī)界面組態(tài)；控制系統(tǒng)參數(shù)整定和調(diào)優(yōu)；接受系統(tǒng)可能的各類干擾的挑戰(zhàn)。決賽的主要比賽形式從某一指定工況開始升降負(fù)荷來(lái)觀察控制效果。 1. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮 （1）滿足生產(chǎn)指標(biāo)的考慮 在過(guò)熱蒸汽產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，保證蒸汽的

9、溫度與壓力達(dá)到工藝要求，并維持在允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)。 （2）滿足安全指標(biāo)的考慮 鍋爐汽包水位、除氧器水位、爐膛壓力、煙氣含氧量等與系統(tǒng)安全相關(guān)的指標(biāo)必須全程在允許范圍之內(nèi)。所有操作要保證有序進(jìn)行，工況要保持全程穩(wěn)定。各類生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的異常要充分予以考慮。 （2）滿足優(yōu)化指標(biāo)的考慮 出于對(duì)效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)能耗、碳排放等指標(biāo)予以充分考慮。 2. 比賽要求 針對(duì)控制要求，需要選手在理解被控對(duì)象的基礎(chǔ)上，完成： （1）基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括控制回路、控制算法、被控變量、操縱變量、控制規(guī)律、閥門特性等的選擇，以及開車、正常停車順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并說(shuō)明理由；

10、 （2）安全相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括聲光報(bào)警系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)，并說(shuō)明理由； （3）儀表選型與儀表連接，包括控制器、測(cè)量變送裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇，并表達(dá)出各單元之間的信號(hào)連接； （4）在SIMATIC PCS7 上完成DCS應(yīng)用組態(tài)，包括控制算法組態(tài)和監(jiān)控畫面組態(tài)； （5）自控系統(tǒng)調(diào)試，完成控制系統(tǒng)投運(yùn)和控制器參數(shù)整定； （6）自控方案答辯； （7）自控系統(tǒng)交工驗(yàn)收，由專家組提出控制要求，評(píng)估控制系統(tǒng)性能。 初賽要求參加比賽的各支參賽隊(duì)完成上述任務(wù)中第（1）（3）項(xiàng)，即控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、儀表選型及儀表連接的表達(dá)。要求選手以工程文檔方式撰寫設(shè)計(jì)方案。評(píng)委基于所撰寫的工

11、程文檔的合理性、可行性、完整性、嚴(yán)謹(jǐn)性、創(chuàng)新性等方面進(jìn)行初賽評(píng)判。 初賽通過(guò)的參賽隊(duì)進(jìn)入西門子創(chuàng)新技能夏令營(yíng)，在較短時(shí)間內(nèi)完成第（4）（5）項(xiàng)任務(wù)。 決賽由（6）、（7）兩項(xiàng)任務(wù)組成。自控方案答辯時(shí)，專家組根據(jù)選手闡述和回答問(wèn)題情況打分。自控系統(tǒng)交工驗(yàn)收時(shí)，專家組隨機(jī)指定生產(chǎn)工況來(lái)測(cè)試自控系統(tǒng)性能。最終以初賽和決賽的綜合成績(jī)作為比賽名次的判定依據(jù)。 三、其它說(shuō)明 1、比賽形式 大賽以一個(gè)虛擬的控制工程項(xiàng)目為背景展開。大賽組委會(huì)作為甲方發(fā)布模糊的控制工程招標(biāo)需求，各參賽隊(duì)伍以乙方身份進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)和應(yīng)標(biāo)（即初賽）。在通過(guò)初賽招標(biāo)后，乙方以甲方工程承包商的身份進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施控制工程項(xiàng)目（即決賽）。

12、 2、評(píng)價(jià)體系 生產(chǎn)要求、安全要求、優(yōu)化要求等等在實(shí)際項(xiàng)目中遇到的各種要求都將是甲方評(píng)價(jià)的指標(biāo)。針對(duì)目前學(xué)校工程教育的薄弱環(huán)節(jié)，參賽隊(duì)伍的工作需要在以下幾個(gè)方面優(yōu)先考慮： 實(shí)用性 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制工程的實(shí)施、控制項(xiàng)目的規(guī)劃等是否以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)？ 成熟度 參賽隊(duì)伍的各項(xiàng)工作是否體現(xiàn)出工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目所需的成熟度，而不僅僅是在做一道應(yīng)用題？ 滿意度 在保證項(xiàng)目可實(shí)施的前提下，參賽隊(duì)伍的各項(xiàng)工作的結(jié)果是否充分達(dá)到了讓甲方滿意的效果？ 四、附錄（開車步驟） 1、啟動(dòng)前閥位檢查 檢查所有的閥門和開關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài)。 2、除氧器投運(yùn) 1) 將軟化水管線調(diào)節(jié)閥V1106打開，手動(dòng)向除氧器充水，使液位指示達(dá)到

13、400(mm)，并保持穩(wěn)定。開除氧器下水箱蒸汽管線閥XV1106加熱到100后關(guān)閉 2) 打開除氧蒸汽管線調(diào)節(jié)閥PV1101，將除氧器壓力升至1000mmH2O。 3、鍋爐上水 1) 打開汽包放空閥XV1104。 2) 開啟上水泵出口閥XV1101，全開去省煤器鍋爐上水管線調(diào)節(jié)閥V1102。 3) 緩開給水調(diào)節(jié)閥的小旁路閥HV1101，手控上水（注意上水流量不得大于10t/h，因?yàn)樯纤^(guò)快，排氣不暢，會(huì)導(dǎo)致局部受壓，損壞設(shè)備）。待水位升至250mm，關(guān)閉旁路閥HV1101。 4) 調(diào)節(jié)V1101，使汽包水位達(dá)到300mm，并保持穩(wěn)定。 5) 調(diào)節(jié)PV1101，將除氧器壓力達(dá)到2000 mmH2

14、O，并保持穩(wěn)定。 4、鍋爐點(diǎn)火升壓 1) 檢查汽包放空閥XV1104是否打開。 2) 全開煙道擋板DO1101，開啟風(fēng)機(jī)S1101通風(fēng)5分鐘，使?fàn)t膛不含可燃?xì)怏w。 3) 將煙道擋板DO1101調(diào)至20%左右。 4) 按下操作臺(tái)上的點(diǎn)火按鈕，點(diǎn)燃開工燒嘴。 5) 打開油路截止閥XV1102，開調(diào)節(jié)閥V1104，投入主燃料系統(tǒng)。 6) 升壓過(guò)程應(yīng)緩慢平穩(wěn)，時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制不得小于10分鐘，以免過(guò)熱器管壁溫度急劇上升和對(duì)流管束脹口滲水等現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到1.5MPa時(shí)，關(guān)閉汽包放空閥XV1104。 7) 過(guò)熱蒸汽溫度達(dá)到400時(shí)，投入減溫器，打開V1103，開度為50%。 8) 當(dāng)壓力升至3.6

15、MPa之后，保持此壓力達(dá)到平穩(wěn)。 5、鍋爐負(fù)荷提升 1) 檢查蒸汽溫度不低于420。 2) 調(diào)整汽包水位為250300mm。 3) 調(diào)整過(guò)熱蒸汽壓力在3.63.65MPa。 4) 緩慢開蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1105，約5%。 5) 調(diào)節(jié)蒸汽壓力達(dá)到3.8MPa，并保持穩(wěn)定。 6) 緩慢調(diào)節(jié)蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1105，提升燃燒負(fù)荷，使產(chǎn)汽量達(dá)到20t/h左右。 7) 檢查燃油管線調(diào)節(jié)閥V1104位于小開度，調(diào)節(jié)蒸汽管線調(diào)節(jié)閥V1105，使負(fù)荷提至35t/h。 8) 緩慢調(diào)節(jié)V1105繼續(xù)提升負(fù)荷，提升速度每分鐘不得超過(guò)3-5t/h，同時(shí)注意調(diào)節(jié)燃油管線調(diào)節(jié)閥V1104補(bǔ)充燃油量，直至負(fù)荷升至65t/h。 9) 調(diào)整蒸汽溫度達(dá)到440，并使其保持穩(wěn)定。 6、鍋爐正常運(yùn)行工況 1) 調(diào)整煙道擋板DO1101，使煙氣含氧量維持在2%左右。 2) 蒸汽溫度