2014 年西門子杯全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽

1、2014年西門子杯全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽設(shè)計開發(fā)型賽項高校組初賽賽題賽題一一鍋爐控制。要求根據(jù)所提供的工藝對象，通過分析其對象動態(tài)特性，設(shè)計系統(tǒng)控制方案，現(xiàn)場實施并投入運(yùn)行。、被控對象描述工藝流程賽題的被控對象是流程工業(yè)領(lǐng)域常見的自然循環(huán)鍋爐。鍋爐是用于生產(chǎn)蒸汽的裝置，生產(chǎn)的蒸汽用于發(fā)電和提供熱能。過熱蒸汽燃油泵燃油/煙氣軟化水設(shè)備位號設(shè)備名稱V1102汽包E1101減溫器E1102省煤器F1101爐膛K1101風(fēng)機(jī)P1101P1102上水泵 燃油泵上水泵P1101軟化水經(jīng)給水泵P1101泵出，分成兩路，一路給水去減溫器E1101，與過熱蒸汽換熱，然后與另一路給 水混合進(jìn)入省煤器E1102

2、。去減溫器E1101的鍋爐給水用于調(diào)整過熱蒸汽的溫度，同時也對鍋爐給水進(jìn)行 預(yù)熱。正常工況時，大部分鍋爐給水直接流向省煤器，小部分鍋爐給水流向減溫器。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^管間，與管內(nèi)的鍋爐給水換熱，回收煙氣中的余熱，并 使鍋爐給水進(jìn)一步預(yù)熱。被煙氣加熱成飽和水的鍋爐給水全部進(jìn)入汽包V1102，再經(jīng)過對流管束和下降管進(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。汽水分離是汽包的重要作用之一，汽包V1102頂部設(shè)放空 閥XV1104，分離

3、出的飽和蒸汽再次進(jìn)入爐膛F1101進(jìn)行汽相升溫，成為過熱蒸汽。出爐膛的過熱蒸汽進(jìn)入 減溫器E1101殼程，進(jìn)行溫度微調(diào)并為鍋爐給水預(yù)熱，最后以工藝所要求的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度 輸送給下游生產(chǎn)過程。過熱蒸汽出口管線上設(shè)開關(guān)閥XV1105。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，空氣經(jīng)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，對省煤器E1102中的鍋爐給 水進(jìn)行預(yù)熱。煙氣經(jīng)由煙道，靠煙囪的抽力抽出，通入大氣。鍋爐的典型控制包括：（1）燃燒控制，需要控制燃料和空氣的配比，以達(dá)到充分燃燒；（2）給水控制，需要與蒸汽

4、產(chǎn)量匹配，以控制鍋爐汽包內(nèi)水的儲量；（3）過熱蒸汽出口壓力控制，要求能夠根據(jù)負(fù)荷的變化控制蒸汽壓力；（4）過熱蒸汽出口溫度控制，需要根據(jù)工藝要求精確控制蒸汽溫度。開車步驟（1）啟動前檢查所有的閥門、泵、鼓風(fēng)機(jī)均處于關(guān)閉狀態(tài)。（2）打開汽包頂部放空閥XV1104。（3）啟動給水泵P1101，確保鍋爐上水管線暢通，使給水流量達(dá)到最小流量要求。（4）建立汽包水位，使其維持在50%左右。（5）確保煙道暢通，啟動鼓風(fēng)機(jī)K1101。（6）啟動燃料泵P1102，確保燃料管線暢通，為鍋爐點火。（7）當(dāng)汽包壓力達(dá)到1.5MPa左右時，關(guān)閉汽包頂部放空閥XV1104。（8）打開過熱蒸汽出口管線開關(guān)閥XV1105，

5、確保過熱蒸汽出口管線暢通，使過熱蒸汽出口溫度和壓 力繼續(xù)上升。（9）當(dāng)過熱蒸汽出口溫度、過熱蒸汽出口壓力均維持在工藝要求范圍內(nèi)時，提升負(fù)荷。鍋爐正常運(yùn)行時，確保過熱蒸汽出口溫度、出口壓力和出口流量均維持在工藝要求范圍內(nèi)。同時，確 保鍋爐處在安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)工況。二、控制任務(wù)滿足生產(chǎn)指標(biāo)的考慮在過熱蒸汽出口流量穩(wěn)定的前提下，保證過熱蒸汽出口壓力和出口溫度維持在工藝要求范圍之內(nèi)。所有操作要保證有序進(jìn)行，工況要保持全程穩(wěn)定，并要充分考慮生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的異常工況。滿足節(jié)能指標(biāo)的考慮出于對效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)設(shè)計和實施中對燃料用量等能耗指標(biāo)予以充分考慮。滿足生產(chǎn)安全的考慮在控制系統(tǒng)

6、的設(shè)計要確保鍋爐生產(chǎn)安全。貼近真實工業(yè)現(xiàn)場的要求從生產(chǎn)單元冷態(tài)起，手動開車，按照開車步驟依次將控制回路投用，保證開車穩(wěn)步進(jìn)行，保證系統(tǒng)無 擾投運(yùn)。三、比賽要求大賽以一個實用的控制工程項目為背景，大賽組委會作為甲方發(fā)布工程項目的控制需求，各參賽隊伍 以乙方身份，根據(jù)甲方對于安全、穩(wěn)定、綠色生產(chǎn)的要求，完成工程方案設(shè)計，并進(jìn)入現(xiàn)場實施工程項目。 大賽將綜合考察參賽選手的系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)設(shè)計能力和系統(tǒng)實施能力。參賽選手在理解被控對象的基礎(chǔ)上，完成：工程方案設(shè)計參賽隊伍向大賽組委會提交工程方案設(shè)計文件后方可參加初賽。工程方案設(shè)計主要內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)分析（包括控制需求分析、對象特性分析、工藝流程分

7、析、系統(tǒng)安全要求等）。（2）基礎(chǔ)控制系統(tǒng)及開車順序控制系統(tǒng)的設(shè)計（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、順序邏輯、安全保障等功能設(shè)計，并說明設(shè)計理由）。（3）安全系統(tǒng)的設(shè)計（包括聲光報警、安全聯(lián)鎖、緊急停車、安全儀表等功能設(shè)計，并說明設(shè)計理由）。（4）系統(tǒng)設(shè)備選擇（包括控制器、測量變送裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DCS規(guī)模、IO模塊配置、儀表盤、控 制柜、配電裝置等）與系統(tǒng)連接，用工程語言進(jìn)行明確闡述。（5）工程方案實施（包括控制方案組態(tài)及仿真測試、監(jiān)控環(huán)境組態(tài)、監(jiān)控系統(tǒng)操作說明、響應(yīng)曲線及 性能分析等）。（6）經(jīng)濟(jì)效益分析。工程設(shè)計文件模板參見附件12014年西門子杯全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽設(shè)計開發(fā)型賽項高校組 工程設(shè)計文件。工程現(xiàn)場實施工程現(xiàn)場實施包括以下4部分內(nèi)容：（1）系統(tǒng)連 一完成集散控制系統(tǒng)與鍋爐之間的信號連接。（2）控制組 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)控界面組態(tài)。（3）系統(tǒng)調(diào)試完成控制系統(tǒng)調(diào)試、投運(yùn)，包括控制器的參數(shù)整定。（4）系統(tǒng)交工驗收一向甲方提交已實施的方案，接受甲方對系統(tǒng)性能的評估。參賽隊伍按照控制任務(wù)要求，控制系統(tǒng)平穩(wěn)投運(yùn)后，大賽組委會組織現(xiàn)場評判，評判標(biāo)準(zhǔn)參見2014 年西門子杯全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽設(shè)計開發(fā)型賽項高校組初賽評分規(guī)則。四、其他賽題無標(biāo)準(zhǔn)答案，鼓勵各