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1、2014年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛工程设计文件设计开发型竞赛组参赛队伍编号：XXXXXXXX年 月 日一、方案设计依据、范围及相关标准1.1设计依据 （1）西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛考题及初赛细则 （2）新一代多功能过程控制实验系统SMPT-1000-SZ用户指南 （3）SIMATIC PCS7使用手册及产品目录 1.2设计范围 本设计包括物料加热过程中出口物料温度控制、物料流量控制，锅炉内部压力控制、空气流量控制、燃料流量控制、安全连锁控制，开车、停车顺序控制等。 1.3设计遵循的标准及规范 （1）HG/T20636-1998 自控专业设计管理规定 （2）HG/T20637
2、-1998 自控专业工程设计文件的编制规定 （3）HG/T20638-1998 自控专业工程设计文件深度的规定 （4）HG/T20639-1998 自控专业工程设计用典型图表及标准目录 （5）HG20505-2000 过程检测和控制系统用文字代号和图形符号 （6）HG20506-1992 自控专业施工图设计内容深度规定 （7）HG/T20519-1992 化工工艺设计施工图内容和深度统一规定 （8）HG20559-1993 管道仪表流程图设计规定 （9）GB2625-81过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号二、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全要求等）1.控制
3、需求分析（1）系统控制需要实现一下基本功能系统启动并稳定后控制上水泵、汽包上水阀门、燃油泵、燃油控制阀门、鼓风机，使出口物料的温度和压力达到设定值。过热蒸汽出口温度保持在4505范围内，其动态偏差上下限为430470。压力变量保持在设定值3.8MPa0.1 MPa，上限不高于3.9MPa，下限不低于3.7MPa，动态偏差上下限为 3.5MPa4.1MPa。系统刚启动时事物料稳定在15kg/s1kg/s，系统稳定后自动控制物料阀门，使物料流量维持在30kg/s1kg/s，动态偏差上下限为28kg/s32kg/s。烟气含氧量稳定在1%3%范围内。炉膛真空度稳定在10mmH2O600mmH2O。炉膛
4、中心火焰温度稳定在1240左右在满足工艺要求温度的同时，出口热物料的产量也要达到设定的要求。通过系统组态软件PCS7实施监控炉膛的生产情况并能随时在线修改程序。2.对象特性分析（1）被控参数特性分析 锅炉控制系统中控制对象主要参数包括：温度、压力、流量、水位、烟气含氧量、炉膛真空度。不同的参数具有不同的对象特性，因此需要不同的控制方法。温度 温度动态特性的特点：其一，惯性大，容量滞后大，有些过程的时间常数达到十几分钟；其二，温度对象通常是多容的。由于温度滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作用。在工业生产过程中，温度控制就是对传热过程的控制，包括对流传热，传导传热和辐射传热。温
5、度控制的操纵变量通常就是流量，如加热介质的流量、被加热介质的流量，冷却介质的流量等。温度控制的方法与被控对象的特点、控制精度要求等有关，其种类很多。压力压力对象的常见类型有两类。一类是具有一定容量的气罐，此种情况下，体积和容量比较大表征动态特性的时间常数较大，控制不灵敏的特点,即惯性较大。其二是管道的压力，由于管道的容积比较小，所以时间常数较小，控制比较灵敏。流量对象和压力对象与温度对象相比，都是比较快的过程，时间常数不大，大都呈现单容特性，在控制中一般不用微分作用流量 流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁地变动。这是由于管道中的流动
6、正常时都呈现喘流状态，流量虽然平稳，流体内部却在躁动。特别是流体通过截流装置时，此种躁动比较大，产生的噪声也比较大。噪声是一种频率很高、变化无常的流体运动，这是流量控制系统不能加微分的原因。由于噪声频率很高，虽然幅度变化不大，但若加上微分控制器其输出容易出现波动，反而使系统不确定。流量过程时间常数很小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能变化完毕，响应比较灵敏。这是由于工业过程中调节阀往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，流量立即变化，滞后时间比较小、响应快。因此用PI 调节可以满足控制需求。水位汽包水位要求汽包水位控制在50%10%范围内。水位的滞后较小，且始终存在波
7、动，因此采用PI控制。烟气含氧量烟气含氧量滞后量和炉膛容量有关系。炉膛容量越大其滞后越大，炉膛容量越小其滞后越小。与此同时炉膛真空度的滞后程度与传感器的安装地点有关系。因此烟气含氧量的控制必须根据具体情况而定 炉膛真空度炉膛真空度滞后大，但是其控制要求范围广，因此用比例控制即可。（2）控制方案分析整个控制方案中，被控参量是蒸汽的出口温度和压力。为了使蒸汽出口温度和压力最终达到稳定要求，本锅炉控制系统采用了如下控制回路：进减温器过热蒸汽出口温度串级控制系统、出口过热蒸汽温度单回路控制系统、汽包水位前馈-反馈控制系统、烟气含氧量前馈反馈控制系统、炉膛真空度单回路控制系统、过热蒸汽出口流量单回路控制
8、系统。过热蒸汽出口温度受减温器和燃料量控制，因此在进减温器前设置一个温度检测点，通过控制燃料的进料量来控制。通过燃料的调节之后过热蒸汽进入减温器进一步对温度进行调整，以达到控制精度。通过控制变频鼓风机的转速来控制空气流量，是烟气中的含氧量保持在允许范围内。炉膛真空度直接受挡板的控制，因此采用单回路控制即可达到控制要求。汽包水位是一个滞后较大的环节，因此采用将蒸汽出口流量作为前馈以达到控制要求。3. 工艺流程分析（1）工艺流程图 如图是锅炉工艺的流程图，软化水经过上水泵P1101分成两路，一路给水去减温器E1101，与过热蒸汽换热，然后与另一路给水混合进入省煤器E1102。去减温器E1101的锅
9、炉给水用于调整过热蒸汽的温度，同时也对锅炉给水进行预热。正常工况时，大部分锅炉给水直接流向省煤器，小部分锅炉给水流向减温器。燃料经由燃料泵 P1102 泵入锅炉 F1101 的燃烧器，空气经由变频风机 K1101 送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的水迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。被烟气加热成饱和水的锅炉给水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等。汽水分离是汽包的重要作用之一，
10、汽包V1102顶部设放空阀XV1104，分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度微调并为锅炉给水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下游生产过程。（2）监测点和执行机构设置监测点和执行机构设置图监测点和执行机构设置如上图所示，图中的仪表及操作设备说明见下表检测仪表序号名称位号单位1汽包上水流量FI1101kg/s2去减温器的汽包上水流量FI1102kg/s3燃料流量FI1103kg/s4空气量FI1104M3/s5过热蒸汽出口流量FI1105kg/s6烟气流量FI1107kg/s7汽包水位LI110
11、2%8炉膛中心火焰温度TI11019汽水分离后的饱和蒸汽温度TI110210进入减温器的过热蒸汽温度TI110311过热蒸汽出口温度TI110412烟气温度TI110513炉膛真空度PI1102mmH2O14汽包压力PI1103MPa15过热蒸汽出口压力PI1104MPa16烟气出口压力PI1105mmH2O17烟气含氧量AI1101%执行机构序号名称位号1汽包上水管线调节阀FV11012直接去省煤器的汽包上水管线调节阀FV11023去减温器的汽包上水管线调节阀FV11034燃料管线调节阀FV11045变频鼓风机S11016过热蒸汽出口管线调节阀FV11057烟道挡板DO11018汽包上水管线
12、调节阀旁路阀HV11019去蒸汽管网管线旁路阀HV110210汽包顶部放空阀XV110411过热蒸汽出口管线截断阀XV110512上料泵启停开关HS110113燃料泵启停开关HS110214鼓风机启停开关HS110315炉膛点火按钮HS11044. 系统可靠性、安全要求（1）系统可靠性分析在该系统控制方案中，为了保证生产的平稳运行、方便替换及预留必要的拓展空间，在技术性能方面，关键的重要部件均留有冗余设置，例如 CPU 冗余、电源冗余、网络冗余、I/O 冗余等；在制定方案之初，考虑到 I/O 设备、机柜安装空间、电缆芯等设备均需要留有一定比例的备用量；对于易损部件，例如卡槽、电缆等，可方便的进
13、行替换而不必停产维修；该项目在未来可能产能提升，故预留有一定数量的扩展接口。 （2）系统安全要求安全要求是保证安全生产的重要条件，安全考虑是建立在系统安全分析的基础上的。安全分析是实现系统安全的重要手段，它是以保障生产装置的整体安全水平为目的，按照安全规范，以科学的程序和方法从系统的角度对工业生产或工程项目中潜在的危险或危险可能造成的损失进行预先识别、分析或评价，掌握系统中存在的潜在危险和薄弱环节、发生事故的概率和可能的严重程度等，以判断当前的 DCS、SIS等保护措施能起到多大的作用，为改进防护措施和管理决策提供依据，在满足安全生产需要的前提下保证安全相关系统设计的合理性和经济性。 （3）故
14、障识别 炉内真空度故障识别 通过炉膛内炉膛真空度检测点 PI1102、TI1101 设置压力报警器，当炉膛内部压力超过上、下限一定时间时发出报警，维修人员立即检查烟道挡板DO1101和空气泵，若维修人员无法排除故障则立即启动安全联锁控制系统。 物料、燃料、烟气含氧量故障识别 通过物料、燃料、空气管线流量检测点 FI1101、FI1103、FI1104设置报警器，当三个参数中的任何一个参数超过上、下限一定时间时发出报警，维修人员立即检查、手动操作排除故障。若维修人员无法排除故障则立即启动安全联锁控制系统。 （4）故障等级分析 故障分为不同等级，有的需要手动操作即可恢复、解决，有的则需要紧急停车，在设计安全联锁系统前，需要分析故障的特点、严重性，提出解决方案，再设计相应的安全联锁方案。 通过下表可以看出，燃料管线阀门损坏、空气泵损、物料阀门坏故障等级都比较严重，出于安全考虑必须设计停车系统，防止出现事故。而烟气挡板损坏则故障等级较低，发生故障时可以手动操作排除故障。故障特点解决方案烟气挡板损坏或锅炉爆裂烟气挡板损坏将无法调节炉内真空度，使炉内真空度异常，压强过高。查找原因，修复挡板燃料管
