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1、2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛连续过程 设计开发赛项项目总结参赛组：*参赛成员：*指导老师：*年 *月 * 日目录一、方案设计依据、范围及相关标准31.1、方案设计依据：31.2、方案设计范围：31.3、相关标准：3二、系统分析42.1控制需求分析52.2对象特性分析62.3工艺流程分析62.4系统安全要求分析7三、控制系统设计83.1 基础控制系统及开车顺序控制系统的设计93.2 安全系统的设计203.3 绿色生产、节能减排降耗方面的考虑213.4 控制系统管道仪表流程图22四、系统设备选择与系统连接244.1 系统设备选择254.2 系统连接29五、实施效果305.1 操作说明3
2、15.2 监控画面32六、赛项总结33一、方案设计依据、范围及相关标准1.1、方案设计依据： （1）2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛连续过程控制设计开发赛项样题、竞赛设备描述及竞赛规则；（2） SMPT-1000及其PCS7控制；（3） SIMATIC PCS7使用手册及产品目录；1.2、方案设计范围： 本设计包括基于PID控制的物料输送控制系统、反映温度控制系统、反映体系压力与温度的检测与控制、反应物浓度的控制、闪蒸罐压强和液位的控制、冷凝罐温度的控制以及操作员监视控制系统的设计等等；1.3、相关标准：（1） GB/T 17213-2005 工业过程控制阀术语和总则（2） GB 30
3、439-2014 工业自动化产品安全及要求（3） GB/T 19903-2008 工业自动化系统与集成（4） HG 20559-1993 管道仪表流程图设计规定（5） HG/T20636-1998自控专业设计管理规定（6） HG/T 20638-2017 自控专业工程设计文件深度的规定（7） HG/T 20636-2017 化工装置自控专业设计管理规范（8） HG/T 20639-2017 自控专业工程设计用典型图表与标准目录（9） HG/T 20505-2000 过程检测和控制系统文件代号和图形符号规范二、系统分析2.1控制需求分析2.1.1进料流量及比例控制反应所需的两种原料连续进料，要求
4、控制系统克服每股进料的流量扰动。同时，为了获得较高的反应转化率，采用原料A过量的工艺。需要保证物料A、物料B与催化剂D以一定比例进料。A（进入混合罐的总流量含循环管线流量）、B、C进料比约为：9:3:1 2.1.2混合罐、反应器、闪蒸罐液位控制反应器控制液位在保证系统稳定和安全的情况下应该处于较高液位，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。混合罐、闪蒸罐采用串级控制系统控制液位。2.1.3反应器温度控制该反应为强放热反应，反应过程在催化剂C的作用下，原料A与原料B反应生成主产物D和副产物E，反应方程式如下：主反应： 2A + B D副反应： A + B E其中，主生成物D是所需产品，副生
5、成物E是杂质，主、副反应均为强放热反应。反应器温度控制范围为20-110,物料A的沸点为65，为了保持反应器的压强稳定以及反应速率，将反应器温度控制在60。2.1.4反应器、闪蒸罐压力安全控制为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的设计。反应器：为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力合适。闪蒸罐：压力范围为20120KPa，为了安全，要求闪蒸罐在系统开、停车全过程中压力合适。同时反应器及闪蒸罐的压力稳定在合适范围，以保持系统稳定。如果反应器压力过高，立即加入抑制剂，有效保证系统安全。2.1.5闪蒸罐底部出口物料产量浓度控制 提高闪蒸罐底部出口物料产量浓度则需提高闪蒸罐对物料A、B、
6、C、D的闪蒸效果。压力越低，沸点就越低。 高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐，流体温度高于该压力下的沸点。 流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离，使物料A从A+B+C+D+E的混合生成物液体中分离出来。2.2对象特性分析 本项目控制对象是溶液。第一、在密闭的容器里温度越高，压强越大；第二、溶液有沸点，如果压强太低就无法升高温度。流体经过阀的流量：QA*（2*P/）0.5式中：Q流量， A阀开口面积，流量系数，流体密度，P通过阀的压强差由式子可知，各个阀的流量与蒸发器内的压强有关，蒸发器内压强越大， 进口流量越小，出口流量越大。从式子可以看出，压强对流量的影响是非线性的 ，影响
7、压强的因素有温度和体积。温升高不仅使气体热胀，压强升高，还会使物料加快蒸发，增加气体量。物料的改变也会改变气体的体积，同样也会改变压强。所以流体的流量间接的受到温度和液位的影响。所选对象是一个多输出、多干扰的非线性对象，且各个变量之间存在着密切的联系，一个变量的改变，可能使整个系统出现扰动。如果单独对一两个变量进行调定，会使系统增加扰动范围。2.3工艺流程分析被控对像为多功能过程控制系统（SMPT1000）中的反应器单元，为连续反应系统。所选被控对象为过程工业常见的连续反应器。该反应过程在催化剂C的作用下，原料A与原料B反应生成主产物D和副产物E，反应方程式如下：主反应： 2A + B D副反
8、应： A + B E其中，主生成物D是所需产品，副生成物E是杂质。原料A与原料B分别由原料A进料泵、原料B进料泵输送进入混合罐V101（立式圆罐）内混合，混合物料经预热器E101升温后，进入放热反应器R101进行反应，反应所需的催化剂C，由催化剂C输送泵P103从反应器顶部加入。在反应过程中，反应放热强烈，因此反应器R101采用夹套式水冷却。反应转化率与反应温度、停留时间、反应物料浓度及混合配比有关，反应体系气相压力对温度敏感，在冷却失效产生的高温条件下，过高的气相压力使反应器有爆炸的风险。在反应器顶部设一路抑制剂，当反应压力过高危及安全时，通入抑制剂F，使催化剂C迅速中毒失活，从而中止反应。
9、冷却水吸收反应器的放热量形成热水，热水通往E101预热器对进料进行预热，以回收一部分热量，多余的热水通往公用工程。反应器R101底部出口生成物含有产品D、杂质E，催化剂C、以及未反应的原料A和少量原料B，为了回收原料A，在反应器下游设置闪蒸罐V102，将混合生成物（D+E+C+A+B）中过量的原料A分离提纯。闪蒸罐V102顶部采出混合物（D+E+C+A+B）为气相，首先进入冷凝器E102与冷却水进行换热冷凝，冷凝后的混合物进入冷凝罐V103,通过循环泵P106再送入混合罐V101循环利用。闪蒸罐V102底部的混合生成物（D+E+C+A+B）经输送泵加压，送到下游分离工序，进行提纯精制，以分离出
10、产品D。2.4系统安全要求分析本次反应是主要危险地方在于反应器，物料A和物料B在在催化剂C的作用下在反应器发生强放热反应，且反映强烈，使反应器内部压强增高。通过温度检测装置，当反应温度高于所设定的警戒值时，对应的指示器变亮；同理，通过压力和液位检测装置，当这两者也高于所设定的警戒值时，各自对应的指示器变亮。当两个或两个以上的指示器亮起时，系统会发出警报声响。 为了保证系统安全，防止反应器爆炸，反应器内的压力应当尽量低，但如果超过一定值时，系统则会加入抑制剂强制停止。保证反应器内压强在合适范围。液位不能不过高，否则会引起不必要的安全隐患，也不能过低，否则不利于热交换，反应效率也低。温度也不能过高
11、，否则会带来不必要的安全隐患，也不能过低，否则会使反应效率过低。三、控制系统设计3.1 基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、仪表选型、开车顺序设计优化、安全保障等功能设计，并说明设计理由）3.1.1进料流量及比例控制反应所需的两种原料连续进料，要求控制系统克服每股进料的流量扰动。同时，为了获得较高的反应转化率，采用原料A过量的工艺。需要保证物料A、物料B与催化剂D以一定比例进料。A（进入混合罐的总流量含循环管线流量）、B、C进料比约为：9:3:1被控变量为：物料A与物料B流量之比（QA/QB）以及物料B与催化剂C的流量之比（QB
12、/QC）。操纵变量为:物料A的流量、物料B的流量、催化剂C的流量。 3.1.2反应器、闪蒸罐液位控制反应器控制液位在保证系统稳定和安全的情况下应该处于较高液位，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。控制变量为：反应器R101的液位（LI1002）操纵变量为：原料混合进料流量（LI1103）闪蒸罐采用串级控制系统3.1.3反应器温度控制该反应为强放热反应，反应过程在催化剂C的作用下，原料A与原料B反应生成主产物D和副产物E，反应方程式如下：主反应： 2A + B D副反应： A + B E其中，主生成物D是所需产品，副生成物E是杂质，主、副反应均为强放热反应。反应器温度控制范围为20-11
13、0,物料A的沸点为65，为了保持反应器的压强稳定以及反应速率，将反应器温度控制在60。反应器的压强和温度为重要的控制参数，而且压强对温度敏感，则反应器液位采用串级控制系统。主参数为反应器的温度（TI1103）、副参数为冷却水流量(FI1201)。被控变量为：反应器R101温度（TI1103）操纵变量为：原料混合进料流量（FI1103）两调节器串联起来工作（构成的双闭环控制系统），其中主调节器的输出作为另副调节器的设定值，系统通过副调节器输出 控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量。由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减
14、少了干扰对主变量的影响。3.1.4反应器、闪蒸罐压力安全控制为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的设计。反应器：为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过120 KPa，反应器压力报警上限组态值为100KPa。闪蒸罐：压力范围为20120KPa，为了安全，要求闪蒸罐在系统开、停车全过程中压力不超过120 KPa，反应器压力报警上限组态值为100KPa。同时反应器及闪蒸罐的压力稳定在合适范围，在保持系统稳定的情况下，提高反应速率。如果反应器压力过高，立即加入抑制剂，有效保证系统安全。3.1.5循环物料出冷凝器温度控制为了使主要循环物料D的冷凝效果增强，控制循环物料出冷凝器温度保持
15、在65以下。物料D的沸点65。冷凝器温度越低，冷凝效果越好。干扰循环物料出冷凝器温度的主要因素为冷凝水的流量，采用单回路控制系统。被控变量为：循环物料出冷凝器温度TI1202操纵变量为：冷凝水流量即阀门FV1204的开度3.1.6闪蒸罐底部出口物料产量浓度控制 提高闪蒸罐底部出口物料产量浓度则需提高闪蒸罐对物料A、B、C、D的闪蒸效果。压力越低，沸点就越低。 高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐，流体温度高于该压力下的沸点。 流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离，使物料A从A+B+C+D+E的混合生成物液体中分离出来。3.1.7 液位安全功能保障由于蒸发器的进口和出口分别选用了气关和气开，所以在阀门失控的情况下液位只能是下降。如果出现上升则不是阀门失控问题，而是软件问题。在液位下限以后，利用一个试探信号来测试阀门是否完
