第五届西门子杯全国大学生控制仿真挑战赛考题

1、2010年第五届西门子杯全国大学生控制仿真挑战赛考题根据所提供的工艺对象，通过分析其对象动态特性，设计和实施完整的控制方案。方案中需突出本次大赛主题“低碳、安全”。 一、被控对象描述 1. 工艺流程介绍 所选被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉。 经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，对锅炉造成腐蚀。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，进一步去除软化水中的氧气和二氧化碳。 除氧后的软化水经由上水泵P1101泵出，分两

2、路，其中一路进入减温器E1101与过热蒸汽换热后，与另外一路混合，进入省煤器E1102。进入减温器E1101的锅炉上水走管程，一方面对最终产品（过热蒸汽）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对锅炉上水起到一定的预热作用。省煤器E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。 被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包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。锅炉上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

3、离是上汽包的重要作用之一。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，进行温度的微调并为锅炉上水预热，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一生产单元。 燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经由变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉上水进行预热。 2. 工艺过程简介 软化水流量为F1106，温度为常温20，经由调节阀V1106进入除氧器V1101顶部。除氧蒸汽分两路，一路进入热力除氧头，管线上设有调节

4、阀PV1101；另外一路进入除氧器下水箱，管线上设有开关阀XV1106。除氧器压力为P1106，除氧器液位为L1101。软化水在除氧器底部经由上水泵P1101泵出。 锅炉上水流量为F1101，锅炉上水管线上设有上水泵出口阀XV1101，上水管线调节阀V1101，以及旁路阀HV1101。锅炉上水被分为两路。一路进入减温器E1101预热，预热后与另外一路混合进入省煤器E1102。两路锅炉上水管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分锅炉上水直接流向省煤器，少部分锅炉上水流向减温器，其流量为F1102。 汽包V1102顶部设放空阀XV1104，汽包压力为P1103。汽包中部设水位

5、检测点L1102。在汽包中通过汽水分离得到的饱和蒸汽温度为T1102，经过炉膛汽相升温得到的过热蒸汽温度为T1103。 过热蒸汽进入减温器E1101，进行温度的微调。最终过热蒸汽压力为P1104，温度为T1104，流量为F1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀V1105。 燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104，燃料泵出口阀XV1102。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，变频器频率为S1101（被归一化到0100%之间），空气量为F1104。 省煤器烟气出口处的烟气流量为F1107，温度为T1105。烟气

6、含氧量A1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。 炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为T1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。 3. 仪表及操作设备说明 （1）检测仪表 位号检测点说明单位位号检测点说明单位AI1101烟气含氧量%PT1101燃料压力MPaFT1101锅炉上水流量kg/hPT1102炉膛压力MPaFT1102去减温器的锅炉上水流量kg/hPT1103汽包压力MPaFT1103燃料流量kg/hPT1104过热蒸汽压力MPaFT1104空气量m3/sPT1106除氧器压力MPaFT1105过热蒸汽流量kg/hTT1101炉膛中心火焰温度FT110

7、6软化水流量kg/hTT1102汽水分离后的过热蒸汽温度FT1107烟气流量kg/hTT1103进入减温器的过热蒸汽温度LT1101除氧器液位%TT1104最终过热蒸汽温度LT1102汽包水位%TT1105烟气温度（2）执行机构 位号执行机构说明位号执行机构说明V1101锅炉上水管线调节阀V1106软化水管线调节阀V1102直接去省煤器的锅炉上水管线调节阀PV1101除氧蒸汽管线调节阀V1103去减温器的锅炉上水管线调节阀S1101鼓风机变频器V1104燃料管线调节阀DO1101烟道挡板V1105过热蒸汽管线调节阀（3）开关阀 位号执行机构说明位号执行机构说明XV1101锅炉上水泵出口阀/截止

8、阀XV1104汽包顶部放空阀XV1102燃油泵出口阀/截止阀XV1106通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管线阀（4）手操阀 位号执行机构说明HV1101锅炉上水管线调节阀旁路阀二、比赛题目和要求 简介：根据甲方对于安全、稳定、减排的生产目标，设计和实施完整的控制系统。考核学生系统分析能力、系统设计能力、综合优化的能力。 现场要求完成：Profibus DP现场总线的配置；成熟的HMI人机界面组态；控制系统参数整定和调优；接受系统可能的各类干扰的挑战。决赛的主要比赛形式从某一指定工况开始升降负荷来观察控制效果。 1. 控制系统设计的考虑 （1）满足生产指标的考虑 在过热蒸汽产量稳定的前提下，保证蒸汽的

9、温度与压力达到工艺要求，并维持在允许的波动范围之内。 （2）满足安全指标的考虑 锅炉汽包水位、除氧器水位、炉膛压力、烟气含氧量等与系统安全相关的指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分予以考虑。 （2）满足优化指标的考虑 出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对能耗、碳排放等指标予以充分考虑。 2. 比赛要求 针对控制要求，需要选手在理解被控对象的基础上，完成： （1）基础控制系统的设计，包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性等的选择，以及开车、正常停车顺序控制系统的设计，并说明理由；

10、 （2）安全相关系统的设计，包括声光报警系统、安全联锁系统、紧急停车系统、安全仪表系统等的设计，并说明理由； （3）仪表选型与仪表连接，包括控制器、测量变送装置、执行机构的选择，并表达出各单元之间的信号连接； （4）在SIMATIC PCS7 上完成DCS应用组态，包括控制算法组态和监控画面组态； （5）自控系统调试，完成控制系统投运和控制器参数整定； （6）自控方案答辩； （7）自控系统交工验收，由专家组提出控制要求，评估控制系统性能。 初赛要求参加比赛的各支参赛队完成上述任务中第（1）（3）项，即控制系统设计、仪表选型及仪表连接的表达。要求选手以工程文档方式撰写设计方案。评委基于所撰写的工

11、程文档的合理性、可行性、完整性、严谨性、创新性等方面进行初赛评判。 初赛通过的参赛队进入西门子创新技能夏令营，在较短时间内完成第（4）（5）项任务。 决赛由（6）、（7）两项任务组成。自控方案答辩时，专家组根据选手阐述和回答问题情况打分。自控系统交工验收时，专家组随机指定生产工况来测试自控系统性能。最终以初赛和决赛的综合成绩作为比赛名次的判定依据。 三、其它说明 1、比赛形式 大赛以一个虚拟的控制工程项目为背景展开。大赛组委会作为甲方发布模糊的控制工程招标需求，各参赛队伍以乙方身份进行技术方案设计和应标（即初赛）。在通过初赛招标后，乙方以甲方工程承包商的身份进入现场实施控制工程项目（即决赛）。

12、 2、评价体系 生产要求、安全要求、优化要求等等在实际项目中遇到的各种要求都将是甲方评价的指标。针对目前学校工程教育的薄弱环节，参赛队伍的工作需要在以下几个方面优先考虑： 实用性 控制系统的设计、控制工程的实施、控制项目的规划等是否以实用为出发点？ 成熟度 参赛队伍的各项工作是否体现出工业现场项目所需的成熟度，而不仅仅是在做一道应用题？ 满意度 在保证项目可实施的前提下，参赛队伍的各项工作的结果是否充分达到了让甲方满意的效果？ 四、附录（开车步骤） 1、启动前阀位检查 检查所有的阀门和开关都处于关闭状态。 2、除氧器投运 1) 将软化水管线调节阀V1106打开，手动向除氧器充水，使液位指示达到

13、400(mm)，并保持稳定。开除氧器下水箱蒸汽管线阀XV1106加热到100后关闭 2) 打开除氧蒸汽管线调节阀PV1101，将除氧器压力升至1000mmH2O。 3、锅炉上水 1) 打开汽包放空阀XV1104。 2) 开启上水泵出口阀XV1101，全开去省煤器锅炉上水管线调节阀V1102。 3) 缓开给水调节阀的小旁路阀HV1101，手控上水（注意上水流量不得大于10t/h，因为上水过快，排气不畅，会导致局部受压，损坏设备）。待水位升至250mm，关闭旁路阀HV1101。 4) 调节V1101，使汽包水位达到300mm，并保持稳定。 5) 调节PV1101，将除氧器压力达到2000 mmH2

14、O，并保持稳定。 4、锅炉点火升压 1) 检查汽包放空阀XV1104是否打开。 2) 全开烟道挡板DO1101，开启风机S1101通风5分钟，使炉膛不含可燃气体。 3) 将烟道挡板DO1101调至20%左右。 4) 按下操作台上的点火按钮，点燃开工烧嘴。 5) 打开油路截止阀XV1102，开调节阀V1104，投入主燃料系统。 6) 升压过程应缓慢平稳，时间应严格控制不得小于10分钟，以免过热器管壁温度急剧上升和对流管束胀口渗水等现象发生。当蒸汽压力达到1.5MPa时，关闭汽包放空阀XV1104。 7) 过热蒸汽温度达到400时，投入减温器，打开V1103，开度为50%。 8) 当压力升至3.6

15、MPa之后，保持此压力达到平稳。 5、锅炉负荷提升 1) 检查蒸汽温度不低于420。 2) 调整汽包水位为250300mm。 3) 调整过热蒸汽压力在3.63.65MPa。 4) 缓慢开蒸汽管线调节阀V1105，约5%。 5) 调节蒸汽压力达到3.8MPa，并保持稳定。 6) 缓慢调节蒸汽管线调节阀V1105，提升燃烧负荷，使产汽量达到20t/h左右。 7) 检查燃油管线调节阀V1104位于小开度，调节蒸汽管线调节阀V1105，使负荷提至35t/h。 8) 缓慢调节V1105继续提升负荷，提升速度每分钟不得超过3-5t/h，同时注意调节燃油管线调节阀V1104补充燃油量，直至负荷升至65t/h。 9) 调整蒸汽温度达到440，并使其保持稳定。 6、锅炉正常运行工况 1) 调整烟道挡板DO1101，使烟气含氧量维持在2%左右。 2) 蒸汽温度