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2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 ITEM1设计开发赛项 样题v2  PAGE \* MERGEFORMAT 4 2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛 ITEM1设计开发赛项 样题 （版本2.0） 赛题——连续反应器控制。 要求根据所提供的工艺对象，通过分析其对象动态特性，设计系统控制方案，现场实施并投入运行。 一、被控对象描述 1. 工艺流程 所选被控对象为过程工业常见的连续反应器。反应过程为反应物A、反应物B以及催化剂C发生反应，生成产物D。反应由热水加热诱发，由冷却水进行冷却。其工艺流程图如下： 该连续反应系统以反应物A、反应物B以及催化剂C，在反应温度70.0℃下进行反应，反应的产物为D。 反应设备包括：反应器，反应器耐压约1.5MPa。为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.2 MPa。 反应过程主要有三股连续进料。第一股是反应物A，FI1201为进料流量，FV1201是进料阀；第二股是反应物B，FI1203为进料流量，FV1203是进料阀；第三股为催化剂C，FI1104为进料流量，FV1104为进料阀门；HS1101为搅拌开关；HS1102为热水加热开关，热水用来诱发反应。 反应器内主产物D重量百分比浓度在图中指示为AI1201，反应温度为TI1201，液位为LI1201。反应器出口流量为FI1202，由出口阀FV1202控制其流量。反应器出口为混合液，由产物D与未反应的A、B、C组成。反应器冷却水入口流量为FI1105，由阀FV1105控制流量。 2. 开车步骤 1． 初始化检查，系统处于开车前状态，确认所有阀门处于关闭状态。 2．开FV1203，开始B进料，液位上升。 3．液位上升到50%左右，开FV1201，开始A进料。 4．当液位上升到60%，打开阀门FV1202。 5. 打开搅拌开关HS1101。 6. 打开热水加热开关HS1102，诱发反应。 7. 打开催化剂阀门FV1104。 8. 当温度TI1201大于40℃时，关闭热水加热开关。 9. 如果温度继续上升则反应诱发成功，调节冷却水进料反应器温度缓慢上升，不大于0.1℃/秒，直到到达70℃。 10. 反应器正常运行时，确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。同时，确保反应器处在安全、稳定的生产工况。 二、控制任务 1、进料流量及比例控制 反应器共有三股连续进料。要求选手设计控制系统克服每股进料的流量扰动。同时，需要保证三股物料以一定比例进料。 2、反应器液位控制 要求选手设计液位控制系统，保证液位处于60％，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。 3、反应器压力安全控制 为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的设计。 4、反应器组份控制 为得到一定的转化率的产品，要求选手对反应器最终产物的组份进行控制。 5、反应器温度控制 为保证反应的进行，需要对温度进行控制。 6、产物流量控制 为保证产量，需要对产物流量进行控制。 7、节能环保指标控制 出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统设计和实施中对冷却水用量等能耗指标予以充分考虑。 8、开车步骤顺序控制 从生产单元冷态起，自动开车，按照开车步骤依次将控制回路投用，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。 三、比赛要求 大赛以一个实用的控制工程项目为背景，大赛组委会作为甲方发布工程项目的控制需求，各参赛队伍以乙方身份，根据甲方对于安全、稳定、绿色生产的要求，完成工程方案设计，并进入现场实施工程项目。大赛将综合考察参赛选手的系统分析能力、系统设计能力和系统实施能力。 参赛选手在理解被控对象的基础上，完成： 1. 工程方案设计 参赛队伍向大赛组委会提交工程方案设计文件后方可参加初赛。 工程方案设计主要内容包括： （1）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）。 （2）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、顺序逻辑、安全保障等功能设计，并说明设计理由）。 （3）安全系统的设计（包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等功能设计，并说明设计理由）。 （4）系统设备选择（包括控制器、测量变送装置、执行机构，DCS规模、IO模块配置、仪表盘、控制柜、配电装置等）与系统连接，用工程语言进行明确阐述。 （5）工程方案实施（包括控制方案组态及仿真测试、监控环境组态、监控系统操作说明、响应曲线及性能分析等）。 （6）经济效益分析。 工程设计文件模板参见附件1 《2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型赛项工程设计文件》。 2. 工程现场实施 工程现场实施包括以下4部分内容： （1）系统连接——完成集散控制系统与锅炉之间的信