【正文】 蒸發(fā)器E1201系統(tǒng)控制方案 —2012年“西門(mén)子杯”全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽 大賽主題： 綠色與安全 沈陽(yáng)建筑大學(xué)廣思源隊(duì) 2012年7月8日方案設(shè)計(jì)依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1. 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）2012年西門(mén)子杯全國(guó)大學(xué)生自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)型競(jìng)賽組分賽區(qū)考題及其初賽評(píng)分細(xì)則。（2）新一代高級(jí)多功能過(guò)程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)（SMPT1000）說(shuō)明。（3）SIMATIC PCS7使用手冊(cè)及產(chǎn)品目錄。 本設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）方案設(shè)計(jì)、安全相關(guān)系統(tǒng)（SRS）方案設(shè)計(jì)、自控設(shè)備的選型以及儀表電源供給方案設(shè)計(jì)。（1） HG/T 206361998 《自控專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)管理規(guī)定》（2） HG/T 206371998 《自控專(zhuān)業(yè)工程設(shè)計(jì)文件的編制規(guī)定》（3） HG/T 206381998 《自控專(zhuān)業(yè)工程設(shè)計(jì)文件深度的規(guī)定》（4） HG/T 206391998 《自控專(zhuān)業(yè)工程設(shè)計(jì)用典型圖表及標(biāo)準(zhǔn)目錄》（5） HG 205052000 《過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖形符號(hào)》（6） HG/T 205072000 《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)定》（7） HG/T 205092000 《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)定》（8） HG 205121992 《儀表配管、配線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)定》（9） HG/T 205191992 《化工工藝設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定》（10）HG 205561993 《化工廠控制室建筑設(shè)計(jì)規(guī)定》（11）HG 205591993 《管道儀表流程圖設(shè)計(jì)規(guī)定》（12）GB/T 211092007 《過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》（13）IEC61882 《危險(xiǎn)與可操作性分析應(yīng)用指南》 序 言 針對(duì)本次西門(mén)子杯全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)型的被控裝置——蒸發(fā)器E1201，本參賽隊(duì)按照自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行了工程方案的設(shè)計(jì)。 自控工程設(shè)計(jì)常用的方法是由工藝專(zhuān)業(yè)提條件，自控與工藝專(zhuān)業(yè)一起討論確定控制方案，確定開(kāi)、停車(chē)以及緊急事故處理方案等。本次工程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)包括：（1） 接受工藝等專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)條件，提出設(shè)備、管道、電氣等專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)條件；（2） 負(fù)責(zé)生產(chǎn)裝置的檢測(cè)、控制、報(bào)警、聯(lián)鎖/停車(chē)和監(jiān)控/管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（3） 負(fù)責(zé)檢測(cè)儀表、控制系統(tǒng)及其輔助設(shè)備和安裝材料的選型設(shè)計(jì)；（4） 負(fù)責(zé)PLC、ESD和上位計(jì)算機(jī)（監(jiān)控、管理）的系統(tǒng)設(shè)置、功能要求和設(shè)備選型，并參加軟件的編制工作；（5） 負(fù)責(zé)控制室、儀表車(chē)間的設(shè)計(jì)。大賽要求以一個(gè)實(shí)用的控制工程項(xiàng)目為背景，大賽組委會(huì)作為甲方發(fā)布工程項(xiàng)目的控制需求，各參賽隊(duì)伍以乙方身份，根據(jù)甲方對(duì)于安全、穩(wěn)定、綠色生產(chǎn)的要求，完成工程方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工程項(xiàng)目。目錄第一章 蒸發(fā)器E1201對(duì)象分析 6 蒸發(fā)器E1201對(duì)象描述 6 蒸發(fā)器工藝流程的描述 6 蒸發(fā)器E1201對(duì)象工藝過(guò)程簡(jiǎn)介 8 蒸發(fā)器控制任務(wù)描述 8 蒸發(fā)器特性分析 8 狀態(tài)圖描述 8 蒸發(fā)器特性分析 11 被控參數(shù)特性分析 12第二章 蒸發(fā)器控制方案設(shè)計(jì) 13 總體方案設(shè)計(jì)原則 14 基礎(chǔ)過(guò)程控制系統(tǒng)(BPCS) 14 基礎(chǔ)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 14 蒸發(fā)器溫度蒸汽流量串級(jí)控制 19 21 蒸發(fā)器蒸發(fā)系統(tǒng)綜合控制方案表 24 開(kāi)車(chē)順序控制 24 正常停車(chē)順序控制 25 蒸發(fā)器控制節(jié)能減排 25 蒸發(fā)器開(kāi)車(chē)過(guò)程中的節(jié)能 26 蒸發(fā)器控制方案設(shè)計(jì)中的節(jié)能減排 26 安全相關(guān)系統(tǒng)（SRS） 26 安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 26 安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 27 蒸發(fā)器安全分析與保護(hù)層設(shè)計(jì) 28 安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 39 41 41 43 蒸發(fā)器儀表流程圖（Pamp。ID） 44第三章 自控設(shè)備的選擇 46 控制裝置的選擇 46 DCS/SIS選型 46 系統(tǒng)輸入輸出模塊配置 47 系統(tǒng)軟件配置 53 檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 54 系統(tǒng)配置 56 系統(tǒng)配置圖 57 儀表回路圖 60第四章 儀表供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 62 儀表供電要求 62 63 系統(tǒng)連接 68第五章 控制方案實(shí)施 69 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施 69 控制功能實(shí)施 69第六章 經(jīng)濟(jì)效益分析 7經(jīng)濟(jì)分析 74 生產(chǎn)規(guī)模預(yù)測(cè) 7經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)分析 74（2012年） 74（2012年） 76 投資利潤(rùn)率 76 投資利稅率 76 銷(xiāo)售凈利潤(rùn)率 76 盈虧平衡分析 76 第一章 蒸發(fā)器E1201對(duì)象分析 只有在充分了解被控對(duì)象的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行控制方案的設(shè)計(jì)，這里首先對(duì)被控裝置蒸發(fā)器進(jìn)行對(duì)象特性分析。 蒸發(fā)器E1201對(duì)象描述 蒸發(fā)器工藝流程的描述 蒸發(fā)器是通過(guò)加熱，使溶液濃縮或者從溶液中析出物質(zhì)的設(shè)備。蒸發(fā)器向液體提供蒸發(fā)所需要的熱量，促使液體沸騰汽化，同時(shí)，提供較大空間使氣液兩相完全分離。它被廣泛用于化工、輕工等行業(yè)。蒸發(fā)器的主要控制指標(biāo)是最終產(chǎn)品的濃度。蒸發(fā)器主要由兩個(gè)部分組成：加熱室和蒸發(fā)室：其中加熱室向液體提供蒸發(fā)所需要的熱量，促使液體沸騰汽化；蒸發(fā)室使氣液兩相完全分離。加熱室中產(chǎn)生的蒸汽帶有大量液沫，到了較大空間的蒸發(fā)室后，這些液體借自身凝聚或除沫器等的作用得以與蒸汽分離。通常除沫器設(shè)在蒸發(fā)室的頂部。 本次大賽所提供的蒸發(fā)器為SMPT1000型蒸發(fā)器，： 系統(tǒng)工藝流程圖被控對(duì)象的檢測(cè)儀表說(shuō)明和執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明分別見(jiàn)表11和12： 表11 檢測(cè)儀表說(shuō)明 位號(hào) 檢測(cè)點(diǎn)說(shuō)明 單位FI1105過(guò)熱蒸汽流量Kg/sFI1201稀液流量Kg/sFI1202濃縮液流量Kg/sFI1203二次蒸汽流量Kg/sLI1201蒸發(fā)器液位%TI1201蒸發(fā)器溫度℃PI1201蒸發(fā)器壓力M Pa 表12 執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明 位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說(shuō)明FV1105過(guò)熱蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥FV1201蒸發(fā)器入后稀液管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥FV1202蒸發(fā)器底部出口濃縮液管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥FV1203蒸發(fā)器頂部出口二次蒸汽管線(xiàn)調(diào)節(jié)閥 蒸發(fā)器E1201對(duì)象工藝過(guò)程簡(jiǎn)介 蒸發(fā)器是一類(lèi)有相變的換熱裝置，在過(guò)程工業(yè)中廣泛應(yīng)用于濃縮、提純等環(huán)節(jié)。滿(mǎn)足工藝要求的過(guò)熱蒸汽由蒸發(fā)器E1201 中部通入蒸發(fā)器夾套，過(guò)熱蒸汽流量為FI1105，過(guò)熱蒸汽管道上設(shè)調(diào)節(jié)閥FV1105。經(jīng)過(guò)換熱后的過(guò)熱蒸汽變?yōu)槔淠懦觥? 待濃縮的稀液由蒸發(fā)器上部進(jìn)入蒸發(fā)器，在與過(guò)熱蒸汽換熱后，稀液中的水分變成二次蒸汽由蒸發(fā)器頂部排出，濃縮液則由蒸發(fā)器底部排出。稀液流量為FI1201，析液流量管線(xiàn)設(shè)調(diào)節(jié)閥FV1201。濃縮液流量為FI1202，濃縮液流量管線(xiàn)設(shè)調(diào)節(jié)閥FV1202。二次蒸汽流量為FT1203，二次蒸汽流量管線(xiàn)設(shè)調(diào)節(jié)閥FV1203。蒸發(fā)器壓力為PI1201，溫度為T(mén)I1201，液位為L(zhǎng)I1201。 蒸發(fā)器控制任務(wù)描述針對(duì)本次控制對(duì)象的控制任務(wù)，具體分為以下三個(gè)方面：（1）滿(mǎn)足生產(chǎn)指標(biāo)的考慮：在濃縮液流量穩(wěn)定的前提下，保證濃縮液中組分（糖分）%~%的波動(dòng)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(guò)程中可能出現(xiàn)的異常工況。（2）滿(mǎn)足節(jié)能指標(biāo)的考慮：出于對(duì)效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)過(guò)熱蒸汽用量等能耗等指標(biāo)予以充分考慮。（3） 滿(mǎn)足控制指標(biāo)的要求：從生產(chǎn)單元冷態(tài)起，按照開(kāi)車(chē)步驟實(shí)施全自動(dòng)順序控制，保證開(kāi)車(chē)穩(wěn)步進(jìn)行，保證系統(tǒng)無(wú)擾投運(yùn)。 蒸發(fā)器特性分析 狀態(tài)圖描述 為了便于對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行對(duì)象分析，更系統(tǒng)、更全面的了解和掌握控制對(duì)象的特性，下面采用系統(tǒng)描述語(yǔ)言——狀態(tài)圖對(duì)蒸發(fā)器裝置進(jìn)行描述，狀態(tài)圖能夠清楚表達(dá)系統(tǒng)的所有狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移條件。并且表13和表14分別為系統(tǒng)工作狀態(tài)列表和條件列表。 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)圖 緊急停車(chē)狀態(tài)圖 符號(hào) 內(nèi) 容 符號(hào) 內(nèi) 容0 初始狀態(tài) 打開(kāi)閥FV12011 冷態(tài)開(kāi)車(chē) LI1201達(dá)到80%2 穩(wěn)態(tài)工況 設(shè)置控制器LIC1201設(shè)定值并投自動(dòng)3 正常停車(chē) 打開(kāi)閥FV12024 終止?fàn)顟B(tài) 打開(kāi)閥FV12035 緊急停車(chē) 6 緊急處理 設(shè)置控制器FIC1202設(shè)定值并投自動(dòng) S1 進(jìn)料 打開(kāi)閥FV1105 S2 LI1201穩(wěn)定在80% 溫度TI1201超過(guò)99℃ S3 設(shè)置控制器TIC1201設(shè)定值并投自動(dòng) S4 蒸發(fā)器溫度穩(wěn)定在108℃ 提升負(fù)荷，調(diào)節(jié)閥FV1202 S5 S6 關(guān)閉閥FV1202 設(shè)置控制器FIC1202設(shè)定值并投自動(dòng) S7 關(guān)閉閥FV1105 S8 關(guān)閉閥FV1203 S9 關(guān)閉閥FV1201 表13 系統(tǒng)工作狀態(tài)表 表14 條件列表 符號(hào) 內(nèi)容ready所有閥門(mén)全部處于關(guān)閉狀態(tài)start按下開(kāi)車(chē)按鈕stop按下停車(chē)按鈕a1按下緊急停車(chē)按鈕或緊急停車(chē)聯(lián)鎖自動(dòng)啟動(dòng)t1蒸發(fā)器溫度T1201超過(guò)200℃t2蒸發(fā)器液位高于90％ 蒸發(fā)器特性分析通過(guò)上述狀態(tài)圖描述可以知道被控對(duì)象——蒸發(fā)器是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。其主要輸入變量主要有過(guò)熱蒸汽流量FI1105和稀液流量FI1201等，輸出變量主要有二次蒸汽流量FI120冷凝水、濃縮液流量FI1202。上述輸入變量和輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果在加入過(guò)熱蒸汽后稀液流量的供給量發(fā)生變化，則輸出量（二次蒸汽、冷凝水和濃縮液）都將發(fā)生變化；當(dāng)輸入系統(tǒng)一定量的稀液后，供給系統(tǒng)不同量的過(guò)熱蒸汽，則輸出量的值也按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，因此該系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出的復(fù)雜控制系統(tǒng)，且各參數(shù)之間的相互影響關(guān)系可以用符號(hào)有向圖(Signed Directed Graph SDG)進(jìn)行描述。 圖 蒸發(fā)器SDG模型 SDG 是一種系統(tǒng)的定性描述方式，圖中每一個(gè)圓圈代表一個(gè)參數(shù)，圓圈之間的箭頭表達(dá)了參數(shù)之間的影響關(guān)系，箭頭的始端代表影響變量，箭頭的末端代表被影響變量。箭頭為實(shí)線(xiàn)表明上游變量增大（減小）時(shí)，下游變量也會(huì)增大（減少）；箭頭為虛線(xiàn)則表明上游變量增大（減?。r(shí)，下游變量減?。ㄔ龃螅Ｍㄟ^(guò)加熱爐SDG 模型，可以直觀地表達(dá)出各輸入、輸出變量以及中間變量之間的相互影響關(guān)系以及參數(shù)之間的耦合關(guān)系。 被控參數(shù)特性分析蒸發(fā)器控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的主要有溫度、液位和流量等三個(gè)參數(shù)。不同對(duì)象參數(shù)具有不同的特性，需要采用不同的控制方法。（1） 溫度 溫度對(duì)象通常是多容的。溫度動(dòng)態(tài)特性具有慣性大，容易受其它因素干擾，且易于變化的特點(diǎn)。由于容量滯后大，有些過(guò)程的時(shí)間常數(shù)達(dá)到十幾分鐘。 由于溫度變化滯后大，控制起來(lái)不靈敏，因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分作用環(huán)節(jié)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度控制就是對(duì)傳熱過(guò)程的控制，包括對(duì)流傳熱、傳導(dǎo)傳熱和輻射傳熱。溫度控制的操縱變量通常是流量，如加熱介質(zhì)的流量、冷卻介質(zhì)的流量、燃料的流量等。溫度控制的方法與被控對(duì)象的特點(diǎn)、控制精度要求等有關(guān)，其種類(lèi)很多。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的準(zhǔn)確控制常使用PID控制器進(jìn)行合理控制。（2） 流量 流量過(guò)程時(shí)間常數(shù)很小，當(dāng)手動(dòng)調(diào)整閥門(mén)時(shí)，流量在幾秒鐘內(nèi)就能變化完畢，響應(yīng)比較靈敏。這是由于工業(yè)過(guò)程中調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，緩沖余地小，閥門(mén)一動(dòng)作，流量立即變化，滯后