2013年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛工程设计文件一、方案设计依据、范围及相关标准设计依据（1）2013年西门子杯全国大学生控制仿真挑战赛考题及初赛评分细则（2）新一代高级多功能过程控制实训系统（SMPT-1000）说明（3）SIMATICPCS7使用手册及产品目录设计范围本设计包括基础过程控制系统（BPCS）方案设计、安全相关系统（SRS）方案设计、自控设备的选型以及仪表电源供给方案设计。相关标准（1）HG/T20519-1992《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》（2）HG20556-1993《化工厂控制室建筑设计规定》（3）HG20559-1993《管道仪表流程图设计规定》（4）GB/T21109-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》（5）IEC61882《危险与可操作性分析应用指南》（6）HG/T20636-1998《自控专业设计管理规定》（7）HG/T20637-1998《自控专业工程设计档的编制规定》（8）HG/T20638-1998《自控专业工程设计档深度的规定》（9）HG/T20639-1998《自控专业工程设计用典型图表及标准目录》（10）HG20505-2000《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》（11）HG/T20507-2000《自动化仪表选型设计规定》（12）HG/T20509-2000《仪表供电设计规定》（13）HG20512-1992《仪表配管、配线设计规定》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）2.1加热炉对象工艺流程描述加热炉在炼油、化工工业中是非常重要的加热设备，工艺介质在加热炉的炉管中受热升温到指定温度，同时可能伴有气化。加热炉的工作状态将直接影响下游工序的工艺操作。本次大赛所选被控对象就是工业加热炉，其工艺流程图如图加热炉工艺流程图被控对象的设备列表.检测点列表和操作点列表分别如表设备列表位号设备名称P1101上料泵P1102燃料泵K1101鼓风机F1101加热炉E1101换热器位号执行机构说明位号执行机构说明V1101待加热物料A管线流量调节阀V1104燃料管线流量调节阀V1102直接将入加热炉对流段的待加热物料A管线流量调节阀V1105产品（物料A）流量调节阀V1103去换热器的待加热物料A管线流量调节阀Do1101烟道挡板位号执行机构说明XV1101物料A管线流量调节阀前阀XV1102物料A管线流量调节阀后阀HV1101物料A管线流量调节阀旁路阀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待加热物料A流量Kg/hPT1102炉膛压力MPaFT1102去换热器的待加热物料A流量Kg/hTT1101炉膛中心火焰温度℃FT1103燃料流量Kg/hTT1102进入加热炉辐射段的物料A温度℃FT1104空气量m^3/hTT1103进入加热炉辐射段的物料A温度℃FT1105热物料A流量Kg/hTT1104热物料A温度℃TT1105烟气温度℃2.2加热炉对象工艺过程简介待加热的物料A经由上料泵P1101泵出，进入换热器E1101管程预热，同时对最终产品（热物料A）的温度微调（降温）。出换热器E1101管程的物料A进入加热炉F1101的对流段。加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的物料A换热，回收烟气中的余热并使物料A进一步预热。对流段流出的物料A全部进入F1101辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量。从辐射段炉管出来的高温热物料A，进入换热器E1101壳程，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，空气经由变频风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物料A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。2.3被控参数特性分析加热炉对象中主要包括温度、流量和压力这3个参数，不同类型的参数具有不同的对象特性，需要采用不同的控制方法。（1）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。温度控制的操纵变量通常是流量，如加热介质的流量、冷却介质的流量、燃料的流量等。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。（2）流量流量的测量容易受到噪