2023〔原全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽〕工程設(shè)計文件參賽隊伍編號： 2023年07月 01 日一、方案設(shè)計依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、方案設(shè)計依據(jù)：〔1〕2023年“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽連續(xù)過程把握設(shè)計開發(fā)賽項樣題、競賽設(shè)備描述及競賽規(guī)章；SMPT-1000PCS7把握；SIMATICPCS7使用手冊及產(chǎn)品名目；、方案設(shè)計范圍：的檢測與把握、反響物濃度的把握、閃蒸罐壓強(qiáng)和液位的把握、冷凝罐溫度的把握以及操作員監(jiān)視把握系統(tǒng)的設(shè)計等等；、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17213-2023《工業(yè)過程把握閥術(shù)語和總則》GB30439-2023《工業(yè)自動化產(chǎn)品安全及要求》GB/T19903-2023《工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成》HG20559-1993《管道儀表流程圖設(shè)計規(guī)定》HG/T20636-1998《自控專業(yè)設(shè)計治理規(guī)定》HG/T20638-2023《自控專業(yè)工程設(shè)計文件深度的規(guī)定》HG/T20636-2023《化工裝置自控專業(yè)設(shè)計治理標(biāo)準(zhǔn)》HG/T20639-2023《自控專業(yè)工程設(shè)計用典型圖表與標(biāo)準(zhǔn)名目》HG/T20505-2023《過程檢測和把握系統(tǒng)文件代號和圖形符號標(biāo)準(zhǔn)》二、系統(tǒng)分析〔包括把握需求分析、對象特性分析、工藝流程分析、系統(tǒng)安全要求等〕把握需求分析進(jìn)料流量及比例把握得較高的反響轉(zhuǎn)化率，承受原料A過量的工藝。需要保證物料A、物料B與催化劑D以確定比例進(jìn)料。A〔進(jìn)入混合罐的總流量含循環(huán)管線流量〕、B、C9:3:1混合罐、反響器、閃蒸罐液位把握停留時間，保證反響充分進(jìn)展?；旌瞎?、閃蒸罐承受串級把握系統(tǒng)把握液位。反響器溫度把握CABDE，反響方程式如下：主反響：2A+B—＞D副反響：A+B—＞EDE20--110℃,A60℃。反響器、閃蒸罐壓力安全把握20~120KPa，為了安全，要求閃持系統(tǒng)穩(wěn)定。假設(shè)反響器壓力過高，馬上參與抑制劑，有效保證系統(tǒng)安全。閃蒸罐底部出口物料產(chǎn)量濃度把握A、B、C、D的閃蒸效果。，并進(jìn)展兩相分別，使物料A從A+B+C+D+E對象特性分析本工程把握對象是溶液。第一、在密閉的容器里溫度越高，壓強(qiáng)越大；其次、溶液有沸Q—流量，A—閥開口面積，μ—流量系數(shù)，ρ—流體密度，P－通過閥的壓強(qiáng)差由式子可知，各個閥的流量與蒸發(fā)器內(nèi)的壓強(qiáng)有關(guān)，蒸發(fā)器內(nèi)壓強(qiáng)越大，進(jìn)口流量越小，出口流量越大。從使氣體熱脹，壓強(qiáng)上升，還會使物料加快蒸發(fā)，增加氣體量。物料的轉(zhuǎn)變也會轉(zhuǎn)變氣體的體積，同樣也會轉(zhuǎn)變壓強(qiáng)。所以流體的流量間接的受到溫度和液位的影響。所選對象是一個多輸出、多干擾的非線性對象，且各個變量之間存在著親熱的聯(lián)系，一個變量的轉(zhuǎn)變，可能使整個系統(tǒng)消滅擾動。假設(shè)單獨對一兩個變量進(jìn)展調(diào)定，會使系統(tǒng)增加擾動范圍。工藝流程分析被控對像為多功能過程把握系統(tǒng)〔SMPT－1000〕。CABDE，反響方程式如下：主反響：2A+B—＞D副反響：A+B—＞E其中，主生成物D是所需產(chǎn)品，副生成物E是雜質(zhì)。ABABV101〔立式圓罐〕E101R101C，由催化劑CP103R101關(guān)，反響體系氣相壓力對溫度敏感，在冷卻失效產(chǎn)生的高溫條件下，過高的氣相壓力使反響器有爆炸的風(fēng)險。在反響器頂部設(shè)一路抑制劑，當(dāng)反響壓力過高危及安全時，通入抑制劑F，CE101R101DE，CAB，為了回收原料A，在反響器下游設(shè)置閃蒸罐V102，將混合生成物〔D+E+C+A+B〕中過量的原料A分別提純。閃蒸罐V102頂部采出混合物〔D+E+C+A+B〕為氣相，首先進(jìn)入冷凝E102V103,P106V101V102〔D+E+C+A+B〕經(jīng)輸送泵加壓，送到下D。系統(tǒng)安全要求分析本次反響是主要危急地方在于反響器，物料A和物料B在在催化劑C的作用下在反響器發(fā)生強(qiáng)放熱反響，且反映猛烈，使反響器內(nèi)部壓強(qiáng)增高。通過溫度檢測裝置，當(dāng)反響溫度高于所設(shè)定的戒備值時，對應(yīng)的指示器變亮；同理，通過壓力和液位檢測裝置，當(dāng)這兩者也高于所設(shè)定的戒備值時，各自對應(yīng)的指示器變亮。當(dāng)兩個或兩個以上的指示器亮起時，系統(tǒng)會發(fā)出警報聲響。 系統(tǒng)安全，防止反響器爆炸，反響器內(nèi)的壓力應(yīng)當(dāng)盡量低，但假設(shè)超過確定值時，系統(tǒng)則會參與抑制劑強(qiáng)制停頓。保證反響器內(nèi)壓強(qiáng)在適宜范圍。液位不能不過高，否則會引起不必要的安全隱患，也不能過低，否則不利于熱交換，反響效率也低。溫度也不能過高，否則會帶來不必要的安全隱患，也不能過低，否則會使反響效率過低。三、把握系統(tǒng)設(shè)計根底把握系統(tǒng)及開車挨次把握系統(tǒng)的設(shè)計〔包括把握回路、把握算法、被控變量、操縱變量、把握規(guī)律、閥門特性、儀表選型、開車挨次設(shè)計優(yōu)化、安全保障等功能設(shè)計，并說明設(shè)計理由〕進(jìn)料流量及比例把握得較高的反響轉(zhuǎn)化率，承受原料A過量的工藝。需要保證物料A、物料B與催化劑D以確定比例進(jìn)料。A〔進(jìn)入混合罐的總流量含循環(huán)管線流量〕、B、C9:3:1AB〔QA/QB〕BC〔QB/QC〕。ABC反響器、閃蒸罐液位把握停留時間，保證反響充分進(jìn)展。操縱變量為：原料混合進(jìn)料流量〔LI1103〕閃蒸罐承受串級把握系統(tǒng)反響器溫度把握CABDE，反響方程式如下：主反響：2A+B—＞D副反響：A+B—＞EDE20--110℃,A60℃。反響器的壓強(qiáng)和溫度為重要的把握參數(shù)，而且壓強(qiáng)對溫度敏感，則反響器液位承受串級〔TI1103〕、副參數(shù)為冷卻水流量(FI1201)。R101〔TI1103〕操縱變量為：原料混合進(jìn)料流量〔FI1103〕兩調(diào)整器串聯(lián)起來工作〔構(gòu)成的雙閉環(huán)把握系統(tǒng)〕，其中主調(diào)整器的輸出作為另副調(diào)整有超前把握的作用,因而削減了干擾對主變量的影響。反響器、閃蒸罐壓力安全把握120KPa，100KPa。閃20~120KPa，為了安全，要求閃蒸罐在系統(tǒng)開、停車全過程中壓力不超過100KPa。同時反響器及閃蒸罐的壓力穩(wěn)定在適宜范圍，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的狀況下，提高反響速率。假設(shè)反響器壓力過高，馬上參與抑制劑，有效保證系統(tǒng)安全。循環(huán)物料出冷凝器溫度把握65℃以下。D65℃。冷凝器溫度越低，冷凝效果越好。TI1202操縱變量為：冷凝水流量即閥門FV1204的開度閃蒸罐底部出口物料產(chǎn)量濃度把握提高閃蒸罐底部出口物料產(chǎn)量濃度則需提高閃蒸罐對物料A、B、C、D的閃蒸效果。汽化，并進(jìn)展兩相分別，使物料A從A+B+C+D+E液位安全功能保障假設(shè)消滅上升則不是閥門失控問題，而是軟件問題。在液位下限以后，利用一個摸索信號來測試閥門是否完好，假設(shè)全部閥都是完好，那么也是軟件問題。面對參數(shù)不匹配的問題，第一步就是要做出故障警報。溫度安全功能保障溫度安全功能保障設(shè)計思想根本和液位一樣，物料A和物料B以及催化劑C進(jìn)口閥和物料D時很大可能不是閥門失控。具體情要等高溫警報后人工處理。把握算法算法在PCS7CFCPASCAL程序設(shè)計步驟進(jìn)展。一級算法采集各關(guān)心變量信號。對采集的變量信號進(jìn)展處理計算濃度。將濃度值輸出。二級求精將采回的信號進(jìn)展累加，累加值除以累加次數(shù)程序開車過程設(shè)計在開車開頭階段，提前通過真空泵P104PV1102，將閃蒸罐內(nèi)的壓力降低到大氣壓下，就可以關(guān)閉?！不蚍错懫饕何坏酱_定高度〕，將反響器底部物料打入閃蒸罐，此時，可能還未閃蒸，隨著溫度的上升，開頭閃蒸〔表現(xiàn)為閃蒸罐的壓力開頭增大〕。當(dāng)閃蒸罐開頭閃蒸時，通過調(diào)整P104PV1101，將閃蒸產(chǎn)生的以A相引入到冷凝器〔此時冷凝器的冷卻水應(yīng)當(dāng)翻開〕，然后變成液相進(jìn)入到冷凝罐，待冷凝罐建立液位后，通過循環(huán)泵打到混合罐內(nèi)?！病?，可以通過翻開冷凝罐排氣閥排氣，回到常壓后，再關(guān)閉。反響器的把握程序在7PCS7中的編寫組建視圖與工廠視圖圖3-1.6 組建視圖與工廠視圖SIMATIC400圖3-1.7 SIMATIC400AO站的網(wǎng)絡(luò)連接圖系統(tǒng)組態(tài)編輯

圖3-1.8 AO站的網(wǎng)絡(luò)連接圖圖3-1.9系統(tǒng)組態(tài)編輯CFCABC圖3-1.10 物料A、物料B、催化劑C比值把握系統(tǒng)反響器液位LI1102串級把握圖3-1.11 反響器液位LI1102串級把握TI1103串級把握圖3.-1.12 反響器溫度TI1103串級把握LI1201串級把握圖3-1.13LI1201串級把握PI1103串級把握圖3-1.14 閃蒸罐壓強(qiáng)PI1103串級把握循環(huán)物料出冷凝器溫度TI1202單回路把握圖3-1.15 循環(huán)物料出冷凝器溫度TI1202單回路把握SFC3-1.16SFC組態(tài)圖安全系統(tǒng)的設(shè)計〔包括聲光報警、安全聯(lián)鎖、緊急停車、安全儀表等功能設(shè)計，并說明設(shè)計理由〕但連續(xù)運行時每個回路都相互影響，一種現(xiàn)象可能是由不同引起的。對閥門進(jìn)展分析如表1所示。3-2.1閥門 閥門位置

閥門類型FV1106閃蒸罐V102底部產(chǎn)品D管線閥門氣閉PV1101閃蒸罐V102頂部循環(huán)原料A管線閥門氣開FV1101原料A管線閥門氣開FV1102原料B管線閥門氣開FV1103混合罐V101底部混合進(jìn)料管線閥門氣開FV1104催化劑C管線閥門氣開FV1105反響器R101底部反響生成液管線閥門氣閉PV1102閃蒸罐頂抽真空閥門氣開FV1108循環(huán)物料管線閥門氣開FV1204冷凝器E102冷卻水閥門氣開FV1201反響器R101夾套循環(huán)上水管線閥門氣開FV1202反響器R101夾套循環(huán)回水至預(yù)熱器管線閥門氣開FV1203反響器R101夾套循環(huán)回水至界區(qū)管線閥門氣開FV1106FV1105蒸罐中由于有殘留反響物而導(dǎo)致二次事故的爆發(fā)，對相關(guān)的生命財產(chǎn)造成損失。液位可能消滅系統(tǒng)安全問題。緊急停車慮在其中。所以前面的調(diào)范圍都要小于危急范圍，可以說是預(yù)警范圍，在這個范圍里正常系壓力，當(dāng)遇到這種況情時必需要緊急停頓，并要有聲光報警。當(dāng)液位高于90%或低于50%、溫度高于90℃40℃這些情都要馬上停頓。綠色生產(chǎn)、節(jié)能減排降耗方面的考慮十九大報告中著力強(qiáng)調(diào)整能減排，走出高效、低碳、循環(huán)的綠色進(jìn)展之路。在當(dāng)今能源分析，在工藝要求充許、系統(tǒng)穩(wěn)定的前提條件下，盡量削減能耗。牢靠的過程把握就意味著節(jié)能。一套化生產(chǎn)裝置想要平穩(wěn)生產(chǎn)，就要有牢靠性、先進(jìn)的把握做保證。設(shè)計較為合理、經(jīng)濟(jì)的節(jié)能把握方案，需要理論和實際相結(jié)合，考慮支每一個細(xì)節(jié)工作，比方溫度把握時，水的滯后比較大。在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮在其中。只有這樣才能得到最正確。AB從實際需求動身設(shè)計把握方案，不盲目追求工藝要求的中間值，具體問題具體分析，在在故障時便利檢修，且增加工作人員的責(zé)任意識。在故障后能很快解決問，削減不必要的浪費。把握系統(tǒng)管道儀表流程圖〔包括根底把握系統(tǒng)、安全把握系統(tǒng)等〕圖3-4.1 混合罐管道儀表圖圖1-4.2 閃蒸罐管道儀表圖圖3-4.3 反響器管道儀表圖圖3-4.4 冷凝圖

四、系統(tǒng)設(shè)備選擇與系統(tǒng)連接系統(tǒng)設(shè)備選擇〔包括把握器、測量變送裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DCS規(guī)模、IO模塊配置、儀表盤、把握柜、配電裝置等〕主把握器列表序號名稱

表4-1.1 主把握器列表型號 訂貨號 數(shù)量1電源模塊PS40710A6ES7400-1JA11-0AA012CPUCPU412-5HPN/DP6ES7400-0KA02-0AA013CPCP443-16GEK443-1EX30-0XE0V3.014ET200IM153-26ES7153-2BA02-0XB015模擬量輸入SM331AI8*12Bit6ES7331-7KF02-0AB016模擬量輸出SM332AO4*12Bit6ES7332-1BH02-0AB017數(shù)字量輸入SM331DI16*DC24V6ES7321-7KF02-0AA018數(shù)字量輸出SM322DO8*DC24V/2A6ES7322-1BF01-0AA01傳感器選型①液體流量計DAB流量、催化劑CR101水流量。②溫度傳感器R101V102R101回水溫度。③壓力傳感器用三個壓力傳感器分別測量冷凝罐壓力、反響器壓力、閃蒸罐壓力。IO模擬量輸出列表

表4-1.2 模擬量輸出列表序號 位號1 2 FI11013 FI11024 FI11035 FI11046 FI11057 FI11078 FI12019 FI120210 FI120311 LI110112 LI110213 LI120114 TI110115 TI110216 TI110317 TI110418 TI110519 TI120120 TI120221 PI110122 PI110223 PI110324 FI110825 LI120226 TI1203

產(chǎn)品D混合物料流量原料A流量原料B流量催化劑C流量反響生成液流量閃蒸罐頂部物料出口流量反響器R101夾套循環(huán)上水流量反響器R101夾套循環(huán)回水至預(yù)熱器流量反響器R101夾套循環(huán)回水至界區(qū)流量V101液位R101液位V102液位E101溫度反響器R101溫度閃蒸罐V102溫度反響器R101夾套循環(huán)回水溫度反響器R101夾套循環(huán)回水出預(yù)熱器溫度冷凝罐壓力反響器壓力閃蒸罐壓力V103液位V103溫度

kg/skg/skg/skg/skg/skg/skg/skg/skg/skg/s%%%℃℃℃℃℃℃℃KPaKPaKPakg/s%℃

IW+0IW+2IW+4IW+6IW+8IW+10IW+12IW+14IW+16IW+18IW+20IW+22IW+24IW+26IW+28IW+30IW+32IW+34IW+36IW+38IW+40IW+42IW+44IW+46IW+48IW+5027 AI1101 產(chǎn)物中產(chǎn)品D含量

% IW+52模擬量輸入列表表4-1.3 模擬量輸入列表序號 位號1 2 PV11013 FV11014 FV11025 FV11036 FV11047 S11018 FV11059 PV110210 FV110811 FV120412 FV120113 FV120214 FV1203

說明V102底部產(chǎn)品D管線閥門V102頂部循環(huán)原料A管線閥門原料A管線閥門原料B管線閥門V101底部混合進(jìn)料管線閥門催化劑C管線閥門變頻真空泵頻率R101底部反響生成液管線閥門閃蒸罐頂抽真空閥門循環(huán)物料管線閥門冷凝器E102冷卻水閥門反響器R101夾套循環(huán)上水管線閥門R101夾套循環(huán)回水至預(yù)熱器管線閥門反響器R101夾套循環(huán)回水至界區(qū)管線閥門

QW+0QW+2QW+4QW+6QW+8QW+10QW+12QW+14QW+16QW+18QW+20QW+22QW+24QW+26數(shù)字量輸入列表4-1.4數(shù)字量輸入列表序號 位號1 2 HS11013 HS11024 HS11035 HS11046 HS11057 HS11068 XV1102

抑制劑管線閥門P101開關(guān)P103開關(guān)真空泵P104開關(guān)P105開關(guān)循環(huán)泵開關(guān)冷凝罐排氣閥

說明 地址Q+2.1Q+2.5Q+2.6Q+2.7Q+3.0Q+2.2Q+2.0Q+2.3配電裝置：裝置屬于一級一類負(fù)荷。為此，必需用緊急電源為本加熱爐把握系統(tǒng)供電，同時，緊急電源需要由兩個相互獨立的電源供給電力。兩個電源中一個為工作電源，一個為后備電源。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中劃分的用電負(fù)荷等級的規(guī)定，本系統(tǒng)儀表用電負(fù)荷屬于有特別供電要求的負(fù)荷這類負(fù)荷在電源中斷后會打亂生產(chǎn)過程造成設(shè)備損壞和人員損害以及經(jīng)濟(jì)損失，因此儀表工作電源必需是不連續(xù)電源，同時還需要設(shè)置緊急電源。表加熱爐自控系統(tǒng)各部件的耗電量，需要為自控系統(tǒng)供給兩種電源：220V溝通電源和24V直流電源。溝通電源需供給約2.6kVA容量；直流電源需供給約238VA容量。儀表電源容量應(yīng)按儀表耗電量總和的1.2-1.5倍計算；用于DCS、PLC、SIS等系統(tǒng)的不連續(xù)電源容量可按各系統(tǒng)用電量總和的1.2-1.25倍計算。這里依據(jù)1.5 倍計算，最終確定需為儀表供給溝通電源容量4kVA；直流電源容量0.4kVA。電源的質(zhì)量指標(biāo)要求如下：對于溝通電源為電壓220V±5%，頻率率<5%。；對于直流電源為電壓24V±0.3V，紋波電壓<0.2%，溝通重量有效值<40mV。允許電源瞬斷時間≤3ms，電壓瞬間跌落<10%LASET200MM153

DC24V

NAC220V

隔離變壓器DI/DOAI/AOPM125

DC24V

AC220V

46圖4-1.5 配電裝置系統(tǒng)連接〔用工程語言描述系統(tǒng)的連接〕圖4-2.1 系統(tǒng)連接圖1圖4-2.2 系統(tǒng)連接圖2五、實施效果操作說明PCS7WINCC，SFC前期產(chǎn)品的產(chǎn)量下降，組分不達(dá)標(biāo)等問題。開車開頭階段，提前通過真空泵P104與閥門PV1102，將閃蒸罐內(nèi)壓力降到大氣壓下使得反響器內(nèi)底部液體混合物進(jìn)入閃蒸罐即可發(fā)生反響罐內(nèi)累積確定的液位混合物后，開啟閥門FV1103,并開啟催化劑進(jìn)入輸送泵的閥門。具體開車步驟如下：1、初始化檢查，系統(tǒng)處于開車前狀態(tài)，確認(rèn)全部閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。2PV1102HS1104，S110150%開度運行，降低閃蒸罐內(nèi)壓力。3PI110330KpaP101P102，同時使FV110190%，F(xiàn)V110230PV1102HS1104。4LI110160%FV110350%。40℃時，催化劑輸送泵P103并使閥門FV110410FV120110FV120350%6、當(dāng)閃蒸罐內(nèi)溫度TI110465℃或液位LI120140%時，開啟HS1104，使PV110150%、SI10150%，DP105FV110630%，同時閥門PV120460%。7LI120250%時，P106A監(jiān)控畫面〔包括流程畫面、趨勢畫面、報警畫面、操作畫面等〕圖5-2.1 wincc監(jiān)控畫面6.1.經(jīng)濟(jì)分析生產(chǎn)規(guī)模推想：202311720〔其中研發(fā)費用260120231030％80％100％。產(chǎn)品生產(chǎn)方案具體詳見以以下圖。年202320232023

1.2

3.2

萬平方米/年40 1 2 3 4圖6-1工程本錢、經(jīng)濟(jì)效益推想分析本錢推想分析〔2023年〕55065人工及福利費:本工程人員配置主要為生產(chǎn)人員、治理人員和銷售人員,年福利費用按工14％計取。估量達(dá)產(chǎn)年工程員工合計5097.5制造費用：修理費用〔含物料消耗〕按折舊額的40%估算，折舊費中建筑物、構(gòu)筑物折105平均年限法，殘值率按5％計算，其它費用按估量發(fā)生額進(jìn)展估算。估量達(dá)產(chǎn)年制造費用為93.042%1.5%1％估算，無形資產(chǎn)及遞延資產(chǎn)攤銷費用分年攤銷計入治理費用，其他費用92.63銷售費用：銷售費用按年銷售收入的3%估算，估量達(dá)產(chǎn)年銷售費用為36萬元。934