蒸发器E1201系统控制方案—2012年“西门子杯”全国大学生工业自动化挑战赛大赛主题：绿色与安全沈阳建筑大学广思源队2012年7月8日方案设计依据、范围及相关标准1.设计依据（1）2012年西门子杯全国大学生自动化挑战赛设计开发型竞赛组分赛区考题及其初赛评分细则。
（2）新一代高级多功能过程控制实训系统（SMPT-1000）说明。
（3）SIMATIC PCS7使用手册及产品目录。
2.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。
3.设计遵循的标准和规范（1）HG/T 20636-1998 《自控专业设计管理规定》（2）HG/T 20637-1998 《自控专业工程设计文件的编制规定》（3）HG/T 20638-1998 《自控专业工程设计文件深度的规定》（4）HG/T 20639-1998 《自控专业工程设计用典型图表及标准目录》（5）HG 20505-2000 《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》（6）HG/T 20507-2000 《自动化仪表选型设计规定》（7）HG/T 20509-2000 《仪表供电设计规定》（8）HG 20512-1992 《仪表配管、配线设计规定》（9）HG/T 20519-1992 《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》（10）HG 20556-1993 《化工厂控制室建筑设计规定》（11）HG 20559-1993 《管道仪表流程图设计规定》（12）GB/T 21109-2007 《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》（13）IEC61882 《危险与可操作性分析应用指南》序言针对本次西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型的被控装置——蒸发器E1201，本参赛队按照自控系统设计规范，进行了工程方案的设计。
自控工程设计常用的方法是由工艺专业提条件，自控与工艺专业一起讨论确定控制方案，确定开、停车以及紧急事故处理方案等。
本次工程设计的主要任务包括：（1）接受工艺等专业的设计条件，提出设备、管道、电气等专业的设计条件；（2）负责生产装置的检测、控制、报警、联锁/停车和监控/管理计算机系统的设计；（3）负责检测仪表、控制系统及其辅助设备和安装材料的选型设计；（4）负责PLC、ESD和上位计算机（监控、管理）的系统设置、功能要求和设备选型，并参加软件的编制工作；（5）负责控制室、仪表车间的设计。
大赛要求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。
目录第一章蒸发器E1201对象分析 (6)1.1 蒸发器E1201对象描述 (6)1.1.1 蒸发器工艺流程的描述 (6)1.1.2 蒸发器E1201对象工艺过程简介 (8)1.2 蒸发器控制任务描述 (8)1.3 蒸发器特性分析 (8)1.3.1 状态图描述 (8)1.3.2 蒸发器特性分析 (11)1.3.3 被控参数特性分析 (12)第二章蒸发器控制方案设计 (13)2.1 总体方案设计原则 (14)2.2 基础过程控制系统(BPCS) (14)2.2.1 基础过程控制系统设计原则 (14)2.2.3 蒸发器温度-蒸汽流量串级控制 (19)2.2.4蒸发器液位-稀液流量串级控制 (21)2.2.5 蒸发器蒸发系统综合控制方案表 (24)2.2.6 开车顺序控制 (24)2.2.7 正常停车顺序控制 (25)2.3 蒸发器控制节能减排 (25)2.3.1 蒸发器开车过程中的节能 (26)2.3.2 蒸发器控制方案设计中的节能减排 (26)2.4 安全相关系统（SRS） (26)2.4.1 安全相关系统设计原则 (26)2.4.2 安全相关系统设计步骤 (27)2.4.3 蒸发器安全分析与保护层设计 (28)2.4.4 安全相关系统设计 (39)2.5蒸发器系统动态模型的建立 (41)2.5.1基本原理 (41)2.5.2模型建立 (43)2.6 蒸发器仪表流程图（P&ID） (44)第三章自控设备的选择 (46)3.1 控制装置的选择 (46)3.1.1 DCS/SIS选型 (46)3.1.2 系统输入输出模块配置 (47)3.1.3 系统软件配置 (53)3.2 检测仪表和执行机构的选择 (54)3.3 系统配置 (56)3.3.1 系统配置图 (57)3.3.2 仪表回路图 (60)第四章仪表供电系统设计 (62)4.1 仪表供电要求 (62)4.2仪表供电配电设计 (63)4.3 系统连接 (68)第五章控制方案实施 (69)5.1 通信网络实施 (69)5.2 控制功能实施 (69)第六章经济效益分析 (74)6.1、经济分析 (74)6.1.1 生产规模预测 (74)6.2项目成本、经济效益预测分析 (74)6.2.1成本预测分析（2012年） (74)6.2.2经济效益预测分析（2012年） (76)6.2.3 投资利润率 (76)6.2.4投资利税率 (76)6.2.5 销售净利润率 (76)6.2.6 盈亏平衡分析 (76)第一章 蒸发器E1201对象分析只有在充分了解被控对象的基础上才能进行控制方案的设计，这里首先对被控装置蒸发器进行对象特性分析。
1.1 蒸发器E1201对象描述1.1.1 蒸发器工艺流程的描述蒸发器是通过加热，使溶液浓缩或者从溶液中析出物质的设备。
蒸发器向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化，同时，提供较大空间使气液两相完全分离。
它被广泛用于化工、轻工等行业。
蒸发器的主要控制指标是最终产品的浓度。
蒸发器主要由两个部分组成：加热室和蒸发室：其中加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相完全分离。
加热室中产生的蒸汽带有大量液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸汽分离。
通常除沫器设在蒸发室的顶部。
本次大赛所提供的蒸发器为SMPT-1000型蒸发器，其工艺流程图如图1.1所示：二次蒸汽冷凝水浓缩液过热蒸汽FI1201FI1105FV1201FV1105PI1201FI1203FV1203LI1201TI1201FI1202FV1202稀液蒸发器E1201图1.1 系统工艺流程图被控对象的检测仪表说明和执行机构说明分别见表1-1和1-2：表1-1 检测仪表说明位号检测点说明单位FI1105 过热蒸汽流量Kg/sFI1201 稀液流量Kg/sFI1202 浓缩液流量Kg/sFI1203 二次蒸汽流量Kg/sLI1201 蒸发器液位%TI1201 蒸发器温度℃PI1201 蒸发器压力M Pa表1-2 执行机构说明位号执行机构说明FV1105 过热蒸汽管线调节阀FV1201 蒸发器入后稀液管线调节阀FV1202 蒸发器底部出口浓缩液管线调节阀FV1203 蒸发器顶部出口二次蒸汽管线调节阀1.1.2 蒸发器E1201对象工艺过程简介蒸发器是一类有相变的换热装置，在过程工业中广泛应用于浓缩、提纯等环节。
满足工艺要求的过热蒸汽由蒸发器E1201 中部通入蒸发器夹套，过热蒸汽流量为FI1105，过热蒸汽管道上设调节阀FV1105。
经过换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。
待浓缩的稀液由蒸发器上部进入蒸发器，在与过热蒸汽换热后，稀液中的水分变成二次蒸汽由蒸发器顶部排出，浓缩液则由蒸发器底部排出。
稀液流量为FI1201，析液流量管线设调节阀FV1201。
浓缩液流量为FI1202，浓缩液流量管线设调节阀FV1202。
二次蒸汽流量为FT1203，二次蒸汽流量管线设调节阀FV1203。
蒸发器压力为PI1201，温度为TI1201，液位为LI1201。
1.2 蒸发器控制任务描述针对本次控制对象的控制任务，具体分为以下三个方面：（1）满足生产指标的考虑：在浓缩液流量稳定的前提下，保证浓缩液中组分（糖分）维持在7.4%~7.6%的波动范围之内。
所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定，并要充分考虑生产过程中可能出现的异常工况。
（2）满足节能指标的考虑：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过热蒸汽用量等能耗等指标予以充分考虑。
（3） 满足控制指标的要求：从生产单元冷态起，按照开车步骤实施全自动顺序控制，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。
1.3 蒸发器特性分析1.3.1 状态图描述为了便于对蒸发器进行对象分析，更系统、更全面的了解和掌握控制对象的特性，下面采用系统描述语言——状态图对蒸发器装置进行描述，状态图能够清楚表达系统的所有状态及其转移条件，其中图1.2给出了系统正常工作过程的状态图，图1.3给出了系统紧急停车时的状态图。
并且表1-3和表1-4分别为系统工作状态列表和条件列表。
1243S1S2S3S4S5S1.1S1.2S1.3S2.1S2.2S2.3S2.4S3.1S3.2S3.3S4.1S4.2S4.3终止状态正常停车起始状态冷态开车稳态工况StopS6S7S8S9图1.2 系统正常工作状态图12356S6S7S8S941t2t图1.3 紧急停车状态图符号内容符号内容0 初始状态S1.1打开阀FV12011 冷态开车S1.2LI1201达到80%2 稳态工况S1.3设置控制器LIC1201设定值并投自动3 正常停车S2.1打开阀FV12024 终止状态S2.2打开阀FV12035 紧急停车S2.3流量FI1202超过1.6kg/s6 紧急处理S2.4设置控制器FIC1202设定值并投自动S1 进料S3.1打开阀FV1105S2 LI1201稳定在80%S3.2温度TI1201超过99℃S3 浓缩液出口流量稳定在1.74Kg/sS3.3设置控制器TIC1201设定值并投自动S4 蒸发器温度稳定在108℃S4.1提升负荷，调节阀FV1202S5 蒸发器的出口流量稳定在4.63Kg/sS4.2流量FI1202超过4.5Kg/sS6 关闭阀FV1202S4.3设置控制器FIC1202设定值并投自动 S7 关闭阀FV1105表系统1-3 工作状态表表1-4 条件列表符号 内容ready 所有阀门全部处于关闭状态start按下开车按钮S8 关闭阀FV1203 S9 关闭阀FV1201stop 按下停车按钮a1 按下紧急停车按钮或紧急停车联锁自动启动t1 蒸发器温度T1201超过200℃t2 蒸发器液位高于90％1.3.2 蒸发器特性分析通过上述状态图描述可以知道被控对象——蒸发器是一个复杂的控制系统。
其主要输入变量主要有过热蒸汽流量FI1105和稀液流量FI1201等，输出变量主要有二次蒸汽流量FI1203、冷凝水、浓缩液流量FI1202。