2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛(原全国大学生工业自动化挑战赛)连续过程设计开发赛项 样题

2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛（原全国大学生工业自动化挑战赛）连续过程 设计开发赛项 样题

2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛

（原全国大学生工业自动化挑战赛） 连续过程 设计开发赛项 【样题】

本样题是为了让参赛队伍了解2018年连续过程设计开发赛项的工艺对象及控制要求。参赛队伍根据本样题的要求进行开车步骤、仪表及控制系统的初步设计。在仿真对象发布后，具体物性参数、工艺参数、设备参数将给出，再进行详细设计，并提供上机练习调试。在完成基本控制设计的基础上，提倡从先进控制、生产优化、节能、安全等多角度进行方案设计与实施。在正式比赛时，将得到一份正式赛题。正式赛题与样题在物性参数、工艺参数、设备参数、对象特性、控制要求、评分考查点及扰动类型等方面会有10-30%的差异。 一、工艺描述

某反应工艺过程如下图所示：

该放热反应过程在催化剂C的作用下，原料A与原料B反应生成主产物D和副产物E，反应方程式如下：

主反应： 2A + B —＞ D 副反应： A + B —＞ E

2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛（原全国大学生工业自动化挑战赛）连续过程 设计开发赛项 样题

其中，主生成物D是所需产品，副生成物E是杂质，主、副反应均为强放热反应。为了获得较高的反应转化率，采用原料A过量的工艺。

正常工况下工艺过程如下：

原料A与原料B分别由原料A进料泵、原料B进料泵输送进入混合罐V101（立式圆罐）内混合，混合物料经预热器E101升温后，进入放热反应器R101进行反应，反应所需的催化剂C，由催化剂C输送泵P103从反应器顶部加入。在反应过程中，反应放热强烈，因此反应器R101采用夹套式水冷却。反应转化率与反应温度、停留时间、反应物料浓度及混合配比有关，反应体系气相压力对温度敏感，在冷却失效产生的高温条件下，过高的气相压力使反应器有爆炸的风险。在反应器顶部设一路抑制剂，当反应压力过高危及安全时，通入抑制剂F，使催化剂C迅速中毒失活，从而中止反应。冷却水吸收反应器的放热量形成热水，热水通往E101预热器对进料进行预热，以回收一部分热量，多余的热水通往公用工程。

反应器R101底部出口生成物含有产品D、杂质E，催化剂C、以及未反应的原料A和少量原料B，为了回收原料A，在反应器下游设置闪蒸罐V102，将混合生成物（D+E+C+A+B）中过量的原料A分离提纯。闪蒸罐V102顶部采出混合物（D+E+C+A+B）为气相，首先进入冷凝器E102与冷却水进行换热冷凝，冷凝后的混合物进入冷凝罐V103,通过循环泵P106再送入混合罐V101循环利用。闪蒸罐V102底部的混合生成物（D+E+C+A+B）经输送泵加压，送到下游分离工序，进行提纯精制，以分离出产品D。

仿真对象说明：

（1）参赛队员在SMPT-1000软件平台上，根据所提供的变量仪表，自行选择系统设计所需的仪表。

（2）工艺过程图管线上均可根据方案的需要设置阀门，阀门的流通能力不能随意改变。参赛队员可根据需要自行选择阀门的特性（线性、等百分比、快开）和阀门类型（手操阀、调节阀），其中调节阀门用于控制回路。

（3）工艺过程的设备参数由全国竞赛专家组设置，参赛队员不可自行变动。 二、初赛任务

针对以上工艺过程，参赛队需要完成开车步骤设计、控制算法设计、控制方案设计、实施、调试、投运，包括从冷态到稳态的自动开车过程和开车结束后的工艺过程控制。

甲方需求：

（1）产物达到规定浓度要求的前提下，产量越多越好（流量*产物浓度值的累积量）。 （2）不能出现安全事故。

根据工艺过程及甲方需求，参赛队伍完成：

（1）项目的方案设计，包括对象特性及控制需求分析、开车步骤设计、过程仪表选型、控制回路设计及控制算法研究，以及相关硬件的选型、系统设计和电气设计等。

（2）控制系统方案在西门子控制系统上实施（控制器硬件型号不限，推荐控制器为PCS7 412-H)并调试，完成从冷态开车至稳态的自动顺序控制。

评分依据甲方需求，在开车过程结束时，以达到要求的产物D的累积量为评分依据。 扣分项包括，但不限于以下情况（依顺序扣分增大）：

2018年“西门子杯”中国智能制造挑战赛（原全国大学生工业自动化挑战赛）连续过程 设计开发赛项 样题

（1）生产过程中，加抑制剂中止反应（造成废料增加，后处理困难）；

（2）混合罐、反应器、闪蒸罐、冷凝罐等罐式设备出现抽空或满罐现象（生产事故）； （3）反应器超压爆炸（严重生产事故）。 三、决赛任务

完成：

（1）现场接线。

（2）决赛对象从冷态到稳态的开车过程顺序控制。 （3）从开车到稳定目标工况的自动切换。

（4）克服系统可能存在的干扰，或实现自动的负荷升降。

与初赛相同，参赛队员在SMPT-1000软件平台上，根据所提供的变量仪表，自行选择系统设计所需的仪表。

甲方需求：

（1）产物达到规定浓度要求的前提下，产量越多越好（流量*产物浓度值的累积量）。 （2）不能出现安全事故。

（3）生产原料循环使用越多越好，体系能量利用越高效越好，公用工程消耗越低越好（自行根据工艺过程分析）。

根据工艺过程及甲方需求，参赛队伍完成： （1）现场接线。

（2）在初赛基础上进行方案改进和完善，包括对象特性及控制需求分析、开车步骤设计、过程仪表选型、控制回路设计及控制算法研究，以及相关硬件的选型、系统设计和电气设计等。

（3）控制系统方案在西门子控制系统上实施（控制器硬件型号不限，推荐控制器为PCS7 412-H)并调试，完成自动开车顺序控制及正常工况的控制系统投用。

（4）在负荷改变或干扰产生时，实现稳定控制。

评分依据甲方需求，在比赛结束时，以达到要求的产物D的累积量、控制效果、原料循环利用、能源利用效率、公用工程消耗等指标进行综合评价。

扣分项包括，但不限于以下情况（依顺序扣分增大）：

（1）生产过程中，加抑制剂中止反应（造成废料增加，后处理困难）；

（2）混合罐、反应器、闪蒸罐、冷凝罐等设备出现抽空或满罐现象（生产事故）； （3）反应器超压爆炸（严重生产事故）。