大赛题目
本次大赛考题是基于计算机动态仿真技术构建的工业加热炉装置作为被控对象，要求参赛队员充分考虑该装置对象动态特性的基础上，设计完整的控制方案。方案中需突出本次大赛主题“节能、减排与安全”。
一、被控对象工艺流程描述
所选被控对象为过程工业领域常见的加热炉单元，通过加热炉对流传热与辐射传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度。
待加热物料A经由上料泵P1101泵出，分两路，其中一路进入换热器E1101与热物料换热后，与另外一路混合，进入加热炉F1101的对流段。进入换热器E1101的待加热物料A走管程，一方面对最终产品（热物料A）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对待加热物料A起到一定的预热作用。
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，达到所要求的高温后出加热炉，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。
二、工艺过程简介
待加热物料A流量为F1101，温度为常温20℃，经由上料泵P1101泵出。流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。
待加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。
燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。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。
对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。烟气含氧量AI1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。
出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温度的微调。最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。
炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为TI1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。
工艺流程图中的仪表及操作设备说明如下：
1. 检测仪表
| 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 | MPa |
| FT1101 | 待加热物料A流量 | kg/s | PT1102 | 炉膛压力 | MPa |
| FT1102 | 去换热器的待加热物料A流量 | kg/s | TI1101 | 炉膛中心火焰温度 | ℃ |
| FT1103 | 燃料流量 | kg/s | TT1102 | 进入加热炉辐射段的物料A温度 | ℃ |
| FT1104 | 空气量 | m3/s | TT1103 | 出加热炉辐射段的物料A温度 | ℃ |
| FT1105 | 产品（热物料A）流量 | kg/s | TT1104 | 产品（热物料A）温度 | ℃ |
| TT1105 | 烟气温度 | ℃ |
2. 执行机构
| 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 | 直接进入加热炉对流段的 待加热物料A管线流量调节阀 |
V1105 | 产品（热物料A）管线流量调节阀 |
| V1103 | 去换热器的待加热物料A管线流量调节阀 | DO1101 | 烟道挡板 |
3. 开关阀
| 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 |
4. 手操阀
| 位号 | 执行机构说明 |
| HV1101 | 物料A管线流量调节阀旁路阀 |
三、具体控制要求
1. 热物料出口温度控制
要求参赛队伍设计控制方案，在物料A进料量一定的情况下，使得热物料A达到要求的温度并维持其在允许的范围内。
2. 节能控制
节能体现在满足工艺控制要求的前提下，达到最小燃料使用量。一方面要求加热炉在正常工况时燃料的使用量最少，同时也体现在从冷态开车到加热炉达到正常工况所需的燃料用量达到最少。
3. 减排控制
排放指标主要体现在二氧化碳的排放量上，同时兼顾由于燃烧不充分产生有毒一氧化碳的排放量。
4. 安全控制
针对炉管爆裂（A物料为可燃物质）、炉膛灭火、进料中断这三种加热炉事故进行故障识别并设计相应的安全控制系统。
四、比赛要求
针对控制要求，需要选手在理解被控对象的基础上，完成：
- 控制系统及方案的设计，包括被控变量、操纵变量、阀门特性等的选择，并说明理由；
- 硬件系统方案设计；
- 被控对象特性测试；
- 在西门子PCS7 上进行控制组态以及监控组态；
- 实施控制系统，包括参数整定、控制系统投运；
- 实施扰动，评估控制系统性能。
初赛要求参加比赛的各支参赛队完成上述任务中第1、2项，即控制系统与硬件系统的方案设计。要求选手以工程文档方式进行撰写。评委基于所撰写的控制方案进行初赛评判。初赛通过的二十支参赛队将获得加热炉仿真对象进行3、4、5项工作。在进入决赛夏令营后，在较短时间内完成现场的实施，并由专家组随机指定扰动来测试控制性能。控制方案不限，最终以综合控制性能作为成绩判定的主要依据。