大赛题目
根据所提供的工艺对象，通过分析其对象动态特性，设计和实施完整的控制方案。方案中需突出本次大赛主题“低碳、安全”。
一、被控对象描述
1. 工艺流程介绍
所选被控对象为工业领域广泛应用的自然循环锅炉。
经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧，除氧蒸汽由除氧头底部通入。除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，对锅炉造成腐蚀。热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。在除氧器V1101下水箱底部也通入除氧蒸汽，进一步去除软化水中的氧气和二氧化碳。
除氧后的软化水经由上水泵P1101泵出，分两路，其中一路进入减温器E1101与过热蒸汽换热后，与另外一路混合，进入省煤器E1102。进入减温器E1101的锅炉上水走管程，一方面对最终产品（过热蒸汽）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对锅炉上水起到一定的预热作用。省煤器E1102由多段盘管组成，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。
被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等，汽水分离是上汽包的重要作用之一。分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽进入减温器E1101壳程，进行温度的微调并为锅炉上水预热，最后以工艺所要求的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下一生产单元。
燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经由变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。燃烧产生的烟气带有大量余热，对省煤器E1102中的锅炉上水进行预热。
2. 工艺过程简介
软化水流量为F1106，温度为常温20℃，经由调节阀V1106进入除氧器V1101顶部。除氧蒸汽分两路，一路进入热力除氧头，管线上设有调节阀PV1101；另外一路进入除氧器下水箱，管线上设有开关阀XV1106。除氧器压力为P1106，除氧器液位为L1101。软化水在除氧器底部经由上水泵P1101泵出。
锅炉上水流量为F1101，锅炉上水管线上设有上水泵出口阀XV1101，上水管线调节阀V1101，以及旁路阀HV1101。锅炉上水被分为两路。一路进入减温器E1101预热，预热后与另外一路混合进入省煤器E1102。两路锅炉上水管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分锅炉上水直接流向省煤器，少部分锅炉上水流向减温器，其流量为F1102。
汽包V1102顶部设放空阀XV1104，汽包压力为P1103。汽包中部设水位检测点L1102。在汽包中通过汽水分离得到的饱和蒸汽温度为T1102，经过炉膛汽相升温得到的过热蒸汽温度为T1103。
过热蒸汽进入减温器E1101，进行温度的微调。最终过热蒸汽压力为P1104，温度为T1104，流量为F1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀V1105。
燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛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，燃料泵出口阀XV1102。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，变频器频率为S1101（被归一化到0~100%之间），空气量为F1104。
省煤器烟气出口处的烟气流量为F1107，温度为T1105。烟气含氧量A1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。
炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为T1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。
3. 仪表及操作设备说明
（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 | 锅炉上水流量 | kg/h | PT1102 | 炉膛压力 | MPa |
| FT1102 | 去减温器的锅炉上水流量 | kg/h | PT1103 | 汽包压力 | MPa |
| FT1103 | 燃料流量 | kg/h | PT1104 | 过热蒸汽压力 | MPa |
| FT1104 | 空气量 | m3/s | PT1106 | 除氧器压力 | MPa |
| FT1105 | 过热蒸汽流量 | kg/h | TT1101 | 炉膛中心火焰温度 | ℃ |
| FT1106 | 软化水流量 | kg/h | TT1102 | 汽水分离后的过热蒸汽温度 | ℃ |
| FT1107 | 烟气流量 | kg/h | TT1103 | 进入减温器的过热蒸汽温度 | ℃ |
| LT1101 | 除氧器液位 | % | TT1104 | 最终过热蒸汽温度 | ℃ |
| LT1102 | 汽包水位 | % | 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 | 锅炉上水管线调节阀 | V1106 | 软化水管线调节阀 |
| V1102 | 直接去省煤器的锅炉上水管线调节阀 | PV1101 | 除氧蒸汽管线调节阀 |
| V1103 | 去减温器的锅炉上水管线调节阀 | S1101 | 鼓风机变频器 |
| V1104 | 燃料管线调节阀 | DO1101 | 烟道挡板 |
| V1105 | 过热蒸汽管线调节阀 |
（3）开关阀
| 位号 | 执行机构说明 | 位号 | 执行机构说明 |
| XV1101 | 锅炉上水泵出口阀/截止阀 | XV1104 | 汽包顶部放空阀 |
| XV1102 | 燃油泵出口阀/截止阀 | XV1106 | 通入除氧器下水箱的除氧蒸汽管线阀 |
（4）手操阀
| 位号 | 执行机构说明 |
| HV1101 | 锅炉上水管线调节阀旁路阀 |
二、比赛题目和要求
简介：根据甲方对于安全、稳定、减排的生产目标，设计和实施完整的控制系统。考核学生系统分析能力、系统设计能力、综合优化的能力。
现场要求完成：Profibus DP现场总线的配置；成熟的HMI人机界面组态；控制系统参数整定和调优；接受系统可能的各类干扰的挑战。决赛的主要比赛形式从某一指定工况开始升降负荷来观察控制效果。
1. 控制系统设计的考虑
（1）满足生产指标的考虑
在过热蒸汽产量稳定的前提下，保证蒸汽的温度与压力达到工艺要求，并维持在允许的波动范围之内。
（2）满足安全指标的考虑
锅炉汽包水位、除氧器水位、炉膛压力、烟气含氧量等与系统安全相关的指标必须全程在允许范围之内。所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定。各类生产过程中可能产生的异常要充分予以考虑。
（2）满足优化指标的考虑
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能耗、碳排放等指标予以充分考虑。
2. 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：
（1）基础控制系统的设计，包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性等的选择，以及开车、正常停车顺序控制系统的设计，并说明理由；
（2）安全相关系统的设计，包括声光报警系统、安全联锁系统、紧急停车系统、安全仪表系统等的设计，并说明理由；
（3）仪表选型与仪表连接，包括控制器、测量变送装置、执行机构的选择，并表达出各单元之间的信号连接；
（4）在SIMATIC PCS7 上完成DCS应用组态，包括控制算法组态和监控画面组态；
（5）自控系统调试，完成控制系统投运和控制器参数整定；
（6）自控方案答辩；
（7）自控系统交工验收，由专家组提出控制要求，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）~（3）项，即控制系统设计、仪表选型及仪表连接的表达。要求选手以工程文档方式撰写设计方案。评委基于所撰写的工程文档的合理性、可行性、完整性、严谨性、创新性等方面进行初赛评判。
初赛通过的参赛队进入西门子创新技能夏令营，在较短时间内完成第（4）~（5）项任务。
决赛由（6）、（7）两项任务组成。自控方案答辩时，专家组根据选手阐述和回答问题情况打分。自控系统交工验收时，专家组随机指定生产工况来测试自控系统性能。最终以初赛和决赛的综合成绩作为比赛名次的判定依据。
三、其它说明
1、比赛形式
大赛以一个虚拟的控制工程项目为背景展开。大赛组委会作为甲方发布模糊的控制工程招标需求，各参赛队伍以乙方身份进行技术方案设计和应标（即初赛）。在通过初赛招标后，乙方以甲方工程承包商的身份进入现场实施控制工程项目（即决赛）。
2、评价体系
生产要求、安全要求、优化要求等等在实际项目中遇到的各种要求都将是甲方评价的指标。针对目前学校工程教育的薄弱环节，参赛队伍的工作需要在以下几个方面优先考虑：
实用性
控制系统的设计、控制工程的实施、控制项目的规划等是否以实用为出发点？
成熟度
参赛队伍的各项工作是否体现出工业现场项目所需的成熟度，而不仅仅是在做一道应用题？
满意度
在保证项目可实施的前提下，参赛队伍的各项工作的结果是否充分达到了让甲方满意的效果？
四、附录（开车步骤）
1、启动前阀位检查
检查所有的阀门和开关都处于关闭状态。
2、除氧器投运
1) 将软化水管线调节阀V1106打开，手动向除氧器充水，使液位指示达到400(mm)，并保持稳定。开除氧器下水箱蒸汽管线阀XV1106加热到100℃后关闭
2) 打开除氧蒸汽管线调节阀PV1101，将除氧器压力升至1000mmH2O。
3、锅炉上水
1) 打开汽包放空阀XV1104。
2) 开启上水泵出口阀XV1101，全开去省煤器锅炉上水管线调节阀V1102。
3) 缓开给水调节阀的小旁路阀HV1101，手控上水（注意上水流量不得大于10t/h，因为上水过快，排气不畅，会导致局部受压，损坏设备）。待水位升至250mm，关闭旁路阀HV1101。
4) 调节V1101，使汽包水位达到300mm，并保持稳定。
5) 调节PV1101，将除氧器压力达到2000 mmH2O，并保持稳定。
4、锅炉点火升压
1) 检查汽包放空阀XV1104是否打开。
2) 全开烟道挡板DO1101，开启风机S1101通风5分钟，使炉膛不含可燃气体。
3) 将烟道挡板DO1101调至20%左右。
4) 按下操作台上的点火按钮，点燃开工烧嘴。
5) 打开油路截止阀XV1102，开调节阀V1104，投入主燃料系统。
6) 升压过程应缓慢平稳，时间应严格控制不得小于10分钟，以免过热器管壁温度急剧上升和对流管束胀口渗水等现象发生。当蒸汽压力达到1.5MPa时，关闭汽包放空阀XV1104。
7) 过热蒸汽温度达到400℃时，投入减温器，打开V1103，开度为50%。
8) 当压力升至3.6MPa之后，保持此压力达到平稳。
5、锅炉负荷提升
1) 检查蒸汽温度不低于420℃。
2) 调整汽包水位为250~300mm。
3) 调整过热蒸汽压力在3.6~3.65MPa。
4) 缓慢开蒸汽管线调节阀V1105，约5%。
5) 调节蒸汽压力达到3.8MPa，并保持稳定。
6) 缓慢调节蒸汽管线调节阀V1105，提升燃烧负荷，使产汽量达到20t/h左右。
7) 检查燃油管线调节阀V1104位于小开度，调节蒸汽管线调节阀V1105，使负荷提至35t/h。
8) 缓慢调节V1105继续提升负荷，提升速度每分钟不得超过3-5t/h，同时注意调节燃油管线调节阀V1104补充燃油量，直至负荷升至65t/h。
9) 调整蒸汽温度达到440℃，并使其保持稳定。
6、锅炉正常运行工况
1) 调整烟道挡板DO1101，使烟气含氧量维持在2%左右。
2) 蒸汽温度保持在(440±5) ℃范围内。
3) 均衡进水，保持正常水位，使给水量和蒸汽负荷达到平衡。汽包水位控制在(300±30)mm。
4) 过热蒸汽压力保持在(3.8±0.05) MPa范围内。
5) 给水压力保持在4.8~5.5MPa。
6) 炉膛压力小于400mmH2O。
7) 排烟温度在200℃左右。
8) 燃料气压力在0.29~0.31MPa。
9) 除氧器压力在(2000±100) mmH2O。除氧器液位在(400±30)mm。