全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程设计文件

编号：03 西门子杯全国大学生控制技能仿真挑战赛间歇反应控制系统设计方案2007年6月西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛设计方案目录一、被控对象工艺流程概述 (1)二、控制系统设计要求 (2)三、解决方案 (2)3.1 反应升温速度控制 (2)3.2 反应保温温度控制 (8)3.3 主产物产率控制 (10)3.4 反应器压力安全控制 (11)3.5 顺序控制方案设计 (15)四、设备使用方案 (16)4.1系统配置方案 (16)4.2 软件配置 (18)4.3 I/O模块接线图 (18)参考文献 (22)附录 (23)一、被控对象工艺流程概述被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器系统，属于间歇反应过程。

其工艺流程图如图1.1所示：图1.1 间歇反应工艺流程图工艺设备包括：两台高位计量罐，其中A物料计量罐液位L2，入口阀V3，出口阀V4，A物料泵及泵电机开关S4；B物料计量罐液位L3，入口阀V2，出口阀V5，B物料泵及泵电机开关S2。

C物料下料流量F6，C物料下料阀V6。

带搅拌器的釜式反应器，反应器内主产物浓度A，反应温度T1，液位L4，反应物出口流量F9，出口阀V9，出口泵及出口泵开关S5（开关）。

反应器蛇管冷却水入口流量F7，蛇管冷却水阀V7；反应器夹套冷却水入口流量F8，夹套冷却水阀V8；反应器夹套加热蒸汽阀S6（开关）。

反应器放空阀V5，反应器搅拌电机开关S8，高压冷却水阀V10。

二、控制系统设计要求1. 反应升温速度控制在缩合反应阶段，由冷态常温逐渐诱发反应至温度达到121℃左右。

在此阶段要求选手设计控制系统，保证温度以0.1~0.2℃/s的速率上升。

本间歇反应过程中有主副反应的竞争，主反应的活化能较高，期望较高的反应温度。

加热速率过慢会使反应停留在低温区，副反应会加强，影响主产物产率。

因此提高反应温度有利于主反应的进行。

但加热速率过猛会使反应后续的剧烈阶段失控而产生超压事故。

反应釜温度和压力是确保反应安全的关键参数，所以必须根据温度和压力的变化来控制反应的速率。

2012年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛-工程创新型竞赛组题目讲解各位老师，各位同学你们好。

我是西门子公司中国研究院高科技企业化中心工程师，今天由我来为大家讲解2012年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程创新型竞赛组的题目。

首先欢迎大家参加2012年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛，本次大赛由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会、西门子中国有限公司和中国系统仿真学会联合主办，根据大赛侧重点的不同，一共设置了三个竞赛组：工程应用型，设计开发型和工程创新型。

这其中，工程创新型竞赛组只在面向全国高校在读学生征集具备创新性和可行性的多点触摸人机界面及其相关控件的设计方案。

众所周知，多点触控在手机等消费电子领域已经得到了广泛的应用，带给人们巨大地想象力和创造力。

但是，如果将这一技术引入以严谨苛刻著称的工业界那又将会引发一场怎样的变革。

我们根据多点触控在工业自动化领域的五个潜在应用场景，设置了五个竞赛题目。

接下来我会分别对这五个不同的题目进行讲解，结合具体的实例，来帮助老师和铜须门更好的了解这些应用场景，以及在进行多点触摸人机界面及其相关控件设计的时候需要达到的基本要求。

工程创新型竞赛组题目一：机器人/机械手/加工工具操作工业潜在应用场景：操作人员运用多点触摸技术控制机器人，机械手，或者加工刀具通过在三维空间的运动来完成一些复杂的工业生产任务。

举例来说，在机械加工领域，操作人员使用多点触控模式，用多个手指操作多个触摸控件，从而可以同时控制加工刀具和加工零件在多轴多平面的组合运动。

具体来说，一个手指的前移或者后退代表加工刀具的上升或者下降。

另外拇指和食指的组合运动则代表了加工零件在加工平面的平移或者旋转。

这样的组合运动方式，保证了加工刀具和加工零件之间运动的相互协调，从而提高了机械加工的效率以及机械加工的精度。

对于这个竞赛题目的设计要求：第一，需要支持多轴多平面不同的运动方式，例如上升、下降、平移、或者旋转。

2014年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛工程设计文件工程应用型赛项高校组参赛队伍名称：XXXXXXXX参赛学校名称：XXXXXXXX年月日一、方案设计依据、范围及相关标准二、系统分析（包括甲方需求分析、对象特性分析、系统安全分析等）三、控制系统设计（包括控制逻辑、控制回路、控制算法等的选择，开机、停机等控制逻辑以流程图表达）一、控制逻辑流程图二、控制回路三、控制算法的选择双馈机组风电场控制系统采用PI控制和HCC算法。

1、PI控制算法：发电机并网时的变桨系统功率控制功率控制系统如下图所示，它由两个控制环组成外环是功率控制环，根据发电机实际功率值调整发电机的电流设定值。

内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。

如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶桨距角，使风轮获得大功率。

如果功率参考值是恒定的，电流参考值也是恒定的。

变滑差发电机主要控制与输出功率成正比的转子电流。

控制器向转子电流控制器发送要求电流基准值，然后实际转子电流会与基准值比较进而做相应调整，使用IGBT 作为直流开关，用转子电流控制单元的外部转子电阻的PWM 可获得转子电流。

切换频率接近3kHz，这使得平均外部电阻在0 到100%之间几乎连续可调，发电机的转差率相应地能够从0.6%（转子自身电阻）到10%（转子电阻为自身电阻与外接电阻之和）之间连续变化。

当功率变化即转子电流变化时，PI 调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。

与此同时，发电机转差率却在作相应的调整以平衡输入功率的变化。

2、HCC算法：HCC 算法是一种人工智能算法，可用于寻找未知函数的极大值点。

该算法最基本的思想是连续地对控制对象应用一系列规则、约束，同时检验自身的输出，确保输出逐步接近极大值。

如果利用HCC 算法寻找风力发电机组的输出功率极大值，根据偏航误差角与电机功率关系来控制偏航电机动作，可精确地实现偏航控制。

全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛设计开发型赛项
总决赛评分规则
设计开发型赛项总决赛成绩满分100分，由工程现场实施与方案答辩两部分组成，分值分配如下：
一、工程现场实施评分规则
工程现场实施环节满分70分，由硬件接线、系统实现和扰动测试两部分组成，分值分配如下：
1.硬件接线规则
硬件接线比赛环节，30分钟之内，要求将PCS 7远程IO中的AI模块与SMPT-1000仪表测量输出模块进行接线，并确保通讯正常。

硬件接线成绩由裁判组给出，对线缆连接及配置（满分100分，权重0.04）、系统通讯（满分100分，权重0.06）进行打分。

具体评分规则如下：
硬件接线的详细评分依据参见《2015年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛设计开发型赛项硬件接线评分表》，最终以表格形式报告评分结果。

2.系统实现规则
系统实现比赛环节中要求30分钟之内，系统快速、平稳投运，在开车过程中维持各动态指标在要求范围内，系统稳定运行后保持各稳态指标在要求范围内。

系统实现成绩由自动评分系统（2015版）给出，对开车过程、控制效果、能耗产量以及稳定与安全指标进行综合打分。

评分过程由裁判组监督并确认。

具体评分规则如下：。

2017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）逻辑控制设计开发赛项决赛赛题一、被控对象描述1.对象模型电梯三维模型主要包括：电梯整体（包括轿厢、电机、限位开关，等）、各个楼层按钮（上下行呼梯按钮及指示灯，等）、电梯内部设备（轿厢开关门按钮、轿厢选层按钮及指示灯，等），等等。

电梯模型采用六部十层结构，其外形及示意图如下所示：imjlbfce十位个位图1：电梯模型外形示意图图2：七段数码管图3：电梯模型原理示意图图4：交流双速电梯拖动系统．．．．．相连，实施自动控制。

2.设计参数3.IO变量及相对地址列表（见附录）二、任务要求及评分细则1.任务要求针对电梯控制，参赛队需完成：1）控制方案的实施及调试。

包含PLC硬件组态及控制程序实施，WINCC监控画面组态及实施，PLC与WINCC之间的通信连接，以及系统调试、投运。

2）实现电梯的自动控制，及时响应不同楼层的客户召唤请求。

包括电梯启停、平层、开关门、故障提示及上下限位保护等。

2.评分细则★说明：当自动评分成绩相同时，群控指标1-5项作为参考指标进行比较，用以确定名次的先后顺序。

这五项指标，其评价优先级按照从高到低的顺序依次是：乘客平均候梯时间 > 乘客长时间候梯率 > 乘客平均乘梯时间 > 电梯运行总距离 > 系统启停总次数。

▼扣分项说明：当实现该功能时，得分为0分；当该功能未实现或实现有误时，得分为负分。

附录：电梯仿真对象IO列表PLC输入变量：PLC输出变量：。

2014年西门子杯
全国大学生工业自动化挑战赛
工程设计文件
工程应用型赛项
高校组
参赛队伍名称：XXXXXXXX
参赛学校名称：XXXXXXXX
年月日
一、方案设计依据、范围及相关标准
二、系统分析（包括甲方需求分析、对象特性分析、系统安全分析等）
三、控制系统设计（包括控制逻辑、控制回路、控制算法等的选择，开机、停机等控制逻辑以流程图表达）
四、控制系统选型与系统连接
风电场的有功控制策略
风电场的优化运行"电力系统的调频需要对系统有功功率平衡进行控制,调压需要对系统无
五、实施效果
六、经济效益分析。

西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛设计方案第I页西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛设计方案第I页西门子杯全国大学生过程控制仿真挑战赛1 被控对象工艺流程概述............................................................................ .. (1)2 系统设计............................................................................ .. (3)2.1 DCS系统概述............................................................................ (3)2.2 系统软件安装设置............................................................................ .. (3)2.3 硬件结构及网络层次............................................................................ . (4)3 控制方案设计............................................................................ (6)3.1 进料流量控制方案............................................................................ .. (6)3.1.1 比值控制系统特点............................................................................ .. (6)3.1.2 比值控制系统主动量的选择............................................................................ .63.1.2 进料流量的变比值控制方案............................................................................ .63.1.4 控制器规律的选择............................................................................ .. (9)3.1.5 比值控制系统中控制器正、反作用的选择 (9)3.2 反应器料位控制方案............................................................................ .. (10)3.2.1 串级控制系统的特点............................................................................ .. (10)3.2.2 反应器料位串级控制系统............................................................................ (10)3.2.3 串级控制系统中主、副控制器规律的选择 (11)3.2.4 串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择 (12)3.3 反应温度及升温速率控制方案............................................................................ .123.3.1 模糊分程控制方案............................................................................ (12)3.3.2 模糊控制系统的参数设计............................................................................ (15)3.3.4 具有压力补偿的反应釜温度控制 (15)3.4 反应器压力安全控制及联锁保护 (17)3.5 反应器组分控制............................................................................ . (18)3.6 开车步骤顺序控制............................................................................ (19)4 结论............................................................................ . (21)附录............................................................................ .. (22)基于PCS7的带搅拌釜式反应器系统的控制方案的带搅拌釜式反应器系统的控制方案1 被控对象工艺流程概述被控对象工艺流程概述所选被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR）系统，属于连续反应过程。