船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王學(xué)智，黃金花，劉繼清

船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王學(xué)智1，黃金花2，劉繼清2

（1. 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；2. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050)

為了使船用有機(jī)液體供氫裝置工作安全可靠、脫氫效率穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的控制系統(tǒng)。根據(jù)供氫裝置工藝要求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，編制出用戶程序。通過(guò)兩路PID回路,控制空氣流量及供氫壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，進(jìn)而穩(wěn)定脫氫效率。通過(guò)聯(lián)機(jī)測(cè)試，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，滿足了供氫裝置的控制要求。

PLC 脫氫 PID 控制系統(tǒng)

0 引言

船用氫燃料電池系統(tǒng)具有無(wú)污染、零排放、制氫效率高、可靠性好、集成度高、補(bǔ)給便捷等優(yōu)點(diǎn)[1～2]，適用于游船等多種船型。與儲(chǔ)能量相同的鋰電池方案相比，船用氫燃料電池系統(tǒng)在重量、占地面積與補(bǔ)給時(shí)間等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3～5]。而船用有機(jī)液體儲(chǔ)氫供氫裝置是船用氫燃料電池系統(tǒng)的重要組成部分，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以西門子S7-200Smart為控制器，配置12路模擬量輸入通道，6路模擬量輸出通道，實(shí)時(shí)采集脫氫裝置的空氣流量、液態(tài)氫流量、脫氫溫度、供氫壓力等現(xiàn)場(chǎng)值，通過(guò)PID控制使空氣流量和液態(tài)氫流量及時(shí)跟蹤設(shè)定值，從而穩(wěn)定裝置的脫氫效率。

1 船用有機(jī)液體供氫裝置工藝及參數(shù)

1.1 工藝流程

針對(duì)有機(jī)液體儲(chǔ)氫體系能效低的難題[6～8]，我國(guó)某研究所重點(diǎn)研究了氫氣催化供熱技術(shù)、高效熱量耦合技術(shù)、自熱式脫氫反應(yīng)器一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、反應(yīng)器封裝技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了裝置的自熱脫氫，不需要外界提供熱源，提高了脫氫裝置的能效。完成國(guó)內(nèi)首臺(tái)套40 kW自熱式有機(jī)液體供氫裝置的研制，將氫氣催化供熱與儲(chǔ)氫有機(jī)液體催化脫氫集成于一體，實(shí)現(xiàn)供氫裝置的模塊化設(shè)計(jì)，具有易于規(guī)模化放大，裝置能效高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。圖1為供氫裝置的工藝流程圖。

圖1 供氫裝置工藝流程圖

1.2 工藝參數(shù)

設(shè)圖1中流量控制器2的輸出流量為Q，流量控制器1的輸出流量為Q，空氣泵輸出流量為Q，液體泵輸出流量為Q，除Q的單位為外，另三個(gè)流量單位Q、Q、Q均為。定義兩個(gè)參數(shù)“回?zé)取焙汀皻淇毡取??！盎責(zé)取倍x為返回催化反應(yīng)器的氫氣量占凈輸出氫氣量的百分比，以表示，“氫空比”定義為氫氣與空氣進(jìn)入催化反應(yīng)器的比例，以表示。

根據(jù)燃料電池發(fā)電功率，在上位機(jī)設(shè)定流量控制器2的輸出流量為Q，流量控制器1的輸出流量為Q按式（1）確定。

Q=ω*Q（1）

空氣泵輸出流量為Q的流量由式（2）確定。

Q=(Q/)- Q（2）

液體泵輸出流量為Q的流量由式（3）確定，式中ρ為儲(chǔ)氫密度，η是脫氫效率。

Q=0.0899(Q+Q)/10000.96（3）

2 船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。觸摸屏作為上位機(jī)，監(jiān)控裝置的運(yùn)行狀態(tài)，PLC作為主控制器通過(guò)自帶的數(shù)字量輸入輸出單元接收主令信號(hào)、液位報(bào)警信號(hào)以及變頻器運(yùn)行故障信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后控制電磁閥、蜂鳴器及變頻器的啟動(dòng)、停止。擴(kuò)展模擬量輸入模塊用于采集流量計(jì)流量、兩臺(tái)流量控制器流量、反應(yīng)器溫度、儲(chǔ)氫罐壓力、控制空氣泵的變頻器頻率反饋以及控制液體泵的變頻器頻率反饋。擴(kuò)展的模擬量輸出模塊用于控制兩臺(tái)變頻器的運(yùn)行頻率及兩臺(tái)流量控制器的輸出流量。模擬量輸入輸出信號(hào)均為4～20 ma電流信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括觸摸屏界面設(shè)計(jì)及PLC程序設(shè)計(jì)。觸摸屏共設(shè)計(jì)六個(gè)界面，分別是主畫面、設(shè)備狀態(tài)畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、參數(shù)讀取畫面、報(bào)警查詢畫面及幫助畫面，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示供氫裝置工作狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置、計(jì)算、讀取，報(bào)警查詢等功能。

PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了七個(gè)子程序，包括初始化子程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)子程序、模擬量輸入子程序、模擬量輸出子程序、定時(shí)中斷子程序、停機(jī)子程序。初始化子程序?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)賦初始值并初始化系統(tǒng)變量，手動(dòng)子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁閥、空氣泵、液壓泵的手動(dòng)起?？刂?，模擬量輸入子程序采集現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、流量、頻率等過(guò)稱值，模擬量輸出子程序控制流量控制器的輸出流量，定時(shí)中斷子程序用于計(jì)算流量控制器1的累積輸出流量，自動(dòng)子程序?qū)崿F(xiàn)供氫裝置的自動(dòng)脫氫過(guò)程，圖3為自動(dòng)程子序流程圖，停機(jī)子程序在按下停機(jī)按鈕后按要求實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)停機(jī)，圖4為停機(jī)子程序流程圖。

主程序按接收的主令信號(hào)及供氫裝置運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)信號(hào)調(diào)用相應(yīng)的子程序，同時(shí)計(jì)算兩路PID控制回路，一路PID通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率穩(wěn)定空氣泵輸出流量，另一路PID通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵運(yùn)行頻率，穩(wěn)定儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫壓力。在自動(dòng)子程序中一旦改變回?zé)?，由式?）至（3）可知空氣泵流量Q與液體泵流量Q的設(shè)定值也隨之改變，此時(shí)主程序中的兩路PID回路迅速跟蹤設(shè)定值。圖5為空氣泵流量PID調(diào)節(jié)回路，圖中AI_MFM101為空氣泵流量反饋回來(lái)的模擬量輸入信號(hào)，SV_MFM101為由式（2）確定的空氣泵流量設(shè)定值，Auto_Mode為自動(dòng)調(diào)節(jié)模式開關(guān)，此信號(hào)為TRUE時(shí)實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，此信號(hào)為FALSE時(shí)PID回路以Ms_MFM101的設(shè)定值定值輸出，不進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，AO_HZ_P101為PID控制回路輸出，此信號(hào)通過(guò)模擬量輸出模塊控制變頻器輸出頻率從而控制空氣泵的輸出流量。液體泵流量PID調(diào)節(jié)回路與空氣泵流量PID調(diào)節(jié)回路基本一致，兩路PID的比例P、積分I、微分D三個(gè)參數(shù)通過(guò)編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART中的PID調(diào)試面板自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖3 自動(dòng)子程序流程圖

圖5 空氣泵流量PID調(diào)節(jié)回路

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)空載實(shí)驗(yàn)及多輪帶載調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，響應(yīng)速度快，參數(shù)設(shè)置方便，壓力、溫度、流量等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，完全滿足了供氫裝置的控制工藝要求。

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Design of Control System for Marine Hydrogen Supply Device Based on Liquid Organic Hydrogen Storage

Wang Xuezhi1,Huang Jinhua2,Liu Jiqing2

（1. Hubei Water Resources Technical College, Wuhan 430070, China; 2. Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China）

TP115

A

1003-4862（2021）10-0010-03

2021-03-04

全國(guó)教育科學(xué)規(guī)劃課題(BJA170096), 湖北省教育科學(xué)規(guī)劃課題（2018GB148），教育部新一代信息技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（2019ITA04002）,“新基建”視角下高職院校信息通信技術(shù)公共基礎(chǔ)課程建設(shè)與研究（2020B1141）

王學(xué)智（1978-），碩士，副教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。E-mail:375146625@qq.com.

黃金花（1970-），教授，研究方向：優(yōu)化控制及故障診斷。E-mail: Angela0412@126.com.