PLC化工制氫自動化控制管理系統(tǒng)技術(shù)分析

李雨欣，張 桐

(榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

PLC控制系統(tǒng)的核心功能就是對制氫系統(tǒng)的溫度、壓力等參量進(jìn)行自動化調(diào)控，使得這些參量具有穩(wěn)定性。通過對氧、氫液位的動態(tài)調(diào)控，使得它們具有動態(tài)平衡性。按照制氫系統(tǒng)的具體運行狀態(tài)，對輸出電流給定進(jìn)行整流。該控制系統(tǒng)在實際運行之際，會按照某種條件對其進(jìn)行自動化補水調(diào)控；若是系統(tǒng)出現(xiàn)了故障問題，就會迅速地給出警報信息，例如，需要被控制的參量超出限值，就會給出連鎖信號，對整流柜輸出直流電流進(jìn)行切斷，使得電解槽不再工作。在PLC科技技術(shù)持續(xù)進(jìn)步之下，該技術(shù)在化工制氫領(lǐng)域的應(yīng)用使得該領(lǐng)域獲得巨大發(fā)展，具體優(yōu)勢體現(xiàn)在：增效降本，提升安全性等。為此，以PLC技術(shù)為對象，對其在化工制氫領(lǐng)域的深入應(yīng)用研究就顯得極為必要。

1 可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)概述

1.1 可編程邏輯控制器(PLC)簡介及發(fā)展

有一款專門研發(fā)為在工業(yè)環(huán)境下進(jìn)行使用的可編程邏輯控制器(PLC)，可接收到控制指令之后將其進(jìn)行保存并開始運行。數(shù)據(jù)RAM、電源、AD等各種功能構(gòu)成了PLC控制系統(tǒng)。從20世紀(jì)60年代再到如今，通過長時間的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)越來越需要PLC控制系統(tǒng)的支持。在各個國家的相關(guān)人員不斷努力研發(fā)下，微型機(jī)與大型機(jī)出現(xiàn)在我們的面前。與此同時，還研究出了各種功能的拓展模塊。PLC控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)控制設(shè)備廣泛應(yīng)用于該技術(shù)。正是因為該技術(shù)的出現(xiàn)，使操控工業(yè)設(shè)備變得更為簡單。

1.2 PLC控制系統(tǒng)特點及優(yōu)勢

PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：功能豐富、開發(fā)簡單、魯棒性強(qiáng)、運行速度很快，維護(hù)便捷等。如今，該技術(shù)都應(yīng)用到了性能較佳的微型計算機(jī)芯片，其集成水平極高，提供了獨特的保護(hù)電路，系統(tǒng)具有顯著抗干擾性，而且還集成了自診斷功能。另外，PLC控制系統(tǒng)在實際運行之際，利用成功設(shè)計的程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，而且有著較快的處理速度；PLC控制系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)化編程語言共有5種，分別為2種文本語言與3種圖形語言，前者具體為結(jié)構(gòu)化文本與指令表，簡稱分別為ST和IL；后者則為功能模塊圖、梯形圖、順序功能流程圖，簡稱分別為FBD、LD和SFC。另外，該技術(shù)還能對多元化開發(fā)語言進(jìn)行支持，譬如C圓凳，并能在不同領(lǐng)域得到頗為廣泛運用。PLC系統(tǒng)在應(yīng)用過程中頗為快捷，而且能夠運用較為簡單的開發(fā)語言，可以更好地完成有關(guān)操作，并可以對有關(guān)程序加以更改，實現(xiàn)自身工作效率提升。

2 PLC控制系統(tǒng)在化工制氫中的實現(xiàn)

2.1 PLC控制系統(tǒng)在化工制氫中應(yīng)用

以下通過一個實例來分析PLC 控制系統(tǒng)在化工制氫中的實際應(yīng)用。系統(tǒng)在填料之后正式運行，此時，PLC會對隔膜泵進(jìn)行啟動，將水流導(dǎo)入至緩存罐，對其進(jìn)行加熱，直至90 ℃，隨后對進(jìn)水管路之上的電磁閥門、隔膜泵進(jìn)行打開，正式加水。在反應(yīng)釜環(huán)境中，相關(guān)參與物質(zhì)進(jìn)行反映，使得該容器壓力增長到0.01 MPa之際，就設(shè)定為“已反應(yīng)”，此時，系統(tǒng)進(jìn)入到自動調(diào)控模式。對加水速度進(jìn)行調(diào)控，就能獲得與之相應(yīng)的出氫速率，在反應(yīng)箱中的壓力增長至0.01 MPa之際，就能出氫，此時可以對其溫度進(jìn)行檢測，倘若超過30 ℃，此時對離心泵進(jìn)行啟動，同時還需要啟動冷風(fēng)器，對其進(jìn)行冷卻。通過換熱模塊得出的氣液混合物(冷卻后)就能進(jìn)一步轉(zhuǎn)入分離器，使之進(jìn)行分離，PLC控制系統(tǒng)模塊還能對該分離器的液位進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。吸附模塊(活性炭)則會對氫氣中的雜質(zhì)以及水汽等進(jìn)行吸附。若是反應(yīng)箱壓力超過了0.01 MPa，那么作為PLC控制系統(tǒng)，就需要對氫氣泵進(jìn)行啟動，進(jìn)而將氫氣導(dǎo)入緩存罐，于是反應(yīng)箱壓力就會下降，對氫氣泵進(jìn)行關(guān)閉，使得反應(yīng)箱處于動態(tài)平衡常壓之下。質(zhì)量流量控制模塊則可以對出氫速度等進(jìn)行計算與調(diào)控，使得出氫速率有著較高的穩(wěn)定性。倘若反應(yīng)箱有著較高的反應(yīng)速度，而且壓力進(jìn)一步超過0.04 MPa，那么就需要對放空閥進(jìn)行啟動，對反應(yīng)箱中的壓力進(jìn)行下調(diào)，使得系統(tǒng)具有較高的安全性。借助于信息集成與數(shù)據(jù)交互，使得系統(tǒng)參量動態(tài)顯示至人機(jī)交互頁面之上，從而對其遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 PLC控制系統(tǒng)化工制氫的技術(shù)分析

PLC控制系統(tǒng)可以對化工制氫諸多功能模塊進(jìn)行動態(tài)控制，在掃描周期之內(nèi)，需要涉及到采樣、執(zhí)行、輸出3個環(huán)節(jié)。制氫系統(tǒng)在運行時，該系統(tǒng)芯片基于自身頻率下的速度進(jìn)行周期性掃描。該制氫系統(tǒng)呈現(xiàn)出閉環(huán)特點，對氫氣泵進(jìn)行自動化控制。涉及到水加熱、溫度、流量、液位等參量的控制系統(tǒng)等，都是利用閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行的?；ぶ茪湎到y(tǒng)運用了順序控制技術(shù)，將控制系統(tǒng)細(xì)分成幾個具有獨立性動作，為了讓生產(chǎn)能夠穩(wěn)定運行，不同控制動作能夠根據(jù)明確的次序，對有關(guān)任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行。另外，該順序控制還能對制氫效率、穩(wěn)定性進(jìn)行提升。在具體制氫環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)可以對其中不同流程、部件進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)故障后可以立即停用，防范故障引起事故，使之生產(chǎn)具有安全性。對遠(yuǎn)程監(jiān)控人際交換頁面參量進(jìn)行動態(tài)觀察，用戶可以對故障位置、種類進(jìn)行快速判斷，并對故障進(jìn)行消除。

3 PLC控制系統(tǒng)的子控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 槽壓控制系統(tǒng)

槽壓調(diào)節(jié)控制裝置系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 槽壓控制系統(tǒng)

通過0～4 MPa系統(tǒng)壓力通過變送器轉(zhuǎn)換之后，成為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 MPa電信號，之后會進(jìn)入到控制柜中。進(jìn)入信號隔離器后，PLC控制系統(tǒng)內(nèi)的模擬輸入模塊，將其與PLC控制系統(tǒng)中設(shè)置的系統(tǒng)工作壓力進(jìn)行比較，并利用PID算法計算最終結(jié)果，通過模擬PLC輸出模塊轉(zhuǎn)換4～20 mAh信號，轉(zhuǎn)換成0.02～0.10 MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣動信號，控制氧氣閥調(diào)節(jié)罐壓力的開度，以便將油箱壓力穩(wěn)定到系統(tǒng)運行期間標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 液位控制系統(tǒng)

氫分離器液位控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 液位控制系統(tǒng)

通過水電解的不斷開展，原料水也開始持續(xù)的耗用，于是原料水液位必然持續(xù)下降，此時就需要利用補水泵對其進(jìn)行補充，從而滿足耗用所需。本系統(tǒng)借助配置在氫側(cè)的壓差變送模塊，對液位高度進(jìn)行動態(tài)測量，進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mAh的電流信號，然后對利用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。利用補水液位上下限值對比，形成輸出信號，從而對補水泵開關(guān)進(jìn)行調(diào)控。設(shè)定補水液位上下限值，完全可以在人機(jī)交互頁面上進(jìn)行設(shè)置。

3.3 槽溫控制系統(tǒng)

槽溫控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 槽溫控制系統(tǒng)

此設(shè)備最重要的一個參數(shù)則是電解槽工作溫度，主要是通過溫度變送器測量氧槽對槽溫進(jìn)行控制，向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出4～20 MPa的信號，將其和PLC控制系統(tǒng)輸入電池所設(shè)置的溫度兩者之間進(jìn)行對比，然后向電轉(zhuǎn)換器發(fā)出信號，產(chǎn)生0.02～0.10 MPa的氣體信號，之后要檢查冷卻水管的控制閥開度是否正常，以控制氧氣罐的溫度。

3.4 氫氧側(cè)壓力差控制

氫氧側(cè)壓力差控制系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 氫氧側(cè)壓力差的控制方框

本系統(tǒng)的任務(wù)是控制電解槽氫、氧側(cè)的壓力平衡。利用差壓轉(zhuǎn)換器分別對液相壓差和測量氫側(cè)以及氧側(cè)進(jìn)行測量，并向PLC控制系統(tǒng)發(fā)送兩個4～20 MPa測量信號。以氫氣側(cè)壓力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對兩者進(jìn)行了比較。PID計算完成后，將計算結(jié)果發(fā)送給電轉(zhuǎn)換器，之后會發(fā)出0.02～0.1 MPa的氣體信號，并且會準(zhǔn)備控制氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的開度，進(jìn)而使其兩側(cè)壓力可以保持平衡。

3.5 整流輸出電流控制

整流輸出電流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 整流輸出電流控制系統(tǒng)

該裝置系統(tǒng)在實際運行之際，需要得到穩(wěn)定直流的支持，具體可以借助于整流柜實現(xiàn)，而且該直流電還能根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)修改。在整流柜中的電壓、電流互感模塊，可以將直流電壓、電流信號借助于相應(yīng)的變送器，轉(zhuǎn)入至PLC控制系統(tǒng)，后者將收集到的動態(tài)電壓信號與需求的額定電壓進(jìn)行對比，若是采樣信號低于后者，那么控制系統(tǒng)就會自動增加電流；相反若是高于后者，那么系統(tǒng)就會對輸出電壓進(jìn)行鎖定，使之與額定電壓值一致。

3.6 原料水箱的自動補水控制

因為制氫裝置持續(xù)工作，原料水箱里的水消耗較快，應(yīng)適時進(jìn)行補充。添加自動補水功能之后，原料水箱里面的水始終保持不變，制氫裝置可以穩(wěn)定運行此功能占據(jù)重要作用。圖 6 則是自動補水系統(tǒng)控制圖。

圖6 原料水箱自動補水控制

通過磁翻板液位計、差壓變送器，將原料水液位轉(zhuǎn)換成4～20 mAh的電信號，將其轉(zhuǎn)入至PLC控制系統(tǒng)，后者對該信號與設(shè)定值進(jìn)行對比，若是水位低于設(shè)定值，就需要對其進(jìn)行補水。具體是對補水控制模塊進(jìn)行調(diào)控，其中在進(jìn)水管路上配置了相應(yīng)的防爆電磁閥，通過該閥門的通斷，就能對補水進(jìn)行調(diào)控。在制氫系統(tǒng)中，穩(wěn)定性頗為關(guān)鍵，而PLC控制系統(tǒng)芯片的選型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)整定等，都和穩(wěn)定性關(guān)系密切。

4 結(jié)語

PLC控制系統(tǒng)如今在化工制氫領(lǐng)域得到廣泛運用，促使制氫系統(tǒng)的自動化水平快速提高。這不僅有助于提升生產(chǎn)效率，安全性也會顯著提升。企業(yè)想要將PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢進(jìn)行充分發(fā)揮，就需要對該技術(shù)進(jìn)行更為深入的研究，在故障診斷、系統(tǒng)安裝、環(huán)境控制等領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)運用，提升化工生產(chǎn)的自動化、智能化水平，進(jìn)而推進(jìn)化工制氫行業(yè)的自動化能力達(dá)到更高水平