PLC技術在化工制氫自動化中的應用

黃湘集(東莞北京航空航天大學研究院，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著科技發展和PLC技術的日益成熟，PLC技術在化工制氫方面的應用極大程度地推動了化工制氫領域的發展，在提升生產效率、降低生產成本、減少安全事故、保證生產安全方面優勢巨大，因此對PLC技術在化工制氫自動化上的實際運用進行深入研究是非常有必要的。

1 PLC技術概述

1.1 PLC簡介及發展

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，是一種為在工業環境下使用而專門研發、內置有微型處理器的自動化控制的數字運算操作電子系統，能夠將控制指令即時寫入內存進行存儲和運行。PLC大都由CPU、電源、指令和數據RAM、input/output電路、AD等功能單元組成。

從20世紀60年代到21世紀的今天，經過半個多世紀的發展，PLC的發展越來越適應于現代工業化的需求。在世界各工業大國的研發下，PLC家族的大型機和微型機面世，同時還出現了種類繁多的特殊功能單元和功能各異的可拓展模塊，發明了各種人機交換界面單元、信息交換單元。PLC的技術發展和完善以及豐富的周邊配套設施，使得PLC技術在工業控制設備廣泛運用，同時使設備操控越發簡單[1]。

1.2 PLC的特點及優勢

PLC具有穩定可靠、編程容易、功能齊全、應用靈活方便、運行處理速度快、安裝操作維護方便等優點。PLC基本都使用單片微型計算機，具有高度集成的特點，同時還具備自診斷功能，擁有特定的保護電路，使得系統的可靠性有保證；另外PLC的運行由程序執行控制，運行處理速度快[2]；PLC有五種標準化編程語言，具體是三種圖形語言：順序功能流程圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)；兩種文本語言：指令表(IL)、結構化文本(ST)。此外，PLC可以支持其他多種編程語言，包括C，Basic等等，能夠廣泛地使用在不同的場合[3]。PLC技術的應用一般都簡易迅捷，在應用時，可以使用相對簡單的編程語言系統將相關操作完成，對既定程序進行適當地修改，即可滿足實際應用。

2 PLC技術在化工制氫自動化的應用

2.1 PLC技術在工業制氫的應用實現

以下以一個實例來說明PLC技術在工業制氫的應用。圖1是某制氫系統原理圖，包括以下部件：反應箱A、反應箱B、水箱2、換熱器3,4、氣液分離器5、活性炭吸附裝置6、氫氣泵7、氫氣儲存罐8，9、隔膜泵10,11、加熱緩存罐12、循環離心泵13、管帶式風冷器14、膨脹壺15、水流量計16、水流量計17、側路進水閥18、阻火器19。系統中反應釜1A、1B內有壓力傳感器，水箱2中有液位傳感器。

圖1 某制氫系統原理圖

系統裝填物料后開始運行，由PLC控制開啟隔膜泵11，加水到加熱緩存罐12加熱到90℃停止加熱，再開啟進水管路上的隔膜泵和電磁閥，實行首次加水。待反應物與水反應使反應釜壓力上升到0.01MPa時，判斷為已反應，開啟系統的自動模式。出氫速率可以根據加水的速率來調節，當反應箱壓力上到0.01MPa時，開始出氫，同時檢測出氫溫度，當出氫溫度高于30℃時，由PLC控制開啟離心泵13、管帶式冷風器14，進行循環冷卻。從換熱器4冷卻出來的氣液混合物到氣液分離器5分離氣液兩相，由PLC檢測分離器5液位?；钚蕴课窖b置6吸附氫氣中的水和雜質。當反應箱壓力高于0.01MPa時PLC控制開啟氫氣泵7，把氫氣抽到氫氣緩存罐，使反應箱的壓力下降到常壓，關閉氫氣泵，始終保證反應箱在接近常壓下制氫。質量流量控制器計量出氫速率、累積量和控制出氫的速率，保證出氫速率穩定。當反應箱的反應速率過快，壓力超過0.04MPa時，將開啟放空閥，放空反應箱的氣體，使反應箱壓力下降，保證系統安全可靠。利用信息集成，并通過數據交互將系統內各參數顯現在人際交換界面上，做到遠程監控。

2.2 PLC技術在工業制氫應用的技術分析

在該化工制氫應用中，各個裝置的自動控制可由PLC技術實現，PLC在一個掃描周期內運行完成輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個階段。在化工制氫系統運行期間，PLC的CPU以特定的運行速度循環不斷地掃描。

在該化工制氫應用中，閉環控制被普遍應用在自動控制系統中，如對運行中的氫氣泵進行自動控制，又如在水加熱控制系統，液位、溫度、壓力、流量、散熱等的控制系統等等，都是采用了閉環控制系統。

在該化工制氫應用中，順序控制的應用將一個控制系統分解為幾個相互之間獨立的控制動作，且為了保證生產的運行正常，各獨立控制動作能不出差錯地按照給定的先后順序依次執行任務。制氫系統使用順序控制可以有效提升制氫的穩定性與效率。

在該化工制氫應用中，PCL系統可以對系統的每一個部件、每一個流程進行監控，并在檢測到發生故障時迅速自動停止系統運行，以防止故障導致事故，保證生產安全。觀察遠程監控的人機交換界面的參數，用戶可以迅速判斷故障的類型和位置并消除故障。

3 PLC技術在化工制氫自動化應用中的注意事項

3.1 工作環境

工業化工生產的設備運行環境惡劣，而PLC的高效運行對環境有一定需求，因此需要采取措施對工業化工生產環境進行適當的改善，以滿足PLC的運行。

溫濕度：PLC的運行環境溫度大都在0～55℃，因此盡量將PLC安裝在通風良好的環境中，如有條件可以配備散熱風機，同時遠離熱源，避免陽光直射。另外需要將空氣相對濕度控制在 85%以下，保證空氣始終處于無凝露的狀態，以保證PLC的絕緣性。

振動：PLC的安裝必須遠離特別強烈的震動源，同時應避免低頻的頻繁或連續振動。然而實際使用環境中振動是難免的，此時必須采用有效的減震措施，例如采用塑膠腳墊。本例中裝有PLC的防爆電氣盒安裝時使用了塑膠減震腳墊，以降低受到振動的影響

空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體，例如化學的酸堿等。在化工行業PLC的使用環境惡劣，空氣可能會有大量的粉塵以及具有腐蝕性的氣體，此時PLC應裝在單獨的密閉性良好的控制室或防爆電氣柜中。本例中使用了防爆電氣盒，以保證PLC能夠在系統中穩定運行。

電源：輸入端使用外接直流電源時，因直流紋波電壓會對PLC的通信造成一定的影響，因此需選用性能良好的直流穩壓電源。同時在安裝線路時，遠離高壓線，以降低干擾。

4 結語

PLC 技術在化工制氫裝置中的高效應用，使得化工制氫裝置的自動化控制水平得到有效提升，這不但能夠提高化工生產的生產效率，還能使安全生產得到相應的保證。企業想要將這些優勢在實際化工生產中發揮出來，則需要對 PLC 技術在化工行業應用進行深入地研究，在環境控制、安裝、故障處理等方面采取科學合理的應用措施，并將其落實應用到化工裝置自動化控制中，使得化工行業走向自動化、智能化，促進化工制氫工業的自動化技術水平不斷提升。