鋁水制氫反應釜控制系統設計*

賀朝陽，劉根戰，羅 燕，王金山，張 剛，楊 俠

(1.武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

目前，鋁水制氫裝置采用人工操作的模式，反應物由工人倒入反應釜中，操作繁瑣、自動化程度低，并且對閥門控制的精準性以及鋁水反應過程中各變量的檢測能力都很差。隨著PLC控制技術逐步發展完善，以PLC為核心的控制系統在可靠性、穩定性、準確性方面得到了極大的提升，控制過程也朝著智能化方向發展[1]。本文以S7-1200PLC控制器為控制核心，設計了鋁水制氫反應釜控制系統。通過壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器采集數據，從而控制各個泵及電動閥門的動作，在上位機上監控反應釜系統的運行狀態、設置系統參數、顯示報警信息[2]。

1 鋁水制氫反應釜系統工藝流程及控制要求

1.1 工藝流程

鋁水制氫反應釜系統的工藝流程為氮氣吹掃、抽真空、加水、加料、調節冷卻水、氫氣輸送及排渣，如圖1所示。系統啟動前，將鋁基合金材料放到待料倉后封閉，并對反應釜進行氮氣吹掃排出裝置內的其他氣體；系統啟動，真空泵對反應釜進行抽真空處理，反應釜內壓力為零后真空閥關閉，同時真空泵停止工作；反應釜壓力達到0 MPa時加水泵開啟，當反應釜內液位達到300 mm時加水閥和加水泵關閉；料閥開啟，鋁基合金與水在反應釜內發生反應，反應釜內溫度升高、壓力變大，當反應溫度達到70 ℃時冷卻泵開啟，通過反應釜內的冷凝盤管使反應溫度降低，當反應溫度低于65 ℃時，冷卻泵和冷凝盤管的進出口閥門關閉；當反應釜內壓力達到2.5 MPa時，料閥關閉，氫氣閥門打開，并進行排渣處理。

圖1 鋁水制氫反應釜系統工藝流程

1.2 反應釜控制要求

根據鋁水制氫反應釜工藝流程，本反應釜控制系統主要實現對反應釜內液位、反應溫度以及壓力的控制。要求控制系統具有自動和手動兩種控制模式，并設有故障報警以及急停按鈕，利用西門子編程軟件WinCC對系統運行狀態進行監控，通過顯示屏可以對系統運行設備進行查看。反應釜自動控制模式控制流程如圖2所示。

圖2 反應釜自動控制模式控制流程

2 反應釜控制系統的設計

2.1 控制系統的組成

本鋁水制氫反應釜控制系統主要由觸摸屏、S7-1200PLC控制器、各類傳感器及執行器組成，其整體結構框圖如圖3所示。各類傳感器通過A/D轉換模塊將數據傳輸給S7-1200PLC進行處理，PLC控制器根據接收到的信號對各類執行器進行控制。觸摸屏通過通信網線與S7-1200PLC控制器相連，以此來顯示反應釜控制系統的實時數據及對相關控制參數的修改[3]。

圖3 反應釜控制系統結構框圖

2.2 控制系統硬件設計

為了實現鋁水制氫反應釜控制系統的控制要求，選擇S7-1200PLC為控制核心，并在PLC控制器中添加了兩個通信模塊[DI 8/DQ 8×24VDC數字量輸入輸出模塊SM1223(DC/DC)和AI 4×13BIT/AQ 2×14BIT模擬量輸入輸出模塊SM1234(AI/AQ)]用于輸入輸出端口的拓展[4]。

S7-1200PLC及其拓展信號模塊與各類傳感器、執行器相連，其中央處理器CPU 1214C DC/DC/DC端口分別連接系統中開關量輸入、輸出執行器，連接示意圖如圖4所示。系統中剩余的開關量輸入、輸出執行器則與拓展的數字量信號模塊SM1223相連，其端口連接示意圖如圖5所示[5]。

圖4 CPU 1214C端口連接示意圖

圖5 模塊SM1223端口連接示意圖

模擬量模塊SM1234用于連接反應釜控制系統中的傳感器，主要用來讀取反應釜內液位、壓力、反應溫度等模擬量信號，其端口連接示意圖如圖6所示。

圖6 模塊SM1234端口連接示意圖

2.3 控制程序設計

2.3.1 液位控制

在完成裝置氮氣吹掃操作之后，開啟真空泵以及真空閥對裝置進行抽真空，使反應釜系統壓力達到真空狀態。由壓力傳感器檢測系統壓力，將壓力值的信號反饋給PLC來控制加水泵和加水閥的開啟。在反應釜上裝有液位傳感器，以此來采集反應釜內液位情況，此液位高低可以設定，達到設定液位時，加水泵和加水閥關閉，停止加水。液位控制程序如圖7所示。

圖7 液位控制程序

2.3.2 溫度控制

當反應釜液位達到設定值時，加料閥開啟，將待料倉中的鋁基合金材料送到反應釜中與水進行反應。由于鋁基合金材料與水反應會放出大量熱，使得反應溫度上升，溫度傳感器將采集到的溫度值信號反饋給PLC來控制冷卻泵和冷卻閥門。當反應溫度高于設定的最高溫度70 ℃時，冷卻泵和冷卻閥門開啟，冷卻水進入冷凝盤管給反應降溫；當反應溫度低于設定的最低溫度65 ℃時，冷卻泵和冷卻閥門關閉，以此來使反應溫度保持在一個最佳的溫度范圍內。溫度控制程序如圖8所示。

圖8 溫度控制程序

2.3.3 壓力控制

隨著反應溫度的進行，反應釜內所產生的氫氣越來越多，釜壓也逐漸增大。當反應釜內壓力值達到設定值2.5 MPa時，考慮到安全問題，壓力傳感器將采集到的壓力值信號反饋給PLC來控制氫氣閥門開啟，將反應釜內的氫氣送至下一環節進行處理。排氫后的反應釜壓力將會下降，當反應釜內壓力值下降到不再變化時，說明反應結束，PLC根據壓力傳感器所反饋的壓力值信號來控制排渣閥門開啟，對反應釜進行排渣處理。壓力控制程序如圖9所示。

圖9 壓力控制程序

2.3.4 反應釜控制監控實現

反應釜控制系統的上位機監控界面采用西門子觸摸屏，并通過西門子編程軟件WinCC實現反應釜控制系統的實時監控界面的搭建[6]。

反應釜監控界面主要包括反應釜相關設備運行狀態的顯示、操作按鈕和參數設置。上位機監控界面如圖10所示，手動模式界面如圖11所示。運行狀態顯示主要包括釜壓、液位、鋁水反應溫度等檢測信息以及系統中泵機類、電動閥類等開關量當前狀態指示燈和系統參數；通過按鈕可以實現手動和自動模式的切換以及各個執行器的操作[7]；可以對反應釜控制系統相關參數進行設置，如反應釜內液位、壓力以及反應溫度的上下限。

圖10 上位機監控界面

圖11 手動模式界面

此外，當反應釜控制系統相關參數異常或者執行器故障時，觸摸屏上的報警指示燈就會亮起，控制系統會立即執行停止功能，并保存相關的報警信息以便故障修正[8]。

3 結語

本文設計了一套基于S7-1200PLC的鋁水制氫反應釜控制系統，包括硬件設計和PLC軟件設計。該控制系統相比于人工操作具有更快的響應速度、更高的精準性以及更強的過程量檢測能力，且程序設計簡單，人機界面直觀易操作，控制效果良好，具有較高的使用價值。