PLC化工制氫自動化控制管理系統技術分析

李雨欣，張 桐

(榆林學院，陜西 榆林 719000)

PLC控制系統的核心功能就是對制氫系統的溫度、壓力等參量進行自動化調控，使得這些參量具有穩定性。通過對氧、氫液位的動態調控，使得它們具有動態平衡性。按照制氫系統的具體運行狀態，對輸出電流給定進行整流。該控制系統在實際運行之際，會按照某種條件對其進行自動化補水調控；若是系統出現了故障問題，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行切斷，使得電解槽不再工作。在PLC科技技術持續進步之下，該技術在化工制氫領域的應用使得該領域獲得巨大發展，具體優勢體現在：增效降本，提升安全性等。為此，以PLC技術為對象，對其在化工制氫領域的深入應用研究就顯得極為必要。

1 可編程邏輯控制器(PLC)技術概述

1.1 可編程邏輯控制器(PLC)簡介及發展

有一款專門研發為在工業環境下進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行保存并開始運行。數據RAM、電源、AD等各種功能構成了PLC控制系統。從20世紀60年代再到如今，通過長時間的發展，現代工業越來越需要PLC控制系統的支持。在各個國家的相關人員不斷努力研發下，微型機與大型機出現在我們的面前。與此同時，還研究出了各種功能的拓展模塊。PLC控制系統的快速發展，促進工業控制設備廣泛應用于該技術。正是因為該技術的出現，使操控工業設備變得更為簡單。

1.2 PLC控制系統特點及優勢

PLC控制系統的優勢體現在：功能豐富、開發簡單、魯棒性強、運行速度很快，維護便捷等。如今，該技術都應用到了性能較佳的微型計算機芯片，其集成水平極高，提供了獨特的保護電路，系統具有顯著抗干擾性，而且還集成了自診斷功能。另外，PLC控制系統在實際運行之際，利用成功設計的程序對其進行控制，而且有著較快的處理速度；PLC控制系統提供的標準化編程語言共有5種，分別為2種文本語言與3種圖形語言，前者具體為結構化文本與指令表，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，該技術還能對多元化開發語言進行支持，譬如C圓凳，并能在不同領域得到頗為廣泛運用。PLC系統在應用過程中頗為快捷，而且能夠運用較為簡單的開發語言，可以更好地完成有關操作，并可以對有關程序加以更改，實現自身工作效率提升。

2 PLC控制系統在化工制氫中的實現

2.1 PLC控制系統在化工制氫中應用

以下通過一個實例來分析PLC 控制系統在化工制氫中的實際應用。系統在填料之后正式運行，此時，PLC會對隔膜泵進行啟動，將水流導入至緩存罐，對其進行加熱，直至90 ℃，隨后對進水管路之上的電磁閥門、隔膜泵進行打開，正式加水。在反應釜環境中，相關參與物質進行反映，使得該容器壓力增長到0.01 MPa之際，就設定為“已反應”，此時，系統進入到自動調控模式。對加水速度進行調控，就能獲得與之相應的出氫速率，在反應箱中的壓力增長至0.01 MPa之際，就能出氫，此時可以對其溫度進行檢測，倘若超過30 ℃，此時對離心泵進行啟動，同時還需要啟動冷風器，對其進行冷卻。通過換熱模塊得出的氣液混合物(冷卻后)就能進一步轉入分離器，使之進行分離，PLC控制系統模塊還能對該分離器的液位進行動態監測。吸附模塊(活性炭)則會對氫氣中的雜質以及水汽等進行吸附。若是反應箱壓力超過了0.01 MPa，那么作為PLC控制系統，就需要對氫氣泵進行啟動，進而將氫氣導入緩存罐，于是反應箱壓力就會下降，對氫氣泵進行關閉，使得反應箱處于動態平衡常壓之下。質量流量控制模塊則可以對出氫速度等進行計算與調控，使得出氫速率有著較高的穩定性。倘若反應箱有著較高的反應速度，而且壓力進一步超過0.04 MPa，那么就需要對放空閥進行啟動，對反應箱中的壓力進行下調，使得系統具有較高的安全性。借助于信息集成與數據交互，使得系統參量動態顯示至人機交互頁面之上，從而對其遠程監控。

2.2 PLC控制系統化工制氫的技術分析

PLC控制系統可以對化工制氫諸多功能模塊進行動態控制，在掃描周期之內，需要涉及到采樣、執行、輸出3個環節。制氫系統在運行時，該系統芯片基于自身頻率下的速度進行周期性掃描。該制氫系統呈現出閉環特點，對氫氣泵進行自動化控制。涉及到水加熱、溫度、流量、液位等參量的控制系統等，都是利用閉環控制系統進行的。化工制氫系統運用了順序控制技術，將控制系統細分成幾個具有獨立性動作，為了讓生產能夠穩定運行，不同控制動作能夠根據明確的次序，對有關任務進行執行。另外，該順序控制還能對制氫效率、穩定性進行提升。在具體制氫環節，該系統可以對其中不同流程、部件進行動態監控，在發現故障后可以立即停用，防范故障引起事故，使之生產具有安全性。對遠程監控人際交換頁面參量進行動態觀察，用戶可以對故障位置、種類進行快速判斷，并對故障進行消除。

3 PLC控制系統的子控制系統設計

3.1 槽壓控制系統

槽壓調節控制裝置系統，如圖1所示。

圖1 槽壓控制系統

通過0～4 MPa系統壓力通過變送器轉換之后，成為標準的4～20 MPa電信號，之后會進入到控制柜中。進入信號隔離器后，PLC控制系統內的模擬輸入模塊，將其與PLC控制系統中設置的系統工作壓力進行比較，并利用PID算法計算最終結果，通過模擬PLC輸出模塊轉換4～20 mAh信號，轉換成0.02～0.10 MPa的標準氣動信號，控制氧氣閥調節罐壓力的開度，以便將油箱壓力穩定到系統運行期間標準值。

3.2 液位控制系統

氫分離器液位控制系統，如圖2所示。

圖2 液位控制系統

通過水電解的不斷開展，原料水也開始持續的耗用，于是原料水液位必然持續下降，此時就需要利用補水泵對其進行補充，從而滿足耗用所需。本系統借助配置在氫側的壓差變送模塊，對液位高度進行動態測量，進而形成標準4～20 mAh的電流信號，然后對利用PLC控制系統進行控制。利用補水液位上下限值對比，形成輸出信號，從而對補水泵開關進行調控。設定補水液位上下限值，完全可以在人機交互頁面上進行設置。

3.3 槽溫控制系統

槽溫控制系統，如圖3所示。

圖3 槽溫控制系統

此設備最重要的一個參數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行控制，向PLC控制系統發出4～20 MPa的信號，將其和PLC控制系統輸入電池所設置的溫度兩者之間進行對比，然后向電轉換器發出信號，產生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 氫氧側壓力差控制

氫氧側壓力差控制系統，如圖4所示。

圖4 氫氧側壓力差的控制方框

本系統的任務是控制電解槽氫、氧側的壓力平衡。利用差壓轉換器分別對液相壓差和測量氫側以及氧側進行測量，并向PLC控制系統發送兩個4～20 MPa測量信號。以氫氣側壓力作為衡量標準，對兩者進行了比較。PID計算完成后，將計算結果發送給電轉換器，之后會發出0.02～0.1 MPa的氣體信號，并且會準備控制氣動薄膜調節閥的開度，進而使其兩側壓力可以保持平衡。

3.5 整流輸出電流控制

整流輸出電流調節控制系統，如圖5所示。

圖5 整流輸出電流控制系統

該裝置系統在實際運行之際，需要得到穩定直流的支持，具體可以借助于整流柜實現，而且該直流電還能根據需要進行動態修改。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的變送器，轉入至PLC控制系統，后者將收集到的動態電壓信號與需求的額定電壓進行對比，若是采樣信號低于后者，那么控制系統就會自動增加電流；相反若是高于后者，那么系統就會對輸出電壓進行鎖定，使之與額定電壓值一致。

3.6 原料水箱的自動補水控制

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

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，將原料水液位轉換成4～20 mAh的電信號，將其轉入至PLC控制系統，后者對該信號與設定值進行對比，若是水位低于設定值，就需要對其進行補水。具體是對補水控制模塊進行調控，其中在進水管路上配置了相應的防爆電磁閥，通過該閥門的通斷，就能對補水進行調控。在制氫系統中，穩定性頗為關鍵，而PLC控制系統芯片的選型、系統結構、參數整定等，都和穩定性關系密切。

4 結語

PLC控制系統如今在化工制氫領域得到廣泛運用，促使制氫系統的自動化水平快速提高。這不僅有助于提升生產效率，安全性也會顯著提升。企業想要將PLC控制系統的優勢進行充分發揮，就需要對該技術進行更為深入的研究，在故障診斷、系統安裝、環境控制等領域進行科學運用，提升化工生產的自動化、智能化水平，進而推進化工制氫行業的自動化能力達到更高水平