基于分布式控制技術的液態加氫系統研究與實現

吳懷明，趙宗煥，林國福

（1.北京航天試驗技術研究所，北京100074；2.首都航天機械有限公司，北京100076）

1 引言

氫能具有來源廣泛、清潔環保、循環利用等一系列優點，得到了科研機構、政府和企業的高度關注。隨著氫燃料電池車［1-3］的快速發展，與之配套的氫能基礎設施—加氫站［4，5］，也在全球范圍快速增加，為氫能燃料電池等氫能利用設備設施提供能源補給的基礎設施，是氫能燃料電池汽車推廣應用、加快發展氫能產業的前置條件。液態儲氫加氫站系統基于分布式控制技術實現加氫系統狀態自動監控、數據記錄和查詢、故障診斷報警、無人值守及網絡互聯等功能，從而滿足液態加氫系統建設需求。

本研究項目實現如下技術指標：

1）加氫供氣系統實現液氫泵增壓壓力45 MPa，達到自動增壓、自動監測等無人值守功能；

2）加氫供氣系統實現加氫穩流控制功能，控制加氫速率（0～100）g／s，保證系統安全穩定運行；

3）加氫供氣系統實現數據監控、故障診斷等功能，具備智慧互聯、多網絡通信技術，提高系統可靠性和安全性。

2 系統組成及技術原理

2.1 系統組成

分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）應用于液態儲氫加氫系統具有重要意義，分布式控制系統［6-8］主要包括：信息管理系統、站控系統、安全監控系統、高壓存儲系統、增壓汽化輸送系統、加氫設備系統等組成，其系統原理框圖如圖1所示。其中信息管理系統主要包括數據服務器和網絡交換機等，用于實現遠程監控站內設備狀態和數據參數記錄功能；站控系統主要包括工程師站和站控PLC 控制設備，用于實現整站工藝設備的監控運行、加氫過程的控制和設備報警處理等功能，實時查看各系統狀態，進行相應的遠程操作；安全監控系統主要包括監控主機、防爆攝像頭和氫濃度傳感器等監控儀表，用于實時監測現場工藝設備運行狀態，確保現場設備安全穩定運行，出現異常狀態時，氫濃度檢測儀表具備故障報警功能；高壓存儲系統主要包括高壓儲氫氣瓶等，用于儲存供氫氣源；增壓汽化輸送系統主要包括液氫泵增壓設備和汽化設備，用于實現高壓液氫和增壓供氣等功能；加氫設備系統主要包括加氫機設備，用于給氫燃料汽車加氫供氣。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Schematic diagram of control system

其中，信息管理系統主要用于液態加氫站現場工藝設備狀態監控、數據參數存儲和數據分析等，工藝設備狀態參數通過光纖網絡從站控系統傳輸到數據服務器，數據服務器用于實現數據實時記錄和實時存儲功能；站控系統的工程師站用于實現加氫操作員的控制指令和接收設備狀態指令，實現加氫系統控制功能；站控系統用于執行加氫操作員指令，實現液氫泵增壓和加氫供氣相應功能；液氫存儲系統用于提供加氫系統所需要的液氫，通過PLC控制系統輸送至液氫泵增壓，從而滿足氫燃料電池汽車所需的氣源；增壓汽化輸送系統用于實現液氫系統的增壓，通過PLC 控制系統實現液氫泵增壓汽化，快速向高壓儲氫氣瓶充氣；加氫系統主要通過冗余光纖網絡實現加氫控制系統對加氫機設備供氣壓力、流量的控制；其中液氫泵增壓汽化、站控系統為關鍵核心設備，根據系統需求設計相應功能，系統基于分布式控制技術實現遠距離、高精度對增壓汽化、加氫供氣設備的控制功能。

2.2 技術原理

分布式控制系統在液態加氫站中支持多種網絡通訊協議包括OPC、 TCP／IP、 Modbus-TCP 協議［9-12］，其中站控系統PLC 與信息系統采用OPC 通信協議，用于數據狀態傳輸、數據存儲及顯示；站控系統PLC 與從站系統采用Modbus-TCP 通信協議，通過網絡通信協議Modbus-TCP 控制液氫存儲系統，待低溫液氫介質傳送到泵增壓汽化系統，通過數字I／O 接口控制高壓存儲系統，實現高壓氣瓶充氣，而后通過數字網絡通信協議Modbus-TCP 接口控制加氫設備，將高壓氣瓶氣源通過加氫機設備供氣氫燃料電池汽車，其中站控系統采用并聯冗余結構設計，具體為冗余機架、冗余控制器、冗余電源、冗余網絡交換機等實現加氫供氣系統，保證系統設備可靠穩定工作，設備系統全部采用數字式儀表、電動閥、電控減壓器、調節閥等智能元件完成遠程控制及遠程調壓技術，其中加氫供氣系統采用壓力閉環控制方法，實現加氫系統穩壓調節和精確控制功能。系統通信原理框圖如圖2所示。

圖2 系統通信原理框圖Fig.2 Schematic diagram of system communication

2.2.1 增壓汽化原理

液氫存儲系統中存有低壓低溫-253 ℃的液氫，經過高壓液氫泵可以實現增壓，然后進入高壓汽化器進行相變換熱并為高壓氫氣，進而向高壓存儲系統的氣瓶充氣，通過液氫增壓柱塞泵進行變頻增壓控制，后經高壓汽化器換熱實現高壓氫氣存儲。其中主控系統基于分布式控制技術通過以太網Modbus-TCP 通信協議對液氫泵變頻系統實現遠程增壓泵控制功能，系統保證液氫泵活塞的往復直線運動使泵腔容積發生穩定變化，從而在液氫泵腔內形成負壓來實現液氫的吸入與排出。

2.2.2 加氫供氣原理

加氫機系統采用雙槍加氫模式，其中加氫槍型號為TK16 和TK25，可以用于加注貨車和客車，加氫機系統開啟加氫啟動信號，站控系統通過Modbus-TCP 協議給加氫機設備發送加氫指令，將高壓存儲系統氫氣氣源輸送給加氫機設備，加氫機設備根據不同氣源供氣壓力進行切換，通過最優控制算法實時控制調節閥，同時流量計實時計量，保證加氫供氣穩定運行。其中加氫設備系統的控制算法通過比例、積分、微分，實現快速、高效的控制，改善系統的動態性能，針對加氫供氣系統需求設定加氫壓力值，其偏差來控制電控減壓器的動作，以調節減壓閥進氣量和排氣量，從而達到精確控制減壓器供氣壓力目的，加氫系統供氣壓力的設定、傳感器的采樣都傳遞到DCS 控制器中，用PID 控制算法［13］實現對壓力的閉環控制。具體算法公式如式（1）：

式中：u（kT）——控制輸出量；e（kT）——第k次采樣獲得的偏差信號；k——采樣序號；T——采樣周期；Kp——比例系數；Ki——積分系數；Kd——微分系數。

根據被控對象數值不同，對Kp，Ki和Kd系數進行調整，實現PID 控制的最優輸出。

3 系統總體方案

3.1 系統需求

加氫系統需實現液態儲氫加氫設備的遠距離控制與高速采集，對加氫供氣壓力精度要求0.5 %，能夠實現加氣穩壓、穩流等控制功能，具備數據監測、數據記錄及報表、故障診斷報警及無人值守功能。根據工藝系統需要，站控系統需完成對工藝系統的執行機構控制及儀控系統的采集。其中，執行機構主要包括氣動閥、電磁閥、泵電機等設備；儀控系統主要包壓力傳感器、溫度傳感器、流量計傳感器、氫濃度傳感器等。站控系統所需的通道數量參數如表1所示，儀控系統的傳感器數量參數如表2所示。

表1 通道數量參數表Tab.1 Parameters of channel quantity

表2 傳感器數量參數表Tab.2 Parameters of sensor quantity

傳感器設備均采用（4～20）mA 信號傳輸方式，具有傳輸距離遠、衰減小、抗干擾能力強等優點，為延長采集卡使用壽命，需要完成對傳感器的二線制配電，對每一個測量通道都配有信號隔離器。

3.2 硬件設計方案

分布式控制系統采用并行冗余模式，控制層采用工程師站和操作員站，其中控制器CPU 采用冗余架構，主站機架采用冗余控制模式互為備份，機架上使用國產中控控制器GCU521、冗余同步光纖網絡模塊、冗余供電電源模塊以及數字I／O 模塊；現場層主要為從站控制系統和儀控系統，其中從站控制系統包括冗余的遠程通信卡COM523 及冗余的數字I／O 模塊，分別用于傳感器采集和閥門控制，儀控系統包括傳感器、流量計、電磁閥和電動減壓閥等，用于工藝系統狀態監測及狀態控制等?？刂葡到y通過冗余的光纖網絡交換機現場設備層實現設備連接，從而達到遠程監測和控制功能。

控制系統采用冗余GCU521 控制器，掃描周期10 ms～5 s 可選，支持多任務并行調度功能；采用冗余COM523 通信卡，支持多種網絡通信總線協議如OPC、TCP／IP、Modbus-TCP 等，可以實現數據信息網絡互聯，為構建信息網絡體系、決策管理、多元化發展提供技術支撐；采用羅斯蒙特800 D 質量流量計，具備雙路冗余輸出功能，傳輸距離遠，抗干擾能力強，精度可達到0.5 %，滿足加氫供氣系統要求。

安全監控系統主要包括視頻監控模塊和氫安全監測模塊［14，15］，用于對站內系統關鍵位置進行實時監控，其中視頻模塊具有視頻的存儲和回放功能，可用于工藝系統的狀態分析和確認，采用防爆攝像頭用于觀察液氫存儲設備、液氫泵增壓設備、高壓存儲設備、排放設備及加氫設備等工作狀態，保證現場安全穩定工作。氫安全監測模塊主要包括氫濃度傳感器、火焰探測器，濃度傳感器輸出信號為（4～20）mA 電流信號，系統接入主控系統采集卡，由主控系統進行相應的濃度顯示，濃度超過1 %進行濃度報警，濃度超多4 %則進行安全連鎖功能，火焰探測器為紅外探測傳感器輸出信號為開關量，當現場有火焰或高溫異常狀態時，輸出報警信號進行相應的安全連鎖功能。

3.3 軟件設計方案

控制系統軟件平臺為VxSCADA 上位機軟件和GCSContrix 編程軟件，編程軟件采用算法塊封裝，基于數據驅動、事件觸發的分布式算法控制技術，集邏輯控制、運動控制與過程控制為一體，支持圖形化編程、文本編輯及多種語言混合編程的集成開發環境，支持控制算法的離線、在線調試，提高軟件平臺的編程效率，液態加氫系統通過軟件平臺實現主／從站設備和工藝系統設備完成設備初始化、設備狀態自檢、自動控制、故障診斷報警及無人值守等功能。系統軟件工作流程如圖3所示。

圖3 系統軟件工作流程圖Fig.3 Flow chart of system software work

DCS 控制器根據PID 控制算法將給定的設定值和傳感器反饋的值比校，利用其偏差值來控制閥門開關，如果設定值和反饋值一致，則控制器將生成零點誤差。如果設定值和反饋值不一致，則控制器將生成誤差值，并發送輸出至控制器以修正誤差。當壓差較大或較小時，直接打開電磁閥或進氣電磁閥，來縮小調節時間；當壓差小于某一值后，采用PID 控制算法，以使系統快速達到目標要求，該模式控制精度高、響應速度快，可實現遠距離控制功能?？刂扑惴鞒虉D如圖4所示。

圖4 控制算法流程圖Fig.4 Flow chart of control algorithm

3.3.1 自動檢測功能

控制系統啟動自動檢測功能后，加氫系統進入初始化自檢狀態，先對液氫存儲系統、泵增壓汽化系統、高壓存儲系統、加氫供氣系統以及安全監控系統等設備的閥門、減壓器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計及氫濃度傳感器狀態進行自檢，待各設備檢查狀態合格后，再對系統工藝設備狀態進行逐段氣密檢查，待系統狀態都正常合格后，狀態自檢結束。

3.3.2 加氫供氣功能

控制系統加氫供氣模式包括自動供氣和手動供氣兩種模式，若選擇自動供氣模式讀取已設定好的計劃表，生成控制指令，執行自動供氣功能；若選擇手動供氣模式時，根據加氣系統供應范圍，操作人員在參數界面輸入供氣系統壓力值，生成控制指令，工藝系統依次執行增壓汽化系統、高壓存儲系統、加氫供氣系統等，加氫供氣系統開始加氫，各設備狀態數據被上傳到工程師站實時顯示數據狀態和存儲數據。系統加氫完后，根據指令依次關閉電磁閥、電動調節閥及電動減壓器，電控設備恢復到初始狀態。增壓、加氫供氣工藝圖如圖5 和圖6所示。

圖5 增壓供氣工藝圖Fig.5 Process diagram of pressurized air supply

圖6 加氫供氣工藝圖Fig.6 Process diagram of hydrogenation gas supply

3.3.3 故障診斷報警功能

控制系統通過組態編程軟件完成加氫供氣系統功能，實現數據記錄、故障診斷報警［16-21］以及安全連鎖等功能，其中故障診斷報警類型包括氣體超壓報警、溫度異常報警、流量超限報警、氫濃度泄露報警、通信異常報警及設備工作異常報警等，根據故障報警類型不同，系統設置相應的安全聯鎖控制。若氣體超壓報警，則系統軟件根據故障報警位置自動彈出報警信息框提示，同時進行安全聯鎖控制，實現排氣閥自動開啟／關閉功能；若泵溫度異常報警，則系統軟件根據報警位置自動彈出報警信息框提示，同時進行安全聯鎖控制，自動停止液氫泵增壓工作，并聲光報警通知相關工作人員；若氫濃度傳感器診斷報警，系統軟件根據報警位置自動彈出報警信息框提示，同時安全聯鎖控制加氫系統停止加氫工作，保證系統安全。系統軟件通過設置這些預判故障模型，更進一步實現安全加氫穩定運行。

3.3.4 無人值守功能

控制系統在自動供氣和手動供氣兩種供氣模式間進行遠程切換，根據設定好的供氣模式，通過設定好自動加氣的壓力值、流量值，系統開始執行自動增壓、自動調節供氣壓力以及自動排放等功能，從而完成無人值守等功能，提高系統網絡化、自動化、智能化控制功能。

4 系統試驗驗證

4.1 增壓汽化驗證

根據液態儲氫加氫系統先增壓后汽化的特點，進行了以液氫介質設備試驗，過程順利、參數穩定，通過耐壓和耐低溫試驗，完成整個汽化過程。其中液氫增壓泵系統采用國產系統及分布式控制技術，通過Modbus-TCP 通信協議實現變頻器遠程增壓泵調節功能，系統采用海利普HLP-A100 變頻設備，系統支持本地觸摸屏點動控制或通過上位機SCADA遠程自動控制增壓泵設備，同時系統出現故障異常時，具備自動安全處理功能，從而達到無人值守［22，23］等功能。

其中，變頻調速公式如式（2）：

式中：n——電機轉速，單位r／min；f——電動機頻率，單位Hz；s——轉差率，單位%；p——電動機磁極對數。

液氫泵增壓汽化系統，在不同工況下泵出口壓力隨時間變化數據曲線，根據泵入口處壓力傳感器測得進液壓力數據，并對泵進液過冷度進行評估，經過數據分析，進液過冷度在1.5 K 以上。試驗數據參數表如表3所示。

表3 試驗數據參數Tab.3 Parameters of test data

通過液氫泵增壓汽化試驗驗證，系統采用分布式變頻調速控制技術實現通信總線遠程可靠連接，完成設備自動預冷、自動增壓控制，從而達到增壓壓力50.6 MPa。液氫泵狀態參數測量正常、遠程自動控制穩定運行，增壓汽化壓力滿足加氫技術要求，實現無人值守自動控制功能，提高了系統自動化、智能化控制水平。

4.2 加氫供氣驗證

加氫設備系統加氫機采用多線程并行工作模式，具備加氫量的計量、顯示，同時支持與站控系統通過以太網實時通信，實現對加氫設備遠程控制功能，具備多參數采集、顯示、查詢及記錄等功能，其中加氫機雙槍加氫功能試驗驗證，具體加氫試驗數據參數如表4所示。

表4 加氫試驗數據參數Tab.4 Parameters of hydrogenation test data

加氫供氣系統通過加氫試驗驗證，根據供氫氣源壓力等級不同，選擇最優控制算法，通過閉環控制調節閥開度，實現加氫流速控制在（0～100）g／s，實現系統安全可靠加氫，滿足系統技術要求。

5 結束語

液氫在未來能源及工業領域應用前景巨大，目前國內政府部門、科研院所大力支持發展液氫儲運和加氫技術。本系統充分發揮技術優勢，解決多項關鍵技術，基于分布式控制技術實現液氫增壓汽化、加氫供氣的無人值守等功能，提高了系統自動化、智能化控制水平。