基于PLC在氫氧機控制系統的設計

　　摘要：氫氧機是生產氫燃料的設備，它采用水電解技術，通電使水分解成氫氣和氧氣，其中氫氣作為燃料，氧氣作為助燃劑，是一種高科技綠色環保節能設備。控制方面，該氫氧機內部采用PLC控制技術，通過PLC硬件組態和程序設計，開發了完整的控制程序，本文描述了一種基于PLC在氫氧機控制系統的設計方法。
　　
　　氫氧機是生產氫燃料的設備，它采用水電解技術，通電使水分解成氫氣和氧氣，其中氫氣作為燃料，氧氣作為助燃劑，是一種高科技綠色環保節能設備。該氫氧機因所產氣體為氫、氧分離型，使氫氧機設備應用范圍得到極大拓展，不僅局限于通常使用熱加工場所，以替代傳統乙炔、丙烷、液化氣等燃氣，用于金屬切割、金屬氣焊，還可以在玻璃制品加工、汽車除碳、車載氫氧機、氫燃料電池、電子化工、食品加工等領域得到廣泛應用。由于所產為氫、氧分離氣體，在金屬切割方面，*杜絕氫氧混合氣體易“回火”這一技術瓶頸問題，因此，分離式氫氧機在金屬切割領域得到更為安全的使用。
　　
　　在控制方面，該氫氧機內部采用PLC控制技術，通過PLC硬件組態和程序設計，開發了完整的控制程序，實現設備裝置的啟停、控制、運行狀態參數設定和顯示、并具有報警故障查詢等功能。外部結合工業觸摸屏進行人機界面（HMI）控制，在人機對話上充分考慮了人機界面控制的及時性、完整性和互動性。界面非常友好，使用操作方便醒目直觀。
　　
　　1.控制方案設計
　　
　　1）電解工作原理
　　
　　分離式水電解制氫裝置是通過直流電解KOH（25%～30%濃度）水溶液產生H2和O2，H2和O2夾帶KOH堿液分別進入氫、氧汽水分離器進行汽水分離（在水分子重力作用下進行汽水分離），分離后的堿液通過分離器底端再回流至電解槽（在高壓制氫中則需要增加循環泵以完成電解液的回流）。
　　
　　水電解制氫電極反應式：
　　
　　陰極：4e+4H2O=2H2↑+4OH▔
　　
　　陽極：4OH▔=O2↑+2H2O+4e
　　
　　總反應式：H2O=H2+1/2O2
　　
　　由上述電極反應式可知：產生H+和OH-離子，其中H+離子移向電極的陰極面，形成H2↑，OH-離子移至電極的陽極面，形成O2↑。而相應的產氣量H2是O2的2倍。
　　
　　2）液位差控制
　　
　　目前分離式電解槽普遍采用壓濾式雙極性電解槽，內部有多個電解小室組成。電解小室間用石棉布為隔膜材料，而石棉布特性是在浸潤的狀態下，氣體不能通過，只能參與電解的離子可穿透。如隔膜兩側壓力不平衡，壓力差為±100ｍｍH2O時，如壓力差大于300ｍｍH2O則會有氣體泡通過石棉隔膜，造成氫氧混合；另外，電解后的Ｈ２、Ｏ２輸出至汽水分離器上因氫氧分離器底部會呈連通狀態。如果氫氧分離器壓差過大，很可能使Ｈ２或Ｏ２從壓力大的分離器進入另一個分離器。所以，在系統運行時必須控制氫氧分離器的液位使其平衡，使液位保持在規定的范圍內，防止由于液位過低而造成Ｈ２、Ｏ２氣體混合。液位過高會增加氣體排出阻力，引起Ｈ２、Ｏ２側壓力不平衡，造成Ｈ２、Ｏ２氣體的互相滲透。
　　
　　氫氧液位采用浮球液位計，將液位模擬量轉化為數字量４ｍＡ～２０ｍＡ輸出，以Ａ/Ｄ模擬數字轉換來實現其液位控制。將氫氧采樣轉換的數字量同過安全柵輸入至ＰＬＣ中進行相應的比對處理判斷氫氧液位的差值。比例積分和微分運算（ＰＩＤ）判定其液位差值進行平衡處理。針對設備在開機運行狀態和停機狀態不同情況下，對氫氧兩端的液位給予處理。
　　
　　a）開機及運行狀態
　　
　　在開機運行狀態下，液位如有下列不平衡情況時則進行平衡處理。
　　
　　lＨ２>Ｏ２且Ｈ２-Ｏ２≥１２０ｍｍＨ２Ｏ（液位差值），Ｏ２旁通閥打開，使Ｏ２側壓力減小（Ｏ２氧液位升高），從而使液位差值減小。
　　
　　lＯ２>Ｈ２且Ｏ２-Ｈ２≥１１０ｍｍＨ２Ｏ（液位差值），Ｈ２旁通閥打開，使Ｈ２壓力減小（Ｈ２氫液位升高），從而使液位差值減小。
　　
　　l氫氧均液位（對其液位采集若干次后處理的均值）≤氫氧液位下限值２８０ｍｍＨ２Ｏ時，則設備補水泵以及補水閥打開，進行相應補水。
　　
　　l氫氧均液位≤補水液位上限值是３００ｍｍＨ２O，補水泵以及補水閥關閉，停止補水。
　　
　　l在進行過程中，當氫氧液位差值》１４０ｍｍＨ２O時，氫高于氧液位，氧旁通閥打開到氫氧液位值低于≤８０ｍｍＨ２O時，氧旁通閥關閉；如氫氧液位差按上述變化時，氫旁通閥打開到關閉。
　　
　　b）停機狀態
　　
　　在停機狀態下，氫氧液位可能還會存在一定液位差，也需進行平衡處理。
　　
　　lＯ２>Ｈ２時，氫旁通閥打開。
　　
　　lＨ２>Ｏ２時，Ｈ２-Ｏ２≥５０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通閥打開，H２－O２≤３０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通閥關閉。
　　
　　l氫氧均液位２８０ｍｍＨ２O時補水泵以及補水閥打開，≤３００ｍｍＨ２O時則關閉。
　　
　　3）液位平衡控制
　　
　　液位平衡控制亦稱系統平衡控制。為達到液位平衡目的，采用背壓閥，電氣轉換器及氣動調節閥共同實現液位平衡控制。通常將背壓閥放置于氫側，以氫液位為比對基準給定值，氫液位作為實際值經ＰＬＣ（數字顯示調節儀）做比例、積分和微分ＰＩＤ運算，將運算結果以模擬量形式通過ＰＬＣ輸出經Ｄ/Ａ數模轉換，輸出４～２０ｍＡ模擬量（經安全柵）輸入至電氣轉換器。
　　
　　氣動調節閥的工作是在配套氣泵與電氣轉換器（將４～２０ｍＡ模擬另轉換為０。０２～０。１Ｍｐａ），用氣動信號來調節加至氧側的氣動調節閥的開啟度，使氫氧液位保持平衡，如氫液位高則自動減少加至氧側的氣動調節閥的開度。通過調整氧側壓力值（變小）使電解液通過Ｈ２、Ｏ２分離器下端連通管，造成氫液位下降，從而達到控制氫氧液位平衡。反之亦然。
　　
　　在開機后設備檢測液位以及系統壓力的驅動電氣轉換器，使氣動閥開啟合適開度，以保證系統液位平衡。待停機后，氣動調節閥呈安全打開狀態，以便泄壓。
　　
　　4）系統溫度控制
　　
　　水的電解過程是一個放熱的過程。隨著電解過程的不斷運行，電解槽內部會連續產生熱量，進而使電解槽的運行溫度持續上升。根據水電解制氫工藝要求，電解槽溫度規定為８５℃則為極限溫度，以保證電解槽內部隔膜使用壽命。
　　
　　在系統溫度的采樣上，通常在電解槽出口管道上安裝溫度變送器，將檢測的實際溫度經溫度變送器即Ａ/Ｄ轉換為４～２０ｍＡ的標準電信號，輸入至ＰＬＣ中。在編寫好的控制邏輯程序中利用可編程控制器自帶的普通ＰＩＤ調節子程序，使實際溫度與設定溫度進行比較。如高于設定極限溫度時，輸出控制信號保證設備以故障形式停機。
　　
　　當然上述只是較為簡單的溫度極限保護。如需對系統溫度進行控制，則可以使ＰＬＣ輸出模擬控制信號增大，進而控制系統冷卻水流量調節閥的開度變大，使得冷卻水流量加大，熱交換加速，使得返回電解槽的堿液溫度加速降低，zui終使電解槽溫度下降。這種控制能夠保證水電解可在溫度下工作。
　　
　　5）系統壓力
　　
　　為保證氫氧機在運行中的安全性，特對設備系統內部zui高壓力進行設定。所設壓力變送器放置在氧側，與氫側所加的背壓調節閥產生的壓力進行相應檢測。當系統壓力大于設定壓力時，則設備判定為嚴重故障泄壓停止運行。
　　
　　在設備氫、氧出口端采用A/D壓力變送器將采集模擬量輸入至PLC處理為相應的數字量。當氫出口壓力達到氫出口壓力所設上*，則會控制電解電流下降，使氫產氣量減小，以降低氫出口壓力。反之亦然。
　　
　　如氧出口端壓力達到所設置壓力值時，氧放空閥打開，以降低氧出口端壓力。
　　
　　在設計上為方便用戶使用，觸摸屏上可對氫、氧出口端壓力設定上下限壓力值，以上限壓力zui高不允許超過系統壓力為原則。
　　
　　6）電解電壓控制
　　
　　氫氧機產生的氫氣量大小與參與電解電流的大小成正比，所以控制電解電流輸出電流值就可控制氫氣量輸出。為便于設定控制電解電流，在觸摸屏可輸入電解電流百分比，由PLC輸出經D/A轉換輸出的0～10V電壓信號加入電解電源輸入控制端達到控制輸出電流目的。
　　
　　2．系統設計
　　
　　為了實現整個系統的控制，特建立以PLC為核心的控制系統。工業觸摸屏顯示系統運行狀態及參數。
　　
　　CPIH是歐姆龍PLC產品中一款小型可編程序控制器，能夠控制該設備以滿足自動化控制需求。它具有緊湊的結構、靈活的配置和較強的指令集，使CPIH成為各種控制應用的理想方案。本控制系統需6個數字量輸入和2個數字量輸出（表1），根據系統控制要求，選取CPIH—XA4ODR—A100作為控制核心，此外還需擴展1個模擬量擴展模塊CPM1A—MAD11。
　　　　
　　為使系統有較好的人機對話界面，實現液位、壓力、溫度等現場參數的設定并輸出各種報警提示信息，選擇信捷觸摸屏顯示口作為顯示設定單元。系統軟件設計流程如圖2。
　　
　　3．結束語
　　
　　該控制系統充分發揮PLC可靠靈活的優勢，以及觸摸屏友好人機界面功能。實踐證明，系統具有較強的抗*力，操作簡單，在較惡劣的操作現場得到很好應用。