基于PLC在氫氧機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　氫氧機(jī)是生產(chǎn)氫燃料的設(shè)備，它采用水電解技術(shù)，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(huán)保節(jié)能設(shè)備。該氫氧機(jī)因所產(chǎn)氣體為氫、氧分離型，使氫氧機(jī)設(shè)備應(yīng)用范圍得到極大拓展，不僅局限于通常使用熱加工場(chǎng)所，以替代傳統(tǒng)乙炔、丙烷、液化氣等燃?xì)?，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(jī)、氫燃料電池、電子化工、食品加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于所產(chǎn)為氫、氧分離氣體，在金屬切割方面，徹底杜絕氫氧混合氣體易“回火”這一技術(shù)瓶頸問題，因此，分離式氫氧機(jī)在金屬切割領(lǐng)域得到更為安全的使用。

　　在控制方面，該氫氧機(jī)內(nèi)部采用PLC控制技術(shù)，通過PLC硬件組態(tài)和程序設(shè)計(jì)，開發(fā)了完整的控制程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備裝置的啟停、控制、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)設(shè)定和顯示、并具有報(bào)警故障查詢等功能。外部結(jié)合工業(yè)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面（HMI）控制，在人機(jī)對(duì)話上充分考慮了人機(jī)界面控制的及時(shí)性、完整性和互動(dòng)性。界面非常友好，使用操作方便醒目直觀。

　　1. 控制方案設(shè)計(jì)

　　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(chǎn)生H2和O2，H2和O2夾帶KOH堿液分別進(jìn)入氫、氧汽水分離器進(jìn)行汽水分離（在水分子重力作用下進(jìn)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(huán)泵以完成電解液的回流）。

　　水電解制氫電極反應(yīng)式：

　　陰極： 4e + 4H2O = 2H2↑ + 4OH▔

　　陽(yáng)極： 4OH ▔ = O2↑ + 2H2O + 4e

　　總反應(yīng)式：H2O = H2 + 1/2 O2

　　由上述電極反應(yīng)式可知：產(chǎn)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(yáng)極面，形成Ｏ２↑。而相應(yīng)的產(chǎn)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(nèi)部有多個(gè)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(rùn)的狀態(tài)下，氣體不能通過，只能參與電解的離子可穿透。如隔膜兩側(cè)壓力不平衡，壓力差為±１００ｍｍＨ２Ｏ時(shí)，如壓力差大于３００ｍｍＨ２Ｏ則會(huì)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(huì)呈連通狀態(tài)。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(jìn)入另一個(gè)分離器。所以，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必須控制氫氧分離器的液位使其平衡，使液位保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，防止由于液位過低而造成Ｈ２、Ｏ２氣體混合。液位過高會(huì)增加氣體排出阻力，引起Ｈ２、Ｏ２側(cè)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(jì)，將液位模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量４ｍＡ～２０ｍＡ輸出，以Ａ/Ｄ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)其液位控制。將氫氧采樣轉(zhuǎn)換的數(shù)字量同過安全柵輸入至ＰＬＣ中進(jìn)行相應(yīng)的比對(duì)處理判斷氫氧液位的差值。比例積分和微分運(yùn)算（ＰＩＤ）判定其液位差值進(jìn)行平衡處理。針對(duì)設(shè)備在開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和停機(jī)狀態(tài)不同情況下，對(duì)氫氧兩端的液位給予處理。

　　a） 開機(jī)及運(yùn)行狀態(tài)

　　在開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，液位如有下列不平衡情況時(shí)則進(jìn)行平衡處理。

　　l Ｈ２>Ｏ２且Ｈ２-Ｏ２≥１２０ｍｍＨ２Ｏ（液位差值），Ｏ２旁通閥打開，使Ｏ２側(cè)壓力減?。ǎ希惭跻何簧撸瑥亩挂何徊钪禍p小。

　　l Ｏ２>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(duì)其液位采集若干次后處理的均值）≤氫氧液位下限值２８０ｍｍＨ２Ｏ時(shí)，則設(shè)備補(bǔ)水泵以及補(bǔ)水閥打開，進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)水。

　　l 氫氧均液位≤補(bǔ)水液位上限值是３００ｍｍＨ２O，補(bǔ)水泵以及補(bǔ)水閥關(guān)閉，停止補(bǔ)水。

　　l 在進(jìn)行過程中，當(dāng)氫氧液位差值》１４０ｍｍＨ２O時(shí)，氫高于氧液位，氧旁通閥打開到氫氧液位值低于≤８０ｍｍＨ２O時(shí)，氧旁通閥關(guān)閉；如氫氧液位差按上述變化時(shí)，氫旁通閥打開到關(guān)閉。

　　b） 停機(jī)狀態(tài)

　　在停機(jī)狀態(tài)下，氫氧液位可能還會(huì)存在一定液位差，也需進(jìn)行平衡處理。

　　l Ｏ２>Ｈ２時(shí)，氫旁通閥打開。

　　l Ｈ２>Ｏ２時(shí)，?。龋?Ｏ２≥５０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通閥打開，H２－O２≤３０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通閥關(guān)閉。

　　l 氫氧均液位２８０ｍｍＨ２O時(shí)補(bǔ)水泵以及補(bǔ)水閥打開，≤３００ｍｍＨ２O時(shí)則關(guān)閉。

　　3） 液位平衡控制

　　液位平衡控制亦稱系統(tǒng)平衡控制。為達(dá)到液位平衡目的，采用背壓閥，電氣轉(zhuǎn)換器及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥共同實(shí)現(xiàn)液位平衡控制。通常將背壓閥放置于氫側(cè)，以氫液位為比對(duì)基準(zhǔn)給定值，氫液位作為實(shí)際值經(jīng)ＰＬＣ（數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀）做比例、積分和微分ＰＩＤ運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果以模擬量形式通過ＰＬＣ輸出經(jīng)Ｄ/Ａ數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出４～２０ｍＡ模擬量（經(jīng)安全柵）輸入至電氣轉(zhuǎn)換器。

　　氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作是在配套氣泵與電氣轉(zhuǎn)換器（將４～２０ｍＡ模擬另轉(zhuǎn)換為０。０２～０。１Ｍｐａ），用氣動(dòng)信號(hào)來調(diào)節(jié)加至氧側(cè)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開啟度，使氫氧液位保持平衡，如氫液位高則自動(dòng)減少加至氧側(cè)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。通過調(diào)整氧側(cè)壓力值（變?。┦闺娊庖和ㄟ^Ｈ２、Ｏ２分離器下端連通管，造成氫液位下降，從而達(dá)到控制氫氧液位平衡。反之亦然。

　　在開機(jī)后設(shè)備檢測(cè)液位以及系統(tǒng)壓力的驅(qū)動(dòng)電氣轉(zhuǎn)換器，使氣動(dòng)閥開啟合適開度，以保證系統(tǒng)液位平衡。待停機(jī)后，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥呈安全打開狀態(tài)，以便泄壓。
 

4） 系統(tǒng)溫度控制

　　水的電解過程是一個(gè)放熱的過程。隨著電解過程的不斷運(yùn)行，電解槽內(nèi)部會(huì)連續(xù)產(chǎn)生熱量，進(jìn)而使電解槽的運(yùn)行溫度持續(xù)上升。根據(jù)水電解制氫工藝要求，電解槽溫度規(guī)定為８５℃則為極限溫度，以保證電解槽內(nèi)部隔膜使用壽命。

　　在系統(tǒng)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(cè)的實(shí)際溫度經(jīng)溫度變送器即Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，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(diào)節(jié)子程序，使實(shí)際溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較。如高于設(shè)定極限溫度時(shí)，輸出控制信號(hào)保證設(shè)備以故障形式停機(jī)。

　　當(dāng)然上述只是較為簡(jiǎn)單的溫度極限保護(hù)。如需對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，則可以使ＰＬＣ輸出模擬控制信號(hào)增大，進(jìn)而控制系統(tǒng)冷卻水流量調(diào)節(jié)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，最終使電解槽溫度下降。這種控制能夠保證水電解可在最理想溫度下工作。

　　5） 系統(tǒng)壓力

　　為保證氫氧機(jī)在運(yùn)行中的安全性，特對(duì)設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部最高壓力進(jìn)行設(shè)定。所設(shè)壓力變送器放置在氧側(cè)，與氫側(cè)所加的背壓調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的壓力進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，則設(shè)備判定為嚴(yán)重故障泄壓停止運(yùn)行。

　　在設(shè)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(yīng)的數(shù)字量。當(dāng)氫出口壓力達(dá)到氫出口壓力所設(shè)上限時(shí)，則會(huì)控制電解電流下降，使氫產(chǎn)氣量減小，以降低氫出口壓力。反之亦然。

　　如氧出口端壓力達(dá)到所設(shè)置壓力值時(shí)，氧放空閥打開，以降低氧出口端壓力。

　　在設(shè)計(jì)上為方便用戶使用，觸摸屏上可對(duì)氫、氧出口端壓力設(shè)定上下限壓力值，以上限壓力最高不允許超過系統(tǒng)壓力為原則。

　　6） 電解電壓控制

　　氫氧機(jī)產(chǎn)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(shè)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(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出的0～10V電壓信號(hào)加入電解電源輸入控制端達(dá)到控制輸出電流目的。

　　2． 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，特建立以PLC為核心的控制系統(tǒng)。工業(yè)觸摸屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。

　　CPIH是歐姆龍PLC產(chǎn)品中一款小型可編程序控制器，能夠控制該設(shè)備以滿足自動(dòng)化控制需求。它具有緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和較強(qiáng)的指令集，使CPIH成為各種控制應(yīng)用的理想方案。本控制系統(tǒng)需6個(gè)數(shù)字量輸入和2個(gè)數(shù)字量輸出（表1），根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選取CPIH—XA4ODR—A 100作為控制核心，此外還需擴(kuò)展1個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊CPM1A—MAD11。

　　表1 輸入輸出信號(hào)與輸入輸出點(diǎn)的分配

　　為使系統(tǒng)有較好的人機(jī)對(duì)話界面，實(shí)現(xiàn)液位、壓力、溫度等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的設(shè)定并輸出各種報(bào)警提示信息，選擇信捷觸摸屏顯示口作為顯示設(shè)定單元。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2。

　　3．結(jié)束語(yǔ)

　　該控制系統(tǒng)充分發(fā)揮PLC可靠靈活的優(yōu)勢(shì)，以及觸摸屏友好人機(jī)界面功能。實(shí)踐證明，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，操作簡(jiǎn)單，在較惡劣的操作現(xiàn)場(chǎng)得到很好應(yīng)用。