PLC化工制氢自动化控制管理系统技术分析

李雨欣，张 桐

(榆林学院，陕西 榆林 719000)

PLC控制系统的核心功能就是对制氢系统的温度、压力等参量进行自动化调控，使得这些参量具有稳定性。通过对氧、氢液位的动态调控，使得它们具有动态平衡性。按照制氢系统的具体运行状态，对输出电流给定进行整流。该控制系统在实际运行之际，会按照某种条件对其进行自动化补水调控；若是系统出现了故障问题，就会迅速地给出警报信息，例如，需要被控制的参量超出限值，就会给出连锁信号，对整流柜输出直流电流进行切断，使得电解槽不再工作。在PLC科技技术持续进步之下，该技术在化工制氢领域的应用使得该领域获得巨大发展，具体优势体现在：增效降本，提升安全性等。为此，以PLC技术为对象，对其在化工制氢领域的深入应用研究就显得极为必要。

1 可编程逻辑控制器(PLC)技术概述

1.1 可编程逻辑控制器(PLC)简介及发展

有一款专门研发为在工业环境下进行使用的可编程逻辑控制器(PLC)，可接收到控制指令之后将其进行保存并开始运行。数据RAM、电源、AD等各种功能构成了PLC控制系统。从20世纪60年代再到如今，通过长时间的发展，现代工业越来越需要PLC控制系统的支持。在各个国家的相关人员不断努力研发下，微型机与大型机出现在我们的面前。与此同时，还研究出了各种功能的拓展模块。PLC控制系统的快速发展，促进工业控制设备广泛应用于该技术。正是因为该技术的出现，使操控工业设备变得更为简单。

1.2 PLC控制系统特点及优势

PLC控制系统的优势体现在：功能丰富、开发简单、鲁棒性强、运行速度很快，维护便捷等。如今，该技术都应用到了性能较佳的微型计算机芯片，其集成水平极高，提供了独特的保护电路，系统具有显著抗干扰性，而且还集成了自诊断功能。另外，PLC控制系统在实际运行之际，利用成功设计的程序对其进行控制，而且有着较快的处理速度；PLC控制系统提供的标准化编程语言共有5种，分别为2种文本语言与3种图形语言，前者具体为结构化文本与指令表，简称分别为ST和IL；后者则为功能模块图、梯形图、顺序功能流程图，简称分别为FBD、LD和SFC。另外，该技术还能对多元化开发语言进行支持，譬如C圆凳，并能在不同领域得到颇为广泛运用。PLC系统在应用过程中颇为快捷，而且能够运用较为简单的开发语言，可以更好地完成有关操作，并可以对有关程序加以更改，实现自身工作效率提升。

2 PLC控制系统在化工制氢中的实现

2.1 PLC控制系统在化工制氢中应用

以下通过一个实例来分析PLC 控制系统在化工制氢中的实际应用。系统在填料之后正式运行，此时，PLC会对隔膜泵进行启动，将水流导入至缓存罐，对其进行加热，直至90 ℃，随后对进水管路之上的电磁阀门、隔膜泵进行打开，正式加水。在反应釜环境中，相关参与物质进行反映，使得该容器压力增长到0.01 MPa之际，就设定为“已反应”，此时，系统进入到自动调控模式。对加水速度进行调控，就能获得与之相应的出氢速率，在反应箱中的压力增长至0.01 MPa之际，就能出氢，此时可以对其温度进行检测，倘若超过30 ℃，此时对离心泵进行启动，同时还需要启动冷风器，对其进行冷却。通过换热模块得出的气液混合物(冷却后)就能进一步转入分离器，使之进行分离，PLC控制系统模块还能对该分离器的液位进行动态监测。吸附模块(活性炭)则会对氢气中的杂质以及水汽等进行吸附。若是反应箱压力超过了0.01 MPa，那么作为PLC控制系统，就需要对氢气泵进行启动，进而将氢气导入缓存罐，于是反应箱压力就会下降，对氢气泵进行关闭，使得反应箱处于动态平衡常压之下。质量流量控制模块则可以对出氢速度等进行计算与调控，使得出氢速率有着较高的稳定性。倘若反应箱有着较高的反应速度，而且压力进一步超过0.04 MPa，那么就需要对放空阀进行启动，对反应箱中的压力进行下调，使得系统具有较高的安全性。借助于信息集成与数据交互，使得系统参量动态显示至人机交互页面之上，从而对其远程监控。

2.2 PLC控制系统化工制氢的技术分析

PLC控制系统可以对化工制氢诸多功能模块进行动态控制，在扫描周期之内，需要涉及到采样、执行、输出3个环节。制氢系统在运行时，该系统芯片基于自身频率下的速度进行周期性扫描。该制氢系统呈现出闭环特点，对氢气泵进行自动化控制。涉及到水加热、温度、流量、液位等参量的控制系统等，都是利用闭环控制系统进行的。化工制氢系统运用了顺序控制技术，将控制系统细分成几个具有独立性动作，为了让生产能够稳定运行，不同控制动作能够根据明确的次序，对有关任务进行执行。另外，该顺序控制还能对制氢效率、稳定性进行提升。在具体制氢环节，该系统可以对其中不同流程、部件进行动态监控，在发现故障后可以立即停用，防范故障引起事故，使之生产具有安全性。对远程监控人际交换页面参量进行动态观察，用户可以对故障位置、种类进行快速判断，并对故障进行消除。

3 PLC控制系统的子控制系统设计

3.1 槽压控制系统

槽压调节控制装置系统，如图1所示。

图1 槽压控制系统

通过0～4 MPa系统压力通过变送器转换之后，成为标准的4～20 MPa电信号，之后会进入到控制柜中。进入信号隔离器后，PLC控制系统内的模拟输入模块，将其与PLC控制系统中设置的系统工作压力进行比较，并利用PID算法计算最终结果，通过模拟PLC输出模块转换4～20 mAh信号，转换成0.02～0.10 MPa的标准气动信号，控制氧气阀调节罐压力的开度，以便将油箱压力稳定到系统运行期间标准值。

3.2 液位控制系统

氢分离器液位控制系统，如图2所示。

图2 液位控制系统

通过水电解的不断开展，原料水也开始持续的耗用，于是原料水液位必然持续下降，此时就需要利用补水泵对其进行补充，从而满足耗用所需。本系统借助配置在氢侧的压差变送模块，对液位高度进行动态测量，进而形成标准4～20 mAh的电流信号，然后对利用PLC控制系统进行控制。利用补水液位上下限值对比，形成输出信号，从而对补水泵开关进行调控。设定补水液位上下限值，完全可以在人机交互页面上进行设置。

3.3 槽温控制系统

槽温控制系统，如图3所示。

图3 槽温控制系统

此设备最重要的一个参数则是电解槽工作温度，主要是通过温度变送器测量氧槽对槽温进行控制，向PLC控制系统发出4～20 MPa的信号，将其和PLC控制系统输入电池所设置的温度两者之间进行对比，然后向电转换器发出信号，产生0.02～0.10 MPa的气体信号，之后要检查冷却水管的控制阀开度是否正常，以控制氧气罐的温度。

3.4 氢氧侧压力差控制

氢氧侧压力差控制系统，如图4所示。

图4 氢氧侧压力差的控制方框

本系统的任务是控制电解槽氢、氧侧的压力平衡。利用差压转换器分别对液相压差和测量氢侧以及氧侧进行测量，并向PLC控制系统发送两个4～20 MPa测量信号。以氢气侧压力作为衡量标准，对两者进行了比较。PID计算完成后，将计算结果发送给电转换器，之后会发出0.02～0.1 MPa的气体信号，并且会准备控制气动薄膜调节阀的开度，进而使其两侧压力可以保持平衡。

3.5 整流输出电流控制

整流输出电流调节控制系统，如图5所示。

图5 整流输出电流控制系统

该装置系统在实际运行之际，需要得到稳定直流的支持，具体可以借助于整流柜实现，而且该直流电还能根据需要进行动态修改。在整流柜中的电压、电流互感模块，可以将直流电压、电流信号借助于相应的变送器，转入至PLC控制系统，后者将收集到的动态电压信号与需求的额定电压进行对比，若是采样信号低于后者，那么控制系统就会自动增加电流；相反若是高于后者，那么系统就会对输出电压进行锁定，使之与额定电压值一致。

3.6 原料水箱的自动补水控制

因为制氢装置持续工作，原料水箱里的水消耗较快，应适时进行补充。添加自动补水功能之后，原料水箱里面的水始终保持不变，制氢装置可以稳定运行此功能占据重要作用。图 6 则是自动补水系统控制图。

图6 原料水箱自动补水控制

通过磁翻板液位计、差压变送器，将原料水液位转换成4～20 mAh的电信号，将其转入至PLC控制系统，后者对该信号与设定值进行对比，若是水位低于设定值，就需要对其进行补水。具体是对补水控制模块进行调控，其中在进水管路上配置了相应的防爆电磁阀，通过该阀门的通断，就能对补水进行调控。在制氢系统中，稳定性颇为关键，而PLC控制系统芯片的选型、系统结构、参数整定等，都和稳定性关系密切。

4 结语

PLC控制系统如今在化工制氢领域得到广泛运用，促使制氢系统的自动化水平快速提高。这不仅有助于提升生产效率，安全性也会显著提升。企业想要将PLC控制系统的优势进行充分发挥，就需要对该技术进行更为深入的研究，在故障诊断、系统安装、环境控制等领域进行科学运用，提升化工生产的自动化、智能化水平，进而推进化工制氢行业的自动化能力达到更高水平