基于PLC在氢氧机控制系统的设计

　氢氧机是生产氢燃料的设备，它采用水电解技术，通电使水分解成氢气和氧气，其中氢气作为燃料，氧气作为助燃剂，是一种高科技绿色环保节能设备。该氢氧机因所产气体为氢、氧分离型，使氢氧机设备应用范围得到极大拓展，不仅局限于通常使用热加工场所，以替代传统乙炔、丙烷、液化气等燃气，用于金属切割、金属气焊，还可以在玻璃制品加工、汽车除碳、车载氢氧机、氢燃料电池、电子化工、食品加工等领域得到广泛应用。由于所产为氢、氧分离气体，在金属切割方面，彻底杜绝氢氧混合气体易“回火”这一技术瓶颈问题，因此，分离式氢氧机在金属切割领域得到更为安全的使用。

　　在控制方面，该氢氧机内部采用PLC控制技术，通过PLC硬件组态和程序设计，开发了完整的控制程序，实现设备装置的启停、控制、运行状态参数设定和显示、并具有报警故障查询等功能。外部结合工业触摸屏进行人机界面（HMI）控制，在人机对话上充分考虑了人机界面控制的及时性、完整性和互动性。界面非常友好，使用操作方便醒目直观。

　　1. 控制方案设计

　　1） 电解工作原理

　　分离式水电解制氢装置是通过直流电解KOH（25%～30%浓度）水溶液产生H2和O2，H2和O2夹带KOH碱液分别进入氢、氧汽水分离器进行汽水分离（在水分子重力作用下进行汽水分离），分离后的碱液通过分离器底端再回流至电解槽（在高压制氢中则需要增加循环泵以完成电解液的回流）。

　　水电解制氢电极反应式：

　　阴极： 4e + 4H2O = 2H2↑ + 4OH▔

　　阳极： 4OH ▔ = O2↑ + 2H2O + 4e

　　总反应式：H2O = H2 + 1/2 O2

　　由上述电极反应式可知：产生H+和ＯＨ-离子，其中Ｈ+离子移向电极的阴极面，形成Ｈ２↑，ＯＨ-离子移至电极的阳极面，形成Ｏ２↑。而相应的产气量Ｈ２是Ｏ２的２倍。

　　2） 液位差控制

　　目前分离式电解槽普遍采用压滤式双极性电解槽，内部有多个电解小室组成。电解小室间用石棉布为隔膜材料，而石棉布特性是在浸润的状态下，气体不能通过，只能参与电解的离子可穿透。如隔膜两侧压力不平衡，压力差为±１００ｍｍＨ２Ｏ时，如压力差大于３００ｍｍＨ２Ｏ则会有气体泡通过石棉隔膜，造成氢氧混合；另外，电解后的Ｈ２、Ｏ２输出至汽水分离器上因氢氧分离器底部会呈连通状态。如果氢氧分离器压差过大，很可能使Ｈ２或Ｏ２从压力大的分离器进入另一个分离器。所以，在系统运行时必须控制氢氧分离器的液位使其平衡，使液位保持在规定的范围内，防止由于液位过低而造成Ｈ２、Ｏ２气体混合。液位过高会增加气体排出阻力，引起Ｈ２、Ｏ２侧压力不平衡，造成Ｈ２、Ｏ２气体的互相渗透。

　　氢氧液位采用浮球液位计，将液位模拟量转化为数字量４ｍＡ～２０ｍＡ输出，以Ａ/Ｄ模拟数字转换来实现其液位控制。将氢氧采样转换的数字量同过安全栅输入至ＰＬＣ中进行相应的比对处理判断氢氧液位的差值。比例积分和微分运算（ＰＩＤ）判定其液位差值进行平衡处理。针对设备在开机运行状态和停机状态不同情况下，对氢氧两端的液位给予处理。

　　a） 开机及运行状态

　　在开机运行状态下，液位如有下列不平衡情况时则进行平衡处理。

　　l Ｈ２>Ｏ２且Ｈ２-Ｏ２≥１２０ｍｍＨ２Ｏ（液位差值），Ｏ２旁通阀打开，使Ｏ２侧压力减小（Ｏ２氧液位升高），从而使液位差值减小。

　　l Ｏ２>Ｈ２且Ｏ２-Ｈ２≥１１０ｍｍＨ２Ｏ（液位差值），Ｈ２旁通阀打开，使Ｈ２压力减小（Ｈ２氢液位升高），从而使液位差值减小。

　　l 氢氧均液位（对其液位采集若干次后处理的均值）≤氢氧液位下限值２８０ｍｍＨ２Ｏ时，则设备补水泵以及补水阀打开，进行相应补水。

　　l 氢氧均液位≤补水液位上限值是３００ｍｍＨ２O，补水泵以及补水阀关闭，停止补水。

　　l 在进行过程中，当氢氧液位差值》１４０ｍｍＨ２O时，氢高于氧液位，氧旁通阀打开到氢氧液位值低于≤８０ｍｍＨ２O时，氧旁通阀关闭；如氢氧液位差按上述变化时，氢旁通阀打开到关闭。

　　b） 停机状态

　　在停机状态下，氢氧液位可能还会存在一定液位差，也需进行平衡处理。

　　l Ｏ２>Ｈ２时，氢旁通阀打开。

　　l Ｈ２>Ｏ２时，　Ｈ２-Ｏ２≥５０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通阀打开，H２－O２≤３０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通阀关闭。

　　l 氢氧均液位２８０ｍｍＨ２O时补水泵以及补水阀打开，≤３００ｍｍＨ２O时则关闭。

　　3） 液位平衡控制

　　液位平衡控制亦称系统平衡控制。为达到液位平衡目的，采用背压阀，电气转换器及气动调节阀共同实现液位平衡控制。通常将背压阀放置于氢侧，以氢液位为比对基准给定值，氢液位作为实际值经ＰＬＣ（数字显示调节仪）做比例、积分和微分ＰＩＤ运算，将运算结果以模拟量形式通过ＰＬＣ输出经Ｄ/Ａ数模转换，输出４～２０ｍＡ模拟量（经安全栅）输入至电气转换器。

　　气动调节阀的工作是在配套气泵与电气转换器（将４～２０ｍＡ模拟另转换为０。０２～０。１Ｍｐａ），用气动信号来调节加至氧侧的气动调节阀的开启度，使氢氧液位保持平衡，如氢液位高则自动减少加至氧侧的气动调节阀的开度。通过调整氧侧压力值（变小）使电解液通过Ｈ２、Ｏ２分离器下端连通管，造成氢液位下降，从而达到控制氢氧液位平衡。反之亦然。

　　在开机后设备检测液位以及系统压力的驱动电气转换器，使气动阀开启合适开度，以保证系统液位平衡。待停机后，气动调节阀呈安全打开状态，以便泄压。
 

4） 系统温度控制

　　水的电解过程是一个放热的过程。随着电解过程的不断运行，电解槽内部会连续产生热量，进而使电解槽的运行温度持续上升。根据水电解制氢工艺要求，电解槽温度规定为８５℃则为极限温度，以保证电解槽内部隔膜使用寿命。

　　在系统温度的采样上，通常在电解槽出口管道上安装温度变送器，将检测的实际温度经温度变送器即Ａ/Ｄ转换为４～２０ｍＡ的标准电信号，输入至ＰＬＣ中。在编写好的控制逻辑程序中利用可编程控制器自带的普通ＰＩＤ调节子程序，使实际温度与设定温度进行比较。如高于设定极限温度时，输出控制信号保证设备以故障形式停机。

　　当然上述只是较为简单的温度极限保护。如需对系统温度进行控制，则可以使ＰＬＣ输出模拟控制信号增大，进而控制系统冷却水流量调节阀的开度变大，使得冷却水流量加大，热交换加速，使得返回电解槽的碱液温度加速降低，最终使电解槽温度下降。这种控制能够保证水电解可在最理想温度下工作。

　　5） 系统压力

　　为保证氢氧机在运行中的安全性，特对设备系统内部最高压力进行设定。所设压力变送器放置在氧侧，与氢侧所加的背压调节阀产生的压力进行相应检测。当系统压力大于设定压力时，则设备判定为严重故障泄压停止运行。

　　在设备氢、氧出口端采用A/D压力变送器将采集模拟量输入至PLC处理为相应的数字量。当氢出口压力达到氢出口压力所设上限时，则会控制电解电流下降，使氢产气量减小，以降低氢出口压力。反之亦然。

　　如氧出口端压力达到所设置压力值时，氧放空阀打开，以降低氧出口端压力。

　　在设计上为方便用户使用，触摸屏上可对氢、氧出口端压力设定上下限压力值，以上限压力最高不允许超过系统压力为原则。

　　6） 电解电压控制

　　氢氧机产生的氢气量大小与参与电解电流的大小成正比，所以控制电解电流输出电流值就可控制氢气量输出。为便于设定控制电解电流，在触摸屏可输入电解电流百分比，由PLC输出经D/A转换输出的0～10V电压信号加入电解电源输入控制端达到控制输出电流目的。

　　2． 系统设计

　　为了实现整个系统的控制，特建立以PLC为核心的控制系统。工业触摸屏显示系统运行状态及参数。

　　CPIH是欧姆龙PLC产品中一款小型可编程序控制器，能够控制该设备以满足自动化控制需求。它具有紧凑的结构、灵活的配置和较强的指令集，使CPIH成为各种控制应用的理想方案。本控制系统需6个数字量输入和2个数字量输出（表1），根据系统控制要求，选取CPIH—XA4ODR—A 100作为控制核心，此外还需扩展1个模拟量扩展模块CPM1A—MAD11。

　　表1 输入输出信号与输入输出点的分配

　　为使系统有较好的人机对话界面，实现液位、压力、温度等现场参数的设定并输出各种报警提示信息，选择信捷触摸屏显示口作为显示设定单元。系统软件设计流程如图2。

　　3．结束语

　　该控制系统充分发挥PLC可靠灵活的优势，以及触摸屏友好人机界面功能。实践证明，系统具有较强的抗干扰能力，操作简单，在较恶劣的操作现场得到很好应用。