PLC在水電解制氫設(shè)備中的應(yīng)用研究

龍江波

摘 要：現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，可編程控制（PLC）技術(shù)也獲得了一定的發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。因其具有較高的可靠性、較高的性價(jià)比、廣泛的適用性和較強(qiáng)的擴(kuò)展性能，人們?cè)絹?lái)越重視這項(xiàng)技術(shù)，而且它在工業(yè)領(lǐng)域也有較大的發(fā)展。在工業(yè)領(lǐng)域，水電解制氫設(shè)備控制系統(tǒng)需要借助PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，并向高精度的方向發(fā)展，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。為此，簡(jiǎn)要探討了PLC在水電解制氫設(shè)備中的應(yīng)用，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC；水電解制氫；網(wǎng)絡(luò)組態(tài)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.081

氫氣是一種重要的工業(yè)氣體，具有易燃易爆的特點(diǎn)。為了確保工業(yè)制氫的安全性和穩(wěn)定性，必須采取必要的安全措施。隨著微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?？删幊炭刂破魇墙⒃谖⑻幚砥骰A(chǔ)上的一種通用工業(yè)控制設(shè)備，具有質(zhì)量高、成本低、可靠性強(qiáng)、規(guī)格多等優(yōu)點(diǎn)，所以，PLC的用途也更加廣泛。利用PLC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)CPU自動(dòng)故障切換，從而提高運(yùn)行設(shè)備的安全性和可靠性，減少設(shè)備維護(hù)工作量，降低維修成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高生產(chǎn)率。

1 工業(yè)水電解制氫設(shè)備工作原理分析

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，氫氣憑借分子小、性質(zhì)活躍、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工、電子、氣象、醫(yī)藥、航天等領(lǐng)域。目前，加壓水電解制氫設(shè)備是制氫行業(yè)的重點(diǎn)使用對(duì)象，雖然它具有安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，但是，氫氣本身易燃、易爆，所以，其運(yùn)行安全是人們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，也是各項(xiàng)工作的重中之重。

水電解制氫設(shè)備的主要作用是采用電解手段分解純水，從而產(chǎn)生氫氣和氧氣，而電解之后獲得的氫氣純度并沒有達(dá)到100%，還需要進(jìn)行后續(xù)的分離、洗滌，通過(guò)脫氧、干燥等處理獲得高純度氫氣。

在水電解制氫設(shè)備中，電解槽是最主要的部分，制氫工作主要依靠的是電解液中的正負(fù)電極，并在正負(fù)電極之間放置隔膜，防止氣體滲透，從而形成干電池回路。這樣，接通電源后，水就會(huì)分解成氫氣和氧氣，氫氣來(lái)自陰極，氧氣來(lái)自陽(yáng)極。通常情況下，電解液為氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液，溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～30%.因?yàn)闅溲趸浫芤旱膶?dǎo)電能力更強(qiáng)，設(shè)備腐蝕加重的問題并不明顯，節(jié)能性能良好，總體效益也比較好，所以，它被普遍使用。其反應(yīng)方程式為：

總反應(yīng)方程式為：2H2O→2H2↑+O2↑.

陰極反應(yīng)方程式為：2H2O→H2↑+2OH-.

陽(yáng)極反應(yīng)方程式為：2OH--2e→H2O+1/2O2↑.

如圖1所示，水電解制氫裝置是由電解槽、氫氧分離器、氫氧洗滌器、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、堿箱、水箱、控制柜、整流變壓器和整流柜等組成。在設(shè)計(jì)電解槽時(shí)，主要采用的是壓濾式雙極性結(jié)構(gòu)。它是制氫裝置中必不可少的部分，也是發(fā)生電解反應(yīng)的主要裝置。接通電源后，在電流的作用下，設(shè)備中的純水在電極上發(fā)生電解反應(yīng)，生成氫氣和氧氣。使用電解質(zhì)溶液是為了增加水的導(dǎo)電能力，使更多的離子能通過(guò)電解槽，從而保證產(chǎn)量，降低能耗。但是，在此過(guò)程中，氫氧化鉀是不參加反應(yīng)的。

2 PLC概念及工作原理

2.1 PLC的概念

所謂“PLC”，是指可編程序控制器Programmable Logic Controller，它是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)化控制有非常重要的意義。在PLC技術(shù)的支持下，設(shè)備自身接口比較多，主要承擔(dān)著輸入和輸出功能，有效提升了驅(qū)動(dòng)能力。在PLC內(nèi)部，運(yùn)用具有可編程序的存儲(chǔ)器進(jìn)行邏輯運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)操作指令的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)械或生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。目前，PLC與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)相融合，逐漸顯示出了強(qiáng)大的通用性。

2.2 PLC工作原理

在工作狀態(tài)下，PLC以循環(huán)掃描的方式運(yùn)作，工作過(guò)程大體可以分為內(nèi)部操作、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行和程序輸出5部分。當(dāng)這些任務(wù)全部完成后，就實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程掃描，而整個(gè)過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間也可以稱為掃描周期。在內(nèi)部操作的過(guò)程中，PLC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU的自檢，確保CPU硬件處于正常狀態(tài)。而在通信操作部分，應(yīng)用智能模塊能夠響應(yīng)和更新PLC編程器的鍵入命令。當(dāng)PLC處于STOP狀態(tài)時(shí)，其僅執(zhí)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)；當(dāng)PLC處于RUN狀態(tài)時(shí)，則執(zhí)行循環(huán)掃描。在操作過(guò)程中，需要完成數(shù)據(jù)采樣、執(zhí)行、處理等命令，待一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，CPU集中將這些輸出信號(hào)全部輸送給輸出鎖存器。

3 PLC在水電解制氫設(shè)備中的應(yīng)用方案

3.1 PLC選型

現(xiàn)階段，S7-400、S7-300等型號(hào)都是PLC的重要選型。其中，S7-300在中等程序處理量方面的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，S7-300的處理能力更強(qiáng)，在市場(chǎng)中有廣泛的應(yīng)用前景。而S7-400的使用性能比較強(qiáng)，它憑借快速的處理速度、強(qiáng)悍的通訊能力和穩(wěn)定的性能備受人們的青睞。與此同時(shí)，S7-400對(duì)等時(shí)模式的支持是響應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)的重要應(yīng)用方案，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，S7-414H也被廣泛應(yīng)用。借助其先進(jìn)的容錯(cuò)技術(shù)，用2個(gè)并行的操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，從而降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，即使其發(fā)生故障，也可以啟動(dòng)備用元器件實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，從而減小停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，減少生產(chǎn)損失，避免信息丟失。

3.2 PLC硬件組成

PLC的基本硬件包括標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、電源、CPU、輸入輸出設(shè)備和通信系統(tǒng)等，但是，在這個(gè)系統(tǒng)中，還需要充分考慮冗余、熱備PLC等。因此，硬件設(shè)備的組成還需要不斷完善，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在進(jìn)行冗余配置的過(guò)程中，除了設(shè)置冗余的CPU、供電設(shè)備和通信設(shè)備外，還需要配置客戶服務(wù)器、通訊介質(zhì)和接口模件等，以滿足自動(dòng)化控制的需求。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，需要安裝的軟件有STEP7、Protool和WinCC。STEP7的主要功能是完善PLC硬件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制程序的編輯、修改和上傳下載；Protool主要作用于系統(tǒng)觸摸屏，不斷完善其組態(tài)、編輯、修改、下載等工作流程；WinCC屬于監(jiān)控組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC工作中數(shù)據(jù)流程的監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，工業(yè)領(lǐng)域引進(jìn)了許多先進(jìn)的科技成果，而且工業(yè)生產(chǎn)控制日益精準(zhǔn)化，制氫行業(yè)也是如此。借助PLC技術(shù)可以精準(zhǔn)控制電解反應(yīng)，提高制氫工藝的安全性和可靠性，提高制氫工作的效率，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。為此，將PLC這一集眾多先進(jìn)成果于一身的先進(jìn)控制手段應(yīng)用于水電解制氫設(shè)備中，對(duì)于制氫行業(yè)的發(fā)展有非常重要的意義。

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〔編輯：白潔〕