PLC技術(shù)在化工制氫自動化中的應(yīng)用

黃湘集(東莞北京航空航天大學(xué)研究院，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著科技發(fā)展和PLC技術(shù)的日益成熟，PLC技術(shù)在化工制氫方面的應(yīng)用極大程度地推動了化工制氫領(lǐng)域的發(fā)展，在提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、減少安全事故、保證生產(chǎn)安全方面優(yōu)勢巨大，因此對PLC技術(shù)在化工制氫自動化上的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行深入研究是非常有必要的。

1 PLC技術(shù)概述

1.1 PLC簡介及發(fā)展

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，是一種為在工業(yè)環(huán)境下使用而專門研發(fā)、內(nèi)置有微型處理器的自動化控制的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，能夠?qū)⒖刂浦噶罴磿r寫入內(nèi)存進(jìn)行存儲和運(yùn)行。PLC大都由CPU、電源、指令和數(shù)據(jù)RAM、input/output電路、AD等功能單元組成。

從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)的今天，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，PLC的發(fā)展越來越適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)化的需求。在世界各工業(yè)大國的研發(fā)下，PLC家族的大型機(jī)和微型機(jī)面世，同時還出現(xiàn)了種類繁多的特殊功能單元和功能各異的可拓展模塊，發(fā)明了各種人機(jī)交換界面單元、信息交換單元。PLC的技術(shù)發(fā)展和完善以及豐富的周邊配套設(shè)施，使得PLC技術(shù)在工業(yè)控制設(shè)備廣泛運(yùn)用，同時使設(shè)備操控越發(fā)簡單[1]。

1.2 PLC的特點(diǎn)及優(yōu)勢

PLC具有穩(wěn)定可靠、編程容易、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、運(yùn)行處理速度快、安裝操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。PLC基本都使用單片微型計(jì)算機(jī)，具有高度集成的特點(diǎn)，同時還具備自診斷功能，擁有特定的保護(hù)電路，使得系統(tǒng)的可靠性有保證；另外PLC的運(yùn)行由程序執(zhí)行控制，運(yùn)行處理速度快[2]；PLC有五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言，具體是三種圖形語言：順序功能流程圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)；兩種文本語言：指令表(IL)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)。此外，PLC可以支持其他多種編程語言，包括C，Basic等等，能夠廣泛地使用在不同的場合[3]。PLC技術(shù)的應(yīng)用一般都簡易迅捷，在應(yīng)用時，可以使用相對簡單的編程語言系統(tǒng)將相關(guān)操作完成，對既定程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦薷?，即可滿足實(shí)際應(yīng)用。

2 PLC技術(shù)在化工制氫自動化的應(yīng)用

2.1 PLC技術(shù)在工業(yè)制氫的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

以下以一個實(shí)例來說明PLC技術(shù)在工業(yè)制氫的應(yīng)用。圖1是某制氫系統(tǒng)原理圖，包括以下部件：反應(yīng)箱A、反應(yīng)箱B、水箱2、換熱器3,4、氣液分離器5、活性炭吸附裝置6、氫氣泵7、氫氣儲存罐8，9、隔膜泵10,11、加熱緩存罐12、循環(huán)離心泵13、管帶式風(fēng)冷器14、膨脹壺15、水流量計(jì)16、水流量計(jì)17、側(cè)路進(jìn)水閥18、阻火器19。系統(tǒng)中反應(yīng)釜1A、1B內(nèi)有壓力傳感器，水箱2中有液位傳感器。

圖1 某制氫系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)裝填物料后開始運(yùn)行，由PLC控制開啟隔膜泵11，加水到加熱緩存罐12加熱到90℃停止加熱，再開啟進(jìn)水管路上的隔膜泵和電磁閥，實(shí)行首次加水。待反應(yīng)物與水反應(yīng)使反應(yīng)釜壓力上升到0.01MPa時，判斷為已反應(yīng)，開啟系統(tǒng)的自動模式。出氫速率可以根據(jù)加水的速率來調(diào)節(jié)，當(dāng)反應(yīng)箱壓力上到0.01MPa時，開始出氫，同時檢測出氫溫度，當(dāng)出氫溫度高于30℃時，由PLC控制開啟離心泵13、管帶式冷風(fēng)器14，進(jìn)行循環(huán)冷卻。從換熱器4冷卻出來的氣液混合物到氣液分離器5分離氣液兩相，由PLC檢測分離器5液位?；钚蕴课窖b置6吸附氫氣中的水和雜質(zhì)。當(dāng)反應(yīng)箱壓力高于0.01MPa時PLC控制開啟氫氣泵7，把氫氣抽到氫氣緩存罐，使反應(yīng)箱的壓力下降到常壓，關(guān)閉氫氣泵，始終保證反應(yīng)箱在接近常壓下制氫。質(zhì)量流量控制器計(jì)量出氫速率、累積量和控制出氫的速率，保證出氫速率穩(wěn)定。當(dāng)反應(yīng)箱的反應(yīng)速率過快，壓力超過0.04MPa時，將開啟放空閥，放空反應(yīng)箱的氣體，使反應(yīng)箱壓力下降，保證系統(tǒng)安全可靠。利用信息集成，并通過數(shù)據(jù)交互將系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)顯現(xiàn)在人際交換界面上，做到遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 PLC技術(shù)在工業(yè)制氫應(yīng)用的技術(shù)分析

在該化工制氫應(yīng)用中，各個裝置的自動控制可由PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)，PLC在一個掃描周期內(nèi)運(yùn)行完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。在化工制氫系統(tǒng)運(yùn)行期間，PLC的CPU以特定的運(yùn)行速度循環(huán)不斷地掃描。

在該化工制氫應(yīng)用中，閉環(huán)控制被普遍應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)中，如對運(yùn)行中的氫氣泵進(jìn)行自動控制，又如在水加熱控制系統(tǒng)，液位、溫度、壓力、流量、散熱等的控制系統(tǒng)等等，都是采用了閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在該化工制氫應(yīng)用中，順序控制的應(yīng)用將一個控制系統(tǒng)分解為幾個相互之間獨(dú)立的控制動作，且為了保證生產(chǎn)的運(yùn)行正常，各獨(dú)立控制動作能不出差錯地按照給定的先后順序依次執(zhí)行任務(wù)。制氫系統(tǒng)使用順序控制可以有效提升制氫的穩(wěn)定性與效率。

在該化工制氫應(yīng)用中，PCL系統(tǒng)可以對系統(tǒng)的每一個部件、每一個流程進(jìn)行監(jiān)控，并在檢測到發(fā)生故障時迅速自動停止系統(tǒng)運(yùn)行，以防止故障導(dǎo)致事故，保證生產(chǎn)安全。觀察遠(yuǎn)程監(jiān)控的人機(jī)交換界面的參數(shù)，用戶可以迅速判斷故障的類型和位置并消除故障。

3 PLC技術(shù)在化工制氫自動化應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

3.1 工作環(huán)境

工業(yè)化工生產(chǎn)的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣，而PLC的高效運(yùn)行對環(huán)境有一定需求，因此需要采取措施對工業(yè)化工生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)母纳?，以滿足PLC的運(yùn)行。

溫濕度：PLC的運(yùn)行環(huán)境溫度大都在0～55℃，因此盡量將PLC安裝在通風(fēng)良好的環(huán)境中，如有條件可以配備散熱風(fēng)機(jī)，同時遠(yuǎn)離熱源，避免陽光直射。另外需要將空氣相對濕度控制在 85%以下，保證空氣始終處于無凝露的狀態(tài)，以保證PLC的絕緣性。

振動：PLC的安裝必須遠(yuǎn)離特別強(qiáng)烈的震動源，同時應(yīng)避免低頻的頻繁或連續(xù)振動。然而實(shí)際使用環(huán)境中振動是難免的，此時必須采用有效的減震措施，例如采用塑膠腳墊。本例中裝有PLC的防爆電氣盒安裝時使用了塑膠減震腳墊，以降低受到振動的影響

空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體，例如化學(xué)的酸堿等。在化工行業(yè)PLC的使用環(huán)境惡劣，空氣可能會有大量的粉塵以及具有腐蝕性的氣體，此時PLC應(yīng)裝在單獨(dú)的密閉性良好的控制室或防爆電氣柜中。本例中使用了防爆電氣盒，以保證PLC能夠在系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行。

電源：輸入端使用外接直流電源時，因直流紋波電壓會對PLC的通信造成一定的影響，因此需選用性能良好的直流穩(wěn)壓電源。同時在安裝線路時，遠(yuǎn)離高壓線，以降低干擾。

4 結(jié)語

PLC 技術(shù)在化工制氫裝置中的高效應(yīng)用，使得化工制氫裝置的自動化控制水平得到有效提升，這不但能夠提高化工生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，還能使安全生產(chǎn)得到相應(yīng)的保證。企業(yè)想要將這些優(yōu)勢在實(shí)際化工生產(chǎn)中發(fā)揮出來，則需要對 PLC 技術(shù)在化工行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行深入地研究，在環(huán)境控制、安裝、故障處理等方面采取科學(xué)合理的應(yīng)用措施，并將其落實(shí)應(yīng)用到化工裝置自動化控制中，使得化工行業(yè)走向自動化、智能化，促進(jìn)化工制氫工業(yè)的自動化技術(shù)水平不斷提升。