基于S7-300的氫氣自動(dòng)充裝及返氣系統(tǒng)研制

孔衛(wèi)江，孫俊凱，楊金彭，劉曉峰，馬戰(zhàn)松

[中圖分類(lèi)號(hào)] TD727.2

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]2095-6487 （2021） 02-0022-02

The Realization of Hydrogen Automatic Filling and Returning

Hydrogen System Based on S7-300

Kong Wei-jiang，Sun Jun-kai，Yang Jin-peng，Liu Xiao-feng，Ma Zhan-song

[ Abstract]In order to reduce the loss caused by the frequent start-up of the hydrogen production unit，a system that can automatically charge andretum hydrogen is designed in this paper. The user can store the product gas generated by the hydrogen production equipment in a hydrogen storage tankWhen the gas is required， the hydrogen in the storage tank can be supplied to the user through the compressor. And the hydrogen can be automaticallyretumed to the hydrogen storage tank when the user has excess hydrogen， The automatic execurion of hydrogen charging and retuming hydrogen processescan be realized through the use of Siemens S7-300PLC and the running process can be monitored in the monitoring screen

[ Keywords] hydrogen filling process;hydrogen returning process;S7-300

某項(xiàng)目現(xiàn)有一臺(tái)產(chǎn)氣量為2 Nm3m，工作壓力為1.0 MPa的堿性水電解制氫裝置。在其生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，自制氫裝置啟動(dòng)至產(chǎn)品氣達(dá)到工業(yè)級(jí)要求一般需要2-3h的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)用戶對(duì)產(chǎn)品氫氣需求波動(dòng)較人時(shí)則需要對(duì)制氫設(shè)備頻繁地進(jìn)行啟停操作，這期間會(huì)產(chǎn)生不合格氫氣的排放及電能的人量虧損，造成沒(méi)必要的浪費(fèi)。

為有效地減少因制氫設(shè)備頻繁啟停造成的浪費(fèi)，現(xiàn)研制出一套氫氣自動(dòng)充裝及返氣系統(tǒng)，將制氫裝置生成的產(chǎn)品氣收集在儲(chǔ)罐中，當(dāng)用戶需要使用氫氣時(shí)，可通過(guò)壓縮機(jī)將氫氣供給到用戶，來(lái)滿足用戶對(duì)氫氣的需求。當(dāng)用戶有未使用完的氫氣需要存儲(chǔ)時(shí)，亦可通過(guò)返氣流程將氣體返回至儲(chǔ)罐。用戶可以更靈活地使用和存儲(chǔ)氫氣，減少制氫設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中因頻繁啟停造成的損失，提高其經(jīng)濟(jì)適用性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

基于S7-300的氫氣自動(dòng)充裝/返氣系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由氫氣儲(chǔ)罐、壓縮機(jī)、集裝格及獨(dú)立氫氣鋼瓶組成。氫氣儲(chǔ)罐、集裝格單個(gè)氫氣瓶壓力的上下限可在上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面中修改參數(shù)而設(shè)定。將制氫設(shè)備生成的產(chǎn)品氣存儲(chǔ)至氫氣儲(chǔ)罐中。充氫時(shí)，通過(guò)壓縮機(jī)將三個(gè)氫氣集裝格按照一定的算法依次充至設(shè)定的上限。而當(dāng)用戶的集裝格中有未使用完的氫氣需要返回儲(chǔ)罐中時(shí)，可通過(guò)開(kāi)啟返氣流程，并按照一定的算法將集裝格中的氫氣依次返回至儲(chǔ)罐。

2 充氫/返氫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件發(fā)計(jì)部分，主要采用Step7 5.5及WinCC 7.4。Step7是西門(mén)子出的一款編程軟件，具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試等功能。WinCC

（Windows Control Center）視窗控制中心，是西門(mén)子TIA（全集成自動(dòng)化）架構(gòu)中基于PC的HMI/SCADA軟件系統(tǒng)。HMI（Human Machinelnterface）人機(jī)界而;SCADA（ Supervlsory ControlAnd Data Acquision）

iiii在穢Lt控制與數(shù)據(jù)采集。本項(xiàng)目采用Step7和WinCC相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的硬件配置、邏輯控制及充氫/返氫流程的監(jiān)控【3】。

2.1 充氫流程設(shè)計(jì)

圖2為氫氣充裝流程圖，在上位監(jiān)控畫(huà)面設(shè)定儲(chǔ)罐及集裝格壓力的上下限.通過(guò)“充氫開(kāi)始”命令，開(kāi)始執(zhí)行充裝流程。首先找出3個(gè)集裝格中壓力最高且未達(dá)到其壓力上限的集裝格進(jìn)行充氫，至其達(dá)到上限后，再?gòu)氖Ｓ鄡蓚€(gè)集裝格中找出壓力較高的并將其充裝至壓力上限。最后將剩余的集裝格充至壓力上限。當(dāng)三個(gè)集裝格全部充至上限或儲(chǔ)罐壓力低于其下限時(shí)，壓縮機(jī)停停止.充氫流程結(jié)束。

2.2 返氫流程設(shè)計(jì)

圖3為氫氣返回流程圖，在上位監(jiān)控畫(huà)面設(shè)定緩沖罐及集裝格壓力的上下限后，通過(guò)“返氫開(kāi)始”命令，開(kāi)始執(zhí)行返氫流程。首先找出3個(gè)集裝格中壓力最低且未達(dá)到其壓力下限的集裝格進(jìn)行返氣流程，至其壓力降至下限后，再?gòu)氖Ｓ?個(gè)集裝格中找出壓力較低的進(jìn)行返氣，直至壓力降到下限。最后將剩余的集裝格進(jìn)行返氣。當(dāng)3個(gè)集裝格壓力全部降至下限或儲(chǔ)罐壓力升至上限時(shí)，返氫流程結(jié)束。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分由5個(gè)模塊組成：電源模塊、CPU模塊、AI1模塊、DI1模塊、DI2模塊、D01模塊。圖4是系統(tǒng)硬件原理

3.1 壓力信號(hào)讀取電路設(shè)計(jì)

圖5為各單元壓力讀取的電路，通過(guò)此電路將氫氣壓力、壓縮機(jī)出口壓力、匯流排壓力及各集裝格壓力入讀CPU。以后需的邏輯控制做鋪墊。

3.2 閥門(mén)狀態(tài)反饋電路設(shè)計(jì)

圖6為系統(tǒng)中各個(gè)單元閥門(mén)狀態(tài)反饋的電路圖。該模塊可實(shí)現(xiàn)用戶在上位機(jī)圖控畫(huà)面中監(jiān)視各個(gè)閥門(mén)的當(dāng)前狀態(tài)。從而更準(zhǔn)確地把握裝置當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該氫氣自動(dòng)充裝及返氣系統(tǒng)采用了西門(mén)子S7-300進(jìn)行編程及運(yùn)行監(jiān)控。當(dāng)用戶需要用氫氣時(shí)，儲(chǔ)罐中的氫氣通過(guò)壓縮機(jī)，按一定算法將集裝格充至設(shè)定壓力;當(dāng)用于有氫氣需要輸至儲(chǔ)罐保存時(shí)，可按照一定算法將集裝格內(nèi)的氣體依次返回至儲(chǔ)罐。充氫流程、返氫流程可自動(dòng)執(zhí)行，無(wú)需手動(dòng)操作?？墒褂脩舾`活的使用氫氣，且有效地減少了制氫設(shè)備因頻繁啟停造成的浪費(fèi)。

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