基于西門子S7-400H系統(tǒng)架構(gòu)變壓吸附制氫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雨欣，張桐

（榆林學(xué)院，陜西榆林，719000）

1 變壓吸附制氫流程與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 變壓吸附制氫工藝流程

變壓吸附制氫工藝關(guān)乎著焦?fàn)t煤氣中氫氣的提取和回收利用效率，其工藝流程往往分為四個(gè)工序進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 變壓吸附制氫工藝流程

首先將焦?fàn)t煤氣送入壓縮機(jī)進(jìn)行一級(jí)加壓，將初次加壓后的焦?fàn)t煤氣送入預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，預(yù)處理單元主要由預(yù)處理塔、加熱器、過濾器以及控制閥等設(shè)施組成，去除其中的苯、硫化物等雜質(zhì)。有的工藝流程中，會(huì)將預(yù)處理后的焦?fàn)t煤氣再次經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)行二次、三次加壓，之后經(jīng)過除油器，通過塔底進(jìn)入變壓吸附單元。變壓吸附單元的主要組成為吸附塔、氫氣緩沖罐、控制閥等，吸附塔可一次性將焦?fàn)t煤氣中絕大多數(shù)雜質(zhì)去除掉變?yōu)榇謿錃?，此時(shí)純度就已經(jīng)超過99.9%，然后從吸附塔頂部排出，進(jìn)入脫氧干燥單元。此時(shí)粗氫氣中含有微量的氧氣，可依據(jù)氫氣和氧氣制備為水的化合反應(yīng)原理，再結(jié)合變溫吸附技術(shù)，將其中的水分干燥，完成變壓吸附制氫過程[1]。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.2.1 可靠性

可靠性是變壓吸附制氫自動(dòng)化控制系統(tǒng)最基本也是最重要的設(shè)計(jì)原則。鋼鐵產(chǎn)業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都具有一定的危險(xiǎn)性，如果控制系統(tǒng)可靠性得不到保障，會(huì)給鋼鐵企業(yè)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、工作人員生命安全等造成巨大威脅，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)引起整個(gè)變壓吸附制氫過程的混亂，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)線全部暫停，甚至造成更加嚴(yán)重的后果。制氫控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用價(jià)值可能并不足以與企業(yè)損失作對(duì)比。在鋼鐵行業(yè)這種生產(chǎn)線多、系統(tǒng)復(fù)雜的企業(yè)中，設(shè)備或控制系統(tǒng)的任何安全隱患都不能存在。由于焦炭煤氣制氫工藝較為復(fù)雜，在保障安全生產(chǎn)的同時(shí)，也要嚴(yán)格、謹(jǐn)慎對(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行選擇。綜合多種需求，變壓吸附制氫控制系統(tǒng)必須要有較高的可靠性。

1.2.2 實(shí)用性

方便工作人員操作使用、便于維護(hù)人員檢修與維護(hù)都屬于控制系統(tǒng)的實(shí)用性，同時(shí)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，要能夠最大程度滿足實(shí)際使用需求，實(shí)用性是在系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)與設(shè)備選型的過程要綜合考慮的原則。變壓吸附制氫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無論是在硬件方面還是軟件方面，都要以實(shí)用性為基礎(chǔ)原則，選擇性價(jià)比高、功能多樣化的設(shè)施與裝置系統(tǒng)，良好滿足實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行與系統(tǒng)維護(hù)需求[2]。

1.2.3 技術(shù)先進(jìn)性

變壓吸附制氫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿足技術(shù)先進(jìn)性。在如今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制技術(shù)盡量選擇當(dāng)下行業(yè)最先進(jìn)技術(shù)，使得控制系統(tǒng)能夠最大化達(dá)到日漸提高的系統(tǒng)運(yùn)行與管理要求，盡量在技術(shù)日益更新的時(shí)代下不被社會(huì)所淘汰。

1.2.4 通用性

變壓吸附制氫控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要具備一定的開放性與兼容性，給未來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和系統(tǒng)版本的升級(jí)留有發(fā)展空間，或者滿足其他企業(yè)的使用需求?？刂葡到y(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備I/O模塊設(shè)計(jì)，要具備良好的信號(hào)隔離保護(hù)功能，確保信號(hào)的持續(xù)穩(wěn)定傳輸；為使系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行，系統(tǒng)要具備自我診斷功能和故障預(yù)警功能，定期進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)質(zhì)量的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)有故障發(fā)生時(shí)及時(shí)將信息傳達(dá)給維護(hù)人員。在滿足企業(yè)生產(chǎn)需求上，每項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)都盡量規(guī)定合理的范圍，留有一定的備用量，保證系統(tǒng)的通用性，為日后系統(tǒng)的升級(jí)改造打下基礎(chǔ)[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)選型

在上述技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、實(shí)用性等原則上，此變壓吸附制氫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)選擇目前較先進(jìn)的S7-400系列中的414H型號(hào)可編程控制器，搭配ET200M西門子模塊，采用德國(guó)赫斯曼RS20、MS20系列交換機(jī)。系統(tǒng)中設(shè)置有兩臺(tái)操作員站和一臺(tái)工程師站。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 變壓吸附制氫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，壓縮機(jī)控制模塊、預(yù)處理控制模塊、變壓吸附控制模塊以及脫氧干燥控制模塊分別對(duì)應(yīng)變壓吸附制氫工序，其均由電源、兩個(gè)ET200M西門子模塊和I/O接口模塊構(gòu)成。S7-400H系統(tǒng)有著較高的可靠性，主要被用于各項(xiàng)指標(biāo)都要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)所。而且，S7-400H系統(tǒng)使得系統(tǒng)今后的功能擴(kuò)展和升級(jí)都極為便利，在企業(yè)使用需求增多或者系統(tǒng)任務(wù)增多的情況下，不需要過多增加模板就能夠隨時(shí)升級(jí)完善。S7-400H可編程控制器能夠最大化滿足客戶多樣化使用需求和工業(yè)各種要求和標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2.2 PLC編程軟件選型

此控制系統(tǒng)采用STEP 7編程軟件，將其用于西門子系列工控產(chǎn)品以及相當(dāng)于軟PLC的WinAC的編程、參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控。STEP 7是一款編程軟件，對(duì)應(yīng)于西門子S7-300/400的編程。STEP 7中的所有編程功能都支持在線幫助，當(dāng)對(duì)某一對(duì)象不夠了解時(shí)，可借助其大量關(guān)于該對(duì)象的幫助進(jìn)行編程。STEP 7借助SIMATIC管理器集中管理項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)西門子系列工控產(chǎn)品和WinAC的數(shù)據(jù)的瀏覽。在建立通信過程中，需要使用適配器和一根標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通信電纜將計(jì)算機(jī)和PLC的PMI接口相連。

2.3 HMI編程軟件選擇

此控制系統(tǒng)的人機(jī)界面編程設(shè)計(jì)選用西門子公司的SIMATIC WinCC系統(tǒng)。WinCC即視窗控制中心系統(tǒng)，主要功能為使得自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化，還具備報(bào)警記錄呈現(xiàn)、信息存檔、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能[5]。使用WinCC組態(tài)軟件，可設(shè)計(jì)和制作監(jiān)控系統(tǒng)程序，使用WinCC運(yùn)行軟件，操作人員可監(jiān)控操作過程。在監(jiān)控上位機(jī)的操作畫面中，可以直觀看到變壓吸附制氫控制系統(tǒng)的工藝流程，可對(duì)流程圖中工藝設(shè)施、儀表的工藝參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查。通過HMI編程軟件設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒅茪淇刂七^程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化，輔助員工對(duì)一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的掌握，例如，焦?fàn)t煤氣的消耗、氫氣的純度和產(chǎn)量、各控制模塊的溫度和壓力等，還可將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及作為歷史記錄進(jìn)行歸檔，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)線的有效控制，更高效率地完成系統(tǒng)運(yùn)行和生產(chǎn)調(diào)度[6]。

3 模糊-PID復(fù)合控制器的設(shè)計(jì)

變壓吸附制氫控制系統(tǒng)中預(yù)處理模塊的溫度和變壓吸附模塊的吸附塔壓力，是生產(chǎn)過程中重點(diǎn)控制對(duì)象。因此，基于西門子S7-400H系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了模糊-PID復(fù)合控制器。圖3所示，即為預(yù)處理單元中溫度模糊-PID控制系統(tǒng)圖。

圖3 變壓吸附溫度模糊-PID控制系統(tǒng)圖

根據(jù)預(yù)處理單元的最佳脫附溫度，將標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理溫度T0設(shè)定為150℃，預(yù)處理單元的實(shí)時(shí)溫度用T表示。通過溫度傳感器將T0和T進(jìn)行對(duì)比，二者溫度偏差用e代表，同時(shí)計(jì)算出溫度偏差的變化率e’。在模糊控制器中，將溫度偏差和偏差率作為輸入變量。根據(jù)選擇開關(guān)的設(shè)定值，選擇采用模糊控制還是PID控制。選擇開關(guān)的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)溫度偏差幅度小于2°時(shí)，系統(tǒng)圖中下方的PID控制器。當(dāng)溫度偏差幅度大于2°時(shí)，選擇開關(guān)與上方的模糊控制方式相接?？刂破鞯倪x擇有一定的規(guī)律，溫度偏差較小時(shí)，PID控制靜態(tài)性能較好，能夠使得系統(tǒng)有較高的控制精度。當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，PID控制已經(jīng)不再適用，而模糊控制方法動(dòng)態(tài)性能好，因此選擇模糊控制方式[7-8]。

4 結(jié)語

變壓吸附制氫工藝流程復(fù)雜，裝置系統(tǒng)涉及設(shè)備較多。在鋼鐵企業(yè)制氫生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不僅要保證其技術(shù)先進(jìn)性、實(shí)用性，更要保證其安全可靠性。從硬件選型、軟件選型以及人機(jī)編程軟件選擇上進(jìn)行設(shè)計(jì)，也對(duì)模糊-PID復(fù)合控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)處理溫度和變壓吸附壓力參數(shù)的有效控制，促進(jìn)變壓吸附制氫控制系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。