王學(xué)智，黃金花，劉繼清

船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王學(xué)智1，黃金花2，劉繼清2

（1. 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；2. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050)

為了使船用有機(jī)液體供氫裝置工作安全可靠、脫氫效率穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的控制系統(tǒng)。根據(jù)供氫裝置工藝要求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，編制出用戶程序。通過兩路PID回路,控制空氣流量及供氫壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，進(jìn)而穩(wěn)定脫氫效率。通過聯(lián)機(jī)測(cè)試，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，滿足了供氫裝置的控制要求。

PLC 脫氫 PID 控制系統(tǒng)

0 引言

船用氫燃料電池系統(tǒng)具有無污染、零排放、制氫效率高、可靠性好、集成度高、補(bǔ)給便捷等優(yōu)點(diǎn)[1～2]，適用于游船等多種船型。與儲(chǔ)能量相同的鋰電池方案相比，船用氫燃料電池系統(tǒng)在重量、占地面積與補(bǔ)給時(shí)間等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3～5]。而船用有機(jī)液體儲(chǔ)氫供氫裝置是船用氫燃料電池系統(tǒng)的重要組成部分，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以西門子S7-200Smart為控制器，配置12路模擬量輸入通道，6路模擬量輸出通道，實(shí)時(shí)采集脫氫裝置的空氣流量、液態(tài)氫流量、脫氫溫度、供氫壓力等現(xiàn)場(chǎng)值，通過PID控制使空氣流量和液態(tài)氫流量及時(shí)跟蹤設(shè)定值，從而穩(wěn)定裝置的脫氫效率。

1 船用有機(jī)液體供氫裝置工藝及參數(shù)

1.1 工藝流程

針對(duì)有機(jī)液體儲(chǔ)氫體系能效低的難題[6～8]，我國(guó)某研究所重點(diǎn)研究了氫氣催化供熱技術(shù)、高效熱量耦合技術(shù)、自熱式脫氫反應(yīng)器一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、反應(yīng)器封裝技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了裝置的自熱脫氫，不需要外界提供熱源，提高了脫氫裝置的能效。完成國(guó)內(nèi)首臺(tái)套40 kW自熱式有機(jī)液體供氫裝置的研制，將氫氣催化供熱與儲(chǔ)氫有機(jī)液體催化脫氫集成于一體，實(shí)現(xiàn)供氫裝置的模塊化設(shè)計(jì)，具有易于規(guī)?；糯螅b置能效高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。圖1為供氫裝置的工藝流程圖。

圖1 供氫裝置工藝流程圖

1.2 工藝參數(shù)

設(shè)圖1中流量控制器2的輸出流量為Q，流量控制器1的輸出流量為Q，空氣泵輸出流量為Q，液體泵輸出流量為Q，除Q的單位為外，另三個(gè)流量單位Q、Q、Q均為。定義兩個(gè)參數(shù)“回?zé)取焙汀皻淇毡取??！盎責(zé)取倍x為返回催化反應(yīng)器的氫氣量占凈輸出氫氣量的百分比，以表示，“氫空比”定義為氫氣與空氣進(jìn)入催化反應(yīng)器的比例，以表示。

根據(jù)燃料電池發(fā)電功率，在上位機(jī)設(shè)定流量控制器2的輸出流量為Q，流量控制器1的輸出流量為Q按式（1）確定。

Q=ω*Q（1）

空氣泵輸出流量為Q的流量由式（2）確定。

Q=(Q/)- Q（2）

液體泵輸出流量為Q的流量由式（3）確定，式中ρ為儲(chǔ)氫密度，η是脫氫效率。

Q=0.0899(Q+Q)/10000.96（3）

2 船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。觸摸屏作為上位機(jī)，監(jiān)控裝置的運(yùn)行狀態(tài)，PLC作為主控制器通過自帶的數(shù)字量輸入輸出單元接收主令信號(hào)、液位報(bào)警信號(hào)以及變頻器運(yùn)行故障信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后控制電磁閥、蜂鳴器及變頻器的啟動(dòng)、停止。擴(kuò)展模擬量輸入模塊用于采集流量計(jì)流量、兩臺(tái)流量控制器流量、反應(yīng)器溫度、儲(chǔ)氫罐壓力、控制空氣泵的變頻器頻率反饋以及控制液體泵的變頻器頻率反饋。擴(kuò)展的模擬量輸出模塊用于控制兩臺(tái)變頻器的運(yùn)行頻率及兩臺(tái)流量控制器的輸出流量。模擬量輸入輸出信號(hào)均為4～20 ma電流信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括觸摸屏界面設(shè)計(jì)及PLC程序設(shè)計(jì)。觸摸屏共設(shè)計(jì)六個(gè)界面，分別是主畫面、設(shè)備狀態(tài)畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、參數(shù)讀取畫面、報(bào)警查詢畫面及幫助畫面，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示供氫裝置工作狀態(tài)，參數(shù)設(shè)置、計(jì)算、讀取，報(bào)警查詢等功能。

PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了七個(gè)子程序，包括初始化子程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)子程序、模擬量輸入子程序、模擬量輸出子程序、定時(shí)中斷子程序、停機(jī)子程序。初始化子程序?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)賦初始值并初始化系統(tǒng)變量，手動(dòng)子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁閥、空氣泵、液壓泵的手動(dòng)起?？刂?，模擬量輸入子程序采集現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、流量、頻率等過稱值，模擬量輸出子程序控制流量控制器的輸出流量，定時(shí)中斷子程序用于計(jì)算流量控制器1的累積輸出流量，自動(dòng)子程序?qū)崿F(xiàn)供氫裝置的自動(dòng)脫氫過程，圖3為自動(dòng)程子序流程圖，停機(jī)子程序在按下停機(jī)按鈕后按要求實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)停機(jī)，圖4為停機(jī)子程序流程圖。

主程序按接收的主令信號(hào)及供氫裝置運(yùn)行過程中的狀態(tài)信號(hào)調(diào)用相應(yīng)的子程序，同時(shí)計(jì)算兩路PID控制回路，一路PID通過調(diào)節(jié)變頻器頻率穩(wěn)定空氣泵輸出流量，另一路PID通過調(diào)節(jié)液壓泵運(yùn)行頻率，穩(wěn)定儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫壓力。在自動(dòng)子程序中一旦改變回?zé)龋墒剑?）至（3）可知空氣泵流量Q與液體泵流量Q的設(shè)定值也隨之改變，此時(shí)主程序中的兩路PID回路迅速跟蹤設(shè)定值。圖5為空氣泵流量PID調(diào)節(jié)回路，圖中AI_MFM101為空氣泵流量反饋回來的模擬量輸入信號(hào)，SV_MFM101為由式（2）確定的空氣泵流量設(shè)定值，Auto_Mode為自動(dòng)調(diào)節(jié)模式開關(guān)，此信號(hào)為TRUE時(shí)實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，此信號(hào)為FALSE時(shí)PID回路以Ms_MFM101的設(shè)定值定值輸出，不進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，AO_HZ_P101為PID控制回路輸出，此信號(hào)通過模擬量輸出模塊控制變頻器輸出頻率從而控制空氣泵的輸出流量。液體泵流量PID調(diào)節(jié)回路與空氣泵流量PID調(diào)節(jié)回路基本一致，兩路PID的比例P、積分I、微分D三個(gè)參數(shù)通過編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART中的PID調(diào)試面板自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖3 自動(dòng)子程序流程圖

圖5 空氣泵流量PID調(diào)節(jié)回路

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的船用有機(jī)液體供氫裝置控制系統(tǒng)已經(jīng)通過空載實(shí)驗(yàn)及多輪帶載調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，響應(yīng)速度快，參數(shù)設(shè)置方便，壓力、溫度、流量等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確，完全滿足了供氫裝置的控制工藝要求。

[1] 潘相敏, 王希震, 孟曦, 周偉, 陳華強(qiáng), 馬建新. 燃料電池汽車高壓H_2快速加注研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2014, 35(09): 1723-1729.

[2] 陳良, 周楷淼, 賴天偉, 李山峰, 張震, 陳雙濤, 侯予. 液氫為核心的氫燃料供應(yīng)鏈[J]. 低溫與超導(dǎo), 2020, 48(11): 1-7.

[3] 彭元亭, 徐增師. 船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)發(fā)展研究[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2019, 21(06): 18-21.

[4] 潘其永, 朱子文, 鄭青榕, 紀(jì)厚芝. 典型船舶燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)研究[J]. 船舶工程, 2016, 38(04): 35-38.

[5] 岳蕾, 張志國(guó), 彭婭玲. 燃料電池作為船舶動(dòng)力裝置的可行性分析和研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(02): 63-66.

[6] 張媛媛, 趙靜, 魯錫蘭, 張德祥. 有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2016,35(09): 2869-2874.

[7] 伊立其, 郭常青, 譚弘毅, 彭垚, 閆常峰. 基于有機(jī)液體儲(chǔ)氫載體的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)能效分析[J]. 新能源進(jìn)展, 2017, 5(03): 197-203.

[8] 陳曉敏, 馮兆路, 白雪峰. 液體有機(jī)氫載體脫氫反應(yīng)催化劑的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)與粘合, 2020, 42(02): 126-130+143.

Design of Control System for Marine Hydrogen Supply Device Based on Liquid Organic Hydrogen Storage

Wang Xuezhi1,Huang Jinhua2,Liu Jiqing2

（1. Hubei Water Resources Technical College, Wuhan 430070, China; 2. Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China）

TP115

A

1003-4862（2021）10-0010-03

2021-03-04

全國(guó)教育科學(xué)規(guī)劃課題(BJA170096), 湖北省教育科學(xué)規(guī)劃課題（2018GB148），教育部新一代信息技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（2019ITA04002）,“新基建”視角下高職院校信息通信技術(shù)公共基礎(chǔ)課程建設(shè)與研究（2020B1141）

王學(xué)智（1978-），碩士，副教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。E-mail:375146625@qq.com.

黃金花（1970-），教授，研究方向：優(yōu)化控制及故障診斷。E-mail: Angela0412@126.com.