制氢监控系统说明书分析

一、概述

1．自控设计原则

本装置自动设计原则是根据工艺的操作条件设置检测，调节，报警，联锁及电气控制系统以保证制氢装置可靠，安全，高质量地运行，制氢装置的产品是氢气和氧气，操作压力是3.14MPa。氢气是一种易燃易爆的气体，油类物质在高压纯氧里会自燃，制氢装置的电解液是腐蚀性较强的碱溶液，根据这些特点自控设计选用了具有防腐，防爆性能的仪表，对不具备防爆性能的仪表和电气设备都安装在现场相隔离的控制室内，对不具备防腐性能的仪表采用隔离措施，对与氧气相接触的仪表采取禁油措施，操作人员在控制室里就能方便地进行开、停车，监视制氢装置，了解运行机制、联锁点设置。

2．自控系统的构成

2.1下位机

下位机采用可编程序控制器（PLC）控制制氢设备。PLC选用SIEMENS公司生产的S7-400系列硬冗余PLC，系统主要的调节、控制、联锁保护功能均由它完成，因而保证了系统的高可靠性。

2.2上位机

上位机监控下位机的运行。上位机操作系统采用Windows2000中文版，监控软件采用INTOUCH软件。监控系统软件部分主要是上位机的人机交互界面，通过各个不同的画面，可使运行人员直观的监视各类系统参数，手动干预各调节参数和控制参数。

2.3通讯

下位机与就地监控上位机之间是通过2块西门子专用的CP1613网卡进行通讯的。

本说明书只对人机交互界面的使用进行说明，关于PLC、微机、网卡等硬件方面的使用请参考相关硬件使用说明书，自控系统原理图

见说明书最后一页附图。

4．自控系统硬件构成（请以具体的实物为准）

PLC是制氢装置自控系统的核心硬件、PLC除了包括电源、CPU 之外还包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块以及模板所需的外部提供24V直流仪表电源。

4.1 模拟量输入模块

模拟量输入模块采用8通道331-7KF02-0AB0模块4块，光电隔

离，4个模块输入均为电流信号。

4.1.1 331-7KF02-0AB0模块与外部连接信号见下表：模块一：

模块二：

模块三：

模块四：

4.2 模拟量输出模块

模拟量输出模块采用8通道332-5HF00-0AB0模块，光电隔离，模块输出均为电流信号。它与外部被调节信号连接见下表：

4.3 数字量输入模块

数字量输入模块采用2块16通道321-1BH02-0AA0模块，它与外部连接信号见下表：

模块一

4.4 数字量输出模块

数字量输出模块采用2块16通道322-1BH01-0AA0输出模块，它与外部连接信号见下表：

模块一

模块二

5．气源

本装置所选用气动电磁阀需要压力为0.5～0.7MPa，含油量小于5mg/m3，露点比环境最低温度低10℃，流量为4Nm3/h纯净的压缩空气。气源由压缩空气站提供净化过的压缩空气，由控制柜内气源分配板直接送给两位两通阀，两位三通阀和两位四通阀；供电气转换器所

用的压缩空气需经过空气过滤减压器减压至0.14MPa后方可使用，电接点压力表指示总气源压力，气源压力低于下限时报警、联锁停整流柜。

6．电源

制氢站采用三相四线制供电方式；交流电压380V和220V，50Hz，功率100KV A，要求制氢站进线电源为两路，一路工作，一路备用。

二、自控内容

1．调节系统

1.1 槽压调节

PLC，PLC将测量值与给定值进行比较和运算，输出4～20mA电信

号经输出安全栅隔离送给电气转换器，电气转换器将4～20mA电信转换成0.01～4.0MPa的压力信号送给氧侧调节阀，调节阀根据气压信号的大小调整开度，从而调整氧气的压力，使氧分离器的压力维持在设定压力下运行，氧分离器压力就是槽压。氧槽压力的数值同时在氢发生处理器上的压力表和上位机上指示出来。

1.2 液位调节

液位调节系统结构原理图如图1-2所示。

液位调节系统结构原理图1-2

设置液位调节的目的是控制氢、氧分离器的液位，使液位维持在

550mm～850mm的高度。从分离器取液位信号送给液位变送器，变送器输出4～20mA信号经安全栅隔离送给PLC，PLC对氢，氧液位进行比较，输出4～20mA电信号转换成0.01～4.0MPa的压力信号送给调节阀，调节阀根据气压信号的大小调整开度，使氢、氧分离器的液位维持在设定液位范围。如果氢液位高于氧液位关闭氢侧调节阀；氢液位低于氧液位打开氢侧调节阀。

1.3 温度调节

温度调节系统结构原理图如图1-3所示。

设置槽温系统的目的是控制氢、氧槽温，使槽温维持在85℃左右，氢、氧槽温都是从电解槽里流出来的含气体的碱液温度。循环泵出口碱液温与氢，氧槽温存在20℃左右的一个固定差值，因此只要把电解槽进口碱液温度控制在65℃左右某一值上，就可以使氢，氧槽温维持在85℃。

工作原理：在碱液循环泵出口取得碱液温度信号，由一体化温度变送器将温度信号转换成4～20 mA的电流信号，送至PLC，PLC将测量值与给定值进行比较和运算，输出4～20mA信号送给电气转换器，电气转换器将4～20mA信号转换成0.01～4.0MPa的压力信号送给冷却水调节阀。调节阀根据气压信号的大小调整调节阀的开度，从而调整冷却水的流量使进电解槽的碱液温度维持在65℃左右某一值上，同时上位机显示碱液的温度。

1.4 整流柜电流调整

PLC根据系统的工艺控制条件输出4～20mA电流信号控制整流柜电流。整流柜电流调整分两个阶段，第一阶段整流柜电流在第一次达到额定电流值之前，为使系统尽快正常运行整流柜工作在稳压状态；当整流柜达到过额定电流之后整流柜工作在稳流状态，整流柜升流条件如下：

槽压小于槽压报警上限；氢槽温小于报警上限；氧槽温小于报警上限；氢液位小于报警上限；氧液位小于报警上限；氧液位大于报警下限；氢液位大于报警下限；碱液流量大于开关下限报警；水箱液位大于报警下限。

2．控制系统

2.1 框1两通阀(贮、排氢)控制：a、系统运行时下列条件中任意一条件出现，如：整流柜故障、气源压力越下限、槽压越上限、氧槽温越上限、氢槽温越上限、碱流量下限开关闭合、系统压力达到设定值时

氢、氧液位越上下限，则氢发生处理器两通阀打开，氢气排空，保证系统安全运行。b、当氢气纯度≥99.8%时，槽压与氢管压力之差大于其设定值且槽压达到50℃以上的设定值，整流柜正常运行，系统关闭氢发生处理器两通阀开始向贮氢罐充氢。

2.2 送水控制：补水控制的操纵量为送水泵的开或停，参考量是氧液位。送水泵的控制分自动和手动两种，自动和手动实现通过转换开关。自动控制：当氧液位低于补水设定值时打开送水泵进行补水，当氧液位高于补水上限时关闭送水泵，手动控制根据实际液位当液位低时，手操按钮打开送水泵，当液位高时，手操按钮关闭送水泵，整流柜发生联锁故障时，停掉整流柜同时自动停掉送水泵，否则液位过高下次开机速度减慢。

2.3 原料水控制：电解所需的除盐水来自水箱，水箱入口安装一个电磁阀，当水箱液位低于下限时自动打开进水电磁阀，当水箱液位高于上限时关闭进水电磁阀。同时，水箱输出4～20mA电流信号，当水箱液位低于设定下限时停整流柜。

2.4 循环泵控制：循环泵的控制分自动和手动两种控制方式，自动和手动通过转换开关实现。在自动状态下，微机开机时自动开循环泵。手动状态下，通过按钮控制循环泵的启停。

2.5干燥器三通阀控制：1#、2#、3#三个两位三通阀的阀位由氢气干燥装置工艺流程决定，详见第一册使用说明书中氢气干燥装置工艺流程附表。

2.6干燥器四通阀控制：两位四通阀的阀位由干燥器的吸附、再生、吹冷时间控制，三者时间之和为阀位切换时间。两位四通阀有状态1和状态2两个位置，四通阀由状态1到状态2应由状态2再返回状态1时完成1个完整周期。吸附、再生、吹冷时间可以根据实际情况相应调整。

2.7干燥器再生温度控制：当再生温度到达230℃停止加热，由于惯性温度继续上升，上升至240℃左右温度下降，下降至230℃开始加热由于惯性温度继续下降，下降至220℃左右温度开始上升，上升至230℃停止加热，重复上述过程，直至达到再生时间。再生温度可根据需要调节参数。

2.8 框架Ⅱ两位两通阀（补氢）控制：框架Ⅱ两位两通阀是向供氢母管补氢的自动门，当供氢母管压力达到下限设定值（0.8 MPa）时，自动打开两通阀往发电机补氢，当压力达到上限设定值（1.0MPa）时，自动关闭两通阀，使供氢母管的压力维持在规定的压力范围。

3、检测

3.1 氢槽温、氧槽温、循环碱温、干燥A、干燥B再生温度均采用一体化温度变送器作为传感器；氢液位、氧液位由电容式差压变送器作为传感器；槽压、氢管压由压力变送器作为传感器；碱流量由金属管浮子流量计作为传感器；氢气湿度由湿度分析仪探头作为传感器；水箱液位由磁翻转液位计作为传感器；漏氢量由氢气测报仪探头作为传感器；整流电压、电流由整流柜单片机输出；氢、氧气纯度由氢、氧分析仪气路箱作为传感器，以上信号均为标准的4-20mA信号，以模拟量信号输入给PLC，进行调节或控制，并通过上位机显示出来。

3.2 总气源、冷却水、补氢、贮罐压力用就地压力表来测量。

4、信号报警及联锁

信号报警和联锁系统有冷却水越下限；气源压力越下限；槽压越上限；氧槽温越上限、氢槽温越上限；碱液循环开关量；槽压达到设定值氢、氧液位越上、下限；水箱液位越下下限，当参数越限时微机发出报警信号由蜂鸣器报警，同时完成联锁功能，停整流柜使系统自动卸压。报警信号：水箱液位越上、下限；氢、氧气纯度越上限；整流柜自身故障报警。

5、紧急手动开/停机

当发生紧急情况时，用紧急手动开机和手动停机按钮。

三、系统软件操作介绍

1．软件狗的安装

切断计算机电源，将软件狗插于计算机并行口LPT1上，拧紧螺丝。

2．启动

确认软件狗已经安装后，打开计算机电源,启动Windows 2000，上位机软件手动启动，直接进入监控系统主画面并显示设备主流程图。

3．系统安全管理

为了保证系统的安全运行，设置了三个用户级别：管理员、工程师、运行人员，他们各自的用户名、密码及操作权限如下：

系统启动时，自动以运行人员的身份登录。若要修改参数，则须登录为管理者或工程师；若要退出监控系统，则需登录为管理者。登录方法为：点击“用户登录”操作按钮（见下）。

4．监控系统软件画面简介

监控系统主画面上方显示系统名称及当前时间和日期，左侧为6个子画面切换按钮，下方为阀门、泵的控制按钮及其他操作按钮，右

侧为报警及阀位反馈指示灯，整流电压、电流表。有报警输入或阀得电时指示灯变成红色，正常工作或干燥器线圈不通电时指示灯为绿色。

监控系统画面共有6个子画面：主流程图、干燥流程、棒图显示、历史曲线、实时曲线、参数设置画面，点击窗口左侧的相应按钮可以切换显示各个子画面，按钮文字的颜色相应变成红色，指示当前子画面的名称。

阀门及泵控制按钮上的文字表示当前的工作状态。只有在阀门及泵设置为手动操作时（在参数设置/运行方式设置里设置），按钮才会响应点击操作。

4.1 制氢流程子画面

点击主画面左侧“主流程图”按钮，画面将切换到制氢流程子画面，该画面反映了电解制氢的工艺流程，能够实时显示系统各运行参数，运行参数状态的变化以颜色来区分，详述如下：

（主流程图见下页）

模拟量参数：

循环泵、送水泵：红色，运行；绿色，停止。

阀门：红色，得电；绿色，失电。

图中兰色管道及箭头表示氧气的流动方向；橙色管道及箭头表示氢气的流动方向；黑色管道及箭头表示冷却水的流动方向；灰色管道及箭头表示循环碱液的流动方向。

4.2 干燥器流程子画面

点击主画面左侧“干燥流程”按钮将显示干燥器工作流程图。当达到充罐条件且干燥器允许工作时，氢气进入干燥器，开始干燥流程。干燥器流程包括6个阶段：干燥器A吸附、B待用；干燥器A再生、B吸附；干燥器A吹冷，B吸附；干燥器B吸附、A待用；干燥器B 再生、A吸附；干燥器B吹冷、A吸附。模拟量干燥A温、干燥B温小于设定值时，以深兰色显示；大于设定值时，以红色显示；信号断线或PLC与上位机没有通讯时，显示零。加热线圈通电时，变为红色；不通电时，以深蓝色显示。干燥过程之间的切换通过定时器来控制。正在进行的过程时间以红色显示，其它时间以黑色显示；PLC与上位机没有通讯时，均显示零。

“干燥流程”子画面如下：

4.3 棒图显示子画面

点击主画面左侧的“棒图显示”按钮，可显示棒图显示子画面。以棒图直观的显示系统运行参数。在各棒图上方有各模拟量数值显示，颜色的变化对应着参数状态的变化，参数在正常范围内时，以黄色显示，其他颜色与状态的对应关系与流程图相同。滑块的位置根据模拟量的大小上下实时移动，指示当前值与最大值的百分比关系。棒图子画面如下：

4.4历史曲线子画面

点击主画面左侧的“历史曲线”按钮，可显示历史曲线子画面。

历史曲线能显示槽压、氢氧液位差、氧槽温和氢气纯度４个参数３0天的数值。

点击Ｘ轴（时间轴）的前进、后退按钮可滚动Ｘ轴或跳到Ｘ轴最前和最后。

4.5 实时曲线子画面

点击主画面左侧的“实时曲线”按钮，可显示实时曲线子画面。

用曲线实时显示槽压、差压、氧槽温和氢气纯度四个参数10分钟内的变化情况。

当PLC与上位机没有通讯时，没有曲线显示；正常工作时，曲线下方显示实时参数数值。

4.6 参数设置子画面

点击主画面左侧的“参数设置”按钮，可显示参数设置子画面。

参数设置子画面包括8个窗口：调节参数、联锁参数、报警参数、干燥参数、PID参数、状态设定、打印设置、功能键定义窗口。可以查看和修改各种参数及各种泵和阀门的运行方式。

点击不同的窗口按钮，弹出各自的画面及参数，按钮上的文字以红色显示。

调节参数和联锁参数画面如下：

报警参数和干燥参数画面