賀朝陽，劉根戰(zhàn)，羅 燕，王金山，張 剛，楊 俠

(1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

目前，鋁水制氫裝置采用人工操作的模式，反應(yīng)物由工人倒入反應(yīng)釜中，操作繁瑣、自動(dòng)化程度低，并且對(duì)閥門控制的精準(zhǔn)性以及鋁水反應(yīng)過程中各變量的檢測能力都很差。隨著PLC控制技術(shù)逐步發(fā)展完善，以PLC為核心的控制系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性方面得到了極大的提升，控制過程也朝著智能化方向發(fā)展[1]。本文以S7-1200PLC控制器為控制核心，設(shè)計(jì)了鋁水制氫反應(yīng)釜控制系統(tǒng)。通過壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，從而控制各個(gè)泵及電動(dòng)閥門的動(dòng)作，在上位機(jī)上監(jiān)控反應(yīng)釜系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、顯示報(bào)警信息[2]。

1 鋁水制氫反應(yīng)釜系統(tǒng)工藝流程及控制要求

1.1 工藝流程

鋁水制氫反應(yīng)釜系統(tǒng)的工藝流程為氮?dú)獯祾?、抽真空、加水、加料、調(diào)節(jié)冷卻水、氫氣輸送及排渣，如圖1所示。系統(tǒng)啟動(dòng)前，將鋁基合金材料放到待料倉后封閉，并對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行氮?dú)獯祾吲懦鲅b置內(nèi)的其他氣體；系統(tǒng)啟動(dòng)，真空泵對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行抽真空處理，反應(yīng)釜內(nèi)壓力為零后真空閥關(guān)閉，同時(shí)真空泵停止工作；反應(yīng)釜壓力達(dá)到0 MPa時(shí)加水泵開啟，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)液位達(dá)到300 mm時(shí)加水閥和加水泵關(guān)閉；料閥開啟，鋁基合金與水在反應(yīng)釜內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)釜內(nèi)溫度升高、壓力變大，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)冷卻泵開啟，通過反應(yīng)釜內(nèi)的冷凝盤管使反應(yīng)溫度降低，當(dāng)反應(yīng)溫度低于65 ℃時(shí)，冷卻泵和冷凝盤管的進(jìn)出口閥門關(guān)閉；當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)到2.5 MPa時(shí)，料閥關(guān)閉，氫氣閥門打開，并進(jìn)行排渣處理。

圖1 鋁水制氫反應(yīng)釜系統(tǒng)工藝流程

1.2 反應(yīng)釜控制要求

根據(jù)鋁水制氫反應(yīng)釜工藝流程，本反應(yīng)釜控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)液位、反應(yīng)溫度以及壓力的控制。要求控制系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式，并設(shè)有故障報(bào)警以及急停按鈕，利用西門子編程軟件WinCC對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過顯示屏可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行查看。反應(yīng)釜自動(dòng)控制模式控制流程如圖2所示。

圖2 反應(yīng)釜自動(dòng)控制模式控制流程

2 反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的組成

本鋁水制氫反應(yīng)釜控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、S7-1200PLC控制器、各類傳感器及執(zhí)行器組成，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。各類傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳輸給S7-1200PLC進(jìn)行處理，PLC控制器根據(jù)接收到的信號(hào)對(duì)各類執(zhí)行器進(jìn)行控制。觸摸屏通過通信網(wǎng)線與S7-1200PLC控制器相連，以此來顯示反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及對(duì)相關(guān)控制參數(shù)的修改[3]。

圖3 反應(yīng)釜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)鋁水制氫反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的控制要求，選擇S7-1200PLC為控制核心，并在PLC控制器中添加了兩個(gè)通信模塊[DI 8/DQ 8×24VDC數(shù)字量輸入輸出模塊SM1223(DC/DC)和AI 4×13BIT/AQ 2×14BIT模擬量輸入輸出模塊SM1234(AI/AQ)]用于輸入輸出端口的拓展[4]。

S7-1200PLC及其拓展信號(hào)模塊與各類傳感器、執(zhí)行器相連，其中央處理器CPU 1214C DC/DC/DC端口分別連接系統(tǒng)中開關(guān)量輸入、輸出執(zhí)行器，連接示意圖如圖4所示。系統(tǒng)中剩余的開關(guān)量輸入、輸出執(zhí)行器則與拓展的數(shù)字量信號(hào)模塊SM1223相連，其端口連接示意圖如圖5所示[5]。

圖4 CPU 1214C端口連接示意圖

圖5 模塊SM1223端口連接示意圖

模擬量模塊SM1234用于連接反應(yīng)釜控制系統(tǒng)中的傳感器，主要用來讀取反應(yīng)釜內(nèi)液位、壓力、反應(yīng)溫度等模擬量信號(hào)，其端口連接示意圖如圖6所示。

圖6 模塊SM1234端口連接示意圖

2.3 控制程序設(shè)計(jì)

2.3.1 液位控制

在完成裝置氮?dú)獯祾卟僮髦?，開啟真空泵以及真空閥對(duì)裝置進(jìn)行抽真空，使反應(yīng)釜系統(tǒng)壓力達(dá)到真空狀態(tài)。由壓力傳感器檢測系統(tǒng)壓力，將壓力值的信號(hào)反饋給PLC來控制加水泵和加水閥的開啟。在反應(yīng)釜上裝有液位傳感器，以此來采集反應(yīng)釜內(nèi)液位情況，此液位高低可以設(shè)定，達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，加水泵和加水閥關(guān)閉，停止加水。液位控制程序如圖7所示。

圖7 液位控制程序

2.3.2 溫度控制

當(dāng)反應(yīng)釜液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，加料閥開啟，將待料倉中的鋁基合金材料送到反應(yīng)釜中與水進(jìn)行反應(yīng)。由于鋁基合金材料與水反應(yīng)會(huì)放出大量熱，使得反應(yīng)溫度上升，溫度傳感器將采集到的溫度值信號(hào)反饋給PLC來控制冷卻泵和冷卻閥門。當(dāng)反應(yīng)溫度高于設(shè)定的最高溫度70 ℃時(shí)，冷卻泵和冷卻閥門開啟，冷卻水進(jìn)入冷凝盤管給反應(yīng)降溫；當(dāng)反應(yīng)溫度低于設(shè)定的最低溫度65 ℃時(shí)，冷卻泵和冷卻閥門關(guān)閉，以此來使反應(yīng)溫度保持在一個(gè)最佳的溫度范圍內(nèi)。溫度控制程序如圖8所示。

圖8 溫度控制程序

2.3.3 壓力控制

隨著反應(yīng)溫度的進(jìn)行，反應(yīng)釜內(nèi)所產(chǎn)生的氫氣越來越多，釜壓也逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力值達(dá)到設(shè)定值2.5 MPa時(shí)，考慮到安全問題，壓力傳感器將采集到的壓力值信號(hào)反饋給PLC來控制氫氣閥門開啟，將反應(yīng)釜內(nèi)的氫氣送至下一環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。排氫后的反應(yīng)釜壓力將會(huì)下降，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力值下降到不再變化時(shí)，說明反應(yīng)結(jié)束，PLC根據(jù)壓力傳感器所反饋的壓力值信號(hào)來控制排渣閥門開啟，對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行排渣處理。壓力控制程序如圖9所示。

圖9 壓力控制程序

2.3.4 反應(yīng)釜控制監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控界面采用西門子觸摸屏，并通過西門子編程軟件WinCC實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面的搭建[6]。

反應(yīng)釜監(jiān)控界面主要包括反應(yīng)釜相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示、操作按鈕和參數(shù)設(shè)置。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖10所示，手動(dòng)模式界面如圖11所示。運(yùn)行狀態(tài)顯示主要包括釜壓、液位、鋁水反應(yīng)溫度等檢測信息以及系統(tǒng)中泵機(jī)類、電動(dòng)閥類等開關(guān)量當(dāng)前狀態(tài)指示燈和系統(tǒng)參數(shù)；通過按鈕可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)模式的切換以及各個(gè)執(zhí)行器的操作[7]；可以對(duì)反應(yīng)釜控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如反應(yīng)釜內(nèi)液位、壓力以及反應(yīng)溫度的上下限。

圖10 上位機(jī)監(jiān)控界面

圖11 手動(dòng)模式界面

此外，當(dāng)反應(yīng)釜控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)異?；蛘邎?zhí)行器故障時(shí)，觸摸屏上的報(bào)警指示燈就會(huì)亮起，控制系統(tǒng)會(huì)立即執(zhí)行停止功能，并保存相關(guān)的報(bào)警信息以便故障修正[8]。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套基于S7-1200PLC的鋁水制氫反應(yīng)釜控制系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計(jì)和PLC軟件設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)相比于人工操作具有更快的響應(yīng)速度、更高的精準(zhǔn)性以及更強(qiáng)的過程量檢測能力，且程序設(shè)計(jì)簡單，人機(jī)界面直觀易操作，控制效果良好，具有較高的使用價(jià)值。