分布式控制系統在液態(tài)加氫站中應用

氫能具有來(lái)源廣泛、清潔環(huán)保、循環(huán)利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了科研機構、政府和企業(yè)的高度關(guān)注。隨著(zhù)氫燃料電池車(chē)的快速發(fā)展，配套的氫能基礎設施——加氫站，也在全球范圍快速增加，為氫能燃料電池等氫能利用設備設施提供能源補給的基礎設施，是氫能燃料電池汽車(chē)推廣應用、加快發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的前置條件。本文結合液態(tài)儲氫加氫系統模式提出設計一套分布式控制系統，實(shí)現工藝系統狀態(tài)監測、數據記錄和查詢(xún)、故障診斷報警、無(wú)人值守及云端互聯(lián)等功能，從而滿(mǎn)足液態(tài)加氫站功能建設需求。

本項目實(shí)現了如下技術(shù)指標。

1）加氫供氣系統的穩壓、穩流自動(dòng)控制功能，達到安全加氫速率要求，保證系統安全穩定運行。

2）加氫供氣系統的分布式控制技術(shù)，實(shí)現自動(dòng)控制，待出現異常后，迅速作出處理，達到無(wú)人值守功能。

3）加氫供氣系統的智慧互聯(lián)功能，具備多網(wǎng)絡(luò )通信接口技術(shù)，實(shí)現云平臺數據監控，提高系統可靠性和安全性。

1   系統組成及技術(shù)原理

1.1 系統組成

分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）應用于液態(tài)儲氫加氫系統具有重要意義，分布式控制系統主要包括：信息管理系統、站控系統、安全監控系統、高壓存儲系統、增壓汽化輸送系統、加氫設備系統等組成，其中信息管理系統主要包括數據服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )交換機等，用于實(shí)現遠程監控站內設備狀態(tài)和數據參數記錄功能；站控系統主要包括工程師站和站控PLC控制設備，用于實(shí)現整站工藝設備的監控運行、加氫過(guò)程的控制和設備報警處理等功能，實(shí)時(shí)查看各系統狀態(tài)，進(jìn)行相應的遠程操作；安全監控系統主要包括監控主機、防爆攝像頭和氫濃度檢測儀表等，用于實(shí)時(shí)監測現場(chǎng)工藝設備運行狀態(tài)，確?，F場(chǎng)設備安全穩定運行，出現異常狀態(tài)時(shí)，氫濃度檢測儀表具備故障報警功能；高壓存儲系統主要包括高壓儲氫氣瓶等，用于儲存供氫氣源；增壓汽化輸送系統主要包括液氫泵增壓設備和汽化設備，用于實(shí)現高壓液氫和增壓供氣等功能；加氫設備系統主要包括加氫機設備，用于給氫燃料汽車(chē)加氫供氣。系統原理框圖如圖1 所示。

其中信息管理系統主要用于液態(tài)加氫站現場(chǎng)工藝設備狀態(tài)監控、數據參數存儲和數據分析等，工藝設備狀態(tài)參數通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò )從站控系統傳輸到數據服務(wù)器，數據服務(wù)器用于實(shí)現數據實(shí)時(shí)記錄和實(shí)時(shí)存儲功能；站控系統的工程師站用于實(shí)現加氫操作員的控制指令和接收設備狀態(tài)指令，實(shí)現加氫系統控制功能；站控PLC 控制系統用于執行加氫操作員指令，實(shí)現加氫系統相應功能；高壓存儲系統用于提供加氫系統所需要的氫氣氣源，通過(guò)PLC 控制系統液氫泵增壓控制，滿(mǎn)足氫燃料電池汽車(chē)所需的氣源；增壓汽化輸送系統用于實(shí)現氫氣系統的增壓，通過(guò)PLC 控制系統實(shí)現液氫泵快速系統增壓，向儲氫氣瓶充氣；加氫機系統主要通過(guò)冗余光纖網(wǎng)絡(luò )實(shí)現加氫控制系統對加氫機設備供氣壓力、流量的控制；站控系統為關(guān)鍵核心設備，根據工藝系統需求設計相應功能，該系統采用分布式控制技術(shù)，實(shí)現遠距離、高精度對加氫設備的控制。

1.2 技術(shù)原理

分布式控制系統采用并聯(lián)冗余模式設計，具體包括冗余機架、冗余控制器、冗余電源、冗余交換機網(wǎng)絡(luò )及冗余信號模塊來(lái)實(shí)現加氫供氣系統，保證設備可靠穩定工作，控制系統全部采用數字式儀表、電動(dòng)閥、電控減壓器、調節閥等智能元件完成遠程控制及遠程調壓技術(shù)，其中站控系采用壓力閉環(huán)控制方法，實(shí)現加氫系統穩壓調節等功能，保證加氫系統的穩定加氣和精確控制。

加氫系統的控制算法通過(guò)比例、積分、微分，實(shí)現快速、高效的控制，改善系統的動(dòng)態(tài)性能，針對加氫供氣系統需求設定加氫壓力值，其偏差來(lái)控制電控減壓器的動(dòng)作，以調節減壓閥進(jìn)氣量和排氣量，從而達到精確控制減壓器供氣壓力目的，加氫系統供氣壓力的設定、傳感器的采樣都傳遞到DCS 控制器中，用PID 控制算法實(shí)現對壓力的閉環(huán)控制。具體算法如式（1）：

式中u(kT)為控制輸出量；e(kT)為第 k次采樣所獲得的偏差信號；k為采樣序號；T為采樣周期；K_p為比例系數；K_i為積分系數；K_d為微分系數。根據被控對象數值不同，對K_p、K_i和K_d系數進(jìn)行調整，實(shí)現PID控制的最優(yōu)輸出。

2 系統總體方案

2.1 系統需求

系統需滿(mǎn)足無(wú)人值守功能，實(shí)現液態(tài)儲氫加氫設備的遠距離控制與高速采集，對加氫供氣壓力精度要求0.5%，實(shí)現加氣系統的穩壓、穩流等調節功能，系統需求實(shí)現遠程控制、數據監測及報表、故障診斷及無(wú)人值守功能，滿(mǎn)足關(guān)鍵設備冗余，支持擴展等特點(diǎn)。站控系統完成對工藝系統的控制及傳感器設備的采集，其中執行結構主要包括氣動(dòng)閥、電磁閥、泵電機等設備，傳感器主要包壓力傳感器、溫度傳感器、流量計、氫濃度傳感器等，系統總體所需的參數如下表1 所示、傳感器統計如表2 所示。

圖2 系統主站布局圖

測量傳感器設備均采用二線(xiàn)制4~20 mA 信號傳輸方式，具有傳輸距離遠、衰減小、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，為延長(cháng)采集卡使用壽命，需要完成對傳感器的二線(xiàn)制配電，對每一個(gè)測量通道都配有信號隔離器。

2.2 硬件設計方案

分布式控制系統采用并行冗余模式，控制層采用工程師站和操作員站，互為主備機，其中控制器CPU 采用冗余架構，主站機架采用冗余控制模式互為備份，機架上使用國產(chǎn)中控控制器GCU521、冗余同步光纖網(wǎng)絡(luò )模塊、冗余供電電源模塊以及數字I/O 模塊；現場(chǎng)層主要為冗余控制器從站和儀控系統，其中冗余控制器從站包括冗余的遠程通信卡COM523 及冗余的數字I/O 模塊，分別用于傳感器采集和閥門(mén)控制，儀控系統包括傳感器、流量計、電磁閥和電動(dòng)減壓閥等，用于工藝系統狀態(tài)監測及狀態(tài)控制等。網(wǎng)絡(luò )層、控制層和現場(chǎng)層都通過(guò)冗余的光纖網(wǎng)絡(luò )交換機實(shí)現設備連接，從而達到遠程監測和控制功能，系統主站柜內布局和系統從站柜內布局如圖2和圖3所示。

圖3 系統從站布局圖

控制系統采用冗余GCU521控制器， 掃描周期從10 ms~5 s可選，支持多任務(wù)并行調度，采用冗余COM523 通信卡， 具有多種通信總線(xiàn)協(xié)議如OPC、TCP/IP、Modbus 等，符合系統功能要求。系統采用羅斯蒙特8800DD 質(zhì)量流量計，該流量計具有雙路冗余輸出功能，信號為電流4~20 mA，傳輸距離遠，抗干擾能力強，精度可達到0.5%，該設備結構簡(jiǎn)單，維護方便，滿(mǎn)足加氫供氣系統要求。

安全監控系統主要包括視頻監控模塊和氫安全監測模塊，用于對站內系統關(guān)鍵位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，其中視頻系統具有視頻的存儲和回放功能，可用于工藝系統的狀態(tài)分析和確認，防爆攝像頭6 臺，用于觀(guān)察液氫存儲設備、液氫泵增壓設備、高壓存儲設備、排放設備及加氫設備等工作狀態(tài)，保證現場(chǎng)安全穩定工作。氫安全監測模塊主要包括氫濃度傳感器、火焰探測器，濃度傳感器輸出信號為4~20mA 電流信號，系統接入主控系統采集卡，由主控系統進(jìn)行相應的濃度顯示，濃度超過(guò)1%進(jìn)行濃度報警，濃度超多4% 則進(jìn)行安全連鎖功能，火焰探測器為紅外探測傳感器輸出信號為開(kāi)關(guān)量，當現場(chǎng)有火焰或高溫異常狀態(tài)時(shí)，輸出報警信號進(jìn)行相應的安全連鎖功能。

2.3 軟件設計方案

控制系統軟件平臺為VxSCADA 控制軟件和GCSContrix 編程軟件，編程軟件采用算法塊封裝，基于數據驅動(dòng)、事件觸發(fā)的分布式算法調度技術(shù)，集邏輯控制、運動(dòng)控制與過(guò)程控制為一體，支持圖形化編程、文本編輯及多種語(yǔ)言混合編程的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持控制算法的離線(xiàn)、在線(xiàn)調試，提高軟件平臺的編程效率，系統通過(guò)軟件平臺實(shí)現主站、從站設備和工藝系統的儀控設備完成設備狀態(tài)自檢、自動(dòng)控制、故障診斷及無(wú)人值守等功能。系統軟件工作流程如圖4 所示。

DCS 控制器根據PID 控制算法將給定的設定值和傳感器反饋的值比校，利用其偏差值來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)，如果設定值和反饋值一致，則控制器將生成零點(diǎn)誤差。如果設定值和反饋值不一致，則控制器將生成誤差值δ ，并發(fā)送輸出至控制器以修正誤差。當壓差較大或較小時(shí)，直接打開(kāi)電磁閥或進(jìn)氣電磁閥，來(lái)縮小調節時(shí)間；當壓差小于某一值后，采用PID 控制算法，以使系統快速達到目標要求，該模式控制精度高、響應速度快，可實(shí)現遠距離控制功能。

圖5 系統軟件設計圖

2.3.1 一鍵自檢功能

控制系統啟動(dòng)一鍵自檢后，對加氫系統進(jìn)入自檢狀態(tài)，先對安全監控系統、高壓存儲系統、增壓汽化輸送系統、加氫設備系統的設備閥門(mén)、減壓器、壓力傳感器、溫度傳感器及流量計狀態(tài)進(jìn)行自檢，檢查是否工作正常，待各設備狀態(tài)合格后，再對系統工藝設備氣密狀態(tài)進(jìn)行逐段檢查，各系統狀態(tài)都正常合格后，系統狀態(tài)自檢結束。

2.3.2 手/自動(dòng)供氣功能

控制系統選擇供氣模式包括自動(dòng)供氣和手動(dòng)供氣兩種模式，若選擇自動(dòng)供氣模式讀取已設定好的計劃表，生成控制指令，執行自動(dòng)供氣功能；若選擇手動(dòng)供氣模式時(shí)，根據加氣系統供應范圍，操作人員在參數界面輸入供氣系統壓力值、流量值，生成控制指令，工藝系統依次執行增壓汽化系統、高壓存儲系統、加氫供氣系統等，加氫供氣系統開(kāi)始加氫，各設備狀態(tài)數據被上傳到工程師站實(shí)時(shí)顯示數據狀態(tài)和存儲數據。系統加氫完后，系統根據指令依次關(guān)閉電磁閥、電動(dòng)調節閥及電動(dòng)減壓器，電控設備恢復到初始狀態(tài)。具體系統工藝軟件如圖6所示。

圖6 系統工藝軟件原理圖

2.3.3 故障診斷功能

控制系統通過(guò)組態(tài)編程軟件完成加氫供氣系統功能，實(shí)現數據報表記錄、故障診斷以及安全連鎖等功能，控制系統工作過(guò)程中，若加氣系統的壓力、溫度、流量超出設定要求范圍、電動(dòng)閥未開(kāi)到位或未關(guān)到位、電控減壓器設定的出口壓力超出誤差范圍以及管路出現大流量泄漏時(shí)，系統軟件界面自動(dòng)發(fā)出報警信號并彈出相應信息框提示，同時(shí)加氫供氣系統停止加氫工作，保證工藝系統穩定工作。系統軟件故障診斷效果圖如圖7所示。

圖7 系統故障診斷效果圖

2.3.4 無(wú)人值守功能

控制系統具有無(wú)人值守功能，需具備待機狀態(tài)及人員撤離后，能在人工模式和自動(dòng)模式兩種模式間進(jìn)行遠程切換，根據設定好自動(dòng)加氣的壓力值、流量值等，系統進(jìn)行自動(dòng)切換開(kāi)始加注，調壓供氣以及自動(dòng)排放等功能，完成無(wú)人值守，提高系統網(wǎng)絡(luò )化、自動(dòng)化、智能化控制功能。

3   系統應用驗證情況

3.1 增壓汽化驗證

根據液態(tài)儲氫加氫系統先增壓后汽化的特點(diǎn)，進(jìn)行了以液氫介質(zhì)設備試驗，過(guò)程順利、參數穩定，通過(guò)耐壓和耐低溫試驗，完成整個(gè)汽化過(guò)程。其中液氫增壓泵系統采用國產(chǎn)自主可控系統，通過(guò)分布式控制技術(shù)，實(shí)現對變頻器遠程調節泵增壓功能，變頻器采用海利普HLP-A100 變頻設備，功率為75 kW，系統通過(guò)本地點(diǎn)動(dòng)觸摸屏按鈕或通過(guò)以太網(wǎng)總線(xiàn)遠程上位機SCADA 界面啟停增壓泵設備，實(shí)現對液氫增壓泵系統自動(dòng)啟停功能。系統軟件工藝界面如圖8 和圖9 所示。

圖8 增壓系統遠控工藝圖

圖9 增壓系統本地工藝圖

其中變頻調速公式：

式中，n 為電機轉速（r/min）；f 為電動(dòng)機頻率（Hz）；s 為轉差率（%）；p 為電動(dòng)機磁極對數。

液氫泵增壓汽化系統，在不同工況下泵出口壓力隨時(shí)間變化數據曲線(xiàn)，由泵入口處壓力傳感器測得進(jìn)液壓力數據，并對泵進(jìn)液過(guò)冷度進(jìn)行評估，經(jīng)過(guò)數據分析，進(jìn)液過(guò)冷度在1.5 K 以上。試驗數據如表3 所示。

表3 壓力試驗數據

系統完成對液氫泵增壓汽化試驗，實(shí)現最大增壓壓力達到50.6 MPa，液氫泵系統無(wú)明顯泄漏、過(guò)度震動(dòng)和損傷，能夠正常運行，增壓汽化壓力滿(mǎn)足加氫要求。

3.2 加氫供氣驗證

加氫設備系統具備加氫量的計量、顯示，支持與站控系統以太網(wǎng)通信，實(shí)現對加氫設備遠程控制功能，具備多參數采集、顯示、查詢(xún)等功能，該站運營(yíng)如圖10所示，其中對加氫機進(jìn)行了雙槍加氫功能試驗，具體試驗數據如表4 所示。

圖10 加氫站運營(yíng)圖

4   結束語(yǔ)

液氫在未來(lái)能源及工業(yè)領(lǐng)域應用前景巨大，目前國內政府部門(mén)、科研院所大力支持發(fā)展液氫生產(chǎn)和儲運技術(shù)。本文充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，解決多項關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現液氫增壓汽化、加氫控制的分布式技術(shù)以及無(wú)人值守供氣等多項功能，該項技術(shù)達到了國內先進(jìn)技術(shù)水平。具體得出以下結論：

1）多線(xiàn)程模式調節技術(shù)的實(shí)現

加氫系統中實(shí)現控制加氫流速在0-100 g/s，通過(guò)閉環(huán)控制調節閥開(kāi)度，保證系統安全可靠運行。系統采用多線(xiàn)程工作模式，通過(guò)液氫泵供給高壓儲氫罐，后供給加氫機供氫，根據供氫壓力、流速等級不同，選擇最優(yōu)控制算法模式，實(shí)現安全可靠加氫，滿(mǎn)足加氫系統技術(shù)要求。

2）分布式控制技術(shù)的實(shí)現

加氫系統涉及多種加氫設備，如液氫泵、加氫機等關(guān)鍵設備，以先進(jìn)性、穩定性、可靠性、適應性為目標，通過(guò)modbus TCP 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，實(shí)現各系統設備通信總線(xiàn)連接，滿(mǎn)足數據監測、設備控制等狀態(tài)，進(jìn)而使設備狀態(tài)參數測量、遠程控制及故障信息監測達到無(wú)人值守的功能。

3）多元化信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的實(shí)現

加氫系統支持多通信網(wǎng)絡(luò )模式包括OPC DA、TCP/IP 及Modbus TCP 等，滿(mǎn)足現代網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)要求，加氫系統通過(guò)OPC DA、TCP/IP 協(xié)議，實(shí)現云平臺的數據信息通訊互聯(lián)及數據監測、數據記錄及站點(diǎn)管理等功能。根據網(wǎng)絡(luò )系統多元化發(fā)展，系統為后期加氫站構建信息網(wǎng)絡(luò )體系、決策管理、提供數據支撐，極大的提高運營(yíng)效率。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）