铝水制氢反应釜控制系统设计*

贺朝阳，刘根战，罗 燕，王金山，张 刚，杨 侠

(1.武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430205；2.西安航天发动机有限公司，陕西 西安 710100)

0 引言

目前，铝水制氢装置采用人工操作的模式，反应物由工人倒入反应釜中，操作繁琐、自动化程度低，并且对阀门控制的精准性以及铝水反应过程中各变量的检测能力都很差。随着PLC控制技术逐步发展完善，以PLC为核心的控制系统在可靠性、稳定性、准确性方面得到了极大的提升，控制过程也朝着智能化方向发展[1]。本文以S7-1200PLC控制器为控制核心，设计了铝水制氢反应釜控制系统。通过压力传感器、液位传感器、温度传感器采集数据，从而控制各个泵及电动阀门的动作，在上位机上监控反应釜系统的运行状态、设置系统参数、显示报警信息[2]。

1 铝水制氢反应釜系统工艺流程及控制要求

1.1 工艺流程

铝水制氢反应釜系统的工艺流程为氮气吹扫、抽真空、加水、加料、调节冷却水、氢气输送及排渣，如图1所示。系统启动前，将铝基合金材料放到待料仓后封闭，并对反应釜进行氮气吹扫排出装置内的其他气体；系统启动，真空泵对反应釜进行抽真空处理，反应釜内压力为零后真空阀关闭，同时真空泵停止工作；反应釜压力达到0 MPa时加水泵开启，当反应釜内液位达到300 mm时加水阀和加水泵关闭；料阀开启，铝基合金与水在反应釜内发生反应，反应釜内温度升高、压力变大，当反应温度达到70 ℃时冷却泵开启，通过反应釜内的冷凝盘管使反应温度降低，当反应温度低于65 ℃时，冷却泵和冷凝盘管的进出口阀门关闭；当反应釜内压力达到2.5 MPa时，料阀关闭，氢气阀门打开，并进行排渣处理。

图1 铝水制氢反应釜系统工艺流程

1.2 反应釜控制要求

根据铝水制氢反应釜工艺流程，本反应釜控制系统主要实现对反应釜内液位、反应温度以及压力的控制。要求控制系统具有自动和手动两种控制模式，并设有故障报警以及急停按钮，利用西门子编程软件WinCC对系统运行状态进行监控，通过显示屏可以对系统运行设备进行查看。反应釜自动控制模式控制流程如图2所示。

图2 反应釜自动控制模式控制流程

2 反应釜控制系统的设计

2.1 控制系统的组成

本铝水制氢反应釜控制系统主要由触摸屏、S7-1200PLC控制器、各类传感器及执行器组成，其整体结构框图如图3所示。各类传感器通过A/D转换模块将数据传输给S7-1200PLC进行处理，PLC控制器根据接收到的信号对各类执行器进行控制。触摸屏通过通信网线与S7-1200PLC控制器相连，以此来显示反应釜控制系统的实时数据及对相关控制参数的修改[3]。

图3 反应釜控制系统结构框图

2.2 控制系统硬件设计

为了实现铝水制氢反应釜控制系统的控制要求，选择S7-1200PLC为控制核心，并在PLC控制器中添加了两个通信模块[DI 8/DQ 8×24VDC数字量输入输出模块SM1223(DC/DC)和AI 4×13BIT/AQ 2×14BIT模拟量输入输出模块SM1234(AI/AQ)]用于输入输出端口的拓展[4]。

S7-1200PLC及其拓展信号模块与各类传感器、执行器相连，其中央处理器CPU 1214C DC/DC/DC端口分别连接系统中开关量输入、输出执行器，连接示意图如图4所示。系统中剩余的开关量输入、输出执行器则与拓展的数字量信号模块SM1223相连，其端口连接示意图如图5所示[5]。

图4 CPU 1214C端口连接示意图

图5 模块SM1223端口连接示意图

模拟量模块SM1234用于连接反应釜控制系统中的传感器，主要用来读取反应釜内液位、压力、反应温度等模拟量信号，其端口连接示意图如图6所示。

图6 模块SM1234端口连接示意图

2.3 控制程序设计

2.3.1 液位控制

在完成装置氮气吹扫操作之后，开启真空泵以及真空阀对装置进行抽真空，使反应釜系统压力达到真空状态。由压力传感器检测系统压力，将压力值的信号反馈给PLC来控制加水泵和加水阀的开启。在反应釜上装有液位传感器，以此来采集反应釜内液位情况，此液位高低可以设定，达到设定液位时，加水泵和加水阀关闭，停止加水。液位控制程序如图7所示。

图7 液位控制程序

2.3.2 温度控制

当反应釜液位达到设定值时，加料阀开启，将待料仓中的铝基合金材料送到反应釜中与水进行反应。由于铝基合金材料与水反应会放出大量热，使得反应温度上升，温度传感器将采集到的温度值信号反馈给PLC来控制冷却泵和冷却阀门。当反应温度高于设定的最高温度70 ℃时，冷却泵和冷却阀门开启，冷却水进入冷凝盘管给反应降温；当反应温度低于设定的最低温度65 ℃时，冷却泵和冷却阀门关闭，以此来使反应温度保持在一个最佳的温度范围内。温度控制程序如图8所示。

图8 温度控制程序

2.3.3 压力控制

随着反应温度的进行，反应釜内所产生的氢气越来越多，釜压也逐渐增大。当反应釜内压力值达到设定值2.5 MPa时，考虑到安全问题，压力传感器将采集到的压力值信号反馈给PLC来控制氢气阀门开启，将反应釜内的氢气送至下一环节进行处理。排氢后的反应釜压力将会下降，当反应釜内压力值下降到不再变化时，说明反应结束，PLC根据压力传感器所反馈的压力值信号来控制排渣阀门开启，对反应釜进行排渣处理。压力控制程序如图9所示。

图9 压力控制程序

2.3.4 反应釜控制监控实现

反应釜控制系统的上位机监控界面采用西门子触摸屏，并通过西门子编程软件WinCC实现反应釜控制系统的实时监控界面的搭建[6]。

反应釜监控界面主要包括反应釜相关设备运行状态的显示、操作按钮和参数设置。上位机监控界面如图10所示，手动模式界面如图11所示。运行状态显示主要包括釜压、液位、铝水反应温度等检测信息以及系统中泵机类、电动阀类等开关量当前状态指示灯和系统参数；通过按钮可以实现手动和自动模式的切换以及各个执行器的操作[7]；可以对反应釜控制系统相关参数进行设置，如反应釜内液位、压力以及反应温度的上下限。

图10 上位机监控界面

图11 手动模式界面

此外，当反应釜控制系统相关参数异常或者执行器故障时，触摸屏上的报警指示灯就会亮起，控制系统会立即执行停止功能，并保存相关的报警信息以便故障修正[8]。

3 结语

本文设计了一套基于S7-1200PLC的铝水制氢反应釜控制系统，包括硬件设计和PLC软件设计。该控制系统相比于人工操作具有更快的响应速度、更高的精准性以及更强的过程量检测能力，且程序设计简单，人机界面直观易操作，控制效果良好，具有较高的使用价值。