分布式控制系統(tǒng)在液態(tài)加氫站中應用

氫能具有來源廣泛、清潔環(huán)保、循環(huán)利用等一系列優(yōu)點，得到了科研機構、政府和企業(yè)的高度關注。隨著氫燃料電池車的快速發(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(tǒng)模式提出設計一套分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工藝系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和查詢、故障診斷報警、無人值守及云端互聯(lián)等功能，從而滿足液態(tài)加氫站功能建設需求。

本項目實現(xiàn)了如下技術指標。

1）加氫供氣系統(tǒng)的穩(wěn)壓、穩(wěn)流自動控制功能，達到安全加氫速率要求，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2）加氫供氣系統(tǒng)的分布式控制技術，實現(xiàn)自動控制，待出現(xiàn)異常后，迅速作出處理，達到無人值守功能。

3）加氫供氣系統(tǒng)的智慧互聯(lián)功能，具備多網(wǎng)絡通信接口技術，實現(xiàn)云平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控，提高系統(tǒng)可靠性和安全性。

1   系統(tǒng)組成及技術原理

1.1 系統(tǒng)組成

分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）應用于液態(tài)儲氫加氫系統(tǒng)具有重要意義，分布式控制系統(tǒng)主要包括：信息管理系統(tǒng)、站控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、高壓存儲系統(tǒng)、增壓汽化輸送系統(tǒng)、加氫設備系統(tǒng)等組成，其中信息管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)服務器和網(wǎng)絡交換機等，用于實現(xiàn)遠程監(jiān)控站內(nèi)設備狀態(tài)和數(shù)據(jù)參數(shù)記錄功能；站控系統(tǒng)主要包括工程師站和站控PLC控制設備，用于實現(xiàn)整站工藝設備的監(jiān)控運行、加氫過程的控制和設備報警處理等功能，實時查看各系統(tǒng)狀態(tài)，進行相應的遠程操作；安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控主機、防爆攝像頭和氫濃度檢測儀表等，用于實時監(jiān)測現(xiàn)場工藝設備運行狀態(tài)，確保現(xiàn)場設備安全穩(wěn)定運行，出現(xiàn)異常狀態(tài)時，氫濃度檢測儀表具備故障報警功能；高壓存儲系統(tǒng)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(tǒng)主要包括液氫泵增壓設備和汽化設備，用于實現(xiàn)高壓液氫和增壓供氣等功能；加氫設備系統(tǒng)主要包括加氫機設備，用于給氫燃料汽車加氫供氣。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

其中信息管理系統(tǒng)主要用于液態(tài)加氫站現(xiàn)場工藝設備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)參數(shù)存儲和數(shù)據(jù)分析等，工藝設備狀態(tài)參數(shù)通過光纖網(wǎng)絡從站控系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務器，數(shù)據(jù)服務器用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時記錄和實時存儲功能；站控系統(tǒng)的工程師站用于實現(xiàn)加氫操作員的控制指令和接收設備狀態(tài)指令，實現(xiàn)加氫系統(tǒng)控制功能；站控PLC 控制系統(tǒng)用于執(zhí)行加氫操作員指令，實現(xiàn)加氫系統(tǒng)相應功能；高壓存儲系統(tǒng)用于提供加氫系統(tǒng)所需要的氫氣氣源，通過PLC 控制系統(tǒng)液氫泵增壓控制，滿足氫燃料電池汽車所需的氣源；增壓汽化輸送系統(tǒng)用于實現(xiàn)氫氣系統(tǒng)的增壓，通過PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)液氫泵快速系統(tǒng)增壓，向儲氫氣瓶充氣；加氫機系統(tǒng)主要通過冗余光纖網(wǎng)絡實現(xiàn)加氫控制系統(tǒng)對加氫機設備供氣壓力、流量的控制；站控系統(tǒng)為關鍵核心設備，根據(jù)工藝系統(tǒng)需求設計相應功能，該系統(tǒng)采用分布式控制技術，實現(xiàn)遠距離、高精度對加氫設備的控制。

1.2 技術原理

分布式控制系統(tǒng)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)絡及冗余信號模塊來實現(xiàn)加氫供氣系統(tǒng)，保證設備可靠穩(wěn)定工作，控制系統(tǒng)全部采用數(shù)字式儀表、電動閥、電控減壓器、調節(jié)閥等智能元件完成遠程控制及遠程調壓技術，其中站控系采用壓力閉環(huán)控制方法，實現(xiàn)加氫系統(tǒng)穩(wěn)壓調節(jié)等功能，保證加氫系統(tǒng)的穩(wěn)定加氣和精確控制。

加氫系統(tǒng)的控制算法通過比例、積分、微分，實現(xiàn)快速、高效的控制，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，針對加氫供氣系統(tǒng)需求設定加氫壓力值，其偏差來控制電控減壓器的動作，以調節(jié)減壓閥進氣量和排氣量，從而達到精確控制減壓器供氣壓力目的，加氫系統(tǒng)供氣壓力的設定、傳感器的采樣都傳遞到DCS 控制器中，用PID 控制算法實現(xiàn)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(shù)；K_i為積分系數(shù)；K_d為微分系數(shù)。根據(jù)被控對象數(shù)值不同，對K_p、K_i和K_d系數(shù)進行調整，實現(xiàn)PID控制的最優(yōu)輸出。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)需求

系統(tǒng)需滿足無人值守功能，實現(xiàn)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%，實現(xiàn)加氣系統(tǒng)的穩(wěn)壓、穩(wěn)流等調節(jié)功能，系統(tǒng)需求實現(xiàn)遠程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測及報表、故障診斷及無人值守功能，滿足關鍵設備冗余，支持擴展等特點。站控系統(tǒng)完成對工藝系統(tǒng)的控制及傳感器設備的采集，其中執(zhí)行結構主要包括氣動閥、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(tǒng)總體所需的參數(shù)如下表1 所示、傳感器統(tǒng)計如表2 所示。

圖2 系統(tǒng)主站布局圖

測量傳感器設備均采用二線制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，為延長采集卡使用壽命，需要完成對傳感器的二線制配電，對每一個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(tǒng)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)絡模塊、冗余供電電源模塊以及數(shù)字I/O 模塊；現(xiàn)場層主要為冗余控制器從站和儀控系統(tǒng)，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(shù)字I/O 模塊，分別用于傳感器采集和閥門控制，儀控系統(tǒng)包括傳感器、流量計、電磁閥和電動減壓閥等，用于工藝系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及狀態(tài)控制等。網(wǎng)絡層、控制層和現(xiàn)場層都通過冗余的光纖網(wǎng)絡交換機實現(xiàn)設備連接，從而達到遠程監(jiān)測和控制功能，系統(tǒng)主站柜內(nèi)布局和系統(tǒng)從站柜內(nèi)布局如圖2和圖3所示。

圖3 系統(tǒng)從站布局圖

控制系統(tǒng)采用冗余GCU521控制器， 掃描周期從10 ms~5 s可選，支持多任務并行調度，采用冗余COM523 通信卡， 具有多種通信總線協(xié)議如OPC、TCP/IP、Modbus 等，符合系統(tǒng)功能要求。系統(tǒng)采用羅斯蒙特8800DD 質量流量計，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%，該設備結構簡單，維護方便，滿足加氫供氣系統(tǒng)要求。

安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控模塊和氫安全監(jiān)測模塊，用于對站內(nèi)系統(tǒng)關鍵位置進行實時監(jiān)控，其中視頻系統(tǒng)具有視頻的存儲和回放功能，可用于工藝系統(tǒng)的狀態(tài)分析和確認，防爆攝像頭6 臺，用于觀察液氫存儲設備、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(xiàn)場安全穩(wěn)定工作。氫安全監(jiān)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(tǒng)接入主控系統(tǒng)采集卡，由主控系統(tǒng)進行相應的濃度顯示，濃度超過1%進行濃度報警，濃度超多4% 則進行安全連鎖功能，火焰探測器為紅外探測傳感器輸出信號為開關量，當現(xiàn)場有火焰或高溫異常狀態(tài)時，輸出報警信號進行相應的安全連鎖功能。

2.3 軟件設計方案

控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)驅動、事件觸發(fā)的分布式算法調度技術，集邏輯控制、運動控制與過程控制為一體，支持圖形化編程、文本編輯及多種語言混合編程的集成開發(fā)環(huán)境，支持控制算法的離線、在線調試，提高軟件平臺的編程效率，系統(tǒng)通過軟件平臺實現(xiàn)主站、從站設備和工藝系統(tǒng)的儀控設備完成設備狀態(tài)自檢、自動控制、故障診斷及無人值守等功能。系統(tǒng)軟件工作流程如圖4 所示。

DCS 控制器根據(jù)PID 控制算法將給定的設定值和傳感器反饋的值比校，利用其偏差值來控制閥門開關，如果設定值和反饋值一致，則控制器將生成零點誤差。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，直接打開電磁閥或進氣電磁閥，來縮小調節(jié)時間；當壓差小于某一值后，采用PID 控制算法，以使系統(tǒng)快速達到目標要求，該模式控制精度高、響應速度快，可實現(xiàn)遠距離控制功能。

圖5 系統(tǒng)軟件設計圖

2.3.1 一鍵自檢功能

控制系統(tǒng)啟動一鍵自檢后，對加氫系統(tǒng)進入自檢狀態(tài)，先對安全監(jiān)控系統(tǒng)、高壓存儲系統(tǒng)、增壓汽化輸送系統(tǒng)、加氫設備系統(tǒng)的設備閥門、減壓器、壓力傳感器、溫度傳感器及流量計狀態(tài)進行自檢，檢查是否工作正常，待各設備狀態(tài)合格后，再對系統(tǒng)工藝設備氣密狀態(tài)進行逐段檢查，各系統(tǒng)狀態(tài)都正常合格后，系統(tǒng)狀態(tài)自檢結束。

2.3.2 手/自動供氣功能

控制系統(tǒng)選擇供氣模式包括自動供氣和手動供氣兩種模式，若選擇自動供氣模式讀取已設定好的計劃表，生成控制指令，執(zhí)行自動供氣功能；若選擇手動供氣模式時，根據(jù)加氣系統(tǒng)供應范圍，操作人員在參數(shù)界面輸入供氣系統(tǒng)壓力值、流量值，生成控制指令，工藝系統(tǒng)依次執(zhí)行增壓汽化系統(tǒng)、高壓存儲系統(tǒng)、加氫供氣系統(tǒng)等，加氫供氣系統(tǒng)開始加氫，各設備狀態(tài)數(shù)據(jù)被上傳到工程師站實時顯示數(shù)據(jù)狀態(tài)和存儲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)加氫完后，系統(tǒng)根據(jù)指令依次關閉電磁閥、電動調節(jié)閥及電動減壓器，電控設備恢復到初始狀態(tài)。具體系統(tǒng)工藝軟件如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工藝軟件原理圖

2.3.3 故障診斷功能

控制系統(tǒng)通過組態(tài)編程軟件完成加氫供氣系統(tǒng)功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表記錄、故障診斷以及安全連鎖等功能，控制系統(tǒng)工作過程中，若加氣系統(tǒng)的壓力、溫度、流量超出設定要求范圍、電動閥未開到位或未關到位、電控減壓器設定的出口壓力超出誤差范圍以及管路出現(xiàn)大流量泄漏時，系統(tǒng)軟件界面自動發(fā)出報警信號并彈出相應信息框提示，同時加氫供氣系統(tǒng)停止加氫工作，保證工藝系統(tǒng)穩(wěn)定工作。系統(tǒng)軟件故障診斷效果圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)故障診斷效果圖

2.3.4 無人值守功能

控制系統(tǒng)具有無人值守功能，需具備待機狀態(tài)及人員撤離后，能在人工模式和自動模式兩種模式間進行遠程切換，根據(jù)設定好自動加氣的壓力值、流量值等，系統(tǒng)進行自動切換開始加注，調壓供氣以及自動排放等功能，完成無人值守，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡化、自動化、智能化控制功能。

3   系統(tǒng)應用驗證情況

3.1 增壓汽化驗證

根據(jù)液態(tài)儲氫加氫系統(tǒng)先增壓后汽化的特點，進行了以液氫介質設備試驗，過程順利、參數(shù)穩(wěn)定，通過耐壓和耐低溫試驗，完成整個汽化過程。其中液氫增壓泵系統(tǒng)采用國產(chǎn)自主可控系統(tǒng)，通過分布式控制技術，實現(xiàn)對變頻器遠程調節(jié)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(tǒng)通過本地點動觸摸屏按鈕或通過以太網(wǎng)總線遠程上位機SCADA 界面啟停增壓泵設備，實現(xiàn)對液氫增壓泵系統(tǒng)自動啟停功能。系統(tǒng)軟件工藝界面如圖8 和圖9 所示。

圖8 增壓系統(tǒng)遠控工藝圖

圖9 增壓系統(tǒng)本地工藝圖

其中變頻調速公式：

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

液氫泵增壓汽化系統(tǒng)，在不同工況下泵出口壓力隨時間變化數(shù)據(jù)曲線，由泵入口處壓力傳感器測得進液壓力數(shù)據(jù)，并對泵進液過冷度進行評估，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，進液過冷度在1.5 K 以上。試驗數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 壓力試驗數(shù)據(jù)

系統(tǒng)完成對液氫泵增壓汽化試驗，實現(xiàn)最大增壓壓力達到50.6 MPa，液氫泵系統(tǒng)無明顯泄漏、過度震動和損傷，能夠正常運行，增壓汽化壓力滿足加氫要求。

3.2 加氫供氣驗證

加氫設備系統(tǒng)具備加氫量的計量、顯示，支持與站控系統(tǒng)以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)對加氫設備遠程控制功能，具備多參數(shù)采集、顯示、查詢等功能，該站運營如圖10所示，其中對加氫機進行了雙槍加氫功能試驗，具體試驗數(shù)據(jù)如表4 所示。

圖10 加氫站運營圖

4   結束語

液氫在未來能源及工業(yè)領域應用前景巨大，目前國內(nèi)政府部門、科研院所大力支持發(fā)展液氫生產(chǎn)和儲運技術。本文充分發(fā)揮技術優(yōu)勢，解決多項關鍵技術，實現(xiàn)液氫增壓汽化、加氫控制的分布式技術以及無人值守供氣等多項功能，該項技術達到了國內(nèi)先進技術水平。具體得出以下結論：

1）多線程模式調節(jié)技術的實現(xiàn)

加氫系統(tǒng)中實現(xiàn)控制加氫流速在0-100 g/s，通過閉環(huán)控制調節(jié)閥開度，保證系統(tǒng)安全可靠運行。系統(tǒng)采用多線程工作模式，通過液氫泵供給高壓儲氫罐，后供給加氫機供氫，根據(jù)供氫壓力、流速等級不同，選擇最優(yōu)控制算法模式，實現(xiàn)安全可靠加氫，滿足加氫系統(tǒng)技術要求。

2）分布式控制技術的實現(xiàn)

加氫系統(tǒng)涉及多種加氫設備，如液氫泵、加氫機等關鍵設備，以先進性、穩(wěn)定性、可靠性、適應性為目標，通過modbus TCP 網(wǎng)絡通信協(xié)議，實現(xiàn)各系統(tǒng)設備通信總線連接，滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測、設備控制等狀態(tài)，進而使設備狀態(tài)參數(shù)測量、遠程控制及故障信息監(jiān)測達到無人值守的功能。

3）多元化信息網(wǎng)絡技術的實現(xiàn)

加氫系統(tǒng)支持多通信網(wǎng)絡模式包括OPC DA、TCP/IP 及Modbus TCP 等，滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術要求，加氫系統(tǒng)通過OPC DA、TCP/IP 協(xié)議，實現(xiàn)云平臺的數(shù)據(jù)信息通訊互聯(lián)及數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄及站點管理等功能。根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)多元化發(fā)展，系統(tǒng)為后期加氫站構建信息網(wǎng)絡體系、決策管理、提供數(shù)據(jù)支撐，極大的提高運營效率。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）