基于PLC在氫氧機控制系統的設計

　氫氧機是生產氫燃料的設備，它采用水電解技術，通電使水分解成氫氣和氧氣，其中氫氣作為燃料，氧氣作為助燃劑，是一種高科技綠色環保節能設備。該氫氧機因所產氣體為氫、氧分離型，使氫氧機設備應用范圍得到極大拓展，不僅局限于通常使用熱加工場所，以替代傳統乙炔、丙烷、液化氣等燃氣，用于金屬切割、金屬氣焊，還可以在玻璃制品加工、汽車除碳、車載氫氧機、氫燃料電池、電子化工、食品加工等領域得到廣泛應用。由于所產為氫、氧分離氣體，在金屬切割方面，徹底杜絕氫氧混合氣體易“回火”這一技術瓶頸問題，因此，分離式氫氧機在金屬切割領域得到更為安全的使用。

　　在控制方面，該氫氧機內部采用PLC控制技術，通過PLC硬件組態和程序設計，開發了完整的控制程序，實現設備裝置的啟停、控制、運行狀態參數設定和顯示、并具有報警故障查詢等功能。外部結合工業觸摸屏進行人機界面（HMI）控制，在人機對話上充分考慮了人機界面控制的及時性、完整性和互動性。界面非常友好，使用操作方便醒目直觀。

　　1. 控制方案設計

　　1） 電解工作原理

　　分離式水電解制氫裝置是通過直流電解KOH（25%～30%濃度）水溶液產生H2和O2，H2和O2夾帶KOH堿液分別進入氫、氧汽水分離器進行汽水分離（在水分子重力作用下進行汽水分離），分離后的堿液通過分離器底端再回流至電解槽（在高壓制氫中則需要增加循環泵以完成電解液的回流）。

　　水電解制氫電極反應式：

　　陰極： 4e + 4H2O = 2H2↑ + 4OH

　　陽極： 4OH = O2↑ + 2H2O + 4e

　　總反應式：H2O = H2 + 1/2 O2

　　由上述電極反應式可知：產生H+和ＯＨ-離子，其中Ｈ+離子移向電極的陰極面，形成Ｈ２↑，ＯＨ-離子移至電極的陽極面，形成Ｏ２↑。而相應的產氣量Ｈ２是Ｏ２的２倍。

　　2） 液位差控制

　　目前分離式電解槽普遍采用壓濾式雙極性電解槽，內部有多個電解小室組成。電解小室間用石棉布為隔膜材料，而石棉布特性是在浸潤的狀態下，氣體不能通過，只能參與電解的離子可穿透。如隔膜兩側壓力不平衡，壓力差為±１００ｍｍＨ２Ｏ時，如壓力差大于３００ｍｍＨ２Ｏ則會有氣體泡通過石棉隔膜，造成氫氧混合；另外，電解后的Ｈ２、Ｏ２輸出至汽水分離器上因氫氧分離器底部會呈連通狀態。如果氫氧分離器壓差過大，很可能使Ｈ２或Ｏ２從壓力大的分離器進入另一個分離器。所以，在系統運行時必須控制氫氧分離器的液位使其平衡，使液位保持在規定的范圍內，防止由于液位過低而造成Ｈ２、Ｏ２氣體混合。液位過高會增加氣體排出阻力，引起Ｈ２、Ｏ２側壓力不平衡，造成Ｈ２、Ｏ２氣體的互相滲透。

　　氫氧液位采用浮球液位計，將液位模擬量轉化為數字量４ｍＡ～２０ｍＡ輸出，以Ａ/Ｄ模擬數字轉換來實現其液位控制。將氫氧采樣轉換的數字量同過安全柵輸入至ＰＬＣ中進行相應的比對處理判斷氫氧液位的差值。比例積分和微分運算（ＰＩＤ）判定其液位差值進行平衡處理。針對設備在開機運行狀態和停機狀態不同情況下，對氫氧兩端的液位給予處理。

　　a） 開機及運行狀態

　　在開機運行狀態下，液位如有下列不平衡情況時則進行平衡處理。

　　l Ｈ２>Ｏ２且Ｈ２-Ｏ２≥１２０ｍｍＨ２Ｏ（液位差值），Ｏ２旁通閥打開，使Ｏ２側壓力減小（Ｏ２氧液位升高），從而使液位差值減小。

　　l Ｏ２>Ｈ２且Ｏ２-Ｈ２≥１１０ｍｍＨ２Ｏ（液位差值），Ｈ２旁通閥打開，使Ｈ２壓力減小（Ｈ２氫液位升高），從而使液位差值減小。

　　l 氫氧均液位（對其液位采集若干次后處理的均值）≤氫氧液位下限值２８０ｍｍＨ２Ｏ時，則設備補水泵以及補水閥打開，進行相應補水。

　　l 氫氧均液位≤補水液位上限值是３００ｍｍＨ２O，補水泵以及補水閥關閉，停止補水。

　　l 在進行過程中，當氫氧液位差值》１４０ｍｍＨ２O時，氫高于氧液位，氧旁通閥打開到氫氧液位值低于≤８０ｍｍＨ２O時，氧旁通閥關閉；如氫氧液位差按上述變化時，氫旁通閥打開到關閉。

　　b） 停機狀態

　　在停機狀態下，氫氧液位可能還會存在一定液位差，也需進行平衡處理。

　　l Ｏ２>Ｈ２時，氫旁通閥打開。

　　l Ｈ２>Ｏ２時，　Ｈ２-Ｏ２≥５０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通閥打開，H２－O２≤３０ｍｍＨ２ｏ液位差，氧旁通閥關閉。

　　l 氫氧均液位２８０ｍｍＨ２O時補水泵以及補水閥打開，≤３００ｍｍＨ２O時則關閉。