分布式控制系統在液態加氫站中應用
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作者:吳懷明 趙宗煥 林國福
摘 要：提出了在液態儲氫加氫站中采用分布式控制技術，實現對氫燃料電池汽車的加氫功能。液態儲氫加氫系統主要包括：信息管理系統、站控系統、安全監控系統、高壓存儲系統、增壓汽化系及加氫機系統。其中信息管理系統和站控系統負責站內設備狀態監控及設備功能運行；安全監控系統負責各工藝設備安全監測，出現異常狀態具備故障報警與實時診斷等功能；加氫機用于實現氫燃料電池汽車加氫。系統通過試驗應用驗證，實現了液氫增壓汽化技術，分布式控制技術以及無人值守供氣技術等多項技術，摘要不作任何評價“填補”不是自己說了算。
P鍵詞：液態加氫站；分布式控制；加氫機；無人值守
氫能具有來源廣泛、清潔環保、循環利用等一系列優點，得到了科研機構、政府和企業的高度關注。隨著氫燃料電池車的快速發展，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、加快發展氫能產業的前置條件。本文結合液態儲氫加氫系統模式提出設計一套分布式控制系統，實現工藝系統狀態監測、數據記錄和查詢、故障診斷報警、無人值守及云端互聯等功能，從而滿足液態加氫站功能建設需求。
本項目實現了如下技術指標。
1）加氫供氣系統的穩壓、穩流自動控制功能，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，實現自動控制，待出現異常后，迅速作出處理，達到無人值守功能。
3）加氫供氣系統的智慧互聯功能，具備多網絡通信接口技術，實現云平臺數據監控，提高系統可靠性和安全性。
1 系統組成及技術原理
1.1 系統組成
分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）應用于液態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器和網絡交換機等，用于實現遠程監控站內設備狀態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，用于實現整站工藝設備的監控運行、加氫過程的控制和設備報警處理等功能，實時查看各系統狀態，進行相應的遠程操作；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，用于實時監測現場工藝設備運行狀態，確保現場設備安全穩定運行，出現異常狀態時，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加氫站現場工藝設備狀態監控、數據參數存儲和數據分析等，工藝設備狀態參數通過光纖網絡從站控系統傳輸到數據服務器，數據服務器用于實現數據實時記錄和實時存儲功能；站控系統的工程師站用于實現加氫操作員的控制指令和接收設備狀態指令，實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PLC控制系統液氫泵增壓控制，滿足氫燃料電池汽車所需的氣源；增壓汽化輸送系統用于實現氫氣系統的增壓，通過PLC控制系統實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冗余光纖網絡實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，實現遠距離、高精度對加氫設備的控制。
1.2 技術原理
分布式控制系統采用并聯冗余模式設計，具體包括冗余機架、冗余控制器、冗余電源、冗余交換機網絡及冗余信號模塊來實現加氫供氣系統，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，其中站控系采用壓力閉環控制方法，實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。
2 系統總體方案
2.1 系統需求
系統需滿足無人值守功能，實現液態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%，實現加氣系統的穩壓、穩流等調節功能，系統需求實現遠程控制、數據監測及報表、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。
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，機架上使用國產中控控制器GCU521、冗余同步光纖網絡模塊、冗余供電電源模塊以及數字I/O模塊；現場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控制，儀控系統包括傳感器、流量計、電磁閥和電動減壓閥等，用于工藝系統狀態監測及狀態控制等。網絡層、控制層和現場層都通過冗余的光纖網絡交換機實現設備連接，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。
控制系統采用冗余GCU521控制器，掃描周期從10 ms～5 s可選，支持多任務并行調度，采用冗余COM523通信卡，具有多種通信總線協議如OPC、TCP/IP、Modbus等，符合系統功能要求。系統采用羅斯蒙特8800DD質量流量計，該流量計具有p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，用于對站內系統關鍵位置進行實時監控，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，保證現場安全穩定工作。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，當現場有火焰或高溫異常狀態時，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、事件觸發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環境，支持控制算法的離線、在線調試，提高軟件平臺的編程效率，系統通過軟件平臺實現主站、從站設備和工藝系統的儀控設備完成設備狀態自檢、自動控制、故障診斷及無人值守等功能。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，來縮小調節時間；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，可實現遠距離控制功能。
2.3.1 一鍵自檢功能
控制系統啟動一鍵自檢后，對加氫系統進入自檢狀態，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、減壓器、壓力傳感器、溫度傳感器及流量計狀態進行自檢，檢查是否工作正常，待各設備狀態合格后，再對系統工藝設備氣密狀態進行逐段檢查，各系統狀態都正常合格后，系統狀態自檢結束。
2.3.2 手/自動供氣功能
控制系統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，執行自動供氣功能；若選擇手動供氣模式時，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，加氫供氣系統開始加氫，各設備狀態數據被上傳到工程師站實時顯示數據狀態和存儲數據。系統加氫完后，系統根據指令依次關閉電磁閥、電動調節閥及電動減壓器，電控設備恢復到初始狀態。具體系統工藝軟件如圖6所示。
2.3.3 故障診斷功能
控制系統通過組態編程軟件完成加氫供氣系統功能，實現數據報表記錄、故障診斷以及安全連鎖等功能，控制系統工作過程中，若加氣系統的壓力、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大流量泄漏時，系統軟件界面自動發出報警信號并彈出相應信息框提示，同時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。
2.3.4 無人值守功能
控制系統具有無人值守功能，需具備待機狀態及人員撤離后，能在人工模式和自動模式兩種模式間進行遠程切換，根據設定好自動加氣的壓力值、流量值等，系統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，提高系統網絡化、自動化、智能化控制功能。
3 系統應用驗證情況
3.1 增壓汽化驗證
根據液態儲氫加氫系統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、參數穩定，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采用國產自主可控系統，通過分布式控制技術，實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，系統通過本地點動觸摸屏按鈕或通過以太網總線遠程上位機SCADA界面啟停增壓泵設備，實現對液氫增壓泵系統自動啟停功能。系統軟件工藝界面如圖8和圖9所示。
液氫泵增壓汽化系統，在不同工況下泵出口壓力隨時間變化數據曲線，由泵入口處壓力傳感器測得進液壓力數據，并對泵進液過冷度進行評估，經過數據分析，進液過冷度在1.5 K以上。試驗數據如表3所示。系統完成對液氫泵增壓汽化試驗，實現最大增壓壓力達到50.6 MPa，液氫泵系統無明顯泄漏、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
加氫設備系統具備加氫量的計量、顯示，支持與站控系統以太網通信，實現對加氫設備遠程控制功能，具備多參數采集、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，具體試驗數據如表4所示。
4 結束語
液氫在未來能源及工業領域應用前景巨大，目前國內政府部門、科研院所大力支持發展液氫生產和儲運技術。本文充分發揮技術優勢，解決多項關鍵技術，實現液氫增壓汽化、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先進技術水平。具體得出以下結論：
1）多線程模式調節技術的實現
加氫系統中實現控制加氫流速在0-100 g/s，通過閉環控制調節閥開度，保證系統安全可靠運行。系統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，根據供氫壓力、流速等級不同，選擇最優控制算法模式，實現安全可靠加氫，滿足加氫系統技術要求。
2）分布式控制技術的實現
加氫系統涉及多種加氫設備，如液氫泵、加氫機等關鍵設備，以先進性、穩定性、可靠性、適應性為目標，通過modbus TCP網絡通信協議，實現各系統設備通信總線連接，滿足數據監測、設備控制等狀態，進而使設備狀態⑹測量、遠程控制及故障信息監測達到無人值守的功能。
3）多元化信息網絡技術的實現
加氫系統支持多通信網絡模式包括OPC DA、TCP/ IP及Modbus TCP等，滿足現代網絡通信技術要求，加氫系統通過OPC DA、TCP/IP協議，實現云平臺的數據信息通訊互聯及數據監測、數據記錄及站點管理等功能。根據網絡系統多元化發展，系統為后期加氫站構建信息網絡體系、決策管理、提供數據支撐，極大的提高運營效率。
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