基于西門子S7-400H系統架構變壓吸附制氫控制系統設計

李雨欣，張桐

（榆林學院，陜西榆林，719000）

1 變壓吸附制氫流程與控制系統設計原則

1.1 變壓吸附制氫工藝流程

變壓吸附制氫工藝關乎著焦爐煤氣中氫氣的提取和回收利用效率，其工藝流程往往分為四個工序進行，如圖1所示。

圖1 變壓吸附制氫工藝流程

首先將焦爐煤氣送入壓縮機進行一級加壓，將初次加壓后的焦爐煤氣送入預處理系統進行處理，預處理單元主要由預處理塔、加熱器、過濾器以及控制閥等設施組成，去除其中的苯、硫化物等雜質。有的工藝流程中，會將預處理后的焦爐煤氣再次經壓縮機進行二次、三次加壓，之后經過除油器，通過塔底進入變壓吸附單元。變壓吸附單元的主要組成為吸附塔、氫氣緩沖罐、控制閥等，吸附塔可一次性將焦爐煤氣中絕大多數雜質去除掉變為粗氫氣，此時純度就已經超過99.9%，然后從吸附塔頂部排出，進入脫氧干燥單元。此時粗氫氣中含有微量的氧氣，可依據氫氣和氧氣制備為水的化合反應原理，再結合變溫吸附技術，將其中的水分干燥，完成變壓吸附制氫過程[1]。

1.2 控制系統設計原則

1.2.1 可靠性

可靠性是變壓吸附制氫自動化控制系統最基本也是最重要的設計原則。鋼鐵產業的各個生產環節都具有一定的危險性，如果控制系統可靠性得不到保障，會給鋼鐵企業設備正常運轉、工作人員生命安全等造成巨大威脅，一旦出現故障，會引起整個變壓吸附制氫過程的混亂，導致企業生產線全部暫停，甚至造成更加嚴重的后果。制氫控制系統的研發與應用價值可能并不足以與企業損失作對比。在鋼鐵行業這種生產線多、系統復雜的企業中，設備或控制系統的任何安全隱患都不能存在。由于焦炭煤氣制氫工藝較為復雜，在保障安全生產的同時，也要嚴格、謹慎對系統基礎設備進行選擇。綜合多種需求，變壓吸附制氫控制系統必須要有較高的可靠性。

1.2.2 實用性

方便工作人員操作使用、便于維護人員檢修與維護都屬于控制系統的實用性，同時，控制系統的設計與應用，要能夠最大程度滿足實際使用需求，實用性是在系統研發設計與設備選型的過程要綜合考慮的原則。變壓吸附制氫控制系統的設計，無論是在硬件方面還是軟件方面，都要以實用性為基礎原則，選擇性價比高、功能多樣化的設施與裝置系統，良好滿足實際生產運行與系統維護需求[2]。

1.2.3 技術先進性

變壓吸附制氫控制系統的設計要滿足技術先進性。在如今科學技術飛速發展的背景下，自動化控制系統的通信技術、計算機技術以及控制技術盡量選擇當下行業最先進技術，使得控制系統能夠最大化達到日漸提高的系統運行與管理要求，盡量在技術日益更新的時代下不被社會所淘汰。

1.2.4 通用性

變壓吸附制氫控制系統的整體設計要具備一定的開放性與兼容性，給未來系統功能的擴展和系統版本的升級留有發展空間，或者滿足其他企業的使用需求。控制系統中的現場監控設備I/O模塊設計，要具備良好的信號隔離保護功能，確保信號的持續穩定傳輸；為使系統能夠持續穩定安全運行，系統要具備自我診斷功能和故障預警功能，定期進行控制系統的設備狀態、生產質量的檢測，當檢測有故障發生時及時將信息傳達給維護人員。在滿足企業生產需求上，每項指標的設計都盡量規定合理的范圍，留有一定的備用量，保證系統的通用性，為日后系統的升級改造打下基礎[3]。

2 系統設計

2.1 硬件設計選型

在上述技術先進性、可靠性、實用性等原則上，此變壓吸附制氫控制系統的硬件設計選擇目前較先進的S7-400系列中的414H型號可編程控制器，搭配ET200M西門子模塊，采用德國赫斯曼RS20、MS20系列交換機。系統中設置有兩臺操作員站和一臺工程師站。控制系統結構圖如圖2所示。

圖2 變壓吸附制氫控制系統結構圖

系統結構圖中，壓縮機控制模塊、預處理控制模塊、變壓吸附控制模塊以及脫氧干燥控制模塊分別對應變壓吸附制氫工序，其均由電源、兩個ET200M西門子模塊和I/O接口模塊構成。S7-400H系統有著較高的可靠性，主要被用于各項指標都要求嚴格的應用場所。而且，S7-400H系統使得系統今后的功能擴展和升級都極為便利，在企業使用需求增多或者系統任務增多的情況下，不需要過多增加模板就能夠隨時升級完善。S7-400H可編程控制器能夠最大化滿足客戶多樣化使用需求和工業各種要求和標準[4]。

2.2 PLC編程軟件選型

此控制系統采用STEP 7編程軟件，將其用于西門子系列工控產品以及相當于軟PLC的WinAC的編程、參數設置和監控。STEP 7是一款編程軟件，對應于西門子S7-300/400的編程。STEP 7中的所有編程功能都支持在線幫助，當對某一對象不夠了解時，可借助其大量關于該對象的幫助進行編程。STEP 7借助SIMATIC管理器集中管理項目，實現對西門子系列工控產品和WinAC的數據的瀏覽。在建立通信過程中，需要使用適配器和一根標準的RS-232C通信電纜將計算機和PLC的PMI接口相連。

2.3 HMI編程軟件選擇

此控制系統的人機界面編程設計選用西門子公司的SIMATIC WinCC系統。WinCC即視窗控制中心系統，主要功能為使得自動化控制系統的運行過程和監測數據可視化，還具備報警記錄呈現、信息存檔、數據報表等功能[5]。使用WinCC組態軟件，可設計和制作監控系統程序，使用WinCC運行軟件，操作人員可監控操作過程。在監控上位機的操作畫面中，可以直觀看到變壓吸附制氫控制系統的工藝流程，可對流程圖中工藝設施、儀表的工藝參數和運行狀態進行檢查。通過HMI編程軟件設計，能夠將制氫控制過程中的關鍵數據可視化，輔助員工對一些實時數據的掌握，例如，焦爐煤氣的消耗、氫氣的純度和產量、各控制模塊的溫度和壓力等，還可將這些數據進行統計分析以及作為歷史記錄進行歸檔，以便實現對設備和生產線的有效控制，更高效率地完成系統運行和生產調度[6]。

3 模糊-PID復合控制器的設計

變壓吸附制氫控制系統中預處理模塊的溫度和變壓吸附模塊的吸附塔壓力，是生產過程中重點控制對象。因此，基于西門子S7-400H系統架構，設計了模糊-PID復合控制器。圖3所示，即為預處理單元中溫度模糊-PID控制系統圖。

圖3 變壓吸附溫度模糊-PID控制系統圖

根據預處理單元的最佳脫附溫度，將標準預處理溫度T0設定為150℃，預處理單元的實時溫度用T表示。通過溫度傳感器將T0和T進行對比，二者溫度偏差用e代表，同時計算出溫度偏差的變化率e’。在模糊控制器中，將溫度偏差和偏差率作為輸入變量。根據選擇開關的設定值，選擇采用模糊控制還是PID控制。選擇開關的判斷標準為：當溫度偏差幅度小于2°時，系統圖中下方的PID控制器。當溫度偏差幅度大于2°時，選擇開關與上方的模糊控制方式相接?？刂破鞯倪x擇有一定的規律，溫度偏差較小時，PID控制靜態性能較好，能夠使得系統有較高的控制精度。當溫度偏差較大時，PID控制已經不再適用，而模糊控制方法動態性能好，因此選擇模糊控制方式[7-8]。

4 結語

變壓吸附制氫工藝流程復雜，裝置系統涉及設備較多。在鋼鐵企業制氫生產控制系統的設計中，不僅要保證其技術先進性、實用性，更要保證其安全可靠性。從硬件選型、軟件選型以及人機編程軟件選擇上進行設計，也對模糊-PID復合控制器進行設計，以實現對預處理溫度和變壓吸附壓力參數的有效控制，促進變壓吸附制氫控制系統的持續穩定運行。