深圳信息职业技术学院　陈慧群　胡吉良

根据用户的需要，通过进一步的后处理，可以通过先进的甲醇蒸汽重整技术获得氢气。然而这是一个复杂的催化反应过程[1-2]。长期以来，重整制氢化学反应主要以化学、化工、热能、生化、绿色能源等学科领域的科研人员为主，研究方向集中在催化剂、载体、工艺、实验等方面。对重整制氢化学反应过程中各种物理量的检测和控制研究极少涉足，研究过程中所需要的的各种物理量的测控数据基本上也是凭经验值或手动粗略调节获得[3-5]。很显然，这些做法及不规范也不科学，严重制约了甲醇重整制氢技术在工业生产中的普遍推广和广泛采用。经验值与实际值总会有误差；不管操作人员的技术和熟练程度有多高，手动调控准确度总是很难把握的[6-8]。因此，研究微反应器测控系统设计是在实际应用甲醇重整制氢技术中亟需解决的核心技术问题。

由于化学反应情况的不确定性（化学反应在不同条件下比如温度、工况、催化剂活性、空气含量等参数差异呈现不同结果）。微反应器系统温度、压力、水醇蒸汽流量和气体浓度等物理量检测与控制较难，由于系统相当复杂，既无规律可寻，又变化莫测，这些都为检测和控制带来了巨大的挑战和困难，从系统控制学科的角度来看，甲醇重整制氢反应系统完全是一个多变量的参变输入、结果多输出的非线性复杂系统[9-11]。类似一个黑闸子，只能依靠有限的输出信息对其实施有效控制[12]。

而且，现代氢燃料电池技术对电池阳极输入端有要求，该端气体压力不宜浮动较大，因为过频的大幅度调动会影响到电池使用寿命[13-14]。鉴于此，产氢端需要保证供氢平稳有序，从检测和控制角度看，也希望微反应器催化反应的动态过程中产氢平稳有序。这些约束条件在一定程度上也增加了自动测控的难度。

本文设计一种具有参数自适应能力的甲醇重整制氢反应器测控系统可解决以上这些问题。甲醇重整制氢反应器控制系统是燃料电池和其他现场重整制氢（移动氢源）的核心模块系统，本研究潜在的技术可以推广应用到一般的醇类和其他碳氢液态燃料重整制氢反应器中。

1　反应器测控系统总体方案设计

根据微反应器整体系统工作原理及内部温度、压力、流量、液位、电磁阀通断控制要求，整个反应器测控系统包括以下子模块：温度控制模块、流量控制模块、液位检测模块、压力检测模块及中央控制部分：如计算机显示、处理、存储等软硬件。甲醇现场重整制氢反应测控系统总体结构图如图1所示。

图1　甲醇现场重整制氢反应测控系统总体结构图

1.1　温度控制模块

通过采用热电偶对蒸发器和反应器的内部温度进行测量，热电偶信号经过调理之后经数据采集卡模拟输入通道输入到上位机并在测控软件中实时显示。同时，软件控制部分按照温度设定值和当前值的差值运算得到对应脉冲宽度调制技术（PWM）控制信号的占空比，并通过数据采集卡数字输出通道输出该PWM信号用来控制固态继电器的通断，继而可通过固态继电器的通断控制电加热棒的实际功率。

1.2　流量控制模块

该模块包括还原气体流量质量控制和液体燃料流量控制。气体流量质量控制采取软件控制流量控制器的方式来实现。计算机通过RS485串口总线与流量控制器进行实时通讯，它根据流量的设定值把控制信号实时传输给流量质量控制器从而控制阀门的开口大小，实现流量的有效控制目的。重整反应所需的液体燃料采取注射泵供给方式。基本思路是将步进电机的旋转运动通过丝杆传动直接转为直线平动。电脑控制中心与注射泵通过串行总线进行通讯和信息交换。信号经过内部电路数字转化后驱动步进电机转动，继而实现液体流量平稳、小流量的持续供给。

1.3　压力检测模块

该模块用于重整反应进行过程中实时压力监测，确保重整反应安全有序进行。由于醇类（包括其他碳氢液态燃料）重整制氢反应的进行过程对压力没有特别的要求，在常压下即可进行，因此，无需对反应器中的压力进行控制。仅需对压力进行实时监测，一旦压力值超过安全值，就发出警报，并强制终止重整反应进行。

综上，整个控制系统的核心就是计算机及测控软件。系统中各个状态物理量，包括温度、流量及压力都通过相应的总线传输到计算机，再借助电脑上安装的测控软件进行有效的分析和及时处理，包括显示、存储、运算等，处理的结果又实时传输到对应的执行模块，对它们进行控制。在该过程中，计算机、测控软件和数据采集卡等构成了一个以计算机为核心的虚拟仪器，该虚拟仪器实时显示了重整反应时的温度、压力和流量等状态量信息，并且在反应过程中有效、稳定地控制了温度、流量这两个状态量。

图2　硬件配置图

2　主控硬件配置与功能

甲醇制氢控制系统采用PLC可编程控制模式，上位机采用高性能的PC，下位机控制系统的核心是西门子PLC用来测量现场温度、压力、流量和电磁阀的开关控制。同时，PID控制器独立控制压力调节阀。带有RS-232接口的PLC可直接连接个人计算机串口。本文采用了两种通信标准：RS-232和RS-485[15,16]，RS-232连接硬件和软件，RS-485负责远程数据传输。通过RS-232／RS-485，信号可以转换。RS-485是一种工业协议，抗干扰能力强，传输距离高达1200米，在线要求低，因此，通过RS-485协议，PLC和控制室的计算机可以连接。该系统可对温度、压力、流量、液位等参数进行测量和控制。同时，还可以实现电磁阀的启闭控制和调节控制。实现对运行状态的实时监控，设置PID智能仪表和PLC控制器参数，包括各种参数记录、打印历史趋势记录、异常报警链。具体配置如图2所示。

数据采集设备选用USB-6259 BNC多功能数据采集卡。该数据采集卡可以进行8个测试量程的设置，最大量程区域为-10V～10V,最小量程区域为-100mV～100mV。板卡自带定时时钟，可同时进行16路以上的模拟信号数据采集，完全可满足温度、压力等各种信号数据采集的需求。同时采集卡还提供了48路I/O通道，且兼容TTL逻辑电平，可控制固态继电器通断。

3　各种信号测控通道设计

3.1　温度信号测控通道

采用热电偶测量甲醇重整部分的温度，包括以下几点：换热管反应器出口温度、进出口温度、催化剂温度、换热器壳程出口温度。热电偶输出4-20mA信号、扩展模块EM231进行模拟量的输入，然后显示到组态王用户面板。“组态王”通过通信协议使信号转换成数字温度。采用数字输出型的K型热电偶信号处理集成芯片MAX6672，如图3及图4所示。

图3　MAX6672芯片图示

图4　MAX6672芯片各引脚功能图示

3.2　流量信号测控通道

利用金属转子流量计测量甲醇-水蒸汽流量和甲醇重整净化空气的流量，然后将流量传感器测量输出信号接入EM231输入和发送数据到PC，“组态王”提供的设施用于流量数值显示、监测和数据记录。本文水醇液体流量的测控采取水泵流量与玻璃转子流量计控制组合的方式。转子流量计可实现液体流量的精确检测，通过PWM（脉冲宽度调制）方式控制水泵电压来实现流量的大小调节目的[17]。

3.3　液位信号测控通道

通过差压变送器测量水洗涤器液位，测量值显示，4-20mA的直流输入，扩展模块EM231进行模拟量的输入，测量值和上下限值将被计算，如果给定值大于上限值，差压变送器将输出“开”信号对水洗涤器电磁阀阀门直到测量值低于下限，输出“关”信号，然后关闭，水洗涤器的电磁阀保持液位平衡。具体配置参见图5。

图5　液位控制功能图

图6　压力测控功能图

3.4　压力信号测控通道

在压力变送器、吸附塔、气化过热器和微反应器压力信号转换成电流信号（该信号是4-20毫安，PLC模拟量输入模块的日志）后。通过将量程转换成实际压力，将数据通过独立模块转换成实数。同时，输入甲醇重整气罐的PID仪表信号输入端的压力信号，计算设定值和测量值，然后把计算结果转换成4-20mA的直流电输入到电子变流器中，该变流器可将结果转换为0.2-1.0kPa压力信号来调节控制阀的开度，实现对缓冲罐的压力闭环调节，其目的是控制系统压力，如图6所示。

4　小结

PLC具有进一步优化甲醇重整制氢控制系统优点，设备的成本下降，操作更加稳定，维护越来越简单，从而降低了投资和生产成本，有利于我国中小企业的发展，并获得巨大的经济效益和社会效益，所以这技术可被广泛应用于工业生产。本文针对在变负荷的过程中依然保持输入量之间的最佳混合比将造成重整温度出现无规律的波动的技术缺陷，采用数字输出型的K型热电偶信号处理集成芯片线性化处理以及模数转换来设计温度信号测控通道；针对反应器中传统流量检测不够精确、物料总流量控制不稳定的问题，设计了水泵流量与玻璃转子流量计控制相结合的流量信号测控通道；针对系统安全保障性问题，设计了H2/CO测漏电路（气体流量浓度检测）来确保系统内结构的安全可靠。本文串行通讯采用RS485串行接口，可实现数据的海量存储、分析和集成测控。甲醇重整制氢反应器控制系统是燃料电池和其他现场重整制氢（移动氢源）的核心模块系统，本文潜在的技术可以推广应用到一般的醇类和其他碳氢液态燃料重整制氢反应器中。

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