PLC在水电解制氢设备中的应用研究

龙江波

摘 要：现阶段，随着经济的发展和技术的进步，可编程控制（PLC）技术也获得了一定的发展，应用范围也越来越广。因其具有较高的可靠性、较高的性价比、广泛的适用性和较强的扩展性能，人们越来越重视这项技术，而且它在工业领域也有较大的发展。在工业领域，水电解制氢设备控制系统需要借助PLC技术实现精准控制，并向高精度的方向发展，以提高控制系统的可靠性。为此，简要探讨了PLC在水电解制氢设备中的应用，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：PLC；水电解制氢；网络组态；软件设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.081

氢气是一种重要的工业气体，具有易燃易爆的特点。为了确保工业制氢的安全性和稳定性，必须采取必要的安全措施。随着微处理器技术、计算机技术、数字通信技术的不断发展，计算机控制被广泛应用于各个领域。可编程控制器是建立在微处理器基础上的一种通用工业控制设备，具有质量高、成本低、可靠性强、规格多等优点，所以，PLC的用途也更加广泛。利用PLC系统可以实现CPU自动故障切换，从而提高运行设备的安全性和可靠性，减少设备维护工作量，降低维修成本，减轻工人劳动强度，有效提高生产率。

1 工业水电解制氢设备工作原理分析

在现代经济领域，氢气凭借分子小、性质活跃、对环境无污染等优点被广泛应用于现代化工、电子、气象、医药、航天等领域。目前，加压水电解制氢设备是制氢行业的重点使用对象，虽然它具有安装简单、运行费用低、环境污染小等优点，但是，氢气本身易燃、易爆，所以，其运行安全是人们重点关注的内容，也是各项工作的重中之重。

水电解制氢设备的主要作用是采用电解手段分解纯水，从而产生氢气和氧气，而电解之后获得的氢气纯度并没有达到100%，还需要进行后续的分离、洗涤，通过脱氧、干燥等处理获得高纯度氢气。

在水电解制氢设备中，电解槽是最主要的部分，制氢工作主要依靠的是电解液中的正负电极，并在正负电极之间放置隔膜，防止气体渗透，从而形成干电池回路。这样，接通电源后，水就会分解成氢气和氧气，氢气来自阴极，氧气来自阳极。通常情况下，电解液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，溶液的质量分数为25%～30%.因为氢氧化钾溶液的导电能力更强，设备腐蚀加重的问题并不明显，节能性能良好，总体效益也比较好，所以，它被普遍使用。其反应方程式为：

总反应方程式为：2H2O→2H2↑+O2↑.

阴极反应方程式为：2H2O→H2↑+2OH-.

阳极反应方程式为：2OH--2e→H2O+1/2O2↑.

如图1所示，水电解制氢装置是由电解槽、氢氧分离器、氢氧洗涤器、循环泵、补水泵、碱箱、水箱、控制柜、整流变压器和整流柜等组成。在设计电解槽时，主要采用的是压滤式双极性结构。它是制氢装置中必不可少的部分，也是发生电解反应的主要装置。接通电源后，在电流的作用下，设备中的纯水在电极上发生电解反应，生成氢气和氧气。使用电解质溶液是为了增加水的导电能力，使更多的离子能通过电解槽，从而保证产量，降低能耗。但是，在此过程中，氢氧化钾是不参加反应的。

2 PLC概念及工作原理

2.1 PLC的概念

所谓“PLC”，是指可编程序控制器Programmable Logic Controller，它是随着计算机技术的发展而发展的，对工业领域实现精准化控制有非常重要的意义。在PLC技术的支持下，设备自身接口比较多，主要承担着输入和输出功能，有效提升了驱动能力。在PLC内部，运用具有可编程序的存储器进行逻辑运算，可以实现对操作指令的控制，实现数字化输出，实现对工业机械或生产系统的控制。目前，PLC与计算机技术、自动化技术等先进技术相融合，逐渐显示出了强大的通用性。

2.2 PLC工作原理

在工作状态下，PLC以循环扫描的方式运作，工作过程大体可以分为内部操作、通信操作、程序输入、程序执行和程序输出5部分。当这些任务全部完成后，就实现了全过程扫描，而整个过程所花费的时间也可以称为扫描周期。在内部操作的过程中，PLC系统可以实现对CPU的自检，确保CPU硬件处于正常状态。而在通信操作部分，应用智能模块能够响应和更新PLC编程器的键入命令。当PLC处于STOP状态时，其仅执行内部处理和通信服务；当PLC处于RUN状态时，则执行循环扫描。在操作过程中，需要完成数据采样、执行、处理等命令，待一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。

3 PLC在水电解制氢设备中的应用方案

3.1 PLC选型

现阶段，S7-400、S7-300等型号都是PLC的重要选型。其中，S7-300在中等程序处理量方面的应用具有很大的优势，尤其是对二进制和浮点数的运算，S7-300的处理能力更强，在市场中有广泛的应用前景。而S7-400的使用性能比较强，它凭借快速的处理速度、强悍的通讯能力和稳定的性能备受人们的青睐。与此同时，S7-400对等时模式的支持是响应现代自动化技术的重要应用方案，具有较强的经济性。

在工业控制领域，S7-414H也被广泛应用。借助其先进的容错技术，用2个并行的操作系统可以实现冗余设计，从而降低运行风险。在设备运行过程中，即使其发生故障，也可以启动备用元器件实现无扰动切换，从而减小停机风险，减少生产损失，避免信息丢失。

3.2 PLC硬件组成

PLC的基本硬件包括标准机、电源、CPU、输入输出设备和通信系统等，但是，在这个系统中，还需要充分考虑冗余、热备PLC等。因此，硬件设备的组成还需要不断完善，以确保系统运行的可靠性。在进行冗余配置的过程中，除了设置冗余的CPU、供电设备和通信设备外，还需要配置客户服务器、通讯介质和接口模件等，以满足自动化控制的需求。

3.3 系统软件设计

在控制系统中，需要安装的软件有STEP7、Protool和WinCC。STEP7的主要功能是完善PLC硬件组态，实现控制程序的编辑、修改和上传下载；Protool主要作用于系统触摸屏，不断完善其组态、编辑、修改、下载等工作流程；WinCC属于监控组态软件，可以实现对PLC工作中数据流程的监控。

4 结束语

现阶段，工业领域引进了许多先进的科技成果，而且工业生产控制日益精准化，制氢行业也是如此。借助PLC技术可以精准控制电解反应，提高制氢工艺的安全性和可靠性，提高制氢工作的效率，创造更好的经济效益。为此，将PLC这一集众多先进成果于一身的先进控制手段应用于水电解制氢设备中，对于制氢行业的发展有非常重要的意义。

参考文献

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〔编辑：白洁〕