基于S7-300的氢气自动充装及返气系统研制

智能控制技术今 日 自 动 化
22 ｜ 2021.2 今日自动化
Intelligent control technology
Automation Today
2021年第2期
2021 No.2
某项目现有一台产气量为2 Nm 3/h ，工作压力为1.0 MPa 的碱性水电解制氢装置。

在其生产过程中发现，自制氢装置启动至产品气达到工业级要求一般需要2~3h 的运行时间。

当用户对产品氢气需求波动较大时则需要对制氢设备频繁地进行启停操作，这期间会产生不合格氢气的排放及电能的大量亏损，造成没必要的浪费。

为有效地减少因制氢设备频繁启停造成的浪费，现研制出一套氢气自动充装及返气系统，将制氢装置生成的产品气收集在储罐中，当用户需要使用氢气时，可通过压缩机将氢气供给到用户，来满足用户对氢气的需求。

当用户有未使用完的氢气需要存储时，亦可通过返气流程将气体返回至储罐。

用户可以更灵活地使用和存储氢气，减少制氢设备在生产过程中因频繁启停造成的损失，提高其经济适用性。

1 系统构成与工作原理
基于S7-300的氢气自动充装/返气系统流程图如图1
所示。

图1 氢气充装/返气系统流程图
该系统主要由氢气储罐、压缩机、集装格及独立氢气钢瓶组成。

氢气储罐、集装格单个氢气瓶压力的上下限可在上位机监控画面中修改参数而设定。

将制氢设备生成的产品气存储至氢气储罐中。

充氢时，通过压缩机将三个氢气集装格按照一定的算法依次充至设定的上限。

而当用户的集装格中有未使用完的氢气需要返回储
罐中时，可通过开启返气流程，并按照一定的算法将集装格中的氢气依次返回至储罐。

2 充氢/返氢系统的软件设计
该系统的软件设计部分，主要采用Step7 5.5及WinCC 7.4。

Step7是西门子出的一款编程软件，具有硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试等功能。

WinCC （Windows Control Center ）—视窗控制中心，是西门子TIA （全集成自动化）架构中基于PC 的HMI/SCADA 软件系统。

HMI （Human Machine Interface ）人机界面；SCADA （Supervisory Control And Data Acquision ）监视控制与数据采集。

本项目采用Step7和WinCC 相结合，实现了对系统的硬件配置、逻辑控制及充氢/返氢流程的监控[3]。

2.1 充氢流程设计
图2为氢气充装流程图，在上位监控画面设定储罐及集装格压力的上下限，通过“充氢开始”命令，开始执行充装流程。

首先找出3个集装格中压力最高且未达到其压力上限的集装格进行充氢，至其达到上限后，再从剩余两个集装格中找出压力较高的并将其充装至压力上限。

最后将剩余的集装格充至压力上限。

当三个集装格全部充至上限或储罐压力低于其下限时，压缩机停止充氢流程结束。

2.2 返氢流程设计
图3为氢气返回流程图，在上位监控画面设定缓冲罐及集装格压力的上下限后，通过“返氢开始”命令，开始执行返氢流程。

首先找出3个集装格中压力最低且未达到其压力下限的集装格进行返气流程，至其压力降至下限后，再从剩余2个集装格中找出
压力较低的进行返气，直至压力降到下限。

最后将剩余的集装格进行返气。

当3个集装格压力全部降至下限或储罐压力升至上限时，返氢流程结束。

3 系统硬件设计
该系统硬件部分由5个模块组成：电源模块、CPU 模块、 AI1模块、DI1模块、DI2模块、DO1模块。

图4是系统硬件原理
［摘 要］为减少制氢装置频繁启停造成的损失，设计出一套可自动充装及返气的系统[1]。

用户可将制氢设备生成的产品气存在氢气储罐
中，有用气需要时，可通过压缩机将储罐中的氢气供给用户。

当用户有多余的氢气时，可自动将其返回至氢气储罐中。

本文采用了西门子S7-300PLC 实现了充氢、返气流程的自动执行[2]，并可在监控画面中对各流程进行监控。

［关键词］充氢流程；
返气流程；S7-300［中图分类号］TD727.2 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2021）02–0022–02
The Realization of Hydrogen Automatic Filling and Returning
Hydrogen System Based on S7-300
Kong Wei-jiang ，Sun Jun-kai ，Yang Jin-peng ，Liu Xiao-feng ，Ma Zhan-song
［Abstract ］In order to reduce the loss caused by the frequent start-up of the hydrogen production unit, a system that can automatically charge and
return hydrogen is designed in this paper. The user can store the product gas generated by the hydrogen production equipment in a hydrogen storage tank. When the gas is required, the hydrogen in the storage tank can be supplied to the user through the compressor. And the hydrogen can be automatically returned to the hydrogen storage tank when the user has excess hydrogen, The automatic execution of hydrogen charging and returning hydrogen processes can be realized through the use of Siemens S7-300PLC and the running process can be monitored in the monitoring screen.
［Keywords ］hydrogen filling process;hydrogen returning process;S7-300
基于S7-300的氢气自动充装及返气系统研制
孔卫江，孙俊凯，杨金彭，刘晓峰，马战松
（中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北邯郸 056500
）
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开始
选出3个集装格中压力最高的集装格U
U<集装格上限？V<集装格上限？将U充至设定上限将V充至设定上限
剩余的W<设定上限
将W充至设定上限
结束
选出剩余2个集装格压力大的集装格V
N
N
N
Y
Y
Y
图2 氢气充装流程图
开始
选出3个集装格中压力最低的集装格U
U>集装格下限？V>集装格下限？将U返氢至设定下限
将V 返氢至设定下限
剩余的W>设定下限
将W 返氢至设定下限
结束
选出剩余2个集装格压力大的集装格V
N
N
N
Y
Y
Y
图3 氢气返回流程图
图。

PS
PS307MPI
L N E
AI1SM331DI1SM321DI2SM321D01SM322CPU 314MPI
HMI
图4 系统硬件原理图
3.1 压力信号读取电路设计
图5为各单元压力读取的电路，通过此电路将氢气压力、压
缩机出口压力、汇流排压力及各集装格压力入读CPU 。

以后需的逻辑控制做铺垫。

AI1
1氢气罐压力
压缩机出口压力
汇流排出口压力
1#集装格充/返氢压力
2#集装格充/返氢压力
3#集装格充/返氢压力
234567891011121314151617181920
0 V
0 V
0 V
0 V
24 V+24 V+
0 V
PIX3
PIX2
图5 压力读取电路
3.2 阀门状态反馈电路设计
图6为系统中各个单元阀门状态反馈的电路图。

该模块可实现用户在上位机图控画面中监视各个阀门的当前状态。

从而更准确地把握装置当前的运行状态。

DI2
1压缩机进口阀
压缩机出口阀
1#集装格充/补氢阀
2#集装格充/补氢阀
3#集装格充/补氢阀
返氢阀
23
45678
910111213141516171819
20
24 V+24 V+
24 V+24 V+24 V+24 V+24 V+24 V+
24 V+
24 V+
24 V+
24 V+
24 V+
0 V
图6 阀位反馈电路图
4 结束语
该氢气自动充装及返气系统采用了西门子S7-300进行编程及运行监控。

当用户需要用氢气时，储罐中的氢气通过压缩机，按
一定算法将集装格充至设定压力；当用于有氢气需要输至储罐保存时，可按照一定算法将集装格内的气体依次返回至储罐。

充氢流程、返氢流程可自动执行，无需手动操作。

可使用户更灵活的使用氢气，且有效地减少了制氢设备因频繁启停造成的浪费。

参考文献
[1] 高鹏飞，张国奇，蒲晓龙，等.水电解制氢装置运行过程中存在
问题及改进措施[J].中国氯碱，2020（9）：43-45.
[2] 耿青涛，耿青红，肖军.基于Profibus-DP 的S7-300 PLC 通信实
现[J].自动化技术与应用，2020，39（4）：119-124，148.[3] 游庆华，张捷.基于S7-300 PLC 虚拟仿真平台的设计[J]. 实验室
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2018（13）：39-41.
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