水電解制氫遠程控制系統的製作方法

2023-11-30 10:32:11 1

專利名稱：水電解制氫遠程控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於水電解制氫技術領域，具體涉及一種水電解制氫設備的控制系統。
背景技術：
氫氣是一種熱值較高的清潔能源，目前主要的制氫工藝包括水電解制氫、熱化學 循環分解水制氫、光化學制氫、礦物燃料制氫以及生物制氫。其中，水電解制氫將電網 電能轉化為氫能，具有氫氣純度高、過程和設備簡單、生產流程無汙染、相關工藝技術 成熟、能量轉換效率高、制氫規模大小靈活等特點。傳統的水電解制氫裝置控制設備通 常採用工控機與PLC控制器實現，防爆區儀器儀表採集的多路模擬信號直接與非防爆區
PLC控制器相接，控制系統安裝複雜且安全性、抗幹擾性、可靠性較差。採用網絡控制技
術對制氫設備進行控制，實現系統的無人值守、全程自動化、集中管理以及遠程故障診 斷等功能是該領域的一種趨勢，但由於受網絡傳輸的速率、距離還有安全性等影響，相 關技術及其應用還不是十分成熟。

發明內容
針對現有水電解制氫系統中兼容性不高、數據傳輸速率低、信號互連線多、幹擾問 題嚴重、系統結構複雜、數據信息無法共享、故障處理周期較長以及智能化、自動化集
成度不高等問題，本發明提供了一種水電解制氫遠程監控系統實現方案
一種水電解制氫遠程控制系統，包括現場儀表、傳感器、執行機構、分布式I/O、 PLC
控制站、本地監控站、操作站、伺服器和遠程監控站及移動通信終端，其中，現場儀表、
傳感器和執行機構與分布式I/O直接相連，分布式I/O與PLC控制站之間通過現場總線 相連，每個PLC控制站控制一臺水電解制氫設備，各個PLC控制站與本地監控站、操作 站、伺服器之間通過工業乙太網相連，本地監控站與遠程監控站和移動通信終端之間分 別通過Internet和簡訊息服務中心實現通信；對於制氫裝置中的整流櫃，信號提取位置 為整流櫃輸出的直流電信號，信號被直接送至分布式1/0，然後通過現場總線轉發到PLC 控制站，最終傳送到本地監控站，在本地監控站上實現如下的信號分析根據信號中'的 故障信號所在頻段，選擇小波分解層數n;選用dbl和db3作為小波母函數，並分別做 n-l層多解析度分解，把原始故障信號分解成n個序列，每個序列只有一個組分；對每個 組分進行Wigner-Ville分布分析，再把各個序列Wigner-Ville分布組合形成原信號的 時頻分布，實現信號的多尺度分析。.
作為優選實施方式，在本地監控站設置有兩個相互獨立且互為熱備的本地上位機實現冗餘控制。
本發明是一種工業乙太網與現場總線相結合、實時性強、信息共享、具備遠程監控 功能、過程參數智能化調整以及使制氫整個過程(開車前檢査、開車操作、運行以及停車) 實現全自動化的水電解制氫遠程控制系'統，它可以用來構建新的制氫設備裝置控制系統, 也可以在保證最大限度不重複投資建設基礎上，改造現有的制氫設備裝置控制系統。本 發明具有如下的技術效果-
(1) 通過網絡技術提高了水電解制氫整個生產過程的自動化控制水平，實現了系統的 遠程控制和在線維護，大大提高了生產效率，減少了維修成本。
(2) 擴展性好，能隨時向網絡添加新的制氫設備控制系統，而不改變當前的網絡結構 和功能。
(3) 由於採用了工業乙太網和總線相結合的方式，省去了大量電纜，既降低了成本， 也提高了制氫控制系統的兼容性和傳輸速率。
(4) 本發明將現場儀表、傳感器和執行機構等單元進行分布式I/O控制，並將制氫現 場的防爆區和非防爆區之間的連接改為具有本安特徵的總線方式連接，系統的可 靠性和安全性高。
(5) 採用先進PID控制方法來控制制氫過程的關鍵參數，提高了控制的精確度和產品 的生產質量，增加了設備運行的安全可靠性，降低了設備的故障率，減少了設備 維護成本。
(6) 採用基於小波變換的Wigner-Ville信號分析策略，對整流櫃故障進行在線診斷， 該策略既能消除Wigner-Ville分布的幹擾項，又能提供良好的故障時頻分析結果， 可減少制氫設備的停機時間和維修費用，提高系統可靠性。
(7 )基於分類故障短消息報警系統大大提高了基於網絡控制的制氫控制系統遠程控制 的移動性和可靠性，與有線網絡形成互補。


圖1為本發明的系統控制結構框圖。
圖2是基於小波變換的Wigner-Ville時頻分析策略框圖。
圖3是基於DSP的整流櫃故障檢測示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳述。
本發明的水電解制氫裝置遠程控制系統主要由現場儀表、執行機構、PLC控制站、本 地監控站、遠程監控站組成，其基本結構如圖l所示。
本發明主要釆用工業乙太網技術和西門子公司的PROFIBUS總線技術實現多個制氫設 備的網絡控制。系統主要由現場儀表、傳感器、電磁閥和繼電器等執行機構、PLC控制站、
4本地監控站、遠程監控站和伺服器等部分組成。
如圖l所示，整個網絡可以分為三層，最低層通過PROFIBUS-DP總線將分布式I/0~~ ET200與單元級PLC控制站連接，中間層採用工業乙太網技術實現監控站、操作站和服務 器以及PLC控制站等各種智能自動化單元之間的通信，最上層則通過Internet和簡訊息 服務中心(SMSC)實現制氫設備的遠程監控和遠程售後服務等功能。
在網絡最低層的智能儀表、傳感器、電磁閥和繼電器等執行機構由於其一般不具備 PROFIBUS總線接口設備，所以本發明將它們與分布式1/0直接相連，這樣可以節省成本， 降低系統開發時間。對於防爆區和非防爆區，採用不同安全等級的分布式1/0，防爆區採 用ET200isp，非防爆區採用標準的ET200M，各個分布式I/O之間及其與PLC控制站間的 傳輸速率達1.5Mbps 。
每一個PLC控制站為一個主站，下面有多個分布式I/O從站與之通過PROFIBUS DP 總線進行通信，聯合起來負責控制對應的一個水電解制氫設備，實現了系統的模塊化和 分散式控制。
圖1中，n個PLC控制站負責n個水電解制氫設備的控制，互相獨立，但都通過CP343-1 連入工業乙太網，實現與上層的監控站、操作站和伺服器之間的數據和指令傳送，同時 也能採用控制站本身的觸控螢幕人機操作界面對本地制氫設備進行控制。控制系統採用兩 臺本地上位機組成一個監控站實現對各套制氫設備所有參數進行監控，通過CP1612接入 工業乙太網。兩臺上位機用同樣的應用程式，任一臺上位機可對任何制氫設備的任何參 數進行監視和控制，且兩者互為熱備。監控功能主要包括操作控制、報警、參數設定與 修改以及生成報表並列印等。通過點擊"啟動"，設備可以自動完成充氮置換、鹼液循 環、參數設定、調整電解電流、電解電壓、開啟分析儀器進行數據檢測並自動完成充罐 貯氫全部過程。監控站用畫面代替二次儀表、手操器，在手動情況下可通過畫面控制調 節閥的開度實現槽壓、鹼溫以及氫氧液位的調節過程，並能夠根據需要切換至自動狀態， 以便於系統的穩定或相關控制軟體的調試。對於水電解制氫中的關鍵參數例如槽溫、槽 壓以及分離器液位，本發明採用Antiiindup PID控制器進行控制以減少限幅環節對提 高控制的精度。系統能記憶儲存各種功能狀態和故障現象並能夠進行簡單的自我診斷。 通過對重要參數設置報警進行報警瀏覽，避免生產事故的發生，便於事故分析。
伺服器負責儲存各個監控站獲得的各個制氫設備遠程監控時所需要的所有數據，並 具有良好的人機接口畫面供遠程工程師和管理人員訪問，數據傳送和訪問時採用AES加 密技術，配合密鑰的管理能保證數據傳輸的安全性，避免外部因素通過網絡監聽數據傳 輸竊取相關軟體程序。擁有授權的相關用戶可以根據自己的用戶等級使用自己的密鑰進 行相應遠程操作。當制氫系統發生故障時，系統可以通過Internet和手機簡訊等方式向 相關人員及時發送分類報警信息，保證報警信息的及時和正確響應，然後相關技術人員 在遠端調用故障時制氫設備的相關參數，通過網際網路改寫PLC程序，迅速排除故障。當 用戶需求發生改變或遠程控制裝置的軟體有相應的升級版本，生產廠商也可以在Internet遠端實現控制軟體的在線更新。
對於制氫裝置中的重要設備整流櫃，本發明提出如圖2所示的基於小波變換的 Wigner-Ville信號分析策略。根據實際診斷效果，該策略首先選用dbl和db3作為小波 母函數，並分別做n-1層多解析度分解，把原始故障信號s分解成多個序列，每個序列 只有一個組分(si, S2 ， s3，……sn)。小波分解層數n取決於信號中的故障信號所在 頻段，這裡一般選取5-7即可。具體數目由故障的類型和實際故障檢測效果決定。然後 對每個組分進行Wigner-Ville分布分析，再把各個序列的Wigner-Ville分布組合形成 原信號的時頻分布WVDs，這樣既能消除幹擾項，又不影響Wigner-Ville分布的時頻聚集 性，並實現信號的多尺度分析。
有關Wigner—Ville分布分析方法的較為詳細的內容，可參見下列論文小波變換 用於Wigner—Ville分布交叉項的抑制'/傅海威，傅君眉〃西安石油學院學報自然科學 版-2001. 16(5). -37-39。該文章給出了一種基於小波變換的Wigner-Ville分布交叉項抑 制方法，但是該方法是將原始信號先作沐igner-Ville分布時頻分析，然後將時頻分布做 小波分解與重構，得到新的Wigner-Ville分布圖。而本發明則先對原始信號進行多尺度 分輛，然後對分解後的多組信號分別進行Wigner-Ville分布分析，得到各自的 Wigner-Ville時頻分布，最後進行組合得到原始信號的Wigner-Ville分布。
在利用上述策略進行整流櫃故障診斷的過程中，信號提取位置為整流櫃輸出的直流 電信號，信號被直接送至分布式1/0，如圖3所示。然後通過現場總線轉發到PLC控制站， 最終傳送到本地監控站，在本地監控站上實現如圖2所示的信號分析策略。該故障診斷 分析策略實現了對整流櫃各種常見故障的在線分析與診斷，減少了制氫設備的停機時間
和維修費用。
權利要求
1. 一種水電解制氫遠程控制系統，包括現場儀表、傳感器、執行機構、分布式I/O、PLC控制站、本地監控站、操作站、伺服器和遠程監控站及移動通信終端，其中，現場儀表、傳感器和執行機構與分布式I/O直接相連，分布式I/O與PLC控制站之間通過現場總線相連，每個PLC控制站控制一臺水電解制氫設備，各個PLC控制站與本地監控站、操作站、伺服器之間通過工業乙太網相連，本地監控站與遠程監控站和移動通信終端之間分別通過Internet和簡訊息服務中心實現通信；對於制氫裝置中的整流櫃，信號提取位置為整流櫃輸出的直流電信號，信號被直接送至分布式I/O，然後通過現場總線轉發到PLC控制站，最終傳送到本地監控站，在本地監控站上實現如下的信號分析根據信號中的故障信號所在頻段，選擇小波分解層數n；選用db1和db3作為小波母函數，並分別做n-1層多解析度分解，把原始故障信號分解成n個序列，每個序列只有一個組分；對每個組分進行Wigner-Ville分布分析，再把各個序列Wigner-Ville分布組合形成原信號的時頻分布，實現信號的多尺度分析。
2. 根據權利要求1所述的水電解制氫遠程控制系統，其特徵在於，在本地監控站設置有 兩個相互獨立且互為熱備的本地上位機實現冗餘控制。
全文摘要
本發明屬於水電解制氫技術領域，涉及一種水電解制氫遠程控制系統，包括現場儀表、傳感器、執行機構、分布式I/O、PLC控制站、本地監控站、操作站、伺服器和遠程監控站及移動通信終端，其中，現場儀表、傳感器和執行機構與分布式I/O直接相連，分布式I/O與PLC控制站之間通過現場總線相連，各個PLC控制站與本地監控站、操作站、伺服器之間通過工業乙太網相連，本地監控站與遠程監控站和移動通信終端之間分別通過Internet和簡訊息服務中心實現通信；對於制氫裝置中的整流櫃，採用基於Wigner-Ville分布的故障診斷方法。本發明通過網絡技術提高了水電解制氫整個生產過程的自動化控制水平，實現了系統的遠程控制和在線維護，大大提高了生產效率，減少了維修成本。
文檔編號G05B19/418GK101510092SQ200910068280
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優先權日2009年3月27日
發明者宇 張, 方紅偉, 衛 許, 彥 閻 申請人:天津大學