水电解制氢远程控制系统

摘要

本发明属于水电解制氢技术领域，涉及一种水电解制氢远程控制系统，包括现场仪表、传感器、执行机构、分布式I/O、PLC控制站、本地监控站、操作站、服务器和远程监控站及移动通信终端，其中，现场仪表、传感器和执行机构与分布式I/O直接相连，分布式I/O与PLC控制站之间通过现场总线相连，各个PLC控制站与本地监控站、操作站、服务器之间通过工业以太网相连，本地监控站与远程监控站和移动通信终端之间分别通过Internet和短信息服务中心实现通信；对于制氢装置中的整流柜，采用基于Wigner-Ville分布的故障诊断方法。本发明通过网络技术提高了水电解制氢整个生产过程的自动化控制水平，实现了系统的远程控制和在线维护，大大提高了生产效率，减少了维修成本。

权利要求

1.一种水电解制氢远程控制系统，包括现场仪表、传感器、执行机构、分布式I/O、PLC控制站、本地监控站、操作站、服务器和远程监控站及移动通信终端，其中，现场仪表、传感器和执行机构与分布式I/O直接相连，分布式I/O与PLC控制站之间通过现场总线相连，每个PLC控制站控制一台水电解制氢设备，各个PLC控制站与本地监控站、操作站、服务器之间通过工业以太网相连，本地监控站与远程监控站和移动通信终端之间分别通过Internet和短信息服务中心实现通信；对于制氢装置中的整流柜，信号提取位置为整流柜输出的直流电信号，直流电信号被直接送至分布式I/O，然后通过现场总线转发到PLC控制站，最终传送到本地监控站，在本地监控站上实现如下的直流信号分析：(1)根据直流电信号中的故障信号所在频段，选择小波分解层数n；(2)选用db1和db3作为小波母函数，并分别做n-1层多分辨率分解，把直流电信号中的故障信号分解成m个序列，每个序列只有一个组分；(3)对每个组分进行Wigner-Ville分布分析，再把各个序列Wigner-Ville分布组合形成直流电信号中的故障信号的时频分布，实现直流电信号的多尺度在线分析。

2.根据权利要求1所述的水电解制氢远程控制系统，其特征在于，在本地监控站设置有两个相互独立且互为热备的本地上位机实现冗余控制。

说明书

水电解制氢远程控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于水电解制氢技术领域，具体涉及一种水电解制氢设备的控制系统。

背景技术

[0002] 氢气是一种热值较高的清洁能源，目前主要的制氢工艺包括：水电解制氢、热化学循环分解水制氢、光化学制氢、矿物燃料制氢以及生物制氢。其中，水电解制氢将电网电能转化为氢能，具有氢气纯度高、过程和设备简单、生产流程无污染、相关工艺技术成熟、能量转换效率高、制氢规模大小灵活等特点。传统的水电解制氢装置控制设备通常采用工控机与PLC控制器实现，防爆区仪器仪表采集的多路模拟信号直接与非防爆区PLC控制器相接，控制系统安装复杂且安全性、抗干扰性、可靠性较差。采用网络控制技术对制氢设备进行控制，实现系统的无人值守、全程自动化、集中管理以及远程故障诊断等功能是该领域的一种趋势，但由于受网络传输的速率、距离还有安全性等影响，相关技术及其应用还不是十分成熟。

发明内容

[0003] 针对现有水电解制氢系统中兼容性不高、数据传输速率低、信号互连线多、干扰问题严重、系统结构复杂、数据信息无法共享、故障处理周期较长以及智能化、自动化集成度不高等问题，本发明提供了一种水电解制氢远程监控系统实现方案：

[0004] 一种水电解制氢远程控制系统，包括现场仪表、传感器、执行机构、分布式I/O、PLC控制站、本地监控站、操作站、服务器和远程监控站及移动通信终端，其中，现场仪表、传感器和执行机构与分布式I/O直接相连，分布式I/O与PLC控制站之间通过现场总线相连，每个PLC控制站控制一台水电解制氢设备，各个PLC控制站与本地监控站、操作站、服务器之间通过工业以太网相连，本地监控站与远程监控站和移动通信终端之间分别通过Internet和短信息服务中心实现通信；对于制氢装置中的整流柜，信号提取位置为整流柜输出的直流电信号，信号被直接送至分布式I/O，然后通过现场总线转发到PLC控制站，最终传送到本地监控站，在本地监控站上实现如下的信号分析：根据信号中的故障信号所在频段，选择小波分解层数n；选用db1和db3作为小波母函数，并分别做n-1层多分辨率分解，把原始故障信号分解成n个序列，每个序列只有一个组分；对每个组分进行Wigner-Ville分布分析，再把各个序列Wigner-Ville分布组合形成原信号的时频分布，实现信号的多尺度分析。

[0005] 作为优选实施方式，在本地监控站设置有两个相互独立且互为热备的本地上位机实现冗余控制。

[0006] 本发明是一种工业以太网与现场总线相结合、实时性强、信息共享、具备远程监控功能、过程参数智能化调整以及使制氢整个过程(开车前检查、开车操作、运行以及停车)实现全自动化的水电解制氢远程控制系统，它可以用来构建新的制氢设备装置控制系统，也可以在保证最大限度不重复投资建设基础上，改造现有的制氢设备装置控制系统。本发明具有如下的技术效果：

[0007] (1)通过网络技术提高了水电解制氢整个生产过程的自动化控制水平，实现了系统的远程控制和在线维护，大大提高了生产效率，减少了维修成本。

[0008] (2)扩展性好，能随时向网络添加新的制氢设备控制系统，而不改变当前的网络结构和功能。

[0009] (3)由于采用了工业以太网和总线相结合的方式，省去了大量电缆，既降低了成本，也提高了制氢控制系统的兼容性和传输速率。

[0010] (4)本发明将现场仪表、传感器和执行机构等单元进行分布式I/O控制，并将制氢现场的防爆区和非防爆区之间的连接改为具有本安特征的总线方式连接，系统的可靠性和安全性高。

[0011] (5)采用先进PID控制方法来控制制氢过程的关键参数，提高了控制的精确度和产品的生产质量，增加了设备运行的安全可靠性，降低了设备的故障率，减少了设备维护成本。

[0012] (6)采用基于小波变换的Wigner-Ville信号分析策略，对整流柜故障进行在线诊断，该策略既能消除Wigner-Ville分布的干扰项，又能提供良好的故障时频分析结果，可减少制氢设备的停机时间和维修费用，提高系统可靠性。

[0013] (7)基于分类故障短消息报警系统大大提高了基于网络控制的制氢控制系统远程控制的移动性和可靠性，与有线网络形成互补。

附图说明

[0014] 图1为本发明的系统控制结构框图。

[0015] 图2是基于小波变换的Wigner-Ville时频分析策略框图。

[0016] 图3是基于DSP的整流柜故障检测示意图。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

[0018] 本发明的水电解制氢装置远程控制系统主要由现场仪表、执行机构、PLC控制站、本地监控站、远程监控站组成，其基本结构如图1所示。

[0019] 本发明主要采用工业以太网技术和西门子公司的PROFIBUS总线技术实现多个制氢设备的网络控制。系统主要由现场仪表、传感器、电磁阀和继电器等执行机构、PLC控制站、本地监控站、远程监控站和服务器等部分组成。

[0020] 如图1所示，整个网络可以分为三层，最低层通过PROFIBUS-DP总线将分布式I/O——ET200与单元级PLC控制站连接，中间层采用工业以太网技术实现监控站、操作站和服务器以及PLC控制站等各种智能自动化单元之间的通信，最上层则通过Internet和短信息服务中心(SMSC)实现制氢设备的远程监控和远程售后服务等功能。

[0021] 在网络最低层的智能仪表、传感器、电磁阀和继电器等执行机构由于其一般不具备PROFIBUS总线接口设备，所以本发明将它们与分布式I/O直接相连，这样可以节省成本，降低系统开发时间。对于防爆区和非防爆区，采用不同安全等级的分布式I/O，防爆区采用ET200isp，非防爆区采用标准的ET200M，各个分布式I/O之间及其与PLC控制站间的传输速率达1.5Mbps。

[0022] 每一个PLC控制站为一个主站，下面有多个分布式I/O从站与之通过PROFIBUS DP总线进行通信，联合起来负责控制对应的一个水电解制氢设备，实现了系统的模块化和分散式控制。

[0023] 图1中，n个PLC控制站负责n个水电解制氢设备的控制，互相独立，但都通过CP343-1连入工业以太网，实现与上层的监控站、操作站和服务器之间的数据和指令传送，同时也能采用控制站本身的触摸屏人机操作界面对本地制氢设备进行控制。控制系统采用两台本地上位机组成一个监控站实现对各套制氢设备所有参数进行监控，通过CP1612接入工业以太网。两台上位机用同样的应用程序，任一台上位机可对任何制氢设备的任何参数进行监视和控制，且两者互为热备。监控功能主要包括操作控制、报警、参数设定与修改以及生成报表并打印等。通过点击“启动”，设备可以自动完成充氮置换、碱液循环、参数设定、调整电解电流、电解电压、开启分析仪器进行数据检测并自动完成充罐贮氢全部过程。监控站用画面代替二次仪表、手操器，在手动情况下可通过画面控制调节阀的开度实现槽压、碱温以及氢氧液位的调节过程，并能够根据需要切换至自动状态，以便于系统的稳定或相关控制软件的调试。对于水电解制氢中的关键参数例如槽温、槽压以及分离器液位，本发明采用Anti-windup PID控制器进行控制以减少限幅环节对提高控制的精度。系统能记忆储存各种功能状态和故障现象并能够进行简单的自我诊断。通过对重要参数设置报警进行报警浏览，避免生产事故的发生，便于事故分析。

[0024] 服务器负责储存各个监控站获得的各个制氢设备远程监控时所需要的所有数据，并具有良好的人机接口画面供远程工程师和管理人员访问，数据传送和访问时采用AES加密技术，配合密钥的管理能保证数据传输的安全性，避免外部因素通过网络监听数据传输窃取相关软件程序。拥有授权的相关用户可以根据自己的用户等级使用自己的密钥进行相应远程操作。当制氢系统发生故障时，系统可以通过Internet和手机短信等方式向相关人员及时发送分类报警信息，保证报警信息的及时和正确响应，然后相关技术人员在远端调用故障时制氢设备的相关参数，通过互联网改写PLC程序，迅速排除故障。当用户需求发生改变或远程控制装置的软件有相应的升级版本，生产厂商也可以在Internet远端实现控制软件的在线更新。

[0025] 对于制氢装置中的重要设备整流柜，本发明提出如图2所示的基于小波变换的Wigner-Ville信号分析策略。根据实际诊断效果，该策略首先选用db1和db3作为小波母函数，并分别做n-1层多分辨率分解，把原始故障信号s分解成多个序列，每个序列只有一个组分(s1，s2，s3，……sn)。小波分解层数n取决于信号中的故障信号所在频段，这里一般选取5-7即可。具体数目由故障的类型和实际故障检测效果决定。然后对每个组分进行Wigner-Ville分布分析，再把各个序列的Wigner-Ville分布组合形成原信号的时频分布WVDs，这样既能消除干扰项，又不影响Wigner-Ville分布的时频聚集性，并实现信号的多尺度分析。

[0026] 有关Wigner-Ville分布分析方法的较为详细的内容，可参见下列论文：小波变换用于Wigner-Ville分布交叉项的抑制/傅海威，傅君眉//西安石油学院学报：自然科学版-2001.16(5).-37-39。该文章给出了一种基于小波变换的Wigner-Ville分布交叉项抑制方法，但是该方法是将原始信号先作Wigner-Ville分布时频分析，然后将时频分布做小波分解与重构，得到新的Wigner-Ville分布图。而本发明则先对原始信号进行多尺度分解，然后对分解后的多组信号分别进行Wigner-Ville分布分析，得到各自的Wigner-Ville时频分布，最后进行组合得到原始信号的Wigner-Ville分布。

[0027] 在利用上述策略进行整流柜故障诊断的过程中，信号提取位置为整流柜输出的直流电信号，信号被直接送至分布式I/O，如图3所示。然后通过现场总线转发到PLC控制站，最终传送到本地监控站，在本地监控站上实现如图2所示的信号分析策略。该故障诊断分析策略实现了对整流柜各种常见故障的在线分析与诊断，减少了制氢设备的停机时间和维修费用。