一种液氢加氢站分布式控制系统、控制方法及测控系统
技术领域
本发明涉及测控技术领域，具体涉及一种液氢加氢站分布式控制系统、控制方法及测控系统。
背景技术
加氢站为氢能燃料电池等氢能利用设备设施提供能源补给的基础设施，是氢能燃料电池汽车推广应用、加快发展氢能产业的前置条件。液态储氢即低温液氢增加压力的一种储存方式，在高压状态下，液氢的体积储氢密度随压力升高而增加，在-253℃下的液氢压力从0.1MPa增至45MPa后，其体积储氢密度从70g/L增至100g/L，质量储氢密度是气态密度的数千倍。与常压液态储氢相比，高压低温液态储氢的氢气挥发性小、体积储氢密度更大。液氢利用罐车运输方式将液氢转移至加氢站固定式液氢容器，作为加氢站的物料供应源；气氢采用管束车作为氢气供应源，储罐中的低压液氢经液氢泵增压至45MPa，进入汽化器相变换热为高压氢气，管束车的氢气经液驱增压泵增压至45MPa成为高压氢气，高压氢气经储氢气瓶缓冲暂存而后向燃料电池汽车加氢。现有技术中缺乏对液氢加氢站整体系统的进行监控控制，使得加氢站的整体的工艺系统状态不能及时有效被管控，不利于整体的健康运维。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中目前没有缺乏对液氢加氢站整体系统的进行监控控制，不利于整体的健康运维的缺陷，从而提供一种液氢加氢站分布式控制系统、控制方法及测控系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，液氢加氢站分布式控制系统，包括：主站系统和从站系统，主站系统包括站控系统，从站系统包括：液氢储存装置、泵增压汽化装置、高压储存装置、加氢机装置及安全监控装置，其中，
站控系统，用于通过总线通信方式对从站系统的控制，进行液氢加氢工艺系统的阀门的监控和管理，进行数据存储、数据查询；
液氢储存装置，用于存储液氢，作为液氢泵供氢来源；
泵增压汽化装置，用于将液氢容器内的高压液态氢气进行增压汽化；
高压储存装置，用于存储高压氢气，供给加氢设备；
加氢机装置，用于给氢燃料汽车加氢；
安全监控装置，用于实时监测液氢加氢工艺系统的状态，在出现异常时进行故障报警。
在一实施例中，所述液氢储存装置包括从站控制器、液氢容器、液位传感器、电动阀门，从站控制器自带通信网络接口，通过预设通信协议与主站系统通信，使主站系统对液氢储存装置进行全程监控。
在一实施例中，泵增压汽化装置，包括：交流电机、控制器、变频器、柱塞泵及汽化器设备，通过控制器对变频器控制来对电机调速控制，实现柱塞泵相应动作，进行液态增压，后经汽化器进行换热变为高压气体，控制器自带通信网络接口，通过预设通信协议与主站系统通信，使主站系统对泵增压汽化装置进行全程监控。
在一实施例中，高压储存装置包括：高压储氢罐、压力传感器、电动阀，液氢经汽化器汽化后进入储氢罐中，高压储氢系统站控系统的主站PLC进行高压储氢罐的电动阀门控制，根据压力传感器获取的储氢量分配供给现场加氢系统。
在一实施例中，所述加氢机装置包括：电动阀、流量计、压力传感器、温度传感器、显示屏、加氢枪及嵌入式电子控制器，电子控制器发出控制指令根据供氢压力和温度控制电动阀，通过加氢枪进行供氢，显示屏显示相应流量、温度及压力参数，电子控制器带有网络接口系统，通过预设协议与主控系统通信，使主站系统对加氢机装置进行监控。
在一实施例中，所述电子控制器控制加氢过程自动检漏，如果加氢过程中突然断电，自动保存当前数据并继续延长显示，完成当次加氢结算，根据加氢实际需要，实时显示加氢量，并累计流量，加注到预设压力时自动停止加氢，加氢过程中出现状态异常时进行安全联锁，自动停机。
在一实施例中，所述安全监控装置包括视频监控装置、氢安全监测装置，其中：
视频监控装置包括：硬盘录像机、防爆摄像机及通信电源线路，用于实时监测液氢储存装置是否有泄漏、泵增压汽化装置是否正常运行、高压储存装置是否安全及加氢设备工作状态及附近环境状态；
氢安全监测装置包括防爆氢浓度探头、防爆火焰探测器，均安装在工艺系统上方，监控数据接入主控系统，由主控系统进行相应的监控数据显示，进行氢浓度的分级报警以及火焰信号异常报警。
第二方面，本发明实施例提供液氢加氢站的分布式控制方法，基于第一方面所述的液氢加氢站分布式控制系统，其特征在于，包括：主站系统同时对从站系统的液氢储存装置、泵增压汽化装置、高压储存装置、加氢机装置及安全监控装置进行控制，其中：
对液氢储存装置的控制过程包括：判断主控系统是否发出开启加液氢信号，如果是，则依次打开手动控制阀及相应的电磁阀，监控高压储氢罐的液位是否到达预设位置，如果到达预设位置则依次关闭相应的电磁阀及手动控制阀，如果在加液氢过程中收到停止加液氢信号则直接控制关闭手动控制阀；
对泵增压汽化装置的控制过程包括：在预设运行速度后，判断主控系统是否发出开启低温泵信号，如果是，则控制低温泵稳定运行，在运行过程中监控低温泵状态是否正常，如果正常则进一步监控汽化器出口压力是否稳定正常，如果稳定正常则打开供气控制阀，如果在供气过程中收到主控系统发出的停止低温泵的信号，则停止增压器化，控制关闭供气控制阀，如果不开启开启低温泵信号则保持供气控制阀关闭状态；
对高压储存装置的控制过程包括：判断主控系统是否发出开启供气信号，如果是，则依次打开手动控制阀及相应的电磁阀，监控高压储氢罐的压力是否到达预设阈值，如果到达则依次关闭相应的电磁阀及手动控制阀，如果在供气过程中收到主控系统发出的停止供气信号则直接控制关闭手动控制阀；
对加氢机装置的控制过程包括：判断主控系统是否发出开启加氢枪启动信号，如果是，则打开气源控制阀，在加氢过程中如果收到停止加氢枪启动信号则关闭气源控制阀，停止供气；
对安全监控装置的控制过程包括：同时监测氢浓度及高压储氢罐的液位和压力是否超过预设阈值；低温泵的温度和压力是否异常、气瓶的压力和氢浓度是否正常；加氢压力、温度、氢浓度是否异常、视频监测设备状态是否异常；当至少之一异常时发出报警信号。
第三方面，本发明实施例提供一种液氢加氢站分布式测控系统，包括：信息管理系统、收费管理系统及本发明第一方面所述的液氢加氢站分布式控制系统，其中，
信息管理系统包括服务器及对应的信息管理软件，通过获取控制系统采集的数据，进行工艺流程状态显示、关键参数曲线显示、报警参数显示、视频监控及设备状态监控；
收费管理系统通过控制系统采集的数据进行本地加气量的计量、显示及结算，还用于对加气量进行设定及与加氢机装置之间进行通信。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的一种液氢加氢站分布式控制系统及控制方法，控制系统包括主站系统和从站系统，主站系统包括站控系统，从站系统包括：液氢储存装置、泵增压汽化装置、高压储存装置、加氢机装置及安全监控装置，站控系统，用于通过总线通信方式对从站系统的控制，进行液氢加氢工艺系统的阀门的监控和管理，进行数据存储、数据查询，该控制系统可以实现数据共享便捷，灵活控制，可扩展性强，可以支持多个加氢站同时监测控制，在出现异常时进行故障报警；该控制方法基于该控制系统可以实时同时监测液氢加氢工艺系统各个安全指标，在任何指标出现异常时，能够及时进行故障报警，安全性和可靠性高。
2、本发明提供的一种液氢加氢站分布式测控系统，包括：信息管理系统、收费管理系统及本发明实施例提供液氢加氢站分布式控制系统，能够全面对加氢过程进行控制、管理、计量收费，保证了整个系统安全稳定的运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中液氢加氢站分布式控制系统的框架图；
图2为本发明实施例中提供液氢加氢站分布式控制系统的通信连接图；
图3为本发明实施例中提供液氢加氢站的分布式控制方法的流程图；
图4为本发明实施例中提供的液氢加氢站分布式测控系统的框架图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种液氢加氢站分布式控制系统，如图1所示，具体包括：
主站系统和从站系统，主站系统包括站控系统，从站系统包括：液氢储存装置、泵增压汽化装置、高压储存装置、加氢机装置及安全监控装置，其中，
站控系统，用于通过总线通信方式对从站系统的控制，进行液氢加氢工艺系统的阀门的监控和管理，进行数据存储、数据查询。本发明实施例中，站控系统包括工程师站、主站PLC、网络设备和供电设备，在工程师站内安装主站PLC，网络设备及供电设备分别用于主站PLC进行通信及供电，主站PLC实时监控氢介质压力、温度状态，监控阀门、气控阀门状态，监控泵前、泵后状态参数、记录泵、阀开关次数，用于故障诊断和设备寿命分析，当监控出现参数异常或发生故障时，发出报警信息。
在一具体实施例中，站控系统采用国产PLC-GCU521设备作为硬件平台，该设备能够包括CPU冗余、通信网络冗余、电源设备冗余等功能，能够具备故障诊断和通信报警功能，GCU521扫描周期10ms，，带有通信装置COM521、COM523能够实现，支持Modbus RTU、ModbusTCP通信协议，可以实现对从站系统中各个装置的控制，完成各工艺系统阀门的监控和管理，完成数据存储、数据查询等功能。站控系统采用国产PLC-GCU521控制器实现，具有编程方便、使用灵活、可靠性高、抗干扰能力强等优点，且装置化集成方式，便于硬件系统的扩展，能够实时显示各工艺流程图、现场工艺设备状态参数，能够设定各工艺系统报警值以及安全联锁控制，能够记录当前和之前出现过的报警状态，实时记录各重要参数的曲线及数据报表等，方便对数据进行查询。
本发明实施例中，站控系统的主站PLC配置有相应的控制管理软件，具有远距离传输接口，可通过光纤网络实现远距离数据传输和控制，可以采用国产自控软件平台VxSCADA监控软件和组态编程软件，通过组态编程完成对从站系统的监控，实现由低温液氢-253℃通过增压、汽化后到常温高压气态氢，整个工艺过程实现数据记录控制流程以及安全连锁等功能。
监控软件运行过程中，实时监控氢介质压力、温度状态，监控阀门、气控阀门状态，监控泵前、泵后状态参数、记录泵、阀开关次数，通过数据报表功能对整个液态加氢站系统的数据参数进行数据记录及数据查询等功能，也可以用于故障诊断和寿命分析，当出现参数异常或发生故障时，发出声光报警，并将信息传递给站控系统，如压力值发生异常，则认为泵或阀发生故障，则启动故障处理程序，开闭相应控制阀门，确保工艺系统安全。
液氢储存装置，用于存储液氢，作为液氢泵供氢来源；在本发明实施例中，液氢储存装置包括从站控制器、液氢容器、液位传感器、电动阀门，从站控制器自带通信网络接口，通过预设通信协议与主站系统通信，使主站系统对液氢储存装置进行全程监控。
在一具体实施例中，从站控制器采用国产GCU321控制器，其自带通信网络接口，支持ModbusTCP通信协议，可以实现对现场阀门的控制，从而完成从液氢容器到液氢泵入口进液功能。GCU321控制器通过Modbus TCP通信协议与站控系统通信，从而实现站控系统对液氢储存系统的全程监控功能。
泵增压汽化装置，用于将液氢容器内的高压液态氢气进行增压汽化；在本发明实施例中，泵增压汽化装置，包括：交流电机、控制器、变频器、柱塞泵及汽化器设备，通过控制器对变频器控制来对电机调速控制，实现柱塞泵相应动作，进行液态增压，后经汽化器进行换热变为高压气体，控制器自带通信网络接口，通过预设通信协议与主站系统通信，使主站系统对泵增压汽化装置进行全程监控。
在一具体实施例中，通过SMART200控制器完成对变频器控制实现电机调速控制功能，实现柱塞泵相应动作，从而完成液态增压功能，然后经汽化器进行换热变为高压气体。SMART200控制器带Profinet网络接口，支持Modbus TCP通信协议，从而实现站控系统对泵增压系统的全程监控功能。
高压储存装置，用于存储高压氢气，供给加氢设备；在本发明实施例中，高压储氢系统包括：高压储氢罐、压力传感器、电动阀，液氢经汽化器汽化后进入储氢罐中，高压储氢系统站控系统的主站PLC-GCU521通过数字模拟I/O接口进行高压储氢罐的电动阀门控制，根据压力传感器获取的储氢量分配供给现场加氢系统。
加氢机装置，用于给氢燃料汽车加氢；在本发明实施例中，加氢机装置包括：电动阀、流量计、压力传感器、温度传感器、显示屏、加氢枪及嵌入式电子控制器，电子控制器发出控制指令根据供氢压力和温度控制电动阀，通过加氢枪进行供氢，显示屏显示相应流量、温度及压力参数，电子控制器带有网络接口系统，通过预设协议与主控系统通信，使主站系统对加氢机装置进行监控。
在一具体实施例中，电子控制器采用嵌入式STM32单片机，带有网络接口装置，该网络接口支持有modbusTCP通信协议，实现与站控系统通信，站控系统完成实施监控。电子控制器控制加氢过程自动检漏，如果加氢过程中突然断电，自动保存当前数据并继续延长显示，完成当次加氢结算，根据加氢实际需要，实时显示加氢量，并累计流量，加注到预设压力时自动停止加氢，加氢过程中出现状态异常时进行安全联锁，自动停机。
安全监控装置，用于实时监测液氢加氢工艺系统的状态，在出现异常时进行故障报警；本发明实施例中包括视频监控装置、氢安全监测装置；
视频监控装置主要由硬盘录像机、防爆摄像机及通信电源线路组成，具有视频的存储和回放功能，可用于液氢储存装置、泵增压汽化装置、高压储氢装置及加氢装置关键位置进行观察，用于实时监测液氢储存装置是否有泄漏、泵增压汽化装置是否正常运行、高压储存装置是否安全及加氢设备工作状态及附近环境状态，保证现场安全稳定工作。
氢安全监测装置主要在工艺系统上方安装氢浓度探头、火焰探测器氢浓度探头和火焰探测器均采用防爆产品，氢浓度探头的输出信号为4-20mA电流信号对应的量程为0-100％，氢安全监测装置采集的监控数据接入主控系统，由主控系统进行相应的监控数据显示，进行氢浓度的分级报警以及火焰信号异常报警。如图2所示，主站PLC和各个从站之间通过对应的连接接口通信连接的示意图。
本发明实施例提出的液氢加氢站分布式控制系统控制系统，包括主站系统和从站系统，主站系统包括站控系统，从站系统包括：液氢储存装置、泵增压汽化装置、高压储存装置、加氢机装置及安全监控装置，站控系统，用于通过总线通信方式对从站系统的控制，进行液氢加氢工艺系统的阀门的监控和管理，进行数据存储、数据查询，该控制系统可以实现数据共享便捷，灵活控制，可扩展性强，可以支持多个加氢站同时监测控制，在出现异常时进行故障报警，安全性和可靠性高。
实施例2
本发明实施例提供一种液氢加氢站的分布式控制方法，基于实施例1中的控制系统，主站系统同时对从站系统的液氢储存装置、泵增压汽化装置、高压储存装置、加氢机装置及安全监控装置进行控制，整个控制流程如图3所示，其中：
对液氢储存装置的控制过程包括：判断主控系统是否发出开启加液氢信号，如果是，则依次打开手动控制阀及相应的电磁阀，监控高压储氢罐的液位是否到达预设位置，如果到达预设位置则依次关闭相应的电磁阀及手动控制阀，如果在加液氢过程中收到停止加液氢信号则直接控制关闭手动控制阀；
对泵增压汽化装置的控制过程包括：在预设运行速度后，判断主控系统是否发出开启低温泵信号，如果是，则控制低温泵稳定运行，在运行过程中监控低温泵状态是否正常，如果正常则进一步监控汽化器出口压力是否稳定正常，如果稳定正常则打开供气控制阀，如果在供气过程中收到主控系统发出的停止低温泵的信号，则停止增压器化，控制关闭供气控制阀，如果不开启开启低温泵信号则保持供气控制阀关闭状态；
对高压储存装置的控制过程包括：判断主控系统是否发出开启供气信号，如果是，则依次打开手动控制阀及相应的电磁阀，监控高压储氢罐的压力是否到达预设阈值，如果到达则依次关闭相应的电磁阀及手动控制阀，如果在供气过程中收到主控系统发出的停止供气信号则直接控制关闭手动控制阀；
对加氢机装置的控制过程包括：判断主控系统是否发出开启加氢枪启动信号，如果是，则打开气源控制阀，在加氢过程中如果收到停止加氢枪启动信号则关闭气源控制阀，停止供气；
对安全监控装置的控制过程包括：同时监测氢浓度、高压储氢罐的液位和压力是否超过预设阈值；低温泵的温度和压力是否异常、气瓶的压力和氢浓度是否正常；加氢压力、温度、氢浓度是否异常、视频监测设备状态是否异常；当至少之一异常时发出报警信号。
本发明实施例提供的液氢加氢站分布式控制方法基于控制系统，可以实时同时监测液氢加氢工艺系统各个安全指标，在任何指标出现异常时，能够及时进行故障报警，安全性和可靠性高。
实施例3
本发明实施例提供一种液氢加氢站分布式测控系统，如图4所示，包括：信息管理系统、收费管理系统及本发明第一方面所述的液氢加氢站分布式控制系统，其中，
信息管理系统包括服务器及对应的信息管理软件，通过获取控制系统采集的数据，进行工艺流程状态显示、关键参数曲线显示、报警参数显示、视频监控及设备状态监控；用户可以通过WEB浏览器实现对工艺流程、工艺设备的远程控制和监控。
收费管理系统通过控制系统采集的数据进行本地加气量的计量、显示及结算，还用于对加气量进行设定及与加氢机装置之间进行通信。该收费管理系统可以支持IC卡收费、支持小票打印功能以及预留网口接口提供税务打印等。
本发明实施例提的分布式测控系统，能够全面对加氢过程进行控制、管理、计量收费，保证了整个系统安全稳定的运行。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
