CN203208915U - 氢氮自动加氢及混合配比装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种氢氮自动加氢及混合配比装置，主要包括N₂管道、H₂管道、H₂和N₂混合管道、混合器、截止阀、流量计、调压阀、分析仪、质量流量控制器和PLC输出PID控制系统。本实用新型有益的效果是：本实用新型结构采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线形校正表格，测量精度高达0.2级；采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格；关键是采用了先进的自整定PID算法，不但解决了自动加氢纯化氢含量问题，同时又解决了氮气和氢气一定配比问题。

Description

氢氮自动加氢及混合配比装置

技术领域

本实用新型涉及一种氢氮混合装置，尤其是一种氢氮自动加氢及混合配比装置。

背景技术

传统的手动配气装置已经达不到后续用气的纯度、流量和压力等技术指标，灵活性显然也达不到用气的要求。自动配比装置应运而生，然而目前气体行业中使用控制方式也是传统的模糊控制方式，目前市场上多数的工业调节器满足不了配气系统中的精度要求。

发明内容

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种高效灵活、高精度的氢氮自动加氢及混合配比装置。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：这种氢氮自动加氢及混合配比装置，主要包括N₂管道、H₂管道、H₂和N₂混合管道、混合器、截止阀、流量计、调压阀、分析仪、质量流量控制器和PLC输出PID控制系统，混合器的一端连接有N₂管道和H₂管道，另一端连接有H₂和N₂混合管道，H₂管道上设有调压阀、截止阀、流量计和质量流量控制器，N₂管道上设有调压阀、截止阀和流量计，质量流量控制器与PLC输出PID控制系统的一端相连通，PLC输出PID控制系统的另一端与H₂和N₂混合管道相连通，靠近混合器的出口处，H₂和N₂混合管道上设有截止阀和流量计。

所述H₂管道上的流量计两端各设有一个截止阀，质量流量控制器再连接有第三个截止阀。

所述H₂和N₂混合管道上的流量计两端各设有一个截止阀。

所述N₂管道和H₂和N₂混合管道上设有压力表。

所述PLC输出PID控制系统通过分析仪和调压阀与H₂和N₂混合管道相连通。

本实用新型有益的效果是：本实用新型结构采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线形校正表格，测量精度高达0.2级；采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格；关键是采用了先进的自整定PID算法，不但解决了自动加氢纯化氢含量问题，同时又解决了氮气和氢气一定配比问题。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型原理简图；

图3是本实用新型电气原理图。

附图标记说明：调压阀1，截止阀2，流量计3，质量流量控制器4，PLC输出PID控制系统5，混合器6，分析仪7，H₂管道8，N₂管道9，H₂和N₂混合管道10，压力表11。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图所示，这种氢氮自动加氢及混合配比装置，主要包括N₂管道9、H₂管道8、H₂和N₂混合管道10、混合器6、截止阀2、流量计3、调压阀1、分析仪7、质量流量控制器4和PLC输出PID控制系统5，混合器6的一端连接有N₂管道9和H₂管道8，另一端连接有H₂和N₂混合管道10，H₂管道8上设有调压阀1、截止阀2、流量计3和质量流量控制器4，H₂管道8上的流量计3两端各设有一个截止阀2，质量流量控制器4再连接有第三个截止阀2。N₂管道9上设有调压阀1、截止阀2和流量计3，质量流量控制器4与PLC输出PID控制系统5的一端相连通，PLC输出PID控制系统5的另一端与H₂和N₂混合管道10相连通，靠近混合器6的出口处，PLC输出PID控制系统5通过分析仪7和调压阀1与H₂和N₂混合管道10相连通。H₂和N₂混合管道10上设有截止阀2和流量计3，H₂和N₂混合管道10上的流量计3两端各设有一个截止阀2。N₂管道9和H₂和N₂混合管道10上设有压力表11。

N₂、H₂进入混合器6混合后由出口处取样经ME分析仪7中传感器采样显示氮气纯度和H2含量转换成4-20mA电流模拟量传送给PID调节器，经PID调节器中微处理器分析处理后输4-20mA电流传送给质量流量计控制电动调节阀控制H2的流量，从而控制混合气中氢气含量。

PID即是Proportion(比例)、Integral(积分)和Differential(微分)的简称，PID的控制规律即是指控制器的输出信号是由输入偏差按比例、积分和微分的数字关系组合成的函数。PID的控制规律形式如下所示：

$u\left(k\right)=\mathrm{kp}\{e\left(k\right)+\frac{\mathrm{\ΔT}}{T1}\underset{t=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ei}+T_D\frac{e\left(k\right)-e(k-1)}{\mathrm{\ΔT}}\}$

其中kp为比例系数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数；u(k)为采样时刻k时的输出值；e(k)为采样k的偏差值；e(k-1)为采样时刻k-1时的偏差值。

PID调节是比例调节、积分调节和微分调节三种作用的综合，它的比例作用能使偏差较快地得到校正；积分作用能最终消除余差，而微分作用在有偏差时出现时，能立刻产生幅度的校正偏差的作用，从而缩短了调节时间，提高了调节效率和精度。尽管普通的PID调节相对手动调节和位式调节其精度已有明显的提高，波动已大大减少，但普通PID控制不适用于大时间滞后的控制对象以及参数变化较大的控制对象。自整定PID控制方式是在普通PID控制方式的基础上发展而来的，其根据滞后时间和偏差大小选择P、I、D值并有效地使用PI、PD或PID控制，这种方式有效地缩短了滞后时间和提高精度。

PID设定值为15%，偏差用E来表示，β=1-2%，ε=0.2%；

当纯度在a以下时，即E〈-1时，阀门全开，不需要进行PID控制；

当纯度在ab之间时，即-1〈E〈-0.2时，用PD控制，这是因为在一般PID控制中，当阀门有大幅度的改变时，由于此时偏差较大，以及阀门有机械惯性和氢分析仪有采样滞后性，故在积分项作用下，往往产生较大超调和长时间波动；

当纯度在bc之间变化时，即|E|〈0.2时，用PID调节控制；

当纯度在ce之间时，阀门开度减小；

当纯度在ef之间时，又回到PID调节控制；

当纯度在fg之间时，回到PD调节控制。

经过三个整定周期，纯度会稳定在15±0.2%。根据实际调试记录，AI型PID调节器完全能够满足系统控制精度控制要求。

本实用新型兼容热电偶、热电阻、线形电压、线形电流和线形电阻等规格的输入；测量范围宽、精度高、温度漂移小、响应时间短；输出规格包括了继电器触点开关输出、可控硅无触点开关输出，SSR电压输出、可控硅触发输出和线形电流输出。仪表硬件采用了先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：辅助输入（MIO）、主输出（OUTP）、报警（ALM）、辅助输出（AUX）及通讯（COMM）模块。如果需要报警系统还可选择一路报警或两路报警模块。

氢氮自动加氢及混合配比装置具有丰富的参数来定义仪表的输入、输出、报警、通讯及控制方式。关系到系统正常使用的输入参数务必提前设置好，输入规格SN设置为15（4-20mA输入）；输出规格OPT设置为4（4-20mA线形电流输出）；控制方式设置为1，采用PID调节，允许从面板启动执行自整定功能。

本实用新型安装就续条件具备后启动电气系统电源，先通过调节器手动调节阀门开度大小达到要求配气的纯度，调节器设定值为要求值（比如15%），等纯度稳定后从调节器面板上启动自整定功能，显示窗口闪动AT字样即进入自整定功能，PV显示窗口会出现纯度值波动，因为此时仪表执行位式调节，仪表内部微处理器根据位式控制产生振，分析其周期、幅度及波形来自动计算出M5、P、t等控制参数，经2-3次振荡（大概需要20-30分钟）后显示器停止闪动“AT”字样，自整定结束。此时系统已经处于正常工作的状态，如果纯度有波动可适当手动调节M5、P、t参数。M5是保持参数，与PID调节的积分时间起相同的作用，其值越小，系统积分作用越强；其值越大，积分时间越短；P为速率参数，类似PID调节的比例带，但变化相反，P值越大，比例、微分作用成正比增强，P值越小，比例、微分作用相应减弱；t为滞后时间，被控系统的滞后效应是影响控制效果的主要原因，系统滞后时间越大，要获得理想的控制效果就越困难，只要选择精度高、响应速度快的氢分析仪和电动阀门与之相适应，最后系统工作状态就很理想。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种氢氮自动加氢及混合配比装置，主要包括N₂管道（9）、H₂管道（8）、H₂和N₂混合管道（10）、混合器（6）、截止阀（2）、流量计（3）、调压阀（1）、分析仪（7）、质量流量控制器（4）和PLC输出PID控制系统（5），其特征是：混合器（6）的一端连接有N₂管道（9）和H₂管道（8），另一端连接有H₂和N₂混合管道（10），H₂管道（8）上设有调压阀（1）、截止阀（2）、流量计（3）和质量流量控制器（4），N₂管道（9）上设有调压阀（1）、截止阀（2）和流量计（3），质量流量控制器（4）与PLC输出PID控制系统（5）的一端相连通，PLC输出PID控制系统（5）的另一端与H₂和N₂混合管道（10）相连通，靠近混合器（6）的出口处，H₂和N₂混合管道（10）上设有截止阀（2）和流量计（3）。

2.根据权利要求1所述的氢氮自动加氢及混合配比装置，其特征是：所述H₂管道（8）上的流量计（3）两端各设有一个截止阀（2），质量流量控制器（4）再连接有第三个截止阀（2）。

3.根据权利要求1所述的氢氮自动加氢及混合配比装置，其特征是：所述H₂和N₂混合管道（10）上的流量计（3）两端各设有一个截止阀（2）。

4.根据权利要求1或3所述的氢氮自动加氢及混合配比装置，其特征是：所述N₂管道（9）和H₂和N₂混合管道（10）上设有压力表（11）。

5.根据权利要求1所述的氢氮自动加氢及混合配比装置，其特征是：所述PLC输出PID控制系统（5）通过分析仪（7）和调压阀（1）与H₂和N₂混合管道（10）相连通。

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