制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法技术方案

本发明专利技术涉及在线监控系统技术领域，且公开了制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，包括在线监控系统，在线监控系统由设备层、网络层和应用层组成；设备层可以通过网络层传送整个制氢反应系统采集的数据和设备运行状态到应用层的笔记本电脑、触摸屏、监控中心等智能设备上，应用层也可以通过网络层向设备层传送控制信号；整个在线监控系统能实时采集制氢反应系统设备状态参数，记录各个设备的运行状态，对这些参数和状态实时显示，并对设备进行控制，通过对整个制氢反应系统的进行在线监控，能控制制氢反应系统的快速、精确和安全进行。精确和安全进行。精确和安全进行。

【技术实现步骤摘要】
制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法


[0001]本专利技术涉及在线监控系统
，具体为制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法。

技术介绍

[0002]氢能利用具有清洁无污染、能量密度高及能量转化高等特点，全球主要国家都在不断推出氢能政策，尤其是作为氢能最大应用场景的交通领域，氢能的发展更是迅猛。甲醇水蒸气重整制氢的重整温度低、制氢率高、成本低，目前是一种比较热门和成熟的制氢技术，在甲醇重整制氢技术中，对于制氢反应系统的自热控制是其中的重要一环。近年来，制氢反应系统得到了较快的发展，中国专利技术专利(申请号202222137962.4)、中国专利技术专利(申请号202110398655.9)公开了制氢反应系统及相关装置，其中系统的装置过少，无法面对复杂的工作环境。并且在近年来的专利中对制氢反应温度控制方法所提甚少。目前来说PID是温度控制的主流，尽管PID控制器有诸多的优点，但是它也具有天然的缺陷——P、I、D三者之间是线性组合关系，导致系统总是会出现“超调”、“震荡”等问题，而现有的数学工具还是不足以支撑我们找到一个“通解”。体现在实际的应用中，由于被控过程往往机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化，并且控制系统智能化程度低，人机交互模块涉及少，最终导致系统无法满足控制需求。
[0003]因此为了提高制氢自热重整反应的温度控制精度，应对各种复杂的工作环境，提升控制系统的智能性，更好的进行人机交互，就有必要专利技术一套可靠、适用性强、控制精度高和智能程度高的线监控系统及自热控制方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本文公开专利技术了制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，所述的在线监控系统由设备层、网络层和应用层组成。设备层由制氢反应系统、中央控制器、数据采集模块和执行模块组成；中央控制器由数据采集卡和现场控制终端组成，可以对数据采集模块所采集制氢反应系统的数据进行计算、储存和显示，并把处理好的数据通过网络上传到云服务器，也可以输出相应的控制命令到执行模块上；该在线监控系统支持操作人员在线修改控制指令和相关算法。网络层通过网络进行信息传输，由路由器传递信号。应用层采用的是客户/服务器模型。神经网络模糊PID控制算法部署在服务器上，该算法可以根据预设温度与当前制氢反应器温度的差值和该差值的变化率对制氢反应系统的温度进行控制，使反应温度稳定到预设的反应温度。设备层可以通过网络层传送整个制氢反应系统采集的数据、设备运行状态和警报信息到应用层客户的笔记本电脑、触摸屏、监控中心等智能设备上，应用层也可以通过网络层向设备层传送控制指令，实现操作人员不在现场，也能时刻了解制氢反应系统的状况，并对各种突发状况进行实时控制的操作。整个智能控制系统能实时采集制氢反应系统的温度、压力和流量等参数，记录各个设
备的运行状态，并对这些参数和状态实时显示。通过对整个制氢反应系统的进行实时监控，能控制制氢反应系统的快速、精确和安全进行。本专利技术提高了制氢反应中温度的控制精度，并对制氢反应过程进行实时监控，使制氢反应过程控制更加的安全、精确和智能，制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，其特征在于：所述的在线监控系统由设备层、网络层和应用层组成。在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法的开发语言为labview。设备层由制氢反应系统、中央控制器、数据采集模块和执行模块组成；中央控制器由数据采集卡和现场控制终端组成，数据采集卡与现场控制终端之间通过USB协议进行通信，采集和控制装置包括温度采集和控制装置、压力采集装置、流量采集和控制装置、降温装置、气体存贮装置、气液分离装置、液体蒸发装置、气液混合装置和截止阀。他们可以实时采集制氢反应系统的参数，并传输到现场控制终端上，显示制氢反应系统的状态，以神经网络模糊PID控制算法为主，输出各个设备的控制参数，实现制氢反应系统的快速响应、精确控制和安全进行。
[0005]所述设备层的详细连接情况如下：空气压缩机与截止阀相连、然后与质量流量控制器相连，再与混合器相连，最后与重整制氢反应器的催化燃烧室相连；甲醇溶液贮瓶与截止阀相连，然后与蠕动泵相连，再与蒸发器相连；最后与混合器相连；甲醇水溶液贮瓶与截止阀相连，然后与蠕动泵相连，再与蒸发器相连，最后与重整制氢反应器的甲醇水蒸气重整室相连；压力变送器插在混合器和重整制氢反应器的管道之间，用于测量管道间的压力；压力变送器插在蒸发器与重整制氢反应器的管道之间，用于测量管道间的压力；重整制氢反应器的甲醇水蒸气重整室的另一端与热交换器相连，然后与冷凝器相连；再与气液分离装置相连，再与干燥管相连，再与涡流流量计相连，最后由涡流流量计分出两个通道，一个与储气瓶相连，另一个与先与截止阀相连，再与样品检测袋相连；重整制氢反应器的催化燃烧室的另一端先与热交换器相连，然后与冷凝器相连，最后与气液分离装置相连；压力变送器插在热交换器和重整制氢反应器的管道之间，用于测量管道间的压力；压力变送器插在热交换器和重整制氢反应器的管道之间，用于测量管道间的压力；重整制氢反应器中插有J型热电偶，J型热电压偶与温度变送器相连，温度变送器与数据采集卡相连，数据采集卡与现场控制终端相连；重整制氢反应器中插有加热棒，加热棒与固态继电器相连，固态继电器与数据采集卡相连。
[0006]所述制氢反应系统的测量参数包括空气压缩机、甲醇溶液贮瓶、甲醇水溶液贮瓶通道的瞬时流量，通过涡流流量计的瞬时流量，进入重整制氢反应器和流出重整制氢反应器的四个通道的瞬时压力，蒸发器、蒸发器、混合器、重整制氢反应器、热交换器、热交换器、泠凝器、泠凝器的瞬时温度，储气瓶当前储气量，J型热电偶所测温度。
[0007]所述的控制程序输出的控制参数包括控制固态继电器开关的电信号，质量流量控制器开口大小的电信号，所有截止阀开关的电信号和相应设备的报警信号。
[0008]所述的现场控制终端显示的状态量包阔空气压缩机、甲醇溶液贮瓶、甲醇水溶液贮瓶通道的瞬时流量，通过涡流流量计的瞬时流量，进入重整制氢反应器和流出重整制氢反应器的四个通道的瞬时压力，蒸发器、蒸发器、混合器、重整制氢反应器、热交换器、热交换器、泠凝器、泠凝器的瞬时温度，储气瓶当前储气量，J型热电偶所测温度。当前神经网络模糊PID算法输出的Ki、Ti、Td值和PID的整体输出值。
[0009]所述的所有截止阀、蠕动泵、蒸发器的启停工作状态都受到现场控制终端输出的
数字信号控制，所有压力变送表可以时刻采集当前管道中的压力状态，输出4
‑
20mA的模拟电流信号，并通过数据采集卡连接现场控制终端，采集的压力在现场控制终端上显示。
[0010]所述的质量流量控制器可以测量当前管道的流量大小，可以控制阀门开口大小来控制通过当前管道的流量，通过数据采集卡与现场控制终端相连，输出为0
‑
5V的模拟电压，测量的流量大小在现场控制终端的上显示，阀门开口大小控制信号由程序输出0
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，包括在线监控系统，其特征在于：其特征在于：所述的监控系统由设备层、网络层和应用层组成，整个在线监测系统基于labview语言开发，设备层由制氢反应系统、中央控制器、数据采集模块和执行模块组成；中央控制器由数据采集卡和现场控制终端组成。2.根据权利要求1所述的制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，设备层的详细连接情况如下：空气压缩机(1)与截止阀(2)相连、然后与质量流量控制器(3)相连，再与混合器(4)相连，最后与重整制氢反应器(15)的催化燃烧室相连；甲醇溶液贮瓶(10)与截止阀(9)相连，然后与蠕动泵(8)相连，再与蒸发器(7)相连；最后与混合器(4)相连；甲醇水溶液贮瓶(11)与截止阀(12)相连，然后与蠕动泵(13)相连，再与蒸发器(14)相连，最后与重整制氢反应器(15)的甲醇水蒸气重整室相连；压力变送器(5)插在混合器(4)和重整制氢反应器(15)的管道之间，用于测量管道间的压力；压力变送器(6)插在蒸发器(14)与重整制氢反应器(15)的管道之间，用于测量管道间的压力；重整制氢反应器(15)的甲醇水蒸气重整室的另一端与热交换器(17)相连，然后与冷凝器(18)相连；再与气液分离装置(19)相连，再与干燥管(20)相连，再与涡流流量计(21)相连，最后由涡流流量计(21)分出两个通道，一个与储气瓶(22)相连，另一个与先与截止阀(30)相连，再与样品检测袋(23)相连；重整制氢反应器(15)的催化燃烧室的另一端先与热交换器(24)相连，然后与冷凝器(25)相连，最后与气液分离装置(26)相连；压力变送器(16)插在热交换器(17)和重整制氢反应器(15)的管道之间，用于测量管道间的压力；压力变送器(30)插在热交换器(24)和重整制氢反应器(15)的管道之间，用于测量管道间的压力；重整制氢反应器(15)中插有J型热电偶(29)，J型热电压偶(29)与温度变送器(33)相连，温度变送器(33)与数据采集卡(27)相连，数据采集卡(27)与现场控制终端(28)相连；重整制氢反应器(15)中插有加热棒(32)，加热棒(32)与固态继电器(31)相连，固态继电器(31)与数据采集卡(27)相连。3.根据权利要求1所述的制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，采集制氢反应系统的参数包括空气压缩机(1)、甲醇溶液贮瓶(2)、甲醇水溶液贮瓶(11)通道的瞬时流量，通过涡流流量计(21)的瞬时流量，进入重整制氢反应器(15)和流出重整制氢反应器(15)的四个通道的瞬时压力，蒸发器(7)、蒸发器(14)、混合器(4)、重整制氢反应器(15)、热交换器(17)、热交换器(24)、泠凝器(18)、泠凝器(25)的瞬时温度，储气瓶(22)当前储气量，J型热电偶(29)所测温度。4.根据权利要求1所述的制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，输出的控制指令包括控制固态继电器(31)开关的电信号，质量流量控制器(3)开口大小的电信号，所有截止阀开关的电信号，报警信号。5.根据权利要求1所述的制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，现场控制终端(28)显示的状态量包括权利要求3中所测各个参数，当前神经网络模糊PID算法输出的Ki、Ti、Td值和PID的整体输出值。6.根据权利要求1所述的制氢反应在线监控系统及其神经网络模糊PID自热控制方法，其特征再于：所述在线监控系统的开发语言为labview，质量流量控制器(3)能够输出和接受模拟信号，受现场控制终端(28)控制，蠕动泵(8)为甲醇溶液提供流动的动力，蒸发器(7)将甲醇溶液蒸发为气态，在混合器(4)中与空气混合。截止阀(9)控制甲醇溶液通道的通断，截止阀(9)、蠕动泵(8)和蒸发器(7)都受到现场控制终端(28)控制，混合器(4)和蒸发器(7)
实时温度采集并显示在labview上。蠕动泵(13)为甲醇水溶液提供流动的动力，蒸发器(14)将甲醇水溶液蒸发为气态，截止阀(12)控制甲醇水溶液通道的通断，截止阀(12)、蠕动泵(13)和蒸发器(14)都受到现场控制终端(28)控制，蒸发器(14)实时温度采集并显示在labview上，热交换器(17)为一级降温装置，可以降低重整反应后生成物的温度，冷凝器(18)为二级降温装置，把水蒸气甲醇等变为液态，再通过气液分离装置(19)把气体与液体分离，得到气体，气体通过干燥管(20)干燥，然后通过涡流流量计(21)，涡流流量计(21)可以输出模拟信号，在现场控制终端(28)上显示流量大小，最后通到储气瓶(22)或样品检测袋(23)中，各级降温装置的温度都采集到labview上并显示。热交换器(24)为一级降温装置，可以降低催化燃烧反应后生成物的温度，冷凝器(25)为二级降温装置，进一步降低催化燃烧反应后...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱淼，黎炎，董臻豪，向忠，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：