使用可再生能源制备绿氢是能源和交通运输领域实现减碳目标的重要措施之一。风能、水能或太阳能产生的电能可通过电解的方式转化为氢气，然后储存在储氢罐中，以便于运输和存储。氢能可以转化为电能，可广泛应用于碳中和交通工具、化工行业、钢铁生产和发电站等领域。
基于 PC 的控制技术在氢能行业中的优势：
- 开放、灵活的控制技术带来创新解决方案
- 从防爆区 0 区到云端的无缝、稳定通信
- 全面的防爆组件系列
- PLC、运动控制、HMI、安全和测量技术整合在一个系统中
- 电缆和控制器冗余可提高设备的可靠性
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针对氢能行业的集成式自动化解决方案
面向整个价值链的控制系统
作为风电和光伏行业领域的长期自动化合作伙伴，倍福已经积极进军氢能价值链的起点 — 可再生能源发电领域。全球有超过 125,000 多台风力发电机 已经使用倍福的技术进行自动化改造。更重要的是，全球各地安装的绝大部分太阳能电池板的生产过程控制也都是采用倍福技术实现的。倍福在过程技术以及具有潜在爆炸性危险的应用的自动化方面也拥有多年丰富经验。
倍福技术已经在氢能的具体应用方面（例如用作汽车燃料、制成燃料电池或在热电联供系统中使用）取得了成功。为了实现气候目标，氢在其它工业流程中也需要作为化石原料的可持续替代品，例如在甲烷化、氨合成以及电子燃料的生产中。倍福正在此领域积极部署其基于 PC 的控制技术，通过使用绿氢减少二氧化碳排放。
高效的自动化解决方案助力优化电解槽
电解水是利用电能将水分解为氢气和氧气。若要满足全球对可再生能源制氢日益增长的需求，就必须拥有创新、经济的电解水制氢解决方案。我们的端到端控制和监测解决方案可助力提高效率和系统安全性。
基于 PC 的电解水制氢控制解决方案：
- 高性能嵌入式控制器 适合控制柜安装
- 用于操作和监控的控制面板，适用于防爆区 2 区
- 用于检测和处理所有相关信号的 EtherCAT 端子模块
灵活的自动化和物联网解决方案在加氢站中的应用
氢能在移动出行领域也发挥着重要作用， 尤其是在物流领域，氢能很有可能成为卡车以及航运和航空领域最重要的能源。但加氢要比加化石能源复杂得多，因为在加氢过程中，需要在高达 1000 bar 的压力下压缩氢气。在功能安全方面，在加注氢气时需要对压力进行监测，并且在必要时需要有安全关闭加注过程的选项。更重要的是，需要遵守相关的防爆规定。
基于 PC 的控制技术在加氢站中的应用：
- 基于 TwinCAT HMI 的定制化设备显示系统
- 通过 TwinCAT Analytics 处理和评估过程数据
- 通过 TwinCAT 轻松实现云连接
倍福针对氢能应用的技术
氢能行业控制系统
倍福依靠全面的模块化系统和深厚的跨行业专业知识，通过基于 PC 的控制技术打造开放式自动化系统。诸如 PLC、可视化、云连接、安全技术和测量技术等所有控制功能都集成在同一个平台上。倍福的系统集成解决方案为传统供应商提供了一种高效的替代方案，适用于包括氢能行业在内的所有流程工业领域。
基于 PC 的控制技术在氢能行业中的应用：
- 适用于所有过程技术和装置自动化的通用平台
- 将所有控制功能集成在同一个系统中
- 开放的硬件和软件接口，实现了高水平的互操作性
- 控制器和电缆冗余可提高过程装置的可靠性
- 基于 PC 的控制技术已在全球所有行业中得到广泛应用
氢能行业的理想选择：开放式 EtherCAT 现场总线
EtherCAT 是一种通用、开放的高速现场总线，适用于 PLC、运动控制、传感器、测量技术和安全技术以及防爆等所有应用领域。有了 EtherCAT，仅需一种通信技术即可满足整台装置的通信需求，并能够从无所不包的 EtherCAT 架构的安全性和高性能中获益。基于 EtherCAT 的控制系统还能够轻松集成第三方 EtherCAT 设备以及其它现场总线系统。
未来技术 — EtherCAT 在氢能行业应用中的优势：
- 市场上有大量支持 EtherCAT 技术的传感器和执行器
- 通过诊断功能快速排除故障
- 即使长时间运行也不会降低性能
- 通过扫描设备轻松进行调试
- 远程 I/O 助力实现精益化系统接线
TwinCAT：针对氢能行业的控制平台
倍福通过 TwinCAT 自动化软件提供了一个可用于控制过程设备和系统的中央平台。除了 PLC 程序中传统的过程控制之外，用 C++、MATLAB® 和 Simulink® 编写的算法也可以实时执行。它支持各种主流标准和行业特定标准，简化了基于 PC 的控制技术在氢能行业中的应用。
TwinCAT 针对氢能行业的亮点：
- 控制系统集成工业 4.0 及物联网应用
- 通过分析功能实现全面的数据评估
- 通过 OPC UA 实现标准化通信
- 支持 NAMUR、HART 和 FDT/DTM 等常用标准
- 执行 MATLAB® 和 Simulink® 模型
倍福针对氢能应用的产品亮点
用于采集本质安全型信号的 IP20 和 IP67 模块
ELX 端子模块将高度紧凑的远程 I/O 模块和安全栅整合于一体，可直接连接防爆区 0/20 区和 1/21 区的本质安全型现场设备。由于无需使用外部安全栅，因此不仅可以显著节约控制柜内空间，而且还能带来真正的成本优势。
EPX 系列 EtherCAT 端子盒将 IP67 防护等级与本质安全以及 -25 至 +60°C 的宽温范围结合于一体。该系列端子盒坚固耐用，在不能并且也不需要安装控制柜的区域可靠地采集数据。因此，它们适用于在恶劣和危险的环境中实施模块化和无控制柜系统方案。
集成安全栅的高度紧凑型 I/O 模块：
- 用于实现从防爆区 0 区到云端的全面控制
- 由于无需使用单独的安全栅，具有成本优势
- 设计紧凑，支持各种信号种类，始终保持高分辨率
- 通过 ATEX、IECEx 和 NEC/CEC 认证
外观优雅的防爆面板：采用坚固耐用的铝质外壳的 CPX 系列
倍福利用成熟的多点触控技术打造出了更加坚固耐用的 CPX 系列防爆控制面板和面板型 PC，它们符合防爆区 2/22 区的应用要求。即使在恶劣的环境条件下，高功能性和高品质做工也可确保 CPX 面板的耐用性。全面的 CPX 产品系列提供多种屏幕格式、尺寸、安装选项以及功能供用户选择。无风扇面板型 PC 还可实现可靠的过程装置控制。
针对氢能行业的多点触控面板：
- 电容式触控技术优化操作
- 高品质设计
- 坚固耐用
- 安装位置灵活
- 有了 CP-Link 4 之后，防爆面板和工业 PC 之间的距离最远可达 100 米
用于燃料电池电压测量的测量技术
单体电芯电压的精确测量是影响电解槽效率和使用寿命的关键。虽然电堆整体电压是确定的，但每个单体电芯在运行过程中可能出现不同的电压，并随时间发生漂移。这些偏差会改变各自的工作点，从而直接影响效率。持续监测电池电压可实现运行状态的透明化。
EL3008-0003 与 EL3008-0005 两款 EtherCAT 端子模块是专为上述需求量身打造的紧凑型解决方案。它们拥有八个电压输入通道，支持 ±3 V / ±5 V 量程，具备 16 位分辨率、2 ksps 采样率及高测量精度，能够快速、精准地采集相关参数。级联测量原理显著减少了接线工作量，而高电气隔离性能则确保其可在总电压高达 1500 V 的堆叠场景中安全运行。得益于模块化的 EtherCAT 架构，该端子模块可灵活适配从测试台架到量产线中连续长期监测的多种场景。
基于 MTP 的模块化氢能系统
借助模块化自动化，氢能应用可灵活部署、快速适配，且工作量极小。模块类型包 (MTP) 可以实现模块化的标准化。MTP 根据不同方面对各个模块进行描述，包括其接口和可执行服务。模块相关的信息存储在 MTP 文件中，然后导入到上位控制器中， 这样能够高效地调试和互联不同厂商提供的模块。将 MTP 解决方案集成到 TwinCAT 中，简化了通过自动生成 PLC 编程所需的源代码和库的方式实现的过程装置模块自动化。
TwinCAT MTP 的优势：
- 自动生成和导出 MTP
- 高度可定制化，易于适配现有流程
- 具有符合 IEC 61131 标准的功能块库
- 无缝集成到 TwinCAT Engineering 中
氢能常见问题解答
由于氢气具有高挥发性和易燃易爆性，因此防爆措施在制氢装置的规划与运行中至关重要。定制化自动化技术可为此提供有效支撑：开环与闭环控制硬件尽可能布置在防爆区域之外；来自防爆区域的信号一律经由通过防爆认证或本质安全型 I/O 模块、信号隔离器/安全栅传输。倍福的 ELX 和 EPX 模块内置本质安全型接口，正是为此类应用量身打造。
安全功能由具备高确定性的 SIL/PL 级硬件（例如 TwinSAFE）实现，并通过安全通信协议（例如 Safety over EtherCAT）传输，从而确保快速联锁、紧急关断与极短的响应时间。高可用性传感器直接集成于安全相关逻辑中，配合持续诊断功能，可有效减少误报并可靠检测状态变化，为工厂安全筑牢最后一道防线。
氢能应用对自动化技术提出了极高要求，因此需要强大且灵活的控制系统。基于 PC 的控制器因其能够为复杂控制算法、能源管理策略及 HMI 功能提供强有力的算力支撑，从而成为首选。
OPC UA 等开放式接口与 MTP 的集成，不仅可实现不依赖特定集成商的撬装集成，还能加速即插即用场景的落地与系统的灵活扩展。得益于实时能力和确定的 I/O，时间要求苛刻的控制任务和功能安全可在极短的响应时间内实现。集成的诊断和冗余机制有效提升了系统可靠性，而安全相关组件（如 SIL/PL 级解决方案）的便捷集成，则为端到端安全架构提供了有力支撑。
总体而言，性能、开放性与确定性三者的有机结合，有助于持续提升制氢装置的效率、运行安全性与可维护性。
电解槽的效率、使用寿命与安全性，直接取决于过程中所采集测量数据的质量。能效优化与能耗管控、性能衰减趋势的早期识别、运行的稳定控制以及电解过程的安全运行，无一不依赖于高分辨率、同步的测量数据。倍福可提供 EtherCAT 高精度测量端子模块，它们能够高确定性地实时采集电解槽电压、电流及温度数据。
持续的状态监测可有效提升电解槽、压缩机及储能系统的可靠性与安全性。其中，电池电压（或电堆电压）、电流密度、温度、压力、流量及泄漏信号等测量值被视为关键参数。此外，还可以采集振动、电机数据以及电网与电力参数，用于全面评估制氢装置的运行状态。
上述参数均可通过 EtherCAT 端子模块轻松集成至倍福系统中。根据监测需求，可从丰富的 I/O 产品线中选取相应的专用端子模块，并以模块化方式灵活组合。所有数据在 TwinCAT 中完成记录与分析，结合 TwinCAT 状态监测功能，可及早识别偏差，有效减少非计划停机。
云分析是氢能系统远程监测与预测性维护的重要基石。过程数据通常先由边缘设备完成预处理与过滤， 例如借助倍福 C60xx 系列工业 PC 即可轻松实现。随后，数据经由 OPC UA 或 MQTT 等标准化接口传输至云端，利用分析模型与机器学习算法构建图形用户界面、生成智能报警并实现预测性维护。TwinCAT 已内置相应接口， 搭配 TwinCAT Analytics 等工具，可轻松完成数据评估与分析。
MTP（模块类型包）方案为氢能系统的构建和运行带来了决定性优势，包括电解槽、PSA 装置、压缩机、储罐和加氢机等模块。模块接口的标准化描述支持通过 OPC UA 进行不依赖特定集成商的数据交换， 从而加速即插即用方案的实现，简化 HMI 开发，并助力系统扩展与撬装模块的灵活替换或增补。
典型应用场景涵盖灵活控制的电解水制氢园区、加氢站，以及电力多元转换（Power-to-X）中试装置等。值得注意的是，MTP 虽能实现控制层的编排，但并不支持硬实时。控制与安全相关（SIL）功能仍保留在本地模块控制器中，同时应遵循 IEC 62443 标准中关于 IT 安全的要求。
倍福通过 TwinCAT MTP，既支持部署单个 MTP 模块，也支持流程编排层（POL）级别的系统集成。
OPC UA 配套规范对于模块化制氢装置的互操作性与标准化数据可用性至关重要。目前已有多项成熟的 OPC UA 配套规范可供应用，包括 PA-DIM、ADI、OPC UA for Machinery、VDMA 配置文件、发布者–订阅者模型以及 AAS 映射等，适用于电解槽、压缩机、储能系统及加氢站的建模与互操作通信。针对氢能领域的专用配套规范尚未最终确定，OPC 基金会与 VDMA 正积极推进相关开发工作。如需针对具体项目提出建议，则需结合实际应用场景，以便推荐现有模型的最优组合方案。
