对于采用电池和氢能技术的分布式能源供应及储能系统而言， 一套完备的自动化与安全架构是不可或缺的核心支撑。在H2 PowerCube集装箱解决方案中，倍福基于PC的控制技术作为数字核心，实现了燃料电池、电解槽与电池储能系统的无缝互联，构建出一套高度灵活的一体化能源系统。软硬件统一采用模块化设计，既能清晰界定系统边界，又可保障系统在各类复杂能源环境下实现经济高效地运行。

风能和太阳能等波动性可再生能源的大规模扩张，给电网运营商与制造业带来了诸多挑战。为在保障电网稳定性的同时实现自给自足的分布式能源供应，5兆瓦级储能系统正成为行业核心聚焦方向。针对上述行业痛点， H2 Powercell推出了H2 PowerCube集装箱解决方案。它集成了用于制取绿氢的电解槽、将氢能重新转化为电能的燃料电池，以及用于高效输出电能与热能的电池储能系统。其目标应用场景覆盖广泛：从加氢站、微电网到复杂的跨领域融合项目，包括氢能作为工业原料加以利用。

图1 H2PowerCube集装箱解决方案

热力学复杂性与高数据密度

要在集装箱的有限空间内安全、高效地运行此类系统，需要对过程装置自动化进行范式革新。以往的制氢装置通常作为整体式、程序僵化的大型项目实施， 后期很难进行调整。相比之下， H2 Powercell将模块化设备制造的设计理念引入了过程工程领域。

制氢核心部件为H2PowerLyzer模块化电解槽系统。在单个集装箱内最多可级联24套此类系统，功率最高可达1.2兆瓦。然而，如此高的模块化程度给自动化技术带来了挑战。H2 PowerCube控制系统需完成海量数据的硬实时处理， 同步复杂的热力学过程， 同时满足严苛的功能安全要求。此外， 集成到相关环境中还需要灵活的通信连接。由于集装箱式发电站设计为完全自主运行， 无需外部上级控制系统， 因此所有控制逻辑必须完全集成在发电站内。

图2 在H2 Powercell集装箱式发电站中，最多可级联24个模块化的H2PowerLyzer单元

基于PC的控制技术作为“中枢大脑”

倍福基于PC的控制技术为应对这类多维技术挑战提供了可靠的解决方案。所有能量和信息流动都汇聚于一台C6015超紧凑型工业PC中，它构成了整套集装箱系统的拓扑核心。这款工业PC搭载四核处理器， 可提供充足算力， 确保电解和发电过程实现零延迟同步。

控制技术的性能在整套系统中起到关键作用。以电解槽监测为例， 每个电芯的电压都以毫秒级间隔采样， 以此即时识别性能衰减或异常。当集装箱内满配24个H2PowerLyzer模块时，仅电压传感器就会产生海量数据，高性能工业PC可以充分承载这类大的数据处理需求。

整套系统内的分布式信号采集工作， 全部由倍福丰富的EtherCAT端子模块完成。在标准配置下，电解槽模块无需搭载独立的控制系统，可直接通过EtherCAT耦合器EK1100无缝连接至C6015。EL系列EtherCAT端子模块集成了温度、压力和流量测量所需的所有传感器。凭借倍福丰富的I/O产品矩阵，可充分满足项目使用需求。EtherCAT端子模块系列几乎支持所有总线协议，能够在耦合器上提供所有必需的物理接口，大幅减少电缆用量以及集装箱内的接线工作量。

图3 C6015超紧凑型工业计算机作为H2 PowerCube的智能中枢，统筹全部能量与信息流

无传统防爆区划分的创新安全架构

H2 PowerCube的一大亮点在于其创新的安全防护方案。在制氢装置中，划定大面积的防爆区域通常是常规做法，而这需要配套耐压外壳和成本高昂的专用硬件。 H2 Powercell通过深度集成在自动化架构中的智能主动监控机制，完美解决了这一行业痛点。冗余通风系统搭配高灵敏气体检测传感器，从根源上避免集装箱内部形成爆炸性气体环境。这套预防性安全方案完全由TwinSAFE进行控制和监测。来自气体传感器、压力开关和风扇驱动装置的信号通过安全I/O端子模块和Safety over EtherCAT（FSoE）协议直接传输至中央控制器。

氢能应用场景下， 安全是需要优先保障的核心要素。安全功能深度集成于系统架构之中，便于按需拓展各类功能。即便未来相关标准和规范有所修订，也无需重新设计物理控制架构，仅做简单调整即可适配新需求。

软件层面依托TwinCAT自动化套件完成全流程管控，包括复杂的热力学控制。整套系统采用高效的单回路架构设计，电解过程中产生的水也可用作冷却水，这对液压系统的控制精度提出了极高要求。该架构具备极强的可持续性，制氢过程中产生的余热可通过热控制回路直接回收利用，并可输送至当地供暖网络。为在工程环境中管理这种复杂性，用户可直接调用TwinCAT原生支持的、符合IEC 61131-3标准的面向对象编程功能。电解槽等软件模块完成开发与验证之后，系统扩展时可以直接复用对应模块，从软件层面保障整套解决方案保持完全模块化、架构清晰的特性。

一套系统，五个接口该制造商始终致力于削减系统限制， 将产品集成到目标应用场景所需的工作量降至最低。集装箱外部仅设置了五个接口：氢气、电力、区域供暖、废水/废气排放，以及一个集成的控制与远程访问接口。 H2 PowerCube通过工业PC与所在环境中的所有相关外围系统进行通信，包括充电站、光伏逆变器、外置电池以及电网控制中心，通常采用OPC UA和Modbus TCP等协议。此外， 未来还将集成TwinCAT 3 Power Control—一款经过EZA认证的控制器，确保将发电系统按照并网规范接入中高压电网。集装箱内安装了一台客户定制的CP3918多点触控控制面板，用于本地操作和可视化。同时，系统通过TwinCAT Scope View软件示波器完成过程数据的高分辨率同步采集， 并在TwinCAT HMI中进行可视化。

基于AI的状态分析

依托倍福的自动化技术， H2 Powercell不仅确保系统符合当前技术标准，还致力于为未来的创新铺平道路，持续推动能源系统的分布式落地进程。未来，购买H2PowerLyzer电解槽作为独立模块的客户，将收到集成嵌入式控制器的产品，替代原有配置中的总线耦合器。通过TwinCAT实现的这套可扩展架构可支持硬件拓扑灵活调整，无需重新开发底层软件。

项目后续还规划部署人工智能能力。例如，通过TwinCAT Scope持续采集的数据可用于分析膜性能劣化程度以及推算电解槽剩余使用寿命。此前，这类评估工作一直由过程控制工程师手动完成，倍福提供相应的技术条件支撑该流程实现自动化。 TwinCAT Machine Learning Creator作为通用型工具， 可基于AI完成此类监测数据的分析工作。后续基于时间序列的AI模型将能够实现实时异常检测。

H2 PowerCube充分证明，依托现代自动化技术，能源转型兼具可行性与规模化经济优势，同时还能确保能源供应具有韧性。这套集电解制氢、燃料电池与电池储能技术于一体的交钥匙解决方案为能源的柔性管理提供了理想基础。当电力过剩时，可将电能储存起来或转化为氢能。有供能需求时，就可以在现场直接发电。倍福基于PC的控制技术不仅提供了所需的算力和开放性，还为构建具备高韧性、可持续的能源基础设施奠定了基础。

摘自《自动化博览》2026年9月刊