一种PEM水电解制氢设备智能闭环控制方法及系统与流程

本发明涉及智能控制，尤其涉及一种pem水电解制氢设备智能闭环控制方法及系统。

背景技术：

1、质子交换膜（pem）水电解制氢设备通常由可编程逻辑控制器执行顺序控制、pid调节和安全联锁，由上位机进行数据监视，运行参数主要依据设计阶段设定的固定阈值或工程师经验进行调整。在可再生能源输入波动、频繁启停、环境温度变化及电解槽性能退化的情况下，固定策略难以及时吸收历史运行规律并进行跨变量协调。

2、现有技术中，已有方案采用机器学习或模型预测控制对电解槽温度、负载或水流量进行调节，但主要围绕单一或少数变量建立专用预测模型。大模型能够结合运行规则、维护记录和历史案例解释复杂工况，但其输出具有概率性，可能存在字段缺失、单位错误或数值越界。若将自然语言结果或大模型生成值直接写入plc输出区，将使非确定性推理进入实时控制链路，可能引发温度超限、供水不足、压力异常、膜两侧差压越界或气体交叉渗透风险。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种pem水电解制氢设备智能闭环控制方法及系统，既能利用本地大模型提取历史运行规律并生成自适应运行策略，又能通过确定性机理约束和plc本地安全联锁阻断不安全策略；并使多变量策略的生成依据、校验过程、接纳状态及执行效果可追溯。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明的实施例提供了一种pem水电解制氢设备智能闭环控制方法，包括：

4、识别pem水电解制氢设备的运行阶段，计算设备状态向量，并生成随所述运行阶段变化的pem耦合约束包络；

5、基于所述设备状态向量、pem耦合约束包络、运行规则和历史相似工况，生成候选策略包；

6、对所述候选策略包进行安全校验，仅在全部校验通过时形成校验策略包；

7、将所述校验策略包写入候选指令数据区，并核对本地安全联锁状态，在核对一致且本地安全联锁许可时，于扫描周期边界将所述校验策略包中的多个设定值作为一个整体原子复制到有效设定值数据区，并通过基础控制回路驱动可调执行机构；

8、采集所述校验策略包执行后的设备响应进行评价；仅在满足预设条件时，将对应工况数据、校验策略包和设备响应关联写入经验证案例库，以供后续候选策略生成时检索。

9、作为进一步的实现方式，实时获取所述pem水电解制氢设备的带时间戳运行数据，并对所述运行数据进行治理；

10、所述运行数据至少包括电解槽电气数据、温度数据、阳极侧压力数据、阴极侧压力数据、供水数据、气体品质数据、报警状态和至少一种可调执行机构的反馈数据。

11、作为进一步的实现方式，所述运行阶段包括停机、启动准备、升载、稳态、降载、安全停机和异常恢复；

12、所述设备状态向量至少包含温度变化率、压力变化率、膜两侧差压裕度、电压离散度、供水裕度和气体品质裕度。

13、作为进一步的实现方式，所述pem耦合约束包络至少包含与所述运行阶段和当前负载相关的槽温允许区间、温升或温降速率上限、阳极侧压力允许区间、阴极侧压力允许区间、膜两侧差压绝对值上限、供水流量下限及气体品质上限，并根据传感器质量码或部件健康度降低至少一个设定值的允许变化率。

14、作为进一步的实现方式，所述候选策略包按照预设机器可读模式生成，所述机器可读模式对每个候选设定值限定目标变量标识、数值、工程单位、允许变化率、保持时间、适用运行阶段、前置条件和失效条件，并对所述候选策略包限定策略序列号、有效时间窗、依据的数据快照标识和置信信息。

15、作为进一步的实现方式，所述安全校验依次包括模式完整性校验、运行阶段许可校验、绝对边界校验、变化率校验、耦合联锁校验以及通信健康校验；

16、在所述绝对边界校验和变化率校验中，对单个候选设定值的轻微越界采用投影至所述pem耦合约束包络内的方式进行裁剪；在候选设定值之间存在压力、温度、流量或功率耦合冲突，或者裁剪后不能保持所述候选策略包的整体一致性时，拒绝整个候选策略包。

17、作为进一步的实现方式，将所述校验策略包与生成该校验策略包所依据的数据快照标识、运行阶段标识、约束版本标识、策略序列号及有效时间窗共同写入候选指令数据区，并附加写入完成标志、循环冗余校验码和上位机心跳；

18、在策略序列号未处理、循环冗余校验正确、上位机心跳有效、当前运行阶段与运行阶段标识一致且当前时刻位于有效时间窗内时返回接纳标志，否则返回拒绝标志和原因码。

19、作为进一步的实现方式，所述预设条件至少包括：

20、执行反馈窗口达到预设持续时间；关键传感器数据有效率高于阈值；执行期间无硬联锁或人工紧急停机；膜两侧差压和槽温始终位于安全包络内；以及单位产氢能耗、功率跟踪误差、温度波动、压力波动或气体品质中至少一项相对于执行前基线改善达到阈值。

21、第二方面，本发明的实施例还提供了一种pem水电解制氢设备智能闭环控制系统，包括嵌入式上位机、可编程逻辑控制器，所述嵌入式上位机与可编程逻辑控制器通信连接；

22、所述可编程逻辑控制器被配置为：在本地安全联锁状态核对一致且许可时，于扫描周期边界原子接纳校验策略包，并通过基础控制回路驱动可调执行机构，以及在核对不一致或本地安全联锁不许可时拒绝校验策略包并维持基线控制；

23、所述嵌入式上位机包括数据采集与治理模块、工况识别与特征计算模块、本地大模型策略生成模块、确定性安全校验模块、策略通信模块及反馈评价与管理模块。

24、作为进一步的实现方式，所述数据采集与治理模块被配置为：实时获取所述pem水电解制氢设备的带时间戳运行数据，并对所述运行数据进行治理；

25、所述工况识别与特征计算模块被配置为：基于所述pem水电解制氢设备的运行数据识别运行阶段，计算设备状态向量并生成pem耦合约束包络；

26、所述本地大模型策略生成模块被配置为：根据所述设备状态向量、pem耦合约束包络、运行规则和历史相似工况生成候选策略包；

27、所述确定性安全校验模块被配置为：在独立于大模型的校验进程中对所述候选策略包进行安全校验，并在全部校验通过时生成校验策略包；

28、所述策略通信模块被配置为：将所述校验策略包写入候选指令数据区；

29、所述反馈评价与管理模块被配置为：在满足预设条件时将执行片段写入经验证案例库。

30、本发明的有益效果如下：

31、本发明通过构建快慢双时间尺度协同控制架构，将非确定性大模型策略生成与确定性plc安全执行深度隔离：在嵌入式上位机侧以秒级至分钟级周期完成数据治理、工况识别、候选策略生成及多维度确定性安全校验；在plc侧以毫秒级至秒级周期执行基础控制与安全联锁，并通过候选指令数据区与有效设定值数据区的物理隔离及扫描周期边界的整组原子接纳机制，确保多变量设定值同步生效、避免跨周期瞬态冲突。同时，建立基于预设准入条件的经验证案例库闭环反馈，仅将经执行检验的策略及工况数据用于后续大模型检索，形成可积累、可审计的运行知识。既能利用本地大模型提取历史运行规律并生成自适应运行策略，又能通过确定性机理约束和plc本地安全联锁阻断不安全策略的技术方案，并使多变量策略的生成依据、校验过程、接纳状态及执行效果可追溯。