TW202400929A - 用於控制氣體供應系統之氣體供應之方法及設備 - Google Patents

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Abstract

本申請案提出用於控制氣體供應系統的氣體供應之方法、設備和存儲介質以及氣體供應系統。該氣體供應系統包括氣體產生裝置和氣體緩衝裝置，氣體緩衝裝置接收來自氣體產生裝置的氣體供應以及向使用者提供氣體，該方法獲取氣體緩衝裝置的壓力測量數據，其中壓力測量數據與使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯；基於壓力測量數據確定氣體緩衝裝置的壓力預測數據，其中壓力預測數據包括預測壓力和預測壓力變化率；以及基於壓力預測數據確定氣體緩衝裝置的氣體供應的控制參數。本申請之方案可以減少根據使用者的用氣需求調整氣體供應負載的成本和避免浪費。

Description

用於控制氣體供應系統之氣體供應之方法及設備
本申請案涉及程序控制，更具體地，涉及用於控制諸如氣體供應系統中的氣體緩衝裝置的氣體供應之方法、設備和系統。
包括空氣分離裝置（Air Separate Unit，ASU）的氣體供應系統用於在工廠或工業園區中向使用者供應氣體。根據使用者對氣體的需求或消耗情況，系統動態地調節用於存儲氣體的緩衝罐的氣體供應負載以滿足使用者之用氣需求。
當使用者的氣體需求存在劇烈波動時，需要由操作人員不間斷地（例如24小時）關注緩衝罐中的氣體壓力峰值或谷值，並基於經驗調整緩衝罐的進氣量。例如，壓力峰值變高表明使用者的用氣需求變小，可以相應地手動減少空氣分離裝置向緩衝罐的氣體供應；而壓力峰值變低表明用氣需求變大，需要相應地手動增加空氣分離裝置向緩衝罐的氣體供應。
上述控制方案在用氣需求突然變小而空氣分離裝置無法快速回應時，需要將裝置生產出的過量氣體產品從緩衝罐中放空以防止管網超壓，這樣已生產出的氣體產品被浪費。另一種情況下，當使用者的用氣需求突然變大而空氣分離裝置的氣體供應無法滿足時，則需要汽化液體產品來及時補充緩衝罐中的氣體以維持對使用者的氣體供應，使用液態產品相比正常供應氣體的成本更高。
因此，需要設計一種能夠滿足使用者的不斷波動的用氣需求，特別是在使用者的用氣需求存在劇烈波動的情況下能夠以較低成本和更高效率供應氣體的方案。
為了解決上文中提出的至少一個問題，本申請之實施方式提出用於控制氣體供應之方法、設備和系統。
根據本申請之一方面，提出一種用於控制氣體供應系統的氣體供應之方法，該氣體供應系統包括氣體產生裝置和氣體緩衝裝置，氣體緩衝裝置接收來自氣體產生裝置的氣體供應以及向使用者提供氣體，該方法包括：獲取氣體緩衝裝置的壓力測量數據，壓力測量數據與使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯；基於壓力測量數據確定氣體緩衝裝置的壓力預測數據，其中壓力預測數據包括預測壓力和預測壓力變化率；以及基於壓力預測數據確定氣體緩衝裝置的氣體供應的控制參數。
根據本申請之又一方面，提出一種用於控制氣體供應系統的氣體供應的設備，該氣體供應系統包括氣體產生裝置和氣體緩衝裝置，氣體緩衝裝置接收來自氣體產生裝置的氣體供應以及向使用者提供氣體，該設備包括：檢測單元，被配置為獲取氣體緩衝裝置的壓力測量數據，壓力測量數據與使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯；控制單元，被配置為基於壓力測量數據確定氣體緩衝裝置的壓力預測數據以及基於壓力預測數據確定所述氣體緩衝裝置的氣體供應的控制參數，其中壓力預測數據包括預測壓力和預測壓力變化率。
根據本申請之再一方面，提出一種電腦可讀存儲介質，其上存儲有電腦程式，該電腦程式包括可執行指令，當該可執行指令被處理器執行時，實施根據如上所述之方法。
根據本申請之再一方面，提出一種電子設備包括處理器；以及記憶體，用於存儲處理器的可執行指令；其中，處理器被配置為執行可執行指令以實施如上所述之方法。
根據本申請之再又一方面，提出一種氣體供應系統，至少包括氣體產生裝置，氣體緩衝裝置以及如上所述之用於控制氣體供應系統的氣體供應的設備。
本申請所提出的用於控制氣體供應系統的氣體供應之方法、設備、系統及其電腦存儲介質，基於大數據和高級程序控制（APC，Advanced Process Control）技術可以實現對使用者的氣體需求和/或消耗劇烈波動應用場景下的氣體供應，特別是氣體產生裝置向氣體緩衝裝置提供氣體過程中的自動氣體供應負載的預測控制。藉由獲取表徵氣體供應系統，特別是氣體產生裝置向氣體緩衝裝置的氣體供應的負載情況的狀態變數（包括氣體緩衝裝置中的氣體的壓力與壓力變化率）以及使用者的用氣需求的歷史數據集，可以對氣體供應系統在下一採樣間隔或時間處的系統狀態及其變化趨勢進行預測，在與作為參考的控制約束進行比較後確定對氣體供應系統，特別是用於存儲向使用者提供的氣體的氣體緩衝裝置的氣體供應和氣體產生裝置的氣體生產相關的控制參數。這種自動化負載預測控制方案可以顯著減少人工作業的時間從而減少人力/時間成本，同時準確預測和跟蹤使用者的用氣需求，顯著降低由於放空氣體產品和液體產品汽化造成的浪費和成本。此外，本申請之方案具有可複製性，能夠容易地應用於具有類似需求的其他場景。
現在基於參考附圖更全面地描述示例性實施方式。然而，示例性實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述之實施方式；相反，提供該等實施方式使得本申請之內容變得全面和完整，並將示例性實施方式的構思全面地傳達給熟悉該項技術者。在圖中，為了清晰，可能會誇大部分元件的尺寸或加以變形。在圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施方式中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本申請之實施方式的充分理解。然而，熟悉該項技術者將意識到，可以實踐本申請之技術方案而沒有所述特定細節中的一個或更多，或者可以採用其它之方法、元件等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、方法或者操作以避免模糊本申請之各方面。
圖1示出根據本申請之一個實施方式的用於向使用者供應氣體的氣體供應系統之示例性架構。在本申請中，氣體供應系統100指用於向用氣使用者供應氣體的設備的集合。以點劃線標記的氣體供應系統100一般可以包括用於供應氣體的氣體產生裝置104，用於接收來自氣體產生裝置104的氣體以及在向使用者提供氣體之前對氣體進行存儲和緩衝的氣體緩衝裝置101，用於測量氣體供應系統100中的各個設備的參數和狀態的檢測單元102，實現氣體供應系統100的自動氣體供應負載預測和調節的控制單元103，以及相應的供應管路101a至101c等。氣體產生裝置104用於生產用氣使用者所需的氣體產品。在本申請之實施方式中，氣體產生裝置104例如可以包括空氣分離裝置（下文簡稱為ASU），還可以包括用於產生各種氣體產品的其他類型的裝置。為簡便起見，下文中使用ASU作為氣體產生裝置的具體示例。由氣體產生裝置104生產的氣體產品不僅包括通常由ASU生產的氧氣、氮氣和氬氣，還可以包括諸如氫氣、NH3­等各種類型的氣體產品以滿足不同用氣使用者的多樣需求。在圖1所示的應用場景中，氣體供應系統100具有兩個用氣使用者131和132。熟悉該項技術者可以理解，氣體供應系統100可以為單獨的使用者供應氣體，也可以同時為更多個使用者供應氣體，其中使用者的數量也可以是3個，4個或更多個。使用者131和132可以是在位置上相鄰或相近（例如處於同一工業園區中）的工廠，也可以是處於不同位置的工廠，也可以是大型工廠中的不同廠區或車間。通常，可以根據與使用者對應的分離的供應管路的數量區分各個用氣使用者。
ASU 104通過供應管路101a向氣體緩衝罐101提供使用者所需的氣體。根據工業園區的使用者131和132的用氣需求（例如多個使用者的整體用氣需求的平均值，整體用氣需求的峰值等）和單套ASU的供氣能力，可以使用單個ASU或者多個ASU並聯提供氣體分離和供應功能。通常每個ASU提供相同的氣體分離和供應功能。需要說明的是，在使用多個ASU並聯為多個使用者供應氣體時，多個ASU並聯可以滿足多個使用者的整體用氣需求，但是ASU與使用者之間一般不存在嚴格的對應關係，即某個或某組ASU並不專用於滿足特定使用者的用氣需求。
ASU 104提供的氣體一般可以包括氧氣（O 2），氮氣（N 2）和氬氣（Ar）等。該等氣體通過單獨的供應管路連接到對應的氣體緩衝罐101，從而經由與使用者131和132對應的供應管路101b和101c分別向使用者供應對應的氣體。ASU 104還可以包括後備系統，用於在ASU的氣體供應無法滿足使用者劇烈增長的用氣需求的緊急情況下，使用液態產品汽化快速補充對應的氣體產品。液態產品汽化的成本較高，因此氣體供應系統100的自動氣體供應負載預測和調節功能儘量避免使用這種供應方式。測量和控制ASU 104的氣體供應參數可以通過供應管路101a上的感測裝置和致動裝置實現。感測裝置例如可以包括檢測ASU 104輸出的氣體量和/或氣體流量的流量計，檢測氣體溫度的溫度計，檢測管路101a中的氣體壓力的壓力計等。感測裝置可以集成到ASU 104中，或者在氣體供應系統100中作為檢測單元102的一部分或與其分離地設置。致動裝置例如可以包括藉由電磁或機械方式調節閥門或閥芯的開度來控制氣體流量或流速的閥等。同樣，致動裝置可以集成到ASU 104中由ASU 104中的控制部件控制，或者由氣體供應系統100中的控制單元103控制。
氣體緩衝裝置101用於臨時存儲來自ASU 104的氣體以及提供ASU 104到使用者131和132之間的緩衝。氣體緩衝裝置101例如可以實現為氣體緩衝罐（Buffer Tank）或具有氣體存儲和緩衝功能的其他反應容器、氣體容器或管道等。為簡便起見，下文中使用氣體緩衝罐作為氣體緩衝裝置的具體示例。氣體緩衝罐101可以調節向使用者131和132的氣體供應管路101b和101c輸出的氣體的壓力、流量或流速、溫度等，保證在用氣使用者131和132的工業反應過程的嚴格要求。氣體緩衝罐101藉由檢測單元102中的相應感測器檢測其中存儲的氣體的狀態參數。氣體的狀態參數例如包括壓力和溫度等。氣體的壓力可以藉由位於氣體緩衝罐101內部（例如容器內壁上或容器空間中）或位於氣體緩衝罐101外部（例如容器外壁）的壓力感測器檢測。氣體的溫度同樣可以位於氣體緩衝罐101內部或外部的溫度感測器檢測。根據本申請之實施方式，還可以設置位於氣體緩衝罐101上或其附近的用於檢測氣體緩衝罐101所在場所的環境溫度的環境溫度感測器。可以將環境溫度作為氣體緩衝罐101中存儲的氣體的溫度。
氣體緩衝罐101分別經由供應管路101b和101c向使用者131和132輸送氣體。為了保證使用者接收的氣體供應符合需求，需要在供應管路101b和101c上設置相應的感測裝置和致動裝置。以向使用者131提供氣體的供應管路101b為例，管路101b上可以設置用於檢測氣體流量或流速的流量計，檢測氣體壓力的壓力計，檢測氣體溫度的溫度計和用於藉由電磁或機械方式調節閥門或閥芯的開度來控制氣體流量或流速的閥等。該等感測裝置和致動裝置可以設置在供應管路101b靠近氣體緩衝罐101的一側，在供應管路101b中部，或者在供應管路101b靠近使用者131的一側。例如，當設置在氣體緩衝罐101一側時，感測裝置可以作為檢測單元102的一部分以便於氣體供應系統100檢測系統狀態。致動裝置藉由氣體供應系統100的控制單元103控制，作為系統的致動或執行設備之一控制系統運行。當設置在靠近使用者131一側時，感測裝置檢測的相關參數能夠更準確地表徵使用者131在接收到所供應的氣體產品時的氣體狀態參數，相應地致動裝置也可以更準確地控制和調節輸送到使用者131的氣體的流量或流速、溫度和壓力。在理想情況下，可以認為供應管路101b中的氣體壓力、溫度、流速和流量中的至少一項係不變的，因此可以將感測裝置和致動裝置設置在靠近氣體緩衝罐101的一側，作為氣體供應系統100的組成部分。在氣體供應系統100所在的環境中的溫度均勻時，可以認為氣體緩衝罐101和供應管路101b和101c中的氣體的溫度均可以使用環境溫度錶示，從而減少溫度感測器的設置數量。如果將來自ASU 104供應的氣體以及向使用者131和132輸出的氣體的感測裝置檢測的參數和致動裝置的控制或調節參數（例如閥的開度）視為氣體緩衝罐101的入口側和出口側的氣體狀態參數和控制參數，則檢測裝置102可以藉由檢測與氣體緩衝罐101相關的各個參數獲得氣體供應系統100的主要系統狀態，如圖1中從氣體緩衝罐101到檢測單元102之間的箭頭所示。相應地，控制單元103可以藉由分別控制與氣體緩衝罐101相關的各個致動裝置的操作參數提供對氣體緩衝罐101的狀態控制和調節，進而實現對氣體供應系統100的氣體供應的負載自動預測和調節。
根據本申請之實施方式，針對不同類型的氣體可以設置不同的氣體緩衝罐101，並且對於同一種類型的氣體可以設置一個或更多個氣體緩衝罐101。存儲同類型氣體的氣體緩衝罐101可以採用並聯或串聯的形式。由存儲同類型氣體的多個氣體緩衝罐101向諸如使用者131提供氣體的供應管路101b可以是集合來自該等氣體緩衝罐101的供應管路分支的總的供應管路。在這種情況下，感測裝置和致動裝置可以設置在由氣體緩衝罐101向使用者131和132供應氣體的對應的總的供應管路101b和101c上。在圖1中，以單個氣體緩衝罐101的形式表示存儲相同類型的氣體的一個或多個氣體緩衝罐101。例如，可以假設該等氣體緩衝罐101具有相同的溫度、壓力以及其他狀態參數以便於系統分析和方案描述。
控制單元103獲取來自檢測單元102的系統狀態參數，特別是與氣體緩衝罐101相關的系統狀態參數的測量數據。該等系統狀態參數例如包括氣體緩衝罐101內存儲的氣體的壓力和溫度，由ASU 104進入氣體緩衝罐101的氣體的流量或流速，從氣體緩衝罐101輸出到使用者131和132的氣體的流量或流速等。控制單元103還可以獲取來自使用者131和132的使用者的用氣需求數據。使用者的用氣需求數據可以藉由在供應管路101b和101c上設置的感測裝置（例如靠近使用者側的流量計）測量，也可以藉由使用者131和132提供（例如由圖1中從使用者131和132到控制單元103的虛線箭頭所示）。用氣需求數據例如可以採用用氣需求/消耗之歷史數據曲線的形式由檢測單元102或使用者輸入到控制單元103中，或者由控制單元103基於來自檢測單元102或使用者131和132的測量數據或使用者需求的輸入數據生成。
由檢測單元102檢測的系統狀態參數的測量數據不僅包括當前採樣時間或間隔所獲取的採樣數據，還可以包括先前時間或間隔，或者先前一段時間內累積的採樣數據的集合，後者可以稱為歷史時間處或歷史間隔期間的採樣數據或測量數據的歷史數據。來自使用者131和132的用氣需求數據也不僅包括當前採樣時間或間隔所獲取的用氣需求數據，還可以包括先前時間或間隔，或者先前一段時間內累積的用氣需求數據的集合，後者可以相應地稱為在歷史時間處或歷史間隔期間的使用者的用氣需求的歷史數據。歷史數據中累積了過程的大量有價值資訊，相比某一時間或間隔的瞬時數據，更能反映系統趨勢。
如上文所述，氣體供應系統100的使用者的用氣需求呈現時間相關性，並且其中存在短時波動，甚至出現劇烈波動。表1給出了在某段時間期間的工業園區內的使用者的用氣需求的示例性流量分佈表，其中供應的氣體為氣態氧，單位為標準立方米（Nm 3） ­或標準立方米/小時（Nm 3/h）。
   使用者A 使用者B 使用者C
總計數 604516 604601 604557
需求平均值（Nm 3/h） 90322.69 1770.725 28.61523
標準差（Nm 3/h） 15854.2 2827.403 1.488039
最小值（Nm 3/h） 1299.591 0 21.71574
25%分位數（Nm 3/h） 81401.44 295.3931 28.07617
50%分位數（Nm 3/h） 91213.54 778.5904 28.07617
75%分位數（Nm 3/h） 101921.2 2266.846 29.29688
最大值（Nm 3/h） 135736.5 291878 35.40039
[表1]
基於表1中所列出的各個使用者所需的氣體（氧氣）的總計數、需求平均值以及其他相應的流量相關參數值可見，氧氣需求主要來自三個使用者中的使用者A，而使用者B和C的氧氣需求對氣體供應系統的氣體供應的影響較小。
表2則給出在該段時間期間的氣體供應系統使用三套ASU（ASU1至ASU3）提供滿足來自使用者A至C的整體氧氣需求的氣體供應的示例性流量分佈表。如上文所述，ASU1至3的氣體供應用於滿足三個使用者的整體氧氣需求，即氣體供應的總量滿足使用者的氧氣需求總量。但是，ASU1至ASU3中的任一個或多個並不存在與使用者A至C中的任一個或多個使用者之間的氣體供應的對應關係。
   ASU1 ASU2 ASU3
總計數 604505 604412 604557
需求平均值（Nm 3/h） 19455.11 56493.12 19964.28
標準差（Nm 3/h） 1622.74 4996.072 1551.798
最小值（Nm 3/h） 12753.75 41101.74 14074.89
25%分位數（Nm 3/h） 18103.79 52773.17 18431.62
50%分位數（Nm 3/h） 20003.61 59177.06 20406.14
75%分位數（Nm 3/h） 20954.16 60341.42 21307.77
最大值（Nm 3/h） 21437.7 63098.08 23943.05
負載波動（（最大值-平均值）/平均值） 10.19% 11.69% 19.92%
[表2]
基於各個ASU在氧氣流量分佈表中的需求平均值和最大值項的流量數據，可以計算得出表2中的ASU1、ASU2和ASU3三套ASU的氣體供應負載數據的最大值相對於各自負載的平均值分別存在大約10%，12%和20%的波動。為了使氣體供應系統的氧氣供應匹配使用者的氣體需求和消耗，存在對ASU的氣體供應的負載進行頻繁調節的情況。
如上文所述，如果對來自使用者的用氣需求和消耗不能準確預測和跟蹤， ASU可能生產超過使用者所需的氣體而使得氣體緩衝罐101和供應管路101a至101c中的氣體壓力過高。為了避免設備損壞，氣體供應系統100需要將氣體緩衝罐101中的過量氣體排出甚至放空，導致ASU生產的氣體產品被浪費。這種情況在使用者的需求在瞬間或短時間內強烈下降時造成的負面影響更大。如果ASU的氣體產品生產速度無法滿足使用者的瞬間或短期內的強烈上升，為了保證使用者的反應過程所需的氣體供應流量或流速，必須由ASU 104的後備系統對液態氣體產品進行汽化來快速補充氣體緩衝罐101中的氣體。液態氣體的成本遠高於ASU正常產生氣體產品的生產方式，因此頻繁地啟用液體汽化來生產氣體將顯著增加氣體供應系統的運行成本。與浪費氣體類似，這種情況在使用者的需求在瞬間或短時間內強烈上升以及頻繁波動時同樣造成很大的負面影響。
因此，保證氣體供應系統100以較經濟的成本實現使用者的用氣需求和消耗的合理跟蹤和供應，維持ASU以穩定可控的氣體供應負載狀態運行係氣體供應系統100的重要控制目標。
下面，基於質量守恆定理分析與氣體供應和氣體消耗分別對應的氣體進入和離開氣體緩衝罐（緩衝罐）的質量/流量參數之間的對應關係，確定準確地預測使用者的即時用氣需求的趨勢的主要參數和指標。
根據質量守恆定理，氣體緩衝罐101中的氣體（例如氧氣O 2）即時或瞬時狀態符合如下公式： d(ρV) = (F in- F out) * ρ s* dt                 公式（1） 其中， F in為進入氣體緩衝罐101的氣體流量； F out為離開氣體緩衝罐101的氣體流量，F in和F out可以使用位於氣體緩衝罐101的氣體入口側和出口側的兩個流量感測裝置（例如流量計）檢測標準狀態下的氣體流量獲得； ΔF = F in- F out為進入氣體緩衝罐101內的氣體流量變化，也稱為淨氣體流量； ρ為氣體密度，ρ s為標準狀態下的氣體密度； t為瞬時時刻。
根據理想氣體狀態方程，將氣體密度展開為包括P，R，T和M的運算式，得到公式（2）： d(M O2* P/(R * T) * V) = (F in- F out) * ρ s* dt           公式（2） 其中， R為氣體常數； P為氣體的壓力，可以由位於氣體緩衝罐101內部或外部的壓力感測器檢測，在此假設氣體緩衝罐101（包括多個並聯或串聯的氣體緩衝罐）的壓力係均勻分佈的； T為氣體的溫度，由位於氣體緩衝罐101內部或外部的溫度感測器檢測。根據本申請之實施方式，可以使用氣體緩衝罐101所在的場所的環境溫度作為公式中的氣體的溫度。假設在所關注的氣體供應過程期間（例如，30分鐘，1小時或更長的時間）期間的氣體溫度或環境溫度係恒定的，即T為常數； M為氣體（氧氣）的莫耳質量。
對公式（2）進行等效變換，得到： F out= F in- d(M O2* P/(R * T) * V)/(ρ s* dt) 再將恒定的參數從微分項中移到外部並整合為常數參數，得到： d(P/T)/dt = (F in- F out)/k 進一步， dP/dt = T * (F in- F out)/k = (F in- F out)/k1 = ΔF/k1        公式（3） 其中， 常數參數k為 M O2* V/(R * ρ s)，k1 = k/T，即在考慮氣體的溫度（環境溫度）的情況下，壓力的微分dP/dt與氣體的溫度和氣體流量變化的乘積成比例；如果氣體的溫度恒定時，可以將溫度併入常數參數k得到常數參數k1，則壓力的微分dP/dt僅與氣體流量變化成比例。
根據上述公式，可以將從氣體緩衝罐101輸出到使用者的供應管路的氣體流量計算為： F out= F in- [d(P/T)/dt] * k = F in- [d(P)/dt] * k1     公式（4） 可見，氣體緩衝罐101中的氣體的壓力變化率dP/dt係用於反映使用者的氣體（氧氣）消耗與ASU 104的氣體供應之間的偏差，即預測使用者的氣體需求趨勢的直接指標。在氣體的溫度（環境溫度）恒定的情況下，參數dP/dt可以作為氣體需求趨勢的關鍵預測參數之一。在此基礎上，結合反應氣體供應系統100的重要的狀態變數的氣體的壓力P，可以準確地預測使用者的氣體需求趨勢，為ASU 104的氣體供應負載準確跟蹤使用者的用氣需求趨勢提供理論上的支持。
在預測使用者的用氣需求時，通常需要基於使用者在過去一段時間期間的用氣需求數據作為歷史數據提取用氣規律。所累積的歷史數據量越大，從中提取的能夠反映使用者的用氣規律和趨勢的特徵資訊越多。另外，使用者的用氣需求存在一定的週期性，因此至少可以根據先前的一個或多個週期內的使用者用氣需求的歷史數據集合，預測與使用者在未來時間或時間期間的用氣趨勢相對應的氣體緩衝罐101中的氣體的壓力變化率以及壓力，進而確定控制氣體供應系統100的供氣策略。
確定氣體供應策略需要確定使用者的用氣週期。控制單元103首先獲取以預定的採樣時間間隔（例如15秒，30秒，1分鐘，5分鐘或更長的時間間隔）持續採集（例如分別採集使用者131和132）的用氣需求/消耗數據。如上文所述，用氣需求/消耗數據的歷史數據可以採用來自使用者131或132或者來自諸如靠近使用者側的供應管路上的感測裝置（例如流量計）提供的用氣需求數據的歷史數據集合。
圖2和圖3以用氣需求之歷史數據曲線的形式分別示出使用者A在不同時間段的歷史用氣需求情況。可以看出，使用者A在圖3所示的時間段的用氣需求之歷史數據曲線呈現比該使用者在圖2所示的時間段更劇烈的波動（縱軸上流量變化幅度更大）並且佔據對氣體供應系統100的氣體供應負載的影響的主要部分（縱軸上的流量及其變化的絕對值更大）。
儘管使用者的用氣需求歷史數據曲線呈現較多的劇烈波動，但是該等波動呈現一定的週期性。可以對歷史數據曲線進行回歸分析，例如自回歸分析來確定使用者的用氣需求的用氣週期。自回歸分析適於以較低的運算量快速地確定參數的自相關特性。熟悉該項技術者可以想到，還可以使用其他方法確定使用者的用氣週期。
控制單元103可以針對每個使用者的氣體需求/消耗之歷史數據曲線進行自回歸分析，獲得與每個使用者的氣體需求對應的用氣週期。針對每個使用者分別確定用氣週期，可以支持氣體供應系統100制定針對每個用氣使用者的氣體供應策略和自動負載調節方案，獲得更精準的氣體供應效果。控制單元103還可以將具有起始時間和相位相同或相近的用氣週期的使用者的氣體需求的歷史數據整合，確定同時對多個使用者進行氣體供應的供應策略和自動負載調節方案。
將使用者A的用氣需求之歷史數據曲線（記為原始曲線y）按照採樣時間間隔（例如30秒）為移位步長沿橫軸（時間）向前或向後水平移位獲得移位後的曲線y’，對兩條曲線y和y’進行相關性分析，確定相位相差不同的時間區間的兩條氣體需求歷史數據曲線之間的相關性（也稱為吻合度）。如果兩條曲線中具有相同的橫軸座標（時間）的兩點之間存在較大相關性，則這兩條曲線具有較大的相關性值，反之則具有較低的相關性值。將相關性值定義為[0, 1]之間的值，顯然，如果兩條曲線完全相同（即沒有在時間上移位）則它們具有值為1的相關性值。
將使用者A的用氣需求之歷史數據曲線的原始曲線y和移位後的曲線y’之間的時間區間差值作為橫軸座標（單位為採樣時間間隔的計數），二者的相關性值作為縱軸座標生成自回歸相關性曲線圖，如圖4A所示。顯然在時間區間差值（0個採樣時間間隔）處存在值為1的最大相關性。進一步，發現圖4A所示的示例在60個採樣時間間隔的滯後（對應的橫坐標為-60）或者在60個採樣時間間隔的超前（對應的橫坐標為+60）的兩條曲線y和y’的相關性值，達到除了橫坐標為0的點（0移位步長）處的最大相關性值以外的最大相關性值（次最大相關性）的波峰。波峰表示在該超前移位步長或滯後移位步長處存在較大的參數自相關值，而波谷則表示存在較小的自相關值，即最不相關。除了0點外的最高波峰每60個移位步長出現一次，並且該波峰的相關性值相同或基本相同，證明使用者A的用氣需求存在60個移位步長的用氣週期。該示例中的採樣時間間隔為30秒，則60個移位步長的採樣時間間隔的和為30分鐘，從使用者A的用氣需求之歷史數據曲線可以確定其用氣週期為30分鐘。
圖4B則係使用者B的用氣需求之歷史數據曲線的原始曲線y和移位後的曲線y’之間的自回歸相關性曲線圖。雖然圖中除0點位置之外存在多個波峰和波谷，但是最大波峰（除0點之外）仍然出現在+-60個移位步長處，因此可以確定使用者B的用氣需求的用氣週期為30分鐘。
可以根據公式（4）基於用氣需求的歷史數據對以自回歸分析確定的使用者的用氣週期進行驗證。基於公式（4）變換得到： dP/dt * k1 = F in– F out進一步，在確定的用氣週期上對壓力變化率進行積分，得到： ∫(dP/dt)dt = ∫(F in- F out)dt                       公式（5） 在理想狀態下，氣體緩衝罐101既沒有多餘的氣體被放空，也沒有使用液體汽化補充供氣，則ASU 104提供的進入氣體緩衝罐101的氣體流量應當滿足使用者的氣體需求流量（即F in與F out相同）使得ΔF = F in- F out為零，其積分也為零。則壓力變化率的積分值在所確定的用氣週期（例如30分鐘）內近似為0，表示氣體供應系統100的ASU 104提供的氣體量與使用者所需的氣體需求量相同，二者差為0。因此，可以證明上文中根據自回歸分析所確定的使用者週期係正確的。
在確定使用者的用氣週期之後，控制單元103基於所獲取的氣體供應系統在先前的使用者用氣週期內的系統狀態變數的歷史數據預測與使用者在未來採樣時間或時間間隔處的用氣趨勢相對應的預測系統狀態變數。系統狀態變數使用上文中所分析確定的氣體緩衝罐101的氣體壓力和壓力變化率。由檢測單元102所獲取的氣體緩衝罐101在先前的用氣週期內的壓力測量數據體現了使用者在用氣週期內的用氣需求資訊，或者說在先前的用氣週期內的壓力測量數據與使用者的用氣需求相關聯。因此，可以藉由先前的使用者用氣週期內所獲取的壓力測量數據計算得到氣體緩衝罐101內的氣體的預測壓力和預測壓力變化率。
氣體供應系統100的檢測單元102在所確定的先前一個或多個用氣週期內，以預定的採樣時間間隔獲取與氣體緩衝罐101中的氣體壓力，氣體緩衝罐101中的氣體的溫度（或環境溫度）的測量值及其採樣時間或測量時間。氣體供應系統100也可以獲取其他時間期間內的氣體壓力、氣體溫度的測量值。一般來說，檢測單元102採樣上述氣體參數的時間期間至少應當大於或等於上文中所確定的一個完整的用氣週期。可以使用平均值演算法計算在該時間期間（例如一個或多個用氣週期，或者大於或等於一個完整用氣週期的其他時間期間）內的預測壓力和預測壓力變化率中的至少一項。平均值可以包括移動平均值或算術平均值。以移動平均值為例，所獲取的在先前的一個或多個用氣週期或大於或等於一個完整用氣週期的其他時間期間內的氣體壓力的測量值的移動平均值可以作為氣體壓力在未來時間或時間間隔的預測值。基於氣體壓力的測量值和該測量值所對應的測量時間或採樣時間還可以計算該測量時間或時間間隔期間的壓力變化率，所計算的多個壓力變化率在先前的一個或多個用氣週期或大於或等於一個完整用氣週期的其他時間期間內的的移動平均值可以作為氣體的壓力變化率在未來時間或時間間隔的預測值。在此，未來時間或時間間隔指的是氣體供應系統100的控制單元103的下一控制時間或控制時間間隔，氣體緩衝罐101中的氣體壓力和壓力變化率的預測值作為該未來時刻的壓力和壓力變化率的期望值或控制目標值。對於控制單元103的控制間隔需要根據檢測單元102的採樣時間或時間間隔和所確定的使用者的用氣週期來適當地選擇。較長的控制時間或控制時間間隔不能準確跟蹤使用者的用氣需求，而較短的控制時間或控制時間間隔不僅增加了氣體供應系統的控制單元103的運算負荷，也會因為過度控制或調節而降低使用者的生產製程過程的穩定性。所以，控制單元103的控制時間或時間間隔可根據調試結果進行選擇和微調。例如，例如，對於30分鐘的用氣週期和30秒的採樣時間間隔，控制時間或控制時間間隔可以選擇為1 分鐘、5分鐘或其他時間長度。
如果氣體的溫度（環境溫度）係變化的，則在計算預測壓力，特別是預測壓力變化率時還需要考慮氣體的溫度測量值，至少基於公式（3）確定與氣體溫度相對應的預測壓力和預測壓力變化率。
圖5示出用於氣體供應系統100的高級程序控制（APC，Advanced Process Control）的示例性控制邏輯。根據上文中的分析，在控制邏輯中增加氣體緩衝罐101中的氣體的壓力變化率（dP/dt）和壓力（P）的（移動）平均值演算法。其中，用於計算平均值的用氣週期基於由使用者的用氣需求歷史數據的自回歸分析計算。
控制單元103的控制輸入510為系統狀態變數的期望值，例如，分別包括氣體緩衝罐101中的氣體的壓力和壓力變化率的期望範圍，二者分別被稱為壓力控制約束和壓力變化率控制約束。控制約束限定了相關系統狀態變數的變化範圍，與氣體供應系統的設備參數、氣體供應性能、負載調節範圍以及設備安全限制等因素有關。控制約束可以採用閾值，或者由上限閾值和下限閾值組成的閾值範圍（也稱為控制帶）表示。根據本申請之實施方式，壓力控制約束為期望的壓力P的閾值範圍[P low，P High]，例如可以設定為[2.0 Mpa，2.5 Mpa] ，或者更精細的[2.05 Mpa，2.22 Mpa]。壓力變化率控制約束為期望的壓力變化率dP/dt的閾值範圍[DP low，DP high]，例如可以設定為[-5 kPa/min，7 kPa/min]，或者更精確的[-5.1 kPa/min，6.8 kPa/min]。
氣體供應系統100的輸出512為經過氣體供應調節後的系統狀態變數，例如是氣體緩衝罐101中的氣體的經控制後所測得的壓力和所計算的壓力變化率。檢測單元102檢測系統控制輸出512（氣體壓力P），獲得氣體緩衝罐101的氣體壓力和氣體壓力變化率作為系統的回饋信號。檢測的壓力和壓力變化率經過回饋單元504（其傳遞函數為Gm(s)）處理後，在521處分別將處理後的壓力與期望的壓力和壓力變化率進行比較獲得壓力偏差e(P)和壓力變化率偏差e(dP)，並將壓力偏差e(P)輸入到壓力控制器501，將壓力變化率偏差e(dP)輸入到壓力變化率控制器502。
作為策略控制器之一的壓力控制器501（其傳遞函數為Gc_a(s)），基於壓力控制約束，確定由氣體壓力決定的氣體供應策略的第一控制量以指示氣體供應系統100的氣體供應的調整方向。
在本文中，以壓力和壓力變化率的移動平均值作為系統狀態變數的預測值為例說明控制策略，但是熟悉該項技術者應當理解，壓力和壓力變化率的其他計算值也是適用的。
如果壓力的移動平均值Ave_Move(P) ＞ P high，表示氣體緩衝罐101的氣體供應量超過使用者的用氣需求量，需要減少供氣以避免浪費氣體。如果壓力的移動平均值Ave_Move(P) ＜ P low，表示氣體緩衝罐101的氣體供應量不足以滿足使用者的用氣需求量，需要增加供氣甚至可能需要液體汽化。而壓力的移動平均值Ave_Move(P) 在P low和P high之間，表示氣體緩衝罐101的氣體供應量滿足壓力控制約束，氣體供應量滿足使用者的用氣需求量。壓力的移動平均值Ave_Move(P)與上限和下限閾值P high和P ­low的­比較結果實際反映的是氣體緩衝罐101在提供使用者的用氣需求後剩餘氣體的壓力（存量）情況，用於判斷系統的供氣量是否滿足使用者的用氣需求量。
壓力控制器501生成的第一控制量可以採用指示氣體供應策略或氣體供應調整方向的標誌量（flag）。標誌量可以使用離散控制方式簡化控制演算法，也便於基於經驗調整控制策略，獲得快速高效的控制效果。例如，分別使用-1，0和+1作為壓力控制器501所輸出的標誌量Flag1。其中，-1的標誌量指示氣體緩衝罐101中氣體存量過大，需要減少氣體供應；0指示氣體緩衝罐101中的氣體存量尚能滿足使用者需求，無需調整當前氣體供應方案，氣體供應保持不變；+1則指示氣體緩衝罐101中的氣體存量已經不足，需要增加氣體供應以提前做好使用者需求快速增加的準備。相對應地，壓力的移動平均值Ave_Move(P) ＞ P high時壓力控制器501的輸出標誌量Flag1為-1，壓力的移動平均值Ave_Move(P)落入閾值範圍[P low，P High]中時壓力控制器501的輸出標誌量Flag1為0，壓力的移動平均值Ave_Move(P) ＜ P low時壓力控制器501的輸出標誌量Flag1為+1。
另一策略控制器的壓力變化率控制器502（也可以稱為微分先行控制器，其傳遞函數為Gc_b(s)），基於壓力變化率控制約束，確定由氣體壓力變化率決定的氣體供應策略的第二控制量以指示氣體供應系統100的氣體供應的調整方向。壓力變化率控制器502可以彌補僅使用壓力控制器501進行壓力調節的滯後性，基於微分控制實現相位超前的系統狀態變數調整。
如果壓力變化率的移動平均值Ave_Move(dP/dt) ＞ DP high，表示進入氣體緩衝罐101的氣體流量F in大於離開氣體緩衝罐101的氣體流量F out，氣體供應超過使用者的用氣需求，需要減少供氣以避免浪費氣體。如果壓力變化率的移動平均值Ave_Move(dP/dt) ＜ DP low，表示進入氣體緩衝罐101的氣體流量F in小於離開氣體緩衝罐101的氣體流量F out，氣體供應不足以滿足使用者的用氣需求，需要增加供氣，甚至可能需要後備系統的液體汽化。如果壓力變化率的移動平均值Ave_Move(dP/dt)位於DP low和DP high之間，表示進入氣體緩衝罐101的氣體流量F in與離開氣體緩衝罐101的氣體流量F out基本達到平衡。壓力變化率的移動平均值Ave_Move(dP/dt)與DP high和DP low的比較結果實際反映的是上游的氣體分離裝置ASU的氣體生產量或生產速度（氣體流量或流速）是否滿足下游的用氣裝置（使用者）的氣體消耗量或消耗速度（流量或流速），即用氣量變化速度的考量，用於判斷系統供氣速度是否滿足使用者的用氣速度。
類似地，壓力變化率控制器502生成的第二控制量同樣可以採用指示氣體供應策略或氣體供應調整方向的標誌量。例如，分別使用-1，0和+1的作為壓力變化率控制器502所輸出的標誌量Flag2。其中，-1的標誌量指示氣體緩衝罐101的下游使用者用量低於上游的ASU提供的進入氣體緩衝罐101的氣體流量（下游快速退量），需要減小氣體供應速度；0指示氣體緩衝罐101的下游使用者用量與上游的ASU氣體分離生產量基本平衡，無需調整當前氣體供應方案，氣體供應速度保持不變；+1則指示氣體緩衝罐101的下游使用者用量高於上游的ASU提供的進入氣體緩衝罐101的氣體流量（下游快速消耗），需要增加氣體供應速度以應對使用者需求快速增加。相對應地，壓力變化率的移動平均值Ave_Move(dP/dt) ＞ DP high時壓力變化率控制器502的輸出標誌量為-1，壓力變化率的移動平均值Ave_Move(dP/dt)落入閾值範圍[DP low，DP High]中時壓力變化率控制器502的輸出標誌量為0，壓力變化率的移動平均值Ave_Move(dP/dt) ＜ DP low時壓力變化率控制器502的輸出標誌量為1。
壓力控制器501和壓力變化率控制器502輸出的第一和第二控制量在522處進行融合操作以生成融合控制量。在這裡，融合操作可以將壓力控制器501和壓力變化率控制器502生成的氣體供應策略進行整合以獲得組合的單一控制輸出。融合操作可以包括將第一和第二控制量進行簡單的算術求和，還可以引入各自的權重進行加權求和以表示壓力和壓力變化率對氣體供應策略的貢獻程度。還可以使用其他演算法計算融合控制量。
在第一和第二控制量採用標誌量的情況下，可以將標誌量相加獲得的總和作為壓力控制器501和壓力變化率控制器502的融合控制量。例如，如果使用者的用氣需求猛烈增加，雖然預測的氣體壓力P的移動平均值小於P low（對應的Flag1值為+1），但是系統的供氣速度在加快（預測的壓力變化率dP/dt大於DP high，對應的Flag2值為-1），則Flag1和Flag2的算術總和為+1 + -1 = 0，說明氣體緩衝罐101的供氣已經在不斷增加並且能夠滿足用氣需求快速增加的趨勢，則融合控制量的標誌量Flag = Flag1 + Flag2 = 0，最終不需要調整現有供氣策略。再例如，如果用氣需求猛烈增加，但是所預測的氣體緩衝罐101中的氣體壓力P的移動平均值仍然很高（Ave_Move(P) ＞＞ P high，對應的Flag1為-1），說明此時氣體緩衝罐101的供氣量仍然滿足用氣需求，即使預測的壓力變化率的移動平均值小於DP low（對應的Flag2為1），則二者的總和得到的融合控制量的標誌量仍然為Flag = Flag1 + Flag2 = +1 + -1 = 0，不需要調整現有的供氣策略。
根據本申請之實施方式，在第一和第二控制量的標誌量的總和為-2時，仍然將融合控制量的標誌量設置為-1，即不在增加供氣或減少供氣的控制策略中再分級。相應地，在總和為+2的情況下，仍然將融合控制量的標誌量設置為+1。
控制邏輯中還可以包括針對干擾輸入511進行控制的前饋控制器503（其傳遞函數為Gc_c(s)）。前饋控制器503主要用於針對氣體供應系統中諸如因一氧化碳或二氧化碳等雜質氣體的存在，導致氣體供應系統的氣體供應負載中存在干擾成分而使得從氣體分離裝置向氣體緩衝罐提供氣體時需要被迫升高或降低氣體供應負載的情況。前饋控制器503可以基於所檢測的與一氧化碳或二氧化碳等雜質氣體相關的干擾輸入511，生成氣體供應負載的經調整和補償的控制參數。
在具有或不具有前饋控制器503的情況下，壓力控制器501和壓力變化率控制器502、和/或前饋控制器503的輸出在522進行融合以生成單一的融合控制量，然後將融合控制量輸入到氣體供應系統100的執行控制器505（其傳遞函數為Gv(s)）。如上文所述，融合操作可以包括將兩個或三個控制器的控制輸出的簡單求和後的總和作為融合控制量，也可以引入權重計算兩者或三者的加權總和作為融合控制量。在將前饋控制器503的控制量輸出與壓力控制器501、壓力變化率控制器502的控制量輸出（第一和第二控制量）進行融合前，需要先統一它們的輸出格式。
系統的執行控制器505（其傳遞函數為Gv(s)）基於來自522的融合控制輸出所指示的整合氣體供應策略，使用DCS控制方法確定氣體供應系統100的執行設備（例如包括如上文所述之各個致動裝置）的控制參數。DCS控制方法使用的多變數預測控制（MVPC，Multi Variables Predictive Control）模型提供自動調速功能，可以將來自522的融合控制輸出與相應的控制量閾值或閾值範圍進行比較。在融合控制輸出超出閾值較多或者距離較遠時，MVPC可以以較快的速度和幅度將控制量調節或「拉回」到閾值以內或到閾值範圍內。融合控制輸出越接近閾值或閾值範圍，調節的速度或幅度越小，呈現「降速」的效果。也就是說，MVPC可以藉由自動調速功能根據輸入到執行控制器505的融合控制量與閾值或閾值範圍的偏離程度自動選擇相應的調節速度或幅度。因此，在壓力控制器501、壓力變化率控制器502和/或前饋控制器503中，輸出的控制量不再設置-2和+2的標誌量，融合後的融合控制量也不再設置-2和+2的標誌量而是將其分別併入-1和+1中。
執行控制器505輸出的控制參數用於控制致動裝置執行氣體緩衝罐101的氣體供應負載的調整，例如包括氣體緩衝罐101的進氣量，進氣流量或流速（例如以標準立方米/小時為單位），和/或位於氣體緩衝罐101的進氣側的供應管路101a上或氣體緩衝罐101的進氣口處的閥門的開度等。壓力和壓力變化率分別與期望的壓力控制約束條件和壓力變化率約束條件的比較（以及可能進一步考慮的干擾輸入511的影響），可以確定氣體供應系統100的控制參數（例如用於ASU的氣體分離生產參數）的調整方向和趨勢。而MVPC中的整合控制量與對應閾值和閾值範圍的比較，可以確定氣體供應系統100的控制參數的變化或調整的方向、幅度和/或速度。
氣體供應系統100的系統模型506（其傳遞函數為Gp(s)）在執行控制器505輸出的控制參數的控制下，達到新的系統狀態並產生如上文所述之系統輸出512。根據本申請之實施方式，干擾輸入511也可以影響氣體供應系統100的系統模型506的系統狀態輸出512，因此需要引入前饋控制器503。
在某工業園區中，採用根據本申請所提出的APC控制邏輯控制的氣體供應系統100，獲得了自2020年11月至2020年12月的系統運行數據。其中，所記錄的ASU的氧氣供應負載在85-105 kNm 3/h（千標準立方米/小時）之間。作為對比，以相同氧氣供應負載下的手動控制方案的平均性能作為比較基準。
經過對現場測試結果的工作時間和經濟成本的節約性分析，可以發現本申請所提出的用於控制氣體供應的自動化負載預測系統方案可以顯著減少人工作業時間。例如，操作記錄從平均80.37條/天減少到0，即沒有由於氣體生產需求不匹配使用者的用氣需求和消耗問題而導致的人工作業，可以每天節省2個人工時。此外，本申請之系統方案可以顯著降低氣體產品放空和液體產品汽化的額外成本。對使用本申請提出的系統方案與人工作業進行比較計算發現，氣體供應過程中的液體汽化比（liquid evaporation ratio，以液體汽化提供的供應氣體占使用者的總氣體需求量的比率，以百分比表示）可以從2%降到1%，排氣時間比（venting time ratio，從氣體緩衝罐中排除過量氣體的時間占總供氣時間的比率，以百分比表示）從11%降到6%，顯著節約了人力、時間和原料成本從而避免浪費。綜合上述工作時間和成本節省以及相關的其他支出，本申請提出的系統方案可以每月節省約10萬元，每天減少兩個人工時的人力/時間成本，從而提高了操作人員的工作體驗。該方案還可以複製應用於需求類似的其他應用場景。
圖6示出用於控制氣體供應的示例性方法。該方法中與結合圖1至圖5描述的氣體供應系統的運行過程相同或相似的部分將不再詳述。
方法首先在步驟S610中獲取氣體供應系統的系統狀態變數的測量數據，例如氣體緩衝罐中的氣體的壓力測量數據。從上文可知，該等壓力測量數據與使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯。為了確定可用於提取使用者的用氣需求規律的足夠資訊，需要在步驟S610中進一步實施多個子步驟。該等子步驟用於確定使用者的用氣週期並基於用氣週期選取在先前的用氣週期中所測量的系統狀態變數。例如，在子步驟S611中進一步獲取使用者的用氣需求的歷史數據，以及在子步驟S612中基於用氣需求的歷史數據確定用氣週期，使得在步驟S610中可以獲取在當前時間之前的先前的用氣週期內的壓力測量數據。在基於用氣需求的歷史數據確定用氣週期時，可以在用氣週期歷史數據（曲線）上應用回歸分析，特別是自回歸分析演算法確定用氣週期。
接下來，方法在步驟S620中確定下一時間/時間間隔（特別是下一控制時間或控制時間間隔）的預測的系統狀態變數，例如壓力預測數據。表徵氣體供應系統的系統狀態變數包括氣體緩衝罐中的氣體壓力和壓力變化率，因此步驟S620中確定壓力預測數據主要是確定壓力與壓力變化率的預測數據（子步驟S622）。在理想狀態下，氣體緩衝罐中的氣體溫度保持恒定，也可以使用所測量的環境溫度錶示氣體緩衝罐內的氣體溫度。當氣體的溫度可變時，還需要根據質量守恆定理所推導的規律（例如公式4）獲取氣體緩衝罐中的氣體溫度（例如圖6中由虛線示出的子步驟S621）來計算與氣體溫度相對應的預測壓力和預測壓力變化率。
在完成步驟S620之後，方法在步驟S630中確定氣體供應系統的控制參數。其中，在子步驟S631中，基於所預測的壓力以及壓力控制約束的比較結果可以確定氣體供應負載調節的第一控制量。在子步驟S632中，基於所預測的壓力變化率以及壓力變化率控制約束的比較結果可以確定氣體供應負載調節的第二控制量。控制量可以採用表徵不同控制策略的標誌量的形式。子步驟S631和S632可以獨立、串列或並行實施。然後，在子步驟S633中將第一和第二控制量進行融合操作生成融合後的系統控制量，並確定系統中各個設備（例如ASU）的控制或操作參數。控制參數可以是氣體的供應相關的可測量參數，例如氣體緩衝罐的進氣量或進氣流量（流速）或ASU的氣體分離生產量或生產流量（流速），也可以是直接或間接地作用於氣體供應系統的設備的致動裝置或執行裝置的操作量，例如氣體緩衝罐的進氣口或進氣側的供應管路上的閥門的開度。
如果氣體供應系統有多個用氣使用者，則本申請所提出之方法還可以針對不同的使用者需求規律設計對應的氣體供應負載調節策略和方法。熟悉該項技術者可知，在氣體供應系統供應多種類型的氣體時，氣體供應負載的自動調節係針對每種類型的氣體產品單獨設置的。
圖7則示出根據本申請之實施方式的用於控制氣體供應的設備700。設備700至少包括用於獲取氣體供應系統的系統狀態變數數據701，例如氣體緩衝罐的壓力測量數據的檢測單元710，用於基於所獲取的壓力測量數據確定壓力預測數據（包括預測壓力和預測壓力變化率）並基於壓力預測數據確定系統的氣體供應負載調節的控制參數702的控制單元720。
具體地，控制單元720可以進一步實施如圖6中所示的步驟S610至S630中的至少一個步驟和至少一個子步驟。其中，與上文中結合圖1至5描述的系統運行過程以及結合圖6描述之方法中相同或類似的部分將不再詳述。
設備700還可以包括用於與操作人員交互的介面（未示出）。介面可以包括接收操作人員的輸入資訊的輸入單元，操作人員可以藉由輸入單元介入氣體供應系統的氣體供應負載自動調節過程，輸入期望的控制約束條件和控制參數等。介面還可以包括向操作人員呈現系統工作狀態和所獲取的各種數據的顯示單元。
圖8示出氣體供應系統的示例性框圖。氣體供應系統800可以包括如圖7中所示的用於氣體供應控制的設備700，用於緩存提供給使用者的氣體的氣體緩衝罐810，以及用於生產氣體的氣體產生裝置（例如ASU）820。設備700從氣體緩衝罐810獲取系統狀態變數以確定氣體供應控制和負載調節的控制參數，控制氣體產生裝置820的氣體供應負載的調節操作，例如正常產氣或液體汽化，和/或控制氣體緩衝罐810的操作。與氣體緩衝罐810相關的操作例如包括，調節進入和流出氣體緩衝罐810的氣體量或氣體流量/流速，以及控制氣體緩衝罐810排出生產過量的氣體產品。
應當注意，儘管在上文詳細描述中提及了用於控制氣體供應的系統的若干模組或者單元，但是這種劃分並非強制性的。實際上，根據本申請之實施方式，上文描述的兩個或更多模組或者單元的特徵和功能可以在一個模組或者單元中具體化。反之，上文描述的一個模組或者單元的特徵和功能可以進一步劃分為由多個模組或者單元來具體化。作為模組或單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分佈到多個網路單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模組來實現本申請之方案的目的。熟悉該項技術者在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解並實施。
在本申請之示例性實施方式中，還提供了一種電腦可讀存儲介質，其上存儲有電腦程式，該程式包括可執行指令，該可執行指令被例如處理器執行時可以實現上述任意一個實施方式中所述用於控制氣體供應之方法的步驟。在一些可能的實施方式中，本申請之各個方面還可以實現為一種程式產品的形式，其包括程式碼，當所述程式產品在終端設備上運行時，所述程式碼用於使所述終端設備執行本說明書用於控制氣體供應之方法中描述的根據本申請各種示例性實施方式的步驟。
根據本申請之實施方式的用於實現上述方法的程式產品可以採用可擕式緊湊盤唯讀記憶體(CD-ROM)並包括程式碼，並可以在終端設備，例如個人電腦上運行。然而，本申請之程式產品不限於此，在本文檔中，可讀存儲介質可以是任何包含或存儲程式的有形介質，該程式可以被指令執行系統、裝置或者器件使用或者與其結合使用。
所述程式產品可以採用一個或多個可讀介質的任意組合。可讀介質可以是可讀信號介質或者可讀存儲介質。可讀存儲介質例如可以為但不限於電、磁、光、電磁、紅外線、或半導體的系統、裝置或器件，或者任意以上的組合。可讀存儲介質的更具體的例子（非窮舉的列表）包括：具有一個或多個導線的電連接、可擕式盤、硬碟、隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、可擦式可程式設計唯讀記憶體（EPROM或快閃記憶體）、光纖、可擕式緊湊盤唯讀記憶體(CD-ROM)、光記憶體件、磁記憶體件、或者上述的任意合適的組合。
所述電腦可讀存儲介質可以包括在基帶中或者作為載波一部分傳播的數據信號，其中承載了可讀程式碼。這種傳播的數據信號可以採用多種形式，包括但不限於電磁信號、光信號或上述的任意合適的組合。可讀存儲介質還可以是可讀存儲介質以外的任何可讀介質，該可讀介質可以發送、傳播或者傳輸用於由指令執行系統、裝置或者器件使用或者與其結合使用的程式。可讀存儲介質上包含的程式碼可以用任何適當的介質傳輸，包括但不限於無線、有線、光纜、RF等等，或者上述的任意合適的組合。
可以以一種或多種程式設計語言的任意組合來編寫用於執行本申請操作的程式碼，所述程式設計語言包括對象導向的程式設計語言—諸如Java、C++等，還包括常規的過程式程式設計語言—諸如「C」語言或類似的程式設計語言。程式碼可以完全地在使用者計算設備上執行、部分地在使用者設備上執行、作為一個獨立的套裝軟體執行、部分在使用者計算設備上部分在遠端計算設備上執行、或者完全在遠端計算設備或伺服器上執行。在涉及遠端計算設備的情形中，遠端計算設備可以藉由任意種類的網路，包括局域網（LAN）或廣域網路（WAN），連接到使用者計算設備，或者，可以連接到外部計算設備（例如利用網際網路服務提供者來藉由網際網路連接）。
在本申請之示例性實施方式中，還提供一種電子設備，該電子設備可以包括處理器，以及用於存儲所述處理器的可執行指令的記憶體。其中，所述處理器配置為經由執行所述可執行指令來執行上述任意一個實施方式中的用於控制氣體供應之方法的步驟。
所屬技術領域的技術人員能夠理解，本申請之各個方面可以實現為系統、方法或程式產品。因此，本申請之各個方面可以具體實現為以下形式，即：完全的硬體實施方式、完全的軟體實施方式（包括固件、微代碼等），或硬體和軟體方面結合的實施方式，這裡可以統稱為「電路」、「模組」或「系統」。
下面參照圖9來描述根據本申請之這種實施方式的電子設備900。圖9顯示的電子設備900僅僅是一個示例，不應對本申請之實施方式的功能和使用範圍帶來任何限制。
如圖9所示，電子設備900以通用計算設備的形式表現。電子設備900的元件可以包括但不限於：至少一個處理單元910、至少一個存儲單元920、連接不同系統元件（包括存儲單元920和處理單元910）的匯流排930、顯示單元940等。
其中，所述存儲單元存儲有程式碼，所述程式碼可以被所述處理單元910執行，使得所述處理單元910執行本說明書用於控制氣體供應之方法中描述的根據本申請各種示例性實施方式的步驟。例如，所述處理單元910可以執行如圖6中所示的步驟。
所述存儲單元920可以包括易失性存儲單元形式的可讀介質，例如隨機存取存儲單元（RAM）9201和/或快取記憶體存儲單元9202，還可以進一步包括唯讀存儲單元（ROM）9203。
所述存儲單元920還可以包括具有一組（至少一個）程式模組9205的程式/實用工具9204，這樣的程式模組9205包括但不限於：作業系統、一個或者多個應用程式、其它程式模組以及程式數據，該等示例中的每一個或某種組合中可能包括網路環境的實現。
匯流排930可以為表示幾類匯流排結構中的一種或多種，包括存儲單元匯流排或者存儲單元控制器、週邊匯流排、圖形加速埠、處理單元或者使用多種匯流排結構中的任意匯流排結構的局域匯流排。
電子設備900也可以與一個或多個外部設備1000（例如鍵盤、指向設備、藍牙設備等）通信，還可與一個或者多個使得使用者能與該電子設備900交互的設備通信，和/或與使得該電子設備900能與一個或多個其它計算設備進行通信的任何設備（例如路由器、數據機等等）通信。這種通信可以藉由輸入/輸出（I/O）介面950進行。並且，電子設備900還可以藉由網路介面卡960與一個或者多個網路（例如局域網（LAN），廣域網路（WAN）和/或公共網路，例如網際網路）通信。網路介面卡960可以藉由匯流排930與電子設備900的其它模組通信。應當明白，儘管圖中未示出，可以結合電子設備900使用其它硬體和/或軟體模組，包括但不限於：微代碼、設備驅動程式、冗餘處理單元、外部磁片驅動陣列、RAID系統、磁帶驅動器以及數據備份存儲系統等。
藉由以上的實施方式的描述，熟悉該項技術者易於理解，這裡描述的示例實施方式可以藉由軟體實現，也可以藉由軟體結合必要的硬體的方式來實現。因此，根據本申請實施方式的技術方案可以以軟體產品的形式體現出來，該軟體產品可以存儲在一個非易失性存儲介質（可以是CD-ROM，U盤，移動硬碟等）中或網路上，包括若干指令以使得一台計算設備（可以是個人電腦、伺服器、或者網路設備等）執行根據本申請實施方式的用於控制氣體供應之方法。
熟悉該項技術者在考慮說明書及實踐這裡公開的內容後，將容易想到本申請之其它實施方式。本申請旨在涵蓋本申請之任何變型、用途或者適應性變化，該等變型、用途或者適應性變化遵循本申請之一般性原理並包括本申請未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施方式僅被視為示例性的，本申請之真正範圍和精神由所附的申請專利範圍指出。
100:氣體供應系統 101:氣體緩衝裝置 102:檢測單元 103:控制單元 101a:供應管路 101b:供應管路 101c:供應管路 104:氣體產生裝置 131:使用者 132:使用者 501:壓力控制器 502:壓力變化率控制器 503:前饋控制器 504:回饋單元 505:執行控制器 506:系統模型 510:控制輸入 511:干擾輸入 512:輸出 700:設備 701:系統狀態變數數據 702:控制參數 710:檢測單元 720:控制單元 800:氣體供應系統 810:氣體緩衝罐 820:氣體產生裝置 900:電子設備 910:處理單元 920:存儲單元 9201:RAM 9202:高速緩存 9203:ROM 9204:實用工具 9205:程式模組 930:匯流排 940:顯示單元 950:I/O介面 960:網路適配器 1000:外部設備
藉由參照附圖詳細描述其示例性實施方式，本申請之上述及其它特徵及優點將變得更加明顯。
[圖1]為根據本申請之一個實施方式的用於供應氣體的氣體供應系統架構之示意框圖。
[圖2]為根據本申請之一個實施方式的使用者的用氣需求之歷史數據曲線。
[圖3]為根據本申請之一個實施方式的使用者的用氣需求之歷史數據曲線。
[圖4A和4B]為根據本申請之一個實施方式的用於確定使用者的用氣週期而對用氣需求之歷史數據曲線進行自回歸分析之示意圖。
[圖5]為根據本申請之一個實施方式的用於控制氣體供應的控制邏輯的示意性流程圖。
[圖6]為根據本申請之一個實施方式的用於控制氣體供應之方法的示意性流程圖。
[圖7]為根據本申請之一個實施方式的用於控制氣體供應的設備之示意性結構框圖。
[圖8]為根據本申請之一個實施方式的用於控制氣體供應的氣體供應系統之示意性結構框圖。
[圖9]為根據本申請之一個實施方式的用於控制氣體供應的電子設備之示意性結構圖。
無

Claims (29)

  1. 一種用於控制氣體供應系統的氣體供應之方法，所述氣體供應系統包括氣體產生裝置和氣體緩衝裝置，所述氣體緩衝裝置接收來自所述氣體產生裝置的氣體供應以及向使用者提供所述氣體，所述方法包括： 獲取所述氣體緩衝裝置的壓力測量數據，所述壓力測量數據與所述使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯； 基於所述壓力測量數據確定所述氣體緩衝裝置的壓力預測數據，其中所述壓力預測數據包括預測壓力和預測壓力變化率；以及 基於所述壓力預測數據確定所述氣體緩衝裝置的氣體供應的控制參數。
  2. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，獲取氣體緩衝裝置的壓力測量數據進一步包括： 獲取所述使用者的用氣需求的歷史數據； 基於所述用氣需求的歷史數據確定所述使用者的所述用氣週期； 獲取所述氣體緩衝裝置在所述使用者的先前的用氣週期內的所述壓力測量數據。
  3. 如請求項2所述之方法，其特徵在於，基於所述用氣需求的歷史數據確定所述使用者的所述用氣週期進一步包括： 藉由對所述使用者需求的歷史數據進行自回歸分析來確定所述使用者的所述用氣週期。
  4. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，所述壓力測量數據包括壓力測量值和對應的壓力測量時間，基於所述壓力測量數據確定所述氣體緩衝裝置的壓力預測數據進一步包括： 計算所述壓力測量值的平均值作為所述預測壓力； 基於所述壓力測量值和所述壓力測量時間計算壓力變化率的平均值作為所述預測壓力變化率。
  5. 如請求項4所述之方法，其特徵在於，所述平均值為算術平均值或移動平均值。
  6. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，基於所述壓力測量數據確定所述氣體緩衝裝置的壓力預測數據進一步包括： 獲取所述氣體緩衝裝置的溫度，確定與所述溫度對應的所述壓力預測數據。
  7. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，基於所述壓力預測數據確定向所述氣體緩衝裝置供應氣體的控制參數進一步包括： 基於所述預測壓力與壓力控制約束確定氣體供應的第一控制量； 基於所述預測壓力變化率與壓力變化率控制約束確定氣體供應的第二控制量； 將所述第一控制量與所述第二控制量進行融合以生成所述控制參數。
  8. 如請求項7所述之方法，其特徵在於，所述壓力控制約束包括預設的壓力閾值或壓力閾值範圍，所述壓力變化率控制約束包括預設的壓力變化率閾值或壓力變化率閾值範圍。
  9. 如請求項7所述之方法，其特徵在於，所述第一控制量和所述第二控制量為指示所述氣體供應的控制策略的標誌量，將所述第一控制量與所述第二控制量進行融合以生成所述控制參數進一步包括： 將所述第一控制量的標誌量與所述第二控制量的標誌量的總和作為指示所述控制參數的控制策略的標誌量。
  10. 如請求項9所述之方法，其特徵在於，所述氣體供應的控制策略包括以下中的至少一項： 增加所述氣體緩衝裝置的氣體供應； 減少所述氣體緩衝裝置的氣體供應；以及 保持所述氣體緩衝裝置的氣體供應不變。
  11. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，所述控制參數包括所述氣體緩衝裝置的進氣量、進氣流量和閥門開度中的至少一個的調整方向、幅度和/或速度。
  12. 如請求項1所述之方法，其特徵在於，所述壓力測量數據與多個使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯，所述方法進一步包括： 針對每個使用者獲取氣體緩衝裝置的壓力測量數據； 基於每個使用者的所述壓力測量數據確定針對每個使用者的所述氣體緩衝裝置的壓力預測數據； 基於針對每個使用者的所述壓力預測數據確定所述氣體緩衝裝置的針對每個使用者的氣體供應的控制參數。
  13. 如請求項1至12中任一項所述之方法，其特徵在於，所述氣體為氧氣、氮氣和氬氣中的至少一種。
  14. 一種用於控制氣體供應系統的氣體供應的設備，所述氣體供應系統包括氣體產生裝置和氣體緩衝裝置，所述氣體緩衝裝置接收來自所述氣體產生裝置的氣體以及向使用者提供所述氣體，所述設備包括： 檢測單元，被配置為獲取所述氣體緩衝裝置的壓力測量數據，所述壓力測量數據與所述使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯； 控制單元，被配置為基於所述壓力測量數據確定所述氣體緩衝裝置的壓力預測數據，其中所述壓力預測數據包括預測壓力和預測壓力變化率；以及基於所述壓力預測數據確定所述氣體緩衝裝置的氣體供應的控制參數。
  15. 如請求項14所述之設備，其特徵在於，所述設備還包括輸入單元，所述輸入單元被配置為獲取所述使用者的用氣需求的歷史數據； 所述控制單元被進一步配置為基於所述用氣需求的歷史數據確定所述使用者的所述用氣週期；以及 所述檢測單元被進一步配置為獲取所述氣體緩衝裝置在所述使用者的先前的用氣週期內的所述壓力測量數據。
  16. 如請求項15所述之設備，其特徵在於，所述控制單元被進一步配置為： 藉由對所述使用者需求的歷史數據進行自回歸分析來確定所述使用者的所述用氣週期。
  17. 如請求項14所述之設備，其特徵在於，所述壓力測量數據包括壓力測量值和對應的壓力測量時間，所述控制單元被進一步配置為： 計算所述壓力測量值的平均值作為所述預測壓力； 基於所述壓力測量值和所述壓力測量時間計算壓力變化率的平均值作為所述預測壓力變化率。
  18. 如請求項17所述之設備，其特徵在於，所述平均值為算術平均值或移動平均值。
  19. 如請求項14所述之設備，其特徵在於，所述檢測單元被進一步配置為獲取所述氣體緩衝裝置的溫度，所述控制單元被進一步配置為確定與所述溫度對應的所述壓力預測數據。
  20. 如請求項14所述之設備，其特徵在於，所述控制單元被進一步配置為： 基於所述預測壓力與壓力控制約束確定氣體供應的第一控制量； 基於所述預測壓力變化率與壓力變化率控制約束確定氣體供應的第二控制量； 將所述第一控制量與所述第二控制量進行融合以生成所述控制參數。
  21. 如請求項20所述之設備，其特徵在於，所述壓力控制約束包括預設的壓力閾值或壓力閾值範圍，所述壓力變化率控制約束包括預設的壓力變化率閾值或壓力變化率閾值範圍。
  22. 如請求項20所述之設備，其特徵在於，所述第一控制量和所述第二控制量為指示所述氣體供應的控制策略的標誌量，所述控制單元被進一步配置為： 將所述第一控制量的標誌量與所述第二控制量的標誌量的總和作為指示所述控制參數的控制策略的標誌量。
  23. 如請求項22所述之設備，其特徵在於，所述氣體供應的控制策略包括以下中的至少一項： 增加所述氣體緩衝裝置的氣體供應； 減少所述氣體緩衝裝置的氣體供應；以及 保持所述氣體緩衝裝置的氣體供應不變。
  24. 如請求項14所述之設備，其特徵在於，所述控制參數包括所述氣體緩衝裝置的進氣量、進氣流量和閥門開度中的至少一個的調整方向、幅度和/或速度。
  25. 如請求項14所述之設備，其特徵在於，所述壓力測量數據與多個使用者在先前的用氣週期內的用氣需求相關聯， 所述檢測單元被進一步配置為針對每個使用者獲取氣體緩衝裝置的壓力測量數據； 所述控制單元被進一步配置為基於每個使用者的所述壓力測量數據確定針對每個使用者的所述氣體緩衝裝置的壓力預測數據；以及基於針對每個使用者的所述壓力預測數據確定所述氣體緩衝裝置的針對每個使用者的所述氣體緩衝裝置的氣體供應的控制參數。
  26. 如請求項14至25中任一項所述之設備，其特徵在於，所述氣體為氧氣、氮氣和氬氣中的至少一種。
  27. 一種電腦可讀存儲介質，其上存儲有電腦程式，該電腦程式包括可執行指令，當該可執行指令被處理器執行時，實施如請求項1至13中任一項所述之方法。
  28. 一種電子設備，其特徵在於，包括： 處理器；以及 記憶體，用於存儲所述處理器的可執行指令； 其中，所述處理器被配置為執行所述可執行指令以實施如請求項1至13中任一項所述之方法。
  29. 一種氣體供應系統，至少包括氣體產生裝置，氣體緩衝裝置以及如請求項14至26中任一項所述之用於控制氣體供應系統的氣體供應的設備。
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