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深圳市智物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有限公司

1 目標和概述

1.1 行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)

目前在我國空氣壓縮機市場，外資企業(yè)仍然占有大部分份額。由于我國的技術(shù)力量薄弱，外企在中高端產(chǎn)品市場占據(jù)一定的優(yōu)勢；而且企業(yè)規(guī)模小、分布分散，產(chǎn)業(yè)集中度低；缺少高端技術(shù)，低水平產(chǎn)能比重過大；整機銷售利潤空間比較小，價格透明度比較高，品牌性價比相差不大，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重。國內(nèi)品牌以低端價位沖擊市場，壓縮機存量市場逐步趨于飽和。面臨這些問題和激烈的市場競爭，節(jié)能是壓縮機打開一片藍海市場關(guān)鍵的切入點，壓縮機的合同能源管理運營模式，對企業(yè)而言能帶來更多的利潤，同時也提高了對客戶服務(wù)能力的要求；對空壓機終端用戶而言，他們也希望借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時了解空壓機的運行情況與能耗數(shù)據(jù)。

空壓機作為工業(yè)現(xiàn)場動力輸出核心設(shè)備，在各行各業(yè)中都有廣泛應(yīng)用，同時它也是工業(yè)現(xiàn)場用電“大戶”。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)工業(yè)用電中，空壓機耗電占比近20%；在空壓機運營中，電費成本在整個運行成本中占比約85%~90%，優(yōu)化運營成為企業(yè)降本增效的重要途徑，打造集節(jié)能、高效、智慧為一體的智慧空壓站已勢在必行。

1.2 主要目標和總體概述

對傳統(tǒng)空壓站來說，空壓機臺數(shù)越多，用氣波動越大，其省電節(jié)能的空間越多。本方案應(yīng)用場景豐富，可適用于變頻、定頻、有儲氣罐、無儲氣罐等各類空壓機，滿足多種參數(shù)采集方式，能夠按空壓機組進行配備，一個邊緣計算設(shè)備調(diào)控多個空壓機，通過數(shù)字化運營管理、智能化組合調(diào)控，提高設(shè)備點檢、報表生成效率60%~85%、降低氣站8%~15%的電能成本。實現(xiàn)安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、增產(chǎn)增效、精細管理的目標。

1.3 功能與創(chuàng)新

本方案通過適配器Aprus與空壓機和流量計等其它設(shè)備相連，實時采集其運行數(shù)據(jù)，結(jié)合智物聯(lián)邊緣計算控制器內(nèi)置的數(shù)學模型，計算出現(xiàn)場工況下空壓機組動態(tài)配載最優(yōu)值，并同時進行實時調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨近該最優(yōu)值，以實現(xiàn)節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)。

傳統(tǒng)空壓站根據(jù)管道壓力變化，采用人工經(jīng)驗或空壓機內(nèi)控制器進行線性調(diào)控，此類方法無法合理平衡用氣需求和每臺機組功率之間對應(yīng)關(guān)系，在一定程度上造成了壓縮空氣和電費的浪費。

創(chuàng)新點如下：

（1）全智能壓縮機組動態(tài)配載系統(tǒng)（Dynaload）運用科學的算法計算出現(xiàn)場工況下空壓機組動態(tài)配載最優(yōu)值，并同時進行實時調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨近該最優(yōu)值，以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

（2）以“物聯(lián)對象”理論定義現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，實時進行數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計計算，并有效地過濾掉各類噪波數(shù)據(jù)、干擾數(shù)據(jù)，能夠準確無誤地計算出空壓站及各臺機組氣電比、耗電量等運營關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（3）實現(xiàn)對在管理的空壓機的整體監(jiān)控，線上巡檢代替人工巡檢，降低售后成本，提高售后效率。

2 方案介紹

2.1 總體技術(shù)方案

面向空壓機行業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場邊緣計算解決方案，主要由智物聯(lián)的邊緣計算控制器（APIECO）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺（MixIOT）組成，邊緣計算控制器工作在設(shè)備端，一方面采集設(shè)備運行相關(guān)參數(shù)，一方面用內(nèi)部算法模型計算出現(xiàn)場工況下空壓機組動態(tài)配載最優(yōu)值，并同時進行實時調(diào)節(jié)。邊緣計算控制器對這些設(shè)備運行參數(shù)除了在界面進行展示之外，還將這些數(shù)據(jù)上報到MixIOT平臺。MixIOT一方面展示設(shè)備運行參數(shù)以及設(shè)備功率優(yōu)化效果，另一方面對所有設(shè)備進行集中管理以及策略優(yōu)化。如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)方案

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本方案采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)體系，分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。它向下通過可編程的適配器Aprus、邊緣計算控制器，連接各種類型的工業(yè)設(shè)備和傳感器；中間MixIOT的核心層則對采集上來的各種數(shù)據(jù)進行路由、分類和存儲；向上則提供了標準的數(shù)據(jù)開放接口和適配典型行業(yè)場景的開發(fā)套件，可方便進行行業(yè)應(yīng)用開發(fā)，同時MixIOT還提供了各種基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析和邊緣計算的工具包，可幫助使用者進一步挖掘工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶價值和數(shù)據(jù)價值。

在整個MixIOT系統(tǒng)架構(gòu)中，邊緣優(yōu)化產(chǎn)品是其中的一部分，而全智能壓縮機組動態(tài)配載系統(tǒng)又是邊緣優(yōu)化產(chǎn)品中的一員。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 硬件平臺

2.3.1 APIECO邊緣計算控制器

APIECO邊緣計算控制器是智物聯(lián)的邊緣計算產(chǎn)品。它在Aprus適配器全部的數(shù)據(jù)采集功能基礎(chǔ)上，還具備數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)運算能力，并且可運行通用的操作系統(tǒng)平臺（安卓或者Linux），同時自帶可觸摸顯示屏，用戶可以自定義運行界面，以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸入和邊緣計算的功能。

APIECO是一個功能強大的邊緣計算控制器，同時也是一個數(shù)據(jù)采集器。作為邊緣計算控制器，APIECO內(nèi)部算法會實時監(jiān)測一次設(shè)備運行狀況，在本方案中，為了盡可能降低設(shè)備因頻繁加卸載的磨損，算法設(shè)定最短20分鐘調(diào)整一次配載策略。具體功能如圖3所示。

圖3 APIECO邊緣計算控制器

在數(shù)據(jù)采集方面，APIECO物理接口支持232/485/LAN/CAN；在數(shù)據(jù)傳輸方面，APIECO支持2G/4G/Wi-Fi/網(wǎng)口，不同的接口和網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，都有對應(yīng)的產(chǎn)品型號，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用場景進行挑選。

2.3.2 RolaCab智能方略綜合控制柜

根據(jù)實際場景除了選擇APIECO邊緣計算控制器外，還可選取智物聯(lián)的RolaCab智能方略綜合控制柜進行數(shù)據(jù)采集。

Rola Cab智能方略綜合控制柜（以下簡稱：方略柜）是一個適用于工業(yè)現(xiàn)場調(diào)度系統(tǒng)的總控機柜，硬件上集成有Aprus適配器、APIECO邊緣計算控制器和軟件服務(wù)器、交換機等，軟件功能上具備有數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、視頻流媒體推流服務(wù)、語音SIP服務(wù)、D&C調(diào)度計算、D&C實時優(yōu)化、自動控制等功能。如圖4所示。

圖4 方略柜

2.4 軟件平臺

2.4.1 邊緣式全智能壓縮機組動態(tài)配載系統(tǒng)（Dynaload）

在Dynaload系統(tǒng)進行智能調(diào)控的同時，通過歷史大數(shù)據(jù)分析壓縮機組的設(shè)備風險界限，實時監(jiān)控設(shè)備整體情況，根據(jù)設(shè)備的排氣溫度、供氣壓力、前軸承溫度、卸載壓力、瞬時流量、功率等估量設(shè)備穩(wěn)定值，當穩(wěn)定值在風險界限以上時，配載系統(tǒng)根據(jù)安全策略進行動態(tài)調(diào)控，并發(fā)出警報，以保證設(shè)備安全平穩(wěn)健康運行。

Dynaload運行界面右側(cè)部分是各個空壓機優(yōu)化后的實時狀態(tài)列表，當空壓機是工頻空壓機時，空壓機狀態(tài)為加載或卸載，當空壓機為變頻空壓機時，顯示的狀態(tài)就是設(shè)定頻率（單位為Hz）；左側(cè)部分是重要參數(shù)，例如氣電比、總功率等實時和歷史數(shù)據(jù)展示，如圖5所示。

圖5 Dynaload運行界面

為實現(xiàn)對空壓機組的動態(tài)配載，系統(tǒng)需要考慮空壓機的用氣模塊、產(chǎn)氣模塊和安全模塊。各模塊關(guān)系如圖6所示。

圖6 Dynaload算法模塊關(guān)系

·用氣模塊

用氣模塊主要衡量用氣端的使用情況，包括用氣量、用氣壓力等，根據(jù)現(xiàn)場的用氣情況，合理分配產(chǎn)氣端的空壓機產(chǎn)氣情況。

·產(chǎn)氣模塊

對于產(chǎn)氣部分來說，有兩種不同類型壓縮機，一種是定頻壓縮機，另一種是變頻壓縮機。他們的參數(shù)不相同，故配載方式不同，產(chǎn)氣模塊用以計算衡量各個空壓機的產(chǎn)氣量，并計算出每個空壓機如何控制可以達到用氣標準。

·安全模塊

安全模塊主要考慮的是壓縮機組的穩(wěn)定運行，考慮以下參數(shù)：排氣溫度、供氣壓力、前軸承溫度、卸載壓力、瞬時流量、功率等。由此估量一個設(shè)備的穩(wěn)定值，并映射到0~100，當穩(wěn)定值在風險界限以上時配載系統(tǒng)不進行調(diào)控，并發(fā)出警報。當配載算法產(chǎn)生多個建議時，優(yōu)先選擇與當前時刻壓縮機狀態(tài)相近、保證穩(wěn)定的配載方案。

2.4.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺（MixIOT）

MixIOT系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 MixIOT系統(tǒng)架構(gòu)圖

在本方案中，需要由邊緣計算控制器（APIECO）跟工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺（MixIOT）緊密配合，其中MixIOT根據(jù)不同的功能需要扮演了幾個角色：

（1）MixIOT相當于一個數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。將通過APIECO采集到的燃氣發(fā)電機組工作數(shù)據(jù)和優(yōu)化結(jié)果、優(yōu)化統(tǒng)計上報到MixIOT，最終由MixIOT進行數(shù)據(jù)運算和呈現(xiàn)、統(tǒng)計。

（2）MixIOT相當于一個云端的中控，可以下發(fā)各種策略給邊緣計算控制器，比如針對不同的設(shè)備，MixIOT可以由客戶選擇或通過歷史大數(shù)據(jù)分析決定該設(shè)備的優(yōu)化策略是以安全優(yōu)先，還是產(chǎn)量優(yōu)先。如果是以安全優(yōu)先，那么就要下發(fā)較為保守的策略；如果是產(chǎn)量優(yōu)先，則可能會下發(fā)較為激進的策略給邊緣計算控制器。

（3）MixIOT還提供了規(guī)則配置工具。當用戶要對邊緣端的采集數(shù)據(jù)進行調(diào)整，比如修改采集參數(shù)、修改參數(shù)上報策略等，無需進行任何代碼編寫，只需通過MixIOT的規(guī)則工具進行配置，然后下發(fā)到APIECO即可，極大地方便了客戶。

2.5 數(shù)據(jù)通訊

本方案可采集多種通信協(xié)議的數(shù)據(jù)，支持全工業(yè)標準I/O標準數(shù)據(jù)交互，支持多種網(wǎng)絡(luò)，支持多種常用工業(yè)標準通訊協(xié)議。

通訊設(shè)備：路由器。用于空壓站智能控制柜聯(lián)網(wǎng)，通過有線方式與云平臺聯(lián)網(wǎng)通訊，上傳數(shù)據(jù)至云平臺。

本解決方案可通過方略柜的現(xiàn)場部署實現(xiàn)，方略柜集成通訊、采集、計算、控制、存儲等核心功能，并部署了邊緣式全智能壓縮機組動態(tài)配載系統(tǒng)（Dynaload）。將方略柜部署安裝在空壓站現(xiàn)場，用信號線將空壓機的控制器、溫度計、流量計、壓力表等模塊的RS485/RS232/CAN口連接到通訊管理機的串口，APIECO邊緣計算控制器（Dynaload系統(tǒng)載體）實時采集通訊管理機上報的空壓機組運行參數(shù)、空壓機出口數(shù)據(jù)和用氣末端數(shù)據(jù)，Dynaload系統(tǒng)運用科學的算法計算最優(yōu)空壓機組動態(tài)配載策略，反向控制空壓機運行狀態(tài)。

2.6 安全措施

本方案采用云平臺+本地部署的方式提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方案，將商業(yè)數(shù)據(jù)和設(shè)備原始數(shù)據(jù)分離存儲，既實現(xiàn)了系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)的高效處理，又從根本上保護了用戶的數(shù)據(jù)安全。同時根據(jù)項目具體情況，支持本地化部署。當發(fā)生影響設(shè)備安全運行的參數(shù)變化時，智物聯(lián)的邊緣計算控制器可自動調(diào)整有功功率值，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運行。

MixIOT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，從數(shù)據(jù)精確采集到傳輸、處理、展現(xiàn)，每個環(huán)節(jié)都通過不同加密方式進行數(shù)據(jù)加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕黄髽I(yè)運營數(shù)據(jù)及商業(yè)信息全部存儲在企業(yè)本地服務(wù)器，商業(yè)數(shù)據(jù)與工業(yè)數(shù)據(jù)的有效分離讓企業(yè)管理“高枕無憂”。

本方案可為每個企業(yè)用戶獨立部署，不管是公有云、私有云還是物理服務(wù)器，均可安裝，企業(yè)應(yīng)用和數(shù)據(jù)完全自有，安全性高，讓企業(yè)用得更放心。

3 代表性及推廣價值

3.1 應(yīng)用情況及效果

在浙江氣老板節(jié)能技術(shù)有限公司的客戶浙江某電池廠的項目實施中，其空壓站內(nèi)有4臺空壓機組，并且低峰用氣的時間超過平均每天2小時。方案實施前母管壓力波動在6.5bar～7.5bar。方案實施后母管壓力波動在6.5bar～7.0bar之間，月均節(jié)約電能3萬余元，配合氣老板專業(yè)的節(jié)能服務(wù)，該客戶月均電能成本降低7~8萬元。同時原有2名專職管理人員也調(diào)整為1人，在降低人工成本的前提下，提升氣站管理效率、報表準確性和及時性。

3.2 技術(shù)的示范效應(yīng)

智物聯(lián)是提供智慧工業(yè)核心引擎和工業(yè)數(shù)據(jù)算法產(chǎn)品的國家高新技術(shù)企業(yè)，是廣東省“上云上平臺”試點示范供應(yīng)商，智物聯(lián)“MixIOT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)典型應(yīng)用解決方案”入選2021年新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合發(fā)展試點示范項目。

智物聯(lián)擁有核心專利技術(shù)，通過自主研發(fā)，已授權(quán)的專利和軟件著作權(quán)達106項，其中發(fā)明專利20項，實用新型和外觀專利28項，計算機軟件著作權(quán)58項。

3.3 方案成熟性

除了空壓機行業(yè)，本方案也已在工業(yè)鍋爐、沼氣發(fā)電及動力設(shè)備等行業(yè)部署實施，同時可應(yīng)用于以項目運營、合同能源管理為經(jīng)營模式的企業(yè)。

3.4 推廣價值

據(jù)統(tǒng)計，在中國壓縮空氣的耗電量占全國發(fā)電量的9.4%~10%，壓縮空氣系統(tǒng)的耗電量約占用氣企業(yè)總耗電量的15%~35%不等。在空氣壓縮機的壽命周期成本中，能耗成本占了約70%，在中國，壓縮機的平均使用負荷只有66%，因此空壓機的節(jié)能已經(jīng)引起業(yè)界的高度重視。本方案應(yīng)用場景豐富，針對空壓機組等工業(yè)場景，建立科學合理的數(shù)學模型，根據(jù)實際的生產(chǎn)環(huán)境，動態(tài)配載空壓機組的各個空壓機，實現(xiàn)節(jié)能減排，并減少設(shè)備的故障率、維修率，具有較好的示范推廣前景和行業(yè)價值空間。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊