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實驗平臺名稱

基于TSN和OPC-UA技術的冷凍冷藏物聯(lián)網(wǎng)測試床

發(fā)起單位

大連冰山嘉德自動化有限公司

合作公司

華為技術有限公司

Honeywell

1 實驗平臺目標和概述

工業(yè)、商業(yè)及物流制冷基于同樣的制冷原理，關系到生產(chǎn)生活的很多方面，消耗的電能占比逐年提高，已成為社會主要電能消耗領域。

冷凍冷藏節(jié)能的自動控制涉及到節(jié)能控制程序的編制和自控元器件的選用。作為自控元器件的生產(chǎn)廠商、專業(yè)設計院或有能力的使用單位等均可承擔節(jié)能自動控制的研究和開發(fā)。

但是從控制系統(tǒng)的實用性及其效率角度考慮，在使用單位的實施過程中不斷地完善，對換熱設備進行有效管理，也能起到降低能耗的有效作用。因為當蒸發(fā)溫度為-10℃時，冷凝溫度每下降1℃，壓縮機單位制冷量耗電減少2.5%～3.2%；當冷凝溫度為30℃時，蒸發(fā)溫度每提高1℃，壓縮機單位耗電量則減少3.1%～3.9%。由此可見，管理好換熱設備，對降低能耗具有重要意義。同時對設備進行故障預測，減少設備故障率和停機時間，對食品、醫(yī)療冷鏈的藏品質(zhì)量提供保證，也關系到公共衛(wèi)生安全。

隨著食品冷凍冷藏行業(yè)的快速發(fā)展，技術創(chuàng)新、安全生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保等問題越來越得到業(yè)界的關注。特別是吉林、上海等地發(fā)生的食品冷藏企業(yè)涉氨問題敲響了行業(yè)安全的警鐘。在冷凍冷藏及冷鏈物流領域，自動化技術已經(jīng)不能解決所有問題，需要將各種相關設備運行狀況的數(shù)據(jù)進行整合，進行優(yōu)化決策；每個項目具有廣泛的共性，但也具有不同環(huán)境、場地的非標性。通過不同現(xiàn)場運行狀況的分析對比，為每個項目提供參考的優(yōu)化運行策略，可以提高運行效率。

制冷控制現(xiàn)場按照項目設計，具有非標特性，每個項目使用多種控制器，數(shù)據(jù)量在100～200個，被控設備在1000個左右，使用工業(yè)RS485總線采集，監(jiān)控延遲過大。

通過統(tǒng)計設備運行時長，監(jiān)測壓力、溫度等運行指標參數(shù)，給出維保建議，使設備廠商及用戶有目標的準備備品備貨，減少不必要的庫存，釋放現(xiàn)金流。由于基于數(shù)據(jù)進行精準的維修，不僅可以減少故障發(fā)生的風險，還可以延長設備的使用壽命，提高運維人員的工作效率，將會降低設備的運維成本。

冰山集團作為國內(nèi)最大的大型冷凍冷藏及冷鏈物流的設備制造商和項目承接商，已有數(shù)萬臺壓縮機設備及數(shù)百萬臺風機等終端設備在運行，承接全球大型冷庫項目近千個。采用的現(xiàn)場控制設備有自行研制的嵌入式控制器和通用型PLC設備，具有寬泛的數(shù)據(jù)樣本類型，建立測試床，能夠為冷凍冷藏和冷鏈物流的網(wǎng)絡化、智能化提供最好的基礎。

2 應用場景介紹

冷凍冷藏及冷鏈物流的各單體設備均應具有采集、計算、決策的控制能力，但現(xiàn)在多數(shù)為單片機及PLC設備，僅對即時輸入或控制命令產(chǎn)生響應，不具有長期數(shù)據(jù)存儲及分析學習能力。由于每個用戶的系統(tǒng)非標特性，無法在云端統(tǒng)一生成系統(tǒng)模型，只對單體設備可以訓練部分通用控制模型，邊緣側(cè)計算的優(yōu)勢更明顯。通過將各單體設備的數(shù)據(jù)進行分組集成，使相關聯(lián)設備進行數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作的能力；增加單體設備的判斷條件，由現(xiàn)場側(cè)網(wǎng)關、前置服務器等具有邊緣計算能力的智能設備對數(shù)據(jù)進行分析處理，對各單體設備的操作進行優(yōu)化管控，實現(xiàn)降耗節(jié)能；通過故障預判、失效模式分析，合理安排維修保養(yǎng)，減少故障發(fā)生，延長設備的使用壽命，降低運維成本，實現(xiàn)不間斷制冷。

2.1 預期成果

實驗平臺同壓縮機、蒸發(fā)冷水泵、庫房風機和除霜等設備的控制器進行數(shù)據(jù)通訊，采集現(xiàn)場運行和環(huán)境數(shù)據(jù)，對安全狀況、進出貨狀況進行監(jiān)測，通過優(yōu)化設備運行時段，管理設備負載狀態(tài)，實現(xiàn)安全高效制冷，對可能發(fā)生的停機故障進行預判，減少故障發(fā)生，延長設備的使用壽命，降低運維成本，并給出維修建議，實現(xiàn)持續(xù)溫度控制。

2.2 技術的示范效應

冷凍冷藏及冷鏈物流的制冷實驗平臺，由于基礎控制器和通訊技術的廣泛適用性，以及共同的制冷原理，除對冰山集團相關項目進行管理和分析，對其他同行業(yè)產(chǎn)品的運行狀況可以進行數(shù)據(jù)分析，得到具有很高參考價值的運維數(shù)據(jù)。

2.3 商業(yè)價值

（1）制冷設備的主要非必須能耗在于管理不當造成的冷量浪費，設備低負荷長期運行和未及時除霜，頻繁開關庫門等。通過物聯(lián)網(wǎng)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于系統(tǒng)運行問題，可以提供優(yōu)化控制策略實現(xiàn)能耗降低；對于人為行為問題，進行統(tǒng)計，提供給用戶管理優(yōu)化的建議，使用戶增強管理，減少能源的不必要浪費。

（2）通過統(tǒng)計設備故障報警信息，及報警時相關數(shù)據(jù)的記錄，進行機器學習，對故障進行預判，減少突發(fā)停機情況，保持藏品溫度和質(zhì)量。

（3）通過統(tǒng)計設備運行時長，監(jiān)測壓力、溫度等運行指標參數(shù)，給出維保建議，使設備廠商及用戶有目標的準備備品備貨，減少不必要的庫存，釋放現(xiàn)金流。由于基于數(shù)據(jù)進行精準的維修，不僅可以減少故障發(fā)生的風險，還可以延長設備的使用壽命，提高運維人員的工作效率，將會降低設備的運維成本。

（4）通過設備間的相互數(shù)據(jù)交互，使控制器間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以減少傳感器的使用數(shù)量，增加設備控制判斷的參考數(shù)據(jù)量，優(yōu)化控制策略。

（5）可將控制設備的軟件進行遠程管理，遠程故障診斷及調(diào)試，可以減少現(xiàn)場維護次數(shù)，降低維修維護成本，并減少客戶等待時間。

（6）對設備制造商的設計、開發(fā)提供更多的可參考數(shù)據(jù)。

2.4 社會價值

（1）冷凍冷藏和冷鏈物流的節(jié)能，直接影響社會電力分配，用電量降低對減少碳排放，緩解全球變暖，提高空氣質(zhì)量具有幫助。

（2）由于大型冷庫、冷凍站使用的制冷劑通常具有高壓、有毒的特點，保證其安全運行，對可能出現(xiàn)的隱患進行預防，對維護公共安全具有重要意義。

（3）通過平臺數(shù)據(jù)共享能力，對食品、藥品在冷鏈物流的全過程溫度狀況進行監(jiān)控，可以追溯食品和衛(wèi)生安全的問題。

（4）多種設備數(shù)據(jù)采集、接入物聯(lián)網(wǎng)，可提高中國工業(yè)4.0的智能化、定制化進程。

（5）采用TSN和OPC-UA作為現(xiàn)場側(cè)主要通訊協(xié)議，降低私有協(xié)議技術壁壘和商務壁壘風險，維護自主知識產(chǎn)權(quán)。

3 實驗平臺技術可行性

3.1 硬件與網(wǎng)絡改造

現(xiàn)場原有RS485總線，每鏈路掛載30個控制器，通訊波特率低，輪訓周期過長，響應的即時性難以保證，數(shù)據(jù)延遲過大，無法實現(xiàn)集中精確控制，通過本方案升級為IP控制器；通過邊緣計算網(wǎng)關、華為TSN交換機，將原有的工業(yè)現(xiàn)場總線提高到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，提升并發(fā)通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協(xié)議搭配的可監(jiān)聽和可干擾的缺陷；通過邊緣計算網(wǎng)關與邊緣側(cè)服務器進行基于局域網(wǎng)的通訊，使用具有認證的OPC-UA協(xié)議，提高數(shù)據(jù)采集密度和數(shù)據(jù)信息量；實現(xiàn)設備間的雙向高速數(shù)據(jù)交互，提高控制設備感知能力。提升并發(fā)通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協(xié)議搭配的可監(jiān)聽和可干擾的缺陷。

通過現(xiàn)場前置服務器，在邊緣側(cè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時分析處理，分布式數(shù)據(jù)存儲，就近邏輯控制，邊緣側(cè)安全處理，實現(xiàn)邊緣計算的功能。

提升并發(fā)通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協(xié)議搭配的可監(jiān)聽和可干擾的缺陷。
通過邊緣計算網(wǎng)關與邊緣側(cè)服務器進行基于局域網(wǎng)的通訊，使用具有認證的OPC-UA協(xié)議，提高數(shù)據(jù)采集密度和數(shù)據(jù)信息量。

云端進行更高級的數(shù)據(jù)分析和學習，總結(jié)優(yōu)化策略，下發(fā)到前置服務器，實現(xiàn)“云-邊”計算的均衡處理，發(fā)揮兩者的各自優(yōu)勢，實現(xiàn)最優(yōu)的資源利用，優(yōu)化控制策略，提高制冷效率。

通過高可靠性的現(xiàn)場邊緣計算能力和云計算能力，實現(xiàn)及時的故障提示和預測性警示，提高設備運行的可靠性，較少故障的發(fā)生，降低運維成本。

3.2 軟件功能

制冷設備的主要非必須能耗在于管理不當造成的冷量浪費，設備低負荷長期運行和未及時除霜，頻繁開關庫門等。通過物聯(lián)網(wǎng)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于系統(tǒng)運行問題，可以提供優(yōu)化控制策略，如浮動吸氣壓力、過熱度調(diào)節(jié)、用戶使用規(guī)律學習調(diào)整輸出等方式，實現(xiàn)能耗降低；對于人為行為問題，進行統(tǒng)計，提供給用戶管理優(yōu)化的建議，使用戶增強管理，減少能源的不必要浪費。同時充分利用客戶的儲冷設備，利用峰平谷電價差合理安排壓縮機工作時間。

通過統(tǒng)計設備故障報警信息，及報警時相關數(shù)據(jù)的記錄，進行機器學習，對故障進行預判，減少突發(fā)停機情況，保持藏品溫度和質(zhì)量。

通過統(tǒng)計設備運行時長，監(jiān)測壓力、溫度等運行指標參數(shù)，給出維保建議，使設備廠商及用戶有目標的準備備品備貨，減少不必要的庫存，釋放現(xiàn)金流。由于基于數(shù)據(jù)進行精準的維修，不僅可以減少故障發(fā)生的風險，還可以延長設備的使用壽命，提高運維人員的工作效率，將會降低設備的運維成本。

通過設備間的相互數(shù)據(jù)交互，使控制器間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以減少傳感器的使用數(shù)量，增加設備控制判斷的參考數(shù)據(jù)量，優(yōu)化控制策略。

3.3 物理平臺

冰山嘉德獲得Honeywell授權(quán)，研發(fā)生產(chǎn)可運行Niagara Framework的網(wǎng)管型控制器產(chǎn)品，具有等同JACE產(chǎn)品的所有特性，并增加I/O控制點和通訊能力。

冰山嘉德具有Niagara Framework的二次開發(fā)認證，基于此平臺開發(fā)軟件和模塊，作為PAAS平臺的應用，并利用其搭建SAAS服務。

此控制器內(nèi)已嵌入基于阿里云IoT SDK開發(fā)的通訊協(xié)議驅(qū)動，可與云平臺進行基于TSL證書驗證和Base64加密的MQTT協(xié)議通訊。

 冰山嘉德基本型物聯(lián)網(wǎng)控制器規(guī)格如下：

.    Niagara 4.3

.    Linux Kernel 3.2

.    512M DDR3 RAM

.    1G NAND Flash

.    2路獨立千兆以太網(wǎng)口

.    2路獨立帶隔離RS485接口

.    USB Host* & TF卡

.    4路DI干接點輸入

.    4路DO晶體管輸出

.    可選GSM/GPRS、3G/4G、Wi-Fi/藍牙模塊

3.4 軟件平臺

基于Niagara Framework，由冰山嘉德和Honeywell進行二次開發(fā)的軟件平臺。

3.5 配置和控制接口

網(wǎng)絡控制和配置：華為TSN網(wǎng)關和華為TSN交換機通過RS232串口進行配置。

平臺軟件通過Niagara Workbench進行配置。

3.6 數(shù)據(jù)通訊接口

網(wǎng)絡部分：TSN交換機通信接口形態(tài)以太網(wǎng)口、TSN使能接口、Modbus兼容接口，通信協(xié)議采用IEEE 802 TSN協(xié)議族。

計算平臺間通過局域網(wǎng)和因特網(wǎng)連接進行通訊。

3.7 安全措施

現(xiàn)場通訊在交換機內(nèi)具有流控措施。

公網(wǎng)通訊通過安全加密連接。

4 和ECC技術及測試臺的關系

匹配ECC邊緣計算總體架構(gòu)，如下圖：

5 交付件

冷凍冷藏及冷鏈物流云平臺解決方案，含邊緣計算網(wǎng)關、邊緣數(shù)據(jù)服務器、云平臺、應用。

6 實驗平臺使用者

相關設備制造單位、相關設計院、冷庫運維商等可利用平臺進行設備和項目等管理和可預測性維護。

摘自《自動化博覽》2018年11月刊