深圳市智物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有限公司

1 目標(biāo)和概述

1.1 行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)

目前在我國(guó)空氣壓縮機(jī)市場(chǎng)，外資企業(yè)仍然占有大部分份額。由于我國(guó)的技術(shù)力量薄弱，外企在中高端產(chǎn)品市場(chǎng)占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)；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(guò)大；整機(jī)銷(xiāo)售利潤(rùn)空間比較小，價(jià)格透明度比較高，品牌性?xún)r(jià)比相差不大，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)品牌以低端價(jià)位沖擊市場(chǎng)，壓縮機(jī)存量市場(chǎng)逐步趨于飽和。面臨這些問(wèn)題和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，節(jié)能是壓縮機(jī)打開(kāi)一片藍(lán)海市場(chǎng)關(guān)鍵的切入點(diǎn)，壓縮機(jī)的合同能源管理運(yùn)營(yíng)模式，對(duì)企業(yè)而言能帶來(lái)更多的利潤(rùn)，同時(shí)也提高了對(duì)客戶(hù)服務(wù)能力的要求；對(duì)空壓機(jī)終端用戶(hù)而言，他們也希望借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)了解空壓機(jī)的運(yùn)行情況與能耗數(shù)據(jù)。

空壓機(jī)作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力輸出核心設(shè)備，在各行各業(yè)中都有廣泛應(yīng)用，同時(shí)它也是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用電“大戶(hù)”。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)工業(yè)用電中，空壓機(jī)耗電占比近20%；在空壓機(jī)運(yùn)營(yíng)中，電費(fèi)成本在整個(gè)運(yùn)行成本中占比約85%~90%，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)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(shì)在必行。

1.2 主要目標(biāo)和總體概述

對(duì)傳統(tǒng)空壓站來(lái)說(shuō)，空壓機(jī)臺(tái)數(shù)越多，用氣波動(dòng)越大，其省電節(jié)能的空間越多。本方案應(yīng)用場(chǎng)景豐富，可適用于變頻、定頻、有儲(chǔ)氣罐、無(wú)儲(chǔ)氣罐等各類(lèi)空壓機(jī)，滿(mǎn)足多種參數(shù)采集方式，能夠按空壓機(jī)組進(jìn)行配備，一個(gè)邊緣計(jì)算設(shè)備調(diào)控多個(gè)空壓機(jī)，通過(guò)數(shù)字化運(yùn)營(yíng)管理、智能化組合調(diào)控，提高設(shè)備點(diǎn)檢、報(bào)表生成效率60%~85%、降低氣站8%~15%的電能成本。實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、節(jié)能減排、增產(chǎn)增效、精細(xì)管理的目標(biāo)。

1.3 功能與創(chuàng)新

本方案通過(guò)適配器Aprus與空壓機(jī)和流量計(jì)等其它設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集其運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合智物聯(lián)邊緣計(jì)算控制器內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)工況下空壓機(jī)組動(dòng)態(tài)配載最優(yōu)值，并同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨近該最優(yōu)值，以實(shí)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(yàn)或空壓機(jī)內(nèi)控制器進(jìn)行線(xiàn)性調(diào)控，此類(lèi)方法無(wú)法合理平衡用氣需求和每臺(tái)機(jī)組功率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，在一定程度上造成了壓縮空氣和電費(fèi)的浪費(fèi)。

創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）全智能壓縮機(jī)組動(dòng)態(tài)配載系統(tǒng)（Dynaload）運(yùn)用科學(xué)的算法計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)工況下空壓機(jī)組動(dòng)態(tài)配載最優(yōu)值，并同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨近該最優(yōu)值，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

（2）以“物聯(lián)對(duì)象”理論定義現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并有效地過(guò)濾掉各類(lèi)噪波數(shù)據(jù)、干擾數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地計(jì)算出空壓站及各臺(tái)機(jī)組氣電比、耗電量等運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)在管理的空壓機(jī)的整體監(jiān)控，線(xiàn)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(jī)行業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)邊緣計(jì)算解決方案，主要由智物聯(lián)的邊緣計(jì)算控制器（APIECO）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（MixIOT）組成，邊緣計(jì)算控制器工作在設(shè)備端，一方面采集設(shè)備運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，一方面用內(nèi)部算法模型計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)工況下空壓機(jī)組動(dòng)態(tài)配載最優(yōu)值，并同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。邊緣計(jì)算控制器對(duì)這些設(shè)備運(yùn)行參數(shù)除了在界面進(jìn)行展示之外，還將這些數(shù)據(jù)上報(bào)到MixIOT平臺(tái)。MixIOT一方面展示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備功率優(yōu)化效果，另一方面對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行集中管理以及策略?xún)?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(guò)可編程的適配器Aprus、邊緣計(jì)算控制器，連接各種類(lèi)型的工業(yè)設(shè)備和傳感器；中間MixIOT的核心層則對(duì)采集上來(lái)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行路由、分類(lèi)和存儲(chǔ)；向上則提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)開(kāi)放接口和適配典型行業(yè)場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)套件，可方便進(jìn)行行業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，同時(shí)MixIOT還提供了各種基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析和邊緣計(jì)算的工具包，可幫助使用者進(jìn)一步挖掘工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶(hù)價(jià)值和數(shù)據(jù)價(jià)值。

在整個(gè)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(jī)組動(dòng)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(tái)

2.3.1 APIECO邊緣計(jì)算控制器

APIECO邊緣計(jì)算控制器是智物聯(lián)的邊緣計(jì)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(chǔ)和數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，并且可運(yùn)行通用的操作系統(tǒng)平臺(tái)（安卓或者Linux），同時(shí)自帶可觸摸顯示屏，用戶(hù)可以自定義運(yùn)行界面，以實(shí)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(jì)算的功能。

APIECO是一個(gè)功能強(qiáng)大的邊緣計(jì)算控制器，同時(shí)也是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器。作為邊緣計(jì)算控制器，APIECO內(nèi)部算法會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一次設(shè)備運(yùn)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(jì)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(duì)應(yīng)的產(chǎn)品型號(hào)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行挑選。

2.3.2 RolaCab智能方略綜合控制柜

根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景除了選擇APIECO邊緣計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

Rola Cab智能方略綜合控制柜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：方略柜）是一個(gè)適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)的總控機(jī)柜，硬件上集成有Aprus適配器、APIECO邊緣計(jì)算控制器和軟件服務(wù)器、交換機(jī)等，軟件功能上具備有數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(yǔ)音SIP服務(wù)、D&C調(diào)度計(jì)算、D&C實(shí)時(shí)優(yōu)化、自動(dòng)控制等功能。如圖4所示。

圖4 方略柜

2.4 軟件平臺(tái)

2.4.1 邊緣式全智能壓縮機(jī)組動(dòng)態(tài)配載系統(tǒng)（Dynaload）

在Dynaload系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)控的同時(shí)，通過(guò)歷史大數(shù)據(jù)分析壓縮機(jī)組的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)界限，實(shí)時(shí)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(shí)流量、功率等估量設(shè)備穩(wěn)定值，當(dāng)穩(wěn)定值在風(fēng)險(xiǎn)界限以上時(shí)，配載系統(tǒng)根據(jù)安全策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，并發(fā)出警報(bào)，以保證設(shè)備安全平穩(wěn)健康運(yùn)行。

Dynaload運(yùn)行界面右側(cè)部分是各個(gè)空壓機(jī)優(yōu)化后的實(shí)時(shí)狀態(tài)列表，當(dāng)空壓機(jī)是工頻空壓機(jī)時(shí)，空壓機(jī)狀態(tài)為加載或卸載，當(dāng)空壓機(jī)為變頻空壓機(jī)時(shí)，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(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)展示，如圖5所示。

圖5 Dynaload運(yùn)行界面

為實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)組的動(dòng)態(tài)配載，系統(tǒng)需要考慮空壓機(jī)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(chǎng)的用氣情況，合理分配產(chǎn)氣端的空壓機(jī)產(chǎn)氣情況。

·產(chǎn)氣模塊

對(duì)于產(chǎn)氣部分來(lái)說(shuō)，有兩種不同類(lèi)型壓縮機(jī)，一種是定頻壓縮機(jī)，另一種是變頻壓縮機(jī)。他們的參數(shù)不相同，故配載方式不同，產(chǎn)氣模塊用以計(jì)算衡量各個(gè)空壓機(jī)的產(chǎn)氣量，并計(jì)算出每個(gè)空壓機(jī)如何控制可以達(dá)到用氣標(biāo)準(zhǔn)。

·安全模塊

安全模塊主要考慮的是壓縮機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)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(shí)流量、功率等。由此估量一個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定值，并映射到0~100，當(dāng)穩(wěn)定值在風(fēng)險(xiǎn)界限以上時(shí)配載系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)控，并發(fā)出警報(bào)。當(dāng)配載算法產(chǎn)生多個(gè)建議時(shí)，優(yōu)先選擇與當(dāng)前時(shí)刻壓縮機(jī)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(tái)（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(jì)算控制器（APIECO）跟工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（MixIOT）緊密配合，其中MixIOT根據(jù)不同的功能需要扮演了幾個(gè)角色：

（1）MixIOT相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。將通過(guò)APIECO采集到的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組工作數(shù)據(jù)和優(yōu)化結(jié)果、優(yōu)化統(tǒng)計(jì)上報(bào)到MixIOT，最終由MixIOT進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和呈現(xiàn)、統(tǒng)計(jì)。

（2）MixIOT相當(dāng)于一個(gè)云端的中控，可以下發(fā)各種策略給邊緣計(jì)算控制器，比如針對(duì)不同的設(shè)備，MixIOT可以由客戶(hù)選擇或通過(guò)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?jī)?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?jī)?yōu)先，則可能會(huì)下發(fā)較為激進(jìn)的策略給邊緣計(jì)算控制器。

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

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(biāo)準(zhǔn)I/O標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交互，支持多種網(wǎng)絡(luò)，支持多種常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)有線(xiàn)方式與云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)通訊，上傳數(shù)據(jù)至云平臺(tái)。

本解決方案可通過(guò)方略柜的現(xiàn)場(chǎng)部署實(shí)現(xiàn)，方略柜集成通訊、采集、計(jì)算、控制、存儲(chǔ)等核心功能，并部署了邊緣式全智能壓縮機(jī)組動(dòng)態(tài)配載系統(tǒng)（Dynaload）。將方略柜部署安裝在空壓站現(xiàn)場(chǎng)，用信號(hào)線(xiàn)將空壓機(jī)的控制器、溫度計(jì)、流量計(jì)、壓力表等模塊的RS485/RS232/CAN口連接到通訊管理機(jī)的串口，APIECO邊緣計(jì)算控制器（Dynaload系統(tǒng)載體）實(shí)時(shí)采集通訊管理機(jī)上報(bào)的空壓機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、空壓機(jī)出口數(shù)據(jù)和用氣末端數(shù)據(jù)，Dynaload系統(tǒng)運(yùn)用科學(xué)的算法計(jì)算最優(yōu)空壓機(jī)組動(dòng)態(tài)配載策略，反向控制空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2.6 安全措施

本方案采用云平臺(tái)+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(chǔ)，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)的高效處理，又從根本上保護(hù)了用戶(hù)的數(shù)據(jù)安全。同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目具體情況，支持本地化部署。當(dāng)發(fā)生影響設(shè)備安全運(yùn)行的參數(shù)變化時(shí)，智物聯(lián)的邊緣計(jì)算控制器可自動(dòng)調(diào)整有功功率值，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)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(gè)環(huán)節(jié)都通過(guò)不同加密方式進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕黄髽I(yè)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)及商業(yè)信息全部存儲(chǔ)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(wú)憂(yōu)”。

本方案可為每個(gè)企業(yè)用戶(hù)獨(dú)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(jià)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(hù)浙江某電池廠(chǎng)的項(xiàng)目實(shí)施中，其空壓站內(nèi)有4臺(tái)空壓機(jī)組，并且低峰用氣的時(shí)間超過(guò)平均每天2小時(shí)。方案實(shí)施前母管壓力波動(dòng)在6.5bar～7.5bar。方案實(shí)施后母管壓力波動(dòng)在6.5bar～7.0bar之間，月均節(jié)約電能3萬(wàn)余元，配合氣老板專(zhuān)業(yè)的節(jié)能服務(wù)，該客戶(hù)月均電能成本降低7~8萬(wàn)元。同時(shí)原有2名專(zhuān)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(bào)表準(zhǔn)確性和及時(shí)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(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，是廣東省“上云上平臺(tái)”試點(diǎn)示范供應(yīng)商，智物聯(lián)“MixIOT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(diǎn)示范項(xiàng)目。

智物聯(lián)擁有核心專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)自主研發(fā)，已授權(quán)的專(zhuān)利和軟件著作權(quán)達(dá)106項(xiàng)，其中發(fā)明專(zhuān)利20項(xiàng)，實(shí)用新型和外觀(guān)專(zhuān)利28項(xiàng)，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)58項(xiàng)。

3.3 方案成熟性

除了空壓機(jī)行業(yè)，本方案也已在工業(yè)鍋爐、沼氣發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備等行業(yè)部署實(shí)施，同時(shí)可應(yīng)用于以項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)、合同能源管理為經(jīng)營(yíng)模式的企業(yè)。

3.4 推廣價(jià)值

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)壓縮空氣的耗電量占全國(guó)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(jī)的壽命周期成本中，能耗成本占了約70%，在中國(guó)，壓縮機(jī)的平均使用負(fù)荷只有66%，因此空壓機(jī)的節(jié)能已經(jīng)引起業(yè)界的高度重視。本方案應(yīng)用場(chǎng)景豐富，針對(duì)空壓機(jī)組等工業(yè)場(chǎng)景，建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境，動(dòng)態(tài)配載空壓機(jī)組的各個(gè)空壓機(jī)，實(shí)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(jià)值空間。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊