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深圳市智物聯網絡有限公司

1 目標和概述

1.1 行業所面臨的挑戰

目前在我國空氣壓縮機市場，外資企業仍然占有大部分份額。由于我國的技術力量薄弱，外企在中高端產品市場占據一定的優勢；而且企業規模小、分布分散，產業集中度低；缺少高端技術，低水平產能比重過大；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，產品同質化嚴重。國內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，節能是壓縮機打開一片藍海市場關鍵的切入點，壓縮機的合同能源管理運營模式，對企業而言能帶來更多的利潤，同時也提高了對客戶服務能力的要求；對空壓機終端用戶而言，他們也希望借助物聯網技術，實時了解空壓機的運行情況與能耗數據。

空壓機作為工業現場動力輸出核心設備，在各行各業中都有廣泛應用，同時它也是工業現場用電“大戶”。據相關數據統計，在國內工業用電中，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%，優化運營成為企業降本增效的重要途徑，打造集節能、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

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

1.3 功能與創新

本方案通過適配器Aprus與空壓機和流量計等其它設備相連，實時采集其運行數據，結合智物聯邊緣計算控制器內置的數學模型，計算出現場工況下空壓機組動態配載最優值，并同時進行實時調節，使系統趨近該最優值，以實現節能降耗、安全生產。

傳統空壓站根據管道壓力變化，采用人工經驗或空壓機內控制器進行線性調控，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關系，在一定程度上造成了壓縮空氣和電費的浪費。

創新點如下：

（1）全智能壓縮機組動態配載系統（Dynaload）運用科學的算法計算出現場工況下空壓機組動態配載最優值，并同時進行實時調節，使系統趨近該最優值，以實現節能降耗。

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

（3）實現對在管理的空壓機的整體監控，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 總體技術方案

面向空壓機行業的工業現場邊緣計算解決方案，主要由智物聯的邊緣計算控制器（APIECO）和工業互聯網平臺（MixIOT）組成，邊緣計算控制器工作在設備端，一方面采集設備運行相關參數，一方面用內部算法模型計算出現場工況下空壓機組動態配載最優值，并同時進行實時調節。邊緣計算控制器對這些設備運行參數除了在界面進行展示之外，還將這些數據上報到MixIOT平臺。MixIOT一方面展示設備運行參數以及設備功率優化效果，另一方面對所有設備進行集中管理以及策略優化。如圖1所示。

圖1 總體技術方案

2.2 系統架構

本方案采用工業互聯網分層架構體系，分別是數據采集層、數據處理層和數據應用層。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設備和傳感器；中間MixIOT的核心層則對采集上來的各種數據進行路由、分類和存儲；向上則提供了標準的數據開放接口和適配典型行業場景的開發套件，可方便進行行業應用開發，同時MixIOT還提供了各種基礎的數據分析和邊緣計算的工具包，可幫助使用者進一步挖掘工業物聯網系統的客戶價值和數據價值。

在整個MixIOT系統架構中，邊緣優化產品是其中的一部分，而全智能壓縮機組動態配載系統又是邊緣優化產品中的一員。系統總體架構如圖2所示。

圖2 系統架構

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的邊緣計算產品。它在Aprus適配器全部的數據采集功能基礎上，還具備數據存儲和數據運算能力，并且可運行通用的操作系統平臺（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，以實現各種數據監控、數據顯示、數據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，同時也是一個數據采集器。作為邊緣計算控制器，APIECO內部算法會實時監測一次設備運行狀況，在本方案中，為了盡可能降低設備因頻繁加卸載的磨損，算法設定最短20分鐘調整一次配載策略。具體功能如圖3所示。

圖3 APIECO邊緣計算控制器

在數據采集方面，APIECO物理接口支持232/485/LAN/CAN；在數據傳輸方面，APIECO支持2G/4G/Wi-Fi/網口，不同的接口和網絡傳輸方式，都有對應的產品型號，用戶可以根據自己的應用場景進行挑選。

2.3.2 RolaCab智能方略綜合控制柜

根據實際場景除了選擇APIECO邊緣計算控制器外，還可選取智物聯的RolaCab智能方略綜合控制柜進行數據采集。

Rola Cab智能方略綜合控制柜（以下簡稱：方略柜）是一個適用于工業現場調度系統的總控機柜，硬件上集成有Aprus適配器、APIECO邊緣計算控制器和軟件服務器、交換機等，軟件功能上具備有數據收集、數據存儲、基礎數據處理、數據分析、視頻流媒體推流服務、語音SIP服務、D&C調度計算、D&C實時優化、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配載系統（Dynaload）

在Dynaload系統進行智能調控的同時，通過歷史大數據分析壓縮機組的設備風險界限，實時監控設備整體情況，根據設備的排氣溫度、供氣壓力、前軸承溫度、卸載壓力、瞬時流量、功率等估量設備穩定值，當穩定值在風險界限以上時，配載系統根據安全策略進行動態調控，并發出警報，以保證設備安全平穩健康運行。

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

圖5 Dynaload運行界面

為實現對空壓機組的動態配載，系統需要考慮空壓機的用氣模塊、產氣模塊和安全模塊。各模塊關系如圖6所示。

圖6 Dynaload算法模塊關系

·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，根據現場的用氣情況，合理分配產氣端的空壓機產氣情況。

·產氣模塊

對于產氣部分來說，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。他們的參數不相同，故配載方式不同，產氣模塊用以計算衡量各個空壓機的產氣量，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定運行，考慮以下參數：排氣溫度、供氣壓力、前軸承溫度、卸載壓力、瞬時流量、功率等。由此估量一個設備的穩定值，并映射到0~100，當穩定值在風險界限以上時配載系統不進行調控，并發出警報。當配載算法產生多個建議時，優先選擇與當前時刻壓縮機狀態相近、保證穩定的配載方案。

2.4.2工業物聯網云平臺（MixIOT）

MixIOT系統架構圖如圖7所示。

圖7 MixIOT系統架構圖

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

（1）MixIOT相當于一個數據監控中心。將通過APIECO采集到的燃氣發電機組工作數據和優化結果、優化統計上報到MixIOT，最終由MixIOT進行數據運算和呈現、統計。

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

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

2.5 數據通訊

本方案可采集多種通信協議的數據，支持全工業標準I/O標準數據交互，支持多種網絡，支持多種常用工業標準通訊協議。

通訊設備：路由器。用于空壓站智能控制柜聯網，通過有線方式與云平臺聯網通訊，上傳數據至云平臺。

本解決方案可通過方略柜的現場部署實現，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配載系統（Dynaload）。將方略柜部署安裝在空壓站現場，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系統載體）實時采集通訊管理機上報的空壓機組運行參數、空壓機出口數據和用氣末端數據，Dynaload系統運用科學的算法計算最優空壓機組動態配載策略，反向控制空壓機運行狀態。

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互聯網方案，將商業數據和設備原始數據分離存儲，既實現了系統對大數據的高效處理，又從根本上保護了用戶的數據安全。同時根據項目具體情況，支持本地化部署。當發生影響設備安全運行的參數變化時，智物聯的邊緣計算控制器可自動調整有功功率值，保證設備安全平穩運行。

MixIOT工業互聯網構架，從數據精確采集到傳輸、處理、展現，每個環節都通過不同加密方式進行數據加密，確保數據傳輸的安全性；企業運營數據及商業信息全部存儲在企業本地服務器，商業數據與工業數據的有效分離讓企業管理“高枕無憂”。

本方案可為每個企業用戶獨立部署，不管是公有云、私有云還是物理服務器，均可安裝，企業應用和數據完全自有，安全性高，讓企業用得更放心。

3 代表性及推廣價值

3.1 應用情況及效果

在浙江氣老板節能技術有限公司的客戶浙江某電池廠的項目實施中，其空壓站內有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，月均節約電能3萬余元，配合氣老板專業的節能服務，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 技術的示范效應

智物聯是提供智慧工業核心引擎和工業數據算法產品的國家高新技術企業，是廣東省“上云上平臺”試點示范供應商，智物聯“MixIOT工業互聯網平臺物聯網技術典型應用解決方案”入選2021年新一代信息技術與制造業融合發展試點示范項目。

智物聯擁有核心專利技術，通過自主研發，已授權的專利和軟件著作權達106項，其中發明專利20項，實用新型和外觀專利28項，計算機軟件著作權58項。

3.3 方案成熟性

除了空壓機行業，本方案也已在工業鍋爐、沼氣發電及動力設備等行業部署實施，同時可應用于以項目運營、合同能源管理為經營模式的企業。

3.4 推廣價值

據統計，在中國壓縮空氣的耗電量占全國發電量的9.4%~10%，壓縮空氣系統的耗電量約占用氣企業總耗電量的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%，因此空壓機的節能已經引起業界的高度重視。本方案應用場景豐富，針對空壓機組等工業場景，建立科學合理的數學模型，根據實際的生產環境，動態配載空壓機組的各個空壓機，實現節能減排，并減少設備的故障率、維修率，具有較好的示范推廣前景和行業價值空間。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊