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面向空压机行业的工业现场边缘计算解决方案

作者：深圳市智物联网络有限公司

1    目标和概述

 1.1  行业所面临的挑战

目前在我国空气压缩机市场，外资企业仍然占有大 部分份额。由于我国的技术力量薄弱，外企在中高端产 品市场占据一定的优势；而且企业规模小、分布分散， 产业集中度低；缺少高端技术，低水平产能比重过大； 整机销售利润空间比较小，价格透明度比较高，品牌性 价比相差不大，产品同质化严重。国内品牌以低端价位 冲击市场，压缩机存量市场逐步趋于饱和。面临这些问 题和激烈的市场竞争，节能是压缩机打开一片蓝海市场 关键的切入点，压缩机的合同能源管理运营模式，对企 业而言能带来更多的利润，同时也提高了对客户服务能 力的要求；对空压机终端用户而言，他们也希望借助物 联网技术，实时了解空压机的运行情况与能耗数据。

空压机作为工业现场动力输出核心设备，在各行 各业中都有广泛应用，同时它也是工业现场用电“大 户”。据相关数据统计，在国内工业用电中，空压机耗 电占比近20%；在空压机运营中，电费成本在整个运行 成本中占比约85%~90%，优化运营成为企业降本增效 的重要途径，打造集节能、高效、智慧为一体的智慧空 压站已势在必行。

1.2  主要目标和总体概述

对传统空压站来说，空压机台数越多，用气波动 越大，其省电节能的空间越多。本方案应用场景丰富， 可适用于变频、定频、有储气罐、无储气罐等各类空压 机，满足多种参数采集方式，能够按空压机组进行配 备，一个边缘计算设备调控多个空压机，通过数字化运 营管理、智能化组合调控，提高设备点检、报表生成效 率60%~85%、降低气站8%~15%的电能成本。实现安 全生产、节能减排、增产增效、精细管理的目标。

1.3  功能与创新

本方案通过适配器Aprus与空压机和流量计等其它设备相连，实时采集其运行数据，结合智物联边缘计算控制器内置的数学模型，计算出现场工况下空压机组动态配载最优值，并同时进行实时调节，使系统趋近该最优值，以实现节能降耗、安全生产。

传统空压站根据管道压力变化，采用人工经验或空压机内控制器进行线性调控，此类方法无法合理平衡用气需求和每台机组功率之间对应关系，在一定程度上造成了压缩空气和电费的浪费。

创新点如下：

（1）全智能压缩机组动态配载系统（Dynaload）运用科学的算法计算出现场工况下空压机组动态配载最优值，并同时进行实时调节，使系统趋近该最优值，以实现节能降耗。

（2）以“物联对象”理论定义现场数据采集，实时进行数据采集、统计计算，并有效地过滤掉各类噪波数据、干扰数据，能够准确无误地计算出空压站及各台机组气电比、耗电量等运营关键数据。

（3）实现对在管理的空压机的整体监控，线上巡检代替人工巡检，降低售后成本，提高售后效率。

2    方案介绍

2.1  总体技术方案

面向空压机行业的工业现场边缘计算解决方案，主要由智物联的边缘计算控制器（APIECO）和工业互联网平台（MixIOT）组成，边缘计算控制器工作在设备端，一方面采集设备运行相关参数，一方面用内部算法模型计算出现场工况下空压机组动态配载最优值，并同时进行实时调节。边缘计算控制器对这些设备运行参数除了在界面进行展示之外，还将这些数据上报到 MixIOT平台。MixIOT一方面展示设备运行参数以及 设备功率优化效果，另一方面对所有设备进行集中管理 以及策略优化。如图1所示。

图1 总体技术方案

2.2  系统架构

本方案采用工业互联网分层架构体系，分别是数据 采集层、数据处理层和数据应用层。它向下通过可编程 的适配器Aprus、边缘计算控制器，连接各种类型的工 业设备和传感器；中间MixIOT的核心层则对采集上来 的各种数据进行路由、分类和存储；向上则提供了标准 的数据开放接口和适配典型行业场景的开发套件，可方 便进行行业应用开发，同时MixIOT还提供了各种基础 的数据分析和边缘计算的工具包，可帮助使用者进一步 挖掘工业物联网系统的客户价值和数据价值。

在整个MixIOT系统架构中，边缘优化产品是其中 的一部分，而全智能压缩机组动态配载系统又是边缘优 化产品中的一员。系统总体架构如图2所示。

图2 系统架构

2.3  硬件平台

2.3.1  APIECO边缘计算控制器

APIECO边缘计算控制器是智物联的边缘计算产 品。它在Aprus适配器全部的数据采集功能基础上，还 具备数据存储和数据运算能力，并且可运行通用的操 作系统平台（安卓或者Linux），同时自带可触摸显示 屏，用户可以自定义运行界面，以实现各种数据监控、 数据显示、数据输入和边缘计算的功能。

APIECO是一个功能强大的边缘计算控制器， 同时也是一个数据采集器。作为边缘计算控制器， APIECO内部算法会实时监测一次设备运行状况， 在 本方案中，为了尽可能降低设备因频繁加卸载的磨 损，算法设定最短20分钟调整一次配载策略。具体功 能如图3所示。

图3 APIECO边缘计算控制器

在数据采集方面，A P IECO物理接口支持 232/485/LAN/CAN；在数据传输方面，APIECO支持 2G/4G/Wi-Fi/网口，不同的接口和网络传输方式，都 有对应的产品型号，用户可以根据自己的应用场景进 行挑选。

2.3.2  RolaCab智能方略综合控制柜

根据实际场景除了选择APIECO边缘计算控制器 外，还可选取智物联的RolaCab智能方略综合控制柜进 行数据采集。

RolaCab智能方略综合控制柜（以下简称：方略 柜）是一个适用于工业现场调度系统的总控机柜，硬件 上集成有Aprus适配器、APIECO边缘计算控制器和软 件服务器、交换机等，软件功能上具备有数据收集、数 据存储、基础数据处理、数据分析、视频流媒体推流服 务、语音SIP服务、D&C调度计算、D&C实时优化、自 动控制等功能。如图4所示。

图4 方略柜

2.4  软件平台

2.4.1  边缘式全智能压缩机组动态配载系统 （Dynaload）

在Dynaload系统进行智能调控的同时，通过历史大 数据分析压缩机组的设备风险界限，实时监控设备整体 情况，根据设备的排气温度、供气压力、前轴承温度、 卸载压力、瞬时流量、功率等估量设备稳定值，当稳定 值在风险界限以上时，配载系统根据安全策略进行动态 调控，并发出警报，以保证设备安全平稳健康运行。

Dynaload运行界面右侧部分是各个空压机优化后的 实时状态列表，当空压机是工频空压机时，空压机状态 为加载或卸载，当空压机为变频空压机时，显示的状态 就是设定频率（单位为Hz）；左侧部分是重要参数，例 如气电比、总功率等实时和历史数据展示，如图5所示。

图5 Dynaload运行界面

为实现对空压机组的动态配载，系统需要考虑空压 机的用气模块、产气模块和安全模块。各模块关系如图6所示。

图6 Dynaload算法模块关系

· 用气模块

用气模块主要衡量用气端的使用情况，包括用气量、用气压力等，根据现场的用气情况，合理分配产气端的空压机产气情况。

· 产气模块

对于产气部分来说，有两种不同类型压缩机，一种是定频压缩机，另一种是变频压缩机。他们的参数不相同，故配载方式不同，产气模块用以计算衡量各个空压机的产气量，并计算出每个空压机如何控制可以达到用气标准。

· 安全模块

安全模块主要考虑的是压缩机组的稳定运行，考虑以下参数：排气温度、供气压力、前轴承温度、卸载压力、瞬时流量、功率等。由此估量一个设备的稳定值，并映射到0~100，当稳定值在风险界限以上时配载系统不进行调控，并发出警报。当配载算法产生多个建议时，优先选择与当前时刻压缩机状态相近、保证稳定的配载方案。

2.4.2  工业物联网云平台（MixIOT）

MixIOT系统架构图如图7所示。

图7 MixIOT系统架构图

在本方案中，需要由边缘计算控制器（APIECO）跟工业物联 网云平台 （M ixIOT） 紧密配合，其中MixIOT根据不同的功能需要扮演了几个角色：

（1） MixIOT相当于一个数据监控中心。将通过APIECO采集到的燃气发电机组工作数据和优化结果、优化统计上报到MixIOT，最终由MixIOT进行数据运算和呈现、统计。

（2） MixIOT相当于一个云端的中控，可以下发各种策略给边缘计算控制器，比如针对不同的设备， MixIOT可以由客户选择或通过历史大数据分析决定该设 备的优化策略是以安全优先，还是产量优先。如果是以安 全优先，那么就要下发较为保守的策略；如果是产量优 先，则可能会下发较为激进的策略给边缘计算控制器。

（3） MixIOT还提供了规则配置工具。当用户要 对边缘端的采集数据进行调整，比如修改采集参数、修 改参数上报策略等，无需进行任何代码编写，只需通过 MixIOT的规则工具进行配置，然后下发到APIECO即 可，极大地方便了客户。

2.5 数据通讯

本方案可采集多种通信协议的数据，支持全工业标 准I/O标准数据交互，支持多种网络，支持多种常用工 业标准通讯协议。

通讯设备：路由器。用于空压站智能控制柜联网， 通过有线方式与云平台联网通讯，上传数据至云平台。

本解决方案可通过方略柜的现场部署实现，方 略柜集成通讯、采集、计算、控制、存储等核心功 能，并部署了边缘式全智能压缩机组动态配载系统 （Dynaload）。将方略柜部署安装在空压站现场，用 信号线将空压机的控制器、温度计、流量计、压力表 等模块的RS485/RS232/CAN口连接到通讯管理机的串 口，APIECO边缘计算控制器（Dynaload系统载体） 实时采集通讯管理机上报的空压机组运行参数、空压机 出口数据和用气末端数据，Dynaload系统运用科学的 算法计算最优空压机组动态配载策略，反向控制空压机 运行状态。

2.6 安全措施

本方案采用云平台+本地部署的方式提供工业互联 网方案，将商业数据和设备原始数据分离存储，既实现 了系统对大数据的高效处理，又从根本上保护了用户的 数据安全。同时根据项目具体情况，支持本地化部署。

当发生影响设备安全运行的参数变化时，智物联的 边缘计算控制器可自动调整有功功率值，保证设备安全 平稳运行。

MixIOT工业互联网构架， 从数据精确采集到传 输、处理、展现，每个环节都通过不同加密方式进行数 据加密，确保数据传输的安全性；企业运营数据及商业

信息全部存储在企业本地服务器，商业数据与工业数据 的有效分离让企业管理“高枕无忧”。

本方案可为每个企业用户独立部署，不管是公有 云、私有云还是物理服务器，均可安装，企业应用和数 据完全自有，安全性高，让企业用得更放心。

3    代表性及推广价值

3.1  应用情况及效果

在浙江气老板节能技术有限公司的客户浙江某电池 厂的项目实施中，其空压站内有4台空压机组，并且低 峰用气的时间超过平均每天2小时。方案实施前母管压 力波动在6.5bar～7.5bar。方案实施后母管压力波动在 6.5bar～7.0bar之间，月均节约电能3万余元，配合气 老板专业的节能服务，该客户月均电能成本降低7~8万 元。同时原有2名专职管理人员也调整为1人，在降低人 工成本的前提下，提升气站管理效率、报表准确性和及 时性。

3.2  技术的示范效应

智物联是提供智慧工业核心引擎和工业数据算法产 品的国家高新技术企业，是广东省“上云上平台”试点 示范供应商，智物联“MixIOT工业互联网平台物联网 技术典型应用解决方案”入选2021年新一代信息技术与 制造业融合发展试点示范项目。

智物联拥有核心专利技术，通过自主研发，已授权 的专利和软件著作权达106项，其中发明专利20项，实 用新型和外观专利28项，计算机软件著作权58项。

3.3  方案成熟性

除了空压机行业，本方案也已在工业锅炉、沼气发 电及动力设备等行业部署实施，同时可应用于以项目运 营、合同能源管理为经营模式的企业。

3.4  推广价值

据统计，在中国压缩空气的耗电量占全国发电量的9.4%~10%，压缩空气系统的耗电量约占用气企业总 耗电量的15%~35%不等。在空气压缩机的寿命周期成本中，能耗成本占了约70%，在中国，压缩机的平均使 用负荷只有66%，因此空压机的节能已经引起业界的高 度重视。本方案应用场景丰富，针对空压机组等工业场 景，建立科学合理的数学模型，根据实际的生产环境， 动态配载空压机组的各个空压机，实现节能减排，并减少设备的故障率、维修率，具有较好的示范推广前景和行业价值空间。

来源 | 《自动化博览》2022年第二期暨《边缘计算2022专辑》