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基于TSN和OPC-UA技术的冷冻冷藏物联网测试床(EC-IoTTB2018-1008)

1.   实验平台名称

基于TSN和OPC-UA技术的冷冻冷藏物联网测试床


2.   发起单位

大连冰山嘉德自动化有限公司


3.   合作公司

华为技术有限公司

Honeywell


4.   实验平台目标和概述

工业、商业及物流制冷基于同样的制冷原理,关系到生产生活的很多方面,消耗的电能占比逐年提高,已成为社会主要电能消耗原因。

冷冻冷藏节能的自动控制涉及到节能控制程序的编制和自控元器件的选用。作为自控元器件的生产厂商、专业设计院或有能力的使用单位等均可承担节能自动控制的研究和开发。但是从控制系统的实用性及其效率角度的考虑,在使用单位的实施过程中不断地完善,对换热设备进行有效管理,也能起到降低能耗的有效作用。因为当蒸发温度为-10℃  时,冷凝温度每下降1℃,压缩机单位制冷量耗电减少2.5%~3.2%;当冷凝温度为30℃  时,蒸发温度每提高1℃,压缩机单位耗电量则减少3.1%~3.9%。由此可见,管理好换热设备,对降低能耗具有重要意义。同时对设备进行故障预测,减少设备故障率和停机时间,对食品、医疗冷链的藏品质量提供保证,也关系到公共卫生安全。

随着食品冷冻冷藏行业的快速发展,技术创新、安全生产、节能环保等问题越来越得到业界的关注。特别是吉林、 上海等地发生的食品冷藏企业涉氨问题敲响了行业安全的警钟。冷冻冷藏及冷链物流已经不仅仅是自动化技术能够解决所有问题,需要将各种相关设备运行状况的数据进行整合,进行优化决策;每个项目具有广泛的共性,但也具有不同环境、场地的非标性。通过不同现场运行状况的分析对比,为每个项目提供参考的优化运行策略,可以提高运行效率。

制冷控制现场按照项目设计,具有非标特性,每个项目使用多种控制器,数据量在100~200个,被控设备在1000个左右,使用工业RS485总线采集,监控延迟过大。

通过统计设备运行时长,监测压力、温度等运行指标参数,给出维保建议,使设备厂商及用户有目标的准备备品备货,减少不必要的库存,释放现金流。由于基于数据进行精准的维修,不仅可以减少故障发生的风险,还可以延长设备的使用寿命,提高运维人员的工作效率,将会降低设备的运维成本。

冰山集团作为国内最大的大型冷冻冷藏及冷链物流的设备制造商和项目承接商,已有数万台压缩机设备及数百万台风机等终端设备在运行,承接全球大型冷库项目近千个。采用的现场控制设备有自行研制的嵌入式控制器和通用型PLC设备,具有宽泛的数据样本类型,建立测试床,能够为冷冻冷藏和冷链物流的网络化、智能化提供最好的基础。


5.   应用场景介绍

冷冻冷藏及冷链物流的各单体设备均应具有采集、计算、决策的控制能力,但现在多数为单片机及PLC设备,仅对即时输入或控制命令产生响应,不具有长期数据存储及分析学习能力。由于每个用户的系统非标特性,无法在云端统一生成系统模型,只对单体设备可以训练部分通用控制模型,边缘侧计算的优势更明显。通过将各单体设备的数据进行分组集成,使相关联设备进行数据通讯实现互联互通互操作的能力;增加单体设备的判断条件,由现场侧网关、前置服务器等具有边缘计算能力的智能设备对数据进行分析处理,对各单体设备的操作进行优化管控,实现降耗节能;通过故障预判、失效模式分析,合理安排维修保养,减少故障发生,延长设备的使用寿命,降低运维成本,实现不间断制冷。


5.1.   预期成果

实验平台同压缩机、蒸发冷水泵、库房风机和除霜等设备的控制器进行数据通讯,采集现场运行和环境数据,对安全状况、进出货状况进行监测,通过优化设备运行时段,管理设备负载状态,实现安全高效制冷,对可能发生的停机故障进行预判,减少故障发生,延长设备的使用寿命,降低运维成本,并给出维修建议,实现持续温度控制。


5.2.   技术的示范效应

冷冻冷藏及冷链物流的制冷实验平台,由于基础控制器和通讯技术的广泛适用性,以及共同的制冷原理,除对冰山集团相关项目进行管理和分析,对其他同行业产品的运行状况可以进行数据分析,得到具有很高参考价值的运维数据。


5.3.   商业价值

(1)制冷设备的主要非必须能耗在于管理不当造成的冷量浪费,设备低负荷长期运行和未及时除霜,频繁开关库门等。通过物联网采集监测数据,对于系统运行问题,可以提供优化控制策略实现能耗降低;对于人为行为问题,进行统计,提供给用户管理优化的建议,使用用户增强管理,减少能源的不必要浪费。

(2)通过统计设备故障报警信息,及报警时相关数据的记录,进行机器学习,对故障进行预判,减少突发停机情况,保持藏品温度和质量。

(3)通过统计设备运行时长,监测压力、温度等运行指标参数,给出维保建议,使设备厂商及用户有目标的准备备品备货,减少不必要的库存,释放现金流。由于基于数据进行精准的维修,不仅可以减少故障发生的风险,还可以延长设备的使用寿命,提高运维人员的工作效率,将会降低设备的运维成本。

(4)通过设备间的相互数据交互,使控制器间实现数据共享,可以减少传感器的使用数量,增加设备控制判断的参考数据量,优化控制策略。

(5)可将控制设备的软件进行远程管理,远程故障诊断及调试,可以减少现场维护次数,降低维修维护成本,并减少客户等待时间。

(6)对设备制造商的设计、开发提供更多的可参考数据。


5.4.   社会价值

(1)冷冻冷藏和冷链物流的节能,直接影响社会电力分配,用电量降低对减少碳排放,缓解全球变暖,提高空气质量具有帮助。

(2)由于大型冷库、冷冻站使用的制冷剂通常具有高压、有毒的特点,保证其安全运行,对可能出现的隐患进行预防,对维护公共安全具有重要意义。

(3)通过平台数据共享能力,对食品、药品在冷链物流的全过程温度状况进行监控,可以追溯食品和卫生安全的问题。

(4)多种设备数据采集、接入物联网,可提高中国工业4.0的智能化、定制化进程。

(5)采用TSN和OPC-UA作为现场侧主要通讯协议,降低私有协议技术壁垒和商务壁垒风险,维护自主知识产权。


6.   实验平台技术可行性

6.1. 硬件与网络改造

现场原有RS485总线,每链路挂载30个控制器,通讯波特率低,轮训周期过长,响应的即时性难以保证,数据延迟过大,无法实现集中精确控制,通过本方案升级为IP控制器;通过边缘计算网关、华为TSN交换机,将原有的工业现场总线提高到工业物联网网络,提升并发通讯能力和通讯速率,并且避免了RS485和Modbus协议搭配的可监听和可干扰的缺陷;通过边缘计算网关与边缘侧服务器进行基于局域网的通讯,使用具有认证的OPC-UA协议,提高数据采集密度和数据信息量;实现设备间的双向高速数据交互,提高控制设备感知能力。提升并发通讯能力和通讯速率,并且避免了RS485和Modbus协议搭配的可监听和可干扰的缺陷;

通过现场前置服务器,在边缘侧实现数据的实时分析处理,分布式数据存储,就近逻辑控制,边缘侧安全处理,实现边缘计算的功能。

提升并发通讯能力和通讯速率,并且避免了RS485和Modbus协议搭配的可监听和可干扰的缺陷;

通过边缘计算网关与边缘侧服务器进行基于局域网的通讯,使用具有认证的OPC-UA协议,提高数据采集密度和数据信息量;

云端进行更高级的数据分析和学习,总结优化策略,下发到前置服务器,实现“云-边”计算的均衡处理,发挥两者的各自优势,实现最优的资源利用,优化控制策略,提高制冷效率。

通过高可靠性的现场边缘计算能力和云计算能力,实现及时的故障提示和预测性警示,提高设备运行的可靠性,较少故障的发生,降低运维成本。


6.2. 软件功能

制冷设备的主要非必须能耗在于管理不当造成的冷量浪费,设备低负荷长期运行和未及时除霜,频繁开关库门等。通过物联网采集监测数据,对于系统运行问题,可以提供优化控制策略,如浮动吸气压力、过热度调节、用户使用规律学习调整输出等方式,实现能耗降低;对于人为行为问题,进行统计,提供给用户管理优化的建议,使用用户增强管理,减少能源的不必要浪费。同时充分利用客户的储冷设备,利用峰平谷电价差合理安排压缩机工作时间。

通过统计设备故障报警信息,及报警时相关数据的记录,进行机器学习,对故障进行预判,减少突发停机情况,保持藏品温度和质量。

通过统计设备运行时长,监测压力、温度等运行指标参数,给出维保建议,使设备厂商及用户有目标的准备备品备货,减少不必要的库存,释放现金流。由于基于数据进行精准的维修,不仅可以减少故障发生的风险,还可以延长设备的使用寿命,提高运维人员的工作效率,将会降低设备的运维成本。

通过设备间的相互数据交互,使控制器间实现数据共享,可以减少传感器的使用数量,增加设备控制判断的参考数据量,优化控制策略。


6.3. 物理平台

冰山嘉德获得Honeywell授权,研发生产可运行Niagara Framework的网管型控制器产品,具有等同JACE产品的所有特性,并增加IO控制点和通讯能力。

冰山嘉德具有Niagara Framework的二次开发认证,基于此平台开发软件和模块,作为PAAS平台的应用,并利用其搭建SAAS服务。

此控制器内已嵌入基于阿里云IoT SDK开发的通讯协议驱动,可与云平台进行基于TSL证书验证和Base64加密的MQTT协议通讯。


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冰山嘉德基本型物联网控制器规格如下:

•  Niagara 4.3

•  Linux Kernel 3.2

•  512M DDR3 RAM

•  1G NAND Flash

•  2路独立千兆以太网口

•  2路独立带隔离RS485接口

•  USB Host* & TF卡

•  4路DI干接点输入

•  4路DO晶体管输出

•  可选GSM/GPRS、3G/4G、Wi-Fi/蓝牙模块

 

6.4. 软件平台

基于Niagara Framework,由冰山嘉德和Honeywell进行二次开发的软件平台。

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6.5. 配置和控制接口

网络控制和配置:华为TSN网关和华为TSN交换机通过RS232串口进行配置。

平台软件通过Niagara Workbench进行配置。


6.6. 数据通讯接口

网络部分:TSN交换机通信接口形态以太网口、TSN 使能接口、Modbus兼容接口,通信协议采用IEEE 802 TSN协议族。

计算平台间通过局域网和因特网连接进行通讯。


6.7. 安全措施

现场通讯在交换机内具有流控措施。

公网通讯通过安全加密连接。

 


7. 和ECC技术及测试台的关系

7.1. ECC总体架构

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匹配ECC边缘计算总体架构,如下图:


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8. 交付件

冷冻冷藏及冷链物流云平台解决方案,含边缘计算网关、边缘数据服务器、云平台、应用。


9. 实验平台使用者

 相关设备制造单位、相关设计院、冷库运维商等可利用平台进行设备和项目等管理和可预测性维护。


10.    知识产权说明

实验平台的知识产权由平台的参与方所有。


11.    部署,操作和访问使用

可部署在互联网,根据申请,明确使用权限。

 


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