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公辅车间云智控能源数字化平台

作者：蘑菇物联技术（深圳）有限公司

1    目标和概述

 工厂的公辅车间依据其提供的功能作用可分为配电 车间、空压站、循环水车间、制冷车间等，负责为工厂 的生产车间提供水电冷气热，保障正常的生产业务。公 辅车间内配备的设备类型众多，消耗的能源资源种类有 电、水、气体、化石能源等，其复杂性给管理带来两个 主要的挑战：一是数字化的缺失导致设备管理的混乱， 设备的日常管理极度依赖人工不间断的巡检记录，无法 将设备的台账资产管理、保养维保记录、设备状态预 警、能源消耗报表集中到同一平台实现自动化和智能化 管理；二是设备日常运行调参依赖人工，缺乏依据生产 车间实时所需动态调整的能力，造成设备运行时能源消 耗的浪费。

公辅车间云智控能源数字化平台以单个公辅车间为单位，目前主要是空压站和制冷车间，通过将自主研发的蘑菇云盒与车间的设备和传感器相连，实现对设备数据的采集，再通过无线LoRa的方式与自主研发的智能边缘服务器相连，从而实现对车间设备和传感器的集中数字化管理。同时智能边缘服务器配置有针对特定公辅车间运行环境开发的人工智能控制算法，能实现对设备的秒级精准控制，从而实现公辅车间的整站节能，节能率在10%~30%。蘑菇云盒和智能边缘服务器还配置有

4G通讯模块，可直接与云服务器链接，通过空中下载（OTA）功能实现本地固件、协议、智能算法的更新。

2    方案介绍

2.1  系统架构（如图1所示）

图1 现场系统搭建架构图

公辅车间云智控能源数字化平台采用目前工业互联 网流行的四层设计，由采集层、边缘层、平台层和应用 层构成。如图2所示。

图2 平台设计方案架构图

2.2  硬件平台

硬件平台主要包括蘑菇云盒和智能边缘服务器。

蘑菇云盒应用于采集层，通过非入侵的方式与工 厂的各类仪表和各公辅车间的设备连接，采集仪表和设 备的数据。蘑菇云盒可连接20多类设备，支持200多个 品牌设备，支持1300多种通讯协议。蘑菇云盒配置有 LoRa、4G或以太网通信模块。其中LoRa通讯模块用于 与车间的无线智能传感器和智能边缘服务器通讯，4G 通信模块用于与云平台直接通讯，具有OTA功能。外观 如图3所示。

图3 蘑菇云盒

智能边缘服务器应用于边缘层，部署在各公辅车 间内，集成LoRa基站、4G路由器、计算和控制模块、人机交互界面。LoRa基站用于与车间内的蘑菇云盒通讯，4G路由器用于与云平台通讯，具有OTA功能。计 算和控制模块配置有多种人工智能算法模型，云端可通 过OTA功能为其配置最新的算法模型，用于将蘑菇采集 的实时设备数据利用人工智能算法分析处理得到设备最 优运行模型，并下发控制指令，从而达到节能的目的。 人机交互界面配置有专门开发的软件，具有车间运行状 态展示看板、用户操作交互等功能。

图4 智能边缘服务器

2.3  软件平台

软件平台主要承担设备数据的存储、监测与分析功 能。平台层可部署在公有云，如阿里云、华为云、腾讯 云等，也可部署在私有云或混合云上。平台层存储有系 统运行的大量数据，配置有人工算法模型，可通过机器 学习不断优化算法模型，并通过OTA功能同步至边缘层 智能服务器，平台层还配置有专家库，将采集层和边缘 层发送的数据进行清洗与分析，生成智能报表和诊断报 告，推送至用户的电脑或移动端App上。

基于容器技术的物联中台开发，包括物联通 讯（数据采集和控制）、协议管理、数据解析、 数据清洗、数据分析、建模等多个环节。中台 运用了IoT、微服务架构（Spring Cloud）、容 器化技术（Docker+k8s+Rancher）、大数据 （TCDB+HBase+Spark）。基于容器技术的物联中台 可满足物联网系统对并发量、通讯稳定性、系统拓展性 的较大要求。从开发层面开发持续集成/持续交付，构 建开发自动化构建、测试、部署流程，提高产品开发、 运维部署的效率，减少生产事故，提高生产系统的稳定 性、可靠性。因而，基于无线通讯及多约束条件AI算法 的公辅车间云智控SaaS系统可实现用户一键配置添加 新设备和“不停机、用户零感知”升级迭代。

云平台配置推理规则引擎、实时统计过程控制 （SPC）引擎、分析挖掘引擎、机理仿真模型，实现对 近400个空压站和制冷车间的数据清洗与矫正，便于生 成多维度的能源消耗智能报表。

存储有近400个公辅车间的设备数万个小时的运行 数据，配置有实时计算、批量计算、流式计算等计算引 擎，通过机器学习锻炼，不断优化控制算法模型。基于 机器学习算法智能识别需求端、供给端、管道端三端实 时工况，自适应预测需求周期规律和短期波动变化、供 给端实际产量和能效、管道端损耗等运行状态；基于多 参数多约束条件优化算法，对供需差异、控制频次限 制、运行时间限制、变频设备能效区间、能耗功率限制 等因素建立数学规划模型，适用于空压站和制冷车间内 多设备联动智能控制，实现科学决策和高效节能。目前 已开发出针对空压站、制冷车间和循环水系统的控制算 法模型，采用预测性控制算法、计划控制与实时工况识 别控制算法、多参数多约束控制算法等，已实现空压站 和制冷车间的能耗降低10%~30%，实现循环水系统智 能加药。

2.4  数据通讯

针对车间工业现场复杂的环境，公辅车间云智控 能源数字化平台在公辅车间本地采用LoRa无线通讯传 输数据，减少施工对现场的破坏，可快速安装部署。 将OFDM技术（正交频分复用技术）引用到SubG频段的LoRa通讯中，有效提高工业现场无线通讯的抗干扰性，使得节点的无线通讯半径增至100米，通讯的丢包率降低到1%以下。本项目通过时分码分技术对星型网络下的LoRa基站节点容量进行提升，该技术分给每个用户一个互不重叠的非标准时隙，各用户仅在分配的时隙工作，采用N个时分信道共用一个载波频道，占据相同带宽。所以基站复杂性较小。其用不同的时隙来发送和接收信号，因此不需要双工器。在有限的频段资源下有效提升系统容量。单个LoRa基站秒级数据节点数量由原来的5个扩充到10个，有效减少工业现场所需的基站数量，节约硬件成本。

边缘端与云端的通讯则采用4G的方式。

2.5  安全措施

针对智能控制的潜在风险，公辅车间云智控能源数字化平台采用边缘端和云端双边控制方案，设置三重安全机制确保车间的运行稳定，降低生产风险。正常运行的情况下，通过边缘智能服务器对公辅车间设备进行秒级的精准控制，当边缘端智能控制出现异常时会切换到云端启用备用机制进行云边双控，当整个智能控制路径都异常失效时，蘑菇云盒会启动失效保险，恢复到设备的原始控制状态。

3    代表性及推广价值

公辅车间云智控能源数字化平台历经100多次迭代，目前申请发明专利共40项、申请软件著作权11项、申请实用新型专利5项、申请4项外观专利、申请作品登记证2项、申请4项商标， 平台入选国家工信部2019工业互联网App优秀解决方案、AII（中国工业互联网产业联盟）全国15个具有代表性的工业App案例，并荣获2019智博会·中新工业App创新应用大赛一等奖，数博会工业App创新大赛三等奖，入选广东省工业互联网A类产品。已应用企业覆盖中国华南区、华东区、华北区、西南区，成功应用于家电、日化、水泥、汽车、电子、制药、纺织、印刷制品等共60余类制造行业，总计300多个公辅车间， 实现营收2500多万元。目前运行稳定，平均节省能耗在10%到30%之间。

来源 | 《自动化博览》2022年第二期暨《边缘计算2022专辑》