基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的空壓機能源管理方案

深圳市匯川技術(shù)股份有限公司

網(wǎng)絡(luò)行業(yè)應(yīng)用篇/設(shè)備監(jiān)控與維護

1 概述

1.1 背景

空壓機的作用是通過壓縮空氣提供動能，其應(yīng)用領(lǐng)域和實際用途非常廣泛，是現(xiàn)代工業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)備。同時，空壓機屬于能耗大戶，其所消耗的電量占整個工廠耗電量的30%左右，在單臺空壓機的生命周期中，電費成本占氣使用成本的90%左右。目前國內(nèi)使用的空壓機基本上能效標(biāo)識為二、三級，運用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對空壓機實施能源管理，可有效節(jié)能，市場潛力巨大。

空壓機合同能源管理項目是一種新型的市場化節(jié)能機制，其實質(zhì)就是以減少的能源費用來支付節(jié)能項目全部成本的節(jié)能業(yè)務(wù)方式，國內(nèi)常見的有售氣模式與租賃模式。目前實施過程中，存在以下幾個關(guān)鍵痛點：節(jié)能量預(yù)測分析繁瑣且周期長、設(shè)備維護效率低、費用結(jié)算復(fù)雜不透明、企業(yè)繳費回款不及時、合同糾紛風(fēng)險大。風(fēng)險控制及運維效率是成功實施空壓機合同能源管理項目的關(guān)鍵。

1.2 實施目標(biāo)

依托本公司互聯(lián)網(wǎng)平臺，促進自動化與信息化深度融合，空壓機合同能源管理解決方案旨在提供一個可廣泛復(fù)制的，覆蓋氣站改造、氣站管理、業(yè)務(wù)運營三大主要環(huán)節(jié)的一站式解決方案，幫助空壓機廠商實現(xiàn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型，運營共享氣站。

在改造階段，通過物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能預(yù)測分析、建立節(jié)能模型；在管理階段，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程運維、故障報警等；在業(yè)務(wù)運營階段，通過物聯(lián)網(wǎng)及云技術(shù)實現(xiàn)自動抄表、費用結(jié)算、自助繳費、報表統(tǒng)計等。

該方案能降低氣站運營風(fēng)險及運維成本，提高工作效率及客戶滿意度，幫助空壓機廠商成功實施合同能源管理項目，實現(xiàn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型、創(chuàng)造更多利潤。

1.3 適用范圍

空壓機行業(yè)，節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域：適用于合同能源管理項目，共享氣站建設(shè)及運營，氣站節(jié)能改造，氣站、空壓機節(jié)能及后服務(wù)管理。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置

在圖1中本解決方案主要作用于連接7，即工廠云平臺（及管理軟件）與協(xié)作平臺。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

2 需求分析

氣站改造前，一方面空壓機能耗高，其所消耗的電量占整個工廠耗電量的30%左右。另一方面隨著管道老化、管路泄露等、不同時間段供氣需求不同而供氣壓力不變，造成能量浪費情況非常嚴重；所以在氣站改造階段產(chǎn)生的需求主要是采集歷史數(shù)據(jù)、分析氣站節(jié)能效益、提出節(jié)能工況模型、為氣站改造提供經(jīng)濟效益論證。

氣站管理過程，存在的問題是空壓機維保大多不及時，設(shè)備發(fā)生故障維修效率低，空壓機配件管理混亂。所以主要需求是空壓機的設(shè)備管理，包括遠程監(jiān)控、遠程運維、故障預(yù)警、維保提醒、配件管理等。

氣站運營過程，為了確保整個氣站能耗最優(yōu)化，需要實時監(jiān)測用氣量、用電量以不斷調(diào)整優(yōu)化節(jié)能模型；另外，還需要實現(xiàn)遠程抄表、透明計費、客戶管理、合同管理、自助繳費、統(tǒng)計報表等功能。

空壓機合同能源管理解決方案依托本公司工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)自動化與信息化深度整合，滿足氣站改造、管理、運營各個環(huán)節(jié)需求，整個方案需求見表1。

表1 空壓機合同能源管理解決方案需求

3 解決方案

3.1 方案介紹

本方案的核心是一套端到端，即空壓機設(shè)備供氣端/用氣端等數(shù)據(jù)采集終端端到應(yīng)用端（包括手機端/Web端）的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，再通過相關(guān)工業(yè)云的云端存儲、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)實現(xiàn)具體業(yè)務(wù)功能。

采集端：空壓機氣站加裝支持Modbus RTU的通信模塊的電表和流量計；用氣終端加裝壓力計和流量計；通過物聯(lián)網(wǎng)智能硬件采集模塊，將空壓站的用電用氣數(shù)據(jù)，空壓機實時運行數(shù)據(jù)，用氣端的數(shù)據(jù)，通過4G/3G上傳至工業(yè)云平臺，實現(xiàn)流量監(jiān)測、用電監(jiān)測、氣壓監(jiān)測、遠程抄表等應(yīng)用。

云端：利用云計算與大數(shù)據(jù)技術(shù)對實時數(shù)據(jù)過濾、清洗、計算，并提供對外的API接口服務(wù)。

應(yīng)用端：分網(wǎng)頁端和手機app端。提供具體的業(yè)務(wù)功能，包括檔案管理、遠程監(jiān)控、事件管理、售氣計費等。并通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實現(xiàn)一站式報表統(tǒng)計，為企業(yè)決策提供支持。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

如圖3所示，方案包括供氣端和用氣端的數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備的部署。供氣端（氣站）接入設(shè)備包含：1個電表、1個流量計、含多個物聯(lián)網(wǎng)模塊；用氣終端接入設(shè)備包括：多個用氣端壓力計，流量計（可選），1個Lola網(wǎng)關(guān)(可選)，相關(guān)模塊功能描述如下：

物聯(lián)網(wǎng)模塊（簡稱智能硬件）：具有2路標(biāo)準(zhǔn)RS485通信串口，支持2G/3G/4G，以太網(wǎng)和WIFI 傳輸數(shù)據(jù)，具備二次編程的能力，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的適配和轉(zhuǎn)換，接入云平臺。

供氣端的電表、流量計: 采用具備modbus RTU通信的電表和流量計，可采用智能硬件采集，或采用LORA協(xié)議模式，或NB-IOT協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

空壓機：通過智能硬件與控制器通過modbus RTU連接， 1對1組網(wǎng)。

空壓機和空壓機連接(可選)：RS485主從模式組網(wǎng),支持聯(lián)控功能。

用氣終端壓力計或流量計(可選)：采集用氣終端的壓力/流量，可借助智能硬件、或采用LORA協(xié)議模式，或NB-IOT協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在工廠實際應(yīng)用中，LORA協(xié)議在多用氣點數(shù)據(jù)采集的安裝使用、成本上還是具有一定優(yōu)勢的。

LORA網(wǎng)關(guān)（可選）：如采集端采用LORA協(xié)議，則選用通過LORA網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方案部署圖

3.3 功能設(shè)計

本方案主要包含氣站運維管理、共享氣站業(yè)務(wù)運營兩大功能版塊。

在氣站運維管理上，通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對空壓機、管道的實時監(jiān)控，實現(xiàn)了以下功能：

1) 節(jié)能設(shè)計：取得工況數(shù)據(jù)并建立節(jié)能模型，最大限度減少能量浪費；

2) 氣站監(jiān)控：實時監(jiān)控氣站整體運行狀況，并實現(xiàn)保養(yǎng)提醒，故障預(yù)測，異常報警，氣壓、溫度等關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；

3) 檔案管理：氣站、空壓機電子檔案管理，文件、照片等資料的上傳下載；

4) 事件管理：空壓機歷史故障電子歸檔，保養(yǎng)電子簽到、保養(yǎng)記錄，維修記錄等事件管理；

5) 配件管理：對配件進行二維碼管理，識別正規(guī)配件。

圖4 Web端氣站監(jiān)控頁面

在氣站業(yè)務(wù)運營上，主要是實現(xiàn)用戶管理，費用管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能：

1) 用戶管理：包括用戶電子檔案管理，合同管理，通知推送等；

2) 費用管理：包括價格管理，賬單管理，自助繳費，欠費停機等；

3) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計：多維度統(tǒng)計氣站運營數(shù)據(jù)，拖拽式BI管理。

圖5 手機APP端界面

3.4 安全及可靠性

1）智能硬件的安全性解決方案

在通信鏈路層，支持M2M/APN的傳輸模式以保證最大限度的數(shù)據(jù)安全；在通信傳輸層，智能硬件與服務(wù)器之間的通信支持SSL加密，智能硬件通過根證書采用SSL加密通道跟服務(wù)器通信以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和入侵；在通信應(yīng)用層，采用本公司專利加密通信模式，通信鏈路的建立需要使用智能硬件的ID和內(nèi)置的唯一安全秘鑰，ID和秘鑰認證通過后才建立和服務(wù)器之間的長連接，保證了通信鏈路的訪問安全；登錄成功后，服務(wù)器會生成一個會話ID，智能硬件使用會話ID作為本次通信的秘鑰，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用AES算法進行加密后進行傳輸，有效的防止網(wǎng)絡(luò)竊聽和重放攻擊；

2）智能硬件接入服務(wù)安全設(shè)計

設(shè)備首次連接云端時自動注冊。注冊需提供一個預(yù)燒錄到設(shè)備的固件中的智能硬件注冊碼LoginCode和唯一安全秘鑰，每次設(shè)備連接服務(wù)器都需要驗證注冊碼和安全秘鑰，設(shè)備連接平臺的TCP 服務(wù)端口后，如不發(fā)送登陸指令而只是長期占用該端口資源，30秒后，云端自動會斷開該客戶端的連接并釋放該端口資源。設(shè)備在發(fā)往接收服務(wù)的數(shù)據(jù)包中，如出現(xiàn)格式不正確或超出允許的權(quán)限，該TCP 連接會馬上被斷開，避免對平臺或其它在線用戶造成干擾。

3）企業(yè)平臺安全性解決方案

（1）系統(tǒng)具備標(biāo)準(zhǔn)安全協(xié)議 (例如 SSL、 SSH，VPN 連接)，對系統(tǒng)的訪問總是進行身份驗證和，并與授權(quán)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

（2）設(shè)計中系統(tǒng)間通信包含敏感數(shù)據(jù)時通過標(biāo)準(zhǔn)安全協(xié)議確保安全

（3）系統(tǒng)設(shè)計原則是不留下任何未受保護或未使用的開放端口，并且在利用公有云的的防火墻規(guī)則，系統(tǒng)在 VPC 環(huán)境中部署。

（4）系統(tǒng)所有 API 執(zhí)行身份驗證

（5）系統(tǒng)對安全憑據(jù)存儲加密

（6）各系統(tǒng)訪問可追溯，并進行敏感系統(tǒng)與多因素身份驗證。

（7）系統(tǒng)對敏感數(shù)據(jù)單獨加密（包括隱私）

（8）系統(tǒng)對安全密鑰實施輪換政策

（9）網(wǎng)關(guān)采用數(shù)據(jù)加密交互。采用白名單指令設(shè)置。

圖6 安全架構(gòu)圖

4 成功案例

上海斯可洛壓縮機有限公司是一家專業(yè)從事各類空氣壓縮設(shè)備的制造商，借助該方案成功在上海某工業(yè)園區(qū)實施空壓機合同能源管理，實現(xiàn)共享氣站運營。

4.1 經(jīng)濟價值

降低使用成本：該合同能源管理項目共有20臺空壓機設(shè)備，實施該方案以來，應(yīng)用節(jié)能模型可使單臺空壓機每年減少電費5萬元以上，整個項目每年節(jié)省電費超過100萬。

降低運維成本：實施方案后，使用物聯(lián)網(wǎng)遠程自動抄表，核算，遠程啟?？刂?，運維人員由5人減少為1人，財務(wù)人員無需駐點收繳費用。另外，建立設(shè)備使用情況實時監(jiān)控系統(tǒng)，對設(shè)備的狀態(tài)進行有效管理，對故障問題進行遠程診斷，降低出差及反復(fù)維修成本15%以上。

4.2 商業(yè)價值

傳統(tǒng)空壓機制造廠家轉(zhuǎn)型為節(jié)能服務(wù)提供商，由之前的賣設(shè)備轉(zhuǎn)型為共享氣站運營商，這一商業(yè)模式創(chuàng)新對工業(yè)企業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型有重要借鑒意義，幫助企業(yè)探索以租代售等新型業(yè)務(wù)模式。

另一方面，空壓機能耗巨大，能量浪費嚴重，本方案的成功落地對推動空壓機合同能源管理發(fā)展具有一定的的積極作用，實現(xiàn)空壓機廠商與用氣企業(yè)雙贏。

該方案是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在節(jié)能減排、降本增效、資產(chǎn)管理上為企業(yè)作出了的重要貢獻。該案例對其他工業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)具有一定的參考價值。