智慧氣站APP解決方案
一、企業簡介
深圳市智物聯網絡有限公司（簡稱“智物聯”）成立于2014年，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。智物聯作為國家工業互聯網標準委員會成員，參與制定了國家信通院工業互聯網相關協議和多個工業標準，是第一批入選廣東省（工信廳）工業互聯網生態供給資源池企業，是廣東省“上云上平臺”試點示范供應商。
智物聯堅持以物聯網、數據分析、算法和邊緣計算在安全生產、節能減排、增產增效、精細管理四個維度上為客戶提供可“計算”的價值。智物聯致力于推動制造業高質量發展。
智物聯服務于設備生產商、工業現場(工廠、礦山等)及物聯網集成商，客戶案例包括西門子(中國)中石油濟柴、葛洲壩、富邦股份、立升凈水、博瑞特、江南冶金、依絲特、瑞升華等行業龍頭企業。智物聯多個客戶獲國家工信部或省市工信部門認定的“智能制造標桿案例”。
智物聯是國內最早一批進入工業物聯網領域的公司，自2014年起，已經完成100多種設備種類，30多萬臺設備的接入，累計申請發明專利100多項，各項知識產權近300項，并持續快速增加。智物聯在山東、河南、江蘇、福建、湖南等地設有辦事處，客戶已輻射遍布華南、華東、華北等地區，銷售收入連年持續攀升。在空壓機、鍋爐、發電機組等垂直領域占有率領先。
二、工業APP簡介
（一）、問題定位
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。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，通常在設計中，企業設計容量都要比實際需要高出很多，容易形成“大馬拉小車”的現象，造成電能的大量浪費。傳統控制系統的線性調節邏輯，并不能使氣站“絕對”節能，造成電能的大量浪費。同時傳統空壓站還存在數據計量不準確、氣源安全無保障、氣站管理難度大等核心問題。智慧氣站APP解決方案通過如來方略柜的現場部署實現，如來方略柜集成通訊、采集、計算、控制、存儲等核心功能，并部署了全智能壓縮機組動態配載系統(Dynaload)。基于采集到的空壓站內關鍵設備數據，結合實際生產需求，Dynaload系統運用科學的算法計算最優空壓機組動態配載策略，反向控制各臺空壓機運行狀態，在滿足實際需求情況下，進行設備動態組合，實時動態調配，盡可能降低各機組負載或減少開機機組，減少空壓機組的耗電量5%以上，運維成本降低10%以上。
（二）、創新點
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，并有效的過濾掉各類噪波數據、干擾數據，能夠準確無誤的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。
（三）、功能介紹
1.全智能壓縮機組動態配載系統(Dynaload)
通過Aprus適配器采集設備運行相關參數與即時用氣情況，結合數學模型，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。
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。
Dynaload運行界面
參數 | 單位 | 說明 |
氣電比 | 無 | 計算周期內的氣電比 |
總功率 | kW | 氣站總功率 |
瞬時流量 | m3/h | 用氣端瞬時流量 |
壓力 | Mpa | 用氣端末端壓力 |
2.實時監控
將通過Aprus適配器采集到的空壓機組工作數據和動態配載策略、優化統計上報到MixIOT,最終由MixIOT進行數據運算和呈現、統計。
（1）詳細顯示各種當前狀態數據和歷史狀態數據。
（2）統計終端客戶空壓機的每天耗電量、總耗電量、每日壓縮氣體的流量、累計總流量。
（3）顯示并可控制空壓機（如開關機，加卸載，等）。
（4）顯示當前報警和歷史報警。
（5）顯示售后對異常事件、報警的處理記錄。
（6）顯示空壓機詳細運行數據，包括實施數據和歷史數據。
（7）用戶參數、廠家參數、維保參數等參數遠程設定。
實時監控界面
3.空壓機遠程故障診斷
應用系統能根據預設數據模型，自動產生故障告警。監控中心及時得到提醒，并采取有效辦法，將故障信息及時反饋給管理人員和維護人員。減少因人為因素導致的故障排除錯誤及響應不及時的損失。
4.數據記錄分析：提供設備用氣量、電量等能耗報表分析，實時計算每個氣站的氣電比。
5.空壓機生命周期管理
壓縮空氣站遠程監測云服務平臺提供的設備生命周期管理工具，能迅速應對不同客戶的不同需求，根據實際情況配置對應的“設備”，如“油濾器、油分器、潤滑油”等核心配件使用時間自動倒計時，到達設定閾值后自動推動預警信息。
（四）、功能和技術指標優勢
指標1：實現空壓機組的動態調配載，降低氣站5%~15%的電能成本 ，相關描述：實現空壓機組的動態調配，在保證提供足夠的供氣量的情況下，對空壓機組下的各臺設備進行動態組合，減少空壓機組的耗電量5%以上，延長空壓機的設備壽命。
指標2： 提高設備點檢、報表生成效率60-85% ，相關描述：可實時顯示并統計空壓機的每天耗電量、累計總耗電量、每天使用壓縮氣體的流量、累計氣體流量。達到節能項目有依據可尋。
指標3： 運維成本降低10%以上，相關描述： 實現對在管理的空壓機的整體監控，報警信息、預警信息及時推送，及時發現警情和維保信息，提高服務質量，運維成本降低10%以上。
三、技術方案說明
（一）、工業APP架構
1.方案架構
智慧氣站方案架構
全智能壓縮機組動態配載系統主要由部署在如來方略柜服務器的Dynaload軟件與MixIOT平臺組成。其中Dynaload軟件根據Aprus適配器采集設備運行相關參數與即時用氣情況，并用動態配載算法模型計算出相應的配載運行策略，基于該策略控制空壓機的運行狀態，實時調節產氣量，最終在滿足生產的前提下，實現節能減排。Dynaload軟件實時展示空壓機的運行參數，通過動態配載優化后的空壓機節能效果，并且將這些數據上報MixIOT平臺，進行設備運行參數、設備節能效果的展示，與設備集中管理和策略優化。
2.系統架構
圖系統架構
智慧氣站APP依托MixIOT智慧工業核心引擎，MixIOT平臺處于工業物聯網分層架構體系中的數據采集、數據處理和應用使能三個層面。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Dynaload系統又是邊緣優化產品中的一員。
3.智慧氣站中Dynaload系統示意圖
智慧氣站通過如來方略柜的Dynaload系統建立了科學合理的數學模型，對采集到的氣站設備數據進行分析、計算、顯示、存儲、告警等處理，并可根據客戶的選擇，將處理后的設備數據上報至云平臺進行遠程管理。
智慧氣站中Dynaload系統示意圖
4.如來方略柜連接氣站設備的示意圖
如來方略柜連接氣站設備的示意圖
如來方略柜Rolacab R1200(或R2000）集成采集、通訊、控制、存儲等設備，如Aprus適配器、路由器、網絡交換機和服務器等，并部署了全智能壓縮機組動態配載系統（Dynaload）和工業物聯網平臺（MixIOT）。首先將如來方略柜安裝在氣站現場，用RS485信號線將空壓機的控制器與電能表、管道的流量計、溫度與壓力變送器或積算儀等模塊連接到Aprus適配器上，Aprus適配器再使用網線連接到網絡交換機，把采集到空壓機組的運行參數、空壓機出口數據和用氣末端數據上報給服務器，服務器部署了Dynaload系統和MixIOT平臺，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。如果空壓機配有氣罐，Dynaload系統可以根據實際需要采集氣罐的溫度與壓力變送器，并將氣罐數據納入計算中，能夠更加精細地進行空壓機控制。Aprus適配器采集的數據以及Dynaload系統計算結果上傳到MixIOT平臺，MixIOT平臺對氣站設備狀態進行呈現、監控、統計、存儲、預警，通過大數據分析，對空壓機組優化策略進行更合理的調整和優化，并且提供標準的數據開放接口，用于開發各種應用。根據客戶的選擇，還可以通過路由器將MixIOT平臺處理后的數據上報到云平臺，使用電腦、手機app對智慧氣站進行遠程管理。
5.優化原理
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。用氣模塊主要考慮的是空壓機的用氣量，只有恰當的衡量了用氣量，才能最大的保障生產需求，保證產能。產氣模塊主要衡量空壓機的產氣量，要調節合適的條件下產生足夠量的氣，來滿足需求。安全模塊首先保證設備的穩定運行，同時保證各個空壓機的運行時間的平均，平衡各個空壓機的運行狀態，降低空壓機維修頻率。根據各個模塊進行討論。即可得到一個空壓機的配載算法。
Dynaload算法模塊關系
（1）空壓機的用氣模塊
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。
（2）空壓機的產氣模塊
對于產氣部分來說，有兩種不同類型空壓機，一種是定頻空壓機，另一種是變頻空壓機。他們的參數不相同，故配載方式不同，產氣模塊是計算衡量出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。
（3）空壓機的安全模塊
安全模塊主要考慮的是空壓機組的穩定運行，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、功率等等。由此估量一個設備的穩定值，并映射到 0~100，在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。 在配載算法產生多個建議的時候，優先選擇與當前時刻空壓機狀態相近，保證穩定的配載方案。
（二）、工業APP關鍵技術
1.海量多源異構數據聯網感知。項目從數據接入傳感器設備，智能數據終端方面開發大數據接入軟硬件，制定設備數據接入規范，有效快速解決各設備連接不兼容，實現各種設備輕松接入。
2.工業大數據分析。項目研究一套融合數據合理性分析、脈搏分析、關聯干擾分析、關聯作用矩陣分析以及多種數據模型的數據計算方法，能夠支持對采集數據進行數學分析并給出分析結論。
3.控制與調度。支持根據數據分析結果和調度算法，生成控制策略并下發。
四、應用情況描述
（一）、應用場景描述
本方案面向空壓機氣站、工廠等場景下多臺空壓機聯控，適用于對變頻、定頻、有儲氣罐、無儲氣罐等各類型的空氣壓縮設備。智慧氣站的如來方略柜軟件系統建立了科學合理的數學模型，對采集到的氣站設備數據進行分析、計算、顯示、存儲、告警等處理，并可根據客戶的選擇，將處理后的設備數據上報至云平臺進行遠程管理。
智慧氣站在保證提供足夠的供氣量的情況下，結合實際生產需求，對空壓機組下的各臺設備進行動態組合，智能調控空壓機組的配載，減少空壓機組的耗電量，延長空壓機的設備壽命，為企業實現安全生產、節能減排、增產增效、精細管理的目標。
（二）商業化情況
浙江氣老板節能技術有限公司（以下簡稱“氣老板”）是一家新型的壓縮空氣節能服務企業。專注于壓縮空氣系統，憑借多年的行業經驗及資源，立足于規模工業用氣企業，從簡單的買賣到節能分享，從賺貿易差價到幫助客戶省錢，從滿足表層需求轉變為服務交付。
氣老板是智物聯在空壓機領域重要的合作伙伴，也是國內最專業的壓縮空氣節能服務聯盟，其管理運營項目覆蓋全國，為用氣企業提供產權不轉移的壓縮氣體節能服務，通過建設科學的空壓站，改造現場管網和用氣點優化等一些列措施，給客戶帶去省電、省氣、省心的節能服務體驗。
為保障氣源穩定，氣老板通常為客戶配置備用機組，其氣站設計容量都要比實際需要高，傳統控制系統的線性調節邏輯，并不能使氣站“絕對”節能，造成電能的大量浪費。同時傳統空壓站還存在數據計量不準確、氣源安全無保障、氣站管理難度大等核心問題。比起傳統的單臺空壓機的節能，氣老板更加關注整座空壓站節能的問題。打造集節能、高效、智慧為一體的智慧氣站已勢在必行。
智慧氣站解決方案通過如來方略柜的現場部署實現，如來方略柜集成通訊、采集、計算、控制、存儲等核心功能，并部署了全智能壓縮機組動態配載系統（Dynaload）和工業物聯網平臺（MixIOT）。將如來方略柜部署安裝在空壓站現場，用RS485信號線將空壓機的控制器與電能表、管道的流量計、溫度與壓力變送器或積算儀等模塊連接到Aprus適配器上，Aprus適配器再使用網線連接到網絡交換機，把采集到空壓機組的運行參數、空壓機出口數據和用氣末端數據上報給服務器，服務器的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。MixIOT平臺對氣站設備狀態進行呈現、監控、統計、存儲、預警，通過大數據分析，對空壓機組優化策略進行更合理的調整和優化，并且提供標準的數據開放接口，用于開發各種應用。
方案特點：
1.設備狀態一手掌握，運營數據準確無誤
傳統的空壓站運營數據主要以人工抄表、人工計算+定期上傳的形式去統計。由于場景較復雜，運營成本高，且數據錯誤率較高，運行報表反饋不及時。對氣老板來說，空壓站的計量數據(氣電比、耗電量)是其收益的重要依據，計量的準確性、穩定性和實時性對它至關重要。
基于MixIOT智慧工業核心引擎的智慧氣站解決方案，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，并有效的過濾掉各類噪波數據、干擾數據，能夠準確無誤的計算出空壓站及各臺機組氣電比、耗電量等運營關鍵數據，在降低人工成本、減少運營人員的基礎上大大提升數據的準確性和報表實時性。
2.智能調節降成本，科學運營增收益
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。
智慧氣站集成部署了全智能壓縮機組動態配載系統(Dynaload)。基于采集到的空壓站內關鍵設備數據，結合實際生產需求，Dynaload系統運用科學的算法計算最優空壓機組動態配載策略，反向控制各臺空壓機運行狀態，在滿足實際需求情況下，進行設備動態組合，實時動態調配，盡可能降低各機組負載或減少開機機組，從而大幅降低壓縮空氣浪費和電能損失。同時，調控不需要人為參與，解決了人為調節效率低下的問題。此外，如果空壓機配有氣罐，Dynaload系統還可以根據實際需要采集氣罐數據，并將氣罐數據納入計算中，能夠更加精細地進行空壓機控制。
3.氣源穩定有保障，設備安全零擔憂
面向多臺機組的空壓站，傳統空壓站僅通過空壓機控制器調節，會導致空壓機長期在低頻，或者長期在高頻工作，這些情況不僅會產生浪費，還會導致因長期高頻運行、高負載造成的設備勞損或長期低頻運作造成的氣源不穩定、頻繁啟停等現象。長期不健康的運行狀態會大幅縮短機組或零配件的生命周期，增加氣老板管理成本。
智慧氣站適用于各類復雜場景，適用于對變頻、定頻、有儲氣罐、無儲氣罐等各類別空壓站。在Dynaload系統進行智能調控的同時，智慧氣站根據歷史大數據分析空壓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。
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，智物聯智慧氣站解決方案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5%~15%的電能成本。目前該方案正聯合氣老板在全國各地逐步推廣并實施落地，為氣老板模式帶去新的收益點，為用氣企業帶去更加高效、穩定的用氣體驗。
應用效果：
在氣老板客戶浙江某電池廠的項目實施中，其空壓站內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6.5～7.5bar。方案實施后母管壓力波動在6.5～7.0bar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。同時原有兩名專職管理人員也調整為一人，在降低人工成本的前提下，還提升氣站管理效率，報表準確性和及時性。
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