基于工業互聯網的空壓機能源管理方案
深圳市匯川技術股份有限公司
網絡行業應用篇/設備監控與維護
1 概述
1.1 背景
空壓機的作用是通過壓縮空氣提供動能，其應用領域和實際用途非常廣泛，是現代工業重要的生產設備。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。目前國內使用的空壓機基本上能效標識為二、三級，運用工業互聯網對空壓機實施能源管理，可有效節能，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能機制，其實質就是以減少的能源費用來支付節能項目全部成本的節能業務方式，國內常見的有售氣模式與租賃模式。目前實施過程中，存在以下幾個關鍵痛點：節能量預測分析繁瑣且周期長、設備維護效率低、費用結算復雜不透明、企業繳費回款不及時、合同糾紛風險大。風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鍵。
1.2 實施目標
依托本公司互聯網平臺，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制的，覆蓋氣站改造、氣站管理、業務運營三大主要環節的一站式解決方案，幫助空壓機廠商實現服務化轉型，運營共享氣站。
在改造階段，通過物聯網及大數據技術實現節能預測分析、建立節能模型；在管理階段，通過物聯網技術實現遠程監控、遠程運維、故障報警等；在業務運營階段，通過物聯網及云技術實現自動抄表、費用結算、自助繳費、報表統計等。
該方案能降低氣站運營風險及運維成本，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，實現服務化轉型、創造更多利潤。
1.3 適用范圍
空壓機行業，節能環保領域：適用于合同能源管理項目，共享氣站建設及運營，氣站節能改造，氣站、空壓機節能及后服務管理。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
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）與協作平臺。
圖1 工業互聯網互聯示意圖
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生的需求主要是采集歷史數據、分析氣站節能效益、提出節能工況模型、為氣站改造提供經濟效益論證。
氣站管理過程，存在的問題是空壓機維保大多不及時，設備發生故障維修效率低，空壓機配件管理混亂。所以主要需求是空壓機的設備管理，包括遠程監控、遠程運維、故障預警、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化，需要實時監測用氣量、用電量以不斷調整優化節能模型；另外，還需要實現遠程抄表、透明計費、客戶管理、合同管理、自助繳費、統計報表等功能。
空壓機合同能源管理解決方案依托本公司工業互聯網平臺，實現自動化與信息化深度整合，滿足氣站改造、管理、運營各個環節需求，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
實施過程 | 使用物聯網前問題 | 物聯網需求 |
氣站改造 | 能耗高，能量浪費，無歷史數據 | 采集歷史數據，節能預測，建立節能模型 |
氣站管理 | 維保不及時，維修效率低 | 遠程監控，遠程運維，故障預警，維保提醒，配件管理 |
氣站運營 | 人工抄表，客戶回款不及時，費用管理不透明，運營報表無電子歸檔 | 遠程抄表，透明計費，自助繳費，統計報表，電子合同，電子檔案 |
3 解決方案
3.1 方案介紹
本方案的核心是一套端到端，即空壓機設備供氣端/用氣端等數據采集終端端到應用端（包括手機端/Web端）的智能物聯網系統，再通過相關工業云的云端存儲、大數據統計分析、數據可視化等技術實現具體業務功能。
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；通過物聯網智能硬件采集模塊，將空壓站的用電用氣數據，空壓機實時運行數據，用氣端的數據，通過4G/3G上傳至工業云平臺，實現流量監測、用電監測、氣壓監測、遠程抄表等應用。
云端：利用云計算與大數據技術對實時數據過濾、清洗、計算，并提供對外的API接口服務。
應用端：分網頁端和手機app端。提供具體的業務功能，包括檔案管理、遠程監控、事件管理、售氣計費等。并通過數據可視化技術實現一站式報表統計，為企業決策提供支持。
圖2 系統架構圖
3.2 網絡拓撲設計
如圖3所示，方案包括供氣端和用氣端的數據采集和傳輸設備的部署。供氣端（氣站）接入設備包含：1個電表、1個流量計、含多個物聯網模塊；用氣終端接入設備包括：多個用氣端壓力計，流量計（可選），1個Lola網關(可選)，相關模塊功能描述如下：
物聯網模塊（簡稱智能硬件）：具有2路標準RS485通信串口，支持2G/3G/4G，以太網和WIFI 傳輸數據，具備二次編程的能力，可實現數據協議的適配和轉換，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協議模式，或NB-IOT協議，實現數據傳輸。
空壓機：通過智能硬件與控制器通過modbus RTU連接， 1對1組網。
空壓機和空壓機連接(可選)：RS485主從模式組網,支持聯控功能。
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協議模式，或NB-IOT協議，實現數據傳輸。在工廠實際應用中，LORA協議在多用氣點數據采集的安裝使用、成本上還是具有一定優勢的。
LORA網關（可選）：如采集端采用LORA協議，則選用通過LORA網關，實現數據的采集和傳輸。
圖3 工業互聯網方案部署圖
3.3 功能設計
本方案主要包含氣站運維管理、共享氣站業務運營兩大功能版塊。
在氣站運維管理上，通過物聯網監控系統對空壓機、管道的實時監控，實現了以下功能：
1) 節能設計：取得工況數據并建立節能模型，最大限度減少能量浪費；
2) 氣站監控：實時監控氣站整體運行狀況，并實現保養提醒，故障預測，異常報警，氣壓、溫度等關鍵指標數據統計分析；
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，保養電子簽到、保養記錄，維修記錄等事件管理；
5) 配件管理：對配件進行二維碼管理，識別正規配件。
圖4 Web端氣站監控頁面
在氣站業務運營上，主要是實現用戶管理，費用管理，數據統計等功能：
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) 數據統計：多維度統計氣站運營數據，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據安全；在通信傳輸層，智能硬件與服務器之間的通信支持SSL加密，智能硬件通過根證書采用SSL加密通道跟服務器通信以防止網絡攻擊和入侵；在通信應用層，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和內置的唯一安全秘鑰，ID和秘鑰認證通過后才建立和服務器之間的長連接，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，對業務數據采用AES算法進行加密后進行傳輸，有效的防止網絡竊聽和重放攻擊；
2）智能硬件接入服務安全設計
設備首次連接云端時自動注冊。注冊需提供一個預燒錄到設備的固件中的智能硬件注冊碼LoginCode和唯一安全秘鑰，每次設備連接服務器都需要驗證注冊碼和安全秘鑰，設備連接平臺的TCP 服務端口后，如不發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。設備在發往接收服務的數據包中，如出現格式不正確或超出允許的權限，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）企業平臺安全性解決方案
（1）系統具備標準安全協議 (例如 SSL、 SSH，VPN 連接)，對系統的訪問總是進行身份驗證和，并與授權系統相關聯。
（2）設計中系統間通信包含敏感數據時通過標準安全協議確保安全
（3）系統設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則，系統在 VPC 環境中部署。
（4）系統所有 API 執行身份驗證
（5）系統對安全憑據存儲加密
（6）各系統訪問可追溯，并進行敏感系統與多因素身份驗證。
（7）系統對敏感數據單獨加密（包括隱私）
（8）系統對安全密鑰實施輪換政策
（9）網關采用數據加密交互。采用白名單指令設置。
圖6 安全架構圖
4 成功案例
上海斯可洛壓縮機有限公司是一家專業從事各類空氣壓縮設備的制造商，借助該方案成功在上海某工業園區實施空壓機合同能源管理，實現共享氣站運營。
4.1 經濟價值
降低使用成本：該合同能源管理項目共有20臺空壓機設備，實施該方案以來，應用節能模型可使單臺空壓機每年減少電費5萬元以上，整個項目每年節省電費超過100萬。
降低運維成本：實施方案后，使用物聯網遠程自動抄表，核算，遠程啟停控制，運維人員由5人減少為1人，財務人員無需駐點收繳費用。另外，建立設備使用情況實時監控系統，對設備的狀態進行有效管理，對故障問題進行遠程診斷，降低出差及反復維修成本15%以上。
4.2 商業價值
傳統空壓機制造廠家轉型為節能服務提供商，由之前的賣設備轉型為共享氣站運營商，這一商業模式創新對工業企業服務化轉型有重要借鑒意義，幫助企業探索以租代售等新型業務模式。
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展具有一定的的積極作用，實現空壓機廠商與用氣企業雙贏。
該方案是工業互聯網的典型應用，工業互聯網在節能減排、降本增效、資產管理上為企業作出了的重要貢獻。該案例對其他工業企業信息化建設具有一定的參考價值。