基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的空壓機(jī)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(hù)
1 概述
1.1 背景
空壓機(jī)的作用是通過壓縮空氣提供動(dòng)能，其應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)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(shí)，空壓機(jī)屬于能耗大戶，其所消耗的電量占整個(gè)工廠耗電量的30%左右，在單臺(tái)空壓機(jī)的生命周期中，電費(fèi)成本占?xì)馐褂贸杀镜?0%左右。目前國內(nèi)使用的空壓機(jī)基本上能效標(biāo)識(shí)為二、三級(jí)，運(yùn)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)空壓機(jī)實(shí)施能源管理，可有效節(jié)能，市場潛力巨大。
空壓機(jī)合同能源管理項(xiàng)目是一種新型的市場化節(jié)能機(jī)制，其實(shí)質(zhì)就是以減少的能源費(fèi)用來支付節(jié)能項(xiàng)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(shí)施過程中，存在以下幾個(gè)關(guān)鍵痛點(diǎn)：節(jié)能量預(yù)測分析繁瑣且周期長、設(shè)備維護(hù)效率低、費(fèi)用結(jié)算復(fù)雜不透明、企業(yè)繳費(fèi)回款不及時(shí)、合同糾紛風(fēng)險(xiǎn)大。風(fēng)險(xiǎn)控制及運(yùn)維效率是成功實(shí)施空壓機(jī)合同能源管理項(xiàng)目的關(guān)鍵。
1.2 實(shí)施目標(biāo)
依托本公司互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，促進(jìn)自動(dòng)化與信息化深度融合，空壓機(jī)合同能源管理解決方案旨在提供一個(gè)可廣泛復(fù)制的，覆蓋氣站改造、氣站管理、業(yè)務(wù)運(yùn)營三大主要環(huán)節(jié)的一站式解決方案，幫助空壓機(jī)廠商實(shí)現(xiàn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型，運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、故障報(bào)警等；在業(yè)務(wù)運(yùn)營階段，通過物聯(lián)網(wǎng)及云技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、費(fèi)用結(jié)算、自助繳費(fèi)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。
該方案能降低氣站運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)及運(yùn)維成本，提高工作效率及客戶滿意度，幫助空壓機(jī)廠商成功實(shí)施合同能源管理項(xiàng)目，實(shí)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(jī)行業(yè)，節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域：適用于合同能源管理項(xiàng)目，共享氣站建設(shè)及運(yùn)營，氣站節(jié)能改造，氣站、空壓機(jī)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(tái)（及管理軟件）與協(xié)作平臺(tái)。
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(jī)能耗高，其所消耗的電量占整個(gè)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(shí)間段供氣需求不同而供氣壓力不變，造成能量浪費(fèi)情況非常嚴(yán)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(jì)效益論證。
氣站管理過程，存在的問題是空壓機(jī)維保大多不及時(shí)，設(shè)備發(fā)生故障維修效率低，空壓機(jī)配件管理混亂。所以主要需求是空壓機(jī)的設(shè)備管理，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、故障預(yù)警、維保提醒、配件管理等。
氣站運(yùn)營過程，為了確保整個(gè)氣站能耗最優(yōu)化，需要實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、透明計(jì)費(fèi)、客戶管理、合同管理、自助繳費(fèi)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。
空壓機(jī)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(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與信息化深度整合，滿足氣站改造、管理、運(yùn)營各個(gè)環(huán)節(jié)需求，整個(gè)方案需求見表1。
表1 空壓機(jī)合同能源管理解決方案需求
實(shí)施過程 | 使用物聯(lián)網(wǎng)前問題 | 物聯(lián)網(wǎng)需求 |
氣站改造 | 能耗高，能量浪費(fèi)，無歷史數(shù)據(jù) | 采集歷史數(shù)據(jù)，節(jié)能預(yù)測，建立節(jié)能模型 |
氣站管理 | 維保不及時(shí)，維修效率低 | 遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程運(yùn)維，故障預(yù)警，維保提醒，配件管理 |
氣站運(yùn)營 | 人工抄表，客戶回款不及時(shí)，費(fèi)用管理不透明，運(yùn)營報(bào)表無電子歸檔 | 遠(yuǎn)程抄表，透明計(jì)費(fèi)，自助繳費(fèi)，統(tǒng)計(jì)報(bào)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(jī)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(jī)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(chǔ)、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)功能。
采集端：空壓機(jī)氣站加裝支持Modbus RTU的通信模塊的電表和流量計(jì)；用氣終端加裝壓力計(jì)和流量計(jì)；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(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)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(tái)，實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)測、用電監(jiān)測、氣壓監(jiān)測、遠(yuǎn)程抄表等應(yīng)用。
云端：利用云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)過濾、清洗、計(jì)算，并提供對(duì)外的API接口服務(wù)。
應(yīng)用端：分網(wǎng)頁端和手機(jī)app端。提供具體的業(yè)務(wù)功能，包括檔案管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、事件管理、售氣計(jì)費(fèi)等。并通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)一站式報(bào)表統(tǒng)計(jì)，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?fù)湓O(shè)計(jì)
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(gè)電表、1個(gè)流量計(jì)、含多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)模塊；用氣終端接入設(shè)備包括：多個(gè)用氣端壓力計(jì)，流量計(jì)（可選），1個(gè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的適配和轉(zhuǎn)換，接入云平臺(tái)。
供氣端的電表、流量計(jì): 采用具備modbus RTU通信的電表和流量計(jì)，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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
空壓機(jī)：通過智能硬件與控制器通過modbus RTU連接， 1對(duì)1組網(wǎng)。
空壓機(jī)和空壓機(jī)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(jì)或流量計(jì)(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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在工廠實(shí)際應(yīng)用中，LORA協(xié)議在多用氣點(diǎn)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(shí)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(jì)
本方案主要包含氣站運(yùn)維管理、共享氣站業(yè)務(wù)運(yùn)營兩大功能版塊。
在氣站運(yùn)維管理上，通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)、管道的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了以下功能：
1) 節(jié)能設(shè)計(jì)：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(fèi)；
2) 氣站監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控氣站整體運(yùn)行狀況，并實(shí)現(xiàn)保養(yǎng)提醒，故障預(yù)測，異常報(bào)警，氣壓、溫度等關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析；
3) 檔案管理：氣站、空壓機(jī)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(jī)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(duì)配件進(jìn)行二維碼管理，識(shí)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(yùn)營上，主要是實(shí)現(xiàn)用戶管理，費(fèi)用管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(fèi)用管理：包括價(jià)格管理，賬單管理，自助繳費(fèi)，欠費(fèi)停機(jī)等；
3) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：多維度統(tǒng)計(jì)氣站運(yùn)營數(shù)據(jù)，拖拽式BI管理。
圖5 手機(jī)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(rèn)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(huì)生成一個(gè)會(huì)話ID，智能硬件使用會(huì)話ID作為本次通信的秘鑰，對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用AES算法進(jìn)行加密后進(jìn)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(jì)
設(shè)備首次連接云端時(shí)自動(dòng)注冊(cè)。注冊(cè)需提供一個(gè)預(yù)燒錄到設(shè)備的固件中的智能硬件注冊(cè)碼LoginCode和唯一安全秘鑰，每次設(shè)備連接服務(wù)器都需要驗(yàn)證注冊(cè)碼和安全秘鑰，設(shè)備連接平臺(tái)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(dòng)會(huì)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(huì)馬上被斷開，避免對(duì)平臺(tái)或其它在線用戶造成干擾。
3）企業(yè)平臺(tái)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(duì)系統(tǒng)的訪問總是進(jìn)行身份驗(yàn)證和，并與授權(quán)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。
（2）設(shè)計(jì)中系統(tǒng)間通信包含敏感數(shù)據(jù)時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)安全協(xié)議確保安全
（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是不留下任何未受保護(hù)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(yàn)證
（5）系統(tǒng)對(duì)安全憑據(jù)存儲(chǔ)加密
（6）各系統(tǒng)訪問可追溯，并進(jìn)行敏感系統(tǒng)與多因素身份驗(yàn)證。
（7）系統(tǒng)對(duì)敏感數(shù)據(jù)單獨(dú)加密（包括隱私）
（8）系統(tǒng)對(duì)安全密鑰實(shí)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(jī)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(shí)施空壓機(jī)合同能源管理，實(shí)現(xiàn)共享氣站運(yùn)營。
4.1 經(jīng)濟(jì)價(jià)值
降低使用成本：該合同能源管理項(xiàng)目共有20臺(tái)空壓機(jī)設(shè)備，實(shí)施該方案以來，應(yīng)用節(jié)能模型可使單臺(tái)空壓機(jī)每年減少電費(fèi)5萬元以上，整個(gè)項(xiàng)目每年節(jié)省電費(fèi)超過100萬。
降低運(yùn)維成本：實(shí)施方案后，使用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，核算，遠(yuǎn)程啟停控制，運(yùn)維人員由5人減少為1人，財(cái)務(wù)人員無需駐點(diǎn)收繳費(fèi)用。另外，建立設(shè)備使用情況實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行有效管理，對(duì)故障問題進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，降低出差及反復(fù)維修成本15%以上。
4.2 商業(yè)價(jià)值
傳統(tǒng)空壓機(jī)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(yùn)營商，這一商業(yè)模式創(chuàng)新對(duì)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(jī)能耗巨大，能量浪費(fèi)嚴(yán)重，本方案的成功落地對(duì)推動(dòng)空壓機(jī)合同能源管理發(fā)展具有一定的的積極作用，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)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(xiàn)。該案例對(duì)其他工業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。