實(shí)驗平臺名稱(chēng)

基于TSN和OPC-UA技術(shù)的冷凍冷藏物聯(lián)網(wǎng)測試床

發(fā)起單位

大連冰山嘉德自動(dòng)化有限公司

合作公司

華為技術(shù)有限公司

Honeywell

1 實(shí)驗平臺目標和概述

工業(yè)、商業(yè)及物流制冷基于同樣的制冷原理，關(guān)系到生產(chǎn)生活的很多方面，消耗的電能占比逐年提高，已成為社會(huì )主要電能消耗領(lǐng)域。

冷凍冷藏節能的自動(dòng)控制涉及到節能控制程序的編制和自控元器件的選用。作為自控元器件的生產(chǎn)廠(chǎng)商、專(zhuān)業(yè)設計院或有能力的使用單位等均可承擔節能自動(dòng)控制的研究和開(kāi)發(fā)。

但是從控制系統的實(shí)用性及其效率角度考慮，在使用單位的實(shí)施過(guò)程中不斷地完善，對換熱設備進(jìn)行有效管理，也能起到降低能耗的有效作用。因為當蒸發(fā)溫度為-10℃時(shí)，冷凝溫度每下降1℃，壓縮機單位制冷量耗電減少2.5%～3.2%；當冷凝溫度為30℃時(shí)，蒸發(fā)溫度每提高1℃，壓縮機單位耗電量則減少3.1%～3.9%。由此可見(jiàn)，管理好換熱設備，對降低能耗具有重要意義。同時(shí)對設備進(jìn)行故障預測，減少設備故障率和停機時(shí)間，對食品、醫療冷鏈的藏品質(zhì)量提供保證，也關(guān)系到公共衛生安全。

隨著(zhù)食品冷凍冷藏行業(yè)的快速發(fā)展，技術(shù)創(chuàng )新、安全生產(chǎn)、節能環(huán)保等問(wèn)題越來(lái)越得到業(yè)界的關(guān)注。特別是吉林、上海等地發(fā)生的食品冷藏企業(yè)涉氨問(wèn)題敲響了行業(yè)安全的警鐘。在冷凍冷藏及冷鏈物流領(lǐng)域，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)不能解決所有問(wèn)題，需要將各種相關(guān)設備運行狀況的數據進(jìn)行整合，進(jìn)行優(yōu)化決策；每個(gè)項目具有廣泛的共性，但也具有不同環(huán)境、場(chǎng)地的非標性。通過(guò)不同現場(chǎng)運行狀況的分析對比，為每個(gè)項目提供參考的優(yōu)化運行策略，可以提高運行效率。

制冷控制現場(chǎng)按照項目設計，具有非標特性，每個(gè)項目使用多種控制器，數據量在100～200個(gè)，被控設備在1000個(gè)左右，使用工業(yè)RS485總線(xiàn)采集，監控延遲過(guò)大。

通過(guò)統計設備運行時(shí)長(cháng)，監測壓力、溫度等運行指標參數，給出維保建議，使設備廠(chǎng)商及用戶(hù)有目標的準備備品備貨，減少不必要的庫存，釋放現金流。由于基于數據進(jìn)行精準的維修，不僅可以減少故障發(fā)生的風(fēng)險，還可以延長(cháng)設備的使用壽命，提高運維人員的工作效率，將會(huì )降低設備的運維成本。

冰山集團作為國內最大的大型冷凍冷藏及冷鏈物流的設備制造商和項目承接商，已有數萬(wàn)臺壓縮機設備及數百萬(wàn)臺風(fēng)機等終端設備在運行，承接全球大型冷庫項目近千個(gè)。采用的現場(chǎng)控制設備有自行研制的嵌入式控制器和通用型PLC設備，具有寬泛的數據樣本類(lèi)型，建立測試床，能夠為冷凍冷藏和冷鏈物流的網(wǎng)絡(luò )化、智能化提供最好的基礎。

2 應用場(chǎng)景介紹

冷凍冷藏及冷鏈物流的各單體設備均應具有采集、計算、決策的控制能力，但現在多數為單片機及PLC設備，僅對即時(shí)輸入或控制命令產(chǎn)生響應，不具有長(cháng)期數據存儲及分析學(xué)習能力。由于每個(gè)用戶(hù)的系統非標特性，無(wú)法在云端統一生成系統模型，只對單體設備可以訓練部分通用控制模型，邊緣側計算的優(yōu)勢更明顯。通過(guò)將各單體設備的數據進(jìn)行分組集成，使相關(guān)聯(lián)設備進(jìn)行數據通訊實(shí)現互聯(lián)互通互操作的能力；增加單體設備的判斷條件，由現場(chǎng)側網(wǎng)關(guān)、前置服務(wù)器等具有邊緣計算能力的智能設備對數據進(jìn)行分析處理，對各單體設備的操作進(jìn)行優(yōu)化管控，實(shí)現降耗節能；通過(guò)故障預判、失效模式分析，合理安排維修保養，減少故障發(fā)生，延長(cháng)設備的使用壽命，降低運維成本，實(shí)現不間斷制冷。

2.1 預期成果

實(shí)驗平臺同壓縮機、蒸發(fā)冷水泵、庫房風(fēng)機和除霜等設備的控制器進(jìn)行數據通訊，采集現場(chǎng)運行和環(huán)境數據，對安全狀況、進(jìn)出貨狀況進(jìn)行監測，通過(guò)優(yōu)化設備運行時(shí)段，管理設備負載狀態(tài)，實(shí)現安全高效制冷，對可能發(fā)生的停機故障進(jìn)行預判，減少故障發(fā)生，延長(cháng)設備的使用壽命，降低運維成本，并給出維修建議，實(shí)現持續溫度控制。

2.2 技術(shù)的示范效應

冷凍冷藏及冷鏈物流的制冷實(shí)驗平臺，由于基礎控制器和通訊技術(shù)的廣泛適用性，以及共同的制冷原理，除對冰山集團相關(guān)項目進(jìn)行管理和分析，對其他同行業(yè)產(chǎn)品的運行狀況可以進(jìn)行數據分析，得到具有很高參考價(jià)值的運維數據。

2.3 商業(yè)價(jià)值

（1）制冷設備的主要非必須能耗在于管理不當造成的冷量浪費，設備低負荷長(cháng)期運行和未及時(shí)除霜，頻繁開(kāi)關(guān)庫門(mén)等。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集監測數據，對于系統運行問(wèn)題，可以提供優(yōu)化控制策略實(shí)現能耗降低；對于人為行為問(wèn)題，進(jìn)行統計，提供給用戶(hù)管理優(yōu)化的建議，使用戶(hù)增強管理，減少能源的不必要浪費。

（2）通過(guò)統計設備故障報警信息，及報警時(shí)相關(guān)數據的記錄，進(jìn)行機器學(xué)習，對故障進(jìn)行預判，減少突發(fā)停機情況，保持藏品溫度和質(zhì)量。

（3）通過(guò)統計設備運行時(shí)長(cháng)，監測壓力、溫度等運行指標參數，給出維保建議，使設備廠(chǎng)商及用戶(hù)有目標的準備備品備貨，減少不必要的庫存，釋放現金流。由于基于數據進(jìn)行精準的維修，不僅可以減少故障發(fā)生的風(fēng)險，還可以延長(cháng)設備的使用壽命，提高運維人員的工作效率，將會(huì )降低設備的運維成本。

（4）通過(guò)設備間的相互數據交互，使控制器間實(shí)現數據共享，可以減少傳感器的使用數量，增加設備控制判斷的參考數據量，優(yōu)化控制策略。

（5）可將控制設備的軟件進(jìn)行遠程管理，遠程故障診斷及調試，可以減少現場(chǎng)維護次數，降低維修維護成本，并減少客戶(hù)等待時(shí)間。

（6）對設備制造商的設計、開(kāi)發(fā)提供更多的可參考數據。

2.4 社會(huì )價(jià)值

（1）冷凍冷藏和冷鏈物流的節能，直接影響社會(huì )電力分配，用電量降低對減少碳排放，緩解全球變暖，提高空氣質(zhì)量具有幫助。

（2）由于大型冷庫、冷凍站使用的制冷劑通常具有高壓、有毒的特點(diǎn)，保證其安全運行，對可能出現的隱患進(jìn)行預防，對維護公共安全具有重要意義。

（3）通過(guò)平臺數據共享能力，對食品、藥品在冷鏈物流的全過(guò)程溫度狀況進(jìn)行監控，可以追溯食品和衛生安全的問(wèn)題。

（4）多種設備數據采集、接入物聯(lián)網(wǎng)，可提高中國工業(yè)4.0的智能化、定制化進(jìn)程。

（5）采用TSN和OPC-UA作為現場(chǎng)側主要通訊協(xié)議，降低私有協(xié)議技術(shù)壁壘和商務(wù)壁壘風(fēng)險，維護自主知識產(chǎn)權。

3 實(shí)驗平臺技術(shù)可行性

3.1 硬件與網(wǎng)絡(luò )改造

現場(chǎng)原有RS485總線(xiàn)，每鏈路掛載30個(gè)控制器，通訊波特率低，輪訓周期過(guò)長(cháng)，響應的即時(shí)性難以保證，數據延遲過(guò)大，無(wú)法實(shí)現集中精確控制，通過(guò)本方案升級為IP控制器；通過(guò)邊緣計算網(wǎng)關(guān)、華為T(mén)SN交換機，將原有的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)提高到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，提升并發(fā)通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協(xié)議搭配的可監聽(tīng)和可干擾的缺陷；通過(guò)邊緣計算網(wǎng)關(guān)與邊緣側服務(wù)器進(jìn)行基于局域網(wǎng)的通訊，使用具有認證的OPC-UA協(xié)議，提高數據采集密度和數據信息量；實(shí)現設備間的雙向高速數據交互，提高控制設備感知能力。提升并發(fā)通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協(xié)議搭配的可監聽(tīng)和可干擾的缺陷。

通過(guò)現場(chǎng)前置服務(wù)器，在邊緣側實(shí)現數據的實(shí)時(shí)分析處理，分布式數據存儲，就近邏輯控制，邊緣側安全處理，實(shí)現邊緣計算的功能。

提升并發(fā)通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協(xié)議搭配的可監聽(tīng)和可干擾的缺陷。
通過(guò)邊緣計算網(wǎng)關(guān)與邊緣側服務(wù)器進(jìn)行基于局域網(wǎng)的通訊，使用具有認證的OPC-UA協(xié)議，提高數據采集密度和數據信息量。

云端進(jìn)行更高級的數據分析和學(xué)習，總結優(yōu)化策略，下發(fā)到前置服務(wù)器，實(shí)現“云-邊”計算的均衡處理，發(fā)揮兩者的各自?xún)?yōu)勢，實(shí)現最優(yōu)的資源利用，優(yōu)化控制策略，提高制冷效率。

通過(guò)高可靠性的現場(chǎng)邊緣計算能力和云計算能力，實(shí)現及時(shí)的故障提示和預測性警示，提高設備運行的可靠性，較少故障的發(fā)生，降低運維成本。

3.2 軟件功能

制冷設備的主要非必須能耗在于管理不當造成的冷量浪費，設備低負荷長(cháng)期運行和未及時(shí)除霜，頻繁開(kāi)關(guān)庫門(mén)等。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集監測數據，對于系統運行問(wèn)題，可以提供優(yōu)化控制策略，如浮動(dòng)吸氣壓力、過(guò)熱度調節、用戶(hù)使用規律學(xué)習調整輸出等方式，實(shí)現能耗降低；對于人為行為問(wèn)題，進(jìn)行統計，提供給用戶(hù)管理優(yōu)化的建議，使用戶(hù)增強管理，減少能源的不必要浪費。同時(shí)充分利用客戶(hù)的儲冷設備，利用峰平谷電價(jià)差合理安排壓縮機工作時(shí)間。

通過(guò)統計設備故障報警信息，及報警時(shí)相關(guān)數據的記錄，進(jìn)行機器學(xué)習，對故障進(jìn)行預判，減少突發(fā)停機情況，保持藏品溫度和質(zhì)量。

通過(guò)統計設備運行時(shí)長(cháng)，監測壓力、溫度等運行指標參數，給出維保建議，使設備廠(chǎng)商及用戶(hù)有目標的準備備品備貨，減少不必要的庫存，釋放現金流。由于基于數據進(jìn)行精準的維修，不僅可以減少故障發(fā)生的風(fēng)險，還可以延長(cháng)設備的使用壽命，提高運維人員的工作效率，將會(huì )降低設備的運維成本。

通過(guò)設備間的相互數據交互，使控制器間實(shí)現數據共享，可以減少傳感器的使用數量，增加設備控制判斷的參考數據量，優(yōu)化控制策略。

3.3 物理平臺

冰山嘉德獲得Honeywell授權，研發(fā)生產(chǎn)可運行Niagara Framework的網(wǎng)管型控制器產(chǎn)品，具有等同JACE產(chǎn)品的所有特性，并增加I/O控制點(diǎn)和通訊能力。

冰山嘉德具有Niagara Framework的二次開(kāi)發(fā)認證，基于此平臺開(kāi)發(fā)軟件和模塊，作為PAAS平臺的應用，并利用其搭建SAAS服務(wù)。

此控制器內已嵌入基于阿里云IoT SDK開(kāi)發(fā)的通訊協(xié)議驅動(dòng)，可與云平臺進(jìn)行基于TSL證書(shū)驗證和Base64加密的MQTT協(xié)議通訊。

 冰山嘉德基本型物聯(lián)網(wǎng)控制器規格如下：

.    Niagara 4.3

.    Linux Kernel 3.2

.    512M DDR3 RAM

.    1G NAND Flash

.    2路獨立千兆以太網(wǎng)口

.    2路獨立帶隔離RS485接口

.    USB Host* & TF卡

.    4路DI干接點(diǎn)輸入

.    4路DO晶體管輸出

.    可選GSM/GPRS、3G/4G、Wi-Fi/藍牙模塊

3.4 軟件平臺

基于Niagara Framework，由冰山嘉德和Honeywell進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的軟件平臺。

3.5 配置和控制接口

網(wǎng)絡(luò )控制和配置：華為T(mén)SN網(wǎng)關(guān)和華為T(mén)SN交換機通過(guò)RS232串口進(jìn)行配置。

平臺軟件通過(guò)Niagara Workbench進(jìn)行配置。

3.6 數據通訊接口

網(wǎng)絡(luò )部分：TSN交換機通信接口形態(tài)以太網(wǎng)口、TSN使能接口、Modbus兼容接口，通信協(xié)議采用IEEE 802 TSN協(xié)議族。

計算平臺間通過(guò)局域網(wǎng)和因特網(wǎng)連接進(jìn)行通訊。

3.7 安全措施

現場(chǎng)通訊在交換機內具有流控措施。

公網(wǎng)通訊通過(guò)安全加密連接。

4 和ECC技術(shù)及測試臺的關(guān)系

匹配ECC邊緣計算總體架構，如下圖：

5 交付件

冷凍冷藏及冷鏈物流云平臺解決方案，含邊緣計算網(wǎng)關(guān)、邊緣數據服務(wù)器、云平臺、應用。

6 實(shí)驗平臺使用者

相關(guān)設備制造單位、相關(guān)設計院、冷庫運維商等可利用平臺進(jìn)行設備和項目等管理和可預測性維護。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年11月刊