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西門(mén)子（中國(guó)）有限公司張英麗，湯奇，喬冠倫，陸晨，宋元明，張兆輝

1　目標(biāo)和概述

1.1　項(xiàng)目背景

在Voc廢氣處理過(guò)程中，用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)主要會(huì)遇到以下幾個(gè)問(wèn)題：Voc廢氣處理過(guò)程中需要消耗大量天然氣，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行規(guī)則通過(guò)經(jīng)驗(yàn)難以對(duì)閉環(huán)控制過(guò)程實(shí)時(shí)優(yōu)化；現(xiàn)場(chǎng)缺少實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)看板，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，無(wú)法直觀(guān)了解過(guò)程數(shù)據(jù)，只能通過(guò)常規(guī)巡檢方式了解運(yùn)行狀態(tài)；目前很難有效整合繁雜的底層PLC數(shù)據(jù)。

為了更好地獲得廢氣處理爐的運(yùn)行及控制數(shù)據(jù)，以及更好地提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)接口，并基于給定的規(guī)則達(dá)到基于工業(yè)軟件進(jìn)行閉環(huán)控制的目的，本項(xiàng)目采用西門(mén)子工業(yè)邊緣計(jì)算平臺(tái)及控制應(yīng)用，作為連接目標(biāo)試點(diǎn)爐系統(tǒng)和IT系統(tǒng)的橋梁。基于客戶(hù)所提供的業(yè)務(wù)背景和控制邏輯細(xì)節(jié)，西門(mén)子邊緣計(jì)算通過(guò)結(jié)合領(lǐng)域規(guī)則以及現(xiàn)成的實(shí)際運(yùn)行策略，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的工業(yè)邊緣APP，以解決當(dāng)前高能耗的能源痛點(diǎn)。

1.2　挑戰(zhàn)

當(dāng)前控制模式主要依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)和預(yù)設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行控制，運(yùn)營(yíng)效率較低；控制過(guò)程涉及的參數(shù)組合數(shù)量龐大且場(chǎng)景復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的規(guī)則難以保證能快速尋找到最優(yōu)值、達(dá)到節(jié)能效果；在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有較多的因素（環(huán)境、工況等）影響到設(shè)備的運(yùn)行性能和能效，量化分析這些因素之間的相關(guān)性具有一定的挑戰(zhàn)；基于固定規(guī)則下（或事后）的控制反饋，可能會(huì)錯(cuò)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)需求，甚至產(chǎn)生不必要的能耗浪費(fèi)；另外對(duì)于以往的現(xiàn)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，一般工廠(chǎng)缺乏對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施這一部分的精細(xì)化管理，往往都需要高度依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)，而實(shí)際的Voc控制系統(tǒng)復(fù)雜且處于不斷動(dòng)態(tài)變換的過(guò)程，依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)的尋優(yōu)難以實(shí)時(shí)地找到相對(duì)較優(yōu)的推薦參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1.3　解決方案

本方案基于西門(mén)子工業(yè)人工智能算法庫(kù)及應(yīng)用組件，結(jié)合客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)采集的各測(cè)點(diǎn)時(shí)序及信號(hào)數(shù)據(jù)（歷史和實(shí)時(shí)），通過(guò)數(shù)據(jù)敏感性分析技術(shù)，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的聯(lián)合控制模型用于優(yōu)化群控系統(tǒng)整體能耗；基于預(yù)測(cè)及優(yōu)化算法，構(gòu)建群控系統(tǒng)控制參數(shù)、環(huán)境變量及目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)之間的映射關(guān)系，從大量的備選控制策略中找出最優(yōu)策略，達(dá)到節(jié)能降本的目標(biāo)，并借助西門(mén)子工業(yè)邊緣的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定特性更好地進(jìn)行優(yōu)化分析及反饋。

（1）解決方案目標(biāo)

本方案以客戶(hù)所提供的位于某地的Voc廢氣處理爐為實(shí)施目標(biāo)，進(jìn)行基于西門(mén)子工業(yè)邊緣的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和部署（數(shù)據(jù)采集設(shè)備為西門(mén)子PLC，型號(hào)：S7-300）。

本方案基于客戶(hù)給定的控制邏輯單元、輸入輸出單元，及邏輯規(guī)則，在西門(mén)子工業(yè)邊緣上部署定制化開(kāi)發(fā)的能耗預(yù)測(cè)及節(jié)能優(yōu)化APP，以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的對(duì)接及爐體自動(dòng)化閉環(huán)控制的需求。

圖1 解決方案框架

（2）解決方案實(shí)施概要

本方案主要分為兩個(gè)大的階段：咨詢(xún)及診斷、開(kāi)發(fā)實(shí)施。

在咨詢(xún)階段，首先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)的設(shè)備和控制系統(tǒng)和分布情況分析，對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)和節(jié)能手段進(jìn)行調(diào)研，明確可實(shí)施的節(jié)能方案以及現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)；其次對(duì)高能耗的目標(biāo)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，定位主要能耗點(diǎn)并對(duì)其中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行顆粒度細(xì)分，進(jìn)一步確定潛在節(jié)能方向；最后結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行系統(tǒng)化的討論和評(píng)估后，鎖定具體的節(jié)能方向和目標(biāo)。

在解決方案的開(kāi)發(fā)和實(shí)施階段，對(duì)于已鎖定的節(jié)能方向，匹配西門(mén)子現(xiàn)有節(jié)能系統(tǒng)中所具備的功能和算法組件，并針對(duì)已有功能組件的可復(fù)用性進(jìn)行研究，在對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)理解、收集和預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)能算法、應(yīng)用進(jìn)行適配、最小原型的測(cè)試及優(yōu)化，根據(jù)算法分析的初步結(jié)果結(jié)合客戶(hù)驗(yàn)證的反饋結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的迭代，優(yōu)化至目標(biāo)要求后，在按照交付要求的用戶(hù)UI、接口上進(jìn)行應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和集成，最終完成在現(xiàn)場(chǎng)的部署運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際的工況對(duì)模型定期進(jìn)行迭代，并基于操作習(xí)慣，進(jìn)行節(jié)能指導(dǎo)。

（3）收益

本方案提升了控制系統(tǒng)的精細(xì)化管理，優(yōu)化了控制系統(tǒng)的反饋?lái)憫?yīng)，提升了控制系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的整體效率和設(shè)備的運(yùn)行利用率，并確保了設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定，在保障生產(chǎn)需求側(cè)用量的同時(shí)，優(yōu)化了整體能耗，在上海某地的項(xiàng)目中天然氣消耗量降低了15%左右。

（4）解決方案框架

解決方案框架如圖2所示。

圖2 解決方案框架

1.4　西門(mén)子工業(yè)邊緣平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

（1）開(kāi)放式技術(shù)架構(gòu)：在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)別運(yùn)行基于IT容器技術(shù)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大復(fù)雜的功能；

（2）一體化管理平臺(tái)：使用邊緣管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨地域邊緣設(shè)備及應(yīng)用的靈活管理；

（3）豐富的數(shù)據(jù)通訊：打破自動(dòng)化和IT系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)屏障，使數(shù)據(jù)通訊更簡(jiǎn)單、更迅速；

（4）低維護(hù)易更新：應(yīng)用及固件版本根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景維護(hù)，批量管理，縮短時(shí)間；

（5）海量硬件設(shè)備支持：未來(lái)邊緣系統(tǒng)將集成到HMI、IPC和PLC中，最大化滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求；

（6）打造完整生態(tài)體系：突破IT和OT界限，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的互聯(lián)互通，吸引不同角色用戶(hù)構(gòu)建生態(tài)。

目前，西門(mén)子邊緣生態(tài)環(huán)境下的APP以功能類(lèi)型為分類(lèi)依據(jù)，主要分為三類(lèi)APP，各類(lèi)APP的功能如下所述：

（1）通訊連接型APP：基于不同類(lèi)型的工業(yè)通訊協(xié)議，連接現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部信號(hào)變量的采集和訂閱；

（2）數(shù)據(jù)處理型APP：對(duì)采集到的信號(hào)變量進(jìn)行集中管理和模型構(gòu)建，以便上層的邊緣應(yīng)用型APP進(jìn)行調(diào)用；

（3）邊緣應(yīng)用型APP：基于前期構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)描述性、診斷性、預(yù)測(cè)性和決策性的分析應(yīng)用。

邊緣應(yīng)用型APP基于前述兩類(lèi)APP采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)邊緣處理分析和可視化展示，安全、高效、靈活地為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供了一系列描述性、診斷性、預(yù)測(cè)性和決策性的功能應(yīng)用，以滿(mǎn)足狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工藝監(jiān)測(cè)與控制、預(yù)測(cè)性維護(hù)和質(zhì)量檢測(cè)與管控等不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。

不僅如此，邊緣應(yīng)用型APP之間的依存關(guān)系具備以下特點(diǎn)：

（1）低耦合：每個(gè)邊緣應(yīng)用型APP都具備從數(shù)據(jù)處理層提取數(shù)據(jù)模型和信號(hào)變量的能力，這就意味著，每個(gè)邊緣應(yīng)用型APP的部署和使用不會(huì)受其他應(yīng)用程序的任何影響；

（2）可聯(lián)動(dòng)：部分邊緣應(yīng)用型APP之間的功能存在聯(lián)動(dòng)性，通過(guò)配置調(diào)用多個(gè)APP的聯(lián)動(dòng)功能，可以為用戶(hù)提供更多維度的數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果和更多樣化的終端交互體驗(yàn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，西門(mén)子將以復(fù)合功能模塊為最小單位搭建的工業(yè)信息化系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為以獨(dú)立應(yīng)用程序?yàn)樽钚挝徊渴鸬墓I(yè)邊緣平臺(tái)，輕松滿(mǎn)足了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)日趨靈活多變的功能需求。

1.5　西門(mén)子工業(yè)邊緣產(chǎn)品架構(gòu)

在邁向工業(yè)4.0的今天，5G、人工智能、邊緣計(jì)算等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，引領(lǐng)著新一輪的工業(yè)變革，驅(qū)動(dòng)著中國(guó)工業(yè)向產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化的方向不斷前進(jìn)。各行各業(yè)通過(guò)新技術(shù)的賦能，最后走向從萬(wàn)物互聯(lián)到萬(wàn)物智能的新經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)。

西門(mén)子通過(guò)工業(yè)邊緣、人工智能等新興技術(shù)，幫助客戶(hù)不斷挖掘數(shù)字化潛力。借助西門(mén)子全套的數(shù)字化解決方案，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)價(jià)值鏈的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

西門(mén)子工業(yè)邊緣，融合了信息技術(shù)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和智能應(yīng)用的核心能力，并將最新的人工智能等技術(shù)融入邊緣計(jì)算，為企業(yè)提供了安全、實(shí)時(shí)、靈活的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)本地?cái)?shù)據(jù)處理解決方案。為了使工業(yè)邊緣場(chǎng)景更加易于落地，西門(mén)子提供了多種邊緣設(shè)備、統(tǒng)一的管理平臺(tái)、豐富的邊緣應(yīng)用及開(kāi)放的線(xiàn)上應(yīng)用商店。同時(shí)，西門(mén)子還致力于建立領(lǐng)先的工業(yè)邊緣生態(tài)，為企業(yè)和合作伙伴創(chuàng)造了更多價(jià)值。

圖3

西門(mén)子工業(yè)邊緣分為三個(gè)層級(jí)，它們分別執(zhí)行不同的功能。

首先，是最頂層的工業(yè)邊緣中心，用于監(jiān)視多個(gè)工業(yè)邊緣管理平臺(tái)，并且可以存儲(chǔ)、瀏覽和下載工業(yè)邊緣APP。在這里，大家可以找到由西門(mén)子和合作伙伴開(kāi)發(fā)的針對(duì)多種行業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景的APP。

第二層，平臺(tái)層，是工業(yè)邊緣管理平臺(tái)，用于集中管理所有已連接邊緣設(shè)備的軟件平臺(tái)。它處于工廠(chǎng)車(chē)間層級(jí)，可以同時(shí)監(jiān)控上百臺(tái)已連接設(shè)備的狀態(tài)，并且可在目標(biāo)邊緣設(shè)備上安裝邊緣應(yīng)用和升級(jí)軟件，將功能從云端轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)系統(tǒng)。

第三層，設(shè)備層，是部署了工業(yè)邊緣運(yùn)行系統(tǒng)的邊緣設(shè)備，在數(shù)據(jù)生成現(xiàn)場(chǎng)就可以進(jìn)行采集和處理，并且支持和自動(dòng)化設(shè)備的集成和執(zhí)行容器化的邊緣應(yīng)用。這里的一臺(tái)邊緣設(shè)備可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用APP。目前西門(mén)子已發(fā)布了包括SIMATIC 227E和427E等多種邊緣設(shè)備，并且有不同算力和內(nèi)存的產(chǎn)品可供選擇，可以滿(mǎn)足多種場(chǎng)景的需求。其中，SIMATIC-IPC 227E邊緣設(shè)備已通過(guò)了由中國(guó)信息通信研究院開(kāi)展的“邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)件計(jì)劃”評(píng)測(cè)。它內(nèi)置了工業(yè)邊緣計(jì)算的軟件系統(tǒng)，除了提供美觀(guān)易用的網(wǎng)頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)方式外，還可直接通過(guò)工業(yè)邊緣管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理。它連接了OT和IT兩個(gè)層級(jí)，為IT應(yīng)用提供了便捷的數(shù)據(jù)連接性能和運(yùn)行平臺(tái)。通過(guò)它，可以讀取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理后，再用多種多樣的可視化圖表展示各項(xiàng)實(shí)時(shí)狀態(tài)和KPI數(shù)據(jù)。為保證工廠(chǎng)重要數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕部梢詫⒅匾獢?shù)據(jù)上傳到工廠(chǎng)的私有存儲(chǔ)服務(wù)器或是公有云上。同時(shí)，它也可通過(guò)集中管理的特點(diǎn)，更好地為終端客戶(hù)提供服務(wù)。

2　方案介紹

Voc設(shè)備的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)功能主要分為兩大部分：變量監(jiān)測(cè)及參數(shù)調(diào)優(yōu)。其整體實(shí)現(xiàn)解決方案的具體步驟如下：

（1）使用西門(mén)子工業(yè)邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用實(shí)時(shí)采集VoC處理過(guò)程中相關(guān)的工藝及外部環(huán)境參數(shù)：

· 溫度監(jiān)測(cè)：支持以下變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信息如表1所示；所有變量均支持儀表盤(pán)和曲線(xiàn)圖兩種展示模式，其中曲線(xiàn)圖的有效數(shù)據(jù)展示周期為最近30秒。

表1 溫度各個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信息

· 濃度監(jiān)測(cè)：濃度監(jiān)測(cè)功能支持以下變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信息如表2所示；所有變量均支持儀表盤(pán)和曲線(xiàn)圖兩種展示模式，其中曲線(xiàn)圖的有效數(shù)據(jù)展示周期為最近30秒。

表2 濃度各個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信息

· 頻率監(jiān)測(cè)：頻率監(jiān)測(cè)功能支持以下變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信息如表3所示；所有變量均支持儀表盤(pán)和曲線(xiàn)圖兩種展示模式，其中曲線(xiàn)圖的有效數(shù)據(jù)展示周期為最近30秒。

表3 頻率各個(gè)變量的監(jiān)測(cè)信息

（2）通過(guò)能源消耗預(yù)測(cè)的趨勢(shì)以及能源策略?xún)?yōu)化兩個(gè)算法模型在邊緣側(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)尋優(yōu)。

（3）將尋優(yōu)得到的參數(shù)通過(guò)西門(mén)子工業(yè)邊緣的南向數(shù)據(jù)連接型APP反向?qū)懭胫量刂圃O(shè)備側(cè)。

實(shí)際的閉環(huán)優(yōu)化控制技術(shù)路線(xiàn)如圖4所示。

圖4 閉環(huán)優(yōu)化控制技術(shù)路線(xiàn)圖

（4）控制設(shè)備根據(jù)優(yōu)化建議參數(shù)進(jìn)行上下閾值判斷已評(píng)估控制風(fēng)險(xiǎn)，從而保障優(yōu)化參數(shù)可根據(jù)實(shí)際控制情況進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

調(diào)優(yōu)過(guò)程涉及到對(duì)軟件系統(tǒng)狀態(tài)的配置，包括PLC狀態(tài)以及APP狀態(tài)：APP界面作為APP的前端，一方面承擔(dān)著UI展示和交互的職責(zé)，另一方面承擔(dān)著和PLC以及APP后端連接的中間件職責(zé)，其信息交互功能如圖5所示。

圖5

其中，對(duì)PLC-APP狀態(tài)可通過(guò)手動(dòng)方式進(jìn)行糾偏介入，因此設(shè)計(jì)的控制優(yōu)化分為兩個(gè)部分，分別為“閉環(huán)優(yōu)化控制”和“異常糾偏處理”。

（5）能源消耗預(yù)測(cè)以及策略?xún)?yōu)化模型會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的定期數(shù)據(jù)積累后進(jìn)行模型迭代后，可在邊緣端及時(shí)更新以達(dá)到更精確的控制策略?xún)?yōu)化和調(diào)節(jié)。

3　代表性及推廣價(jià)值

該項(xiàng)目適用于絕大多數(shù)場(chǎng)景如空壓機(jī)組、水泵組、暖通空調(diào)、廢氣燃燒等涉及到控制策略或群控策略的情況，對(duì)于一些老舊高能耗或能耗高居不下的群控設(shè)備來(lái)說(shuō)有重大意義，實(shí)際可節(jié)省3%～15%的能源消耗（根據(jù)實(shí)際工況而定）。該方案也著重于將數(shù)字化能力如邊緣計(jì)算和人工智能技術(shù)的能力拓展到企業(yè)節(jié)能減碳層面，其對(duì)絕大多數(shù)場(chǎng)景具有很好的通用性，因此該方案也非常具有推廣價(jià)值。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年第二期暨《邊緣計(jì)算2024專(zhuān)輯》