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實驗平臺名稱

基于TSN和OPC-UA技術的冷凍冷藏物聯網測試床

發起單位

大連冰山嘉德自動化有限公司

合作公司

華為技術有限公司

Honeywell

1 實驗平臺目標和概述

工業、商業及物流制冷基于同樣的制冷原理，關系到生產生活的很多方面，消耗的電能占比逐年提高，已成為社會主要電能消耗領域。

冷凍冷藏節能的自動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廠商、專業設計院或有能力的使用單位等均可承擔節能自動控制的研究和開發。

但是從控制系統的實用性及其效率角度考慮，在使用單位的實施過程中不斷地完善，對換熱設備進行有效管理，也能起到降低能耗的有效作用。因為當蒸發溫度為-10℃時，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，蒸發溫度每提高1℃，壓縮機單位耗電量則減少3.1%～3.9%。由此可見，管理好換熱設備，對降低能耗具有重要意義。同時對設備進行故障預測，減少設備故障率和停機時間，對食品、醫療冷鏈的藏品質量提供保證，也關系到公共衛生安全。

隨著食品冷凍冷藏行業的快速發展，技術創新、安全生產、節能環保等問題越來越得到業界的關注。特別是吉林、上海等地發生的食品冷藏企業涉氨問題敲響了行業安全的警鐘。在冷凍冷藏及冷鏈物流領域，自動化技術已經不能解決所有問題，需要將各種相關設備運行狀況的數據進行整合，進行優化決策；每個項目具有廣泛的共性，但也具有不同環境、場地的非標性。通過不同現場運行狀況的分析對比，為每個項目提供參考的優化運行策略，可以提高運行效率。

制冷控制現場按照項目設計，具有非標特性，每個項目使用多種控制器，數據量在100～200個，被控設備在1000個左右，使用工業RS485總線采集，監控延遲過大。

通過統計設備運行時長，監測壓力、溫度等運行指標參數，給出維保建議，使設備廠商及用戶有目標的準備備品備貨，減少不必要的庫存，釋放現金流。由于基于數據進行精準的維修，不僅可以減少故障發生的風險，還可以延長設備的使用壽命，提高運維人員的工作效率，將會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，已有數萬臺壓縮機設備及數百萬臺風機等終端設備在運行，承接全球大型冷庫項目近千個。采用的現場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型，建立測試床，能夠為冷凍冷藏和冷鏈物流的網絡化、智能化提供最好的基礎。

2 應用場景介紹

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，僅對即時輸入或控制命令產生響應，不具有長期數據存儲及分析學習能力。由于每個用戶的系統非標特性，無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，邊緣側計算的優勢更明顯。通過將各單體設備的數據進行分組集成，使相關聯設備進行數據通訊實現互聯互通互操作的能力；增加單體設備的判斷條件，由現場側網關、前置服務器等具有邊緣計算能力的智能設備對數據進行分析處理，對各單體設備的操作進行優化管控，實現降耗節能；通過故障預判、失效模式分析，合理安排維修保養，減少故障發生，延長設備的使用壽命，降低運維成本，實現不間斷制冷。

2.1 預期成果

實驗平臺同壓縮機、蒸發冷水泵、庫房風機和除霜等設備的控制器進行數據通訊，采集現場運行和環境數據，對安全狀況、進出貨狀況進行監測，通過優化設備運行時段，管理設備負載狀態，實現安全高效制冷，對可能發生的停機故障進行預判，減少故障發生，延長設備的使用壽命，降低運維成本，并給出維修建議，實現持續溫度控制。

2.2 技術的示范效應

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

2.3 商業價值

（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，設備低負荷長期運行和未及時除霜，頻繁開關庫門等。通過物聯網采集監測數據，對于系統運行問題，可以提供優化控制策略實現能耗降低；對于人為行為問題，進行統計，提供給用戶管理優化的建議，使用戶增強管理，減少能源的不必要浪費。

（2）通過統計設備故障報警信息，及報警時相關數據的記錄，進行機器學習，對故障進行預判，減少突發停機情況，保持藏品溫度和質量。

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

（4）通過設備間的相互數據交互，使控制器間實現數據共享，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，優化控制策略。

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

（6）對設備制造商的設計、開發提供更多的可參考數據。

2.4 社會價值

（1）冷凍冷藏和冷鏈物流的節能，直接影響社會電力分配，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，保證其安全運行，對可能出現的隱患進行預防，對維護公共安全具有重要意義。

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

（4）多種設備數據采集、接入物聯網，可提高中國工業4.0的智能化、定制化進程。

（5）采用TSN和OPC-UA作為現場側主要通訊協議，降低私有協議技術壁壘和商務壁壘風險，維護自主知識產權。

3 實驗平臺技術可行性

3.1 硬件與網絡改造

現場原有RS485總線，每鏈路掛載30個控制器，通訊波特率低，輪訓周期過長，響應的即時性難以保證，數據延遲過大，無法實現集中精確控制，通過本方案升級為IP控制器；通過邊緣計算網關、華為TSN交換機，將原有的工業現場總線提高到工業物聯網網絡，提升并發通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協議搭配的可監聽和可干擾的缺陷；通過邊緣計算網關與邊緣側服務器進行基于局域網的通訊，使用具有認證的OPC-UA協議，提高數據采集密度和數據信息量；實現設備間的雙向高速數據交互，提高控制設備感知能力。提升并發通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協議搭配的可監聽和可干擾的缺陷。

通過現場前置服務器，在邊緣側實現數據的實時分析處理，分布式數據存儲，就近邏輯控制，邊緣側安全處理，實現邊緣計算的功能。

提升并發通訊能力和通訊速率，并且避免了RS485和Modbus協議搭配的可監聽和可干擾的缺陷。
通過邊緣計算網關與邊緣側服務器進行基于局域網的通訊，使用具有認證的OPC-UA協議，提高數據采集密度和數據信息量。

云端進行更高級的數據分析和學習，總結優化策略，下發到前置服務器，實現“云-邊”計算的均衡處理，發揮兩者的各自優勢，實現最優的資源利用，優化控制策略，提高制冷效率。

通過高可靠性的現場邊緣計算能力和云計算能力，實現及時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，設備低負荷長期運行和未及時除霜，頻繁開關庫門等。通過物聯網采集監測數據，對于系統運行問題，可以提供優化控制策略，如浮動吸氣壓力、過熱度調節、用戶使用規律學習調整輸出等方式，實現能耗降低；對于人為行為問題，進行統計，提供給用戶管理優化的建議，使用戶增強管理，減少能源的不必要浪費。同時充分利用客戶的儲冷設備，利用峰平谷電價差合理安排壓縮機工作時間。

通過統計設備故障報警信息，及報警時相關數據的記錄，進行機器學習，對故障進行預判，減少突發停機情況，保持藏品溫度和質量。

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

通過設備間的相互數據交互，使控制器間實現數據共享，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，優化控制策略。

3.3 物理平臺

冰山嘉德獲得Honeywell授權，研發生產可運行Niagara Framework的網管型控制器產品，具有等同JACE產品的所有特性，并增加I/O控制點和通訊能力。

冰山嘉德具有Niagara Framework的二次開發認證，基于此平臺開發軟件和模塊，作為PAAS平臺的應用，并利用其搭建SAAS服務。

此控制器內已嵌入基于阿里云IoT SDK開發的通訊協議驅動，可與云平臺進行基于TSL證書驗證和Base64加密的MQTT協議通訊。

 冰山嘉德基本型物聯網控制器規格如下：

.    Niagara 4.3

.    Linux Kernel 3.2

.    512M DDR3 RAM

.    1G NAND Flash

.    2路獨立千兆以太網口

.    2路獨立帶隔離RS485接口

.    USB Host* & TF卡

.    4路DI干接點輸入

.    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進行二次開發的軟件平臺。

3.5 配置和控制接口

網絡控制和配置：華為TSN網關和華為TSN交換機通過RS232串口進行配置。

平臺軟件通過Niagara Workbench進行配置。

3.6 數據通訊接口

網絡部分：TSN交換機通信接口形態以太網口、TSN使能接口、Modbus兼容接口，通信協議采用IEEE 802 TSN協議族。

計算平臺間通過局域網和因特網連接進行通訊。

3.7 安全措施

現場通訊在交換機內具有流控措施。

公網通訊通過安全加密連接。

4 和ECC技術及測試臺的關系

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，含邊緣計算網關、邊緣數據服務器、云平臺、應用。

6 實驗平臺使用者

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

摘自《自動化博覽》2018年11月刊