1、基于邊緣計(jì)算的沼氣發(fā)電效率優(yōu)化系統(tǒng)沼氣發(fā)電機(jī)組有功功率與沼氣濃度匹配，讓發(fā)電量最優(yōu)深圳市智物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有限公司，成立于 2014 年，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、解決方案及大數(shù)據(jù)服務(wù)提供商。2016 年全面布局工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，2017 年發(fā)布工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，2018 年發(fā)布 MixIOT 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，入選 2018 年廣東省工業(yè)企業(yè)“上云上平臺“試點(diǎn)示范” 供應(yīng)商。MixIOT 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，相當(dāng)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安卓，為各工業(yè)設(shè)備廠商、設(shè)備服務(wù)商、工業(yè)現(xiàn)場提供物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)底層平臺，包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)應(yīng)用接口。能夠拉低產(chǎn)業(yè)進(jìn)入的門檻、降低研發(fā)的難度、減少項(xiàng)目部署的周期，

2、幫助更多的企業(yè)加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中，構(gòu)建起一個(gè)完善的生態(tài)鏈，讓產(chǎn)業(yè)更加發(fā)展壯大。 PAGE 9 | 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)應(yīng)用案例集一、項(xiàng)目概況項(xiàng)目背景中油濟(jì)柴是我國最早生產(chǎn)柴油機(jī)的廠家之一，濟(jì)柴設(shè)備種類，一是外購的小型機(jī)，用于組裝；二是自研發(fā)電機(jī)，用在軍艦、沙漠打井等，用于定制化設(shè)備比較多，提供動力或電力資源。其對系統(tǒng)安全的要求非常嚴(yán)格，需采用具有高可靠性的產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)，希望把遍布世界的發(fā)電機(jī)組集中監(jiān)控管理，但其生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用、產(chǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)測與技術(shù)服務(wù)無法滿足現(xiàn)有遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)測、大數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)應(yīng)用要求。項(xiàng)目簡介 本方案沼氣發(fā)電效率優(yōu)化 Megeo（(Methane Generator Edge O

3、ptimizer)）主要由智物聯(lián)的邊緣計(jì)算控制器（APIECO）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺（MixIOT）組成，邊緣計(jì)算控制器工作在設(shè)備端，一方面采集設(shè)備運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，一方面用內(nèi)部算法模型自動匹配不同的甲烷濃度對應(yīng)的最佳功率值，并自動調(diào)節(jié)功率，讓機(jī)組發(fā)電效率達(dá)到最優(yōu)。這些設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，以及通過優(yōu)化后機(jī)組發(fā)電量的增量，邊緣計(jì)算控制器除了在界面進(jìn)行展示之外，還將這些數(shù)據(jù)上報(bào)到 MixIOT 平臺。MixIOT 一方面展示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備功率優(yōu)化效果，另一方面對所有設(shè)備進(jìn)行集中管理以及策略優(yōu)化。項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全運(yùn)行把原來雜亂的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、功率、機(jī)組、發(fā)電量、達(dá)產(chǎn)率等數(shù)據(jù)統(tǒng)籌，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)并反饋在 PC

4、端、APP 和大屏，實(shí)時(shí)了解所有機(jī)組及關(guān)聯(lián)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)異常停機(jī)判斷與保護(hù)邊緣計(jì)算發(fā)電機(jī)發(fā)生停機(jī)時(shí)，能夠準(zhǔn)確的識別出異常停機(jī)并對其采取保護(hù)措施，使發(fā)電機(jī)完成正常停機(jī)過程，延長其使用壽命。沼氣發(fā)電機(jī)功率自動調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)沼氣（甲烷）濃度來實(shí)時(shí)計(jì)算出發(fā)電機(jī)組有功功率最優(yōu)值，并下發(fā)調(diào)整，幫助客戶提升發(fā)電能效，提高發(fā)電收益。二、項(xiàng)目實(shí)施概況沼氣發(fā)電站的所有機(jī)組的氣源來自沼氣，由預(yù)處理裝置對原有沼氣進(jìn)行過濾、脫水、加壓等工藝過程后，分配沼氣到每一個(gè)機(jī)組，絕大多數(shù)預(yù)處理裝置并不具備沼氣提純，因而無法控制沼氣的甲烷濃度變化。沼氣發(fā)電機(jī)組能否穩(wěn)定高效的運(yùn)行，母排能否輸出達(dá)標(biāo)電量，

5、取決于沼氣濃度和發(fā)電機(jī)組有功功率值的匹配：當(dāng)沼氣濃度較高，而有功功率較低時(shí)，發(fā)電量低，會造成沼氣浪費(fèi)；當(dāng)沼氣濃度較低，而有功功率偏高時(shí)，會造成發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，母排并網(wǎng)電量不達(dá)標(biāo)， 并有可能導(dǎo)致意外停機(jī)。傳統(tǒng)的匹配方式一般都是由有經(jīng)驗(yàn)的人員手工對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但手工調(diào)節(jié)存在以下幾個(gè)關(guān)鍵痛點(diǎn)：人工效率低， 優(yōu)化效果差，試錯(cuò)成本高，安全有隱患，增產(chǎn)無數(shù)據(jù)等。Megeo 可以提高沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率，對發(fā)電機(jī)組及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行集中管理，減少因故障對電站帶來的損失，優(yōu)化使用策略。項(xiàng)目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容 項(xiàng)目總體技術(shù)方案本方案Megeo 的內(nèi)部算法模型會自動匹配不同的甲烷濃度對應(yīng)的最佳功率值，通過自動調(diào)

6、節(jié)功率值，讓機(jī)組發(fā)電效率達(dá)到最優(yōu)。項(xiàng)目總體架構(gòu)圖 1項(xiàng)目總體技術(shù)方案本方案采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)體系，分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。它向下通過可編程的適配器，可連接各種類型的工業(yè)設(shè)備和傳感器；中間 MixIOT 的核心層則對采集上來的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行路由、分類和存儲；向上則提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)開放接口和適配典型行業(yè)場景的開發(fā)套件，可讓軟件開發(fā)商方便、專注的進(jìn)行行業(yè)應(yīng)用開發(fā)。同時(shí) MixIOT 還提供了各種基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析和邊緣計(jì)算的工具包，可幫助使用者進(jìn)一步挖掘工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶價(jià)值和數(shù)據(jù)價(jià)值。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖所示：圖 2項(xiàng)目總體架構(gòu)在整個(gè) MixIOT 系統(tǒng)架構(gòu)中，邊緣優(yōu)化產(chǎn)品是其中的一

7、部分，而沼氣發(fā)電效率優(yōu)化產(chǎn)品 Megeo 又是邊緣優(yōu)化產(chǎn)品中的一員。如圖 3 是 Megeo 產(chǎn)品中邊緣控制器展示的界面，總共三部分?jǐn)?shù)據(jù)，一部分是所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)展示（圖中顯示不全，界面還可以下拉），一部分是重要參數(shù)甲烷濃度和有功功率設(shè)定值/優(yōu)化值的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)展示，還有一部分是優(yōu)化策略下的各個(gè)指數(shù)。圖 3：Megeo 展示界面詳細(xì)解釋：Total AP：總功率，例如開啟 3 臺發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組設(shè)置的有功功率 800KW，總功率 2400KW；Balance：平衡度，表示一段時(shí)間內(nèi)優(yōu)化后值的平衡程度，100%為最平衡，往下是相對不平衡，表示優(yōu)化對于機(jī)器是否起較穩(wěn)定的作用，越不平衡表示優(yōu)化

8、的次數(shù)與幅度改變較多，屬于優(yōu)化初始階段；Optimized：可優(yōu)化度，優(yōu)化改變程度，一方面表示是否在優(yōu)化， 另一方面表示需要優(yōu)化的大小程度，即該值越大，需要優(yōu)化或者說能優(yōu)化的力度越大；Overlap：狀態(tài)重合率，表示機(jī)器優(yōu)化前與優(yōu)化后兩者的運(yùn)行狀態(tài)的相似程度，100%為最相似越相似，說明優(yōu)化前后機(jī)器耗損越一致，機(jī)器不會因?yàn)閮?yōu)化措施造成人為機(jī)器損耗；Prod Gain：獲得率，表示優(yōu)化后比優(yōu)化前單位時(shí)間多發(fā)點(diǎn)的百分比；Cumulative Gain：累積獲得量，表示優(yōu)化后比優(yōu)化前多獲得發(fā)電量；Target：廠家原始設(shè)置的有功功率值； Alternative：替換建議值，即優(yōu)化方案值； Detec

9、ted CH4：甲烷濃度值；在 Megeo 產(chǎn)品中，需要由邊緣計(jì)算控制器（APIECO）跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺（MixIOT）緊密配合。邊緣計(jì)算控制器（APIECO）APIECO 是一個(gè)功能強(qiáng)大的邊緣計(jì)算控制器，同時(shí)也是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)作為數(shù)據(jù)采集器的時(shí)候，APIECO 能采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到 2000 個(gè)，如果對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高的時(shí)候甚至可以更多，APIECO 采集數(shù)據(jù)的功能可以讓用戶自己配置，對于不同數(shù)據(jù)上報(bào)到云端的策略都可以自己調(diào)整，比如 5 秒上報(bào)一次，10 秒上報(bào)，20 秒上報(bào)一次等等，本方案通過在 web 端做了配置工具供用戶使用，讓不懂編程的人也能通過簡單的配置完成數(shù)據(jù)采集。當(dāng)作為邊

10、緣計(jì)算控制器，APIECO 內(nèi)部算法會定期監(jiān)測一次設(shè)備運(yùn)行狀況，比如 5 分鐘一次，10 分鐘一次，15 分鐘一次等等，用戶可以自行調(diào)節(jié)。在 Megeo 產(chǎn)品中，APIECO 默認(rèn)每五分鐘監(jiān)測一次發(fā)電效率是否達(dá)到最優(yōu)，如果沒有達(dá)到，就要通過調(diào)整機(jī)組功率到合適的值，從而提高設(shè)備的發(fā)電效率。APIECO 同時(shí)會每 5 秒鐘監(jiān)測一次設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)，必要時(shí)再做出決策。圖 4 硬件接口在數(shù)據(jù)采集方面，APIECO 物理接口支持 232/485/LAN/CAN；在數(shù)據(jù)傳輸方面，APIECO 支持 2G/4G/WIFI/網(wǎng)口，不同的接口和網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，都有對應(yīng)的產(chǎn)品型號，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用場景進(jìn)行挑選。A

11、PIECO 優(yōu)化原理調(diào)整目標(biāo)在恒定的條件下，每一個(gè)甲烷濃度都會對應(yīng)一個(gè)最佳發(fā)電總功率， 總功率是所有機(jī)臺有功功率總和，理想情況下對總功率按機(jī)臺總數(shù)平 均即可得到各臺發(fā)電機(jī)的最優(yōu)發(fā)電功率，按機(jī)器最大發(fā)電能力換算可 得到負(fù)載，例如，電機(jī)最大發(fā)電能力為 1000KW，需要設(shè)置的功率為 800KW，則負(fù)載為 80%。實(shí)際上涉及到外界條件對發(fā)電機(jī)的影響，在滿負(fù)荷的情況下，發(fā)電機(jī)的有功功率有可能不會同樣達(dá)到最佳功率，會受一些約束條件影響導(dǎo)致發(fā)電機(jī)保證約束條件滿足下調(diào)整上限不一致，各個(gè)發(fā)電機(jī)分配的有功功率不會一致。調(diào)整使用的是 5 分鐘一調(diào)的自動反向控制策略，以當(dāng)前功率為基準(zhǔn)，以 10KW 為最大步長靠近最

12、優(yōu)發(fā)電功率值， 以此保證機(jī)臺不會因?yàn)榇蠓阮l繁調(diào)整而導(dǎo)致的設(shè)備損耗或者不穩(wěn)定現(xiàn)象。無論在滿負(fù)荷情況下還是正常情況下，都會有保證安全的約束條件，而這些約束都是上限值，也就是降載到一定程度就能保證滿足約束條件。同時(shí)要保證能靠近最優(yōu)發(fā)電功率。監(jiān)控機(jī)制監(jiān)控機(jī)制與調(diào)整策略不同，是以 5 秒鐘的間隔檢測，一旦檢測到不滿足約束條件則立即降載，直至滿足約束條件為止。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺（MixIOT）MixIOT 根據(jù)不同的功能需要扮演了幾個(gè)角色：MixIOT 相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。將通過 APIECO 采集到的沼氣發(fā)電機(jī)組工作數(shù)據(jù)和優(yōu)化結(jié)果、優(yōu)化統(tǒng)計(jì)上報(bào)到 MixIOT, 最終由 MixIOT 進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和

13、呈現(xiàn)、統(tǒng)計(jì)。MixIOT 相當(dāng)于一個(gè)云端的中控，可以下發(fā)各種策略給邊緣計(jì)算控制器，比如針對不同的設(shè)備，MixIOT 可以根據(jù)客戶選擇、也可以通過歷史大數(shù)據(jù)分析決定該設(shè)備的優(yōu)化策略是以安全優(yōu)先，還是產(chǎn)量優(yōu)先。如果是以安全優(yōu)先，那么就要下發(fā)較為保守的策略；如果是產(chǎn)量優(yōu)先，則可能會下發(fā)較為激進(jìn)的策略給邊緣計(jì)算控制器。MixIOT 還提供了規(guī)則配置工具。當(dāng)用戶要對邊緣端的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，比如修改采集參數(shù)，修改參數(shù)上報(bào)策略等，無需進(jìn)行任何代碼編寫，只需通過 MixIOT 的規(guī)則工具進(jìn)行配置，然后下發(fā)到APIECO 即可，極大的方便了客戶。與聯(lián)盟體系架構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系本解決方案與聯(lián)盟體系架構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系主要作

14、用于連接 7，即工廠云平臺（及管理軟件）與協(xié)作平臺。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案和應(yīng)用本方案采用云平臺+本地部署的方式提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方案，將商 業(yè)數(shù)據(jù)和設(shè)備原始數(shù)據(jù)分離存儲，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)的高效處理， PAGE 13 | 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)應(yīng)用案例集又從根本上保護(hù)了用戶的數(shù)據(jù)安全。同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目具體情況，支持本地化部署。本方案通過適配器實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制執(zhí)行、集中智能控制、以及邊緣計(jì)算服務(wù)。針對發(fā)電機(jī)（組）設(shè)備使用場景及地域，本項(xiàng)目提供不同版本的適配器，包括 APRUS II 和 APRUS II（I 第二代、第三代可編程工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)適配器）、APIECO（可編程工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算控制器）。APRU

15、S II 和 APRUS III 適用于大多數(shù)工業(yè)設(shè)備，通過可編程方法，決定使用不同物理接口、使用不同數(shù)據(jù)交互協(xié)議、與不同平臺交互，可廣泛適配各自不同工業(yè)設(shè)備。APIECO 除了兼有 APRUS 系列的數(shù)據(jù)采集功能外，還可以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，以及復(fù)雜裝置的聯(lián)動智能控制。數(shù)據(jù)傳輸支持 2G、4G 及 wifi 傳輸， 保障客戶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。圖 4 系統(tǒng)連接示意圖安全及可靠性智物聯(lián)的邊緣計(jì)算控制器當(dāng)發(fā)生影響設(shè)備安全運(yùn)行的參數(shù)變化時(shí)，可自動調(diào)整有功功率值，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。MixIOT 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，從數(shù)據(jù)精確采集到傳輸、處理、展現(xiàn)， 每個(gè)環(huán)節(jié)都通過不同加密方式進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

16、； 企業(yè)運(yùn)營數(shù)據(jù)及商業(yè)信息全部存儲在中石油濟(jì)柴本地服務(wù)器，商業(yè)數(shù) 據(jù)于工業(yè)數(shù)據(jù)的有效分離讓企業(yè)管理“高枕無憂”。其他亮點(diǎn)人為操作多臺機(jī)器時(shí)存在不及時(shí)、主觀性強(qiáng)、失誤率高的情況， 自動調(diào)節(jié)控制可保證準(zhǔn)確性和及時(shí)性，省去了人工調(diào)節(jié)的人力資源和 時(shí)間成本；各個(gè)設(shè)備穩(wěn)定與否是難以預(yù)測的，各個(gè)設(shè)備應(yīng)調(diào)節(jié)的功率值也因穩(wěn)定性而定，原平均分配總功率的方式會造成異常風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率大，自動控制算法可實(shí)時(shí)檢測穩(wěn)定性及合理分配，保證所有設(shè)備長時(shí)間正常運(yùn)行。三、下一步實(shí)施計(jì)劃1. 計(jì) 劃 1 目前智物聯(lián)正在跟濟(jì)柴做深度合作，和濟(jì)柴發(fā)電機(jī)組專家對接， 研究機(jī)理、預(yù)測故障的準(zhǔn)確度。雖然發(fā)電機(jī)組的運(yùn)作原理大同小異， 但隨著我

17、們深入研究發(fā)電機(jī)組，預(yù)測率、準(zhǔn)確率不斷提高，未來將會提高整個(gè)行業(yè)的故障預(yù)測的準(zhǔn)確度，推動整個(gè)行業(yè)的變革。四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果項(xiàng)目先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)發(fā)電機(jī)組異常停機(jī)判斷與保護(hù)邊緣計(jì)算沼氣發(fā)電機(jī)組在工作過程中，由于沼氣的燃燒速度很慢，所以對沼氣發(fā)動機(jī)有較高的要求。若發(fā)生異常停機(jī)，在高溫下熄火，可能直接導(dǎo)致在下次發(fā)電機(jī)啟動時(shí)，摩擦表面缺失潤滑油，加劇機(jī)械部件磨損，從而影響到發(fā)電機(jī)的使用壽命。本方案通過獲取的停機(jī)時(shí)段的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，判斷是否是異常停機(jī)，若發(fā)生異常停機(jī)，則啟動該邊緣計(jì)算的保護(hù)機(jī)制，使發(fā)電機(jī)完成正常停機(jī)過程，對發(fā)電機(jī)起到保護(hù)作用，延長其使用壽命。沼氣發(fā)電機(jī)組功率自動調(diào)整傳統(tǒng)的電站，是憑著工作人員的經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整機(jī)組功率，比如，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)硞€(gè)電站的機(jī)組在某種沼氣濃度下設(shè)置 800KW 的功率比較合適。但是一方面經(jīng)驗(yàn)值是很難傳承的，換一個(gè)工作人員可能就會得出另外的經(jīng)驗(yàn)；另一方面人通常出于保守考慮會將經(jīng)驗(yàn)值放低，以防出現(xiàn)安全事故。這樣，無形當(dāng)中都會降低了機(jī)組的發(fā)電效率。本方案通過自動匹配不同的甲烷濃度對應(yīng)的最佳功率值，通過自動調(diào)節(jié)功率值，讓機(jī)