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​技术干货丨工业互联网核心引擎原理与实现——动态配载(Dynaload)

2020/06/12 11:49
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【摘要】:
动态配载(Dynaload)就是MixIOT体系中一个计算模型。“配载”可以简单理解为某项工作的动力配置。比如,一个纺织厂有200台喷气织机,它们需要用空压机提供空气动力,所以配备了10台空气压缩机(它们的功率可能有大有小),这10台空压机全开的话就能为200台喷气织机提供足够的压缩空气。
动态配载(Dynaload)就是MixIOT体系中一个计算模型。
 
“配载”可以简单理解为某项工作的动力配置。比如,一个纺织厂有200台喷气织机,它们需要用空压机提供空气动力,所以配备了10台空气压缩机(它们的功率可能有大有小),这10台空压机全开的话就能为200台喷气织机提供足够的压缩空气。但是,实际的情况是,200台织机有些在生产,有些没在生产,有些虽然在生产,可是临时停机换线或者检修,有些用气多,有些用气少。简单地说,它们未必都会同时都使用,而且使用情况随时都在变化。那么,如果我们不管不顾,10台空压机全开,供气肯定是足够了,但是,供气比用气要多,这就白白浪费了电力。
 
“动态配载”就是根据实际的使用需求,动态地用最少的空压机数量来满足喷气织机的生产需要。喷气织机开得多用气量大的时候,空压机就多开一些,用气量小的时候,空压机就少开几台。
 
再来看个例子:一个酒店,有200间客房酒店
 
有一个燃气锅炉提供热水。酒店客人来来往往,用水有时多有时少。如果我们不管有多少住店客人,也不管客人用不用热水,都把锅炉的火烧的旺旺的,那肯定能保证客人的用水需求,却很浪费燃气。动态配载的意思就是,用热水多的时候,把火开大;用热水少的时候,把火关小;没人用水的时候,能保温就行。
 
可见,如果我们有了动态配载这个概念,就能时时刻刻把能耗降低一些,虽然每个时刻降低的能耗看上去微不足道,但是,经年累月下来,也是一个可观的数字。
 
为了便于后面的表述,我们把空压机、锅炉等提供能量的一端,叫“供应端”;把使用压缩空气的喷气织机、酒店客人用的热水等消耗能量的一端,叫“消费端”。
 
动态配载的五要素:
 
 
动态配载绝对是个好事儿,但也并不是什么情况都能用上动态配载的。从刚才的两个例子(空压机和锅炉)来看,基本能归纳出来,能做到动态配载,需要有这么五个要素:
 
(1)供应端是受控的,可以开,可以关,或者可以调节大小。这比较容易理解,如果都不能开关,也不能调大调小,也就失去了动态配载的前提。
 
(2)供应端提供的能量,是可以测量,可以计算的。也就是供应端提供的能量多少,是可以量化的,比如每分钟多少,瞬间多少。
 
(3)消费端的能量消耗,是可以测量的,可以计算的。这也应该容易理解,每分钟内用了多少水,用了多少气,都是可以计量的。
 
(4)供应端和消费端,中间有一个储能装置,储能的量也是可以测量,或者可以计算的。这需要解释一下,像空压机里面出来的压缩空气,都是配有一个储气罐的,而热水锅炉本身,就有储存热水的功能。
 
(5)还有一个默认的前提假设,就是供应端所生产或供应的能量,与消费端所消耗的能量是一样的,或是有确定的某种换算关系。这其实也很好理解。热水锅炉供应的就是热水,酒店客人使用的也是热水,但是有可能,锅炉出来的水是65°C,客人用的时候可能只有60°C;压缩机出来的是压缩空气,压力是8kg/cm²,而喷气织机用的也是压缩空气,但它实际的用气压力可能只有6.5kg/cm²。如果供应端到消费端是一个化学反应,是聚合或裂解的过程,使得能量形式发生了变化,那就不是动态配载能解决的范围了。
 
动态配载模型:
动态配载模型示意图
 
动态配载模型示意图我们来解释一下这些参数条件:
 
  • 有n个供能端点(P1~Pn);可以理解为有n台空压机。
  • 每个供能端点的加载/卸载对应的参数是Kp1~Kpn,它们的值=0/1(卸载/加载);这也相当于是空压机的加载卸载。
  • 每个供能端点都有一个供能的额定值是Wp1~Wpn;这相当于空压机的工频功率。
  • 每供能端点的供能系数是Fp1~Fpn;对工频空压机来说,供能系数为1,对变频空压机来说,这个值为变频频率/工频频率。
  • 每个供能端点的供能能力是Qp1~Qpn;这跟供能系数×额定供能值成正比。
  • 总的供能是Qp=Qp1+Qp2+….+Qpn;这是一个原理等式,一般是用测量值;就是所有空压机的产气量的总和。
  • 储能端是有物理限制的,所以储能的多少是有上限下限的,分别是Smax和Smin。这个就相当于空压机储气罐规定的最大压力值和最小压力值。
  • 实际储能值为S;这是一个实时变化的实际储能值。当这个值达到(或超过)储能上限值时不会再增加;而低于储能下限值时,视为消费端无法工作。
  • 总消耗为Cp。这个是实时在变化的总消耗。
这个模型的大体意思是:
  • 供应端的总供应能力,是由每个供应端设备的供应能力之和;
  • 每个供应端设备的供应能力在卸载状态为零,加载状态下为功率系数×额定功率;
  • 储能量为原有储能量+总供应能-总消费能。
  • 这个模型的输出结果是什么呢?

假设这个计算模型是5分钟计算一次,那么结果大致是这样的:

这跟D&C的输出结果形式上是类似的。这是因为动态配载实际上就是依据消耗的变化,对供能的一种实时调度方法。
 
完备模型与简化模型:
 
前面这个模型,我们称作一个完备模型。所谓完备模型,就是这个模型中提到的参数,都是要具备的。而实际工业场景中,未必能满足这个条件,很多参数可能会没有,也许是没有办法采集,没办法测量,或者没办法计算出来。为了增加计算模型的适用范围,通常会给出完备模型的一个简化版,这就叫简化模型。
 
动态配载简化模型示意图
 
在这个简化模型中,供能端点的供能系数都没有了,也就是说,只有这个端点的加载或者卸载可以控制。就像工频机一样,只能加载或者卸载,没办法让供能量调大调小。除此以外,每个供能端点的供能量也没有了,他们的总和自然也没有了。
 
我们可以把它想象成一个压缩空气站,里面有很多压缩机,大小各异。压缩机的产气出口都进入一个或者多个储气罐,最终汇集到一个供气管路。我们只知道有储气罐,但是这些储气罐的数据无从得知。
 
简化模型少了这么多的参数,那还能计算吗?计算出来的还准吗?简化模型数据少是不是就比完备模型算起来简单了呢?
 
这里可以顺便解释一下,简化模型跟完备模型,应该算同一个计算模型,在实际的计算过程中,需要的参数都必须要有。简化模型参数少了,就需要在计算的时候,先把这些少了的参数数据估算出来,然后再去用完备模型的算法去计算。所以,
 
简化模型的计算,实际上要比完备模型更加复杂。
 
举个例子来解释一下。比如,怎么来估算供能端点的供能能力呢?就要用
 
来作为第i个供能端点的供能能力的比例,然后通过按顺序卸载Pi,看看对供能有什么影响,这样来估算这个影响的量与这个比例的对应关系。
 
这里面就有一个很重要的问题了,为什么我们能去卸载呢?不怕卸载了影响消费端的使用了吗?这就要回到我们一开始说的五个要素中的“储能”要素了。因为有储能,所以,在一段时间内卸载一个端点,还能扛得住。
 
动态配载模型的使用:
 
要使用动态配载计算模型,首先要做的事情就是把这些参数对号入座。先举一个简单的例子(见图29-5):有2个水泵,往一个储水罐里面注水,储水罐有最高水位容量和最低水位容量。储水罐有个管子接到外面去给外面供水,供水量是变动的。
储水罐有一个溢流口,意思是如果实际储水量超过最高水位容量,再进来的水就会从溢流口排出去。如果实际储水量低于最低水位容量,那么排水管就无水可出。
排水量是动态的,每分钟的流量Q(t)如下,是变化很大的一条曲线。
 
储水罐示意图
 
排水量曲线
 
我们基本上可以看出来,一旦调控不及时,要么就没水,要么就溢出。另外,两个水泵的能力是不能调节的,开的时候就是这么多供水量,关掉就没有了。这时,我们可以把供能系数当作常数1。额定供能小数就是1.5和2.5。
 
刚才这个排水量的曲线,是我们事后总结的,事前并不知道。这些变化都是实时的,有些甚至是随机的。所以,动态配载模型里面的计算,实际上是包含了对需求的预测,这些分析计算也都是相当复杂的。
储水罐与动态配载模型
 
请问:其他的你能正确对号入座吗?
 
动态配载的应用形态:
 
动态配载实际上就是一个D&C的特例,专门用于解决供应端和消费端之间的供给—需求矛盾,尤其是对那些需求变动大,变动迅速甚至是随机256的情况。越是功能端点数量多,越是需求量变化大,动态配载就越能凸显其优势。
 
在下图中,动态配载可以理解成为一个黑盒子,暴露在外面的只有一个模型的参数,只需要把实际应用中的参据量与模型参数进行对号入座就行。剩下就是等待动态配载这个黑盒子输出配载结果。
 
动态配载黑盒子
 
因为它是个黑盒子,所以这个盒子可以部署在任何一个地方,比如部署在MixIOT系统里面,成为MixIOT的一个服务组件,或者部署在边缘计算终端。
 
动态配载部署在计算终端
 
应用实例:
 
隧道施工现场
 
 
隧道口外的工棚里面有10台空压机和储气罐。给隧道内开山凿石提供动力。渠道内工作面已经推进了几千米,里面怎么用气外面是不知道的,也没有任何通信信号。
 
在没有动态配载的日子里,10台空压机空转了不少时间,浪费了很多电。有了动态配载就好了,一个隧道一年半干下来,算算账,省了不少电费。
 
隧道施工现场的动态配载,用一个边缘计算终端小机柜(如来方略柜E800型)就可以解决。