基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的智能閥門控制系統(tǒng)

袁邦　童成彪　臧興華　張希恒

摘 要：通過對現(xiàn)有閥門控制系統(tǒng)存在問題的分析，提出基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的智能閥門控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，通過軟硬件的集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了閥門的智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；智能閥門；控制系統(tǒng)

1 概述

現(xiàn)有的閥門控制系統(tǒng)一般是基于PLC控制或繼電器控制，其大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化配套DCS控制系統(tǒng)，DCS的理念是分散控制，集中管理。雖然自動(dòng)控制的閥門能聯(lián)網(wǎng)控制，并能在控制中心監(jiān)控狀態(tài)而通過操作員來集中管理。但是現(xiàn)有的閥門控制系統(tǒng)主要存在以下問題待解：（1）故障預(yù)警缺失（如短信報(bào)警等），無法做到主動(dòng)維護(hù)；（2）閥門故障無法自動(dòng)識別；（3）設(shè)備生產(chǎn)廠家無法獲取閥門的運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)備一旦投運(yùn)，對用戶是“黑盒子”，而對生產(chǎn)廠家逐漸變成“陌生人”；（4）閥門后臺數(shù)據(jù)處理缺失；（5）移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控缺失；（6）閥門與其它設(shè)備之間的優(yōu)化管理受限于用戶的操作及維護(hù)人員的個(gè)人能力水平。中閥科技（長沙）閥門有限公司全新研發(fā)的基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的智能閥門控制系統(tǒng)，針對上述問題給出了完美的解決方案。

2 物聯(lián)網(wǎng)閥門控制系統(tǒng)基本原理

智能閥門控制系統(tǒng)系統(tǒng)全面采用物聯(lián)網(wǎng)模塊，物聯(lián)網(wǎng)IOT（Internet of Things）是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化三個(gè)重要特征，即把所有閥門設(shè)備通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換，即物物相通，以實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)概念是在互聯(lián)網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與任何物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

物聯(lián)網(wǎng)閥門控制系統(tǒng)同樣可按照物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層由各種傳感器構(gòu)成，包括壓力或壓差傳感器、管道流量傳感器、溫度傳感器、位置傳感器（如閥芯開度、執(zhí)行器行程等）、速度及加速度傳感器、振動(dòng)傳感器、液位傳感器、液壓油污染傳感器或過濾器壽命傳感器、閥門井或泵房的GPS位置、溫濕度傳感器、kks編碼或二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽、限位開關(guān)等感知終端。感知層是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。

網(wǎng)絡(luò)層由各種有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)，包括以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺等組成，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。當(dāng)為人服務(wù)的信息孤島問題通過互聯(lián)網(wǎng)解決后，需要在更大范圍解決物與人的信息孤島問題。只有人獲取物的信息，以及物與物互通獲得信息后，才能通過數(shù)據(jù)智能分析與優(yōu)化技術(shù)，依據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)以及理論模型，快速做出最優(yōu)決策。

3 智能閥門控制系統(tǒng)簡介

通過融入了最新的人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、4G或5G無線移動(dòng)通信、微功耗單片機(jī)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、使產(chǎn)品具備了無線上傳閥門數(shù)據(jù)、自動(dòng)故障識別、故障短信預(yù)警、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。它能自動(dòng)對設(shè)備故障進(jìn)行診斷，并通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將閥門數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)回監(jiān)控中心，由廠家和客戶對產(chǎn)品進(jìn)行24小時(shí)不間斷的監(jiān)控，廠家將主動(dòng)介入設(shè)備全壽命生命周期，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)及定制式售后服務(wù)，以保證設(shè)備運(yùn)行安全和狀態(tài)最優(yōu)。

主要功能：（1）閥門狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測：在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，只要通過加密算法授權(quán)的終端便可以監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。（2）閥門故障短信預(yù)警：當(dāng)閥門出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)在第一時(shí)間以短信形式或微信等第三方即時(shí)通信軟件通知客戶。（3）自動(dòng)診斷和發(fā)送閥門保養(yǎng)通知：根據(jù)傳感器檢測的數(shù)據(jù)，與云計(jì)算服務(wù)器上的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，能自動(dòng)發(fā)出需停機(jī)維修、需限制油泵運(yùn)行、需潤滑等通知，給出保養(yǎng)建議并發(fā)送至客戶手機(jī)。（4）自動(dòng)故障識別：自動(dòng)識別閥門卡組、閥芯或閥板位置異常，振動(dòng)異常，未拔鎖定開閥、油液臟等異常情況，具備自動(dòng)故障診斷和主動(dòng)提醒功能，從而將閥門的異常消除在萌芽狀態(tài)，阻止異常進(jìn)一步擴(kuò)大升級。

4 系統(tǒng)組成

智能閥的控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部分，其中硬件包括智能傳感器、基于PLC的電液控制系統(tǒng)、CBV-I型數(shù)據(jù)采集終端、云計(jì)算服務(wù)器四部分組成。系統(tǒng)邏輯圖見圖1。

4.1 智能傳感器組類型

智能傳感器組，常用的主要類型如下，可根據(jù)實(shí)際閥門類型和工況要求配置：（1）液位傳感器；實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)液位，以數(shù)字量或開關(guān)量方式顯示在系統(tǒng)中，并設(shè)報(bào)警閾值；（2）液溫傳感器；對液溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以數(shù)字量或開關(guān)量方式顯示在系統(tǒng)中，并設(shè)報(bào)警閾值；（3）壓力傳感器；通過壓力變送器和壓力繼電器監(jiān)控系統(tǒng)壓力；（4）開度傳感器；通過角位移變送器顯示閥門開度；（5）流量傳感器；檢測閥門過流能力和動(dòng)水力矩等的影響；（6）振動(dòng)傳感器；檢測閥芯的工作狀態(tài)。（7）油液清潔度傳感器；對清潔度的檢測包括兩個(gè)部分，一是壓差發(fā)訊，二是油液顆粒物檢測。

4.2 CBV-I型智能數(shù)據(jù)采集終端

CBV-I是中閥科技（長沙）閥門有限公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利產(chǎn)品，其采用32位單片機(jī)作為主控芯片，通過通信協(xié)議與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上傳或下載數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)通過有線或無線通信接入國際互聯(lián)網(wǎng)，與服務(wù)器之間的傳輸采用專用協(xié)議及加密算法傳輸，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

4.3 共用或私有云計(jì)算服務(wù)

云計(jì)算將計(jì)算任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計(jì)算力、存儲空間和各種軟件服務(wù)。云計(jì)算服務(wù)器提供閥門數(shù)據(jù)的存儲及分析功能，配置有數(shù)據(jù)庫及web服務(wù)器，云計(jì)算服務(wù)確保具有足夠的帶寬從而實(shí)現(xiàn)多終端并發(fā)操作；因此，云計(jì)算服務(wù)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)閥門控制系統(tǒng)的核心，其有效促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的智能融合。

4.4 機(jī)電液控制系統(tǒng)

機(jī)電液控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，增加了大量的傳感器接口，并內(nèi)置了與采集終端的通信協(xié)議，提供一部分邏輯功能進(jìn)行簡單的實(shí)時(shí)故障分析和處理，而復(fù)雜的邏輯在服務(wù)器端來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和分析。

4.5 軟件

系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)軟件和服務(wù)器軟件兩部分，其中服務(wù)器軟件基于B/S架構(gòu)開發(fā)，應(yīng)用軟件在服務(wù)器上運(yùn)行，從而大大降低了對終端的要求，一臺能上網(wǎng)的終端，電腦、手機(jī)、平板都可以運(yùn)行監(jiān)控程序；無論客戶在哪里，打開瀏覽器或第三方即時(shí)通訊軟件（如微信等）就可以看到閥門的運(yùn)行狀態(tài)，從而對閥門的運(yùn)行情況了如指掌。

5 結(jié)束語

基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的智能閥門控制系統(tǒng)是對傳統(tǒng)閥門產(chǎn)品的一次重大升級，該系統(tǒng)是順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+和設(shè)備智能化大潮；通過依托湖南省特大口徑電站閥門工程技術(shù)研究中心的平臺，歷經(jīng)三年多時(shí)間研發(fā)，取得了智能閥門控制系統(tǒng)的集成電路布圖設(shè)計(jì)著作權(quán)一項(xiàng)，軟件著作權(quán)一項(xiàng)，發(fā)明專利2項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)。

該產(chǎn)品經(jīng)過烏魯木齊水務(wù)集團(tuán)以及衡陽自來水公司等客戶的成功運(yùn)行，不僅大大提高了液控蝶閥和調(diào)流減壓閥的性能、可靠性，而且實(shí)現(xiàn)了可預(yù)見性維護(hù)，大大提升了用戶體驗(yàn)。它是當(dāng)代先進(jìn)電子技術(shù)、人工智能技術(shù)和傳統(tǒng)閥門制造行業(yè)的融合，代表著閥門設(shè)備智能化的必然趨勢，是當(dāng)前具有世界領(lǐng)先水平的閥門產(chǎn)品。