基于物聯(lián)網(wǎng)的智能泵閥控制平臺設計

趙樹立

（中軟國際科技服務有限公司，陜西 西安 710000）

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的帶動下，隨著智慧管網(wǎng)、智慧管廊、智慧水務、智慧農(nóng)業(yè)等行業(yè)快速發(fā)展，隨著物聯(lián)網(wǎng)、計算機、通信、控制和信息共享技術的高速發(fā)展，智能泵閥控制平臺作為智能控制的重要組成部分，勢必會成為泵閥行業(yè)內(nèi)一個重要研究發(fā)展領域。智能泵閥控制系統(tǒng)的建設需求不斷地釋放，未來的市場潛力巨大，而目前市場上尚未有成熟的智能泵閥控制平臺應用實例。在智能泵閥控制平臺數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的大趨勢下，企業(yè)對智能泵閥的控制系統(tǒng)的整合，實現(xiàn)信息交換與共享。通過整合資源，對各個相對獨立的泵閥控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對象，功能結構集成融合和重組，形成一個高效的綜合控制平臺。

為進一步滿足工業(yè)級智能泵閥系統(tǒng)的新需求，本文研究、設計和實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能泵閥控制平臺。

1 相關研究

1.1 物聯(lián)網(wǎng)研究

物聯(lián)網(wǎng)作為一個系統(tǒng)網(wǎng)絡，與其他的網(wǎng)絡一樣，也有其內(nèi)部特有的構架，其主要的架構技術分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層3層[1]。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層一般是指由感知設備、條碼、定位等設備組成的數(shù)據(jù)采集終端，主要是起到對于物理世界透徹感知的作用，以獲取大量的基礎數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡層指的是由NB-Iot，LoRa，eMTC和SigFox為主的低功耗廣域網(wǎng)絡，2/3/4/5G以及互聯(lián)網(wǎng)等為基礎組成的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，該層主要是針對采集到的數(shù)據(jù)進行可靠的信息傳輸，保證信息傳輸?shù)陌踩?；應用層則是針對大量數(shù)據(jù)的存儲、分析、展示，然后將系統(tǒng)處理的結果以控制指令的形式經(jīng)由網(wǎng)絡層反饋到感知層，常見的應用場景有智慧水務、智慧管網(wǎng)（廊）等。

1.2 智能泵閥研究

智能泵閥主要是帶有微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制功能的泵閥，常見的智能泵閥主要有以下幾種形式。

（1）帶有智能控制的調(diào)節(jié)閥和離心泵。

（2）智能控制泵閥主要包括下列內(nèi)容：可以方便地修改控制泵閥的狀態(tài)特性；可以實現(xiàn)比例—積分—微分（Proportion，Integral，Derivative，PID）控制運算；可以實現(xiàn)其他運算功能，比如：進行控制量程范圍、線性運算等；可以更改控制泵閥的正反作用方式；可以實現(xiàn)泵閥與上位機的狀態(tài)信息管理，實現(xiàn)信息的共享，同時可以實現(xiàn)智能泵閥的故障診斷和報警。

2 智能泵閥控制平臺系統(tǒng)結構

2.1 系統(tǒng)結構

根據(jù)智能泵閥控制平臺的系統(tǒng)特點，本文采用了如圖1所示的系統(tǒng)網(wǎng)絡架構。該系統(tǒng)主要由分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感節(jié)點、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點和系統(tǒng)管理中心（網(wǎng)關）等3部分組成。其中傳感節(jié)點負責定期采集泵、閥以及其他感知設備的信息（例如：狀態(tài)、流量、壓力）。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點負責接收傳感節(jié)點采集的各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理中心負責將網(wǎng)絡接入Internet，并對數(shù)據(jù)包的相關信息（狀態(tài)、流量、壓力）進行提取以及解析，然后存儲到數(shù)據(jù)庫，供客戶端為用戶提供簡單易操作的控制平臺界面，使用戶更好地對目標區(qū)域進行實時管理。

圖1 系統(tǒng)結構示意

2.2 系統(tǒng)總體框架

本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能泵閥控制平臺系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 智能泵閥控制平臺系統(tǒng)總體結構

該平臺以智能泵閥控制為核心，以智能泵閥及感知設備為基礎支撐，以網(wǎng)絡為橋梁，實現(xiàn)了整個平臺的統(tǒng)一性、完整性。智能泵閥控制主要包括智能泵閥接入的安全認證、控制邏輯的配置、數(shù)據(jù)的采集與分析等相關子系統(tǒng)服務，完成統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度的綜合控制平臺，實現(xiàn)智能泵閥控制平臺的內(nèi)部各子系統(tǒng)業(yè)務流程之間的集成。同時，也實現(xiàn)了各子系統(tǒng)異構數(shù)據(jù)的交換與共享。通過智能泵閥控制平臺實現(xiàn)所有的子系統(tǒng)的中和與集成，達到統(tǒng)一協(xié)調(diào)和子系統(tǒng)間的資源共享與信息共通，進一步實現(xiàn)智能泵閥與其他的智能控制系統(tǒng)的實時聯(lián)動與對接。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能泵閥控制平臺設計與實現(xiàn)

3.1 總體設計

本智能泵閥控制平臺以控制管理和聯(lián)動管理為主，集成了用戶管理、身份識別、報警管理、地圖展示、控制管理、數(shù)據(jù)管理以及聯(lián)動管理等功能，支持感知設備對模擬量和數(shù)字量的采集與檢測，更加方便地保證了信息管理以及數(shù)據(jù)共享能力。整個平臺的功能如圖3所示。

圖3 智能泵閥控制平臺系統(tǒng)功能

通過自頂向下的展示方式對系統(tǒng)智能泵閥控制平臺的功能進行分解，進而獲得其相對應的服務。實現(xiàn)了管理員對智能泵閥控制平臺內(nèi)的各個子系統(tǒng)能夠進行統(tǒng)一的資源配置，統(tǒng)一管理和應用[2]。

智能泵閥及感知設備層主要的信息流是：感知設備獲取到相關感知信息，將數(shù)據(jù)上傳至集控設備，同時集控設備也獲取到智能泵、智能閥的運行狀態(tài)及相關信息，將其采集信息臨時存儲到集控設備中，集控設備進行數(shù)據(jù)匯總和解析，并將匯總解析的數(shù)據(jù)進行封裝。

感知設備由各種傳感器構成，主要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（電廠標識系統(tǒng)）編碼或二維碼標簽、RFID標簽、限位開關等感知終端。感知層是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。

集控設備主要由軟件和硬件兩部分組成，其中硬件由智能傳感器、電液控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集終端、云計算服務器4部分組成，再通過融入最新的人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、4G或5G無線移動通信、微功耗單片機技術、先進制造技術、使產(chǎn)品具備無線上傳閥門數(shù)據(jù)、自動故障識別、故障短信預警、自動數(shù)據(jù)處理、遠程監(jiān)控等功能。它能自動對設備故障進行診斷，并通過移動網(wǎng)絡將閥門數(shù)據(jù)實時發(fā)回智能泵閥控制平臺。

網(wǎng)絡層的主要功能是實現(xiàn)硬件設備與智能泵閥控制平臺的信息交互，搭建信息交互橋梁。

智能泵閥控制平臺主要是對智能泵閥上傳的數(shù)據(jù)進行解析之后，將解析結果通過客戶端進行展示，并將控制指令通過指定的協(xié)議和傳輸方式下發(fā)到智能泵閥中，智能泵閥接收到智能泵閥控制平臺指令數(shù)據(jù)之后，進行數(shù)據(jù)解析，并作出相應的判斷，進而將判斷結果的指令下發(fā)給智能泵、智能閥中，形成一個控制平臺的閉環(huán)功能。

3.2 核心技術及關鍵技術

3.2.1 平臺的數(shù)據(jù)處理

智能泵閥控制平臺中需處理大量的數(shù)據(jù)，包括智能泵閥內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)和外部感知設備數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)處理問題是設計的一大難題，針對這樣的難題，主要通過智能模塊的軟件進行解決，創(chuàng)建平均采樣數(shù)學模型，進行平滑濾波處理，采用定時發(fā)送至上層物聯(lián)網(wǎng)，限額清除緩存等手段。

3.2.2 智能模塊中PID參數(shù)設計

智能泵閥采用PID控制，而PID參數(shù)與智能泵閥的自身性能相關，PID參數(shù)與智能泵閥具有一一對應性，如何在智能泵閥控制平臺軟件中進行PID參數(shù)預置成為又一難點。針對此問題，通過創(chuàng)建不同泵閥的數(shù)學模型，得到其PID控制系統(tǒng)，仿真分析不同PID參數(shù)對系統(tǒng)的影響，找到最優(yōu)PID參數(shù)，同時對智能模塊和智能泵閥進行試驗驗證，試驗調(diào)節(jié)PID參數(shù)，通過對理論與實際PID參數(shù)進行Matlab數(shù)學分析，最終找出PID參數(shù)規(guī)律。

3.2.3 智能泵閥數(shù)據(jù)模型定義

智能泵、智能閥在不同條件下工況數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)化是平臺研究設計的一個難點。針對此問題，利用動量方程、伯努利方程和連續(xù)性方程建立泵閥以轉(zhuǎn)速、流量、壓力、時間等參數(shù)的偏微分方程，采用有限差分法、有限元法等數(shù)學方法將連續(xù)性方程進行離散化處理，得到智能泵閥不同工況條件下的數(shù)據(jù)集合。

3.2.4 智能泵閥與傳感器聯(lián)動研究

在保證智能泵閥各項性能指標的前提下，合理的集成智能泵閥與傳感器是產(chǎn)品設計中的一個難點。針對此問題，利用傳統(tǒng)構設計和現(xiàn)代仿真技術相結合的技術手段，依據(jù)產(chǎn)品的結構特點和實際工況，通過建立泵閥的數(shù)學模型，選擇合理的優(yōu)化計算方法，建立智能泵閥與傳感器的三維結構模型，并采用仿真技術對三維結構模型進行優(yōu)化，得到智能泵閥與傳感器集成的最優(yōu)解。

3.2.5 高并發(fā)實時性技術

（1）并發(fā)性能。并發(fā)性能主要體現(xiàn)在通信服務在面臨高并發(fā)數(shù)據(jù)訪問時的處理能力，在不考慮其他因素影響的前提下，通信服務在單臺服務器上運行應該在合理消耗資源的基礎上支持5 000以上的終端并發(fā)接入和數(shù)據(jù)訪問，并具備良好的伸縮性。

（2）實時性能。除了并發(fā)處理能力的因素外，智能泵閥控制平臺的實時性主要體現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)流的處理上，通信服務釆取數(shù)據(jù)流處理算法后，相比未使用數(shù)據(jù)流處理算法的通信服務，在實時性上至少提升一倍（監(jiān)測響應時間提升一半）。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.3.1 智能泵閥的設計

傳統(tǒng)的泵閥工作時，通過給控制器輸入設定值，驅(qū)動電磁鐵、電機等，實現(xiàn)泵閥的工作，可稱之為“開環(huán)”控制，泵閥的具體工作狀態(tài)，我們無法得知，其工作性能的好壞全靠泵閥自身機械狀態(tài)來決定，而要提高泵閥產(chǎn)品的性能，必須提高泵閥的加工精度，這將大大增加泵閥的加工成本。

我們的智能泵閥采用“閉環(huán)”控制，在“開環(huán)”控制的基礎上，增加反饋環(huán)節(jié)，智能泵閥的內(nèi)部集成各類傳感器，如檢測閥芯位移的位移傳感器，檢測智能內(nèi)部工作狀態(tài)的聲波傳感器，檢測工作電流的電流傳感器等，檢測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器等，智能泵閥工作時，實時將這些檢測的數(shù)據(jù)傳輸至智能控制器，智能控制器通過對這些數(shù)據(jù)的分析處理，通過與給定值的不斷比較，不斷修正泵閥的工作狀態(tài)，形成閉環(huán)控制，最終實現(xiàn)對泵閥的精細化控制。

3.3.2 智能泵閥數(shù)據(jù)模型定義

以智能泵閥性能指標為研究對象，利用動量方程、伯努利方程和連續(xù)性方程建立泵閥以轉(zhuǎn)速、流量、壓力、時間等參數(shù)，并綜合考慮泵閥工作介質(zhì)的可壓縮性、魏氏效應、動力特性等因子，建立泵閥的不同工況條件下的數(shù)學模型，采用有限差分法、有限元法等數(shù)學方法將連續(xù)性方程進行離散化處理，求解智能泵閥在擾動條件下的偏微分方程，通過數(shù)值計算或仿真模擬的技術手段求解泵閥在各種工況條件下的性能曲線方程，得到智能泵閥不同工況條件下的數(shù)據(jù)集合。

智能泵閥數(shù)學模型：以轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度、時間等為目標參數(shù)，建立各種工況條件下的偏微分方程?f(x,y,z…)，求解智能泵閥的轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度等的曲線方程，通過離散化處理，得到泵閥在各種工況下的數(shù)據(jù)集合。

3.3.3 高并發(fā)實時性通信技術

基于緩存線程池的通信模型不僅具有多路復用的效率優(yōu)勢，又具備緩存線程池并發(fā)處理的特點，彌補了單純采取其他通信模型和框架造成的不足，較好地解決了物聯(lián)網(wǎng)梁監(jiān)控系統(tǒng)高并發(fā)數(shù)據(jù)訪問的問題。

NIO通信有效解決了原有阻塞存在的線程開銷的問題，采取事件驅(qū)動機制，在事件就緒時觸發(fā)讀寫，這時需要阻塞的等待事件發(fā)生，減少資源消耗。

線程池技術主要用來解決線程生命周期開問題和資源不足問題，通過重用線程的方式將線程創(chuàng)建的開銷被分攤到多個任務上，當請求到達時線程已經(jīng)存在，所以消除了創(chuàng)建所帶來的延遲。這樣，線程池讓應用程序響應更快。

在NIO中使用緩存線程池，主要目的是通過多線程充分使用多個的處理能力和減少處理的等待時間，另外，動態(tài)調(diào)整線程池中的線程數(shù)量可以防止出現(xiàn)資源不足的情況，使通信服務具備良好的伸縮性。

4 結語

本文采用了物聯(lián)網(wǎng)技術，深入研究和設計了一種工業(yè)級的智能泵閥控制平臺。該平臺設計進一步提高了系統(tǒng)平臺的擴展能力、集成能力、數(shù)據(jù)共享能力，平臺采用了標準的接口協(xié)議，方便于集成新的子系統(tǒng)，并實現(xiàn)各子系統(tǒng)的聯(lián)動性，不斷擴展應用空間。為進一步開拓智能泵閥業(yè)務和新市場領域提供全面的技術支撐，使智能泵閥系統(tǒng)達到“分級管理、集中調(diào)度、事件閉環(huán)”的總體設計目標[3]。滿足工業(yè)信息化建設對智能控制新技術發(fā)展的需求，有效降低了用戶管理的成本，提高企業(yè)的管理服務能力及效率。