智慧泵閥物聯(lián)網(wǎng)終端與云服務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展

陳丐榮，周思聰，徐林娟

（歐維克集團(tuán)有限公司 設(shè)計部，浙江 溫州 235100）

0 引言

隨著我國持續(xù)推進(jìn)信息技術(shù)與制造業(yè)融合，制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展步伐在不斷加快，5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)刺激下，泵閥產(chǎn)業(yè)需要謀求一條更佳的發(fā)展之路，既要立足于傳統(tǒng)泵閥產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展優(yōu)勢，又要大力推動閥門產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的升級.這就需要為泵閥產(chǎn)業(yè)插上互聯(lián)網(wǎng)的翅膀，實現(xiàn)機(jī)器設(shè)備、人與企業(yè)互通互聯(lián)，打造萬物互聯(lián)，構(gòu)建智造生態(tài).

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)端發(fā)展情況

近年來，閥門電動/氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)展迅速，國內(nèi)外一些廠商相繼推出了基于現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能電動/氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu).它們采用微處理器系統(tǒng)，所有控制功能均可通過編程實現(xiàn).當(dāng)前，國際國內(nèi)先進(jìn)的智能閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品主要有以下幾種：

IQ系列智能電動執(zhí)行器.英國羅托克（ROTORK）公司于20世紀(jì)90年代推出了智能型電動執(zhí)行器（IQ系列），其有如下特點：（1）便利的參數(shù)遙控設(shè)定功能.可使用專用設(shè)定工具進(jìn)行參數(shù)的遙控設(shè)定.不僅操作方便、運行安全，而且具有良好的防爆性能.（2）豐富的在線顯示功能.利用內(nèi)置式液晶顯示板，不僅可準(zhǔn)確顯示閥門開、關(guān)狀態(tài)和正常閥門開度等，而且還可顯示故障信息.

ONTRAC MOE700/MME800系列智能電動執(zhí)行器.它是重慶川儀十廠由德國引進(jìn)的.MOE700系列為數(shù)字調(diào)節(jié)型－s2控制模式，MME800為連續(xù)調(diào)節(jié)型－s4控制模式，它們采用機(jī)械自鎖的渦輪、蝸桿結(jié)構(gòu)，三相電機(jī)變頻驅(qū)動和智能化監(jiān)控、數(shù)字檢測技術(shù)，其運行速度和力矩可在線或離線寬范圍設(shè)定，配上不同減速裝置，可輸出角位移（力矩可達(dá)40000Nm）和直線位移（推力可達(dá)80KN），驅(qū)動各類閥體或擋板.

IKZL智能型電動執(zhí)行器.IKZL智能型電動執(zhí)行器由上海自動化儀表股份有限公司下屬自動化儀表十一廠研制.它采用現(xiàn)代高效單片MCU和外圍芯片組成控制單元，驅(qū)動交流電機(jī)輸出與之相對應(yīng)的直線位移.該機(jī)構(gòu)可方便地與調(diào)節(jié)閥配套成自動調(diào)節(jié)閥，具備調(diào)節(jié)閥本身所要求的各種動作變換功能，適用于電力、冶金、石油、化工及輕工等工業(yè)部門.

以上幾種智能閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點是：機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)逐步取代組合式結(jié)構(gòu)，智能化控制技術(shù)逐步取代純電子控制技術(shù)，帶通信技術(shù)功能的逐步取代不帶通信技術(shù)功能的，數(shù)字控制方式逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制方式，運用紅外遙控的非接觸式調(diào)試技術(shù)逐步取代接觸式手動調(diào)試技術(shù).

1.2 網(wǎng)絡(luò)端發(fā)展情況

目前，針對泵閥設(shè)備的智能化主要是為非智能的設(shè)備安裝電子控制裝置以增加智能化控制能力.在物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)快速發(fā)展的背景下，將具備一定智能控制功能的設(shè)備接入一個統(tǒng)一的云服務(wù)平臺，具有更加重要的現(xiàn)實和長遠(yuǎn)意義.

整個智慧泵閥物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用工作還處于早期和中小規(guī)模應(yīng)用的階段.并且，工業(yè)自動化與物聯(lián)網(wǎng)云計算技術(shù)這兩大領(lǐng)域的交叉和集成，國內(nèi)外都處在探索階段，智慧泵閥系統(tǒng)也不例外，也存在著泵閥制造相關(guān)企業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和解決方案開發(fā)企業(yè)相互不了解、信息不對稱的問題.所以，建立包含制造方面和信息化方面的各個專業(yè)廠商的技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟是十分必要的.

目前，國內(nèi)的智慧泵閥物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)和應(yīng)用主要包括這樣幾個方向：城市智慧管網(wǎng)如氣網(wǎng)、水網(wǎng)等的監(jiān)控系統(tǒng)；煤化工、硫酸制造等行業(yè)的主要生產(chǎn)過程已經(jīng)實現(xiàn)計算機(jī)控制；大型發(fā)電機(jī)組普遍向計算機(jī)控制發(fā)展；不少長輸管線系統(tǒng)已經(jīng)采用計算機(jī)控制.以上這些成套設(shè)備的控制方式也都要求泵閥與之相適應(yīng).總之，近20年來，國內(nèi)外泵閥的控制方式都有很大發(fā)展，自動控制的泵閥品種不斷增多，發(fā)展趨勢明顯.

城市智慧管網(wǎng)主要是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時采集管網(wǎng)運行參數(shù)，包括流量、溫度、壓力等，通過數(shù)據(jù)處理和智能分析，得到管道運行狀態(tài)并控制壓縮機(jī)、泵、閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，實現(xiàn)城市管網(wǎng)安全、節(jié)能、穩(wěn)定運行［1］.泵閥是管網(wǎng)的關(guān)鍵部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，泵閥設(shè)備的智慧化是管網(wǎng)智慧化的重要組成部分.

1.3 相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢及國內(nèi)外差距

1.3.1 相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢

對大量的智能泵閥設(shè)備，生產(chǎn)廠家如何更加有效地維護(hù)，尤其是遠(yuǎn)程維護(hù)這些分布范圍廣、功能關(guān)鍵的智能設(shè)備，是一個重要的課題.作為未來的趨勢，智慧泵閥物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)系統(tǒng)首先就要解決制造廠家對出廠的大量智能化的泵閥設(shè)備尤其是高價值的關(guān)鍵設(shè)備的故障預(yù)警、數(shù)據(jù)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的問題.

此外，通過設(shè)備數(shù)據(jù)的搜集和分析，可以給企業(yè)產(chǎn)品的改進(jìn)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù).在此基礎(chǔ)上，無論是智慧管網(wǎng)還是智能工業(yè)領(lǐng)域，提供核心執(zhí)行設(shè)備的制造廠家正在由單純的設(shè)備制造向提供智慧管網(wǎng)和成套工業(yè)設(shè)備整體解決方案轉(zhuǎn)型.智慧泵閥物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)系統(tǒng)在向廠家提供設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)能力的同時，通過功能擴(kuò)展，即可升級到成套設(shè)備方案系統(tǒng)，即整個煤化工或者硫酸制造的集中故障預(yù)警和監(jiān)控系統(tǒng)，或者是為城市管網(wǎng)提供服務(wù)的智慧城市燃?xì)饣蛩畡?wù)系統(tǒng).

1.3.2 國內(nèi)外差距

目前，發(fā)達(dá)國家泵閥設(shè)備智能化程度較高，如嵌入智能芯片的水泵控制系統(tǒng)能夠根據(jù)一樁大樓的溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，智能調(diào)整供熱水泵的轉(zhuǎn)速，以降低能耗.相比之下，我國還存在不小差距：首先，泵閥設(shè)備本身的智能化水平有待提高.主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的智能化程度、控制穩(wěn)定性和精確程度都有相當(dāng)大的差距.其次，系統(tǒng)應(yīng)用的普及度有一定差距.我國相關(guān)技術(shù)都處于研發(fā)和應(yīng)用的初級階段.IBM公司在13年前就已經(jīng)提出智慧地球的概念.再次，對搜集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和深度利用的水平比較低.大數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在國內(nèi)仍然處于初級應(yīng)用階段.應(yīng)用云服務(wù)系統(tǒng)來實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的有效利用勢在必行.

2 云平臺構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 云服務(wù)平臺功能及軟硬件基礎(chǔ)

首先，充分調(diào)研聯(lián)盟設(shè)備制造企業(yè)的現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀，尤其是了解目前是否擁有數(shù)字化技術(shù)，以及現(xiàn)有哪些數(shù)字化的狀態(tài)數(shù)據(jù)；另外，目前是否擁有數(shù)據(jù)訪問接口，所擁有的數(shù)據(jù)接口的物理接口、電氣接口、應(yīng)用接口分別采用什么標(biāo)準(zhǔn)和使用什么協(xié)議技術(shù)［2］.

其次，在調(diào)研數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對泵閥設(shè)備的共性智能化需求以及各聯(lián)盟成員針對自身行業(yè)特點的個性化需求分別進(jìn)行明確與細(xì)化.對于標(biāo)準(zhǔn)化的需求，比如閥門的開度、水泵的轉(zhuǎn)速等可以直接獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用采集終端和云平臺標(biāo)準(zhǔn)功能模塊的方式實現(xiàn)；對于企業(yè)的行業(yè)個性化需求，例如對天然氣泄漏的檢測，采用可選或可配置模塊的方式實現(xiàn)，包括采集終端與氣體傳感器的對接以及云平臺的模塊配置技術(shù)與實現(xiàn)；對于企業(yè)或者應(yīng)用領(lǐng)域個性化的需求，從云平臺設(shè)計的角度予以支持，涉及具體的設(shè)備實現(xiàn)，需要與泵閥設(shè)備制造廠家逐一對接.最終確定的功能模塊如表1所示.其中，設(shè)備激活是指關(guān)聯(lián)設(shè)備與采集終端以及激活設(shè)備功能；安裝信息包括設(shè)備安裝的位置（地圖顯示）、安裝時間、操作人員、安裝的具體參數(shù)等；綜合查詢，可根據(jù)多個檢索條件查詢目標(biāo)設(shè)備，支持按地圖顯示結(jié)果；故障處理，可指派處理人員，給出處理意見，支持工作流處理；終端管理，可添加，批量導(dǎo)入，修改通信采集終端數(shù)據(jù)、終端遠(yuǎn)程配置等.

表1 云平臺功能模塊

本文擬先對接具有比較好的智能化數(shù)字化基礎(chǔ)的設(shè)備，進(jìn)而逐步增加兼容的設(shè)備類型，最后對那些沒有智能化基礎(chǔ)的設(shè)備，則與廠商共同研發(fā)對接接口.從共性的標(biāo)準(zhǔn)功能開始研發(fā)，然后逐一增加行業(yè)個性化功能，最終完成一個包含終端與云服務(wù)平臺、兼容多種類型泵閥設(shè)備的完善的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)系統(tǒng).系統(tǒng)設(shè)計主要采用模塊化的技術(shù)路線.采集終端的技術(shù)研發(fā)思路如圖1所示：

圖1 云平臺系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

2.2 云服務(wù)平臺的構(gòu)建

本文設(shè)計以物聯(lián)網(wǎng)為應(yīng)用場景的智能泵閥云服務(wù)平臺系統(tǒng)的總體框架.

該平臺以智能泵閥系統(tǒng)云服務(wù)為核心，以智能泵閥及相關(guān)信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)支撐，以各級網(wǎng)絡(luò)為紐帶，使整個平臺趨于統(tǒng)一和完整.智能泵閥控制主要包括智能泵閥接入的安全認(rèn)證、控制邏輯的配置、數(shù)據(jù)的采集與分析等相關(guān)子系統(tǒng)服務(wù)，實現(xiàn)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(wù)流程之間的集成［3］.同時，各子系統(tǒng)之間的異構(gòu)數(shù)據(jù)的互傳與分享也得到了保障.該智能泵閥云服務(wù)平臺將所有子系統(tǒng)集成為一體，能夠非常協(xié)調(diào)地進(jìn)行子系統(tǒng)之間的資源共享和與通信；同時，保留一定的接口，與外部系統(tǒng)互聯(lián)互通.

該系統(tǒng)主要由位于管理層的管理員、維修工程師及移動服務(wù)端的相關(guān)軟硬件，分布在數(shù)據(jù)采集區(qū)域（設(shè)備層）的傳感器和處于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)緩存基站等三部分組成.其中，傳感器負(fù)責(zé)定期采集泵、閥以及其他傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)（流量、壓力、狀態(tài)等）.數(shù)據(jù)緩存基站負(fù)責(zé)接收傳感器采集的各種信息.管理層負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)接入Internet，并處理匯集后的相關(guān)數(shù)據(jù)（流量、壓力、狀態(tài)等），之后，將處理結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫［4］.以上各層相互配合，最終給客戶端提供簡易的操作界面，以利于用戶更好地對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行實時管理.如圖2所示.

圖2 云服務(wù)平臺總體框架

3 結(jié)語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在對泵閥物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計了一種工業(yè)級的智能泵閥服務(wù)云平臺.該平臺注重提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力、集成能力、數(shù)據(jù)共享能力，平臺采用標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議，便于增添新的子系統(tǒng)，并有利于實現(xiàn)各子系統(tǒng)的聯(lián)動，不斷擴(kuò)展應(yīng)用空間，有利于實現(xiàn)智能泵閥系統(tǒng)“分層管理、集中控制、信息閉環(huán)”的集成運行效果.在該平臺的支撐下，智能泵閥業(yè)務(wù)可以得到擴(kuò)展，同時，有了云平臺的技術(shù)支撐，在新市場領(lǐng)域中泵閥產(chǎn)業(yè)就會得到更多的應(yīng)用機(jī)遇，滿足制造業(yè)工業(yè)信息化建設(shè)的總體要求.