基于物聯網的通用泵監測保護平臺的研究和開發

宋正江?楊欣燁

摘要： 隨著國民經濟發展需求變化，國內外泵行業產品向著專業化、精細化的發展，特別是機、電、儀一體化的發展趨勢非常迅猛，物聯網改造也已是大勢所趨，因此省內泵業公司特別是中小企業提升設備自動化、可靠性需求十分強烈。目前省內泵業生產的水泵大部分是小型泵，為家用、農用、建筑行業水泵，結構簡單，技術水平與大型泵、高速泵，在機、電、儀一體化方面還有差距，基本上屬于勞動密集型的產品，產品附加值低、同質化嚴重，升級需求強烈。本文主要對基于物聯網的通用泵監測保護平臺的研究和開發進行闡述。

關鍵詞：物聯網;通用泵;監測保護平臺

（一）背景

泵是一種面廣量大的通用機械，與國民生產生活息息相關，泵業從業者經常說的一句話“有人類活動的地方就有水泵”，雖有夸張但也道出了工業泵使用的廣度。目前國際泵行業總銷售額大概246億美元，其中頭部地位基本都被美國、日本、德國等發達國家所壟斷，其中美國ITT流體技術公司、古爾茲泵公司、日本的荏原公司、德國的凱士比公司、瑞士的蘇爾壽公司、丹麥的格蘭富公司是最著名的公司。國內浙江、江蘇、遼寧、山東是泵行業主要參與者，華東地區產值全國第一。其中浙江省產量產值目前已是全國首位，省內溫嶺、永嘉是主要的泵業生產基地，形成了典型塊狀經濟，配套生產鏈完整，發展迅速。

目前省內泵業公司基本分為三個層次，第一層以新界、利歐、大元等標志性上市的泵業骨干公司，第二層次為中、小型企業，這些企業都是近年來從家庭作坊脫穎而出的，有合格的生產許可證，真正通過ISO9000質量體系認證，加大技術監督力度和技改投入，各項基礎工作及生產、測度水平不斷提高產值和產量逐年提高。第三層次為家庭作坊，沒有技術投入、沒有測試，只有裝配，這類企業將逐步被淘汰。

隨著國民經濟發展需求變化，國內外泵行業產品向著專業化、精細化的發展，特別是機、電、儀一體化的發展趨勢非常迅猛，物聯網改造也已是大勢所趨，因此省內泵業公司特別是中小企業提升設備自動化、可靠性需求十分強烈。目前省內泵業生產的水泵大部分是小型泵，為家用、農用、建筑行業水泵，結構簡單，技術水平與大型泵、高速泵，在機、電、儀一體化方面還有差距，基本上屬于勞動密集型的產品，產品附加值低、同質化嚴重，升級需求強烈。

（二）研究現狀：

泵監測系統研究現狀：

英國的 S. Perovic 等人[1]通過電流頻譜來分析診斷故障，并完成單機獨立應用。美國的 Bechtel公司專門為火電站的一些設備開發的設備診斷專家系統[2]。加拿大維保公司為水輪發電機研制的在線監測和故障診斷系統;德國西門子公司為汽輪機及輔助設備研制的 Siemens/KMU 狀態數據監測系統;

物聯網技術研究現狀：

2009 年，美國“智慧地球”概念的提出旨在使人類的生活更加智能，更加便捷。德國“工業 4.0”這一戰略性研究項目的提出旨在建立智能化的制造業體系，以提升商品制造中的精度、速度和可靠度。同時，2013 年，我國國務院也頒布了有關物聯網的文件，旨在推進物聯網健康有序的發展。2017 年，國務院印發了《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導》。物聯網應用領域取得長足進步，工業互聯網應用規劃已經形成。 2018年11月浙江省印發《浙江省人民政府關于加快發展工業互聯網促進制造業高質量發展的實施意見》明確指出要建設培育形成1個國際級基礎性工業互聯網平臺和多個行業級工業互聯網平臺，形成具有特色的“1+N”工業互聯網平臺體系，促進更多的設備通過物聯網改造連接上網。國內頭部科技企業紛紛推出自己的物聯網平臺。

2.1 構建了一個基于物聯網的通用泵自動化監測與保護平臺方案。

作為一個定位于服務通用泵的監控和保護平臺，首要任務是理解通用泵在實際運行中的存在痛點，明確需求：

故障保護：研究表明通用泵 60%故障是電氣故障，其中電機故障超過總故障的40%。說明電機是泵運行過程中最薄弱的部分，電機故障超過九層，都是由于缺相、卡殼、過載，繼而發生漏電、短路等情況，最終導致長時間的電流過載，溫升過高，泵被燒壞。通用泵保護的主要是電流、電壓。項目組通過邊云協同構建電流、電壓監測，實現泵的運行保護功能，并實現線下警報器、線上APP、手機短信等推送方式報警。

自動控制：自動控制是通用水泵的另一個痛點。目前普通泵實際運行中，無法做到無人值守。往往要依據液位水平，確定是否工作。當液位下降到一定位置開始工作，當儲水裝置到達容量上限后，需要自動停止工作，例如農業灌溉、建筑排水等使用場景等。項目組通過液位傳感器結合PLC實現本地自動控制，通過線上app、網頁等形式配置定時控制策略，實現自動控制。

2.2 利用物聯網邊云協同技術實現工業水泵本地缺相保護、電流過載等故障保護，實現多種方式預警。

缺項保護：缺相保護就是正常的三相電源其中某一相斷路.原有的三相設備會降低輸出功率使其不能正常工作.或造成事故.因此對于一些重要的設備需要加缺相保護裝置。線路電源缺相時，會產生負序電流分量，三相電流不均衡或過大，引起電動機迅速燒毀。為了保障電動機的安全運行，使其在發生缺相運行時能及時停止電動機的運行。

1.3利用多種接入技術，實現水泵運行狀態實時上云服務，打通數據流，提供通用泵設備全生命周期管理。

根據設備工況，支持多種接入技術，提供高可用性云服務，依托阿里物聯網平臺，提供高并發支持。設備接入的穩定性和擴展性，提供穩定的運行數據流是通用泵管理的關鍵，通過與企業生產、銷售需模塊對接，完成通用泵生命周期管理。

項目以當前浙江省內中小泵業企業產品為研發對象，通過文獻查閱、走訪調研、行業專家訪談等多種形式，明確通用泵使用痛點，尋求智慧賦能與通用性、性價比之間平衡點，明確改造提升目標;分析技術瓶頸、關鍵指標，確立技術方案，完成平臺架構;再次，確定軟硬件通訊協議、接口，軟硬件團隊獨立開發測試，最后整合測試，取得了良好的效果。

作者簡介：宋正江，副教授，研究方向為物聯網開發，算法研究，浙江工業職業技術學院;楊欣燁，浙江工業職業技術學院，計算機應用技術學生

本文受浙江省新苗人才項目《基于物聯網的通用泵監測保護平臺的研究和開發》資助 項目編號 ：2020R460001