恒液位自動化控制與物聯網模塊結合運用研究

靳昌龍

（國家礦山安全監察局山東局救援指揮中心，山東 濟南 250031）

在供排水系統中，液位是被經常監控和參考的物理量。恒液位自動化控制在供排水系統中廣泛運用，具有全天候自動啟停、無人值守、安全可靠等特點，但在故障實時報警、遠程監控、應急處置等方面，還存在著一些差距。近幾年，隨著物聯網技術在各領域應用，手機APP 開發越來越多，差距逐漸被化解。恒液位自動化控制與物聯網技術的結合運用[1]，可以實現系統自動化工作、故障實時報警、手機APP 遠程監控、應急遠程處理等功能，具有低成本、多功能、穩定性高等優點[2]。

柴里礦污水泵房原來由專人值守監控，定時監測污水水位及水泵工作電壓、電流及管道壓力。隨著礦區人力資源的不斷優化配置，一些傳統的操作巡檢崗位被整合撤銷。柴里礦東門外馨園社區地勢低洼，夏天雨季防洪排水給污水泵房帶來了較大的壓力和考驗。為做好雨季防洪排水應急處置，減少工作人員壓力，確保第一時間作出應急反應，柴里煤礦將智能化物聯網技術應用于污水排放系統中。該系統以液位為主要判斷標準，以水泵額定電流、管道壓力等參數為輔助標準，通過可編程控制器控制數臺水泵的啟停，達到恒液位供水的目的。在此基礎之上，通過專用通信系統，使可編程控制器與物聯網模塊有機結合，再通過4G 網絡把現場數據上傳到云平臺，通過手機APP 界面，實現數據實時查看、故障報警、遠程操控等[3]。

本文以柴里煤礦污水處理系統改造為例，介紹了恒液位自動化控制與物聯網模塊結合運用方面的研究情況。

1 系統總體設計方案

恒液位自動化控制使用比較廣泛，且技術發展較為成熟。該系統在此技術領域未作出大幅改動，便于將來此系統與其他技術相融合。在系統開發運用方面，物聯網通信平臺部分是一個主要部分，需要大量的組態畫面建設、數據關聯等工作。在這部分工作中，可編程控制器與物聯網模塊通信建立是一個關鍵技術和難題，既包括通信本身的技術，如通信方式、協議等，又包括組態畫面中每一個按鈕、指示燈、模擬量數據顯示、模擬量動態變化顯示等[4]，與可編程控制器中數據關聯，一一對應，實現數據同步，為手機APP 界面顯示、遠程操控做好準備。手機APP 界面是系統的遠程監控操作部分，主要是在云平臺界面中，組建一個適合手機界面顯示的組態。手機下載安裝專用軟件，登錄云平臺即可顯示監控操作畫面，實現與現場數據同步。在系統總體框架設計上，主要包括三大部分：現場自動化控制部分、物聯網通信平臺部分、遠程監控操作部分。

現場自動化控制部分主要以現場的動力設備和控制單元為主，動力單元有水泵、電動閥門；控制單元有可編程控制器、觸摸屏；取樣單元有液位取樣、電流取樣；報警單元為語音、光線報警。

物聯網通信平臺部分主要有軟硬件兩個部分：硬件包括物聯網模塊、電源模塊、通信線路；軟件包括云平臺、4G（WiFi）通信網絡、數據畫面組態、手機APP 界面組態。

遠程監控操作部分根據使用場景可以分為PC終端、手機APP 軟件；故障異常報警又可分為短信、微信、電話三種報警方式，可供維修人員選擇。系統總體框架結構如圖1。

圖1 系統框架圖

2 各部分具體工作運用

2.1 現場自動化控制部分

現場的自動化控制部分采用S7-200 可編程邏輯控制器編程控制，利用投入式液位傳感器實時監測蓄水池液位變化情況。PLC 根據液位變化情況，按照預先編寫的程序，自動控制供水泵、排水泵的開啟與停止，利用分布在各個現場的電流、電壓、壓力變送器，取得反饋信號，用于監控和保護、報警等事件的啟動。整個系統不需人為干預，自我啟停，實現了自動化、無人化工作。

現場使用的觸摸屏與PLC 通信后，用于顯示PLC 存儲的數據及設備狀態監控，用于特殊情況下的手動切換與檢修操作。

現場控制部分為一套獨立完整的自動化控制系統，可以實現自動和手動兩種控制模式，觸摸屏界面一鍵模式切換。現場自動化控制部分框架圖如圖2。

圖2 現場自動化控制部分框架圖

1）PLC 編 程： 西 門 子S7/200、CPU226、EM231、手動/自動兩種模式；

2）液位取樣：MJYW10A、4/20MA；

3）電流取樣：WB1414F21、4/20MA；

4）觸摸屏：MCGS、1061TI；

5）數據監控：液位、壓力、電壓、電流；

6）故障報警：指示燈、語音。

2.2 物聯網通信平臺部分

物聯網通信平臺部分包括物聯網模塊、云平臺、4G（WiFi）通信網絡、數據畫面組態四個單元。現場的PLC 通過串口或者網口與物聯網模塊物理連接，物聯網網關模塊通過4G（WiFi）通信網絡與云平臺建立聯絡[5]。現場的PLC 內部數據就可以通過物聯網模塊，透傳給云平臺。在云平臺上，建立組態畫面，把需要顯示的數據、設備狀態以及需要操控的部件，組態到界面中，再把畫面與PLC 傳送的數據一一關聯，整個通信和組態就建立完成，所需要的數據就可顯示在組態畫面中。

圖3 云平臺組態框架圖

1）物聯網網關模塊：SUK/BOX/4G、485 串口與PLC 通信、RJ45 接口與PC 機連接程序下載；

2）云平臺：開發界面、數據存儲；

3）4G（WiFi）通信網絡：4G 網絡與云平臺通信；

4）數據畫面組態：按鈕、指示燈、液位、壓力、電流。

2.3 遠程監控操作部分

遠程監控操作部分包括PC 終端、手機APP 操控界面、事件報警三個部分。用戶可以通過所使用的設備選擇PC 終端機和手機APP，也可同時使用兩種方式，也可供多臺設備同時登錄使用。PC 終端機用戶通過以太網登錄云平臺，就可以打開組態畫面，可以修改畫面和參數。手機APP 是一個監控操作畫面，通過4G 或5G（WiFi）登錄云平臺，監控數據及設備狀態，可利用界面部件切換手動自動模式，直接操控現場設備，但是不可以修改畫面和參數。當預設的事件發生時，平臺可以通過短信、微信、電話語音發送相關信息到關聯人的手機上，報警提醒。

1）PC 終端：登錄云平臺、監控數據、更改參數、開發者使用、授權用戶；

2）手機APP 操控界面：APP 下載、登錄云平臺、監控、操作；

3）事件報警：報警事件可設置等級以及權限，方式為短信、微信、電話語音。

由圖8可知，狀態機運行結束后產生完成脈沖信號，同時輸出連通域的個數以及連通域的坐標，仿真結果顯示總共檢測到16個連通域，與仿真測試文件相一致，且給出的連通域最小外接矩形坐標也和測試文件相同，說明該算法功能仿真正確。

2.4 綜合運用

恒液位自動化控制與物聯網模塊綜合運用應用系統，包括硬件連接和數據傳輸兩個部分。

以柴里煤礦污水泵房排水系統改造為例，可編程控制器是現場控制的中樞，它通過通信線路連接信號變送器，采集現場的液位、電壓、電流等信號，作為控制依據，通過用戶編程，分析作出動作判斷，發出控制信號，通過控制線路，控制連接的控制器和報警設備，實現水泵的開啟、停止。

可編程控制器通過RJ45 網口與物聯網模塊建立連接，在連接過程中，需要對物聯網模塊的連接參數進行設置，使設備進行通信匹配。物聯網模塊與可編程控制器連接后，需要與云平臺建立通信連接，通信方式支持4G（5G）和WiFi 兩種方式[6]。建立連接時，需要在云平臺中進行一些連接的參數設置。最后一步就是手機與云平臺的連接，這個一般通過廠家提供的專用軟件去連接，下載安裝APP，密碼登錄后，在平臺中找到所使用的工程項目，打開彈出畫面即可使用。

由于“液位”模擬量是整個系統運行最重要的參考依據，所以將以“液位”的傳輸途徑為例，介紹整個系統的數據傳輸、動作執行以及執行理念。“液位”通過投入式液位傳感器的電阻變化情況，取得一個電壓值，電壓值通過變速器變成一個標準的電壓值或者電流值（該工程選用的是4～20 mA）。電流值通過模擬量模塊輸送給PLC，PLC把這個值作為參考，根據程序做出動作執行判斷，輸出動作執行或者顯示輸出。

PLC 在完成現場控制的同時，把數值傳輸給觸摸屏顯示，也傳輸給物聯網模塊，通過物聯網模塊透傳給云平臺，手機APP 界面通過云平臺就可以得到液位數值。

以手機APP 上的按鈕去啟動現場的水泵，接收開關量的傳輸。按下手機界面上的啟動按鈕，通過網絡傳給云平臺，云平臺不作判斷，直接通過物聯網模塊傳給PLC，PLC 通過程序判斷，輸出一個執行信號，驅動水泵相關聯的接觸器，啟動現場的水泵，同時把水泵的運行電流傳給PLC 進行監控，此時PLC 也會傳給云平臺以及觸摸屏、手機界面。

3 項目評價

3.1 有利因素

1）技術成熟可靠

恒液位自動化控制是一套成熟可靠的技術，具有全天候自動啟停、無人值守、安全可靠等優點。物聯網技術近幾年在各個領域得到了推廣使用，特別是車聯網、智能家具、智慧農業等方面運用較好。在其他方面，運用功能多比較單一，一般包括數據監控、點對點的開啟、停止和報警等。該項目的創新點在于，在供排水系統中，把自動化與物聯網模塊有機融合運用。正常情況下，恒液位自動化控制系統獨立工作，物聯網系統不干預，只是監控；特殊情況下，手機界面一鍵切換手動模式，既能操控PLC，又能監控數據及設備狀態，實現了全天候自動啟停、無人值守與遠程監控、應急處置等功能的無縫銜接。

2）成本低廉、易于開發、操控簡便

該項目易于開發利用，可以在原有的恒液位自動化控制系統上，直接加裝物聯網網關模塊，對PLC 程序稍加改動，既可以關聯物聯網模塊，投入使用。物聯網網關模塊投入成本在2000 元左右。云平臺組態方面，開發觸摸屏組態的技術人員，稍加學習，就可以開發云平臺組態；手機操控方面，非常簡單，一鍵切換，特別適合一些惡劣天氣或緊急情況下的應急處理，既解決了惡劣環境下操作人員不能到達現場操作的困難，又能為事件及時處理提供保證。

3.2 不利因素

不利因素包括通信安全、平臺穩定性、后期費用、通信延時、特殊環境下的使用問題。

物聯網涉及的通信安全是一個繞不過的問題。企業的數據通信，以前多數用一個企業自己的局域網，比較安全，現在用的是公網，特別重要的系統，需要特別注意數據安全、操控安全。

云平臺包括公有云和私有云，平臺穩定性、后期有無租用開支以及開發人員的崗位穩定性，都會影響物聯網系統的長期使用。由于大多數物聯網模塊價格低廉，多采用4G 或WiFi 信號，不可避免地存在延時情況，不適合及時性要求高的場所。對于煤礦等對防爆要求嚴格的場所，還要做一些相應的工作。

4 結語

污水泵房恒液位自動化控制與物聯網模塊結合運用項目，是一項關乎民生的系統改造工程。該項目以較小的資金投入，通過技術改造與融合，改變了以往人工值守的傳統工作模式，在優化人員結構的同時，也減輕了職工勞動強度。在雨季來臨之時，該系統能夠第一時間做出反應，迅速排水，防止居民遭遇洪澇之苦，大大減少了大雨季節低洼地區積水的現象。該系統配備的遠程監控操控的工作模式，體現了物聯網技術的便捷，為自動化啟停水泵增添了額外保障，確保系統的平穩運行。