水泥灌漿全過程物聯網監測系統研究

摘要：在水利水電工程建設中，帷幕灌漿工程量大，需采用智能灌漿全過程物聯網監測系統替代常規灌漿記錄儀，以規范施工操作。設計了一種包含制漿機、灌漿泵及儲漿桶的水泥灌漿全過程物聯網監測系統，集成智能傳感器、PLC、物聯網網關模塊等設備，利用物聯網網關云服務器數據爬取技術實現進漿及返漿流量、進漿密度、壓力等數據的采集和處理，并能提供觸摸屏人機交互及數據存儲功能，且實現了遠程物聯透傳顯示及控制。該系統已在南水北調中線雄安調蓄庫灌漿試驗工程中付諸應用，結果表明：該系統運行穩定，數據實時性好，為實現全過程智能灌漿和管控奠定了基礎。

關 鍵 詞：水泥灌漿； 物聯網監測； 智能傳感器； PLC控制； 遠程監控； 南水北調中線

中圖法分類號： TV543.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.032

0 引 言

帷幕灌漿技術在水電站建設中發揮著重要作用，包括巖體加固、滲漏控制、基坑抗滲、堆石壩加固和支護導流洞等方面^［1-2］，為水電站的安全建設和穩定運行提供了有效的技術手段。近年來，灌漿工程自動化和智能化控制成為研究的熱點^［3-4］。灌漿行業設備發展大體經歷以下幾個階段：人工灌漿手工記錄階段、人工灌漿記錄儀監測階段及智能灌漿階段^［5-6］。水利水電工程建設中帷幕灌漿工程量大，傳統的灌漿記錄儀依賴人工操作和經驗，存在數據記錄不準確、實時性差的問題^［7-9］，無法滿足現代工程對灌漿過程實時監控和智能化管理的需求。因此，采用智能灌漿全過程物聯網監測系統替代常規灌漿記錄儀，以規范施工操作，實現灌漿過程智能化，對保障工程質量及提升智能建造水平具有重要意義。

實現智能灌漿首先需將灌漿全過程數據無線接入云服務器，然后采用智能控制算法實現智能壓力控制、自動配漿、灌漿工藝控制等，從而實現灌漿全過程智能化施工及管理。本文介紹了一種水泥灌漿全過程物聯網監測系統，該系統集成智能傳感器、PLC、物聯網網關模塊、模擬量/數字量模塊等，通過使用物聯網網關云服務器數據爬取技術，實現進漿及返漿流量、進漿密度、壓力等數據的實時采集和處理，提供觸摸屏人機交互及數據存儲功能，并實現遠程監控和控制。同時，該系統在南水北調中線雄安調蓄庫灌漿試驗工程中成功應用，為實現全過程智能灌漿和管控奠定了基礎，有望在更廣泛的工程項目中推廣應用，提高施工效率和質量。

1 物聯網監測系統方案設計

圖1所示為水泥灌漿作業工區布置圖。灌漿工程主要設備包括鉆機、制漿機、儲漿桶、攪拌槽、灌漿泵等^［10-11］。鉆機用于在工程中進行鉆孔作業，制漿機則用來將水泥與水充分混合形成灌漿漿液，儲漿桶通常用來儲存制備好的灌漿漿液，而攪拌槽則用于對漿液進行充分攪拌混合，灌漿泵則是將漿液從儲存容器輸送至施工現場的關鍵設備。水泥灌漿作業在土建工程中扮演著至關重要的角色，其施工質量直接影響著工程的穩定性和耐久性。為了更好地監控和管理水泥灌漿工程全過程，在現代科技的支持下，開發水泥灌漿全過程物聯網監測系統顯得尤為重要^［12-13］。

本文開發的水泥灌漿全過程物聯網監測系統采用B/S架構，可分為感知層、網絡層和應用層^［14-15］。其中感知層主要包括智能傳感器、物聯網網關、PLC本體及模擬量/數字量采集模塊，智能傳感器及PLC通過有線傳輸實現相關數據采集，PLC與觸摸屏通過以太網網口進行Modbus TCP/IP通訊，實現數據的傳遞，同時物聯網網關通過有線傳輸讀取PLC采集數據并通過無線方式（4G）傳輸至網絡層；網絡層中，云服務器得到感知層的數據后，通過MQTT協議將數據傳輸至應用層；應用層中，采用Python開發的云平臺監測軟件獲取網絡層傳輸的數據。同時云平臺監測軟件可通過物聯網網關實現灌漿泵的啟停控制。圖2所示為水泥灌漿全過程物聯網監測系統設計架構。

水泥灌漿全過程物聯網監測系統在制漿機、儲漿桶、灌漿泵及其循環管路上安裝流量、壓力、溫度、密度及液位等智能傳感器，實現注漿和返漿的流量、壓力、密度、溫度等實時數據的全過程監測。圖3所示為水泥灌漿全過程物聯網監測系統硬件結構圖，整個物聯網監測系統以PLC為控制核心，物聯網模塊和觸摸屏通過交換機以TCP/IP協議與PLC進行通信。數字量輸出傳感器與PLC進行串口總線通信，PLC控制器I/O口可實現灌漿泵啟停的點位控制。

2 物聯網監測系統硬件設計

水泥灌漿全過程物聯網監測系統PLC輸入端接入3個密度傳感器，輸出信號為4～20 mA的模擬量信號；流量傳感器、溫度傳感器、稱重傳感器、壓力傳感器、液位計等采用RS485數字量輸出，支持Modbus串口通訊協議，數字量輸出每個傳感器都有屬于自己的站號，該站號可人為設置，PLC進行輪巡讀取過程中通過站號來識別不同傳感器；遠程控制采用PLC繼電器進行開關量控制。根據輸入及輸出數，確定如表1所列的控制系統I/O分配。

水泥灌漿全過程物聯網監測系統采用的PLC型號為西門子S7-200 Smart的ST40 CPU模塊，模擬量模塊采用西門子擴展模塊EM AM06。其中，ST40 CPU模塊有24個輸入點和16個輸出點，支持RS232/422/485通訊；EM AM06模塊具有4點模擬量輸入/2點模擬量輸出^［16-17］。觸摸屏的型號為昆侖通泰Tpc1231Ni，自動通訊偵測，支持以太網通訊。觸摸屏實現人機交互，通過以太網與PLC進行通訊，實現近端操作及數據顯示和存儲。

圖4所示為水泥灌漿全過程物聯網監測系統主控區電氣接線圖，圖中SB1和SB2分別為物聯網監測啟動自鎖按鈕和急停按鈕。高低位密度計和回漿密度計可輸出4～20 mA模擬量信號接入至西門子擴展模塊EM AM06中，實現模擬量實時原始信號的采集，然后需進行傳感器的標定。稱重傳感器等6個傳感器通過Modbus協議及PLC的RS485接口實現串口總線通訊。當多個傳感器通過總線接入一個RS485口時，通過傳感器的站號實現傳感器信號分辨。為了減少信號反射和提高信號完整性，串口總線的兩端一般連接終端電阻。

3 物聯網監測系統軟件設計及系統調試

3.1 PLC程序設計

水泥灌漿全過程物聯網監測系統的控制流程是順序流程，圖5所示為PLC程序流程。

（1） 初始化與配置：配置PLC的通訊參數，包括Modbus地址、波特率等；初始化系統傳感器和執行器的接口。

（2） 設計一個主循環：周期性地檢查與控制各采集程序，循環檢測是否啟動采集，若是則啟動模擬量和數字量接口進行數據采集，并對收集到的數據執行必要的濾波處理；否則停止數據采集與數據上云。

（3） 模擬量信號的順序化采集：模擬模塊EM AM06密度計中的4～20 mA模擬量信號，并按傳感器標定結果實現高低位和回漿密度數據的獲取。

（4） 數字量信號的輪詢采集：在PLC程序中設置一個輪詢循環，依次輪詢每個傳感器。發送請求后，等待傳感器的響應并處理接收到的數據；在程序中添加異常處理機制，處理傳感器通信異常或超時情況，確保系統的穩定性和可靠性。根據數字量輸出傳感器的站號來識別不同傳感器，并存儲到對應PLC對應的寄存器進行存儲。

（5） 數據上云：設定數據上傳至云網關的邏輯及上傳策略，將經過處理的數據通過安全加密方式上傳至云網關，確保數據傳輸的安全性和可靠性。云網關接收上傳的數據并將其存儲在云服務器中，建立數據庫用于存儲和管理水泥灌漿監測數據。云平臺監測軟件可在云端對數據進行分析和挖掘，生成報表、圖表等形式用以展示，并支持遠程實時監控和管理。

3.2 觸摸屏程序設計

觸摸屏界面采用McgsPro組態軟件開發，如圖6所示，包括進漿及高低位密度顯示區、流量及液位顯示區、溫壓及稱重信號顯示區，同時觸摸屏界面可對數據采集及數據上云進行開關操作，并對孔號、段號等信息進行設置，方便數據的存儲及上云。界面設計了故障預警顯示，設置報警閾值和范圍，對進漿返漿密度、流量及液位、溫壓及稱重進行超限報警。

連接好網口通訊線后，在McgsPro組態軟件中設置默認的連接方式TCP/IP網絡，設置目標機名PLC的IP地址即可完成觸摸屏與PLC的通訊。通過以上合理的端口設計和配置，結合直觀友好的觸摸屏界面設計，可以實現水泥灌漿全過程物聯網監測系統的高效運行和便捷管理。

3.3 云平臺監測軟件設計

水泥灌漿全過程云平臺監測軟件采用Python進行開發，設計四大模塊功能，即實時數據模塊、參數設置模塊、報表過程數據模塊及歷史記錄模塊，實現水泥灌漿全過程數據的遠程獲取顯示、灌漿泵的遠程啟停及歷史數據的遠程存儲，圖7為水泥灌漿全過程云平臺監測軟件界面。云平臺想要識別并顯示網關傳輸過來的不同數據，首先需配置好MQTT服務和VPN服務，然后根據采集程序中各個不同數據的寄存器類型、地址偏移和數據類型配置數據點表，最后確定上報方式是定時上報還是變化時上報，即可實現數據的上傳、下發及存儲。

實現數據的遠程上傳與下發需建立云平臺監測軟件與網關服務器的API連接，并將 API接口內的實時數據通過 Python代碼爬取到本地的 CSV數據庫中且存儲，最后將本地數據庫中的對應數據通過代碼賦予給網頁中對應地址，實現可視化。

（1） 網關服務器及云平臺監測軟件API連接設計：網關服務器能夠通過HTTP API實現數據的上報下發，請求類型為 GET型和POST型。API接口內的每行數據包括的內容都是“time”“value”以及最后的數據名稱，并且每行數據的時間格式都是一串數字，這串數字就是時間戳，為了實現跨平臺兼容性及數據解析，使用UNIX時間戳進行時間記錄。

（2） 接口數據的爬取及本地的存儲設計：數據存儲主要有TXT、JSON、CSV等幾種^［18-20］，本文所述監測軟件采用CSV存儲方式。數據爬取前需安裝requests庫、json庫、pandas庫、os庫及time庫。查詢數據中間存儲的API網址并將數據存儲到臨時地址res中，篩選數據中的test文件并根據名稱賦予給對應的存儲地址。以下為數據爬取并存儲到臨時地址res中的關鍵指令：

url=https：∥cloud.truhigh.com/api/IoTDevice/getdata？id=628eee9737779b7145628cba

res=requests.get（url）

其中test文件中的數據賦予給對應存儲地址并進行本地存儲的關鍵指令為

text=json.loads（res.text，encoding=\"utf-8\"）

next_PT=text［points］［next_Pamp;T］ ［value］

（3） 可視化前端設計及內網透傳：通過Python腳本爬取傳感器數據，并將這些數據存儲在數據庫中。利用Flask框架構建Web應用，通過結合HTML、CSS和JavaScript，實現動態數據可視化和用戶交互界面。此外，此系統通過網絡服務套件實現了內網透傳功能。在這一過程中，客戶端先向本地服務器發送請求，本地服務器將這些請求轉發至內網中的特定服務器，內網服務器處理完數據后，會將響應發送回本地服務器，該服務器再將響應轉發給客戶端。全程通信通過網絡服務套件中的加密通道進行，保障了數據傳輸的安全性和完整性。這種設計有效實現了內外網之間的通信，同時確保了數據交換的安全性和高效性。

4 系統調試及應用

研發的水泥灌漿全過程物聯網監測系統在南水北調中線雄安調蓄庫灌漿試驗工程中進行了現場應用，圖8所示為正常灌漿階段采集的實時灌漿壓力、灌漿流量及灌漿密度數據曲線。

水泥灌漿全過程物聯網監測系統實現了灌漿孔全過程灌漿數據的同時采集與管理，節省人工、提高工效、節約成本，為雄安灌漿庫智能化灌漿施工奠定了基礎。圖9所示為灌漿過程物聯網監測控制柜及云平臺現場遠程監測界面。經功能性和可靠性測試，水泥灌漿全過程物聯網監測系統實現了進漿及返漿流量、進漿密度、壓力等數據的采集，觸摸屏人機交互及近端數據存儲，以及遠程物聯透傳顯示及控制，系統長期運行穩定，數據量完整，實時性好。

5 結論與展望

水泥灌漿全過程物聯網監測系統由硬件和軟件兩大部分組成。在硬件方面，以PLC為核心，實現了灌漿過程中模擬量信號的分通道采集和數字量信號的串口總線采集，以及數據向觸摸屏和物聯網網關的高效傳輸。在軟件方面，包括PLC程序、觸摸屏程序和云平臺監測軟件。PLC程序通過順序控制和數字量信號的輪巡，實現了多傳感器數據的實時采集。觸摸屏程序則通過組態軟件編程實現了數據的即時顯示和故障預警。云平臺監測軟件采用Python開發，實現了API連接設計、數據爬取、本地存儲及通過內網透傳技術的數據遠程傳輸和控制指令下發。此系統在南水北調中線雄安調蓄庫灌漿試驗工程中進行了實際應用。測試結果顯示：該系統能夠長期穩定運行，實時性能優良，成功實現了灌漿返漿密度、流量等關鍵工藝數據的實時監測和遠程灌漿泵控制。

水泥灌漿全過程物聯網監測系統通過物聯網技術應用提高了數據采集和處理的效率，確保了工藝數據的實時性和準確性；系統的遠程監測控制功能極大地提升了操作的靈活性和安全性，降低了人工操作的需求，進而減少了操作成本。同時，系統的穩定性和可靠性在長期實際運用中得到了驗證，這不僅增強了操作的連續性，也為進一步實現全過程智能化灌漿及其自動化管控奠定了堅實的基礎。

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（編輯：胡旭東）

Research on IoT monitoring system for entire process of cement grouting

ZHOU Zhigang^1，2，DING Ye^1，2，HUANG Fan^1，2，TAN Songcheng³，LI Changping⁴

（1.Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan 430010，China； 2.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 3.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China； 4.School of Mechanical Engineering and Electronic Information，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：

In construction of water conservancy and hydropower projects，the curtain grouting amount is large，it is necessary to use IoT monitoring system for entire process of intelligent grouting to replace the conventional grouting recorder to standardize the construction operation.In this paper，an IoT monitoring system for entire process of cement grouting including pulping machine，grouting pump and slurry storage barrel was designed.This system integrated intelligent sensors，PLC，Internet of Things gateway modules and other equipment.The data crawling technology of IoT gateway cloud server was used to realize the collection and processing of data such as slurry flow，slurry density and pressure，and touch screen human-computer interaction and data storage functions are accessible.In addition，the system realized remote IoT transparent display and control.The system was applied in the grouting test of Xiong′an Regulating Reservoir in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.The results show that the system ran stably and the data was real-time，which laid a foundation for the realization of intelligent grouting and control in the whole process.

Key words：

cement grouting； IoT monitoring； smart sensors； PLC control； remote monitoring； Middle Route of South-to-North Water Diverision Project