基于云計算和物聯網的智能閥門控制系統

袁邦　童成彪　臧興華　張希恒

摘 要：通過對現有閥門控制系統存在問題的分析，提出基于云計算和物聯網的智能閥門控制系統基本結構，通過軟硬件的集成設計，實現了閥門的智能控制。

關鍵詞：物聯網；云計算；智能閥門；控制系統

1 概述

現有的閥門控制系統一般是基于PLC控制或繼電器控制，其大型工業生產自動化配套DCS控制系統，DCS的理念是分散控制，集中管理。雖然自動控制的閥門能聯網控制，并能在控制中心監控狀態而通過操作員來集中管理。但是現有的閥門控制系統主要存在以下問題待解：（1）故障預警缺失（如短信報警等），無法做到主動維護；（2）閥門故障無法自動識別；（3）設備生產廠家無法獲取閥門的運行數據，設備一旦投運，對用戶是“黑盒子”，而對生產廠家逐漸變成“陌生人”；（4）閥門后臺數據處理缺失；（5）移動終端的遠程監控缺失；（6）閥門與其它設備之間的優化管理受限于用戶的操作及維護人員的個人能力水平。中閥科技（長沙）閥門有限公司全新研發的基于云計算和物聯網的智能閥門控制系統，針對上述問題給出了完美的解決方案。

2 物聯網閥門控制系統基本原理

智能閥門控制系統系統全面采用物聯網模塊，物聯網IOT（Internet of Things）是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化三個重要特征，即把所有閥門設備通過信息傳感設備與互聯網連接起來，進行信息交換，即物物相通，以實現智能化識別和管理。物聯網概念是在互聯網概念的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與任何物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。

物聯網閥門控制系統同樣可按照物聯網架構，分為三層：感知層、網絡層和應用層。

感知層由各種傳感器構成，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。感知層是物聯網識別物體、采集信息的來源。

網絡層由各種有線或無線通信網絡，包括以太網、互聯網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，是整個物聯網的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

應用層是物聯網和用戶的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。當為人服務的信息孤島問題通過互聯網解決后，需要在更大范圍解決物與人的信息孤島問題。只有人獲取物的信息，以及物與物互通獲得信息后，才能通過數據智能分析與優化技術，依據歷史經驗以及理論模型，快速做出最優決策。

3 智能閥門控制系統簡介

通過融入了最新的人工智能、物聯網、4G或5G無線移動通信、微功耗單片機技術、先進制造技術、使產品具備了無線上傳閥門數據、自動故障識別、故障短信預警、自動數據處理、遠程監控等功能。它能自動對設備故障進行診斷，并通過移動網絡將閥門數據實時發回監控中心，由廠家和客戶對產品進行24小時不間斷的監控，廠家將主動介入設備全壽命生命周期，可以實現主動及定制式售后服務，以保證設備運行安全和狀態最優。

主要功能：（1）閥門狀態遠程監測：在任何時間、任何地點，只要通過加密算法授權的終端便可以監控設備狀態。（2）閥門故障短信預警：當閥門出現故障時，自動在第一時間以短信形式或微信等第三方即時通信軟件通知客戶。（3）自動診斷和發送閥門保養通知：根據傳感器檢測的數據，與云計算服務器上的歷史數據進行綜合分析，能自動發出需停機維修、需限制油泵運行、需潤滑等通知，給出保養建議并發送至客戶手機。（4）自動故障識別：自動識別閥門卡組、閥芯或閥板位置異常，振動異常，未拔鎖定開閥、油液臟等異常情況，具備自動故障診斷和主動提醒功能，從而將閥門的異常消除在萌芽狀態，阻止異常進一步擴大升級。

4 系統組成

智能閥的控制系統包括軟件和硬件兩部分，其中硬件包括智能傳感器、基于PLC的電液控制系統、CBV-I型數據采集終端、云計算服務器四部分組成。系統邏輯圖見圖1。

4.1 智能傳感器組類型

智能傳感器組，常用的主要類型如下，可根據實際閥門類型和工況要求配置：（1）液位傳感器；實時監控液壓系統液位，以數字量或開關量方式顯示在系統中，并設報警閾值；（2）液溫傳感器；對液溫進行實時監控，可以數字量或開關量方式顯示在系統中，并設報警閾值；（3）壓力傳感器；通過壓力變送器和壓力繼電器監控系統壓力；（4）開度傳感器；通過角位移變送器顯示閥門開度；（5）流量傳感器；檢測閥門過流能力和動水力矩等的影響；（6）振動傳感器；檢測閥芯的工作狀態。（7）油液清潔度傳感器；對清潔度的檢測包括兩個部分，一是壓差發訊，二是油液顆粒物檢測。

4.2 CBV-I型智能數據采集終端

CBV-I是中閥科技（長沙）閥門有限公司具有自主知識產權的專利產品，其采用32位單片機作為主控芯片，通過通信協議與PLC進行數據通信，上傳或下載數據。采集的數據通過有線或無線通信接入國際互聯網，與服務器之間的傳輸采用專用協議及加密算法傳輸，保證了數據的安全性。

4.3 共用或私有云計算服務

云計算將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使各種應用系統能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務。云計算服務器提供閥門數據的存儲及分析功能，配置有數據庫及web服務器，云計算服務確保具有足夠的帶寬從而實現多終端并發操作；因此，云計算服務是實現物聯網閥門控制系統的核心，其有效促進物聯網和互聯網的智能融合。

4.4 機電液控制系統

機電液控制系統是在傳統產品的基礎上發展起來的，增加了大量的傳感器接口，并內置了與采集終端的通信協議，提供一部分邏輯功能進行簡單的實時故障分析和處理，而復雜的邏輯在服務器端來實現數據挖掘和分析。

4.5 軟件

系統軟件包括單片機軟件和服務器軟件兩部分，其中服務器軟件基于B/S架構開發，應用軟件在服務器上運行，從而大大降低了對終端的要求，一臺能上網的終端，電腦、手機、平板都可以運行監控程序；無論客戶在哪里，打開瀏覽器或第三方即時通訊軟件（如微信等）就可以看到閥門的運行狀態，從而對閥門的運行情況了如指掌。

5 結束語

基于云計算和物聯網的智能閥門控制系統是對傳統閥門產品的一次重大升級，該系統是順應互聯網+和設備智能化大潮；通過依托湖南省特大口徑電站閥門工程技術研究中心的平臺，歷經三年多時間研發，取得了智能閥門控制系統的集成電路布圖設計著作權一項，軟件著作權一項，發明專利2項，實用新型專利2項。

該產品經過烏魯木齊水務集團以及衡陽自來水公司等客戶的成功運行，不僅大大提高了液控蝶閥和調流減壓閥的性能、可靠性，而且實現了可預見性維護，大大提升了用戶體驗。它是當代先進電子技術、人工智能技術和傳統閥門制造行業的融合，代表著閥門設備智能化的必然趨勢，是當前具有世界領先水平的閥門產品。