基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

付 琛，楊國(guó)華，李海波，趙曉峰

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

付 琛，楊國(guó)華，李海波，趙曉峰

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

為滿足產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)對(duì)于高素質(zhì)應(yīng)用型人才的新需求，加強(qiáng)高職院校的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，結(jié)合工業(yè)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套以實(shí)際水利排澇站工程為載體的智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)以PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制核心，采用分散控制、統(tǒng)一管理的模式，利用瀏覽器、手機(jī)APP作為遠(yuǎn)程終端服務(wù)軟件，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)排澇泵站的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制。運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以使學(xué)生加深對(duì)互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)控制的理解。

智能控制技術(shù)；智慧水利；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；互聯(lián)網(wǎng)+

《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》頒布以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐漸融入各生產(chǎn)領(lǐng)域，與農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、金融業(yè)、物流業(yè)等產(chǎn)業(yè)的融合度已愈來(lái)愈高[1-3]，帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)信息數(shù)據(jù)的共享與高效管理[4]。為了滿足“互聯(lián)網(wǎng)+新興技術(shù)”的需要，加快人才的培養(yǎng)是根本。本文從提高人才培養(yǎng)與社會(huì)的契合度出發(fā)，以“互聯(lián)網(wǎng)+水利”作為載體，以提高實(shí)驗(yàn)通用度為目標(biāo)，研制了智慧型水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代對(duì)崗位人才技能的需求，實(shí)現(xiàn)專業(yè)與課程的跨界融合，彰顯職業(yè)院校人才培養(yǎng)的特色。

1 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧型應(yīng)用平臺(tái)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、數(shù)據(jù)中心層以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層4部分組成[5]。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，主要是利用不同控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控與管理；在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層，主要是借助互聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；在數(shù)據(jù)中心層，主要是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及安全管理；在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，主要是利用數(shù)據(jù)中心的大數(shù)據(jù)服務(wù)于商務(wù)以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)智能決策，以提高經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)管理效率。智慧型應(yīng)用平臺(tái)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）智能感知體系的構(gòu)建；

（2）無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用；

（3）異源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與分析；

（4）云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用；

（5）智能決策與控制。

為了讓學(xué)生系統(tǒng)地了解“互聯(lián)網(wǎng)+”的關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)復(fù)合型的專業(yè)技能，提升創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力，采用如圖1所示的智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)。圖1中，利用PLC實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)泵閘控制對(duì)象的智能啟停控制以及當(dāng)?shù)貎?nèi)外河水情監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)；利用OPC Agent實(shí)現(xiàn)對(duì)排澇現(xiàn)場(chǎng)的控制、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和處理，上報(bào)云端服務(wù)器，自適應(yīng)斷線/在線工作模式，訪問(wèn)安全控制，主動(dòng)記錄日志與報(bào)警等功能。結(jié)合“云端”的水利信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水情監(jiān)測(cè)、排澇站水泵、閘機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控以及泵站機(jī)組的智能實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度和水文數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。

圖1 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下位現(xiàn)場(chǎng)控制層模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備的選擇

實(shí)際水利排澇站采集的信息主要是內(nèi)河、外河水位和水泵的電參數(shù)。水位信息的采集可以使用機(jī)械式格雷碼水位計(jì)或投入式壓力水位計(jì)。機(jī)械式格雷碼水位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確，但對(duì)安裝要求較高；投入式壓力水位計(jì)安裝方便，但測(cè)量精度受水質(zhì)環(huán)境影響較大。因?qū)嶒?yàn)室水質(zhì)良好，基本不會(huì)產(chǎn)生淤泥等雜質(zhì)影響測(cè)試精度，所以采用0~0.5 mm量程、4~20 mA輸出的投入式壓力水位計(jì)。

使用三相電參數(shù)智能電表采集水泵運(yùn)行時(shí)的電參數(shù)。出于對(duì)安全和夠用原則，智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用單相電水泵進(jìn)行抽水，選擇支持Modbus-RTU協(xié)議的單相電采集儀表進(jìn)行電參數(shù)的采集。選擇了高職院校運(yùn)用較多的西門子CPU224XP作為PLC控制器，采用EM231模擬量擴(kuò)展模塊完成模擬量采集，采用CP243-1以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送。

2.1.2 水泵運(yùn)行電參數(shù)采集軟件

在以往的數(shù)據(jù)采集中，電流、電壓等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都是由PLC的模擬量通道進(jìn)行采集，而PLC的模擬量采集部分的通道數(shù)少且成本高。因此，智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以S7-200作為Modbus主站，DES201-EM多功能電表作為Modbus從站，實(shí)現(xiàn)Modbus-RTU通信。

Modbus通信協(xié)議是一種公開的工業(yè)級(jí)通信協(xié)議，具有主從設(shè)置、起始地址設(shè)置、數(shù)據(jù)包格式定義、停止位定義、奇偶校驗(yàn)、通信速率可調(diào)、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。S7-200 CPU上的通信口在電氣上是標(biāo)準(zhǔn)的RS-485半雙工串行通信口，此串行字符通信的格式為1個(gè)起始位、7/8位數(shù)據(jù)位、1位奇/偶/無(wú)校驗(yàn)、1個(gè)停止位，通信波特率可以設(shè)置。符合這些格式的串行通信設(shè)備可以和S7-200進(jìn)行自由口通信，S7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN帶有西門子Modbus RTU主站/從站指令，能夠非常方便地實(shí)現(xiàn)Modbus通信。通信主站的程序設(shè)計(jì)流程如下：

（1）變量初始化以及自由通信端口的Modbus主站初始化；

（2）搜索并儲(chǔ)存有效的從站地址；

（3）輪流對(duì)各從站發(fā)送讀取數(shù)據(jù)申請(qǐng)。

2.1.3 水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸

在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸主要指PC與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，它是上位機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程中，一般采用PLC加以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊的方式，通過(guò)以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊建立上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸[7]。本系統(tǒng)采用西門子CP243-1實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸。CP243-1是一款適用于在S7-200自動(dòng)化系統(tǒng)中運(yùn)行的通信處理器，用于將S7-200連接到工業(yè)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)連接建立起來(lái)后，就要與PLC交換數(shù)據(jù)。但是西門子S7協(xié)議不公開，這給系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)共享帶來(lái)很大麻煩。隨著OPC技術(shù)的發(fā)展和普及，二者之間的通信變得簡(jiǎn)單和高效。因此，本系統(tǒng)以O(shè)PC協(xié)議為橋梁，實(shí)現(xiàn)PLC與上位監(jiān)控軟件的連接。

OPC是一種應(yīng)用廣泛的通信協(xié)議，它提供了一系列接口函數(shù)，能滿足各種類型的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備要求。用戶訪問(wèn)的方式被統(tǒng)一，方便軟件開發(fā)者與其他系統(tǒng)的對(duì)接以及用戶的使用。OPC技術(shù)已成為工業(yè)過(guò)程控制的通信標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了過(guò)程控制和自動(dòng)化軟件與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口，極大地提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率[8]。

西門子推出的PC Access軟件是專門用于S7-200PLC的OPC服務(wù)器軟件，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC客戶端通信并提供數(shù)據(jù)信息。PC Access可以用于連接西門子或者第三方支持的OPC上位軟件[9]。第一步是建立與PLC的連接。PC Access支持的通信主要有：PPI、MPI、PROFIBUS-DP、S7協(xié)議（通過(guò)CP243）和Modem。本系統(tǒng)采用網(wǎng)線建立雙方的物理連接，采用S7協(xié)議建立起PC Access和S7-200之間的通信。第二步是通過(guò)選擇已有S7-200項(xiàng)目，并將項(xiàng)目中的變量導(dǎo)入PC Access方式建立項(xiàng)目。第三步是使用PC Access軟件自帶的OPC客戶測(cè)試端進(jìn)行測(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位監(jiān)控層模塊設(shè)計(jì)

智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位應(yīng)用邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位監(jiān)控平臺(tái)采用OPC Agent設(shè)計(jì)方案[10-11]，將應(yīng)用的控制劃分為4層：

圖2 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位應(yīng)用邏輯結(jié)構(gòu)

（1）表示層和Restful接口提供應(yīng)用的交互界面；

（2）權(quán)限控制用于定義設(shè)備管理上的約束；

（3）數(shù)據(jù)中心用于定義應(yīng)用系統(tǒng)范圍內(nèi)PLC設(shè)備及其狀態(tài)變量，為上層應(yīng)用下發(fā)的命令提供解析和執(zhí)行，解決應(yīng)用數(shù)據(jù)與設(shè)備數(shù)據(jù)的同步問(wèn)題；

（4）DCOM通信層通過(guò)DCOM接口，將PLC的數(shù)據(jù)按OPC規(guī)范與OPC Server進(jìn)行相互的通信。

OPC Agent根據(jù)自定義業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的管控，即使與外部網(wǎng)絡(luò)斷開，也能獨(dú)立工作，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和記錄事件，靈活性大大增強(qiáng)。

OPC Agent與水利信息平臺(tái)采用Redis消息機(jī)制進(jìn)行通信，相互協(xié)作，共同完成對(duì)設(shè)備的管理，充分體現(xiàn)了Agent協(xié)作性。

OPC Agent能夠在系統(tǒng)運(yùn)行中通過(guò)預(yù)設(shè)的業(yè)務(wù)邏輯對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，自動(dòng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)自動(dòng)向云端水利信息系統(tǒng)報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警。

考慮應(yīng)用系統(tǒng)的跨平臺(tái)、穩(wěn)定性以及服務(wù)的可擴(kuò)展性，采用Tomcat 7.0作為應(yīng)用服務(wù)器，Redis 2.8作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存和消息路由，SQL Server 2008存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)和應(yīng)用配置信息。為了使瀏覽器和手機(jī)終端均能訪問(wèn)該平臺(tái)，客戶端接口分為兩部分：一是由瀏覽器訪問(wèn)的Web動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，二是為移動(dòng)終端提供的一組Web API接口。Web界面主要是借助于HTML5的WebSocket通信方式，實(shí)現(xiàn)Web頁(yè)面與服務(wù)器之間的實(shí)時(shí)通信，動(dòng)態(tài)展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及相關(guān)運(yùn)行參 數(shù)[12]。

3 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行調(diào)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外觀如圖3所示。在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，本著符合實(shí)際和經(jīng)濟(jì)性原則，采用左、右有機(jī)透明玻璃體模擬內(nèi)河、外河水情，采用帶限位保護(hù)的24 V/40 W直流電機(jī)控制閘門的升降。根據(jù)安全原則和實(shí)際教學(xué)需要，將控制設(shè)備和被控對(duì)象進(jìn)行上下層開放布置。經(jīng)過(guò)實(shí)際教學(xué)應(yīng)用，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)能很好地滿足控制需求。

圖3 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

在下位現(xiàn)場(chǎng)控制層，可以按照控制動(dòng)作要求編制PLC程序和觸摸屏程序。

在上位監(jiān)控層，不僅可以對(duì)水情信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)還能遠(yuǎn)程啟停水泵，其遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)PC監(jiān)控界面

4 智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特色與創(chuàng)新

智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)是在“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)指南和“工業(yè)4.0”概念的指引下，根據(jù)社會(huì)對(duì)人才需求的變化，依托現(xiàn)代控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)以及各類工控設(shè)備通信技術(shù)、OPC技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開發(fā)完成的，是一臺(tái)與實(shí)際智慧工程項(xiàng)目推廣較為接近的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置首先支持電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)類學(xué)生開展綜合技能訓(xùn)練，涉及傳統(tǒng)的電氣控制技術(shù)知識(shí)（例如泵閘用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路設(shè)計(jì)等）和當(dāng)前工控設(shè)備通用的通信技術(shù)編程知識(shí)（例如用Modbus通信實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作電參數(shù)的采集），利用以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從本地PLC控制器到遠(yuǎn)程OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)構(gòu)建了一套遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，融入了從現(xiàn)場(chǎng)控制器（端）到遠(yuǎn)程云服務(wù)器（端）之間的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的流程以及硬件配置的相關(guān)知識(shí)。該系統(tǒng)中開發(fā)的遠(yuǎn)程PC監(jiān)控平臺(tái)以及移動(dòng)端APP程序[13]，不僅讓電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的學(xué)生對(duì)上層軟件開發(fā)有了一定的認(rèn)識(shí)，也對(duì)其他專業(yè)的學(xué)生對(duì)于信息化數(shù)據(jù)的處理、分析以及決策等有了感性的認(rèn)識(shí)，在一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語(yǔ)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧水利實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以實(shí)際工程應(yīng)用為載體，結(jié)合新時(shí)期“互聯(lián)網(wǎng)+”人才培養(yǎng)方向，滿足了跨課程、跨專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的新需求。通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再現(xiàn)實(shí)際排澇站工作過(guò)程，結(jié)合PLC控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程排澇站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)踐表明，該自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)行穩(wěn)定可靠，符合新時(shí)期下現(xiàn)代智能制造技術(shù)和智能信息管理技術(shù)高技能人才培養(yǎng)的要求。

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Development of intelligent experimental platform for water conservancy based on “Internet+”

FU Chen, YANG Guohua, LI Haibo, ZHAO Xiaofeng

(School of IoT Engineering, Wuxi Vocational Institute of Commerce, Wuxi 214153, China)

In order to meet the new demand for high-quality practical talents in industrial transformation and upgrading, strengthen the construction of practical teaching platform in higher vocational colleges and combine industrial control technology with computer software technology, an intelligent water conservancy experimental platform is designed, which is based on the actual water conservancy drainage station project. This platform takes PLC as the core of field control, adopts the mode of decentralized control and unified management, uses browser and mobile phone APP as the remote terminal service software, and finally realizes the data acquisition and monitoring control of drainage pumping station. Through this platform, students can understand the Internet + industrial control better.

intelligent control technology; intelligent water conservancy; experimental platform; Internet+

TP27

A

1002-4956(2019)11-0153-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.037

2019-04-24

江蘇省高等職業(yè)教育產(chǎn)教深度融合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)—互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)智能技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)項(xiàng)目（蘇教高﹝2016）10號(hào)）

付琛（1983—），男，甘肅天水，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、控制技術(shù)應(yīng)用以及系統(tǒng)集成。E-mail: fuchen@wxic.edu.cn