基于物聯網的智能泵站運行監控系統設計

朱亞東 張兆東 高 艷 周中升

（1.揚州市職業大學，揚州 225009；2.揚州大學，揚州 225127）

隨著水電技術日益發展以及水利工程的不斷建設，泵站的數量也在隨之大量增加。目前，我國正在進行大規模、高標準的基本農田建設，需要新建大量的小型農田灌排泵站，因此每年新建的該類泵站及改造更新的小型泵站數目較多。與大中型泵站相比，傳統小型灌排泵站建設標準較低，一般只需滿足能出水的基本要求即可，在建設時對新技術應用要求不高，信息化、智能化技術等應用還遠遠不夠，且缺乏正常運行維護的技術及設備保障，由于安全防盜措施不到位，泵站人為損壞現象嚴重。當前大部分的小型泵站的管理依然是人為管理，每天的運行都需要專人負責，這為泵站的運維造成了不便。尤其是偏遠地區，由于泵站的地理位置過于偏僻，不但給管理帶來了困難，而且泵站的故障檢測也非常不便。因此規范農村小型灌排泵站建設，提高農村小型灌排泵站的運行管理水平是目前急需解決的重要問題。

隨著我國現代化、數字化農業基礎設施的建設，對泵站的自動化、信息化和安全化運行提出了更高的要求。現代大數據物聯網技術的迅猛發展，為水利建設的數字化提供了技術上的支持[1-2]。本文利用無線物聯網技術設計了一套小型泵站的運行監控系統，通過該系統可以遠程操控小型泵站，實時監測運行狀況，從而使小型泵站的管理科技化、規范化，同時也能解放人力資源，減少運維人員的勞動強度。

1 智能監控系統控制要求及整體設計方案

1.1 系統控制要求

根據《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2021）中關于水質指標的規定[3]，并結合農田小型泵站的實際情況，需要監測水位、水溫、pH 值、懸浮物濃度和流速這5 個參數，其中懸浮物濃度可通過濁度來判定。同時，用戶需要根據實時水位，針對目標作物進行泵的起停控制。根據上述特點，結合系統要求，為實現少人或無人值守的管理目標，確定智能泵站的運行監控系統具體內容如下：

（1）通過手機端或Web 端能夠對控制水泵進行遠程無線啟停操作；

（2）數據采集系統能夠實時采集進水池水位、水溫、pH 值、濁度以及水泵出水流量等參數。

1.2 設計方案

隨著物聯網技術快速發展和移動終端的普及，物聯網云平臺應運而生。某泵站運行監控系統采用5 種傳感器將進水池水位、水溫、pH 值、濁度以及水泵出水流量等信息轉變成標準的電信號，之后通過數模轉換器（Analog to Digital Converter，A/D）將傳感器的電信號轉變為數字量信號，再由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）將數字量信號處理為實際值，然后通過物聯網云盒子將數據遠程上傳到云平臺，再通過電腦Web 端或手機微信小程序等實現對泵站的遠程監控和管理[4]。通過大數據技術，設備的運行記錄、歷史曲線、報警信息等都可實時在手機App 上查看，從而使管理和維護人員能夠隨時隨地了解泵站的運行情況，為泵站的穩定運行和維修提供極大的便利，系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

該智能泵站系統的主要硬件包括：PLC、模擬量輸入（A/D）模塊、物聯網云盒子、水位傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器、PH 傳感器和流量傳感器。這一硬件系統的搭建能夠采集小型泵站運行過程中的各類數據，并為數據傳輸提供穩定可靠的硬件支持。

2.1 PLC 設計

PLC 作為整個控制系統的核心，起到了信號采集及處理的作用。該控制系統主要采用電腦Web 端或手機App 進行遠程無線啟停操作及運行數據的實時監測，故該PLC 的輸入信號為水泵的啟停信號和5 個傳感器的模擬量輸入信號，輸出信號為水泵運行信號[5]。本系統選擇的PLC 型號是西門子CPU 1214C，為了完成模擬量信號的采集，系統還配有一個8 通道輸入的模擬量擴展模塊，型號為SM 1231 AI8*13 位（6ES7 231-4HF32-0XB0）。

2.2 物聯網云盒子

為了實現使用電腦Web 端或手機微信小程序等即可遠程控制水泵啟停，并實時采集水泵運行的各項數據，該系統采用速控云研發的物聯網云盒子，型號為SUK-BOX-W。它是工業互聯網平臺中的遠程通信設備，可以快速實現現場設備數據的采集、遠程PLC程序下載及調試診斷等功能。該物聯網云平臺，通過云盒子可將現場大量不同區域工業設備的數據、程序和圖像等信息傳輸到遠端的云數據中心，從而完成遠程監控、遠程診斷、遠程維護、故障預警等任務。

2.3 傳感器的選擇

為了采集和監測泵站運行過程中的各項數據，本系統選用ELE-802 投入式液位變送器、DS18B20水溫傳感器、XW-400 酸度計、MJKDZ 濁度傳感器和YF-S201B 型水流量傳感器，其硬件接線圖如圖2所示。

圖2 模擬量輸入接線圖

3 系統軟件程序設計

3.1 云平臺設置

電腦網口連接物聯網云盒子的廣域網（Wide Area Network，WAN）口，云盒子的局域網（Local Area Network，LAN）口連接PLC，完成硬件電路連接之后，再對物聯網云平臺的各參數進行設置，云平臺的操作流程如圖3 所示。

圖3 云平臺操作流程圖

3.1.1 硬件配置

硬件配置過程中，要先在官網申請賬戶及密碼，申請成功之后，用申請的賬戶登錄云平臺網頁，然后在項目中心添加一個新的項目，并為項目命名。項目創建成功后，再登陸配置軟件SuKconfig。在這一過程中，如果不先創建好項目，就無法登陸配置軟件。登陸軟件后，先選擇配置創建好的項目，然后點擊新建一個BOX 列表，再右鍵選擇添加BOX，此時選擇對應的BOX 型號為SUK-BOX-W，之后輸入BOX序列號，再選擇WiFi 上網模式，并輸入WiFi 名稱和密碼。具體編輯界面如圖4 所示。上述操作完成后，雙擊WAN，將連接方式設為交換機功能，其余選項不變，然后雙擊LAN，將路由設置為關閉路由功能，IP 地址設為192.168.10.100，再右鍵點擊LAN，選擇添加設備，輸入設備名稱，選擇型號為西門子S7-1200 的PLC，輸入PLC 的IP 地址為192.168.10.98。

圖4 BOX 編輯界面

3.1.2 變量設置

硬件配置完成后，需要添加變量，這一過程要添加該項目所應用到的全部變量，且要注意各變量的數量類型。5 個傳感器實際值對應的變量為32 位的浮點數，且這5 個變量需要在存儲配置中選擇周期存儲方式，并設置采樣周期。最終變量設置情況如圖5 所示。變量設置完成后，要將電腦IP 地址更改為192.168.10.99，然后將其下載到BOX 中，再上傳至云端。

圖5 系統變量設置

3.1.3 界面設計

進入云平臺網頁后，點擊“項目中心”中的“設備監控”，再點擊“編輯組態”，設置PC 起始畫面及手機端起始畫面。設置方式和觸摸屏組態設置相似，該項目運行監控組態畫面如圖6 所示。

圖6 運行監控組態畫面

進入手機端云平臺后，點擊“項目中心”，在“BOX管理”選項中查看BOX 是否在線以及是否連上云平臺，然后選中項目，點擊“數據監控”查看實時數據，之后打開微信小程序，點擊微信登陸，綁定賬戶。微信打開界面如圖7 所示。

圖7 手機端運行顯示界面

3.2 傳感器信號的處理

除了對物聯網云平臺的設置之外，還需要編寫PLC 程序，其中最重要的就是對傳感器信號的處理。傳感器輸出的信號是標準的電流或電壓信號，這些模擬量信號經過PLC 的模擬量擴展模塊（A/D）轉換為0～27 648 之間的數字量信號后，會再通過PLC程序將轉換之后的數字量信號處理為實際的測量值。該控制系統采用的是NORMAL_X 和SCALR_X 指令進行傳感器信號的處理，具體處理過程為：先通過NORMAL_X 指令將A/D 轉換得到的0 至27 648 之間的數字量成比例轉化為0 至1 之間的實數，再通過SCALR_X 指令將得到的實數成比例轉化為傳感器量程范圍內的實際測量值。溫度傳感器信號處理程序如圖8 所示。

圖8 溫度傳感器信號處理程序

4 運行調試

完成系統的軟硬件設計之后，需要在連接電源后將設備聯網，然后進行調試運行。調試過程中，先在電腦Web 端或手機微信小程序上點擊泵啟動按鈕，然后觀察水泵是否啟動，并查看運行指示燈是否亮起。當水泵正常運行時，運行監控界面將實時顯示泵站的5 個參數，顯示界面如圖9 所示，當點擊泵停止按鈕時，水泵停止運行。另外，當實時水位過高或過低時，水泵也會停止運行，同時報警指示燈也會亮起。

圖9 運行顯示界面

5 結語

本文利用PLC 和物聯網云盒子進行智能泵站運行監控系統的設計。該系統能通過電腦Web 端或者手機微信小程序遠程控制泵站的啟停，同時能實時監測泵站運行中的各項參數，在實時水位過高或過低時，水泵能夠自動停止運行，同時發出報警信號。該控制系統大幅提升了小型泵站的自動化程度和安全性能，并降低了泵站的運行與維護成本。