趙樹(shù)立
(中軟國(guó)際科技服務(wù)有限公司,陜西 西安 710000)
在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的帶動(dòng)下,隨著智慧管網(wǎng)、智慧管廊、智慧水務(wù)、智慧農(nóng)業(yè)等行業(yè)快速發(fā)展,隨著物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、通信、控制和信息共享技術(shù)的高速發(fā)展,智能泵閥控制平臺(tái)作為智能控制的重要組成部分,勢(shì)必會(huì)成為泵閥行業(yè)內(nèi)一個(gè)重要研究發(fā)展領(lǐng)域。智能泵閥控制系統(tǒng)的建設(shè)需求不斷地釋放,未來(lái)的市場(chǎng)潛力巨大,而目前市場(chǎng)上尚未有成熟的智能泵閥控制平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例。在智能泵閥控制平臺(tái)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的大趨勢(shì)下,企業(yè)對(duì)智能泵閥的控制系統(tǒng)的整合,實(shí)現(xiàn)信息交換與共享。通過(guò)整合資源,對(duì)各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的泵閥控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)象,功能結(jié)構(gòu)集成融合和重組,形成一個(gè)高效的綜合控制平臺(tái)。
為進(jìn)一步滿足工業(yè)級(jí)智能泵閥系統(tǒng)的新需求,本文研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能泵閥控制平臺(tái)。
物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),與其他的網(wǎng)絡(luò)一樣,也有其內(nèi)部特有的構(gòu)架,其主要的架構(gòu)技術(shù)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3層[1]。
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層一般是指由感知設(shè)備、條碼、定位等設(shè)備組成的數(shù)據(jù)采集終端,主要是起到對(duì)于物理世界透徹感知的作用,以獲取大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息;網(wǎng)絡(luò)層指的是由NB-Iot,LoRa,eMTC和SigFox為主的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò),2/3/4/5G以及互聯(lián)網(wǎng)等為基礎(chǔ)組成的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),該層主要是針對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的信息傳輸,保證信息傳輸?shù)陌踩?;?yīng)用層則是針對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、展示,然后將系統(tǒng)處理的結(jié)果以控制指令的形式經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層反饋到感知層,常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景有智慧水務(wù)、智慧管網(wǎng)(廊)等。
智能泵閥主要是帶有微處理器,能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制功能的泵閥,常見(jiàn)的智能泵閥主要有以下幾種形式。
(1)帶有智能控制的調(diào)節(jié)閥和離心泵。
(2)智能控制泵閥主要包括下列內(nèi)容:可以方便地修改控制泵閥的狀態(tài)特性;可以實(shí)現(xiàn)比例—積分—微分(Proportion,Integral,Derivative,PID)控制運(yùn)算;可以實(shí)現(xiàn)其他運(yùn)算功能,比如:進(jìn)行控制量程范圍、線性運(yùn)算等;可以更改控制泵閥的正反作用方式;可以實(shí)現(xiàn)泵閥與上位機(jī)的狀態(tài)信息管理,實(shí)現(xiàn)信息的共享,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)智能泵閥的故障診斷和報(bào)警。
根據(jù)智能泵閥控制平臺(tái)的系統(tǒng)特點(diǎn),本文采用了如圖1所示的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該系統(tǒng)主要由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)管理中心(網(wǎng)關(guān))等3部分組成。其中傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定期采集泵、閥以及其他感知設(shè)備的信息(例如:狀態(tài)、流量、壓力)。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感節(jié)點(diǎn)采集的各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理中心負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)接入Internet,并對(duì)數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息(狀態(tài)、流量、壓力)進(jìn)行提取以及解析,然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù),供客戶端為用戶提供簡(jiǎn)單易操作的控制平臺(tái)界面,使用戶更好地對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能泵閥控制平臺(tái)系統(tǒng)總體框架如圖2所示。
圖2 智能泵閥控制平臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
該平臺(tái)以智能泵閥控制為核心,以智能泵閥及感知設(shè)備為基礎(chǔ)支撐,以網(wǎng)絡(luò)為橋梁,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)平臺(tái)的統(tǒng)一性、完整性。智能泵閥控制主要包括智能泵閥接入的安全認(rèn)證、控制邏輯的配置、數(shù)據(jù)的采集與分析等相關(guān)子系統(tǒng)服務(wù),完成統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度的綜合控制平臺(tái),實(shí)現(xiàn)智能泵閥控制平臺(tái)的內(nèi)部各子系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程之間的集成。同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的交換與共享。通過(guò)智能泵閥控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所有的子系統(tǒng)的中和與集成,達(dá)到統(tǒng)一協(xié)調(diào)和子系統(tǒng)間的資源共享與信息共通,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能泵閥與其他的智能控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)與對(duì)接。
本智能泵閥控制平臺(tái)以控制管理和聯(lián)動(dòng)管理為主,集成了用戶管理、身份識(shí)別、報(bào)警管理、地圖展示、控制管理、數(shù)據(jù)管理以及聯(lián)動(dòng)管理等功能,支持感知設(shè)備對(duì)模擬量和數(shù)字量的采集與檢測(cè),更加方便地保證了信息管理以及數(shù)據(jù)共享能力。整個(gè)平臺(tái)的功能如圖3所示。
圖3 智能泵閥控制平臺(tái)系統(tǒng)功能
通過(guò)自頂向下的展示方式對(duì)系統(tǒng)智能泵閥控制平臺(tái)的功能進(jìn)行分解,進(jìn)而獲得其相對(duì)應(yīng)的服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了管理員對(duì)智能泵閥控制平臺(tái)內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng)能夠進(jìn)行統(tǒng)一的資源配置,統(tǒng)一管理和應(yīng)用[2]。
智能泵閥及感知設(shè)備層主要的信息流是:感知設(shè)備獲取到相關(guān)感知信息,將數(shù)據(jù)上傳至集控設(shè)備,同時(shí)集控設(shè)備也獲取到智能泵、智能閥的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)信息,將其采集信息臨時(shí)存儲(chǔ)到集控設(shè)備中,集控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和解析,并將匯總解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。
感知設(shè)備由各種傳感器構(gòu)成,主要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(kāi)度、執(zhí)行器行程等)、速度及加速度傳感器、振動(dòng)傳感器、液位傳感器、液壓油污染傳感器或過(guò)濾器壽命傳感器、閥門(mén)井或泵房的GPS位置、溫濕度傳感器、kks(電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng))編碼或二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽、限位開(kāi)關(guān)等感知終端。感知層是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來(lái)源。
集控設(shè)備主要由軟件和硬件兩部分組成,其中硬件由智能傳感器、電液控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集終端、云計(jì)算服務(wù)器4部分組成,再通過(guò)融入最新的人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、4G或5G無(wú)線移動(dòng)通信、微功耗單片機(jī)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、使產(chǎn)品具備無(wú)線上傳閥門(mén)數(shù)據(jù)、自動(dòng)故障識(shí)別、故障短信預(yù)警、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。它能自動(dòng)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷,并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將閥門(mén)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)回智能泵閥控制平臺(tái)。
網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與智能泵閥控制平臺(tái)的信息交互,搭建信息交互橋梁。
智能泵閥控制平臺(tái)主要是對(duì)智能泵閥上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析之后,將解析結(jié)果通過(guò)客戶端進(jìn)行展示,并將控制指令通過(guò)指定的協(xié)議和傳輸方式下發(fā)到智能泵閥中,智能泵閥接收到智能泵閥控制平臺(tái)指令數(shù)據(jù)之后,進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,并作出相應(yīng)的判斷,進(jìn)而將判斷結(jié)果的指令下發(fā)給智能泵、智能閥中,形成一個(gè)控制平臺(tái)的閉環(huán)功能。
3.2.1 平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理
智能泵閥控制平臺(tái)中需處理大量的數(shù)據(jù),包括智能泵閥內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)和外部感知設(shè)備數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)處理問(wèn)題是設(shè)計(jì)的一大難題,針對(duì)這樣的難題,主要通過(guò)智能模塊的軟件進(jìn)行解決,創(chuàng)建平均采樣數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行平滑濾波處理,采用定時(shí)發(fā)送至上層物聯(lián)網(wǎng),限額清除緩存等手段。
3.2.2 智能模塊中PID參數(shù)設(shè)計(jì)
智能泵閥采用PID控制,而PID參數(shù)與智能泵閥的自身性能相關(guān),PID參數(shù)與智能泵閥具有一一對(duì)應(yīng)性,如何在智能泵閥控制平臺(tái)軟件中進(jìn)行PID參數(shù)預(yù)置成為又一難點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題,通過(guò)創(chuàng)建不同泵閥的數(shù)學(xué)模型,得到其PID控制系統(tǒng),仿真分析不同PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響,找到最優(yōu)PID參數(shù),同時(shí)對(duì)智能模塊和智能泵閥進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)調(diào)節(jié)PID參數(shù),通過(guò)對(duì)理論與實(shí)際PID參數(shù)進(jìn)行Matlab數(shù)學(xué)分析,最終找出PID參數(shù)規(guī)律。
3.2.3 智能泵閥數(shù)據(jù)模型定義
智能泵、智能閥在不同條件下工況數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)化是平臺(tái)研究設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題,利用動(dòng)量方程、伯努利方程和連續(xù)性方程建立泵閥以轉(zhuǎn)速、流量、壓力、時(shí)間等參數(shù)的偏微分方程,采用有限差分法、有限元法等數(shù)學(xué)方法將連續(xù)性方程進(jìn)行離散化處理,得到智能泵閥不同工況條件下的數(shù)據(jù)集合。
3.2.4 智能泵閥與傳感器聯(lián)動(dòng)研究
在保證智能泵閥各項(xiàng)性能指標(biāo)的前提下,合理的集成智能泵閥與傳感器是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題,利用傳統(tǒng)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)代仿真技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)手段,依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際工況,通過(guò)建立泵閥的數(shù)學(xué)模型,選擇合理的優(yōu)化計(jì)算方法,建立智能泵閥與傳感器的三維結(jié)構(gòu)模型,并采用仿真技術(shù)對(duì)三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化,得到智能泵閥與傳感器集成的最優(yōu)解。
3.2.5 高并發(fā)實(shí)時(shí)性技術(shù)
(1)并發(fā)性能。并發(fā)性能主要體現(xiàn)在通信服務(wù)在面臨高并發(fā)數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)的處理能力,在不考慮其他因素影響的前提下,通信服務(wù)在單臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行應(yīng)該在合理消耗資源的基礎(chǔ)上支持5 000以上的終端并發(fā)接入和數(shù)據(jù)訪問(wèn),并具備良好的伸縮性。
(2)實(shí)時(shí)性能。除了并發(fā)處理能力的因素外,智能泵閥控制平臺(tái)的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)流的處理上,通信服務(wù)釆取數(shù)據(jù)流處理算法后,相比未使用數(shù)據(jù)流處理算法的通信服務(wù),在實(shí)時(shí)性上至少提升一倍(監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間提升一半)。
3.3.1 智能泵閥的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的泵閥工作時(shí),通過(guò)給控制器輸入設(shè)定值,驅(qū)動(dòng)電磁鐵、電機(jī)等,實(shí)現(xiàn)泵閥的工作,可稱之為“開(kāi)環(huán)”控制,泵閥的具體工作狀態(tài),我們無(wú)法得知,其工作性能的好壞全靠泵閥自身機(jī)械狀態(tài)來(lái)決定,而要提高泵閥產(chǎn)品的性能,必須提高泵閥的加工精度,這將大大增加泵閥的加工成本。
我們的智能泵閥采用“閉環(huán)”控制,在“開(kāi)環(huán)”控制的基礎(chǔ)上,增加反饋環(huán)節(jié),智能泵閥的內(nèi)部集成各類傳感器,如檢測(cè)閥芯位移的位移傳感器,檢測(cè)智能內(nèi)部工作狀態(tài)的聲波傳感器,檢測(cè)工作電流的電流傳感器等,檢測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器等,智能泵閥工作時(shí),實(shí)時(shí)將這些檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至智能控制器,智能控制器通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析處理,通過(guò)與給定值的不斷比較,不斷修正泵閥的工作狀態(tài),形成閉環(huán)控制,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)泵閥的精細(xì)化控制。
3.3.2 智能泵閥數(shù)據(jù)模型定義
以智能泵閥性能指標(biāo)為研究對(duì)象,利用動(dòng)量方程、伯努利方程和連續(xù)性方程建立泵閥以轉(zhuǎn)速、流量、壓力、時(shí)間等參數(shù),并綜合考慮泵閥工作介質(zhì)的可壓縮性、魏氏效應(yīng)、動(dòng)力特性等因子,建立泵閥的不同工況條件下的數(shù)學(xué)模型,采用有限差分法、有限元法等數(shù)學(xué)方法將連續(xù)性方程進(jìn)行離散化處理,求解智能泵閥在擾動(dòng)條件下的偏微分方程,通過(guò)數(shù)值計(jì)算或仿真模擬的技術(shù)手段求解泵閥在各種工況條件下的性能曲線方程,得到智能泵閥不同工況條件下的數(shù)據(jù)集合。
智能泵閥數(shù)學(xué)模型:以轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度、時(shí)間等為目標(biāo)參數(shù),建立各種工況條件下的偏微分方程?f(x,y,z…),求解智能泵閥的轉(zhuǎn)速、流量、壓力、溫度等的曲線方程,通過(guò)離散化處理,得到泵閥在各種工況下的數(shù)據(jù)集合。
3.3.3 高并發(fā)實(shí)時(shí)性通信技術(shù)
基于緩存線程池的通信模型不僅具有多路復(fù)用的效率優(yōu)勢(shì),又具備緩存線程池并發(fā)處理的特點(diǎn),彌補(bǔ)了單純采取其他通信模型和框架造成的不足,較好地解決了物聯(lián)網(wǎng)梁監(jiān)控系統(tǒng)高并發(fā)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的問(wèn)題。
NIO通信有效解決了原有阻塞存在的線程開(kāi)銷的問(wèn)題,采取事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制,在事件就緒時(shí)觸發(fā)讀寫(xiě),這時(shí)需要阻塞的等待事件發(fā)生,減少資源消耗。
線程池技術(shù)主要用來(lái)解決線程生命周期開(kāi)問(wèn)題和資源不足問(wèn)題,通過(guò)重用線程的方式將線程創(chuàng)建的開(kāi)銷被分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)任務(wù)上,當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)線程已經(jīng)存在,所以消除了創(chuàng)建所帶來(lái)的延遲。這樣,線程池讓?xiě)?yīng)用程序響應(yīng)更快。
在NIO中使用緩存線程池,主要目的是通過(guò)多線程充分使用多個(gè)的處理能力和減少處理的等待時(shí)間,另外,動(dòng)態(tài)調(diào)整線程池中的線程數(shù)量可以防止出現(xiàn)資源不足的情況,使通信服務(wù)具備良好的伸縮性。
本文采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),深入研究和設(shè)計(jì)了一種工業(yè)級(jí)的智能泵閥控制平臺(tái)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)平臺(tái)的擴(kuò)展能力、集成能力、數(shù)據(jù)共享能力,平臺(tái)采用了標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議,方便于集成新的子系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性,不斷擴(kuò)展應(yīng)用空間。為進(jìn)一步開(kāi)拓智能泵閥業(yè)務(wù)和新市場(chǎng)領(lǐng)域提供全面的技術(shù)支撐,使智能泵閥系統(tǒng)達(dá)到“分級(jí)管理、集中調(diào)度、事件閉環(huán)”的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)[3]。滿足工業(yè)信息化建設(shè)對(duì)智能控制新技術(shù)發(fā)展的需求,有效降低了用戶管理的成本,提高企業(yè)的管理服務(wù)能力及效率。