基于物联网的智能泵站运行监控系统设计

朱亚东 张兆东 高 艳 周中升

（1.扬州市职业大学，扬州 225009；2.扬州大学，扬州 225127）

随着水电技术日益发展以及水利工程的不断建设，泵站的数量也在随之大量增加。目前，我国正在进行大规模、高标准的基本农田建设，需要新建大量的小型农田灌排泵站，因此每年新建的该类泵站及改造更新的小型泵站数目较多。与大中型泵站相比，传统小型灌排泵站建设标准较低，一般只需满足能出水的基本要求即可，在建设时对新技术应用要求不高，信息化、智能化技术等应用还远远不够，且缺乏正常运行维护的技术及设备保障，由于安全防盗措施不到位，泵站人为损坏现象严重。当前大部分的小型泵站的管理依然是人为管理，每天的运行都需要专人负责，这为泵站的运维造成了不便。尤其是偏远地区，由于泵站的地理位置过于偏僻，不但给管理带来了困难，而且泵站的故障检测也非常不便。因此规范农村小型灌排泵站建设，提高农村小型灌排泵站的运行管理水平是目前急需解决的重要问题。

随着我国现代化、数字化农业基础设施的建设，对泵站的自动化、信息化和安全化运行提出了更高的要求。现代大数据物联网技术的迅猛发展，为水利建设的数字化提供了技术上的支持[1-2]。本文利用无线物联网技术设计了一套小型泵站的运行监控系统，通过该系统可以远程操控小型泵站，实时监测运行状况，从而使小型泵站的管理科技化、规范化，同时也能解放人力资源，减少运维人员的劳动强度。

1 智能监控系统控制要求及整体设计方案

1.1 系统控制要求

根据《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2021）中关于水质指标的规定[3]，并结合农田小型泵站的实际情况，需要监测水位、水温、pH 值、悬浮物浓度和流速这5 个参数，其中悬浮物浓度可通过浊度来判定。同时，用户需要根据实时水位，针对目标作物进行泵的起停控制。根据上述特点，结合系统要求，为实现少人或无人值守的管理目标，确定智能泵站的运行监控系统具体内容如下：

（1）通过手机端或Web 端能够对控制水泵进行远程无线启停操作；

（2）数据采集系统能够实时采集进水池水位、水温、pH 值、浊度以及水泵出水流量等参数。

1.2 设计方案

随着物联网技术快速发展和移动终端的普及，物联网云平台应运而生。某泵站运行监控系统采用5 种传感器将进水池水位、水温、pH 值、浊度以及水泵出水流量等信息转变成标准的电信号，之后通过数模转换器（Analog to Digital Converter，A/D）将传感器的电信号转变为数字量信号，再由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）将数字量信号处理为实际值，然后通过物联网云盒子将数据远程上传到云平台，再通过电脑Web 端或手机微信小程序等实现对泵站的远程监控和管理[4]。通过大数据技术，设备的运行记录、历史曲线、报警信息等都可实时在手机App 上查看，从而使管理和维护人员能够随时随地了解泵站的运行情况，为泵站的稳定运行和维修提供极大的便利，系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2 系统硬件设计

该智能泵站系统的主要硬件包括：PLC、模拟量输入（A/D）模块、物联网云盒子、水位传感器、浊度传感器、温度传感器、PH 传感器和流量传感器。这一硬件系统的搭建能够采集小型泵站运行过程中的各类数据，并为数据传输提供稳定可靠的硬件支持。

2.1 PLC 设计

PLC 作为整个控制系统的核心，起到了信号采集及处理的作用。该控制系统主要采用电脑Web 端或手机App 进行远程无线启停操作及运行数据的实时监测，故该PLC 的输入信号为水泵的启停信号和5 个传感器的模拟量输入信号，输出信号为水泵运行信号[5]。本系统选择的PLC 型号是西门子CPU 1214C，为了完成模拟量信号的采集，系统还配有一个8 通道输入的模拟量扩展模块，型号为SM 1231 AI8*13 位（6ES7 231-4HF32-0XB0）。

2.2 物联网云盒子

为了实现使用电脑Web 端或手机微信小程序等即可远程控制水泵启停，并实时采集水泵运行的各项数据，该系统采用速控云研发的物联网云盒子，型号为SUK-BOX-W。它是工业互联网平台中的远程通信设备，可以快速实现现场设备数据的采集、远程PLC程序下载及调试诊断等功能。该物联网云平台，通过云盒子可将现场大量不同区域工业设备的数据、程序和图像等信息传输到远端的云数据中心，从而完成远程监控、远程诊断、远程维护、故障预警等任务。

2.3 传感器的选择

为了采集和监测泵站运行过程中的各项数据，本系统选用ELE-802 投入式液位变送器、DS18B20水温传感器、XW-400 酸度计、MJKDZ 浊度传感器和YF-S201B 型水流量传感器，其硬件接线图如图2所示。

图2 模拟量输入接线图

3 系统软件程序设计

3.1 云平台设置

电脑网口连接物联网云盒子的广域网（Wide Area Network，WAN）口，云盒子的局域网（Local Area Network，LAN）口连接PLC，完成硬件电路连接之后，再对物联网云平台的各参数进行设置，云平台的操作流程如图3 所示。

图3 云平台操作流程图

3.1.1 硬件配置

硬件配置过程中，要先在官网申请账户及密码，申请成功之后，用申请的账户登录云平台网页，然后在项目中心添加一个新的项目，并为项目命名。项目创建成功后，再登陆配置软件SuKconfig。在这一过程中，如果不先创建好项目，就无法登陆配置软件。登陆软件后，先选择配置创建好的项目，然后点击新建一个BOX 列表，再右键选择添加BOX，此时选择对应的BOX 型号为SUK-BOX-W，之后输入BOX序列号，再选择WiFi 上网模式，并输入WiFi 名称和密码。具体编辑界面如图4 所示。上述操作完成后，双击WAN，将连接方式设为交换机功能，其余选项不变，然后双击LAN，将路由设置为关闭路由功能，IP 地址设为192.168.10.100，再右键点击LAN，选择添加设备，输入设备名称，选择型号为西门子S7-1200 的PLC，输入PLC 的IP 地址为192.168.10.98。

图4 BOX 编辑界面

3.1.2 变量设置

硬件配置完成后，需要添加变量，这一过程要添加该项目所应用到的全部变量，且要注意各变量的数量类型。5 个传感器实际值对应的变量为32 位的浮点数，且这5 个变量需要在存储配置中选择周期存储方式，并设置采样周期。最终变量设置情况如图5 所示。变量设置完成后，要将电脑IP 地址更改为192.168.10.99，然后将其下载到BOX 中，再上传至云端。

图5 系统变量设置

3.1.3 界面设计

进入云平台网页后，点击“项目中心”中的“设备监控”，再点击“编辑组态”，设置PC 起始画面及手机端起始画面。设置方式和触摸屏组态设置相似，该项目运行监控组态画面如图6 所示。

图6 运行监控组态画面

进入手机端云平台后，点击“项目中心”，在“BOX管理”选项中查看BOX 是否在线以及是否连上云平台，然后选中项目，点击“数据监控”查看实时数据，之后打开微信小程序，点击微信登陆，绑定账户。微信打开界面如图7 所示。

图7 手机端运行显示界面

3.2 传感器信号的处理

除了对物联网云平台的设置之外，还需要编写PLC 程序，其中最重要的就是对传感器信号的处理。传感器输出的信号是标准的电流或电压信号，这些模拟量信号经过PLC 的模拟量扩展模块（A/D）转换为0～27 648 之间的数字量信号后，会再通过PLC程序将转换之后的数字量信号处理为实际的测量值。该控制系统采用的是NORMAL_X 和SCALR_X 指令进行传感器信号的处理，具体处理过程为：先通过NORMAL_X 指令将A/D 转换得到的0 至27 648 之间的数字量成比例转化为0 至1 之间的实数，再通过SCALR_X 指令将得到的实数成比例转化为传感器量程范围内的实际测量值。温度传感器信号处理程序如图8 所示。

图8 温度传感器信号处理程序

4 运行调试

完成系统的软硬件设计之后，需要在连接电源后将设备联网，然后进行调试运行。调试过程中，先在电脑Web 端或手机微信小程序上点击泵启动按钮，然后观察水泵是否启动，并查看运行指示灯是否亮起。当水泵正常运行时，运行监控界面将实时显示泵站的5 个参数，显示界面如图9 所示，当点击泵停止按钮时，水泵停止运行。另外，当实时水位过高或过低时，水泵也会停止运行，同时报警指示灯也会亮起。

图9 运行显示界面

5 结语

本文利用PLC 和物联网云盒子进行智能泵站运行监控系统的设计。该系统能通过电脑Web 端或者手机微信小程序远程控制泵站的启停，同时能实时监测泵站运行中的各项参数，在实时水位过高或过低时，水泵能够自动停止运行，同时发出报警信号。该控制系统大幅提升了小型泵站的自动化程度和安全性能，并降低了泵站的运行与维护成本。