智慧泵阀物联网终端与云服务系统的发展

陈丐荣，周思聪，徐林娟

（欧维克集团有限公司 设计部，浙江 温州 235100）

0 引言

随着我国持续推进信息技术与制造业融合，制造业的数字化、网络化、智能化的发展步伐在不断加快，5G、大数据、人工智能等新一代信息技术刺激下，泵阀产业需要谋求一条更佳的发展之路，既要立足于传统泵阀产业集群化发展优势，又要大力推动阀门产业的数字化、网络化、智能化的升级.这就需要为泵阀产业插上互联网的翅膀，实现机器设备、人与企业互通互联，打造万物互联，构建智造生态.

1 国内外研究现状及发展趋势

1.1 执行机构端发展情况

近年来，阀门电动/气动执行机构发展迅速，国内外一些厂商相继推出了基于现场总线通信协议的智能电动/气动执行机构.它们采用微处理器系统，所有控制功能均可通过编程实现.当前，国际国内先进的智能阀门电动执行机构产品主要有以下几种：

IQ系列智能电动执行器.英国罗托克（ROTORK）公司于20世纪90年代推出了智能型电动执行器（IQ系列），其有如下特点：（1）便利的参数遥控设定功能.可使用专用设定工具进行参数的遥控设定.不仅操作方便、运行安全，而且具有良好的防爆性能.（2）丰富的在线显示功能.利用内置式液晶显示板，不仅可准确显示阀门开、关状态和正常阀门开度等，而且还可显示故障信息.

ONTRAC MOE700/MME800系列智能电动执行器.它是重庆川仪十厂由德国引进的.MOE700系列为数字调节型－s2控制模式，MME800为连续调节型－s4控制模式，它们采用机械自锁的涡轮、蜗杆结构，三相电机变频驱动和智能化监控、数字检测技术，其运行速度和力矩可在线或离线宽范围设定，配上不同减速装置，可输出角位移（力矩可达40000Nm）和直线位移（推力可达80KN），驱动各类阀体或挡板.

IKZL智能型电动执行器.IKZL智能型电动执行器由上海自动化仪表股份有限公司下属自动化仪表十一厂研制.它采用现代高效单片MCU和外围芯片组成控制单元，驱动交流电机输出与之相对应的直线位移.该机构可方便地与调节阀配套成自动调节阀，具备调节阀本身所要求的各种动作变换功能，适用于电力、冶金、石油、化工及轻工等工业部门.

以上几种智能阀门电动执行机构的特点是：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，带通信技术功能的逐步取代不带通信技术功能的，数字控制方式逐步取代传统的模拟控制方式，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术.

1.2 网络端发展情况

目前，针对泵阀设备的智能化主要是为非智能的设备安装电子控制装置以增加智能化控制能力.在物联网和云计算技术快速发展的背景下，将具备一定智能控制功能的设备接入一个统一的云服务平台，具有更加重要的现实和长远意义.

整个智慧泵阀物联网云服务系统的研发和应用工作还处于早期和中小规模应用的阶段.并且，工业自动化与物联网云计算技术这两大领域的交叉和集成，国内外都处在探索阶段，智慧泵阀系统也不例外，也存在着泵阀制造相关企业与物联网技术和解决方案开发企业相互不了解、信息不对称的问题.所以，建立包含制造方面和信息化方面的各个专业厂商的技术创新联盟是十分必要的.

目前，国内的智慧泵阀物联网研发和应用主要包括这样几个方向：城市智慧管网如气网、水网等的监控系统；煤化工、硫酸制造等行业的主要生产过程已经实现计算机控制；大型发电机组普遍向计算机控制发展；不少长输管线系统已经采用计算机控制.以上这些成套设备的控制方式也都要求泵阀与之相适应.总之，近20年来，国内外泵阀的控制方式都有很大发展，自动控制的泵阀品种不断增多，发展趋势明显.

城市智慧管网主要是应用物联网技术，实时采集管网运行参数，包括流量、温度、压力等，通过数据处理和智能分析，得到管道运行状态并控制压缩机、泵、阀等执行机构的动作，实现城市管网安全、节能、稳定运行［1］.泵阀是管网的关键部件和执行机构，泵阀设备的智慧化是管网智慧化的重要组成部分.

1.3 相关技术发展趋势及国内外差距

1.3.1 相关技术发展趋势

对大量的智能泵阀设备，生产厂家如何更加有效地维护，尤其是远程维护这些分布范围广、功能关键的智能设备，是一个重要的课题.作为未来的趋势，智慧泵阀物联网云服务系统首先就要解决制造厂家对出厂的大量智能化的泵阀设备尤其是高价值的关键设备的故障预警、数据监控和远程控制的问题.

此外，通过设备数据的搜集和分析，可以给企业产品的改进提供第一手数据.在此基础上，无论是智慧管网还是智能工业领域，提供核心执行设备的制造厂家正在由单纯的设备制造向提供智慧管网和成套工业设备整体解决方案转型.智慧泵阀物联网云服务系统在向厂家提供设备远程维护能力的同时，通过功能扩展，即可升级到成套设备方案系统，即整个煤化工或者硫酸制造的集中故障预警和监控系统，或者是为城市管网提供服务的智慧城市燃气或水务系统.

1.3.2 国内外差距

目前，发达国家泵阀设备智能化程度较高，如嵌入智能芯片的水泵控制系统能够根据一桩大楼的温度传感器采集的数据，智能调整供热水泵的转速，以降低能耗.相比之下，我国还存在不小差距：首先，泵阀设备本身的智能化水平有待提高.主要表现为系统的智能化程度、控制稳定性和精确程度都有相当大的差距.其次，系统应用的普及度有一定差距.我国相关技术都处于研发和应用的初级阶段.IBM公司在13年前就已经提出智慧地球的概念.再次，对搜集到的数据进行数据挖掘和深度利用的水平比较低.大数据以及数据挖掘技术在国内仍然处于初级应用阶段.应用云服务系统来实现大量数据的有效利用势在必行.

2 云平台构架及关键技术

2.1 云服务平台功能及软硬件基础

首先，充分调研联盟设备制造企业的现有设备技术开发现状，尤其是了解目前是否拥有数字化技术，以及现有哪些数字化的状态数据；另外，目前是否拥有数据访问接口，所拥有的数据接口的物理接口、电气接口、应用接口分别采用什么标准和使用什么协议技术［2］.

其次，在调研数据的基础上，对泵阀设备的共性智能化需求以及各联盟成员针对自身行业特点的个性化需求分别进行明确与细化.对于标准化的需求，比如阀门的开度、水泵的转速等可以直接获取的状态数据，采用采集终端和云平台标准功能模块的方式实现；对于企业的行业个性化需求，例如对天然气泄漏的检测，采用可选或可配置模块的方式实现，包括采集终端与气体传感器的对接以及云平台的模块配置技术与实现；对于企业或者应用领域个性化的需求，从云平台设计的角度予以支持，涉及具体的设备实现，需要与泵阀设备制造厂家逐一对接.最终确定的功能模块如表1所示.其中，设备激活是指关联设备与采集终端以及激活设备功能；安装信息包括设备安装的位置（地图显示）、安装时间、操作人员、安装的具体参数等；综合查询，可根据多个检索条件查询目标设备，支持按地图显示结果；故障处理，可指派处理人员，给出处理意见，支持工作流处理；终端管理，可添加，批量导入，修改通信采集终端数据、终端远程配置等.

表1 云平台功能模块

本文拟先对接具有比较好的智能化数字化基础的设备，进而逐步增加兼容的设备类型，最后对那些没有智能化基础的设备，则与厂商共同研发对接接口.从共性的标准功能开始研发，然后逐一增加行业个性化功能，最终完成一个包含终端与云服务平台、兼容多种类型泵阀设备的完善的物联网云服务系统.系统设计主要采用模块化的技术路线.采集终端的技术研发思路如图1所示：

图1 云平台系统软硬件架构

2.2 云服务平台的构建

本文设计以物联网为应用场景的智能泵阀云服务平台系统的总体框架.

该平台以智能泵阀系统云服务为核心，以智能泵阀及相关信息采集系统为基础支撑，以各级网络为纽带，使整个平台趋于统一和完整.智能泵阀控制主要包括智能泵阀接入的安全认证、控制逻辑的配置、数据的采集与分析等相关子系统服务，实现统一管理、统一调度的综合控制平台，实现智能泵阀控制平台的内部各子系统业务流程之间的集成［3］.同时，各子系统之间的异构数据的互传与分享也得到了保障.该智能泵阀云服务平台将所有子系统集成为一体，能够非常协调地进行子系统之间的资源共享和与通信；同时，保留一定的接口，与外部系统互联互通.

该系统主要由位于管理层的管理员、维修工程师及移动服务端的相关软硬件，分布在数据采集区域（设备层）的传感器和处于网络层的数据缓存基站等三部分组成.其中，传感器负责定期采集泵、阀以及其他传感设备的数据（流量、压力、状态等）.数据缓存基站负责接收传感器采集的各种信息.管理层负责将网络接入Internet，并处理汇集后的相关数据（流量、压力、状态等），之后，将处理结果存入数据库［4］.以上各层相互配合，最终给客户端提供简易的操作界面，以利于用户更好地对目标设备进行实时管理.如图2所示.

图2 云服务平台总体框架

3 结语

本文基于物联网技术，在对泵阀物联网发展进行分析的基础上，研究和设计了一种工业级的智能泵阀服务云平台.该平台注重提高系统的扩展能力、集成能力、数据共享能力，平台采用标准的接口协议，便于增添新的子系统，并有利于实现各子系统的联动，不断扩展应用空间，有利于实现智能泵阀系统“分层管理、集中控制、信息闭环”的集成运行效果.在该平台的支撑下，智能泵阀业务可以得到扩展，同时，有了云平台的技术支撑，在新市场领域中泵阀产业就会得到更多的应用机遇，满足制造业工业信息化建设的总体要求.