恒液位自动化控制与物联网模块结合运用研究

靳昌龙

（国家矿山安全监察局山东局救援指挥中心，山东 济南 250031）

在供排水系统中，液位是被经常监控和参考的物理量。恒液位自动化控制在供排水系统中广泛运用，具有全天候自动启停、无人值守、安全可靠等特点，但在故障实时报警、远程监控、应急处置等方面，还存在着一些差距。近几年，随着物联网技术在各领域应用，手机APP 开发越来越多，差距逐渐被化解。恒液位自动化控制与物联网技术的结合运用[1]，可以实现系统自动化工作、故障实时报警、手机APP 远程监控、应急远程处理等功能，具有低成本、多功能、稳定性高等优点[2]。

柴里矿污水泵房原来由专人值守监控，定时监测污水水位及水泵工作电压、电流及管道压力。随着矿区人力资源的不断优化配置，一些传统的操作巡检岗位被整合撤销。柴里矿东门外馨园社区地势低洼，夏天雨季防洪排水给污水泵房带来了较大的压力和考验。为做好雨季防洪排水应急处置，减少工作人员压力，确保第一时间作出应急反应，柴里煤矿将智能化物联网技术应用于污水排放系统中。该系统以液位为主要判断标准，以水泵额定电流、管道压力等参数为辅助标准，通过可编程控制器控制数台水泵的启停，达到恒液位供水的目的。在此基础之上，通过专用通信系统，使可编程控制器与物联网模块有机结合，再通过4G 网络把现场数据上传到云平台，通过手机APP 界面，实现数据实时查看、故障报警、远程操控等[3]。

本文以柴里煤矿污水处理系统改造为例，介绍了恒液位自动化控制与物联网模块结合运用方面的研究情况。

1 系统总体设计方案

恒液位自动化控制使用比较广泛，且技术发展较为成熟。该系统在此技术领域未作出大幅改动，便于将来此系统与其他技术相融合。在系统开发运用方面，物联网通信平台部分是一个主要部分，需要大量的组态画面建设、数据关联等工作。在这部分工作中，可编程控制器与物联网模块通信建立是一个关键技术和难题，既包括通信本身的技术，如通信方式、协议等，又包括组态画面中每一个按钮、指示灯、模拟量数据显示、模拟量动态变化显示等[4]，与可编程控制器中数据关联，一一对应，实现数据同步，为手机APP 界面显示、远程操控做好准备。手机APP 界面是系统的远程监控操作部分，主要是在云平台界面中，组建一个适合手机界面显示的组态。手机下载安装专用软件，登录云平台即可显示监控操作画面，实现与现场数据同步。在系统总体框架设计上，主要包括三大部分：现场自动化控制部分、物联网通信平台部分、远程监控操作部分。

现场自动化控制部分主要以现场的动力设备和控制单元为主，动力单元有水泵、电动阀门；控制单元有可编程控制器、触摸屏；取样单元有液位取样、电流取样；报警单元为语音、光线报警。

物联网通信平台部分主要有软硬件两个部分：硬件包括物联网模块、电源模块、通信线路；软件包括云平台、4G（WiFi）通信网络、数据画面组态、手机APP 界面组态。

远程监控操作部分根据使用场景可以分为PC终端、手机APP 软件；故障异常报警又可分为短信、微信、电话三种报警方式，可供维修人员选择。系统总体框架结构如图1。

图1 系统框架图

2 各部分具体工作运用

2.1 现场自动化控制部分

现场的自动化控制部分采用S7-200 可编程逻辑控制器编程控制，利用投入式液位传感器实时监测蓄水池液位变化情况。PLC 根据液位变化情况，按照预先编写的程序，自动控制供水泵、排水泵的开启与停止，利用分布在各个现场的电流、电压、压力变送器，取得反馈信号，用于监控和保护、报警等事件的启动。整个系统不需人为干预，自我启停，实现了自动化、无人化工作。

现场使用的触摸屏与PLC 通信后，用于显示PLC 存储的数据及设备状态监控，用于特殊情况下的手动切换与检修操作。

现场控制部分为一套独立完整的自动化控制系统，可以实现自动和手动两种控制模式，触摸屏界面一键模式切换。现场自动化控制部分框架图如图2。

图2 现场自动化控制部分框架图

1）PLC 编 程： 西 门 子S7/200、CPU226、EM231、手动/自动两种模式；

2）液位取样：MJYW10A、4/20MA；

3）电流取样：WB1414F21、4/20MA；

4）触摸屏：MCGS、1061TI；

5）数据监控：液位、压力、电压、电流；

6）故障报警：指示灯、语音。

2.2 物联网通信平台部分

物联网通信平台部分包括物联网模块、云平台、4G（WiFi）通信网络、数据画面组态四个单元。现场的PLC 通过串口或者网口与物联网模块物理连接，物联网网关模块通过4G（WiFi）通信网络与云平台建立联络[5]。现场的PLC 内部数据就可以通过物联网模块，透传给云平台。在云平台上，建立组态画面，把需要显示的数据、设备状态以及需要操控的部件，组态到界面中，再把画面与PLC 传送的数据一一关联，整个通信和组态就建立完成，所需要的数据就可显示在组态画面中。

图3 云平台组态框架图

1）物联网网关模块：SUK/BOX/4G、485 串口与PLC 通信、RJ45 接口与PC 机连接程序下载；

2）云平台：开发界面、数据存储；

3）4G（WiFi）通信网络：4G 网络与云平台通信；

4）数据画面组态：按钮、指示灯、液位、压力、电流。

2.3 远程监控操作部分

远程监控操作部分包括PC 终端、手机APP 操控界面、事件报警三个部分。用户可以通过所使用的设备选择PC 终端机和手机APP，也可同时使用两种方式，也可供多台设备同时登录使用。PC 终端机用户通过以太网登录云平台，就可以打开组态画面，可以修改画面和参数。手机APP 是一个监控操作画面，通过4G 或5G（WiFi）登录云平台，监控数据及设备状态，可利用界面部件切换手动自动模式，直接操控现场设备，但是不可以修改画面和参数。当预设的事件发生时，平台可以通过短信、微信、电话语音发送相关信息到关联人的手机上，报警提醒。

1）PC 终端：登录云平台、监控数据、更改参数、开发者使用、授权用户；

2）手机APP 操控界面：APP 下载、登录云平台、监控、操作；

3）事件报警：报警事件可设置等级以及权限，方式为短信、微信、电话语音。

由图8可知，状态机运行结束后产生完成脉冲信号，同时输出连通域的个数以及连通域的坐标，仿真结果显示总共检测到16个连通域，与仿真测试文件相一致，且给出的连通域最小外接矩形坐标也和测试文件相同，说明该算法功能仿真正确。

2.4 综合运用

恒液位自动化控制与物联网模块综合运用应用系统，包括硬件连接和数据传输两个部分。

以柴里煤矿污水泵房排水系统改造为例，可编程控制器是现场控制的中枢，它通过通信线路连接信号变送器，采集现场的液位、电压、电流等信号，作为控制依据，通过用户编程，分析作出动作判断，发出控制信号，通过控制线路，控制连接的控制器和报警设备，实现水泵的开启、停止。

可编程控制器通过RJ45 网口与物联网模块建立连接，在连接过程中，需要对物联网模块的连接参数进行设置，使设备进行通信匹配。物联网模块与可编程控制器连接后，需要与云平台建立通信连接，通信方式支持4G（5G）和WiFi 两种方式[6]。建立连接时，需要在云平台中进行一些连接的参数设置。最后一步就是手机与云平台的连接，这个一般通过厂家提供的专用软件去连接，下载安装APP，密码登录后，在平台中找到所使用的工程项目，打开弹出画面即可使用。

由于“液位”模拟量是整个系统运行最重要的参考依据，所以将以“液位”的传输途径为例，介绍整个系统的数据传输、动作执行以及执行理念。“液位”通过投入式液位传感器的电阻变化情况，取得一个电压值，电压值通过变速器变成一个标准的电压值或者电流值（该工程选用的是4～20 mA）。电流值通过模拟量模块输送给PLC，PLC把这个值作为参考，根据程序做出动作执行判断，输出动作执行或者显示输出。

PLC 在完成现场控制的同时，把数值传输给触摸屏显示，也传输给物联网模块，通过物联网模块透传给云平台，手机APP 界面通过云平台就可以得到液位数值。

以手机APP 上的按钮去启动现场的水泵，接收开关量的传输。按下手机界面上的启动按钮，通过网络传给云平台，云平台不作判断，直接通过物联网模块传给PLC，PLC 通过程序判断，输出一个执行信号，驱动水泵相关联的接触器，启动现场的水泵，同时把水泵的运行电流传给PLC 进行监控，此时PLC 也会传给云平台以及触摸屏、手机界面。

3 项目评价

3.1 有利因素

1）技术成熟可靠

恒液位自动化控制是一套成熟可靠的技术，具有全天候自动启停、无人值守、安全可靠等优点。物联网技术近几年在各个领域得到了推广使用，特别是车联网、智能家具、智慧农业等方面运用较好。在其他方面，运用功能多比较单一，一般包括数据监控、点对点的开启、停止和报警等。该项目的创新点在于，在供排水系统中，把自动化与物联网模块有机融合运用。正常情况下，恒液位自动化控制系统独立工作，物联网系统不干预，只是监控；特殊情况下，手机界面一键切换手动模式，既能操控PLC，又能监控数据及设备状态，实现了全天候自动启停、无人值守与远程监控、应急处置等功能的无缝衔接。

2）成本低廉、易于开发、操控简便

该项目易于开发利用，可以在原有的恒液位自动化控制系统上，直接加装物联网网关模块，对PLC 程序稍加改动，既可以关联物联网模块，投入使用。物联网网关模块投入成本在2000 元左右。云平台组态方面，开发触摸屏组态的技术人员，稍加学习，就可以开发云平台组态；手机操控方面，非常简单，一键切换，特别适合一些恶劣天气或紧急情况下的应急处理，既解决了恶劣环境下操作人员不能到达现场操作的困难，又能为事件及时处理提供保证。

3.2 不利因素

不利因素包括通信安全、平台稳定性、后期费用、通信延时、特殊环境下的使用问题。

物联网涉及的通信安全是一个绕不过的问题。企业的数据通信，以前多数用一个企业自己的局域网，比较安全，现在用的是公网，特别重要的系统，需要特别注意数据安全、操控安全。

云平台包括公有云和私有云，平台稳定性、后期有无租用开支以及开发人员的岗位稳定性，都会影响物联网系统的长期使用。由于大多数物联网模块价格低廉，多采用4G 或WiFi 信号，不可避免地存在延时情况，不适合及时性要求高的场所。对于煤矿等对防爆要求严格的场所，还要做一些相应的工作。

4 结语

污水泵房恒液位自动化控制与物联网模块结合运用项目，是一项关乎民生的系统改造工程。该项目以较小的资金投入，通过技术改造与融合，改变了以往人工值守的传统工作模式，在优化人员结构的同时，也减轻了职工劳动强度。在雨季来临之时，该系统能够第一时间做出反应，迅速排水，防止居民遭遇洪涝之苦，大大减少了大雨季节低洼地区积水的现象。该系统配备的远程监控操控的工作模式，体现了物联网技术的便捷，为自动化启停水泵增添了额外保障，确保系统的平稳运行。