基于“互联网+”的智慧水利实验平台研制

ISSN 1002-4956 CN11-2034/T

实 验 技 术 与 管 理 Experimental Technology and Management 第36卷 第11期 2019年11月

Vol.36 No.11 Nov. 2019

DOI: 10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.037

基于“互联网+”的智慧水利实验平台研制

付 琛，杨国华，李海波，赵晓峰

（无锡商业职业技术学院 物联网技术学院，江苏 无锡 214153）

摘 要：为满足产业转型升级对于高素质应用型人才的新需求，加强高职院校的实践教学平台建设，结合工业控制技术和计算机软件技术，设计出一套以实际水利排涝站工程为载体的智慧水利实验平台。该平台以PLC作为现场控制核心，采用分散控制、统一管理的模式，利用浏览器、手机APP作为远程终端服务软件，最终实现对排涝泵站的数据采集与监视控制。运用该实验平台，可以使学生加深对互联网+工业控制的理解。 关键词：智能控制技术；智慧水利；实验平台；互联网+

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2019)11-0153-04

Development of intelligent experimental platform for water

conservancy based on “Internet+”

FU Chen, YANG Guohua, LI Haibo, ZHAO Xiaofeng

(School of IoT Engineering, Wuxi Vocational Institute of Commerce, Wuxi 214153, China)

Abstract: In order to meet the new demand for high-quality practical talents in industrial transformation and upgrading, strengthen the construction of practical teaching platform in higher vocational colleges and combine industrial control technology with computer software technology, an intelligent water conservancy experimental platform is designed, which is based on the actual water conservancy drainage station project. This platform takes PLC as the core of field control, adopts the mode of decentralized control and unified management, uses browser and mobile phone APP as the remote terminal service software, and finally realizes the data acquisition and monitoring control of drainage pumping station. Through this platform, students can understand the Internet + industrial control better.

Key words: intelligent control technology; intelligent water conservancy; experimental platform; Internet+



《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意

1 智慧水利实验平台架构设计

基于“互联网+”的智慧型应用平台主要由现场监控层、网络服务层、数据中心层以及远程网络应用层4部分组成[5]。在现场监控层，主要是利用不同控制器实现对现场设备的监控与管理；在网络服务层，主要是借助互联网或者移动互联网技术实现数据的远程传输；在数据中心层，主要是实现大数据的存储以及安全管理；在远程网络应用层，主要是利用数据中心的大数据服务于商务以及现场设备、生产管理，实现智能决策，以提高经济效益和生产管理效率。智慧型应用平台涉及的主要关键技术包括：

（1）智能感知体系的构建； （2）无线通信技术的应用； （3）异源异构数据的集成与分析； （4）云计算技术的应用；

见》颁布以来，互联网已经逐渐融入各生产领域，与农业、制造业、金融业、物流业等产业的融合度已愈来愈高[1-3]，带动了产业信息数据的共享与高效管理[4]。为了满足“互联网+新兴技术”的需要，加快人才的培养是根本。本文从提高人才培养与社会的契合度出发，以“互联网+水利”作为载体，以提高实验通用度为目标，研制了智慧型水利实验平台，以适应“互联网+”时代对岗位人才技能的需求，实现专业与课程的跨界融合，彰显职业院校人才培养的特色。

收稿日期: 2019-04-24

基金项目: 江苏省高等职业教育产教深度融合实训平台—互联网+

工业智能技术应用平台项目（苏教高﹝2016）10号）

作者简介: 付琛（1983—），男，甘肃天水，硕士，实验师，主要研究方向为通信技术、控制技术应用以及系统集成。 E-mail: fuchen@wxic.edu.cn

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（5）智能决策与控制。

为了让学生系统地了解“互联网+”的关键技术，培养复合型的专业技能，提升创新能力和工程应用能力，采用如图1所示的智慧水利实验平台的硬件结构。图1中，利用PLC实现现场泵闸控制对象的智能启停控制以及当地内外河水情监测、系统工作状态监测；

利用OPC Agent实现对排涝现场的控制、现场数据采集和处理，上报云端服务器，自适应断线/在线工作模式，访问安全控制，主动记录日志与报警等功能。结合“云端”的水利信息管理平台，实现水情监测、排涝站水泵、闸机工作状态监控以及泵站机组的智能实时优化调度和水文数据的存储与管理。

图1 智慧水利实验平台硬件系统结构

2 智慧水利实验平台主要模块设计

2.1 实验平台下位现场控制层模块设计 2.1.1 现场采集设备的选择

实际水利排涝站采集的信息主要是内河、外河水位和水泵的电参数。水位信息的采集可以使用机械式格雷码水位计或投入式压力水位计。机械式格雷码水位计测量准确，但对安装要求较高；投入式压力水位计安装方便，但测量精度受水质环境影响较大。因实

验室水质良好，基本不会产生淤泥等杂质影响测试精度，所以采用0~0.5 mm量程、4~20 mA输出的投入式压力水位计。

使用三相电参数智能电表采集水泵运行时的电参数。出于对安全和够用原则，智慧水利实验平台采用单相电水泵进行抽水，选择支持Modbus-RTU协议的单相电采集仪表进行电参数的采集。选择了高职院校运用较多的西门子CPU224XP作为PLC控制器，采用EM231模拟量扩展模块完成模拟量采集，采用CP243-1

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以太网模块实现数据远程传送。 2.1.2 水泵运行电参数采集软件

在以往的数据采集中，电流、电压等现场信号都是由PLC的模拟量通道进行采集，而PLC的模拟量采集部分的通道数少且成本高。因此，智慧水利实验平台以S7-200作为Modbus主站，DES201-EM多功能电表作为Modbus从站，实现Modbus-RTU通信。

Modbus通信协议是一种公开的工业级通信协议，具有主从设置、起始地址设置、数据包格式定义、停止位定义、奇偶校验、通信速率可调、通信距离远、抗干扰能力强等特点[6]。S7-200 CPU上的通信口在电气上是标准的RS-485半双工串行通信口，此串行字符通信的格式为1个起始位、7/8位数据位、1位奇/偶/无校验、1个停止位，通信波特率可以设置。符合这些格式的串行通信设备可以和S7-200进行自由口通信，S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN带有西门子Modbus RTU主站/从站指令，能够非常方便地实现Modbus通信。通信主站的程序设计流程如下：

（1）变量初始化以及自由通信端口的Modbus主站初始化；

（2）搜索并储存有效的从站地址； （3）轮流对各从站发送读取数据申请。 2.1.3 水泵运行数据远程传输

在系统中，数据的远程传输主要指PC与PLC之间的数据传输，它是上位机管理系统实现的关键。在数据的远程传输过程中，一般采用PLC加以太网扩展模块的方式，通过以太网扩展模块建立上位机和下位机之间的数据传输通道，能够实现数据的有效传输[7]。本系统采用西门子CP243-1实现以太网传输。CP243-1是一款适用于在S7-200自动化系统中运行的通信处理器，用于将S7-200连接到工业以太网。以太网连接建立起来后，就要与PLC交换数据。但是西门子S7协议不公开，这给系统集成和数据共享带来很大麻烦。随着OPC技术的发展和普及，二者之间的通信变得简单和高效。因此，本系统以OPC协议为桥梁，实现PLC与上位监控软件的连接。

OPC是一种应用广泛的通信协议，它提供了一系列接口函数，能满足各种类型的现场设备要求。用户访问的方式被统一，方便软件开发者与其他系统的对接以及用户的使用。OPC技术已成为工业过程控制的通信标准，规范了过程控制和自动化软件与工业现场设备之间的接口，极大地提高了系统开发的效率[8]。

西门子推出的PC Access软件是专门用于S7-200PLC的OPC服务器软件，可以与任何标准的OPC客户端通信并提供数据信息。PC Access可以用于连接西门子或者第三方支持的OPC上位软件[9]。第

一步是建立与PLC的连接。PC Access支持的通信主要有：PPI、MPI、PROFIBUS-DP、S7协议（通过CP243）和Modem。本系统采用网线建立双方的物理连接，采用S7协议建立起PC Access和S7-200之间的通信。第二步是通过选择已有S7-200项目，并将项目中的变量导入PC Access方式建立项目。第三步是使用PC Access软件自带的OPC客户测试端进行测试。 2.2 实验平台上位监控层模块设计

智慧水利实验平台上位应用逻辑结构如图2所示。上位监控平台采用OPC Agent设计方案[10-11]，将应用的控制划分为4层：

图2 智慧水利实验平台上位应用逻辑结构

（1）表示层和Restful接口提供应用的交互界面； （2）权限控制用于定义设备管理上的约束； （3）数据中心用于定义应用系统范围内PLC设备及其状态变量，为上层应用下发的命令提供解析和执行，解决应用数据与设备数据的同步问题；

（4）DCOM通信层通过DCOM接口，将PLC的数据按OPC规范与OPC Server进行相互的通信。

OPC Agent根据自定义业务逻辑，实现对设备的管控，即使与外部网络断开，也能独立工作，监控数据和记录事件，灵活性大大增强。

OPC Agent与水利信息平台采用Redis消息机制进行通信，相互协作，共同完成对设备的管理，充分体现了Agent协作性。

OPC Agent能够在系统运行中通过预设的业务逻辑对设备进行自动控制，自动对历史数据进行自主学习，当数据异常时自动向云端水利信息系统报警和现场报警。

考虑应用系统的跨平台、稳定性以及服务的可扩展性，采用Tomcat 7.0作为应用服务器，Redis 2.8作为实时数据缓存和消息路由，SQL Server 2008存储历史数据和应用配置信息。为了使浏览器和手机终端均能访问该平台，客户端接口分为两部分：一是由浏览器访问的Web动态网页，二是为移动终端提供的一组Web API接口。Web界面主要是借助于HTML5的

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WebSocket通信方式，实现Web页面与服务器之间的实时通信，动态展示设备运行状态以及相关运行参 数[12]。

用Modbus通信实现对系统工作电参数的采集），利用以太网通信实现了数据从本地PLC控制器到远程OPC服务器之间的数据传输。该系统构建了一套远程网络监控系统，融入了从现场控制器（端）到远程云服务器（端）之间的系统网络架构的流程以及硬件配置的相关知识。该系统中开发的远程PC监控平台以及移动端APP程序[13]，不仅让电气自动化技术专业的学生对上层软件开发有了一定的认识，也对其他专业的学生对于信息化数据的处理、分析以及决策等有了感性的认识，在一定程度上提高了学生的学习兴趣，培养了学生的创新能力。

3 智慧水利实验平台的运行调试

实验平台外观如图3所示。在硬件结构设计中，本着符合实际和经济性原则，采用左、右有机透明玻璃体模拟内河、外河水情，采用带限位保护的24 V/40 W直流电机控制闸门的升降。根据安全原则和实际教学需要，将控制设备和被控对象进行上下层开放布置。经过实际教学应用，该系统硬件设计能很好地满足控制需求。

5 结语

基于“互联网+”的智慧水利实验平台以实际工程应用为载体，结合新时期“互联网+”人才培养方向，满足了跨课程、跨专业综合实验的新需求。通过硬件结构设计，再现实际排涝站工作过程，结合PLC控制技术和计算机软件技术，实现了远程排涝站的实时监控。实践表明，该自行设计的实验模型运行稳定

可靠，符合新时期下现代智能制造技术和智能信息管理技术高技能人才培养的要求。 参考文献 (References)

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图3 智慧水利实验平台实物图

在下位现场控制层，可以按照控制动作要求编制PLC程序和触摸屏程序。

在上位监控层，不仅可以对水情信息进行实时显示和存储，同时还能远程启停水泵，其远程监控界面如图4所示。

图4 智慧水利实验平台远程网络PC监控界面

4 智慧水利实验平台的特色与创新

智慧水利实验平台的开发是在“互联网+”行动指南和“工业4.0”概念的指引下，根据社会对人才需求的变化，依托现代控制技术、互联网技术、移动互联技术以及各类工控设备通信技术、OPC技术、数据库技术开发完成的，是一台与实际智慧工程项目推广较为接近的实验装置。该装置首先支持电气自动化技术专业类学生开展综合技能训练，涉及传统的电气控制技术知识（例如泵闸用电机的正反转控制电路设计等）和当前工控设备通用的通信技术编程知识（例如