CN111622735A - 一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统和方法，包括：环保钻机、PLC模块、DTU模块、传感器、摄像头、GPS模块、MIP、边缘服务器和云端服务器；本发明使得所述环保钻机不需要人工辅助操作，通过所述PLC模块和所述传感器实现了全自动化的控制；同时所述MIP可以实时采集原位土样的数据信息，保证了数据的时效性和可靠性；所述云端服务器还可以对接收到的数据信息进行存储、分析和监控，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间，以达到优化提高设备工作效率的效果。

Description

一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统和方法
技术领域
本发明涉及自动化控制及检测设备领域，具体涉及一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统和方法。
背景技术
目前在环保勘察领域，钻探是最主要且最重要的勘察手段，而目前市面上的环保钻机基本只具备单一的钻探取样功能，而不具备自动化工作检测和原位测试功能。环保钻机操作人员在使用环保钻机工作时候需要通过人力辅助操作环保钻机进行换管等操作，取样成功后将样品送至实验室进行检测，这种依靠人力辅助换管操作存在规范性问题以及耗时过长等问题，这使得环保钻机工作效率很低，此外送样至实验室检测周期长且存在土样原样被破坏等风险。因此，亟待开发一种高度自动化控制的环保钻机及监测系统。
发明内容
本发明的目的提供一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
根据本发明的一个方面，一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统，所述系统包括：
环保钻机，用于环保勘测时钻土取样；
PLC模块，用于控制阀块，使得所述环保钻机完成动作，并接收传感器数据，进行逻辑判断；
传感器，与所述PLC模块连接，并向所述PLC模块传输传感器数据；
DTU模块，可将信号转换为无线信号与云端服务器通讯；
摄像头，用于搜集所述环保钻机周围环境信息；
GPS模块，用于实时反馈所述环保钻机的位置信息；
MIP，为膜界面探测器，用于采集土壤数据，可与所述环保钻机连接配合完成土壤数据采集任务；
边缘服务器，用于处理所述MIP数据并将数据数字化；
云端服务器，用于实现远程监控、危险预警和数据可视化的功能；
远程端，通过指定软件可以查阅各项数据，并远程操控所述环保钻；
云端数据库，用于接受存储所述云端服务器接收到的所述数字信息，为设备持续优化提供学习数据；所述云端服务器可通过深度学习的方法，对收集的数据进行分析和数据挖掘，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间；
所述GPS模块和所述摄像头与所述所述PLC模块电性连接，并且通过所述PLC模块与所述DTU模块进行通讯；
所述DTU模块与所述PLC模块电性连接，所述DTU模块可与所述传感器、所述摄像头、所述GPS模块、所述MIP、所述边缘服务器进行通讯。
在某些实施方式中，所述PLC模块内置预编程序，使得所述环保钻机按顺序执行动作，并根据传感器数据进行动作调整。
在某些实施方式中，所述MIP与所述环保钻机进行气路、电气和机械连接，可在所述环保钻机取样时对土样的原位实时检测，并将检测数据结果传送至所述边缘服务器。
在某些实施方式中，所述传感器包括：
流量传感器，主要安装于所述环保钻机的主泵输出端，用于检测液压油流量信号；
压力传感器，主要安装于所述环保钻机的主泵输出端和控制阀前端，用于检测液压油压力信号；
倾角传感器，主要安装在所述环保钻机中平行于翻转油缸和起落油缸轴向的倾角平台上，用于检测倾角信号；
编码器，主要安装于所述环保钻机的钻杆仓旋转液压马达、夹指旋转液压马达和行走液压马达，用于检测电机转动角度信号；
位移传感器，主要安装于所述环保钻机的主油缸和夹指油缸，用于检测位移信号。
在某些实施方式中，所述边缘服务器与所述DTU模块无线连接，所述边缘服务器通过所述DTU模块接收所述传感器、所述摄像头、所述GPS模块和所述MIP的数据信息，并将所述数据信息转化为数字信息发送至所述云端服务器。
在某些实施方式中，当所述云端服务器接收到的数据符合预警信息特征，所述云端服务器将会通过所述远程端通知相关工作人员并及时向所述环保钻机发送相关指令。
根据本发明的另一个方面，一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测方法，包括以下步骤：
S1.当环保钻机达到目标点位后，云端服务器通过无线网络发出自动指令至边缘服务器；
S2.所述边缘服务器将接收的所述自动指令通过DTU模块发送至所述环保钻机的PLC模块；
S3.所述PLC模块接收所述自动指令，根据所述自动指令触发内置程序控制所述环保钻机按顺序执行钻土取样动作，并根据各个传感器反馈的传感器数据进行动作调整，同时将所述传感器数据发送至所述边缘服务器；
S4.所述环保钻机在执行钻土取样时，通过MIP技术对土样进行原位实时检测，并将生成的MIP检测数据发送至所述边缘服务器；
S5.所述边缘服务器将收到的所述传感器数据和所述MIP检测数据通过无线网络发送至所述云端服务器；
S6.所述云端服务器对接收到的所述传感器数据进行实时监控，同时对所述MIP检测数据进行云端分析并生成检测报告；
S7.所述云端服务器将接受到所有数据存储至云端数据库，并进行数据分析和数据挖掘，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间；当所述云端服务器接受到的数据符合预警信息特征，所述云端服务器将会通知相关工作人员并及时向所述环保钻机发送相关指令。
本发明提供的一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统和方法的有益效果在于该系统使得所述环保钻机不需要人工辅助操作，通过所述PLC模块和所述传感器实现了全自动化的控制；同时所述MIP可以实时采集原位土样的数据信息，保证了数据的时效性和可靠性；所述云端服务器还可以对接收到的数据信息进行行存储、分析和监控，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间，以达到优化提高设备工作效率的效果。
附图说明
图1为本发明的一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统的流程图；
图2为本发明的一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明进行进一步详细的说明。
实施例1
一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统，包括：
环保钻机，用于环保勘测时钻土取样；
PLC模块，用于控制阀块，使得环保钻机完成动作，并接收传感器数据，进行逻辑判断；
传感器，与PLC模块连接，并向PLC模块传输传感器数据；
DTU模块，可将信号转换为无线信号与云端服务器通讯；
摄像头，用于搜集环保钻机周围环境信息；
GPS模块，用于实时反馈环保钻机的位置信息；
MIP，为膜界面探测器，用于采集土壤数据，可与环保钻机连接配合完成土壤数据采集任务；
边缘服务器，用于处理MIP数据并将数据数字化；
云端服务器，用于实现远程监控、危险预警和数据可视化的功能；
远程端，通过指定软件可以查阅各项数据，并远程操控环保钻；例如手机、电脑和平板等可联网设备；
云端数据库，用于接受存储云端服务器接收到的数字信息，为设备持续优化提供学习数据；云端服务器可通过深度学习的方法，对收集的数据进行分析和数据挖掘，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间。
例如使用Logistic Regression(逻辑回归)、SVM(支持向量机)、GBDT(梯度提升决策树)、Naive Bayes(朴素贝叶斯)、Xgboost、Adaboost、神经网络等学习模型，使用已记录的数据“喂入”模型，并进行人工参数调节，通过准确率、召回率、F1等衡量指标，选取得分前三名的三种学习模型，并对它们的参数进行进一步细化调节，再使用stacking方法对所选取的模型进行模型融合，通过对模型融合的预测结果和对结果影响较大的参数的监测，完成对已记录数据的数据分析和数据挖掘。此外，根据应用需求的变化，更改模型的损失函数，上述搭建的智能学习模型可以对机器未来状态进行预测，通过监测结果可以提早可以实现提前危险预警并找未知的危险因素；同时机器工作状态作为模型的损失参考指标，学习出在不同工作状态下最优的变量集合，并传回设备上的边缘服务器，实现对设备的实时动态优化。
调节参数主要包括1.学习率η,2.正则化参数λ，3.神经网络的层数L，4.每一个隐层中神经元的个数j，5.学习的回合数Epoch，6.小批量数据minibatch的大小，7.输出神经元的编码方式，8.代价函数的选择，9.权重初始化的方法，10.神经元激活函数的种类，11.参加训练模型数据的规模。
Stacking方法步骤
1、输入：训练数据随机打乱顺序后拆分为m份,
Figure BDA0002452309260000051
2、输出：集成分类器H；
3、使用训练数据D训练T个基础分类器
Figure BDA0002452309260000052
4、输入训练数据D,使用基础分类器预测初步，
Dh＝{xi,yi}i＝1xi＝{h1(xi),......,hT(xi)}；
5、使用Dh数据训练元分类器H。
PLC模块内置预编程序，使得环保钻机按顺序执行动作，并根据传感器数据进行动作调整。
举例而言，预编程序主要包括环保钻机到达目标场地后，根据云端接收到环保钻机当前坐标点位和钻土命令，进行处理，进行钻土取样，并发送相应钻土多少深度、转弯多少角度的指令到环保钻机的钻头，通过环保钻机PLC处理，将指令转换为动作信号控制阀块的开度大小，进而影响钻土快慢和角度，而装在钻头电机转轴上的编码器记录转动角度和位置并发送至PLC，PLC通过分析转动角度和钻头位置计算出环保钻机钻头钻探的深度，钻杆有多个采样管连接而成，控制器可以通过采样管的数量从而估算深度，再和接收指令做对比，以作出进一步动作，到达指定深度后通过MIP技术进行原位土样检测。
本实施例中PLC的型号为丹佛斯OX024-110或MC050-010。
GPS模块和摄像头与PLC模块电性连接，并且通过PLC模块与DTU模块进行通讯；环保钻机将当前GPS坐标点位将阶段性上传至云端服务器，通过与规划路径坐标点位对比，并对环保钻机发出进一步指令，如动作纠偏、继续当前动作指令。
MIP与环保钻机进行气路、电气和机械连接，可在环保钻机取样时对土样的原位实时检测，并将检测数据结果传送至边缘服务器。
MIP模块安装于钻杆，MIP模块包括膜界面探测钻头以及安装于膜界面探测钻头的加热器、半透膜、进气管、出气管以及温度传感器，膜界面探测钻头安装于钻杆的最底端，进气管、出气管贯穿膜界面探测钻头和钻杆；电源、进气装置、温度传感器以及检测器均与控制器连接，电源与加热器连接，进气装置与进气管连接，出气管与检测器连接，进气管与出气管连通。
钻杆在钻机的作用下下压至地层中，电源为加热器供电，对土壤进行热脱附，温度传感器监测温度反馈至地面控制电脑并控制加热器维持在一定的加热温度，膜界面探测钻头所在区域内的土壤中的VOCs从土样中分离并透过半透膜进入出气管，在进气装置的作用下，外界从进气管吹入载气等气体送至膜界面探测钻头底部，将进入管中的VOCs从出气管中吹出，并输送检测器检测，检测器将检测结果传入控制器，控制器对检测结果实时分析。
传感器包括：
流量传感器，主要安装于环保钻机的主泵输出端，用于检测液压油流量信号；
压力传感器，主要安装于环保钻机的主泵输出端和控制阀前端，用于检测液压油压力信号；
倾角传感器，主要安装在环保钻机中平行于翻转油缸和起落油缸轴向的倾角平台上，用于检测倾角信号；
编码器，主要安装于所保钻机的钻杆仓旋转液压马达、夹指旋转液压马达和行走液压马达，用于检测电机转动角度信号；
位移传感器，主要安装于环保钻机的主油缸和夹指油缸，用于检测位移信号。
在设备的主泵输出端安装主压力和主流量传感器；各个阀前端安装分压力传感器；桅杆顶部平行于翻转油缸和起落油缸的轴向安装两轴四向的水平传感器；钻杆仓旋转和夹指旋转的马达上各安装编码器；在主油缸和夹指油缸上安装位移传感器；在行走马达上安装转速传感器或者编码器。
在本实施例中，流量传感器为基恩士FD-Q50C；
压力传感器为易福门PT9550；
倾角传感器为例如易福门JN2201；
编码器为图尔克RI360P1-QR14-ELU4X2-0.3-RS5/S97；
位移传感器为图尔克RI360P1-QR14-ELU4X2-0.3-RS5/S97。
使用预先写好的动作指令通过PLC控制设备实行自动化动作操作，并根据传感器的实时反馈辅助程序做出动作校正及调整，对于异常信息进行报警，使其做出相应动作，比如某个压力传感器到达或超过或者低于一个预设临界值，并且连续一段时间达到某个预设时间域，则系统会给云端报警信号等待回馈，并且会强制降低阀的开口大小、关闭当前动作阀口并打开相反动作阀口作出反向动作、降低输出功率等多种动作来改变临界值，如果出现预设关键量，甚至会进行停机动作；如果云端反馈动作信息，则以云端动作为准。例如钻杆仓在旋转的时候，需要定仓位，仓位由角度传感器来确定，仓位在旋转的时候会根据目标角度和当前角度的差值来控制仓位马达的旋转是顺转或逆转，并且根据差值大小来调整转动速度，并且会设定一个容差值来保证仓位快速寻找到，而不至于调整时间过长。
DTU模块与PLC模块电性连接，DTU模块可与传感器、摄像头、GPS模块、MIP、边缘服务器进行通讯。
边缘服务器与DTU模块无线连接，边缘服务器通过DTU模块接收传感器、摄像头、GPS模块和MIP的数据信息，并将数据信息转化为数字信息发送至云端服务器；当环保钻机完成系列动作并且MIP也采集到土壤数据后，土壤数据会发送至边缘服务器进行数字化处理，VOCs在检测仪器中出来的数据需要分离出色谱数值和时间数值，然后再与标准质谱图和保留时间相比较进行定性，标注不同污染物的名称，并附加上点位深度、坐标点位、日期等信息，再转换为可读取的文件格式，如word/Excel等；然后发送至云端进行可视化处理，根据污染物数值的不同浓度和对点位深度绘制出一张土壤剖面图，对于土壤不同深度含有的污染物种类和浓度的综合考量，对此段部分进行颜色标注，直观看出某个点位不同深度下的土壤污染情况；最终形成土壤大数据地图，根据坐标点位、日期对数据进行归类，对某块区域内的点位污染物浓度和污染物种类的综合考量，对此块区域进行颜色标注，并且按日期切换显示，可以直观看出此块区域污染情况随时间变化情况。
当云端服务器接收到的数据符合预警信息特征，云端服务器将会通过远程端通知相关工作人员并及时向环保钻机发送相关指令。
步骤1将MIP与环保钻机进行气路、电气、机械连接，设备在操作控制系统接入了PLC控制，并在各个液压油管及动力系统处安装了压力、流量、位移、倾角、编码器、温度等传感器；当环保钻机到达目标点位后，云端服务器会发送自动指令信息，设备端接收到该条指令后，会执行之前预制的一系列程序动作，完成指定动作使用预先写好的动作指令通过PLC控制设备实行自动化动作操作，并根据传感器的实时反馈辅助程序做出动作校正及调整，对于异常信息进行报警，使其做出相应动作。
步骤2当钻机完成系列动作并且MIP也采集到土壤数据后，土壤数据会发送至边缘服务器进行数字化处理，然后发送至云端进行可视化处理，最终形成土壤大数据地图。
设备取样时通过MIP技术实现对土样的原位实时检测。
步骤3设备在工作过程中的一切传感器数据、设备的工作状态、MIP结果均由设备上的边缘服务器通过4g网络传输至云端服务器，服务器对接收到的钻机传感器数据进行实时监控；同时对MIP数据进行云端分析，云端生成检测报告。
步骤4此外，云端将接收到的信息存储至云端数据库，为设备未来持续优化提供学习数据。服务器通过深度学习的方法，对收集的数据进行分析和数据挖掘，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间。对于危险预警，当云端接受到的数据符合预警信息特征，云端将会通知相关工作人员并及时向设备发送相关指令，及时减少损失，且所有数据均可以视图方式查阅：人们可以通过手机电脑等远程端和指定软件，查阅钻机数据和土壤数据，且可对钻机进行远程操作。
本实施例中，自动指令在操作端为一个按键(比如经常看到的手动、自动切换的按钮)，传输的也是一个信号，信号被边缘服务器解析，然后对应执行系列动作。例如远程端发送自动指令后，设备上的边缘服务器会接收到该指令并解析，然后根据解析得出的具体控制信号，通过CAN总线对设备上的PLC设备进行指令下达，PLC设备与钻机的控制电路相连接，当PLC接收到来自上位机的指令，通过其中编写的好的程序将上位机指令解析，然后直接发送电信号给钻机的控制电路，完成对钻机的自动控制。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于物联网的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，所述系统包括：
环保钻机，用于环保勘测时钻土取样；
PLC模块，用于控制阀块，使得所述环保钻机完成动作，并接收传感器数据，进行逻辑判断；
传感器，与所述PLC模块连接，并向所述PLC模块传输传感器数据；
DTU模块，可将信号转换为无线信号与云端服务器通讯；
摄像头，用于搜集所述环保钻机周围环境信息；
GPS模块，用于实时反馈所述环保钻机的位置信息；
MIP，为膜界面探测器，用于采集土壤数据，可与所述环保钻机连接配合完成土壤数据采集任务；
边缘服务器，用于处理所述MIP数据并将数据数字化；
云端服务器，用于实现远程监控、危险预警和数据可视化的功能；
远程端，通过指定软件可以查阅各项数据，并远程操控所述环保钻；
所述GPS模块和所述摄像头与所述PLC模块电性连接，并且通过所述PLC模块与所述DTU模块进行通讯；
所述边缘服务器与所述DTU模块无线连接，所述边缘服务器通过所述DTU模块接收所述传感器、所述摄像头、所述GPS模块和所述MIP的数据信息，并将所述数据信息转化为数字信息发送至所述云端服务器。
2.根据权利要求1所述的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，所述PLC模块内置预编程序，使得所述环保钻机按顺序执行动作，并根据传感器数据进行动作调整。
3.根据权利要求1所述的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，所述MIP与所述环保钻机进行气路、电气和机械连接，可在所述环保钻机取样时对土样的原位实时检测，并将检测数据结果传送至所述边缘服务器。
4.根据权利要求1所述的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，所述传感器包括：
流量传感器，主要安装于所述环保钻机的主泵输出端，用于检测液压油流量信号；
压力传感器，主要安装于所述环保钻机的主泵输出端和控制阀前端，用于检测液压油压力信号；
倾角传感器，主要安装在所述环保钻机中平行于翻转油缸和起落油缸轴向的倾角平台上，用于检测倾角信号；
编码器，主要安装于所述环保钻机的钻杆仓旋转液压马达、夹指旋转液压马达和行走液压马达，用于检测电机转动角度信号；
位移传感器，主要安装于所述环保钻机的主油缸和夹指油缸，用于检测位移信号。
5.根据权利要求1所述的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，所述DTU模块与所述PLC模块电性连接，所述DTU模块可与所述传感器、所述摄像头、所述GPS模块、所述MIP、所述边缘服务器进行通讯。
6.根据权利要求1所述的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，所述云端服务器通过无线与所述边缘服务器连接，所述云端服务器通过互联网与所述远程端连接，所述云端服务器对接收到的所述传感器数据进行实时监控，同时对所述MIP数据进行云端分析，云端生成检测报告。
7.根据权利要求1所述的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，所述系统还包括：
云端数据库，用于存储所述云端服务器接收到的所述数字信息，为设备持续优化提供学习数据；所述云端服务器可通过深度学习的方法，对收集的数据进行分析和数据挖掘，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间。
8.根据权利要求1所述的环保钻机自动化控制及监测系统，其特征在于，当所述云端服务器接受到的数据符合预警信息特征，所述云端服务器会及时向所述环保钻机发送相关指令。
9.一种应用1-8任一项所述的自动化控制及监测系统的环保钻机自动化控制及监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.当环保钻机达到目标点位后，云端服务器通过无线网络发出自动指令至边缘服务器；
S2.所述边缘服务器将接收的所述自动指令通过DTU模块发送至所述环保钻机的PLC模块；
S3.所述PLC模块接收所述自动指令，根据所述自动指令触发内置程序控制所述环保钻机按顺序执行钻土取样动作，并根据各个传感器反馈的传感器数据进行动作调整，同时将所述传感器数据发送至所述边缘服务器；
S4.所述环保钻机在执行钻土取样时，通过MIP对土样进行原位实时检测，并将生成的MIP检测数据发送至所述边缘服务器；
S5.所述边缘服务器将收到的所述传感器数据和所述MIP检测数据通过无线网络发送至所述云端服务器；
S6.所述云端服务器对接收到的所述传感器数据进行实时监控，同时对所述MIP检测数据进行云端分析并生成检测报告；
S7.所述云端服务器将接受到所有数据存储至云端数据库，并进行数据分析和数据挖掘，找出目前未知的危险预警信息以及潜在的优化空间；当所述云端服务器接受到的数据符合预警信息特征，所述云端服务器将会及时向所述环保钻机发送相关指令。
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