基于Lora技術(shù)的集中供熱系統(tǒng)研究與應(yīng)用

孟亞男,孫 銘*,潘 威,王文琪

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.中國(guó)石油吉林石化分公司 化肥廠，吉林 吉林 132021；3.吉林市創(chuàng)贏自控設(shè)備有限公司，吉林 吉林 132022)

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)上都獲得了令世人驚嘆的成就，我國(guó)城鎮(zhèn)的供熱系統(tǒng)也朝著智能化方向發(fā)展[1].我國(guó)現(xiàn)存的集中供熱系統(tǒng)中的各個(gè)換熱站之間相隔較遠(yuǎn)、環(huán)境各異.絕大多數(shù)的供熱系統(tǒng)采用RS-232/RS-485串口通信，存在布線繁瑣、數(shù)據(jù)傳輸效率低、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)；少部分供熱系統(tǒng)采用基于Internet的無(wú)線通信方式，雖然彌補(bǔ)了有線傳輸?shù)牟蛔?，但其無(wú)法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差的地下?lián)Q熱站.為了解決以上問(wèn)題，集中供熱系統(tǒng)急需先進(jìn)的科技來(lái)進(jìn)行提升和改造.Lora(Long Range，勞拉)是一種功耗較低、數(shù)傳距離遠(yuǎn)的無(wú)線通信技術(shù)，極大地增強(qiáng)了網(wǎng)關(guān)接收模塊識(shí)別信號(hào)的靈敏度和信噪比，保證了信號(hào)傳輸過(guò)程的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性[2].相比Internet，Lora技術(shù)對(duì)土壤、墻體的穿透能力更強(qiáng)，解決了建設(shè)在地下的換熱站因信號(hào)差導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸困難的問(wèn)題.

本文采用Lora技術(shù)和上、下位機(jī)軟件對(duì)城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)的主要被控參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱站的集中管理，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 集中供熱系統(tǒng)工藝流程

目前，我國(guó)絕大部分的集中供熱系統(tǒng)由熱源廠、換熱站、熱用戶(hù)組成(圖1).熱源廠與換熱站通過(guò)一次網(wǎng)進(jìn)行一次側(cè)水運(yùn)輸，換熱站與熱用戶(hù)通過(guò)二次網(wǎng)進(jìn)行二次側(cè)水運(yùn)輸，在換熱站內(nèi)部通過(guò)板式換熱器對(duì)一次側(cè)水和二次側(cè)水進(jìn)行換熱[3].其中，循環(huán)泵負(fù)責(zé)二次網(wǎng)管水穩(wěn)定循環(huán)，能夠保持良好的供暖質(zhì)量；當(dāng)二次網(wǎng)管水壓過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)水泵補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)水壓定壓控制；當(dāng)二次網(wǎng)管水壓過(guò)高時(shí)，啟動(dòng)泄壓閥排水，防止因管網(wǎng)水壓過(guò)高而發(fā)生安全事故.

圖1 集中供熱系統(tǒng)工藝流程圖

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖2所示.傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)被控參數(shù)的數(shù)值以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息，數(shù)據(jù)通過(guò)變送后傳輸至PLC控制器進(jìn)行運(yùn)算，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)、設(shè)備的自動(dòng)控制；各站通過(guò)觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總及顯示，利用RS-232通信方式搭載DTU(Data Transfer unit，數(shù)據(jù)傳輸單元)，通過(guò)4G Internet數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)服務(wù)器；任何PC端或移動(dòng)端都可以搭載內(nèi)網(wǎng)透?jìng)骷夹g(shù)或Kingview移動(dòng)端軟件對(duì)各個(gè)換熱站的數(shù)據(jù)集中管理.

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

針對(duì)信號(hào)差的地下?lián)Q熱站，本文采用搭載Lora技術(shù)的終端和網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸(圖3).采用RS-232串口通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ora終端，搭載Lora技術(shù)的終端與網(wǎng)關(guān)之間實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)低功耗數(shù)據(jù)傳輸，此過(guò)程不依賴(lài)Internet，完美解決了地下?lián)Q熱站無(wú)信號(hào)的問(wèn)題.網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)匯總解調(diào)，通過(guò)4G Internet上傳到主機(jī)服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從地下?lián)Q熱站到主機(jī)的穩(wěn)定傳輸.

圖3 搭載Lora技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸原理圖

終端與網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)Lorawan協(xié)議通信.采用網(wǎng)絡(luò)會(huì)話密鑰(NwkSkey)保證數(shù)據(jù)安全傳輸，它可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密.通過(guò)應(yīng)用中斷密鑰(AppSkey)來(lái)確保終端與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)完整地傳輸[4].

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 F2116 V2 IP MODEM

F2116 V2 IP MODEM是目前應(yīng)用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳終端，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，針對(duì)不同的客戶(hù)需求可以配置成多種協(xié)議模式[5].工業(yè)級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)使得它具有穩(wěn)定可靠、標(biāo)準(zhǔn)以用、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，但其必須依靠Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)傳，無(wú)法滿(mǎn)足信號(hào)弱的地下?lián)Q熱站數(shù)傳需求，故本文只在地上換熱站中應(yīng)用該終端.

2.2 F8L10T Lora終端

F8L10T Lora是一種基于Lora擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端，通過(guò)搭載Lora無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.該終端將較為成熟的工業(yè)級(jí)Lora技術(shù)作為核心，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[6]，其工作原理為通過(guò)RS-232/RS-485收發(fā)器接受來(lái)自控制器的數(shù)據(jù)信號(hào)，處理器將通信方式改為L(zhǎng)ora無(wú)線通信，通過(guò)天線將信號(hào)向外發(fā)送，如圖4所示.

圖4 數(shù)傳模塊F8L10T原理框圖

2.3 F8926-L Lora網(wǎng)關(guān)

F8926-L Lora網(wǎng)關(guān)是一種利用Internet網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)通信路由器，不僅可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線長(zhǎng)距離數(shù)傳，還支持Lora技術(shù)進(jìn)行短距離數(shù)傳[7].其工作原理為通過(guò)Lora天線與Lora無(wú)線模塊接受來(lái)自Lora終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)，CPU系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包后通過(guò)蜂窩無(wú)線模塊向主機(jī)傳輸，如圖5所示.

圖5 F8926-L Router原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

3.1 控制程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)選用STEP7-Micro/WIN SMART軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和編程，現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)PLC的自動(dòng)控制，將數(shù)據(jù)處理后通過(guò)Lora數(shù)傳單元上傳到上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè).按照系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)被劃分為以下幾個(gè)模塊分別進(jìn)行控制，分別為初始化程序、模擬量轉(zhuǎn)換程序、調(diào)節(jié)閥控制程序、循環(huán)泵控制程序、補(bǔ)水泵控制程序、泄壓閥控制程序(圖6).

圖6 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，主程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)程序啟動(dòng)或通信狀態(tài)變化時(shí)系統(tǒng)對(duì)通信狀態(tài)的初始化、檢查并響應(yīng)通信請(qǐng)求以及對(duì)各個(gè)子程序的調(diào)用；初始化子程序只在程序第一個(gè)掃描周期運(yùn)行，控制目的在于對(duì)高低限等中間變量進(jìn)行初始化；現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)為模擬量(4～20 mA)通過(guò)變送后轉(zhuǎn)換為過(guò)程值(5530-27648)，由于PLC限于識(shí)別數(shù)字量，故編寫(xiě)模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序，目的在于將PLC接收的過(guò)程值(5530-27648)轉(zhuǎn)換成工程數(shù)值(溫度、壓力等)[8-9]；調(diào)節(jié)閥控制模塊中，對(duì)二網(wǎng)供溫采取PID控制.

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

選用Kingview 7.5軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā).通過(guò)編寫(xiě)上位機(jī)腳本接收下位機(jī)傳來(lái)的被控參數(shù)以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中.在上位機(jī)界面中，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、工藝流程、歷史趨勢(shì)曲線、實(shí)時(shí)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、報(bào)警信息等功能[10].每個(gè)換熱站工藝流程界面中均設(shè)有通信狀態(tài)燈，若主站與某個(gè)從站通信失敗，狀態(tài)燈顯示紅色并報(bào)警，方便管理員及時(shí)建立通信，以防因監(jiān)控不當(dāng)造成事故.一旦某項(xiàng)數(shù)據(jù)超出閾值或設(shè)備產(chǎn)生故障，上位機(jī)程序會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，并以短信等方式通知管理人員，以便管理人員實(shí)時(shí)做出決策，調(diào)度人力物力及時(shí)排除故障，防止意外事故的發(fā)生.

北京亞控還在PC端的基礎(chǔ)上，推出了同版本的移動(dòng)端軟件.通過(guò)內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)，Kingview移動(dòng)端同樣能讀取數(shù)據(jù)、接收?qǐng)?bào)警.當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，管理人員即使不在控制室，依然可以通過(guò)移動(dòng)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，從而消除報(bào)警.這樣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了即便控制室無(wú)人值守，也能對(duì)系統(tǒng)24 h監(jiān)測(cè).

圖7 熱網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行

目前，該系統(tǒng)于2020年10月在延邊朝鮮族自治州龍井熱力有限公司投入使用.在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行前，需保證下位機(jī)控制柜正常運(yùn)行，Lora終端與Lora網(wǎng)關(guān)配置完畢，將SIM卡安裝到Lora網(wǎng)關(guān)中.將設(shè)計(jì)好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝到預(yù)先準(zhǔn)備的PC中，打開(kāi)Kingview軟件，運(yùn)行系統(tǒng).經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，Kingview運(yùn)行日志中能夠?qū)崟r(shí)顯示各站與主機(jī)之間的通信狀態(tài)、工作模式、設(shè)備信息.當(dāng)被測(cè)參數(shù)超出或低于報(bào)警閾值區(qū)間時(shí)，報(bào)警信息界面中事件閃爍顯示并發(fā)出聲音警報(bào)，運(yùn)用Android客戶(hù)端也可設(shè)定被測(cè)參數(shù)數(shù)值、訪問(wèn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況、監(jiān)測(cè)報(bào)警事件并消除報(bào)警等操作.測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)控制要求基礎(chǔ)上，還保證了數(shù)據(jù)的有效傳輸.

4.2 Lora數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試分析

本文設(shè)計(jì)的基于Lora技術(shù)的集中供熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地下?lián)Q熱站終端與地上網(wǎng)關(guān)之間采用Lora無(wú)線通信方式，保證在無(wú)信號(hào)的環(huán)境下系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性.具體實(shí)驗(yàn)操作如下：Lora終端每10 s向Lora網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，Lora終端放置在PLC控制柜中，其位置是固定不變的，將測(cè)試數(shù)據(jù)下載到PLC中，數(shù)據(jù)通過(guò)Lora通信技術(shù)傳輸?shù)絃ora網(wǎng)關(guān)，將Lora網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)與下載到PLC中的數(shù)據(jù)做對(duì)比，通過(guò)改變Lora網(wǎng)關(guān)的安放位置得出多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究接收數(shù)據(jù)的丟包率和錯(cuò)誤率.具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

由表1可知，Lora終端與Lora網(wǎng)關(guān)之間的距離越大，數(shù)據(jù)傳輸越不穩(wěn)定，當(dāng)距離超過(guò)1 300 m時(shí)，發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和丟包現(xiàn)象.為保證其可靠性和穩(wěn)定性，搭載Lora技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸距離應(yīng)控制在1 000 m以?xún)?nèi)的范圍.通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地下?lián)Q熱站的實(shí)際勘測(cè)，該市的地下?lián)Q熱站建設(shè)地點(diǎn)不超過(guò)地下10 m，控制柜與換熱站入口水平距離不超過(guò)20 m.根據(jù)以上分析，Lora技術(shù)能有效提供對(duì)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性、安全性.

表1 Lora數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于Lora技術(shù)的集中供熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，引進(jìn)Lora無(wú)線通信技術(shù)解決了鋪設(shè)在地下的換熱站因信號(hào)差導(dǎo)致通信困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集中供熱系統(tǒng)被控參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警功能以及歷史數(shù)據(jù)的保存與讀取.該系統(tǒng)對(duì)于供熱管網(wǎng)的集中監(jiān)控、熱力資源的有效分配具有重要意義.