基于Lora技術的集中供熱系統研究與應用

孟亞男,孫 銘*,潘 威,王文琪

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

隨著5G時代的到來，我國在物聯網技術和無線通信技術上都獲得了令世人驚嘆的成就，我國城鎮的供熱系統也朝著智能化方向發展[1].我國現存的集中供熱系統中的各個換熱站之間相隔較遠、環境各異.絕大多數的供熱系統采用RS-232/RS-485串口通信，存在布線繁瑣、數據傳輸效率低、維護成本高等缺點；少部分供熱系統采用基于Internet的無線通信方式，雖然彌補了有線傳輸的不足，但其無法應用于網絡信號差的地下換熱站.為了解決以上問題，集中供熱系統急需先進的科技來進行提升和改造.Lora(Long Range，勞拉)是一種功耗較低、數傳距離遠的無線通信技術，極大地增強了網關接收模塊識別信號的靈敏度和信噪比，保證了信號傳輸過程的穩定性、準確性[2].相比Internet，Lora技術對土壤、墻體的穿透能力更強，解決了建設在地下的換熱站因信號差導致數據傳輸困難的問題.

本文采用Lora技術和上、下位機軟件對城鎮集中供熱系統的主要被控參數、設備運行狀態、報表統計、報警信息進行實時動態監測，從而實現對換熱站的集中管理，保證系統安全、穩定地運行.

1 系統總體設計方案

1.1 集中供熱系統工藝流程

目前，我國絕大部分的集中供熱系統由熱源廠、換熱站、熱用戶組成(圖1).熱源廠與換熱站通過一次網進行一次側水運輸，換熱站與熱用戶通過二次網進行二次側水運輸，在換熱站內部通過板式換熱器對一次側水和二次側水進行換熱[3].其中，循環泵負責二次網管水穩定循環，能夠保持良好的供暖質量；當二次網管水壓過低時，啟動補水泵補水，實現二次網水壓定壓控制；當二次網管水壓過高時，啟動泄壓閥排水，防止因管網水壓過高而發生安全事故.

圖1 集中供熱系統工藝流程圖

1.2 系統數據傳輸架構

該系統數據傳輸架構如圖2所示.傳感器采集現場被控參數的數值以及設備的運行狀態等信息，數據通過變送后傳輸至PLC控制器進行運算，編程實現對參數、設備的自動控制；各站通過觸摸屏進行數據的匯總及顯示，利用RS-232通信方式搭載DTU(Data Transfer unit，數據傳輸單元)，通過4G Internet數據傳輸將數據傳輸至主機服務器；任何PC端或移動端都可以搭載內網透傳技術或Kingview移動端軟件對各個換熱站的數據集中管理.

圖2 系統數據傳輸架構圖

針對信號差的地下換熱站，本文采用搭載Lora技術的終端和網關實現數據傳輸(圖3).采用RS-232串口通信方式將數據傳輸到Lora終端，搭載Lora技術的終端與網關之間實現超長低功耗數據傳輸，此過程不依賴Internet，完美解決了地下換熱站無信號的問題.網關對數據匯總解調，通過4G Internet上傳到主機服務器，從而實現數據從地下換熱站到主機的穩定傳輸.

圖3 搭載Lora技術數據傳輸原理圖

終端與網關之間通過Lorawan協議通信.采用網絡會話密鑰(NwkSkey)保證數據安全傳輸，它可以對數據進行加密和解密.通過應用中斷密鑰(AppSkey)來確保終端與網關之間數據完整地傳輸[4].

2 系統硬件配置

2.1 F2116 V2 IP MODEM

F2116 V2 IP MODEM是目前應用最廣泛的物聯網無線數傳終端，通過Internet網絡對數據進行長距離傳輸，針對不同的客戶需求可以配置成多種協議模式[5].工業級應用設計使得它具有穩定可靠、標準以用、功能強大等優點，但其必須依靠Internet實現數傳，無法滿足信號弱的地下換熱站數傳需求，故本文只在地上換熱站中應用該終端.

2.2 F8L10T Lora終端

F8L10T Lora是一種基于Lora擴頻技術的無線數據傳輸終端，通過搭載Lora無線通信技術進行數據傳輸.該終端將較為成熟的工業級Lora技術作為核心，實現無線數據傳輸[6]，其工作原理為通過RS-232/RS-485收發器接受來自控制器的數據信號，處理器將通信方式改為Lora無線通信，通過天線將信號向外發送，如圖4所示.

圖4 數傳模塊F8L10T原理框圖

2.3 F8926-L Lora網關

F8926-L Lora網關是一種利用Internet網絡的無線物聯網通信路由器，不僅可以實現無線長距離數傳，還支持Lora技術進行短距離數傳[7].其工作原理為通過Lora天線與Lora無線模塊接受來自Lora終端傳來的數據，CPU系統對數據進行處理打包后通過蜂窩無線模塊向主機傳輸，如圖5所示.

圖5 F8926-L Router原理框圖

3 系統軟件設計與開發

3.1 控制程序設計

下位機選用STEP7-Micro/WIN SMART軟件進行硬件組態和編程，現場傳感器采集的數據通過PLC的自動控制，將數據處理后通過Lora數傳單元上傳到上位機進行集中監測.按照系統整體設計要求，系統被劃分為以下幾個模塊分別進行控制，分別為初始化程序、模擬量轉換程序、調節閥控制程序、循環泵控制程序、補水泵控制程序、泄壓閥控制程序(圖6).

圖6 熱網監控系統結構圖

其中，主程序實現當程序啟動或通信狀態變化時系統對通信狀態的初始化、檢查并響應通信請求以及對各個子程序的調用；初始化子程序只在程序第一個掃描周期運行，控制目的在于對高低限等中間變量進行初始化；現場傳感器采集到的數據為模擬量(4～20 mA)通過變送后轉換為過程值(5530-27648)，由于PLC限于識別數字量，故編寫模擬量輸入轉換程序，目的在于將PLC接收的過程值(5530-27648)轉換成工程數值(溫度、壓力等)[8-9]；調節閥控制模塊中，對二網供溫采取PID控制.

3.2 監測系統開發

選用Kingview 7.5軟件進行監測系統的開發.通過編寫上位機腳本接收下位機傳來的被控參數以及設備的運行狀態，存儲于數據庫中.在上位機界面中，能實現系統管理、工藝流程、歷史趨勢曲線、實時參數、設備參數、報表統計、報警信息等功能[10].每個換熱站工藝流程界面中均設有通信狀態燈，若主站與某個從站通信失敗，狀態燈顯示紅色并報警，方便管理員及時建立通信，以防因監控不當造成事故.一旦某項數據超出閾值或設備產生故障，上位機程序會啟動蜂鳴器報警，并以短信等方式通知管理人員，以便管理人員實時做出決策，調度人力物力及時排除故障，防止意外事故的發生.

北京亞控還在PC端的基礎上，推出了同版本的移動端軟件.通過內網穿透技術，Kingview移動端同樣能讀取數據、接收報警.當系統產生報警時，管理人員即使不在控制室，依然可以通過移動端對數據進行設置，從而消除報警.這樣的監測系統，實現了即便控制室無人值守，也能對系統24 h監測.

圖7 熱網監測系統結構圖

4 系統運行與測試

4.1 系統運行

目前，該系統于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.在監測系統運行前，需保證下位機控制柜正常運行，Lora終端與Lora網關配置完畢，將SIM卡安裝到Lora網關中.將設計好的監測系統安裝到預先準備的PC中，打開Kingview軟件，運行系統.經運行測試，Kingview運行日志中能夠實時顯示各站與主機之間的通信狀態、工作模式、設備信息.當被測參數超出或低于報警閾值區間時，報警信息界面中事件閃爍顯示并發出聲音警報，運用Android客戶端也可設定被測參數數值、訪問系統運行狀況、監測報警事件并消除報警等操作.測試結果表明，該系統在實現控制要求基礎上，還保證了數據的有效傳輸.

4.2 Lora數據傳輸測試分析

本文設計的基于Lora技術的集中供熱監測系統在地下換熱站終端與地上網關之間采用Lora無線通信方式，保證在無信號的環境下系統數據傳輸的穩定性.具體實驗操作如下：Lora終端每10 s向Lora網關發送一次數據，Lora終端放置在PLC控制柜中，其位置是固定不變的，將測試數據下載到PLC中，數據通過Lora通信技術傳輸到Lora網關，將Lora網關接收的數據與下載到PLC中的數據做對比，通過改變Lora網關的安放位置得出多組實驗數據，研究接收數據的丟包率和錯誤率.具體實驗數據如表1所示.

由表1可知，Lora終端與Lora網關之間的距離越大，數據傳輸越不穩定，當距離超過1 300 m時，發生數據錯誤和丟包現象.為保證其可靠性和穩定性，搭載Lora技術的數據傳輸距離應控制在1 000 m以內的范圍.通過對現場地下換熱站的實際勘測，該市的地下換熱站建設地點不超過地下10 m，控制柜與換熱站入口水平距離不超過20 m.根據以上分析，Lora技術能有效提供對該系統數據傳輸的穩定性、可靠性、安全性.

表1 Lora數據傳輸測試統計表

5 結 論

本文設計并開發了基于Lora技術的集中供熱監測系統，引進Lora無線通信技術解決了鋪設在地下的換熱站因信號差導致通信困難的問題，實現了對集中供熱系統被控參數和設備運行狀態的實時監控、報警功能以及歷史數據的保存與讀取.該系統對于供熱管網的集中監控、熱力資源的有效分配具有重要意義.