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(chuàng)贏自控設(shè)備有限公司，吉林 吉林 132022)

隨著5G時代的到來，我國在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)上都獲得了令世人驚嘆的成就，我國城鎮(zhèn)的供熱系統(tǒng)也朝著智能化方向發(fā)展[1].我國現(xiàn)存的集中供熱系統(tǒng)中的各個換熱站之間相隔較遠、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、維護成本高等缺點；少部分供熱系統(tǒng)采用基于Internet的無線通信方式，雖然彌補了有線傳輸?shù)牟蛔?，但其無法應用于網(wǎng)絡(luò)信號差的地下?lián)Q熱站.為了解決以上問題，集中供熱系統(tǒng)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(shù)傳距離遠的無線通信技術(shù)，極大地增強了網(wǎng)關(guān)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(wěn)定性、準確性[2].相比Internet，Lora技術(shù)對土壤、墻體的穿透能力更強，解決了建設(shè)在地下的換熱站因信號差導致數(shù)據(jù)傳輸困難的問題.

本文采用Lora技術(shù)和上、下位機軟件對城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)的主要被控參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)、報表統(tǒng)計、報警信息進行實時動態(tài)監(jiān)測，從而實現(xiàn)對換熱站的集中管理，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 集中供熱系統(tǒng)工藝流程

目前，我國絕大部分的集中供熱系統(tǒng)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(wǎng)進行一次側(cè)水運輸，換熱站與熱用戶通過二次網(wǎng)進行二次側(cè)水運輸，在換熱站內(nèi)部通過板式換熱器對一次側(cè)水和二次側(cè)水進行換熱[3].其中，循環(huán)泵負責二次網(wǎng)管水穩(wěn)定循環(huán)，能夠保持良好的供暖質(zhì)量；當二次網(wǎng)管水壓過低時，啟動補水泵補水，實現(xiàn)二次網(wǎng)水壓定壓控制；當二次網(wǎng)管水壓過高時，啟動泄壓閥排水，防止因管網(wǎng)水壓過高而發(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)場被控參數(shù)的數(shù)值以及設(shè)備的運行狀態(tài)等信息，數(shù)據(jù)通過變送后傳輸至PLC控制器進行運算，編程實現(xiàn)對參數(shù)、設(shè)備的自動控制；各站通過觸摸屏進行數(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4G Internet數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至主機服務器；任何PC端或移動端都可以搭載內(nèi)網(wǎng)透傳技術(shù)或Kingview移動端軟件對各個換熱站的數(shù)據(jù)集中管理.

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

針對信號差的地下?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)之間實現(xiàn)超長低功耗數(shù)據(jù)傳輸，此過程不依賴Internet，完美解決了地下?lián)Q熱站無信號的問題.網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)匯總解調(diào)，通過4G Internet上傳到主機服務器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)從地下?lián)Q熱站到主機的穩(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Lorawan協(xié)議通信.采用網(wǎng)絡(luò)會話密鑰(NwkSkey)保證數(shù)據(jù)安全傳輸，它可以對數(shù)據(jù)進行加密和解密.通過應用中斷密鑰(AppSkey)來確保終端與網(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是目前應用最廣泛的物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)傳終端，通過Internet網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進行長距離傳輸，針對不同的客戶需求可以配置成多種協(xié)議模式[5].工業(yè)級應用設(shè)計使得它具有穩(wěn)定可靠、標準以用、功能強大等優(yōu)點，但其必須依靠Internet實現(xiàn)數(shù)傳，無法滿足信號弱的地下?lián)Q熱站數(shù)傳需求，故本文只在地上換熱站中應用該終端.

2.2 F8L10T Lora終端

F8L10T Lora是一種基于Lora擴頻技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸終端，通過搭載Lora無線通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸.該終端將較為成熟的工業(yè)級Lora技術(shù)作為核心，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸[6]，其工作原理為通過RS-232/RS-485收發(fā)器接受來自控制器的數(shù)據(jù)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(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)的無線物聯(lián)網(wǎng)通信路由器，不僅可以實現(xiàn)無線長距離數(shù)傳，還支持Lora技術(shù)進行短距離數(shù)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(shù)據(jù)，CPU系統(tǒng)對數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)

3.1 控制程序設(shè)計

下位機選用STEP7-Micro/WIN SMART軟件進行硬件組態(tài)和編程，現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)通過PLC的自動控制，將數(shù)據(jù)處理后通過Lora數(shù)傳單元上傳到上位機進行集中監(jiān)測.按照系統(tǒng)整體設(shè)計要求，系統(tǒng)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(zhuǎn)換程序、調(diào)節(jié)閥控制程序、循環(huán)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(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，主程序?qū)崿F(xiàn)當程序啟動或通信狀態(tài)變化時系統(tǒng)對通信狀態(tài)的初始化、檢查并響應通信請求以及對各個子程序的調(diào)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(xiàn)場傳感器采集到的數(shù)據(jù)為模擬量(4～20 mA)通過變送后轉(zhuǎn)換為過程值(5530-27648)，由于PLC限于識別數(shù)字量，故編寫模擬量輸入轉(zhuǎn)換程序，目的在于將PLC接收的過程值(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，對二網(wǎng)供溫采取PID控制.

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

選用Kingview 7.5軟件進行監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā).通過編寫上位機腳本接收下位機傳來的被控參數(shù)以及設(shè)備的運行狀態(tài)，存儲于數(shù)據(jù)庫中.在上位機界面中，能實現(xiàn)系統(tǒng)管理、工藝流程、歷史趨勢曲線、實時參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、報表統(tǒng)計、報警信息等功能[10].每個換熱站工藝流程界面中均設(shè)有通信狀態(tài)燈，若主站與某個從站通信失敗，狀態(tài)燈顯示紅色并報警，方便管理員及時建立通信，以防因監(jiān)控不當造成事故.一旦某項數(shù)據(jù)超出閾值或設(shè)備產(chǎn)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(diào)度人力物力及時排除故障，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端軟件.通過內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)，Kingview移動端同樣能讀取數(shù)據(jù)、接收報警.當系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)據(jù)進行設(shè)置，從而消除報警.這樣的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了即便控制室無人值守，也能對系統(tǒng)24 h監(jiān)測.

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

4 系統(tǒng)運行與測試

4.1 系統(tǒng)運行

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)測系統(tǒng)運行前，需保證下位機控制柜正常運行，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)計好的監(jiān)測系統(tǒng)安裝到預先準備的PC中，打開Kingview軟件，運行系統(tǒng).經(jīng)運行測試，Kingview運行日志中能夠?qū)崟r顯示各站與主機之間的通信狀態(tài)、工作模式、設(shè)備信息.當被測參數(shù)超出或低于報警閾值區(qū)間時，報警信息界面中事件閃爍顯示并發(fā)出聲音警報，運用Android客戶端也可設(shè)定被測參數(shù)數(shù)值、訪問系統(tǒng)運行狀況、監(jiān)測報警事件并消除報警等操作.測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實現(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)傳輸測試分析

本文設(shè)計的基于Lora技術(shù)的集中供熱監(jiān)測系統(tǒng)在地下?lián)Q熱站終端與地上網(wǎng)關(guān)之間采用Lora無線通信方式，保證在無信號的環(huán)境下系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性.具體實驗操作如下：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，將測試數(shù)據(jù)下載到PLC中，數(shù)據(jù)通過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)做對比，通過改變Lora網(wǎng)關(guān)的安放位置得出多組實驗數(shù)據(jù)，研究接收數(shù)據(jù)的丟包率和錯誤率.具體實驗數(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，當距離超過1 300 m時，發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤和丟包現(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)傳輸距離應控制在1 000 m以內(nèi)的范圍.通過對現(xiàn)場地下?lián)Q熱站的實際勘測，該市的地下?lián)Q熱站建設(shè)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(jù)以上分析，Lora技術(shù)能有效提供對該系統(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)傳輸測試統(tǒng)計表

5 結(jié) 論

本文設(shè)計并開發(fā)了基于Lora技術(shù)的集中供熱監(jiān)測系統(tǒng)，引進Lora無線通信技術(shù)解決了鋪設(shè)在地下的換熱站因信號差導致通信困難的問題，實現(xiàn)了對集中供熱系統(tǒng)被控參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、報警功能以及歷史數(shù)據(jù)的保存與讀取.該系統(tǒng)對于供熱管網(wǎng)的集中監(jiān)控、熱力資源的有效分配具有重要意義.