基于Lora技术的集中供热系统研究与应用

孟亚男,孙 铭*,潘 威,王文琪

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.中国石油吉林石化分公司 化肥厂，吉林 吉林 132021；3.吉林市创赢自控设备有限公司，吉林 吉林 132022)

随着5G时代的到来，我国在物联网技术和无线通信技术上都获得了令世人惊叹的成就，我国城镇的供热系统也朝着智能化方向发展[1].我国现存的集中供热系统中的各个换热站之间相隔较远、环境各异.绝大多数的供热系统采用RS-232/RS-485串口通信，存在布线繁琐、数据传输效率低、维护成本高等缺点；少部分供热系统采用基于Internet的无线通信方式，虽然弥补了有线传输的不足，但其无法应用于网络信号差的地下换热站.为了解决以上问题，集中供热系统急需先进的科技来进行提升和改造.Lora(Long Range，劳拉)是一种功耗较低、数传距离远的无线通信技术，极大地增强了网关接收模块识别信号的灵敏度和信噪比，保证了信号传输过程的稳定性、准确性[2].相比Internet，Lora技术对土壤、墙体的穿透能力更强，解决了建设在地下的换热站因信号差导致数据传输困难的问题.

本文采用Lora技术和上、下位机软件对城镇集中供热系统的主要被控参数、设备运行状态、报表统计、报警信息进行实时动态监测，从而实现对换热站的集中管理，保证系统安全、稳定地运行.

1 系统总体设计方案

1.1 集中供热系统工艺流程

目前，我国绝大部分的集中供热系统由热源厂、换热站、热用户组成(图1).热源厂与换热站通过一次网进行一次侧水运输，换热站与热用户通过二次网进行二次侧水运输，在换热站内部通过板式换热器对一次侧水和二次侧水进行换热[3].其中，循环泵负责二次网管水稳定循环，能够保持良好的供暖质量；当二次网管水压过低时，启动补水泵补水，实现二次网水压定压控制；当二次网管水压过高时，启动泄压阀排水，防止因管网水压过高而发生安全事故.

图1 集中供热系统工艺流程图

1.2 系统数据传输架构

该系统数据传输架构如图2所示.传感器采集现场被控参数的数值以及设备的运行状态等信息，数据通过变送后传输至PLC控制器进行运算，编程实现对参数、设备的自动控制；各站通过触摸屏进行数据的汇总及显示，利用RS-232通信方式搭载DTU(Data Transfer unit，数据传输单元)，通过4G Internet数据传输将数据传输至主机服务器；任何PC端或移动端都可以搭载内网透传技术或Kingview移动端软件对各个换热站的数据集中管理.

图2 系统数据传输架构图

针对信号差的地下换热站，本文采用搭载Lora技术的终端和网关实现数据传输(图3).采用RS-232串口通信方式将数据传输到Lora终端，搭载Lora技术的终端与网关之间实现超长低功耗数据传输，此过程不依赖Internet，完美解决了地下换热站无信号的问题.网关对数据汇总解调，通过4G Internet上传到主机服务器，从而实现数据从地下换热站到主机的稳定传输.

图3 搭载Lora技术数据传输原理图

终端与网关之间通过Lorawan协议通信.采用网络会话密钥(NwkSkey)保证数据安全传输，它可以对数据进行加密和解密.通过应用中断密钥(AppSkey)来确保终端与网关之间数据完整地传输[4].

2 系统硬件配置

2.1 F2116 V2 IP MODEM

F2116 V2 IP MODEM是目前应用最广泛的物联网无线数传终端，通过Internet网络对数据进行长距离传输，针对不同的客户需求可以配置成多种协议模式[5].工业级应用设计使得它具有稳定可靠、标准以用、功能强大等优点，但其必须依靠Internet实现数传，无法满足信号弱的地下换热站数传需求，故本文只在地上换热站中应用该终端.

2.2 F8L10T Lora终端

F8L10T Lora是一种基于Lora扩频技术的无线数据传输终端，通过搭载Lora无线通信技术进行数据传输.该终端将较为成熟的工业级Lora技术作为核心，实现无线数据传输[6]，其工作原理为通过RS-232/RS-485收发器接受来自控制器的数据信号，处理器将通信方式改为Lora无线通信，通过天线将信号向外发送，如图4所示.

图4 数传模块F8L10T原理框图

2.3 F8926-L Lora网关

F8926-L Lora网关是一种利用Internet网络的无线物联网通信路由器，不仅可以实现无线长距离数传，还支持Lora技术进行短距离数传[7].其工作原理为通过Lora天线与Lora无线模块接受来自Lora终端传来的数据，CPU系统对数据进行处理打包后通过蜂窝无线模块向主机传输，如图5所示.

图5 F8926-L Router原理框图

3 系统软件设计与开发

3.1 控制程序设计

下位机选用STEP7-Micro/WIN SMART软件进行硬件组态和编程，现场传感器采集的数据通过PLC的自动控制，将数据处理后通过Lora数传单元上传到上位机进行集中监测.按照系统整体设计要求，系统被划分为以下几个模块分别进行控制，分别为初始化程序、模拟量转换程序、调节阀控制程序、循环泵控制程序、补水泵控制程序、泄压阀控制程序(图6).

图6 热网监控系统结构图

其中，主程序实现当程序启动或通信状态变化时系统对通信状态的初始化、检查并响应通信请求以及对各个子程序的调用；初始化子程序只在程序第一个扫描周期运行，控制目的在于对高低限等中间变量进行初始化；现场传感器采集到的数据为模拟量(4～20 mA)通过变送后转换为过程值(5530-27648)，由于PLC限于识别数字量，故编写模拟量输入转换程序，目的在于将PLC接收的过程值(5530-27648)转换成工程数值(温度、压力等)[8-9]；调节阀控制模块中，对二网供温采取PID控制.

3.2 监测系统开发

选用Kingview 7.5软件进行监测系统的开发.通过编写上位机脚本接收下位机传来的被控参数以及设备的运行状态，存储于数据库中.在上位机界面中，能实现系统管理、工艺流程、历史趋势曲线、实时参数、设备参数、报表统计、报警信息等功能[10].每个换热站工艺流程界面中均设有通信状态灯，若主站与某个从站通信失败，状态灯显示红色并报警，方便管理员及时建立通信，以防因监控不当造成事故.一旦某项数据超出阈值或设备产生故障，上位机程序会启动蜂鸣器报警，并以短信等方式通知管理人员，以便管理人员实时做出决策，调度人力物力及时排除故障，防止意外事故的发生.

北京亚控还在PC端的基础上，推出了同版本的移动端软件.通过内网穿透技术，Kingview移动端同样能读取数据、接收报警.当系统产生报警时，管理人员即使不在控制室，依然可以通过移动端对数据进行设置，从而消除报警.这样的监测系统，实现了即便控制室无人值守，也能对系统24 h监测.

图7 热网监测系统结构图

4 系统运行与测试

4.1 系统运行

目前，该系统于2020年10月在延边朝鲜族自治州龙井热力有限公司投入使用.在监测系统运行前，需保证下位机控制柜正常运行，Lora终端与Lora网关配置完毕，将SIM卡安装到Lora网关中.将设计好的监测系统安装到预先准备的PC中，打开Kingview软件，运行系统.经运行测试，Kingview运行日志中能够实时显示各站与主机之间的通信状态、工作模式、设备信息.当被测参数超出或低于报警阈值区间时，报警信息界面中事件闪烁显示并发出声音警报，运用Android客户端也可设定被测参数数值、访问系统运行状况、监测报警事件并消除报警等操作.测试结果表明，该系统在实现控制要求基础上，还保证了数据的有效传输.

4.2 Lora数据传输测试分析

本文设计的基于Lora技术的集中供热监测系统在地下换热站终端与地上网关之间采用Lora无线通信方式，保证在无信号的环境下系统数据传输的稳定性.具体实验操作如下：Lora终端每10 s向Lora网关发送一次数据，Lora终端放置在PLC控制柜中，其位置是固定不变的，将测试数据下载到PLC中，数据通过Lora通信技术传输到Lora网关，将Lora网关接收的数据与下载到PLC中的数据做对比，通过改变Lora网关的安放位置得出多组实验数据，研究接收数据的丢包率和错误率.具体实验数据如表1所示.

由表1可知，Lora终端与Lora网关之间的距离越大，数据传输越不稳定，当距离超过1 300 m时，发生数据错误和丢包现象.为保证其可靠性和稳定性，搭载Lora技术的数据传输距离应控制在1 000 m以内的范围.通过对现场地下换热站的实际勘测，该市的地下换热站建设地点不超过地下10 m，控制柜与换热站入口水平距离不超过20 m.根据以上分析，Lora技术能有效提供对该系统数据传输的稳定性、可靠性、安全性.

表1 Lora数据传输测试统计表

5 结 论

本文设计并开发了基于Lora技术的集中供热监测系统，引进Lora无线通信技术解决了铺设在地下的换热站因信号差导致通信困难的问题，实现了对集中供热系统被控参数和设备运行状态的实时监控、报警功能以及历史数据的保存与读取.该系统对于供热管网的集中监控、热力资源的有效分配具有重要意义.