張晉華

摘 要：目前國內(nèi)一些企業(yè)開始做設(shè)備、能源、消防、安全等在線管理，能源的節(jié)約和分析、設(shè)備控制、消防安全的管理及時性都需要大量數(shù)據(jù)的做支撐，數(shù)據(jù)的完善和準(zhǔn)確性成了制約系統(tǒng)前進(jìn)的一個關(guān)鍵因素。但是新建廠房甚至在一些偏老舊的工業(yè)廠區(qū)，要實現(xiàn)大批量的數(shù)據(jù)上傳還是比較不方便。于是我們提出了一種點對點通信協(xié)議的低頻半雙工 LoRa 數(shù)傳終端設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場的使用，完美的解決了一定區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的上傳，并且替代了之前應(yīng)用比較多了DTU（SIM卡無線模塊）。

關(guān)鍵詞：DTU；LoRa ；無線傳輸；能源管理；智能化；效益

1 概述

USR-LG207-L是一款支持點對點通信協(xié)議的低頻半雙工LoRa數(shù)據(jù)終端，可實現(xiàn)串口和LoRa轉(zhuǎn)通信。在數(shù)據(jù)無線傳輸方面起到了關(guān)鍵性作用，一部分已經(jīng)替代了原來比較傳統(tǒng)的插卡式DTU，后期維護(hù)費用少，操作簡單實用。

2方案設(shè)計

2.1系統(tǒng)組成

表現(xiàn)層上位機(jī)軟件開發(fā)、傳輸層光纜敷設(shè)、數(shù)據(jù)采集層USR-540串口服務(wù)器和接收方USR-LG207-L安裝以及儀表端發(fā)送信號USR-LG207-L的安裝。

2.2 數(shù)據(jù)采集層

2.2.1發(fā)射終端配置

USR-LG207-L 是一個支持點對點通信協(xié)議的低頻半雙工 LoRa 串口 LoRa 數(shù)傳終端，工作的頻段為：410～441Mhz。使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，降低了無線應(yīng)用的門檻，可實現(xiàn)一對一或者一對多的通信。LoRa

具有功率密度集中，抗干擾能力強的優(yōu)勢，LoRa 數(shù)傳終端通訊距離可達(dá) 8000m（空曠視距，晴朗天氣，天線增益 5dBi，天線放置高度大于 2m，0.268K 空中速率）。

現(xiàn)場儀表、設(shè)備需要通過無線采集，就需要每一個采集終端配置一個無線采集模塊USR-LG207-L，一個采集終端USR-LG207-L可以采集N個無線發(fā)射模塊USR-LG207-L。實現(xiàn)點對點通訊發(fā)送方和接收方需滿足 3 個條件：

速率等級相同（spd）；

信道一致（ch）；

目標(biāo)地址相同（addr）或為廣播地址（65535）。

發(fā)射終端A和發(fā)射終端B需要跟接收終端B（可以是N個終端）配置成一樣，這樣算一個組合，只要數(shù)據(jù)通訊協(xié)議一樣都可以用一個采集終端采集，但是如果發(fā)射終端的協(xié)議不一樣，就需要在接收終端另外再增加一組接收終端。

2.2.2 采集終端配置

發(fā)射終端是比較零散的設(shè)備或者儀表，接收終端可以是光纜層的末端或者在服務(wù)器端配合LG207使用。LG207將接收回的信息傳回同一個串口，在接收端需要加裝一個串口服務(wù)器來接收LG207傳回的信息。一般配合LG207使用的是USR-N540，四個端口可以同時獨立工作，互不影響，支持 ModbusRTU 轉(zhuǎn) ModbusTCP，通過端口號區(qū)分與哪個串口關(guān)聯(lián)（N540 設(shè)置串口模式可以通過網(wǎng)頁和撥碼開關(guān)設(shè)置，當(dāng)網(wǎng)頁設(shè)撥碼開關(guān)模式時，撥碼開關(guān)起作用，當(dāng)網(wǎng)頁設(shè)置串口為制定模式時，網(wǎng)頁起作用，網(wǎng)頁優(yōu)先級高于撥碼開關(guān)），可以分別接收不同通信協(xié)議的儀表設(shè)備數(shù)據(jù)。

2.3傳輸層光纜光纜敷設(shè)

工業(yè)專網(wǎng)光纜敷設(shè)要符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)要求，在廠區(qū)內(nèi)避免與公司內(nèi)網(wǎng)混亂，信號串?dāng)_小、保密性能好，抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳，電通信不能解決各種電磁干擾問題，唯有光纖通信不受各種電磁干擾光纜適應(yīng)性強，壽命長。一般都會設(shè)置專門的網(wǎng)段，有些實時性要求比較高的設(shè)備，比如遠(yuǎn)程空壓機(jī)的啟停、遠(yuǎn)程電動閥門的開閉等，使用光纜傳輸更穩(wěn)定，另外一個是為了方便現(xiàn)場端口的擴(kuò)展。

2.4表現(xiàn)層上位機(jī)軟件的開發(fā)

上位機(jī)軟件沒有什么特定要求，有些需要根據(jù)行業(yè)選擇組態(tài)軟件類型，行業(yè)沒有特別要求的，組態(tài)王、力控這些組態(tài)軟件應(yīng)用比較廣泛，以下工程以力控為例。

2.4.1 虛擬串口建立

服務(wù)器端組態(tài)軟件如果建立的是MODBUS RTU設(shè)備，在現(xiàn)場的N540配置好后（配置成透傳模式），服務(wù)器端或上位機(jī)端要想和現(xiàn)場下位機(jī)和設(shè)備儀表通信，需要建立虛擬串口，服務(wù)器通過虛擬串口和配置的通道訪問下位機(jī)儀表和設(shè)備，如果服務(wù)器端組態(tài)軟件建立的是MODBUS TCP設(shè)備，那么在N540上工作方式需要配置成MODBUS TCP，工程下發(fā)信息時把 MODBUS TCP格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MODBUS RTU格式數(shù)據(jù)和現(xiàn)場儀表設(shè)備建立連接。

2.4.2 IO設(shè)備組態(tài)建立

上位機(jī)組態(tài)軟件要想和現(xiàn)場設(shè)備建立聯(lián)系，需要先建立IO設(shè)備組態(tài)，各種行業(yè)設(shè)備有時候通信協(xié)議不一樣，一般通用的設(shè)備會使用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS，如果是串口通信就選擇MODBUS RTU，如果是網(wǎng)絡(luò)通信就選擇MODBUS TCP。但是有些設(shè)備，如電表有自己協(xié)議（DLT645協(xié)議），流量計廠家有時候配有自己開發(fā)的不通用協(xié)議，這個需要根據(jù)實際情況具體辨別。IO組態(tài)建立過程中會涉及到設(shè)備的一些特有參數(shù)，比如設(shè)備地址、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位等，IO 建立時需要管理建立的虛擬串口才能訪問現(xiàn)場儀表設(shè)備。

2.4.3 數(shù)據(jù)庫組態(tài)建立

在IO組態(tài)建立完成后，需要建立在組態(tài)工程中用到的數(shù)據(jù)庫組態(tài)，在實際的畫面、報表以及曲線中用到的全局變量和中間變量變量都是在這里建設(shè)。變量建設(shè)過程中關(guān)聯(lián)IO組態(tài)中的設(shè)備，這樣采集到的數(shù)據(jù)實際傳送到了每一個變量中，具體的變量也就有了實際的數(shù)值和意義。

2.4.4 畫面報表建立

畫面和報表是組態(tài)中數(shù)據(jù)的載體，可以實時展現(xiàn)從現(xiàn)場儀表或設(shè)備采集回的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，圖表展示都是依靠這一步最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)展開。報表曲線幫助用戶分析實時用能或設(shè)備的歷史情況、實時情況、給用戶提供了儀表設(shè)備分析的抓手，給能源節(jié)約和設(shè)備高效合理的工作提供了可能性。

3方案效果

點對點通信的低頻半雙工 LoRa 數(shù)傳終端有效的擺脫了有線或SIM卡DTU的限制，可以讓儀表采集更方便，安裝更隨意，保證了數(shù)據(jù)密度才能給管理提供更有力的保證。

方案的設(shè)計是突出管控，基于生產(chǎn)設(shè)備、能源儀表、互聯(lián)網(wǎng)、面向生產(chǎn)現(xiàn)場，集數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、超標(biāo)報警、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計為一體。緊抓影響生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從而為精益制造的實現(xiàn)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和管理抓手。通過生產(chǎn)設(shè)備運行過程中的各類現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析，精準(zhǔn)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳志田.能源管理體系建設(shè)及推廣應(yīng)用指南 [M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2] 周相梅，劉立波.能源管理體系建立與運行 [M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 吳宗澤，于亞杰.機(jī)械設(shè)計與節(jié)能減排 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 付志堅.機(jī)械制造行業(yè)能源管理體系與節(jié)能技術(shù) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.