Aplicación de la comunicación inalámbrica LoRa en el análisis y la gestión de datos energéticos de fábricas inteligentes

1. Introducción a la tecnología LoRa

LoRa, nombre completo de Long Range, es una tecnología de comunicación de red de área extensa de baja potencia (LPWAN, Low Power Wide Area Network). Utiliza tecnología avanzada de modulación de espectro ensanchado y un esquema de códecs para aumentar el presupuesto de enlace y mejorar el rendimiento antiinterferente. El presupuesto de enlace de LoRa, de hasta 157 dB, permite una distancia de comunicación de más de 15 km (dependiendo del entorno). No solo mantiene las mismas características de bajo consumo de energía que la modulación FSK, sino que también aumenta significativamente la distancia de comunicación, a la vez que mejora la eficiencia de la red y elimina las interferencias. Es decir, los terminales con diferentes secuencias de ensanchamiento no interfieren entre sí, incluso si utilizan la misma frecuencia para transmitir simultáneamente, y tienen una mejor estabilidad frente al desvanecimiento profundo de la comunicación y el desplazamiento de frecuencia Doppler.

Actualmente, LoRa opera principalmente en bandas de frecuencia libres en todo el mundo, incluidas 433, 868,

915 MHz, etc. Este artículo utiliza el módulo LoRa en la banda de frecuencia de 433 MHz, con una separación de canales de 2 MHz, semidúplex y transmisión cifrada transparente para garantizar la seguridad de la transmisión de datos. Se caracteriza por su larga distancia, bajo consumo de energía, multinodo y bajo costo, y es ideal para la construcción de equipos ampliamente distribuidos y separados. Red de comunicación de larga distancia, antiinterferencias y bajo consumo de energía. Esta banda de frecuencia pertenece a la banda libre de licencia ISM, por lo que no requiere el pago de tarifas al operador. Presenta menor interferencia, lo que permite a LoRa soportar comunicaciones en esta banda.

2. Situación in situ

Actualmente, se utilizan los medidores de energía eléctrica multifunción en los armarios de distribución de media tensión de cada sala eléctrica de la cementera, los medidores de energía eléctrica multifunción en los armarios de distribución de media tensión reductores principales y los medidores de energía eléctrica multifunción en los armarios de medida, así como el nivel de aceite, la temperatura del devanado y otros equipos del transformador. Debido a diversos factores, como la planificación del diseño, la amplia distribución de equipos y la ubicación específica de los instrumentos, las señales aún no se han conectado al sistema DCS para una monitorización integral y una gestión centralizada. La lectura manual de cada medidor de energía eléctrica y la inspección manual de los transformadores de potencia no solo son ineficientes, sino que también presentan altos índices de error.

Alta demanda de personal y alta carga de trabajo. La automatización e inteligencia integradas de las fábricas inteligentes también requieren la integración de los parámetros operativos de estos equipos de instrumentación en el sistema DCS para la monitorización de las operaciones, lo que permite la recopilación, monitorización y carga automáticas y centralizadas. Esto permite el análisis y la gestión de datos energéticos en tiempo real, el acceso a datos históricos de energía y la adquisición de equipos para fábricas inteligentes. La monitorización en línea en tiempo real proporciona fuentes de datos.

Los equipos de instrumentación inteligente, como los medidores de energía eléctrica multifunción y los indicadores remotos de temperatura de transformadores, generalmente cuentan con interfaces de comunicación EIA-485. Este artículo diseña un sistema de monitoreo remoto de datos basado en una red ad hoc de comunicación inalámbrica LoRa, que utiliza la tecnología del Internet de las Cosas (IoT) de comunicación inalámbrica LoRa. Utilizando la tecnología inalámbrica LoRa y el bus 485 para formar el dispositivo de conexión de la capa física de red, y Modbus-RTU para las capas de enlace de datos y de aplicación. El protocolo de comunicación permite la comunicación a larga distancia entre diversos instrumentos y equipos inteligentes. A través de esta red, se logra la recopilación y carga automática en tiempo real de señales de equipos como medidores de energía eléctrica multifunción, medidores de energía eléctrica multifunción de compuerta de alta precisión, la temperatura superficial del aceite del transformador en diversas salas eléctricas y los gabinetes reductores principales de media tensión en el sitio del proyecto, logrando así la integración entre el sistema DCS y la fábrica inteligente. Estos dispositivos cuentan con capacidades centralizadas de recopilación y monitoreo de datos.

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