스마트 팩토리 에너지 데이터 분석 및 관리에 LoRa 무선 통신 적용

1. LoRa 기술 소개

LoRa는 Long Range의 약자로, 저전력 광역 네트워크(LPWAN, Low Power Wide Area Network) 통신 기술 중 하나입니다. 고급 대역 확산 변조 기술과 코덱 방식을 사용하여 링크 버짓을 높이고 간섭 방지 성능을 향상시킵니다. LoRa의 최대 157dB 링크 버짓은 통신 거리를 15km 이상(환경에 따라 다름)까지 확장할 수 있습니다. FSK 변조와 동일한 저전력 소모 특성을 유지할 뿐만 아니라 통신 거리를 크게 늘리는 동시에 네트워크 효율을 향상시키고 간섭을 제거합니다. 즉, 서로 다른 확산 시퀀스를 사용하는 단말이 동일 주파수를 사용하여 동시에 전송하더라도 서로 간섭하지 않으며, 통신 딥 페이딩 및 도플러 주파수 편이에 대한 안정성이 더욱 뛰어납니다.

현재 LoRa는 433, 868 등 전 세계 무료 주파수 대역에서 주로 운영되고 있습니다.

915MHz 등. 본 문서에서는 433MHz 주파수 대역의 LoRa 모듈을 사용합니다. LoRa 모듈은 2MHz 채널 간격, 반이중 방식, 그리고 투명 암호화 전송 방식을 통해 데이터 전송 보안을 보장합니다. 장거리, 저전력 소모, 다중 노드, 저비용의 특성을 갖추고 있어, 널리 분산되고 분산된 장비를 구축하는 데 적합합니다. 장거리, 간섭 방지 기능, 저전력 소모의 통신 네트워크입니다. 이 주파수 대역은 ISM 비면허 주파수 대역에 속하며, 운영자에게 사용료를 지불할 필요가 없습니다. 간섭이 적고 LoRa는 이 주파수 대역에서 통신을 원활하게 지원할 수 있습니다.

2. 현장 상황

현재 시멘트 공장 각 전기실 중전압 스위치 캐비닛의 다기능 전력량계, 주강압 중전압 스위치 캐비닛의 다기능 전력량계, 계측 캐비닛의 다기능 전력량계, 그리고 변압기의 오일 레벨, 권선 온도 및 기타 장비가 사용되고 있습니다. 설계 계획, 장비의 광범위한 분포, 계측기의 특정 위치 등 다양한 요인으로 인해 신호가 DCS 시스템에 연결되어 종합적인 모니터링 및 중앙 관리가 이루어지지 않고 있습니다. 각 전력량계의 수동 검침 및 변압기 수동 검사는 비효율적일 뿐만 아니라 오류율도 높습니다.

높은 인력 수요와 과중한 업무량으로 인해 스마트 팩토리의 자동화 및 지능화 통합을 위해서는 계측 장비의 운영 매개변수를 DCS 시스템에 통합하여 운영 모니터링을 수행해야 합니다. 이를 통해 중앙 집중식 자동 수집, 모니터링 및 업로드가 가능해져 실시간 에너지 데이터 분석 및 관리, 과거 에너지 데이터 접근, 스마트 팩토리 장비 관리가 가능해집니다. 실시간 온라인 모니터링을 통해 데이터 소스를 확보할 수 있습니다.

다기능 전기 에너지 계량기 및 변압기 원격 온도 표시기와 같은 지능형 계측 장비는 일반적으로 EIA-485 통신 인터페이스를 갖습니다. 본 논문에서는 LoRa 무선 통신 애드혹 네트워크 기반 원격 데이터 모니터링 시스템을 설계합니다. 이 시스템은 LoRa 무선 통신과 사물 인터넷(IoT) 기술을 활용하여 LoRa 무선 및 485 버스를 통해 네트워크 물리 계층 연결 장치를 구성하고, Modbus-RTU를 통해 데이터 링크 계층과 애플리케이션 계층을 구성합니다. 통신 프로토콜은 다양한 스마트 계측기 및 장비 간의 장거리 통신을 가능하게 합니다. 이 네트워크를 통해 다기능 전기 에너지 계량기, 고정밀 게이트 다기능 전기 에너지 계량기, 프로젝트 현장의 다양한 전기실 및 주요 강압 중압 캐비닛의 변압기 오일 표면 온도와 같은 장비 신호를 실시간으로 자동 수집 및 업로드하여 DCS 시스템과 스마트 팩토리 간의 통합을 실현합니다. 이러한 장비의 중앙 집중식 데이터 수집 및 모니터링 기능을 제공합니다.

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