Aplicação da comunicação sem fio LoRa na análise e gerenciamento de dados de energia de fábricas inteligentes

1. Introdução à tecnologia LoRa

LoRa, o nome completo de Long Range, é uma das tecnologias de comunicação de rede de longa distância de baixa potência (LPWAN, Low Power Wide Area Network). Ela utiliza tecnologia avançada de modulação de espectro espalhado e esquema de codec para aumentar o orçamento do link e melhorar o desempenho anti-interferência. O orçamento do link LoRa de até 157 dB permite que a distância de comunicação alcance mais de 15 km (dependendo do ambiente). Ela não apenas mantém as mesmas características de baixo consumo de energia da modulação FSK, mas também aumenta significativamente a distância de comunicação, melhorando a eficiência da rede e eliminando a interferência, ou seja, terminais com diferentes sequências de espalhamento não interferem entre si, mesmo que usem a mesma frequência para transmitir ao mesmo tempo, e têm melhor estabilidade contra desvanecimento profundo da comunicação e desvio de frequência Doppler.

Atualmente, o LoRa opera principalmente em bandas de frequência livres ao redor do mundo, incluindo 433, 868,

915 MHz etc. Este artigo utiliza o módulo LoRa na faixa de frequência de 433 MHz, com espaçamento de canal de 2 MHz, half-duplex e transmissão criptografada transparente para garantir a segurança da transmissão de dados. Possui características de longa distância, baixo consumo de energia, multinós e baixo custo, sendo adequado para a construção de equipamentos amplamente distribuídos e separados. Rede de comunicação com longa distância, capacidade antiparasitária e baixo consumo de energia. Esta faixa de frequência pertence à faixa de frequência isenta de licença ISM, não havendo necessidade de pagamento de taxas à operadora. Há menos interferência nesta faixa de frequência e o LoRa pode suportar bem as comunicações nesta faixa de frequência.

2. Situação no local

Atualmente, são utilizados medidores multifuncionais de energia elétrica nos armários de distribuição de média tensão de cada sala elétrica da fábrica de cimento, medidores multifuncionais de energia elétrica nos armários de distribuição de média tensão abaixadores principais e medidores multifuncionais de energia elétrica nos armários de medição, bem como o nível de óleo, a temperatura do enrolamento e outros equipamentos do transformador. Devido a vários fatores, como planejamento de projeto, ampla distribuição de equipamentos e localização específica dos instrumentos, os sinais ainda não foram conectados ao sistema DCS para monitoramento abrangente e gerenciamento centralizado. A leitura manual de cada medidor de energia elétrica e a inspeção manual dos transformadores de potência não são apenas ineficientes, mas também apresentam altas taxas de erro.

Alta demanda por pessoal e alta carga de trabalho. A automação e a inteligência integradas de fábricas inteligentes também exigem a integração dos parâmetros operacionais desses equipamentos de instrumentação ao sistema DCS para monitoramento da operação, a fim de obter coleta, monitoramento e upload automáticos e centralizados, o que proporciona análise e gerenciamento de dados de energia em tempo real, acesso a dados históricos de energia e equipamentos para fábricas inteligentes. O monitoramento online em tempo real fornece fontes de dados.

Equipamentos de instrumentos inteligentes, como medidores de energia elétrica multifuncionais e indicadores remotos de temperatura de transformadores, geralmente possuem interfaces de comunicação EIA-485. Este artigo projeta um sistema de monitoramento remoto de dados baseado em rede ad hoc de comunicação sem fio LoRa, utilizando a tecnologia de Internet das Coisas de comunicação sem fio LoRa, usando LoRa sem fio e barramento 485 para formar o dispositivo de conexão da camada física da rede, e Modbus-RTU é a camada de enlace de dados e a camada de aplicação. O protocolo de comunicação permite a comunicação de longa distância entre vários instrumentos e equipamentos inteligentes. Por meio dessa rede, a coleta e o upload automáticos em tempo real de sinais de equipamentos, como medidores de energia elétrica multifuncionais, medidores de energia elétrica multifuncionais de porta de alta precisão, temperatura da superfície do óleo do transformador em várias salas elétricas e gabinetes principais de média tensão abaixadores no local do projeto são realizados, realizando a integração entre o sistema DCS e a fábrica inteligente. Os recursos centralizados de coleta e monitoramento de dados desses dispositivos.

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