SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

LoRaWAN. Теория и практика

В статье представлен проект, реализованный системным интегратором «Аврора Мобайл» в одном из новых районов Санкт-Петербурга: построение сети LoRaWAN  для удаленного сбора данных о потреблении ресурсов. Рассказано, почему интегратор и заказчик предпочли протокол LoRaWAN для подключения приборов учета. Показано, что такая АСКУЭ – наиболее современное, выгодное и простое решение.

AURORA Mobile Technologies, г. Санкт-Петербург

Aurora_Mobile.jpg

Несмотря на всю популярность темы промышленного интернета вещей и даже вопреки реально наблюдающемуся росту сетей LoRaWAN, на рынке не очень много игроков, профессионально разбирающихся в этой сфере. Еще меньше компаний, которые занимаются поставкой оборудования для проектов с использованием технологий промышленного интернета. Вернее, поставщики есть, и немало, но, к сожалению, большинство из них исключительно поставщиками и остаются, то есть они не оказывают консультационных услуг, не помогают заказчику сделать правильный и осознанный выбор нужного оборудования и выполнить его настройку и т.д. Не говоря уже о том, что, по сути, никаких гарантийных обязательств они не дают, разве что в спорном случае могут перенаправить к настоящему производителю оборудования. И в этом как раз кроется основная проблема, препятствующая широкому развитию промышленного интернета. Ведь для того чтобы воплотить, казалось бы, такую насущную и очевидную идею дистанционного снятия показаний и управления конечными устройствами, приходится решить сверхзадачу: найти нужное оборудование, самому разобраться, какая номенклатура требуется для конкретного проекта, отыскать исполнителя, согласовать смету, получить хоть какие-то гарантии дальнейшей работы проекта. Всё это в сегодняшних реалиях задача выполнимая, но сложная и дорогая, хотя запрос в обществе на такие проекты велик. 

Выход из данной ситуации может быть только один: поставщик должен не только помогать с выбором и обслуживанием оборудования, но и заниматься его интеграцией. То есть быть помимо дистрибьютора полноценным интегратором. Для этого необходимо обладать собственным штатом разработчиков и технических специалистов. Такой груз под силу очень немногим. 

В статье мы расскажем о нескольких проектах построения сети LoRaWAN, выполненных петербургской компанией AURORA Mobile Technologies («Аврора Мобайл»), которая специализируется на беспроводной передаче данных и навигационных технологиях. Во всех этих случаях компания не только поставила на объект заказчика полный комплект оборудования, но и запустила системы, отладила их и сдала в эксплуатацию. К сожалению, сегодня подобных проектов еще немного, но, благодаря такому же подходу к их реализации, как у компании «Аврора Мобайл», объединившей роли поставщика и интегратора, промышленный интернет будет получать всё более широкое развитие и распространение.


Система учета тепла в новом районе

В 2017 году компания «Аврора Мобайл» приступила к реализации масштабного (по российским меркам) проекта. В одной из новостроек Санкт-Петербурга, на окраине города, нужно было внедрить систему АСКУЭ. Весь район включал 18 жилых домов с шестью тысячами квартир. В качестве пилотного проекта решено было начать с системы учета тепловой энергии на 1100 квартир (хотя со временем будут построены АСКУЭ для всех потребляемых ресурсов).

Вариант с ручным вводом данных не рассматривался изначально: дома в новом микрорайоне, где в каждой квартире по проекту установлены счетчики с выходом M-Bus, гораздо проще охватить единой сетью удаленной передачи данных, чем старинные здания в центре города, – это закономерное и современное решение. Такая сеть позволяет решить несколько важнейших проблем:
- определять фактические (технические) потери тепловой энергии;
- оперативно выявлять места утечек, то есть получить возможность быстро устранять последствия аварий;
- получать полную и достоверную информацию для формирования материальных и тепловых балансов;
- составлять стабильный температурный график отпуска тепловой энергии с ТЭЦ. 

Перед началом работы предстояло выбрать из нескольких вариантов построения системы наиболее функциональный, эффективный и бюджетный.

Один из вариантов организации сетей, лежащий на поверхности, это использовать выход M-Bus тепловых счетчиков. То есть построить проводную сеть, в которой счетчики присоединены к шине M-Bus и все данные по проводной связи стекаются в управляющее устройство, собирающее информацию. Однако этот вариант отпал в силу своей сложности и дороговизны: мало того что требовались большие трудозатраты для выполнения монтажных работ, нужно было еще потратиться на кабель, а впоследствии убрать следы монтажа, то есть обновить отделку уже сданных квартир.

Поэтому остановились на беспроводных сетях передачи данных. Можно было построить систему, используя сети сотовых операторов и технологии LTE, 3G, GPRS и др. Однако для нового микрорайона этот вариант также оказался невозможным: в новостройках покрытие сетей сотовых операторов мало где существует, а в тех местах, где оно уже появилось, оно слабое. К тому же на каждую точку учета нужно заключать контракт с сотовым оператором, что удорожает проект. 

Допустѝм еще один вариант: использовать для сети нестандартные решения на базе радиоканала. Но они привязывают заказчика к оборудованию одного производителя, причем навсегда, что вызывает у заказчика справедливые опасения, учитывая достаточно большой масштаб проекта. 

Отметим, что все перечисленные факторы вовсе не являются спецификой данного района. Именно для того чтобы нивелировать эти и другие недостатки традиционных сетей удаленного мониторинга, были разработаны технологии LPWAN, представленные общественности лишь три года назад. И именно их решено было использовать при построении АСКУЭ.

В сущности для того чтобы внедрить сеть с LPWAN-технологиями, требовалось сделать два шага:
- установить в районе базовую станцию – промежуточное звено между оконечными устройствами и сервером, собирающее и пересылающее на сервер весь массив показаний; 
- установить в домах конвертирующие радиоустройства, преобразующие сигналы M-Bus, поступающие от счетчиков, в сигналы LoRaWAN.

Почему этот вариант проще и дешевле:
- модуль LoRaWAN потребляет очень мало энергии, поэтому такое радиоустройство может работать на однажды установленной батарейке много лет;
- LoRaWAN – открытый протокол, подобное оборудование выпускают очень многие производители. Заказчик не рискует оказаться в затруднительном положении из-за того, что производитель поднял цену на свою продукцию или вовсе исчез с рынка;
- низкая стоимость эксплуатации. По сравнению с проводными решениями – в пять раз. По сравнению с технологиями, использующими сети сотовых операторов, тоже дешевле, так как не приходится ежемесячно вносить абонентскую плату;
- все данные остаются в руках управляющей компании, так как отсутствует пересылка через сотовых операторов; 
- большие расстояния связи: в городской застройке до 5 км, на открытом пространстве до 20 км.

Теперь опишем устройства, выбранные для реализации проекта.

Ris_1_.jpg

Рис. 1. Установка базовой станции

Базовую станцию – относительно небольшое устройство с антенной – специалисты компании «Аврора Мобайл» установили на крыше дома (рис. 1). Для системы была выбрана базовая станция RHF2S008 от компании RisingHF (Китай) – одного из известных производителей, выпускающих оборудование LoRaWAN и имеющего сертификат от LoRa Alliance (международного объединения компаний, поддерживающих данную технологию). Эта станция имеет надежную защиту от ультрафиолета, широкий диапазон рабочих температур (-55…85 °C) и PoE-питание. Благодаря технологии PoE (в соответствии с которой и для питания и для передачи данных требуется один и тот же провод) для подключения базовой станции понадобился только кабель Ethernet в гофрированном шланге. Раз в заданное время станция передает данные на сетевой сервер и получает от него управляющие команды (рис. 2). В данном случае в качестве сетевого сервера было использовано открытое решение loraserver.io. От сетевого сервера информация поступает на сервер приложений, где уже находится база данных и откуда ее можно просмотреть. Использование открытого решения отнюдь не означает, что данные плохо защищены. С помощью двух ключей AES шифруется вся информация, передающаяся на сетевой сервер и сервер приложений.

Ris_2_small.jpg

Рис. 2. Схема построения сети LoRaWAN (увеличить изображение)

В качестве конечных устройств, которые обрабатывают сигналы, поступающие от квартирных счетчиков тепла, и передают их на базовую станцию, были использованы решения компании «Вега-Абсолют» – еще одного широко известного производителя оборудования LoRaWAN на российском рынке.

Ris_3.jpg

Рис. 3. Теплосчетчики, подключенные к конвертеру «Вега M-Bus-1

Вега M-Bus-1 – конвертер сигналов из M-Bus в LoRaWAN, к которому подключается до десяти счетчиков тепла по топологии «звезда» (рис. 3 и 4). Несколько конвертеров можно установить на DIN-рейку в одном шкафу. Монтаж очень прост, и в случае, если систему необходимо будет расширить, может быть выполнен рядовым сотрудником управляющей компании. Корпус устройства соответствует степени защиты от пыли и воды IP68. Конвертер Вега M-Bus-1 снимает данные о температуре входа и выхода, о мгновенном и накопленном расходе теплоносителя, о накопленном расходе тепла, фиксируя при этом серийный номер теплосчетчика. Отметим, что этот конвертер разрабатывался специально для данного проекта специалистами «Авроры Мобайл» и «Вега-Абсолют». Первый прибор был выпущен спустя два месяца после начала совместной работы. Сегодня в системе применяется уже новая модификация, улучшенная и лишенная всех недочетов пилотного прибора.

Ris_4.jpg

Рис. 4. Подключение счетчиков к конвертеру «Вега M-Bus-1» по топологии «звезда»

Вега СИ-11 – счетчик импульсов. Имеет четыре входа, два из которых можно настроить как охранные, например, для датчика задымления или протечки.

Вега СИ-12 – счетчик импульсов. Имеет два счетных входа и два счетных выхода. К выходам можно подсоединить электрические приводы, с помощью которых, например, в случае аварии удаленно перекрыть воду.

Вега-СИ-21 – счетчик импульсов с усиленной конструкцией и выносной антенной для применения в подвалах, где существует угроза затопления, слабый сигнал и т.д.

Вега СИ-13-232/485 – счетчик импульсов, обеспечивающий системе поддержку протоколов RS-232 и RS-485.

Для проекта заказчик использовал свое программное обеспечение, изменив его под формат пакетов LoRaWAN.

Пилотный создание этой АСКУЭ, охватывающей тысячу квартир, стало для России самым крупным проектом по внедрению сетей LoRaWAN, что, в сущности, показывает их слабую распространенность в нашей стране. Проект доказал оптимальность такого решения: монтаж удалось осуществить относительно быстро и силами специалистов только компании-интегратора, без привлечения сторонних организаций. А за те несколько месяцев, что существует система, было сэкономлено порядка 10 % затрат на теплоснабжение. В настоящее время работа над внедрением АСКУЭ продолжается, к лету 2019 года системой планируется охватить все 6 тысяч квартир нового жилого района.

AURORA_Mobile Technologies, г. Санкт-Петербург,
тел.: +7 (812) 646-1046,
e-mail: info@auroramobile.ru,
сайт: auroramobile.ru