CN220271754U - 基于无线物联网技术的换热站自控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开基于无线物联网技术的换热站自控系统，涉及换热站技术领域。包括边缘计算控制器、无线物联网传感器组和多个无线数据采集传输终端，所述无线物联网传感器组包括多个无线物联网传感器，多个所述无线物联网传感器分别与边缘计算控制器无线通信连接；多个无线数据采集传输终端分别与边缘计算控制器无线通信连接，将采集的仪表控制设备的数据传输至边缘计算控制器。本实用新型采用无线通信方案的换热站自控系统，取代了传统的有线通信方案，同时以边缘计算控制器取代了PLC控制柜作为主控制器和通信网关，彻底隔离电源和信号线上电磁干扰，数据更准确，省掉了PLC和组态软件，降低设备和软件成本，降低了网络要求。

Description

基于无线物联网技术的换热站自控系统

技术领域

本实用新型属于换热站技术领域，特别是基于无线物联网技术的换热站自控系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

多年来换热站自控系统一直采用基于RS-485总线、模拟量、开关量的有线通信方案。在这些系统中，主控制器PLC通过大量电线电缆与传感设备(如温度、压力、液位等)和控制设备(如水泵、调节阀、电磁阀等)连接，完成通信协议解析、本地控制等功能。随着智慧供热的发展，很多换热站自控系统经过改造也可以与远端平台对接，实现远程的控制和数据采集。

发明人发现，基于有线通信的换热站自控系统尽管具有技术成熟、适配性好、应用广泛等优点，但是在供热行业的应用也暴露出较多待改善之处，具体有以下几个方面：

电磁干扰对传感设备准确度的影响：目前多数换热站水泵都采用变频器控制。变频器工作时对电网电压有较大影响，会导致电压出现大幅度快频率波动并传导到站内其他设备。对于站内采用模拟量进行采样或控制的设备，例如温度、压力传感器和部分电调阀等，在安装的时候如果不对供电电压做抗干扰处理的话其数据精度会大幅度降低，严重影响自控系统运行。

系统维护成本较高：系统的维护人员需要具备通信、电气设备、供热等多方面知识，人员成本高。现场很多断线、短路问题需要花费大量时间沿线排查，时间成本高。很多新能源分布式供热企业的项目可能位于不同的城市和地区，交通成本高。

可扩展性较差：很多换热站自控项目在需要功能扩展、设备变更时发现由于施工维护公司或者技术人员的变更出现技术断档、新旧设备不兼容的问题。经常不得不重新安装一套系统，造成资金浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于无线物联网技术的换热站自控系统，采用无线通信方案的换热站自控系统，取代了传统的有线通信方案，同时以边缘计算控制器取代了PLC控制柜作为主控制器和通信网关，解决现有技术中的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型为基于无线物联网技术的换热站自控系统，包括边缘计算控制器、无线物联网传感器组和多个无线数据采集传输终端，所述无线物联网传感器组包括多个无线物联网传感器，多个所述无线物联网传感器分别与边缘计算控制器无线通信连接；多个无线数据采集传输终端分别与边缘计算控制器无线通信连接，将采集的仪表控制设备的数据传输至边缘计算控制器。

优选的，多个所述无线物联网传感器与边缘计算控制器之间通过LoRa无线通信连接。

优选的，所述无线物联网传感器组包括物联网温度传感器、物联网压力传感器、物联网液位传感器和物联网浸水传感器。

优选的，所述无线物联网传感器为低功耗且通过电池供电的一体式无线传感器。

优选的，所述无线物联网传感器采用一次性锂亚电池供电。

优选的，多个所述无线数据采集传输终端与边缘计算控制器之间通过LoRa无线通信连接。

优选的，所述仪表控制设备包括电调阀、泄压阀、补水阀、变频器、电表、水表、热量表。

优选的，还包括视频监控摄像头，所述视频监控摄像头与边缘计算控制器之间通过WiFi无线通信连接。

优选的，还包括智慧门禁，所述智慧门禁与边缘计算控制器之间通过WiFi无线通信连接。

优选的，还包括物联网云服务器，所述边缘计算控制器与物联网云服务器之间通过4G或5G无线方式通信连接。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)现场采用全无线设计，极大减少了布线施工和维护的工作量；

(2)所有传感设备采用锂电池供电，杜绝了电网干扰导致的数据失真，为自控系统精确精准的参数控制打下很好的基础；

(3)系统扩展简单，传感设备和控制设备均为即插即用设计，安装后即可投运，简化了现场调试工作量；

(4)系统维护简单，维护人员仅需具备拆换设备的基础培训即可上岗；

(5)兼容性强，可兼容主流的组态软件，可实现现场控制和远程控制，满足智慧供热系统的要求。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

整体构思：

现有技术的换热站的现场设备接口有RS-485、AI、AO、DI、DO等，需要大量的布线、接线端子，大量的模拟量信号易受变频器干扰，造成温度压力等敏感传感数据失真。为解决传输可靠性问题，需要强弱电分开走线、模拟量数字量分开走线、模拟量和RS485需要屏蔽线、注意电源隔离和可靠接地等，现场需要更多的保护元件、穿线管、桥架、地沟等。除此之外，项目的PLC和现场仪表设备之间的通信采用Modbus协议或简单的模拟量和开关量信号，协议扩展、设备升级工作较为复杂。因此，现有技术中这样的有线系统维护、拓展和管理均需要专业人员进行，需要较高的维护成本。

近十年来物联网技术飞速发展，高速的WiFi、低功耗的LoRa、成本迅速下降的4G和新兴的5G通信都已成为高可靠的主流通信技术，工业路由器和物联网触摸屏随着嵌入式技术的进步具备了强劲的边缘计算能力，云计算也在快速取代传统的实体工控机和服务器。以无线通信、低功耗、高智能为特点的物联网技术为换热站自控系统的变革提供了支撑。本实用新型提出了采用无线通信方案的换热站自控系统，取代了传统的有线通信方案；同时以边缘计算控制器取代了PLC控制柜作为主控制器和通信网关。

换热站多处于城区或小区环境，有独立的站房，一般空间不大且相对封闭，无线环境简单，星型无线网络就可以实现覆盖。换热站中的设备分为传感类设备(温度、压力、液位等采集设备)和控制类设备(水泵、调节阀等)两类。传感类设备参数一般以十秒级的速度变化，不用实时在线，只需要周期上报且单次采集功耗较低，适合电池供电的一体式无线传感器。控制类设备需要实时在线，但是此类设备均为有线供电的方式，无线通信控制设备可就地取电，不需要铺设额外的供电电缆。换热站系统控制与传统的工业、化工等自动化系统相比具有流程简单、数据量小、实时性要求不高等特点，适合于采用无线通信方案替代原有的有线通信方案。

本实用新型以抗干扰能力强、支持超低功耗的中低速率LoRa通信为主要无线通信技术，同时对于数据量大的设备，例如监控摄像头、智慧门禁等，也可采用高速WiFi无线接入方式进行通信。本方案结合换热站自控系统的实际需求，通过频分多址和码分多址等技术对LoRa无线信道和扩频因子进行合理划分，根据设备地址编码把通信分成互不干扰的16个分组，并调小发射功率防止干扰相邻信道，配合冲突避让和重发机制，避免了节点多、上报频繁时数据碰撞问题，使网络容量、通信成功率、设备耗电量和通信实时性形成平衡。

实施例一：

请参阅图1所示，本实用新型为基于无线物联网技术的换热站自控系统，包括边缘计算控制器、无线物联网传感器组和多个无线数据采集传输终端，所述无线物联网传感器组包括多个无线物联网传感器，多个所述无线物联网传感器分别与边缘计算控制器无线通信连接；多个无线数据采集传输终端分别与边缘计算控制器无线通信连接，将采集的仪表控制设备的数据传输至边缘计算控制器。

进一步的，多个所述无线物联网传感器与边缘计算控制器之间通过LoRa无线通信连接。

进一步的，所述无线物联网传感器组包括物联网温度传感器、物联网压力传感器、物联网液位传感器和物联网浸水传感器。

进一步的，所述无线物联网传感器为低功耗且通过电池供电的一体式无线传感器。

进一步的，所述无线物联网传感器采用一次性锂亚电池供电。

进一步的，多个所述无线数据采集传输终端与边缘计算控制器之间通过LoRa无线通信连接。

进一步的，所述仪表控制设备包括电调阀、泄压阀、补水阀、变频器、电表、水表、热量表。

进一步的，还包括视频监控摄像头，所述视频监控摄像头与边缘计算控制器之间通过WiFi无线通信连接。

进一步的，还包括智慧门禁，所述智慧门禁与边缘计算控制器之间通过WiFi无线通信连接。

进一步的，还包括物联网云服务器，所述边缘计算控制器与物联网云服务器之间通过4G或5G无线方式通信连接。

无线换热站自控系统整体架构如图1所示。全无线物联网传感器代替常规模拟量输出的变送器，无线RTU对其他仪表设备进行信号转换，边缘计算控制器是LoRa、WiFi和4G等无线通信网关及带有组态功能的本地控制器。

全无线物联网传感器采用一次性锂亚电池供电，LoRa无线通信，带有液晶显示，可以代替传感器、变送器及就地机械仪表。电池寿命大于2个采暖季，电池可更换，上报周期可设置。硬件上电源和信号与干扰源完全隔离，软件上有多种校验和纠错机制，使采集和传输的准确性大大提高，为更精准智能的自控打下很好的基础。

电调阀、电磁阀和流量计等本身需要外部供电且品牌型号较多，无线RTU是带有多种接口的现场通用信号转换器，可以把现场除传感器以外仪表控制设备接入无线网络，支持高频上报及实时控制。

边缘计算控制器是本地控制核心及通信网关，集成了边缘计算网关、工业路由器及物联网HMI屏等功能，支持数据汇总、协议转换、本地组态、接入服务器等功能。下行主要支持LoRa、WiFi无线接入，也兼容传统的RS-485和以太网有线接入；上行通过4G或宽带接入互联网，主要作为MQTT客户端接入云端的物联网平台，也支持作为ModBus-TCP从站接入传统的组态软件。无线传感器和无线RTU具有主动采集上报功能，而且无线通信彻底取代了大量信号线并规避了电磁干扰问题，PLC高可靠的数据采集功能、强大的硬件接口扩展能力不再需要，边缘计算控制器代替PLC控制柜可以极大减小设备体积，提升智能化水平。

本实施例具有如下优点：

(1)电池供电的无线传感器，彻底隔离电源和信号线上电磁干扰，数据更准确；

(2)省掉绝大部分通信和电源布线，节省材料及施工成本，也方便后续维护；

(3)省掉了PLC和组态软件，降低设备和软件成本，也降低了网络要求；

(4)系统结构简洁，通信效率提高，功能升级及网络扩展也更加方便。

通过无线方案完全摒除了通信线缆，只需供电电缆的接入，这样现场维护人员只需具备基本的电工知识就可以维护，不需要具备综合布线、自控等方面的知识储备，极大降低了维护成本。

通过与现有技术进行对比：

原来的某品牌自控柜，上方桥架内有二十多条电缆接入；本实施例的方案通过新安装的边缘计算控制器，只有下方线槽内几根线缆接入，通信主要依赖上方的四个吸盘天线，控制器体积也只有原来的十分之一左右，形成鲜明对比。

边缘计算控制器除了基本的采集存储显示和参数设置外，还代替PLC进行自动补水、定压、温控等本地控制逻辑及报警判别、连锁保护等本地应急逻辑，后期投运中可完全替代原有的有线控制系统。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，包括边缘计算控制器、无线物联网传感器组和多个无线数据采集传输终端，所述无线物联网传感器组包括多个无线物联网传感器，多个所述无线物联网传感器分别与边缘计算控制器无线通信连接；多个无线数据采集传输终端分别与边缘计算控制器无线通信连接，将采集的仪表控制设备的数据传输至边缘计算控制器；

多个所述无线物联网传感器与边缘计算控制器之间通过LoRa无线通信连接；

无线数据采集传输终端是带有多种接口的现场通用信号转换器，可以把现场除传感器以外仪表控制设备接入无线网络。

2.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，所述无线物联网传感器组包括物联网温度传感器、物联网压力传感器、物联网液位传感器和物联网浸水传感器。

3.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，所述无线物联网传感器为低功耗且通过电池供电的一体式无线传感器。

4.根据权利要求3所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，所述无线物联网传感器采用一次性锂亚电池供电。

5.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，多个所述无线数据采集传输终端与边缘计算控制器之间通过LoRa无线通信连接。

6.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，所述仪表控制设备包括电调阀、泄压阀、补水阀、变频器、电表、水表、热量表。

7.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，还包括视频监控摄像头，所述视频监控摄像头与边缘计算控制器之间通过WiFi无线通信连接。

8.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，还包括智慧门禁，所述智慧门禁与边缘计算控制器之间通过WiFi无线通信连接。

9.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的换热站自控系统，其特征在于，还包括物联网云服务器，所述边缘计算控制器与物联网云服务器之间通过4G或5G无线方式通信连接。