Technologia radiowa LoRa – sieć LoraWan w przepływach sprężonego powietrza

Czy nowoczesne przepływomierze stosowane w instalacjach pneumatycznych są przygotowane do współpracy z sieciami LoRaWAN?

Odpowiedź brzmi: coraz częściej tak, a kierunek rozwoju rynku jasno pokazuje, że będzie to jeden z podstawowych standardów komunikacji przemysłowej w najbliższych latach.

Czym właściwie jest LoRa?

LoRa (Long Range) jest technologią radiowej transmisji danych opracowaną specjalnie z myślą o urządzeniach Internetu Rzeczy. Nie jest to standard sieciowy, lecz metoda modulacji sygnału radiowego pozwalająca przesyłać niewielkie ilości danych na bardzo duże odległości przy minimalnym poborze energii. Najważniejsze cechy technologii LoRa to:

• bardzo duży zasięg,

• niewielkie zużycie energii,

• odporność na zakłócenia,

• możliwość pracy przez wiele lat na jednej baterii,

• dobra penetracja budynków przemysłowych,

• niskie koszty eksploatacji.

LoRa nie została zaprojektowana do przesyłania dużych ilości danych. Jej zadaniem jest okresowe przesyłanie krótkich informacji pomiarowych takich jak:

• przepływ,

• ciśnienie,

• temperatura,

• wilgotność,

• stan urządzenia,

• alarm,

• licznik godzin pracy.

A właśnie takie dane dominują w automatyce przemysłowej.

LoRa a LoRaWAN – jaka jest różnica?

Choć nazwy są bardzo podobne, oznaczają dwie różne rzeczy.

LoRa

To wyłącznie warstwa fizyczna transmisji radiowej. Odpowiada za sposób przesyłania sygnału. Można ją porównać do kabla Ethernet — sam kabel nie definiuje jeszcze całej sieci.

LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) jest kompletnym protokołem komunikacyjnym. Definiuje między innymi:

• sposób autoryzacji urządzeń,

• szyfrowanie transmisji,

• strukturę komunikatów,

• zarządzanie urządzeniami,

• pracę bramek (Gateway),

• komunikację z serwerem sieciowym,

• bezpieczeństwo danych.

Dzięki temu tysiące urządzeń mogą jednocześnie pracować w jednej sieci.

Jak działa sieć LoRaWAN?

Schemat działania jest stosunkowo prosty.

1. Przepływomierz wykonuje pomiar.

2. Dane zostają zakodowane.

3. Informacja jest wysyłana drogą radiową.

4. Odbiera ją bramka LoRaWAN (Gateway).

5. Gateway przekazuje dane do serwera.

6. Dane trafiają do systemu SCADA, BMS, MES lub chmury.

Cała transmisja odbywa się automatycznie, bez udziału operatora.

Dlaczego LoRaWAN idealnie sprawdza się w przemyśle?

Instalacje przemysłowe bardzo często obejmują:

• hale produkcyjne,

• magazyny,

• sprężarkownie,

• budynki techniczne,

• instalacje zewnętrzne,

• rozległe sieci sprężonego powietrza.

Przeprowadzenie przewodów komunikacyjnych przez wszystkie obiekty jest często kosztowne. LoRaWAN pozwala tego uniknąć. Jedna bramka może obsługiwać setki urządzeń rozmieszczonych na dużym obszarze.

Zasięg LoRaWAN

Typowy zasięg wynosi:

• wewnątrz budynków: 500–2000 m,

• teren przemysłowy: 2–5 km,

• teren otwarty: nawet 15 km.

Oczywiście rzeczywisty zasięg zależy od:

• konstrukcji budynków,

• obecności elementów stalowych,

• zakłóceń elektromagnetycznych,

• wysokości montażu anten.

Zalety LoRaWAN w monitorowaniu sprężonego powietrza

Systemy sprężonego powietrza należą do najbardziej energochłonnych instalacji przemysłowych. Dlatego ciągły monitoring ma ogromne znaczenie. LoRaWAN umożliwia:

Monitorowanie przepływu

Każdy przepływomierz może okresowo przesyłać informacje o:

• chwilowym przepływie,

• przepływie średnim,

• przepływie całkowitym,

• zużyciu dobowym,

• zużyciu tygodniowym,

• zużyciu miesięcznym.

Kontrolę ciśnienia

Do sieci mogą zostać podłączone:

• przetworniki ciśnienia,

• manometry elektroniczne,

• czujniki różnicy ciśnień.

Pomiar temperatury

Jednocześnie można monitorować:

• temperaturę medium,

• temperaturę otoczenia,

• temperaturę sprężarek,

• temperaturę osuszaczy.

Alarmowanie

System automatycznie wysyła informacje o:

• przekroczeniu przepływu,

• zaniku przepływu,

• zbyt wysokim ciśnieniu,

• zbyt niskim ciśnieniu,

• awarii urządzenia,

• zaniku zasilania.

Czy LoRaWAN zastąpi Modbus lub Ethernet?

Nie. Każda technologia ma inne zastosowanie.

LoRaWAN nie zastępuje klasycznej automatyki. Stanowi jej doskonałe uzupełnienie.

Czy przepływomierze sprężonego powietrza są gotowe na LoRaWAN?

Nowoczesne przepływomierze masowe stosowane w przemyśle są projektowane z myślą o integracji z systemami cyfrowymi. Wiele modeli oferowanych obecnie na rynku, w tym rozwiązania dostępne w ofercie Pneumat System, wyposażonych jest w interfejsy komunikacyjne umożliwiające współpracę z urządzeniami pośredniczącymi (gatewayami lub konwerterami), które przesyłają dane do sieci LoRaWAN. Najczęściej spotykane interfejsy to:

• Modbus RTU (RS-485),

• Modbus TCP,

• Ethernet,

• wyjścia analogowe 4–20 mA,

• wyjścia impulsowe,

• wyjścia cyfrowe,

• komunikacja M-Bus (w wybranych aplikacjach).

Dzięki zastosowaniu odpowiedniego konwertera Modbus–LoRaWAN lub modułu wejść/wyjść LoRaWAN możliwe jest bezprzewodowe przesyłanie danych z istniejących przepływomierzy do systemów nadrzędnych, bez konieczności wymiany samego urządzenia pomiarowego. Coraz więcej producentów oferuje również wersje z fabrycznie zintegrowanym modułem LoRaWAN, co upraszcza wdrożenie w nowych instalacjach.

Jak wygląda typowa architektura systemu?

Przykładowa konfiguracja może wyglądać następująco:

• sprężarka,

• osuszacz,

• filtracja,

• przepływomierz masowy,

• interfejs Modbus RTU,

• konwerter Modbus–LoRaWAN,

• bramka LoRaWAN,

• serwer sieciowy,

• system SCADA, MES, EMS lub platforma chmurowa.

W efekcie operator otrzymuje dostęp do danych z dowolnego miejsca – na komputerze, tablecie lub smartfonie.

Jakie korzyści przynosi LoRaWAN w instalacjach pneumatycznych?

Niższe koszty instalacji

Brak konieczności prowadzenia kabli znacząco ogranicza koszty modernizacji.

Szybki montaż

Urządzenia można uruchomić nawet w ciągu jednego dnia roboczego.

Monitoring wielu punktów

Jedna sieć może obejmować:

• sprężarki,

• osuszacze,

• zbiorniki ciśnieniowe,

• przepływomierze,

• czujniki punktu rosy,

• liczniki energii,

• detektory wycieków,

• przetworniki ciśnienia.

Skalowalność

Dodanie kolejnych urządzeń nie wymaga przebudowy infrastruktury przewodowej.

Analiza danych historycznych

Możliwe jest tworzenie raportów:

• godzinowych,

• dobowych,

• miesięcznych,

• rocznych.

To ułatwia identyfikację nieefektywności i planowanie działań optymalizacyjnych.

LoRaWAN a efektywność energetyczna

Energia elektryczna wykorzystywana do produkcji sprężonego powietrza stanowi znaczącą część kosztów eksploatacyjnych zakładów przemysłowych. System monitoringu oparty na przepływomierzach oraz komunikacji LoRaWAN umożliwia bieżącą analizę zużycia, wykrywanie anomalii oraz szybkie reagowanie na wzrost poboru powietrza. Pozwala to:

• ograniczyć straty wynikające z nieszczelności,

• wykrywać niepotrzebną pracę instalacji poza godzinami produkcji,

• porównywać wydajność poszczególnych linii technologicznych,

• oceniać skuteczność działań modernizacyjnych,

• wspierać realizację celów związanych z efektywnością energetyczną i raportowaniem środowiskowym.

W praktyce monitoring staje się nie tylko narzędziem diagnostycznym, ale również elementem strategii zarządzania energią.

Przykładowe zastosowania

Technologia LoRaWAN doskonale sprawdza się w:

• dużych zakładach produkcyjnych,

• hutach,

• odlewniach,

• zakładach spożywczych,

• przemyśle farmaceutycznym,

• przemyśle chemicznym,

• fabrykach motoryzacyjnych,

• centrach logistycznych,

• papierniach,

• oczyszczalniach ścieków,

• zakładach wodociągowych,

• kopalniach,

• elektrociepłowniach.

Rola Pneumat System w budowie nowoczesnych systemów monitoringu

Pneumat System od lat dostarcza rozwiązania dla przemysłowych instalacji sprężonego powietrza, obejmujące nie tylko komponenty pneumatyczne, ale również aparaturę pomiarową i usługi wspierające poprawę efektywności energetycznej. W ofercie znajdują się m.in.:

• przepływomierze masowe do sprężonego powietrza i gazów technicznych,

• czujniki punktu rosy,

• przetworniki ciśnienia,

• urządzenia pomiarowe do monitorowania jakości sprężonego powietrza,

• systemy wykrywania i lokalizacji nieszczelności,

• rozwiązania do rejestracji oraz analizy parametrów pracy instalacji.

Nowoczesne przepływomierze wyposażone w standardowe interfejsy komunikacyjne mogą zostać łatwo zintegrowane z systemami automatyki oraz platformami IoT, również z wykorzystaniem technologii LoRaWAN poprzez odpowiednie moduły komunikacyjne. Dzięki temu przedsiębiorstwa mogą rozwijać monitoring etapami – od pojedynczych punktów pomiarowych po kompleksowe systemy zarządzania mediami.

Kierunek rozwoju – bezprzewodowa fabryka przyszłości

Rozwój technologii LPWAN sprawia, że coraz więcej urządzeń pomiarowych będzie wyposażanych w natywną obsługę komunikacji bezprzewodowej. W połączeniu z analizą danych, sztuczną inteligencją oraz systemami predykcyjnego utrzymania ruchu umożliwi to jeszcze skuteczniejsze zarządzanie instalacjami sprężonego powietrza. LoRaWAN nie zastąpi klasycznych magistral przemysłowych w aplikacjach wymagających komunikacji w czasie rzeczywistym, ale stanowi znakomite uzupełnienie tam, gdzie liczy się prosty montaż, duży zasięg, niskie zużycie energii i ekonomiczny monitoring rozproszonych punktów pomiarowych. Dla użytkowników przepływomierzy oznacza to łatwiejszy dostęp do danych, większą kontrolę nad zużyciem sprężonego powietrza oraz możliwość szybkiego wykrywania strat energii bez kosztownej rozbudowy infrastruktury kablowej. Nowoczesne przepływomierze stosowane w przemyśle są już przygotowane do pracy w cyfrowym ekosystemie Przemysłu 4.0. Dzięki standardowym interfejsom komunikacyjnym i możliwości współpracy z konwerterami lub modułami LoRaWAN mogą stać się integralnym elementem inteligentnych systemów monitorowania mediów technicznych. Dla przedsiębiorstw oznacza to większą przejrzystość procesów, lepsze wykorzystanie danych pomiarowych oraz realne oszczędności wynikające z optymalizacji pracy instalacji sprężonego powietrza.

Przepływomierze CS Instruments – gotowe na cyfrową transformację i integrację z LoRaWAN

W kontekście komunikacji radiowej oraz rozwiązań Przemysłu 4.0 szczególną uwagę warto zwrócić na przepływomierze i aparaturę pomiarową CS Instruments, których autoryzowanym dostawcą w Polsce jest Pneumat System. Produkty tej marki od wielu lat należą do światowej czołówki urządzeń przeznaczonych do monitorowania sprężonego powietrza, gazów technicznych, próżni oraz zużycia energii. Ich ogromną zaletą jest nie tylko bardzo wysoka dokładność pomiarowa, ale również rozbudowane możliwości komunikacyjne, dzięki którym doskonale wpisują się w wymagania nowoczesnych zakładów przemysłowych oraz koncepcję IIoT (Industrial Internet of Things).

Oferta CS Instruments obejmuje między innymi przepływomierze masowe serii VA 500, VA 520, VA 521, VA 550 oraz VA 570, które umożliwiają pomiar przepływu sprężonego powietrza, azotu, tlenu, argonu, CO₂ oraz wielu innych gazów technicznych. Urządzenia te znajdują zastosowanie zarówno w głównych magistralach sprężonego powietrza, jak i w pomiarach poszczególnych linii produkcyjnych, stanowisk roboczych czy pojedynczych maszyn. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne określenie rzeczywistego zużycia medium oraz identyfikacja najbardziej energochłonnych procesów technologicznych.

Jednym z największych atutów przepływomierzy CS Instruments jest ich przygotowanie do współpracy z praktycznie każdym współczesnym systemem automatyki przemysłowej. Standardowo lub opcjonalnie urządzenia mogą być wyposażone w interfejsy Modbus RTU (RS-485), Modbus TCP, M-Bus, Ethernet, wyjścia analogowe 4–20 mA, wyjścia impulsowe, wyjścia cyfrowe, a w wybranych modelach również Profinet, EtherNet/IP czy inne protokoły przemysłowe. Oznacza to, że bez większych problemów mogą zostać zintegrowane z konwerterami Modbus–LoRaWAN lub dedykowanymi bramkami IoT, umożliwiając bezprzewodowe przesyłanie danych do systemów SCADA, BMS, EMS, MES czy platform chmurowych.

W praktyce wdrożenie technologii LoRaWAN nie wymaga wymiany przepływomierza na nowy model. W większości przypadków wystarczy zastosowanie odpowiedniego konwertera komunikacyjnego, który odczytuje dane z interfejsu Modbus RTU lub Modbus TCP i przesyła je drogą radiową do bramki LoRaWAN. Jest to rozwiązanie szczególnie atrakcyjne podczas modernizacji istniejących instalacji, gdzie prowadzenie nowych przewodów komunikacyjnych byłoby kosztowne lub technicznie utrudnione.

Na uwagę zasługuje również fakt, że przepływomierze CS Instruments nie ograniczają się wyłącznie do pomiaru chwilowego przepływu. Urządzenia rejestrują również szereg dodatkowych parametrów, takich jak przepływ całkowity, zużycie medium w zadanym okresie, prędkość przepływu, temperatura medium czy – w zależności od modelu – ciśnienie robocze. Dane te mogą być przesyłane do systemów nadrzędnych cyklicznie lub na żądanie, tworząc kompletny obraz pracy instalacji sprężonego powietrza.

Rozwiązania CS Instruments obejmują także znacznie więcej niż same przepływomierze. W ofercie Pneumat System znajdują się również czujniki punktu rosy, rejestratory danych, analizatory jakości sprężonego powietrza, liczniki energii, mierniki wycieków ultradźwiękowych, systemy monitoringu sieci sprężonego powietrza oraz oprogramowanie CS Soft, umożliwiające kompleksową analizę parametrów instalacji. Wszystkie te urządzenia mogą współpracować w jednym ekosystemie pomiarowym, a dzięki odpowiednio dobranej infrastrukturze komunikacyjnej również stanowić element rozproszonej sieci LoRaWAN.

Warto podkreślić, że filozofia projektowania urządzeń CS Instruments od wielu lat koncentruje się na maksymalnej otwartości komunikacyjnej. Producent świadomie stosuje powszechnie wykorzystywane protokoły przemysłowe zamiast zamkniętych, własnych standardów, dzięki czemu użytkownicy nie są uzależnieni od jednego producenta systemów automatyki. To właśnie ta otwartość sprawia, że urządzenia CS Instruments są doskonale przygotowane do integracji z nowoczesnymi rozwiązaniami IoT oraz przyszłymi technologiami komunikacji bezprzewodowej, w tym LoRaWAN.

Dla użytkowników instalacji sprężonego powietrza oznacza to możliwość budowy nowoczesnego systemu monitorowania mediów technicznych bez konieczności kosztownej przebudowy infrastruktury. W połączeniu z doświadczeniem Pneumat System w zakresie projektowania, audytów oraz optymalizacji instalacji pneumatycznych przepływomierze CS Instruments stają się nie tylko urządzeniami pomiarowymi, ale również ważnym elementem strategii poprawy efektywności energetycznej, predykcyjnego utrzymania ruchu oraz cyfrowej transformacji przedsiębiorstwa.

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.