Digitális adatgyűjtési és kommunikációs technológiák
A digitális működés, az „okos” megoldások nem nélkülözhetik a mérési-működési adatok –akár folyamatosan frissülő—jelenlétét. Ezért a távhőiparban is sokféle adattovábbítási módszert, technológiát kell alkalmazni.
Természetesen a jelen cikkben tárgyalt két információ továbbítási módszer, technológia mellett sok egyéb megoldás is létezik, azonban azok egy része vagy elavult, vagy technikailag nem mindig kivitelezhető, de az is lehet, hogy nem áll rendelkezésre az infrastruktúra, amivel megoldható lenne. Néhány példa ezekből az adattovábbítási megoldásokból:
- „R1” technológia. Ez a (kissé elavult) módszer azt jelenti amikor a diszpécserközpont ügyelete, vagy vezetője szól az ott várakozó fiatal kollégának: „eredj és nézd meg az xxx hőközpontban, hogy mennyi a nyomás”. Ezt azért a mai digitális világunkban nem lehetne korszerű adattovábbítási eljárásnak nevezni.
- URH rádiótechnika. Ez a módszer a 70-es-80-as években alakult ki főleg a vízművek területén (bár egy-egy esetben kipróbálták távhő területen is nem túl nagy sikerrel). Ennél a módszernél a „hagyományos” (engedély köteles) rádiófrekvenciás sávokban (160MHz; 430 MHz) alkalmaztak modemmel ellátott rádió adó-vevő készülékeket, amelyek „igen jelentős” sebességgel (2,4; 4,8; 9,6 kbit/s) továbbították az információt.
„Hagyományos” URH adatátviteli készülékek:
- Mostanában több helyen alkalmaznak a távfűtő cégek is irányított mikrohullámú adatátviteli rendszereket, ahol a „WiFi” frekvenciasávban lehet közvetlen pont-pont kapcsolatú információt cserélni a hőközpontok és a központi diszpécser rendszer között. Ez egy jó módszer, azonban fontos, hogy a két állomás „lássa” egymást, és vagyonvédelmi okokból nem árt, ha a mikrohullámú antenna/készülék nem látszik a lakosok számára. Ezért ez a technológia sem terjedt el minden helyszínen, mert az előbbi igények nem biztosíthatók minden helyszínen. Erre mutat példát az alábbi kép egy hőközponti állomásról, ahol az antenna egy ajtó mögött került felszerelésre.
- Vezetékes adatátvitel. Ez a leggyakrabban alkalmazott megoldás, elsősorban hőközpontokon belül, ahol a távolságok nem számottevőek, és a vezeték elhelyezésére is van lehetőség. Ezzel a módszerrel akár az analóg mérési jel akár digitális kommunikációs információ is átvihető az említett határokon belül.
Nos az előzőleg bemutatott néhány megoldás alkalmas sok esetben, de mégis, egyre több helyen merül fel a kommunikációs infrastruktúrával nem rendelkező helyszíneken a mérési-jelzési adatok továbbítása a központ felé. Ennek két lehetőségét fogjuk részletesen bemutatni:
- Mérési-jelzési adatok továbbítása LoRaWAN technológia segítségével.
- Nagy mennyiségű, folyamatos-két irányú adatátvitel kialakítása 4G technológiával.
Mérési-jelzési adatok továbbítása LoRaWAN technológia segítségével.
Ez az eljárás az egyik legfiatalabb adatátviteli módszer. Az elmúlt évtized közepén 2014-2015 határán jelet meg az első modulációs és technológiai leírás róla. Ennek megfelelően nagyon korszerű és a XXI század kihívásainak megfelelő lehetőségeket , és adatátviteli biztonságot is tartalmaz. Többféle kialakítása létezi, de ebben a cikkben a mérésadatok begyűjtését optimalizáló megoldást ismertetjük.
A technológia célja kis fogyasztású (ezért elemes üzemre is hosszú távon alkalmas) adattovábbító készülékek alkalmazása, amelyek rádiótechnikai módszerekkel tudnak mérési adatokat elküldeni közepesebb (10km+) távolságokra. E távolságon belül rendelkezésre kell állnia egy vagy több rádió vevőkészüléknek, amelyek képesek továbbítani (már internetes módszerrel) az adatokat a helyi vagy a központi szerver felé. A helyi vagy a központi szerverből azután megfelelő biztonsági védelem mellett lehet kiolvasni az adatokat akár egyéni számítógéppel, akár SCADA szoftverrel. A rendszer felépítése a következő ábrán követhető végig:
Az ábra bal oldalán lévő LoRa mérőeszközök gyűjti be pl. a vízmérő impulzusokat, vagy hőmérsékleti adatokat. Ezeket rádiótechnikai módszerrel, de többszörösen (2 független 128 bites kulccsal) kódolva küldik el. A vevőállomások akár több is veheti az elküldött jeleket, ami növeli az átvitel biztonságát. A vevőállomások internetes technológiával küldik el az adatokat a szerver részére. Innen a felhasználók (megfelelő védelem mellett) kaphatják meg az adatokat.
Az előző részben szó volt a központi és a saját szerver lehetőségről. Mit jelent ez?
- A központi szerver esetén valamilyen nagyobb szolgáltató gondoskodik az adataink tárolásáról, esetleg begyűjtéséről is némi adatátviteli díj fejében, és tőle kaphatjuk meg a mérési információinkat. Ebben az esetben nem kell foglalkoznunk rádióvevőkkel, antennákkal, (villámvédelemmel), tápellátással, elhelyezkedéssel, ezt elvárjuk a szolgáltatótól. Ilyen szolgáltatót Magyarországon többet is találunk, akiknek egy része regionális, területi szolgáltató, egy része országos kiterjedésű. Ilyen országos cég az Antenna Hungária Zrt. ami a földi Rádió és TV adóhálózatát és átjátszó állomásait felhasználva építette, építi ki a szolgáltatást LoRaWAN területén is. Az Antenna Hungária országos lefedettségi térképét és további szolgáltatókat is találhatunk az alábbi képen:
Az adatátviteli díj állomásonként és havonta ~2€ körül várható.
- Saját szerver esetén a működés azonos a központi szervert ábrázoló képnek megfelelően, csak ott nálunk van telepítve, nekünk kell beruházni az adatgyűjtő szerverbe (ami egyébként kültéri kivitelű rádióvevőként is kapható). Ha szükséges, további rádióvevőket is kell telepítenünk megfelelő antenna, villámvédelem alkalmazásával. Ilyenkor viszont nincs további adatátviteli díj havonta állomásonként. Néhány kültéri kivitelű rádió vevőkészülék, amelyek akár saját szerverként is alkalmazhatóak (némi többlet beruházás kell a szoftverbővítésért).:
Felvetődik a kérdés, hogy ha ilyen bonyolultnak tűnik a LoRaWAN adatgyűjtés, akkor miért javasoljuk ezt a megoldást a távhő szolgáltatás területén? Nos a válasz elég kézenfekvő. Minden olyan helyen alkalmas ez a LoRaWAN megoldás, ahol olyan adatokat, információkat kell mérni-jelezni, ahol nem áll rendelkezésre, vagy nehezen építhető ki az infrastruktúra (kábel, tápellátás stb.). Ilyen adatok például:
- Vízmérők adatainak távleolvasása a társasházak belépő (elszámolási) mérőnél, ha ezt a kérdést a vízműves kollégákkal nem lehet egyszerűen tisztázni. Ugyanilyen feladat a gázmérő mágneses impulzusainak számlálása, amelyre külön ATEX minőségű készülékek is kaphatók. IP65 védettségű.
- Hőmérséklet mérés a távvezetéken bekötési vagy elágazási aknákban. Ebben az esetben 1 vagy 2 értékelővel lehet -55 / +125°C tartományban mérni és adatot küldeni. Óránként 1 mérés esetén 14+ év az elem élettartam. IP65 védettségű.
- Szivárgás, vízbetörés érzékelése bárhol, aknákban. Ilyenkor a víz megjelenésekor azonnal jelez a készülék és 5 alkalommal ismétli a jelzést 10 percenként. IP67 védettségű.
- FIGYELEM! Az előbbi megoldások aknában elhelyezve, lezárt öntöttvas, vagy acél aknatetővel is működnek.
Mi van akkor, ha lemerül az elem? A készülékek minden esetben naponta vagy négy naponta egy alkalommal küldenek egy állapotjelző (keep alive) üzenetet, amiben nincs mért adat, csak az elem feszültség értéke terhelt és üresjárási állapotban. Ezt az adatot is érdemes venni és feldolgozni, így időben értesülhetünk az elemcsere szükségességéről. Milyen LoRaWAN érzékelőket ajánlunk a feladatokra, néhány alkalmazással együtt?
- Impulzusok számlálása (például vízmérő aknában), vagy gázmérőnél:
Hőmérséklet mérés LoRaWAN technológiával
- Vízbetörés érzékelése, jelzése LoRaWAN technológiával
Az elemes üzemtől sem kell megijedni, mert ezek a készülékek 5-15 évnyi üzemet tudnak elemcsere nélkül megvalósítani, ami elég kedvezőnek tűnik. Hogyan lehetséges ez? A modern kori félvezető technikának köszönhetően a mérő-számláló rész nagyon kis fogyasztású elemekből épül fel, míg a rádió rész csak előre beállított időközönként, nagyon rövid ideig működik. Mekkora lehet ez a beállított üzenetküldési időköz? A minimum érték 10 perc. Ennél sűrűbben nem lehet mérési adatot továbbítani. A maximum pedig akár több nap is lehet. A jelzett sok éves elem üzemidő az 1 óránként vagy félnapos időközönként elküldött üzenettel érhető el.
Egy kis elméleti információ, hogy az eddigi tapasztalatok szerint a LoRaWAN technológiával felszerelt rendszerek adatátviteli távolsága és hatékonysága az alacsony rádió-adó teljesítmény ellenére is (25mW) sokkal kedvezőbb, mint az általános rádió adatátviteli módszerek. Ennek az oka részben a katonai radartechnikából átvett különleges (Chirp Spread Spectrum -> „Csiripeléses szórt spektrum”) modulációban és részben az automatikus adatátviteli sebesség beállításban keresendő. A CSS moduláció sematikusan így néz ki:
Az automatikus sebességállítás azt jelenti, hogy minden 12. adatátvitel után a szerver üzenetet küld az állomásnak, arra vonatkozóan, hogy a vétel minősége alapján gyorsíthatja, vagy lassítsa az adatátvitelt. Ezáltal minden állomás az éppen esedékes adatátviteli környezetben optimális adásminőséggel fog üzemelni és ezzel együtt a legkevesebb időt veszi el az adott frekvencia használatából.
Információ az is, hogy a LoRaWAN technológia Európában a 868MHz szabad (nem engedélyköteles) frekvenciasávban üzemel, mégpedig az ott levő 8 csatorna között váltogatva a frekvenciát, azaz kétszer egymás után, sohasem ad egy állomás ugyanazon a csatornán.
Segíti az adatátvitel biztonságát, hogy minden üzenet (távirat) sorszámmal van ellátva és a vevő nem fogadja el kétszer ugyanazt a sorszámú táviratot, így az is megelőzhető, ha egy „ügyes kezű szakember” veszi az adást és visszasugározza a központnak többször, nagyobb teljesítménnyel, mert a központ nem fogja elfogadni ezt a jelet.
Egyre több LoRaWAN alkalmazás épül ki energia és egyéb mérési adatok továbbítására, így egyre gyűlnek az adatok, és információk az újabb feladatok megvalósításához.
Adattovábbítás, távvezérlés 4G technológia segítségével.
A távfűtési rendszerek esetén a hőközpontok szétszórtsága, a bizonytalan és nem eléggé védett Internet infrastruktúra hiánya tette szükségessé a GSM alapú kommunikáció elterjedését. Noha ez nem olcsó megoldás, de ma már a szolgáltatók nagyon kedvező tarifákat kínálnak a távhőszolgáltató cégek számára. Erre a két irányú adatátviteli technológiára azért van szükség, mert a diszpécser és az akár önállóan szabályozott hőközpontok között szükséges a gyors ellenőrzött kapcsolat. Ha csak azt vesszük figyelembe, hogy a mai világban már elvárás, hogy az adott épület-társasház egyedileg kérhesse a fűtés elindítását vagy leállítását a távhő szolgáltatótól. Ezt pedig csak gyors és „látszólag közvetlen” kapcsolattal lehet végrehajtani.
A manapság használatos 4G természetesen nem egyedülálló módszer a GSM technológiák családjába, de a többi –különböző okokból—nem mindegyik kerül előtérbe. Mik ezek a módszerek:
- 2G technika. Ez az a technológia, ami az első GSM alapú adatátviteli technológiaként elindult kb. 20 éve amikor a hang alapú modulált átvitelnél (amit a hagyományos telefon technológiából hoztak) sokkal hatékonyabb lett. Ezen belül jelent meg először a GPRS, ami már 30-40 kbit/s sebességet tudott elérni (a „fiatalok” még emlékeznek a „betárcsázós modemre”, ami sok esetben csak 2,4 kbit/s sebességgel működött). Szintén még a 2G csoportba sorolják az EDGE kommunikációt, ami már akár 235 kbit/s sebességre is képes lehetett. Mai szemmel nézve ez egy kibírhatatlanul alacsony sebesség, de az akkori körülmények között csak néhány száz byte adatot kellett cserélni és nem pedig online-filmeket.
- 3G technika. Ennél a módszernél, ami több mint 10 éve segíti a munkát, már egészen „komoly” adatátviteli sebességek is elérhetők lettek. Az elméleti sebesség a ~ 2Mbit/s is elérheti, ami a korábbiakhoz képest közel tízszeres javulás. Ezzel a sebességgel már komoly adatmennyiségek voltak átvihetőek, így lehetőség nyílt a helyi regisztrációs adatokat időszakomként átküldeni a központi rendszerekbe. Ez a technológia a következő lépcső a 4G elterjedése miatt vesztett jelentőségéből, és így a legtöbb országban fokozatosan még ebben az évben (2022) megszüntetik a használatát.
- 4G technika. Ez azért már egy igazi nagy sebességű adatátviteli módszer, ami hazánkban kb. 5-6 éve kezdett terjedni. A modem / telefon készülékek tulajdonságainak függvényében sebesség 10-20 Mbit/s -től egészen a 300 Mbit/s -ig terjedhet, ami már több mint százszoros növekedést jelent. A ma beszerezhető legtöbb modem vagy telefonkészülék ismeri ezt a szabványt, bár ne felejtsük el, hogy ehhez cserélni kell a SIM kártyát.
- 5G technika, ami most kezd elterjedni, így még csak annyit tudunk róla, hogy 3 fokozata létezik, amelyek közül a „legkisebb” (Low Band 5G) is kb. 20-30%-kal nagyobb sebességet kínál mint a 4G. A közepes (Mid Band 5G) már 6x akkora sebességre képes, mint a 4G. A „teteje” (mmWave) pedig még a középső 5G szintet is megtízszerezheti. Fontos azonban megjegyezni, hogy az 5G technológia lefedettsége még nem teszi lehetővé mindenhol a használatát. Szintén nagyon lényeges, hogy az adatátviteli sebességek nagyban függenek az állomás és az átjátszó antennatorony távolságától.
Az előbb bemutatott GSM adatátviteli technológiák közül jelenleg a 2G és a 4G technika használható. Ami biztos, hogy egy-egy régebben kivitelezett alkalmazásnál, megfelelő optimalizálással még a 2G technika is alkalmas a működésre, de azért a legtöbb helyen alkalmas a környezet a 4G alkalmazására. Ennél a technológiánál szeretnénk kiemelni, hogy a konkrét sebessége több tényezőtől függ. Az első és legfontosabb az alkalmazott 4G Modem melyik adatátviteli sebesség kategóriát ismeri: Ezek a kategóriák a következők:
Szintén lényeges információ a sebességekkel kapcsolatban az, hogy a 4G adatátvitel nagyban függ az adott GSM cella telitettségétől, illetve terhelésétől. Ez dinamikusan változhat, ezért nem szabad meglepődni, ha egy rendszer sebessége változik. A gyakorlatban az ipari adatátvitel nem mindig igényel nagy sebességet, így ritkán fogunk ezzel a jelenséggel találkozni
Amikor telepített modemmel dolgozunk fel kell készülnünk arra, hogy a GSM hálózat dinamikus működésre van tervezve, ezért néha átrendezi az állomásokat. Mivel csomagkapcsolt adatátvitelről van szó, ez adatátvitel közben ritkán fordul elő (ahogy telefonáláskor sem veszünk észre ilyen kérdést), de nyugalmi helyzetben néha „elenged” egy-egy állomást. Ezért modemválasztáskor mindenképpen célszerű olyat keresni, ahol ez a probléma vagy automatikusan megoldódik, vagy rendszerszinten rendelkezik ezt a problémát érzékelő, kezelő funkcióval.
A modemek alkalmazásánál sok szempontot kell figyelembe vennünk, de azért igyekszem egyszerű kérdések köré csoportosítani a kiválasztást.
- Milyen technológia oldali kommunikációs lehetőséget kínál a készülék (pl. Ethernet; RS232; RS485; Digitális/Analóg BE/Kimenetek stb.
A képeken látható, hogy a legfontosabb csatlakozásokon kívül ma már nem „terhelik” az üzembe helyezőt speciális kábelek vagy egyéb eszközök használatával. Egyszerű mikro USB csatlakozóval lehet a beállításokat elvégezni, ami a legtöbb szakembernél a telefonunk miatt rendelkezésre áll. Az ipari kivitelű modemeknél jellemző, hogy a SIM kártya nem vehető ki belőle egyszerűen, (a képeken szereplő típusoknál sem), csak szerszámmal lehet megbontani, hogy megakadályozzák a SIM kártya ellopását.
Fontos információ, hogy a legtöbb modem már ismeri az ipar legfontosabb kommunikációs nyelvét a MODBUS protokollt. Ez azt is jelenti, hogy a legtöbb készülék képes akár fordító-átjátszóként is működni, azaz a WAN (GSM) oldalról MODBUS TCP „nyelven érkező kérdést képes akár az RS485 oldalon MODBUS RTU nyelven továbbítani és a választ is visszafordítani. Egy ilyen kommunikációs (akár vegyes) nyelvű rendszerre mutatunk egy példát:
- Vannak olyan esetek, ahol a GSM csatlakozás helyett (vagy mellette) lehetőség van valamilyen helyi internet szolgáltató céggel megállapodni valamilyen virtuálisan független hálózati kapcsolat kialakításáról, ami adatátviteli lehetőséget biztosít. Erre láttunk példát jelen cikk első felében a Mikrohullámú adatátvitel ismertetésénél. Találkoztunk már olyan esettel is, amikor az adott város távhő szolgáltatója megállapodott a helyi internet szolgáltatóval, hogy megengedi a fűtőmű keményének használatát az előbb említett virtuális hálózat kialakítására biztosításáért cserében. Egy ilyen fűtőműről készült az alábbi kép:
- A különböző alkalmazásoknál kiemelt helyet kap a működési és a kommunikációs biztonság. Ez a kérdés azt jelenti, hogy a GSM hálózat bármilyen, átmeneti megszakadása esetén milyen további lehetőségek állnak rendelkezésre. Erre és egyéb kiegészítő feladatok megoldására készülnek a különféle routerek. Ilyenkor a kommunikáció biztonsága érdekében lehet a meglevő „vezetékes” internet csatlakozás mellé egy „egyszerűbb” 1 SIM kártyás routert választani, ami képes a kétféle kommunikációs megoldás között váltani azok bármelyikének kiesése esetén. Ilyen ipari kivitelű routerre mutat példát az alábbi kép:
Ennél az ipari kivitelű készüléknél természetesen már megjelenik a WiFi lehetősége is ami a karbantartó kollégák helyszíni ellenőrzési munkáját is segítheti a rendszer web képének okos telefonon történő ellenőrzésével (amennyiben a helyi vezérlő automatika rendelkezik ilyen funkcióval).
- Sokszor előfordul (modernebb kialakítású hőközpontban is), hogy nem csak a szabályzó-PLC adatát kell kommunikálni, nem csak a helyi ipari kezelő terminálon kell megjeleníteni a helyi kontroller web képét, hanem esetleg beléptető, vagy web-kamerák jeleit is át kellene juttatni a diszpécser központ felé. Ilyenkor jutnak szerephez azok a „szuper-router” készülékek, amik már „szinte” mindent tudnak. Egy kép egy ilyen készülékről:
Az előbbi képen látható ipari kivitelű, robosztus készülék a 2 független GSM szolgáltató, a vezetékes internet kapcsolat mellett ki tud szolgálni további 3 Ethernet csatlakozású vezérlőt, szabályzót, kamerát, az RS232 és az RS485 portok segítségével pedig a beléptető mellett akár a hőmennyiség mérő kommunikációja is megoldható. Ezeken túl még további digitális BE és KI menetei vannak és analóg mérési bemenettel is rendelkezik, így a kontroller mellett akár további független jelzési és mérési feladatokat is elláthat az adott hőközpontban. Ezek a kiegészítő mérések és jelzések „természetesen” bármilyen irányból (pl.: a diszpécseri számítógép irányából is) MODBUS TCP parancsokkal kezelhetők olvashatók.
Látható, hogy a XXI. századi fejlesztések technológiák szinte végtelen lehetőségeket biztosítanak a modern digitális „okos” távhő rendszerek működése, működtetése számára. Mivel a tapasztalatok szerint ebben az ágazatban is fogy a munkaerő, így mindenképpen célszerű –a beruházási lehetőségek függvényében—előbb utóbb elindulni ezekbe az irányokba, mert melegvizet előállítani fűteni kell, és nem baj, ha ezt hatékonyan és gazdaságosan végzik a szolgáltató cégek.
Opitzer Gábor
Ügyvezető
M [06] 20-935-46-55
opitzer.gabor@sb-controls.hu
SB-Controls Kft.
H-2038 Sóskút, Ipari Park, 3508/64 Hrsz.
T [06] 23-501-170
A cikkben gyártó megjelölése nélkül igyekeztem megjeleníteni megoldásokat termékeket, azonban mindenképpen szeretném jelezni, hogy a bemutatott készülékek mindegyike európai gyártótól származó termékek.
A felhasznált képek legtöbbje saját, vagy publikus marketing anyag. Ami nem azt a következő címeken találtuk:
A Kép08.jpg a https://www.radiosystems.hu/Icom-IC-F6012-UHF-savu-mobil-adovevo és a https://www.anico.hu/motorola_dm1400 honlapról származik.
A Kép09.jpg a https://www.waziup.io/courses/lora/ honlapról származik.
A Kép10.jpg képek a https://www.cablefree.net/wirelesstechnology/4glte/lte-ue-category-class-definitions/ és a https://www.u-blox.com/en/technologies/lte-cat-4 honlapokon találhatók.
A Kép12.jpg kép részlete https://tdk.bme.hu/VIK/DownloadPaper/FMC-Fixmobil-konvergalt-hozzaferesi honlapon találhatók.