儲備庫溫濕度測控系統(tǒng)數(shù)字總線解決方案
摘要：利用全數(shù)字總線技術(shù)實現(xiàn)儲備庫的溫濕度測量和控制。介紹了系統(tǒng)優(yōu)勢、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各部件特點、控制方式及策略，最后給出了系統(tǒng)總線測點分布應(yīng)用實例。
關(guān)鍵詞：儲備庫；溫濕度；數(shù)字總線；熏蒸
儲備庫溫濕度測控系統(tǒng)能夠?qū)γ總€儲備庫內(nèi)的溫度、濕度進行現(xiàn)場巡檢顯示，并根據(jù)檢測到的溫度、濕度值實現(xiàn)對風(fēng)機、干燥機的自動控制，以及庫內(nèi)溫濕度的高低超限報警。所有儲備庫檢測系統(tǒng)組建局域網(wǎng)由中央管理計算機進行集中監(jiān)測顯示，即各儲備庫的溫濕度實時值、平均值及各個傳感器的工位號；所有控制設(shè)備（風(fēng)機、干燥機）的運行狀態(tài)和手自動狀態(tài)，測控系統(tǒng)的短路、斷路和實時報警。并進行歷史數(shù)據(jù)存儲及查詢、打印。
1、系統(tǒng)優(yōu)勢
·提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)成本；
·耐化學(xué)腐蝕：特別適用于糧食、煙草等溫濕度測量控制；
·施工簡單，節(jié)省材料，縮短施工周期，降低施工成本：只需沿墻（或柱）鋪設(shè)總線（二芯/三芯線），測控點附近預(yù)留分線器，所有總線匯集在RTM安放處；
·節(jié)省數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換成本：RTM測點容量大，一個RTM可掛接幾百支傳感器；由于傳感器已數(shù)字化，無需再進行A/D轉(zhuǎn)換，除可大大減少布線電纜外，還可大大降低數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換成本；
·RTM上傳感器總線電纜及分支電纜總長可達1.5km以上；
·傳感器互換性強，每只傳感器都有唯一編號（工位號，可由用戶指定），工位號相同的傳感器可隨意互換，無需更改系統(tǒng)軟硬件任何配置；
·系統(tǒng)易于擴充：儲備庫控制室無需更改任何硬件配置，只需增加傳感器及相應(yīng)連接總線電纜；
·系統(tǒng)便于維護，節(jié)省維護成本。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
每個庫內(nèi)均配備相應(yīng)數(shù)量的THP\D\W62系列或THP\W60系列數(shù)字總線溫濕度傳感器，一個總線遠(yuǎn)程采集單元RTU或總線遠(yuǎn)程采集儀RTM及一套PLC，通過與中央管理計算機共組成三級網(wǎng)絡(luò)。
傳感器通過數(shù)字總線與RTU/RTM組成第一級網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中，一個RTU/RTM可掛接數(shù)百支傳感器，總線電纜與分支電纜分布長達1500米以上，總線電纜可使用特殊屏蔽雙絞線。RTU/RTM循環(huán)采集顯示庫內(nèi)的每一只傳感器的溫度、濕度值。
在第二層網(wǎng)絡(luò)中，RTU/RTM與PLC組成RS485通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC將RTU/RTM采集的溫濕度值及傳感器狀態(tài)信息讀入內(nèi)存，針對用戶對儲備庫的控制需求進行PLC編程，使PLC具備：根據(jù)儲備庫內(nèi)不同區(qū)域溫度、濕度值啟停臨近的風(fēng)機及干燥機的能力；根據(jù)庫外溫濕度狀況對儲備庫內(nèi)風(fēng)機及干燥機進行自動啟?？刂频哪芰?，保證儲備庫內(nèi)溫濕度的相對穩(wěn)定，在控制過程中，PLC進一步實現(xiàn)儲備庫內(nèi)溫濕度高低超限報警。系統(tǒng)還具備手動控制功能，即通過硬件電路切換脫離PLC自動控制，實現(xiàn)人工手動控制風(fēng)機及干燥機。
每個儲備庫的PLC與中央管理計算機通過光纖組建成局域網(wǎng)，使用戶在中央計算機上任意查看每個庫的溫濕度實時檢測值，歷史數(shù)據(jù)及歷史曲線，并進行記錄打印。
3、各部件特點
3.1數(shù)字總線傳感器
檢測溫濕度的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換在傳感器內(nèi)直接完成，從而解決了溫度數(shù)據(jù)在傳輸過程中因干擾和信號衰減而導(dǎo)致的精確度減低的問題。集成芯片對檢測誤差隨時校正，保證測溫測濕的長期準(zhǔn)確性。溫濕度傳感器集成于一體，每一個溫濕度傳感器都有唯一的通信地址，只用兩根通信線就可以準(zhǔn)確無誤的將傳感器所采集的溫濕度數(shù)據(jù)傳遞出去。傳感器會將短路、斷路狀態(tài)信息傳遞給PLC，由中央管理計算機顯示出來，一般而言，總線短路會對連接在該總線上的傳感器產(chǎn)生影響，傳感器斷路只會對斷路的傳感器產(chǎn)生影響，但RTU/RTM會自動檢測出傳感器所有異常信息，同樣，PLC和中央管理計算機可立刻得到這些信息，從而可迅速對故障點進行診斷處理；特殊的總線短路保護措施確?？偩€短路時，不會燒損總線上的設(shè)備。
數(shù)字式傳感器的采用使產(chǎn)品的設(shè)計，制造，安裝，更為方便快捷。同時減少了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)更為穩(wěn)定，更易維護，并大大地減少了測控系統(tǒng)使用的電纜數(shù)量。
數(shù)字溫濕度傳感器選用進口濕敏元件。傳感器功耗極低，可經(jīng)受震動、沖擊，可在高溫、高濕下正常工作，并且能在惡劣的化學(xué)腐蝕環(huán)境下正常工作，包括：鹽性大氣、煙塵、二氧化硫（0.5%）、硫化氫（0.5%）、一氧化碳、甲苯、酸（硫酸，硝酸，鹽酸），殺蟲劑、煙草熏蒸等。
3.2數(shù)字總線遠(yuǎn)程采集單元RTU/儀表RTM
在整個系統(tǒng)中，RTU/RTM起著極其重要的數(shù)據(jù)采集和傳輸作用。這些重要的數(shù)據(jù)信息會通過通訊傳遞到PLC?？偩€短路、斷路不會對RTU/RTM或傳感器有任何損壞，但不允許RTU/RTM的輸入電源接錯（RTU/RTM使用交流電AC90—265V，或DC7—36V）。
RTU/RTM單元可以采集溫度、濕度數(shù)據(jù)，具備簡單的風(fēng)機、除濕機控制功能。
RTU/RTM之間采用并行連接，任意兩個測控單元互不影響。
3.3PLC可編程序控制器
PLC是適用于各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動化可編程設(shè)備，在數(shù)字總線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中，PLC完成從RTM采集數(shù)據(jù)到內(nèi)存，再上傳給中央管理計算機的通訊樞紐任務(wù)，而且系統(tǒng)中的所有風(fēng)機、干燥機控制及報警功能也由PLC來完成，控制軟件可根據(jù)用戶需求對PLC進行靈活程序設(shè)計。系統(tǒng)中每個PLC都為一個工作站，所有PLC（即所有儲備庫）又可組成局域網(wǎng)，方便用戶的集中管理。
3.4通訊
PLC與RTM采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊協(xié)議，連續(xù)數(shù)據(jù)傳送方式。通訊速度為波特率，標(biāo)準(zhǔn)巡回次數(shù)每秒約50個傳感器數(shù)據(jù)。PLC與中央管理計算機之間通過工業(yè)以太網(wǎng)或RS485進行通訊。
系統(tǒng)硬件防護設(shè)計采取多級綜合防護方法，防止外界不利條件對系統(tǒng)的干擾的影響。數(shù)字式傳感器及其它器件本身具有自我保護功能，器件之間，例如溫濕度傳感器、RTM、多向連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換接口、通訊電纜等聯(lián)接處都有特殊光電隔離芯片將器件本身與其它器件完全隔離開來，特別設(shè)計使當(dāng)器件上的雷電感應(yīng)電壓超過額定值時將自動斷開，可使系統(tǒng)安全工作。整個系統(tǒng)與其它設(shè)施完全隔離。
4、控制方式
4.1風(fēng)機和干燥機的控制方式
設(shè)置為現(xiàn)場設(shè)備就地控制按扭手動操作（即手動）、計算機控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動操作（即軟手動）、計算機控制系統(tǒng)全自動控制（即自動）三種控制方式。三種方式級別由高到低依次為手動，軟手動，自動。
·手動：將現(xiàn)場控制臺上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕切換至就地位置，通過面板上的“啟動/停止”按鈕實現(xiàn)手動控制；
·軟手動：通過中央管理計算機實現(xiàn)軟手動控制；
·自動：根據(jù)環(huán)境要求設(shè)定控制程序，實現(xiàn)對儲備庫狀態(tài)的自動控制。
根據(jù)以上控制方式，整套系統(tǒng)相應(yīng)分為如下三個層次：就地控制按鈕、PLC、中央管理控制室。若中央管理控制計算機或者通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，PLC現(xiàn)場仍可獨立完成本儲備庫的控制工作。若PLC發(fā)生故障，該儲備庫負(fù)責(zé)控制溫濕度的風(fēng)機及干燥機仍可通過切換開關(guān)實現(xiàn)手動控制。
4.2除濕機及干燥機的啟?？刂撇呗?/p>
每個儲備庫可分為3—4個分區(qū)，每個分區(qū)設(shè)2—3臺干燥機及若干通風(fēng)機。每個分區(qū)獨立控制，各區(qū)內(nèi)的干燥機單臺獨立控制，各區(qū)內(nèi)的風(fēng)機視現(xiàn)場具體情況分組控制。
5、系統(tǒng)測點分布實例
5.1基本概況
某卷煙廠在某地集中有多個煙草儲備庫，每個儲備庫面積從3000—6000m2不等，根據(jù)其面積大小劃分成幾個防火分區(qū)。每個防火分區(qū)存放幾個煙垛，設(shè)置三臺除濕機。
在每個儲備庫設(shè)一配電室和控制室?？刂剖以O(shè)置一臺PLC和數(shù)字遠(yuǎn)程采集儀RTM，配電室設(shè)控制除濕機相應(yīng)的自動和手動電器設(shè)備。由RTM采集儲備庫各測點溫濕度值，RTM和PLC之間采取RS485通訊方式，將采集的溫濕度值傳給PLC。一方面，PLC根據(jù)得到的溫濕度值，按照某種算法，通過一定的控制策略去控制除濕機；另一方面，PLC通過光纖以太網(wǎng)將儲備庫溫濕度值和除濕機工作狀態(tài)傳給庫區(qū)主控室計算機，由主控制室計算機完成各種管理功能。
5.2總線驅(qū)動
RTM的一個數(shù)據(jù)采集通道總線驅(qū)動能力可理解為能夠連接的總線電纜長度和傳感器數(shù)量。一個數(shù)據(jù)采集通道總線電纜長度包括該通道上的主干線總線電纜和傳感器分支電纜長度，一般而言，總線上的傳感器數(shù)量對總線的驅(qū)動能力影響不大，主要是總線上分布電容對驅(qū)動能力的影響。在安裝設(shè)計時，RTM其中的一個數(shù)據(jù)采集通道總線電纜（含傳感器分支電纜）長度不要超過300m，以確?？偩€安全穩(wěn)定的驅(qū)動；有困難時，總線長度可適當(dāng)延長，但不要超過600m。
5.3傳感器編號
數(shù)字傳感器工位號存儲能力在此有特別明顯的優(yōu)勢?？蓪鋷旆刻?、防火分區(qū)號、傳感器在防火分區(qū)中的編號等信息寫入傳感器中，使傳感器能在儲備庫中準(zhǔn)確定位，并且易于互換；上位機讀取傳感器信息時，可將傳感器工位號、傳感器狀態(tài)及測得的溫濕度值一并讀取。
工程設(shè)計時，傳感器類型可用以下字母表示：
·TD——插入式數(shù)字總線溫度傳感器；
·THP——吊掛式數(shù)字總線溫濕度一體傳感器；
·THD——插入式數(shù)字總線溫濕度一體傳感器；
·RTM/RTU共有四位可用于對傳感器工位號進行編程。
5.4傳感器布置
一般使用RTM的五個數(shù)據(jù)采集通道即可滿足面積3000—6000m2儲備庫數(shù)據(jù)采集要求。其中一個連接室外環(huán)境溫濕度傳感器，另四個采集通道布置四條二芯數(shù)字總線電纜（參見庫房傳感器布置圖），這四條總線電纜沿墻引入儲備庫內(nèi)各防火分區(qū)，并在與傳感器分支電纜連接處設(shè)一分線盒。要求四條總線電纜負(fù)載即連接傳感器數(shù)量和總線主干線和分支線長度大致平衡。
在儲備庫各防火分區(qū)的煙垛上均勻分層布置相應(yīng)數(shù)量的數(shù)字總線溫度和溫濕度傳感器。傳感器以易插拔方式與分支電纜密封連接，并通過分支電纜連到總線分線盒上。
傳感器布置時，一般分三層：頂層、中層、底層。
·頂層：以垂吊式布置數(shù)字溫濕度傳感器THP6213/5-2C050A，使傳感器分布在煙垛正上方，安裝位置及高度視煙垛堆放高度而定，一般在5—8m之間，連接傳感器至總線電纜分線盒的分支電纜長６—16m，頂層的溫濕度傳感器安裝后位置固定。
·中層：數(shù)字溫濕度傳感器THP6213/5-2C050A分布在煙垛周圍，安裝高度一般在2.5m，連接傳感器至總線電纜分線盒的分支電纜長2.5—4m，安裝后位置相對固定。
·底層：接不銹鋼插入式溫度傳感器TD186-2C050A和插入式溫濕度傳感器THD6213/5-2C050A，安裝高度為1.5m，這兩種傳感器分支電纜較長（22.5—24m），作為可移動的溫度和溫濕度傳感器，工作人員可將其插入鄰近煙垛任意位置，不用時卷起電纜收起傳感器將其放在墻邊傳感器盒中。
5.5薰蒸
煙草儲備庫和糧庫對其儲備的煙草和糧食會定期進行殺蟲薰蒸處理，薰蒸氣體對銅、鐵、鋅具有極強的腐蝕作用。傳感器采取特別的工藝設(shè)計，選用耐腐蝕的進口濕敏傳感器，對電路板進行全密封保護，具有很強的抗腐蝕能力。
在安裝分線盒時，要求對與分線盒連接的總線主干和分支電纜進行密封處理，防止對煙草進行薰蒸時，殺蟲薰蒸氣體對總線連接導(dǎo)線的腐蝕。
為保證傳感器和總線及分支電纜的抗熏蒸、防腐蝕效果，建議在施工設(shè)計時，按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，各數(shù)字傳感器分支電纜長度分為幾個等級，進行密封加工處理。
6、結(jié)論
采用數(shù)字總線技術(shù)的儲備庫溫濕度測控系統(tǒng)可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)成本。其二芯總線工藝確保系統(tǒng)布線簡單，密封性能更好，從而做到有效的防熏蒸。環(huán)境溫濕度一體傳感器也已完全數(shù)字化，可連接在總線上任意點。RTU測點容量大，驅(qū)動能力強。尤其是傳感器工位號編程功能，可做到更換測溫電纜或環(huán)境溫濕度一體傳感器不需要更改系統(tǒng)軟硬件任何配置。全數(shù)字化儲備庫溫濕度測控系統(tǒng)代替模擬或部分?jǐn)?shù)字方式是必然趨勢。
作者簡介
肖培林，男，沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所檢測研究室主任，碩士學(xué)位，高級工程師。曾獲鐵路青年科技拔尖人才、青年科技標(biāo)兵、沈陽鐵路局十大杰出青年等榮譽稱號。現(xiàn)從事自動化控制及計算機應(yīng)用工作。
曹飛龍，男，工程師，學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)從事自動化控制及計算機應(yīng)用工作。
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