儲備庫溫濕度測控系統數字總線解決方案
摘要：利用全數字總線技術實現儲備庫的溫濕度測量和控制。介紹了系統優勢、系統結構、各部件特點、控制方式及策略，最后給出了系統總線測點分布應用實例。
關鍵詞：儲備庫；溫濕度；數字總線；熏蒸
儲備庫溫濕度測控系統能夠對每個儲備庫內的溫度、濕度進行現場巡檢顯示，并根據檢測到的溫度、濕度值實現對風機、干燥機的自動控制，以及庫內溫濕度的高低超限報警。所有儲備庫檢測系統組建局域網由中央管理計算機進行集中監測顯示，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；所有控制設備（風機、干燥機）的運行狀態和手自動狀態，測控系統的短路、斷路和實時報警。并進行歷史數據存儲及查詢、打印。
1、系統優勢
·提高系統穩定性、降低系統成本；
·耐化學腐蝕：特別適用于糧食、煙草等溫濕度測量控制；
·施工簡單，節省材料，縮短施工周期，降低施工成本：只需沿墻（或柱）鋪設總線（二芯/三芯線），測控點附近預留分線器，所有總線匯集在RTM安放處；
·節省數據采集A/D轉換成本：RTM測點容量大，一個RTM可掛接幾百支傳感器；由于傳感器已數字化，無需再進行A/D轉換，除可大大減少布線電纜外，還可大大降低數據采集A/D轉換成本；
·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，無需更改系統軟硬件任何配置；
·系統易于擴充：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連接總線電纜；
·系統便于維護，節省維護成本。
2、系統結構
每個庫內均配備相應數量的THP\D\W62系列或THP\W60系列數字總線溫濕度傳感器，一個總線遠程采集單元RTU或總線遠程采集儀RTM及一套PLC，通過與中央管理計算機共組成三級網絡。
傳感器通過數字總線與RTU/RTM組成第一級網絡，在該網絡中，一個RTU/RTM可掛接數百支傳感器，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循環采集顯示庫內的每一只傳感器的溫度、濕度值。
在第二層網絡中，RTU/RTM與PLC組成RS485通訊網絡，PLC將RTU/RTM采集的溫濕度值及傳感器狀態信息讀入內存，針對用戶對儲備庫的控制需求進行PLC編程，使PLC具備：根據儲備庫內不同區域溫度、濕度值啟停臨近的風機及干燥機的能力；根據庫外溫濕度狀況對儲備庫內風機及干燥機進行自動啟停控制的能力，保證儲備庫內溫濕度的相對穩定，在控制過程中，PLC進一步實現儲備庫內溫濕度高低超限報警。系統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，實現人工手動控制風機及干燥機。
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，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，歷史數據及歷史曲線，并進行記錄打印。
3、各部件特點
3.1數字總線傳感器
檢測溫濕度的模擬量到數字量的轉換在傳感器內直接完成，從而解決了溫度數據在傳輸過程中因干擾和信號衰減而導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確無誤的將傳感器所采集的溫濕度數據傳遞出去。傳感器會將短路、斷路狀態信息傳遞給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生影響，傳感器斷路只會對斷路的傳感器產生影響，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保總線短路時，不會燒損總線上的設備。
數字式傳感器的采用使產品的設計，制造，安裝，更為方便快捷。同時減少了系統數據傳輸的環節，極大地提高了系統的可靠性，使系統更為穩定，更易維護，并大大地減少了測控系統使用的電纜數量。
數字溫濕度傳感器選用進口濕敏元件。傳感器功耗極低，可經受震動、沖擊，可在高溫、高濕下正常工作，并且能在惡劣的化學腐蝕環境下正常工作，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數字總線遠程采集單元RTU/儀表RTM
在整個系統中，RTU/RTM起著極其重要的數據采集和傳輸作用。這些重要的數據信息會通過通訊傳遞到PLC。總線短路、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、濕度數據，具備簡單的風機、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、監測及控制的自動化可編程設備，在數字總線溫濕度監測系統中，PLC完成從RTM采集數據到內存，再上傳給中央管理計算機的通訊樞紐任務，而且系統中的所有風機、干燥機控制及報警功能也由PLC來完成，控制軟件可根據用戶需求對PLC進行靈活程序設計。系統中每個PLC都為一個工作站，所有PLC（即所有儲備庫）又可組成局域網，方便用戶的集中管理。
3.4通訊
PLC與RTM采用工業標準的RS-485通訊協議，連續數據傳送方式。通訊速度為波特率，標準巡回次數每秒約50個傳感器數據。PLC與中央管理計算機之間通過工業以太網或RS485進行通訊。
系統硬件防護設計采取多級綜合防護方法，防止外界不利條件對系統的干擾的影響。數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、協議轉換接口、通訊電纜等聯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，特別設計使當器件上的雷電感應電壓超過額定值時將自動斷開，可使系統安全工作。整個系統與其它設施完全隔離。
4、控制方式
4.1風機和干燥機的控制方式
設置為現場設備就地控制按扭手動操作（即手動）、計算機控制系統遠程手動操作（即軟手動）、計算機控制系統全自動控制（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：將現場控制臺上的“就地/遠程”旋鈕切換至就地位置，通過面板上的“啟動/停止”按鈕實現手動控制；
·軟手動：通過中央管理計算機實現軟手動控制；
·自動：根據環境要求設定控制程序，實現對儲備庫狀態的自動控制。
根據以上控制方式，整套系統相應分為如下三個層次：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絡發生故障，PLC現場仍可獨立完成本儲備庫的控制工作。若PLC發生故障，該儲備庫負責控制溫濕度的風機及干燥機仍可通過切換開關實現手動控制。
4.2除濕機及干燥機的啟停控制策略
每個儲備庫可分為3—4個分區，每個分區設2—3臺干燥機及若干通風機。每個分區獨立控制，各區內的干燥機單臺獨立控制，各區內的風機視現場具體情況分組控制。
5、系統測點分布實例
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，根據其面積大小劃分成幾個防火分區。每個防火分區存放幾個煙垛，設置三臺除濕機。
在每個儲備庫設一配電室和控制室。控制室設置一臺PLC和數字遠程采集儀RTM，配電室設控制除濕機相應的自動和手動電器設備。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通過光纖以太網將儲備庫溫濕度值和除濕機工作狀態傳給庫區主控室計算機，由主控制室計算機完成各種管理功能。
5.2總線驅動
RTM的一個數據采集通道總線驅動能力可理解為能夠連接的總線電纜長度和傳感器數量。一個數據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，總線上的傳感器數量對總線的驅動能力影響不大，主要是總線上分布電容對驅動能力的影響。在安裝設計時，RTM其中的一個數據采集通道總線電纜（含傳感器分支電纜）長度不要超過300m，以確保總線安全穩定的驅動；有困難時，總線長度可適當延長，但不要超過600m。
5.3傳感器編號
數字傳感器工位號存儲能力在此有特別明顯的優勢。可將儲備庫房號、防火分區號、傳感器在防火分區中的編號等信息寫入傳感器中，使傳感器能在儲備庫中準確定位，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、傳感器狀態及測得的溫濕度值一并讀取。
工程設計時，傳感器類型可用以下字母表示：
·TD——插入式數字總線溫度傳感器；
·THP——吊掛式數字總線溫濕度一體傳感器；
·THD——插入式數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的五個數據采集通道即可滿足面積3000—6000m2儲備庫數據采集要求。其中一個連接室外環境溫濕度傳感器，另四個采集通道布置四條二芯數字總線電纜（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各防火分區，并在與傳感器分支電纜連接處設一分線盒。要求四條總線電纜負載即連接傳感器數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的煙垛上均勻分層布置相應數量的數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，建議在施工設計時，按照標準化設計，各數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、結論
采用數字總線技術的儲備庫溫濕度測控系統可提高系統穩定性、降低系統成本。其二芯總線工藝確保系統布線簡單，密封性能更好，從而做到有效的防熏蒸。環境溫濕度一體傳感器也已完全數字化，可連接在總線上任意點。RTU測點容量大，驅動能力強。尤其是傳感器工位號編程功能，可做到更換測溫電纜或環境溫濕度一體傳感器不需要更改系統軟硬件任何配置。全數字化儲備庫溫濕度測控系統代替模擬或部分數字方式是必然趨勢。
作者簡介
肖培林，男，沈陽鐵路局科學技術研究所檢測研究室主任，碩士學位，高級工程師。曾獲鐵路青年科技拔尖人才、青年科技標兵、沈陽鐵路局十大杰出青年等榮譽稱號。現從事自動化控制及計算機應用工作。
曹飛龍，男，工程師，學士學位。現從事自動化控制及計算機應用工作。
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