储备库温湿度测控系统数字总线解决方案

摘要：利用全数字总线技术实现储备库的温湿度测量和控制。介绍了系统优势、系统结构、各部件特点、控制方式及策略，最后给出了系统总线测点分布应用实例。
关键词：储备库；温湿度；数字总线；熏蒸
　　储备库温湿度测控系统能够对每个储备库内的温度、湿度进行现场巡检显示，并根据检测到的温度、湿度值实现对风机、干燥机的自动控制，以及库内温湿度的高低超限报警。所有储备库检测系统组建局域网由中央管理计算机进行集中监测显示，即各储备库的温湿度实时值、平均值及各个传感器的工位号；所有控制设备（风机、干燥机）的运行状态和手自动状态，测控系统的短路、断路和实时报警。并进行历史数据存储及查询、打印。
1、系统优势
·提高系统稳定性、降低系统成本；
·耐化学腐蚀：特别适用于粮食、烟草等温湿度测量控制；
·施工简单，节省材料，缩短施工周期，降低施工成本：只需沿墙（或柱）铺设总线（二芯/三芯线），测控点附近预留分线器，所有总线汇集在RTM安放处；
·节省数据采集A/D 转换成本：RTM测点容量大，一个RTM可挂接几百支传感器；由于传感器已数字化，无需再进行A/D转换，除可大大减少布线电缆外，还可大大降低数据采集A/D转换成本；
·RTM上传感器总线电缆及分支电缆总长可达1.5km以上；
·传感器互换性强，每只传感器都有唯一编号（工位号，可由用户指定），工位号相同的传感器可随意互换，无需更改系统软硬件任何配置；
·系统易于扩充：储备库控制室无需更改任何硬件配置，只需增加传感器及相应连接总线电缆；
·系统便于维护，节省维护成本。
2、系统结构

图1 储备库温湿度测控网络结构图

　　每个库内均配备相应数量的THP\D\W62系列或THP\W60系列数字总线温湿度传感器，一个总线远程采集单元RTU或总线远程采集仪RTM及一套PLC，通过与中央管理计算机共组成三级网络。
　　传感器通过数字总线与RTU/RTM组成第一级网络，在该网络中，一个RTU/RTM可挂接数百支传感器，总线电缆与分支电缆分布长达1500米以上，总线电缆可使用特殊屏蔽双绞线。RTU/RTM循环采集显示库内的每一只传感器的温度、湿度值。
　　在第二层网络中，RTU/RTM与PLC组成RS485通讯网络，PLC将RTU/RTM采集的温湿度值及传感器状态信息读入内存，针对用户对储备库的控制需求进行PLC编程，使PLC具备：根据储备库内不同区域温度、湿度值启停临近的风机及干燥机的能力；根据库外温湿度状况对储备库内风机及干燥机进行自动启停控制的能力，保证储备库内温湿度的相对稳定，在控制过程中，PLC进一步实现储备库内温湿度高低超限报警。系统还具备手动控制功能，即通过硬件电路切换脱离PLC自动控制，实现人工手动控制风机及干燥机。
　　每个储备库的PLC与中央管理计算机通过光纤组建成局域网，使用户在中央计算机上任意查看每个库的温湿度实时检测值，历史数据及历史曲线，并进行记录打印。
3、各部件特点
3.1 数字总线传感器
　　检测温湿度的模拟量到数字量的转换在传感器内直接完成，从而解决了温度数据在传输过程中因干扰和信号衰减而导致的精确度减低的问题。集成芯片对检测误差随时校正，保证测温测湿的长期准确性。温湿度传感器集成于一体，每一个温湿度传感器都有唯一的通信地址，只用两根通信线就可以准确无误的将传感器所采集的温湿度数据传递出去。传感器会将短路、断路状态信息传递给PLC，由中央管理计算机显示出来，一般而言，总线短路会对连接在该总线上的传感器产生影响，传感器断路只会对断路的传感器产生影响，但RTU/RTM会自动检测出传感器所有异常信息，同样，PLC和中央管理计算机可立刻得到这些信息，从而可迅速对故障点进行诊断处理；特殊的总线短路保护措施确保总线短路时，不会烧损总线上的设备。

　　数字式传感器的采用使产品的设计，制造，安装，更为方便快捷。同时减少了系统数据传输的环节，极大地提高了系统的可靠性，使系统更为稳定，更易维护，并大大地减少了测控系统使用的电缆数量。
　　数字温湿度传感器选用进口湿敏元件。传感器功耗极低，可经受震动、冲击，可在高温、高湿下正常工作，并且能在恶劣的化学腐蚀环境下正常工作，包括：盐性大气、烟尘、二氧化硫（0.5%）、硫化氢（0.5%）、一氧化碳、甲苯、酸（硫酸，硝酸，盐酸），杀虫剂、烟草熏蒸等。
3.2 数字总线远程采集单元RTU/仪表RTM
　　在整个系统中，RTU/RTM起着极其重要的数据采集和传输作用。这些重要的数据信息会通过通讯传递到PLC。总线短路、断路不会对RTU/RTM或传感器有任何损坏，但不允许RTU/RTM的输入电源接错（RTU/RTM使用交流电AC90—265V，或DC7—36V）。

　　RTU/RTM单元可以采集温度、湿度数据，具备简单的风机、除湿机控制功能。
　　RTU/RTM之间采用并行连接，任意两个测控单元互不影响。
3.3 PLC可编程序控制器
　　PLC是适用于各种场合的检测、监测及控制的自动化可编程设备，在数字总线温湿度监测系统中，PLC完成从RTM采集数据到内存，再上传给中央管理计算机的通讯枢纽任务，而且系统中的所有风机、干燥机控制及报警功能也由PLC来完成，控制软件可根据用户需求对PLC进行灵活程序设计。系统中每个PLC都为一个工作站，所有PLC（即所有储备库）又可组成局域网，方便用户的集中管理。
3.4 通讯
　　PLC与RTM采用工业标准的RS-485通讯协议，连续数据传送方式。通讯速度为19200波特率，标准巡回次数每秒约50个传感器数据。PLC与中央管理计算机之间通过工业以太网或RS485进行通讯。
　　系统硬件防护设计采取多级综合防护方法，防止外界不利条件对系统的干扰的影响。数字式传感器及其它器件本身具有自我保护功能，器件之间，例如温湿度传感器、RTM、多向连接器、协议转换接口、通讯电缆等联接处都有特殊光电隔离芯片将器件本身与其它器件完全隔离开来，特别设计使当器件上的雷电感应电压超过额定值时将自动断开，可使系统安全工作。整个系统与其它设施完全隔离。
4、控制方式
4.1 风机和干燥机的控制方式
　　设置为现场设备就地控制按扭手动操作（即手动）、计算机控制系统远程手动操作（即软手动）、计算机控制系统全自动控制（即自动）三种控制方式。三种方式级别由高到低依次为手动，软手动，自动。
·手动：将现场控制台上的“就地/远程”旋钮切换至就地位置，通过面板上的“启动/停止”按钮实现手动控制；
·软手动：通过中央管理计算机实现软手动控制；
·自动：根据环境要求设定控制程序，实现对储备库状态的自动控制。
　　根据以上控制方式，整套系统相应分为如下三个层次：就地控制按钮、PLC、中央管理控制室。若中央管理控制计算机或者通讯网络发生故障，PLC现场仍可独立完成本储备库的控制工作。若PLC发生故障，该储备库负责控制温湿度的风机及干燥机仍可通过切换开关实现手动控制。
4.2 除湿机及干燥机的启停控制策略

　　每个储备库可分为3—4个分区，每个分区设2—3台干燥机及若干通风机。每个分区独立控制，各区内的干燥机单台独立控制，各区内的风机视现场具体情况分组控制。
5、系统测点分布实例
5.1 基本概况
　　某卷烟厂在某地集中有多个烟草储备库，每个储备库面积从3000—6000m2不等，根据其面积大小划分成几个防火分区。每个防火分区存放几个烟垛，设置三台除湿机。
　　在每个储备库设一配电室和控制室。控制室设置一台PLC和数字远程采集仪RTM，配电室设控制除湿机相应的自动和手动电器设备。由RTM采集储备库各测点温湿度值，RTM和PLC之间采取RS485通讯方式，将采集的温湿度值传给PLC。一方面，PLC根据得到的温湿度值，按照某种算法，通过一定的控制策略去控制除湿机；另一方面，PLC通过光纤以太网将储备库温湿度值和除湿机工作状态传给库区主控室计算机，由主控制室计算机完成各种管理功能。
5.2 总线驱动
　　RTM的一个数据采集通道总线驱动能力可理解为能够连接的总线电缆长度和传感器数量。一个数据采集通道总线电缆长度包括该通道上的主干线总线电缆和传感器分支电缆长度，一般而言，总线上的传感器数量对总线的驱动能力影响不大，主要是总线上分布电容对驱动能力的影响。在安装设计时，RTM其中的一个数据采集通道总线电缆（含传感器分支电缆）长度不要超过300m，以确保总线安全稳定的驱动；有困难时，总线长度可适当延长，但不要超过600m。
5.3 传感器编号
　　数字传感器工位号存储能力在此有特别明显的优势。可将储备库房号、防火分区号、传感器在防火分区中的编号等信息写入传感器中，使传感器能在储备库中准确定位，并且易于互换；上位机读取传感器信息时，可将传感器工位号、传感器状态及测得的温湿度值一并读取。
　　工程设计时，传感器类型可用以下字母表示：
·TD —— 插入式数字总线温度传感器；
·THP —— 吊挂式数字总线温湿度一体传感器；
·THD —— 插入式数字总线温湿度一体传感器；
·RTM/RTU共有四位可用于对传感器工位号进行编程。可采取以下方式命名传感器：

5.4 传感器布置
　　一般使用RTM的五个数据采集通道即可满足面积3000—6000m2储备库数据采集要求。其中一个连接室外环境温湿度传感器，另四个采集通道布置四条二芯数字总线电缆（参见库房传感器布置图），这四条总线电缆沿墙引入储备库内各防火分区，并在与传感器分支电缆连接处设一分线盒。要求四条总线电缆负载即连接传感器数量和总线主干线和分支线长度大致平衡。
　　在储备库各防火分区的烟垛上均匀分层布置相应数量的数字总线温度和温湿度传感器。传感器以易插拔方式与分支电缆密封连接，并通过分支电缆连到总线分线盒上。
　　传感器布置时，一般分三层：顶层、中层、底层。
·顶层：以垂吊式布置数字温湿度传感器THP6213/5-2C050A，使传感器分布在烟垛正上方，安装位置及高度视烟垛堆放高度而定，一般在5—8m之间，连接传感器至总线电缆分线盒的分支电缆长６—16m，顶层的温湿度传感器安装后位置固定。
·中层：数字温湿度传感器THP6213/5-2C050A分布在烟垛周围，安装高度一般在2.5m，连接传感器至总线电缆分线盒的分支电缆长2.5—4m，安装后位置相对固定。
·底层：接不锈钢插入式温度传感器TD186-2C050A和插入式温湿度传感器THD6213/5-2C050A，安装高度为1.5m，这两种传感器分支电缆较长（22.5 — 24m），作为可移动的温度和温湿度传感器，工作人员可将其插入邻近烟垛任意位置，不用时卷起电缆收起传感器将其放在墙边传感器盒中。
5.5 薰蒸

　　烟草储备库和粮库对其储备的烟草和粮食会定期进行杀虫薰蒸处理，薰蒸气体对铜、铁、锌具有极强的腐蚀作用。传感器采取特别的工艺设计，选用耐腐蚀的进口湿敏传感器，对电路板进行全密封保护，具有很强的抗腐蚀能力。
　　在安装分线盒时，要求对与分线盒连接的总线主干和分支电缆进行密封处理，防止对烟草进行薰蒸时，杀虫薰蒸气体对总线连接导线的腐蚀。
　　为保证传感器和总线及分支电缆的抗熏蒸、防腐蚀效果，建议在施工设计时，按照标准化设计，各数字传感器分支电缆长度分为几个等级，进行密封加工处理。
6、结论
　　采用数字总线技术的储备库温湿度测控系统可提高系统稳定性、降低系统成本。其二芯总线工艺确保系统布线简单，密封性能更好，从而做到有效的防熏蒸。环境温湿度一体传感器也已完全数字化，可连接在总线上任意点。RTU测点容量大，驱动能力强。尤其是传感器工位号编程功能，可做到更换测温电缆或环境温湿度一体传感器不需要更改系统软硬件任何配置。全数字化储备库温湿度测控系统代替模拟或部分数字方式是必然趋势。