无线通讯方式的温湿度传感器在烟草行业温湿度测量中的应用

说明:该方案也适用于其他需要对环境温,湿度监控的领域,如:成品库,醇化库,发酵库,储丝房等,现仅以某烟叶发酵库为例.
1 概述
无线通讯方式的温湿度传器(WOW)是美国PointSix公司新一代高精度数字式传感器,与在线式温湿度传感器相比较,有如下优点:
1) 无线温,湿度传感器的安装位置没有任何限制且无须布线.(在无线电通讯距离范围内)
2) 无线温,湿度传感器采用防水设计可以应用于非常潮湿的环境.
3) 无线温,湿度传感器的安装和维护非常简便.
4) 减少了电缆使用量,降低了系统成本,提高了系统的可靠性.
5) 如果发酵库翻新,无线温,湿度传感器不存在连接电缆问题可以随意拆卸,不存在重复投资问题.
6) 系统可以很方便的与空调机的自动控制系统连接.
为便于介绍,下面以某烟厂为例进行方案论述.该卷烟厂发酵库采用人工发酵,由31间发酵室组成.每间发酵室可装烟包400~600包,每一发酵周期为15天,每月要完成1万~3万包的发酵任务,保证该卷烟厂年生产计划.
2 人工发酵的基本程序
1)升温阶段: 温度由室温升至45℃,相对湿度55%-60%,时间3天.
2)保温阶段: 温度稳定在45℃,相对湿度60%-65%,时间9天.
3)降温阶段: 温度逐渐降至室温,时间3天.
3 用户需求分析
发酵库现有37名工作人员,采用四班三运转方式,每两个小时派人进发酵室内抄写室内环境温度,湿度,烟包包心温度,全年365天从不间断.由于发酵室内温湿度通常保持在45℃和60%左右,房间内充满了湿热蒸汽和烟包散发出的刺鼻的烟味,工作环境恶劣,影响操作工身体健康.而且,采用人工定时记录数据的方式,数据精度,数据的完整性无法保证;数据处理,生产管理仍停留在落后的手工制表的模式下,卷烟厂其他车间相比,发酵库的生产状态监测,生产管理水平确实落后了.
发酵库曾采用苹果机和单板机对温,湿度进行计算机自动检测.由于信号干扰和备件问题,系统运行了两年后被废弃.
4 系统设计指标
1) 可靠性高,可以常年不间断运行.
2) 系统维护简单,使用方便.
3) 自动化程度高,最好可以进行温湿度的自动控制.
4) 每个发酵室外最好有现场温,湿度显示.
5 系统基本功能
1)自动监测全部传感器的测定值,并实时显示在计算机屏幕上.
2)曲线功能: 提供实时,历史趋势图,对环境的温度,湿度及包心温度的变化用曲线显示在屏幕上.
3)报表功能: 按用户要求输出报表,打印温湿度变化的记录数据和曲线.
4) 传感器参数修改功能: 通过通讯网络对网上的传感器中的参数进行修改,设定(站址,量程,零点,温度系数)
5) 调度及管理功能: 系统具有在现有硬件平台上,为将来通过Internet网络实现生产计划下达及生产现状的WWW服务的功能
6 系统方案
6.1数据采集方案
根据烟叶发酵库温,湿度控制的要求,烟叶发酵库温,湿度控制及监测拟采用新一代无线数字式环境温,湿度监测仪WOW和新一代离线式温,湿度记录仪ILogger-THT.WOW与PointSix研发的HA8-WOW设备配合使用,可实现在烟叶发酵库内的多点温,湿度24小时实时自动监控.离线式温,湿度记录仪ILogger-THT可在烟叶发酵库中对需重点进行温,湿度控制的产品进行24小时温,湿度实时监测和记录.具体方案如下:
根据烟叶发酵库内部结构及布局特点,在发酵库内设置3～4个WOW温,湿度监测点,这些监测点将根据实际情况,进行设置点优化选择.监测点优化设定的原则是:
1) 监测点应优先设置在是发酵库中远离通风机和空调机送风口位置或通风效果不好的位置;
2) 监测点在发酵库内分布尽可能均匀,确保对整个发酵库温,湿度的有效监控;
3) 监测点应根据发酵库中温,湿度的实际情况进行合理布置.如在发酵库靠近天花板位置和天花板上温度一般较库内其它位置较高,应考虑布置一定数量的监测点.在靠近地面的墙面上湿度较大,也应有一定的监测点;
4) 监测点位置以不影响发酵库中烟包码放和运输为原则.
每个WOW监测的温,湿度信息通过HA8-WOW接收器接收,这些信息由HA8-WOW通过1-Wire 网络与中央控制计算机连接,由中央控制计算机对所有监测数据进行判读和分析,并形成各个监测点的温,湿度监测历史趋势图.如果发现某个或某几个温,湿度监测点的温,湿度出现异常,中央控制计算机将对发生异常的监测点位置进行判断,通过优化计算确定哪台通风机或空调机工作异常.优化计算的原则是:
1) 确保温,湿度异常在最短时间内得到控制;
2) 选择控制距离发生温,湿度异常最近的通风机或空调机工作.
在发酵库固定监测点进行温,湿度监测的同时,对于某些需重点进行监测的监测点还可以进行重点监测.具体措施是采用离线式温,湿度记录仪ILogger-THT.将离线式温,湿度记录仪ILogger-THT安装在需要监测的位置,ILogger-THT将按照事先设定的时间间隔,定时进行温,湿度测量并记录在ILogger-THT自带的Ibutton信息纽扣上,管理人员可定期将ILogger-THT记录在Ibutton信息纽扣上的温,湿度测量结果下载到中央控制计算机上.中央控制计算机将下载数据整理并形成分析报告和监测点的温,湿度历史趋势图.每个发酵库,一般可考虑配置1～2个离线式温,湿度记录仪ILogger-THT.
关于发酵库内通风机和空调机控制,如果发酵库中通风机和空调机的自动控制系统已经建立,那么仅需将中央控制计算机的控制信号传给该系统即可.如果发酵库中通风机和空调机的自动控制系统未建立,可采用PLC控制器实现中央控制计算机对通风机和空调机的自动控制.该部分控制如何实现视发酵库的具体情况而定,本文将不作详细论述.
6.2系统组成
发酵库温湿度控制系统由:中央控制计算机,基于无线通讯方式的高精度数字式环境温湿度传感器—WOW,HA8-WOW主机适配器,无线通讯网络,离线式温湿度记录仪ILogger-THT等五部分组成.
6.3性能参数
6.3.1 WOW无线温度传感器
WOW无线温度传感器是依靠电池驱动的数字式温度传感器,内置微处理器无线频率为418 MHz.通过 FCC认证的无线传输器.
1)主要特点:
· 信息钮DS18B20具有64位ID和数字式温度传感器
· 采用直接数字式传感器技术
· 离HA8-WOW接收器最远可达45米
· 传输率从10到255秒可设定
· 可同时有100个传感器一同工作
· 电池可工作2到5年
· 体积小,ABS外壳(4×5×1厘米)
· 防水,适应于潮湿环境
· ID和温度传输中带CRC16校验
· 内置环形天线
2)性能参数:
· 传输率 10-255秒可设定
· 安装电池后存放时间 在静止模式下可存放5年(使用备有电池可工作10年)
· 尺寸(轮廓) 4W X5 H X1 D (厘米)
· 质量 30克
· 存储温度 -30到85摄氏度
· 工作温度 -30到85摄氏度(备用电池-30到85摄氏度)
· 传输状态下电池(CR2032)寿命 在CR2032下2-5年并且传输周期为10～240秒
· 传输状态下电池寿命(备用电池) 备用电池下可工作3-7年且传输周期为10～240秒
· 电池 CR2032 三伏锂电池或3.6伏锂电池
· FCC 鉴定 FCC ID: M5ZWOW
6.3.2 HA8-WOW
HA8-WOW是ASCII码 RS232或RS485 至1-Wire网络,内置无线频率为418MHz接收器的主机适配器
HA8-WOW是RS232 或 RS485到1-Wire网络的接口,该接口提供了一个为内置控制器和基于DOS应用的ASCII码指令集,用来与iButton的1-Wire网络设备和无线传感器相匹配.
主要特点:
·支持1-Wire网络的ASCII码指令
·内置418MHz无线接收器
·从无线传感器上接收,解码和校验每个无线信息包
·为有线产品自动提供灵巧的插拔接口
·每个采用基于1-Wire的CAT-5网络可连接至600米远和100个设备
·每个主机串口支持26个主机适配器
·波特率从600至115K可选择
·适配器地址从1～26可选择
·具备RJ-11连接器和连接RS232/RS485接口电缆
·3个相同的RF11提供了简单的网络接口
·提供了搜索,条件搜索和全程搜索指令
·支持Touch Memory文件格式
·自动对TMEX生成和CRC16校验
·模块模式指令支持所有1-Wire网络功能
·超过27 kV的ESD保护(IEC801-参考模式.)
6.3.3离线式温,湿度记录仪ILogger-THT
离线式温湿度记录仪ILogger-THT包括:ILogger-THT测试仪,时间
校准信息钮DS1994,温湿度记录信息钮DS1996.
ILogger-THT测试仪的主要功能及特点是:
· 可进行相对湿度和温度测量
· 相对湿度和温度可采用NIST校准
· 每个ILogger-THT具有唯一的64位电子序列号,每条温,湿度记录带有时间和日期标记,便于计算机管理和数据分类纪录
· 内置可更换的锂电池,可以持续使用2年
· 采用LED操作指示器,方便使用及操作
· 可采用墙壁安装或表面安装,便于安装
ILogger-THT的主要性能参数如下:
技术参数
最小值
典型值
最大值
单位
锂电池寿命(4*2032)
2
2.2
2.5
年
温度传感器精度(9 bits)

0.9

Deg F
记录抽样文件DS1996


2241
抽样
记录比率
5

1280
分钟
RH量程
0

100
%RH
RH线性度

±0.5

%RH
工作温度范围
-20

70
℃
湿度的稳定性 在50% RH ±1%

5

年
湿度的总体精度 在25℃

5

%FS
6.3.4监控计算机
· 主机选用标准的 "奔腾"工业控制计算机
· PENTIUM III 500
· 128M RAM;20G 硬盘
· 20 'CRT;
· 打印机 ,
· 多媒体套件;通讯接口
6.3.5软件配置
· 中文WINDOWS NT 4.0 SP5
· INTOUCH 7.1工业组态软件,DDE通讯协议
· MICROSOFT EXCEL 电子表格软件
6.3. 6环境参数
· 温度:+10℃～+30℃
· 湿度:< 85 % (25℃)
· 交流电压: 380V AC
· 地线:信号地接地电阻< 4 欧姆
6.3.7上位机软件性能
选用国际上市场占有率占第一位的第三代面向对象的工业组态软件-WONDERWARE公司的INTOUCH工业组态软件.我们在实际使用中认为该软件有如下优点:
· 中文WINDOWS平台,彻底解决了汉化问题.
· 符合计算机系统的发展趋势.
· 软件开发直观,易懂,便于用户二次开发和系统集成.
· 采用标准数据格式,与MICROSOFT公司的EXCEL电子表格软件共享数据,用户可以方便地开发自己的管理软件.
7 建设周期
1) 可行性报告编写并通过评审:1个月
2) 元器件及系统硬件购买和调试:3个月
3) 软件设计,安装,调试:1个月
4) 现场安装,系统调试:2个月
5) 其中软件设计及元器件购买可并行,总的建设周期为6个月.
8 方案可行性及效益分析
发酵库温,湿度自动控制系统方案是在目前军工产品成品库技术方案基础上进行改进的项目,对其可行性分析如下:
1) 温,湿度控制系统采用美国PointSix公司无线高精度温,湿度监测仪WOW和离线式温,湿度记录仪ILogger-THT,监测仪具备测量精度高,测量精度稳定性好,测量可靠性高,可进行24小时不间断测量等特点,符合发酵库温,湿度控制要求.并且上述测量仪器目前已经成功用于粮库,油库等项目的温,湿度控制,是成熟技术;
2) 采用无线通讯方式的高精度数字式环境温,湿度传感器,能取得更加显著的经济效益.
对采用该温,湿度自动控制系统的效益分析如下:
1) 发酵库温,湿度自动化控制系统将实现发酵库温,湿度监控的自动化,这对提高发酵库温,湿度监控的可靠性,实现发酵库管理的科学化具有重大意义.特别是对于卷烟厂而言,质量控制是其生命线,温,湿度自动控制系统将是确保发酵质量的重要保证.
2) 发酵库在花费较小的经费投入下,经过一定技术改进,实现温,湿度监控的自动化,可将其管理水平提升到一个新台阶;
3) 该自动控制系统具有良好的可扩展性,在中央计算机建立后,今后可通过计算机网络或电话线实现多个发酵库的统一监控和管理,真正做到了"一次投资,长久收效".
总之,该发酵库温,湿度自动控制系统的建成将会对发酵库管理的现代化起到一定的推动作用,并具有良好的经济效益.

无线温湿度传感器与普通温湿度传感器性能和价格比较

比较项目
普通的在线方式
无线通讯方式


系统精度
低 系统精度=传感器精度*变送器精度*巡检仪精度 (普通的在线方式传感器采集的温湿度数据传递到计算机时,必须通过三次模拟量到数字量的信号转换过程,而每次转换都肯定产生精度误差,所以,最终有效数据结果精度低,误差大)
高 系统精度=传感器精度 (传感器只通过一次模拟量到数字量的信号转换过程,在随后的数据传送中就是不存在转换精度问题的数字信号)
技术先进性
已经使用了将近20年的通用技术
21世纪初最新的无线通讯产品

可靠性
低 (因为有接线,所以存在电缆不通—被耗子咬断,老化,接线端子松动等潜在的故障隐患)
高 (因为没有接线,所有元器件全部密封在一层防水涂料中,可以应用于非常潮湿的环境)

安装方式
复杂 (需要走桥架,布线,配电)
简单 (无线通讯方式,高效锂电池供电)
工程施工量
大
小
可替换性
差
好
可维护性
差
好

使用寿命
一般 (即使该库房不使用,传感器仍安装在现场)
长 (该库房不使用,可以把传感器轻松地取下,停止其工作,存放到环境好的备件库内)

重复使用性
难 (拆卸不方便)
容易 (只要传感器在使用精度范围内,就可以在不同的地点,不同的项目中重复使用)

投资成本
一次性投资成本高 (不管该库房是否马上使用,都必须一次性布线,安装传感器)
一次性投资成本低 (无线温湿度传感器可以按实际使用量购买)

价格比较
单个传感器价格低 (如果要真正完成数据采集还需要配置变送器,巡检仪,电缆,桥架,阻燃管等辅助设备)
单个传感器价格高 (综合考虑系统各方面因素,系统总投资效益高)
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