国内粮情测控系统的现状及发展趋势
粮情测控技术是科学保粮的关键技术之一,目前国内已有数十家企业生产粮情测控系统产品,品种繁多,系统结构各异,但其基本功能无外乎粮仓内外温湿度检测、粮食内部温度检测及分析、通风机械的控制等几项,鉴于粮食储藏的特殊性,系统功能的重点放在了储粮内部温度的检测和分析上。粮情测控系统可以根据采用的温度传感器和通信方式的不同进行如下分类：1.按温度传感器分类?通常粮情测控系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器作为温度传
? 粮情测控技术是科学保粮的关键技术之一,目前国内已有数十家企业生产粮情测控系统产品,品种繁多,系统结构各异,但其基本功能无外乎粮仓内外温湿度检测、粮食内部温度检测及分析、通风机械的控制等几项,鉴于粮食储藏的特殊性,系统功能的重点放在了储粮内部温度的检测和分析上。粮情测控系统可以根据采用的温度传感器和通信方式的不同进行如下分类：
1.按温度传感器分类
? 通常粮情测控系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器作为温度传感器,也有选用其它温度传感器例如PN结型温度传感器的粮情测控系统。
1．1．热敏电阻
? 以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻,因其具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点,在多项温度测量应用中受到广泛欢迎,同样也是国内粮情测控系统采用多的温度传感器。热敏电阻的电阻温度系数较高,室温电阻通常也较高,因此其自身发热较小,信号调节较为简单。热敏电阻的缺点是互换性差,温度与输出阻值之间呈非线性关系。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种,但在温度测量应用中,正温度系数热敏电阻较少得到采用,更多采用的是负温度系数热敏电阻。以下提及的热敏电阻均指负温度系数热敏电阻。
? 采用热敏电阻作为温度传感器的粮情测控系统的硬件由上位机、通信接口电路、智能分机、温度分线器、测温电缆、湿度分线器、测湿探头和通风控制器组成,典型的系统结构如图1所示。在上位机上运行粮情测控系统软件,对检测到的温湿度数据进行分析,根据粮仓内外温湿度条件判断是否可以进行通风,手动或自动控制通风机械的启动和停止。
? 通信转换电路分为内置式和**式两种,主要完成两种通信协议之间的衔接转换功能。智能分机是由微处理器、A/D转换电路和通信电路等组成,主要功能包括接收上位机下达的指令、将现场采集上来的模拟信号数字化、向上位机传送数字化的温湿度值、向通风控制器下达启动或停止指令等。温湿度分线器主要完成接收智能分机下达的指令、将模拟开关切换到的温湿度测量点等功能。通风控制器主要功能是根据智能分机下达的指令控制通风机械的启动和停止。智能分机与温湿度分线器和通风控制器之间均采 用单根多芯电缆连接,具有结构简洁、维护方便、成本低等诸多优点。
? 采用热敏电阻作为温度传感器的测温电缆是粮情测控系统的重要组成部分,它是将多个热敏电阻置入一根测温电缆之中,电缆内加细钢丝绳提高抗拉强度、外加绝缘护套密封防腐。采用热敏电阻作为温度传感器的粮情测控系统的温度检测范围一般在－40℃～＋50℃之间,检测精度为±1℃,*粮情温度检测的需要。根据其系统结构的特点,一般在单根测温电缆上置入3～4个热敏电阻,特别适合房式仓储粮环境。
1．2．数字式温度传感器
? 数字式温度传感器的种类也不少,但用于粮情测控系统的温度传感器主要是Dallas的DS18x20系列温度传感器,其温度检测范围为－55℃～＋125℃,检测精度为±0.5℃。DS18x20采用1－WireTM接口,封装形式有PR－35和SSOP－16两种,粮情测控系统中采用的是PR－35封装。DS18x20采用9个位表示测温点的温度值,每个DS18x20内部都设置有一个单一的序列号,因此可以使多个DS18x20共存于同一根数据传输线上。DS18x20内部分为4个部分：1、64位序列号;2、保存临时数据的8字节片内RAM;3、保存*数据的2字节EEPROM;4、温度传感器。典型的采用DS18x20的粮情测控系统的结构如图2所示。
? 由图中可以看出,采用数字式温度传感器粮情测控系统的结构与采用热敏电阻粮情测控系统的结构大致相同,只是用测控单元替代了智能分机、扩充接线器替代了温度分线器。测控单元与智能分机的区别在于没有用于将温度信号数字化的A/D转换电路,取而代之的是1－WireTM总线与上层通信总线之间的通信转换电路,如果系统选用了数字式湿度传感器则测控单元将*由数字电路组成,而智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成的,这将使测控单元的电路设计更为容易。
? 采用DS18x20温度传感器的粮情测控系统的测温电缆与热敏电阻测温电缆大不相同,该测温电缆多只需3根导线即可连接多个DS18x20温度传感器。为简洁的结构是利用DS18x20可以通过数据线供电的特点,在测温电缆中只放置两根平行的细钢丝绳即可连接多个DS18x20温度传感器,这样不仅使测温电缆的制造简便、成本下降,而且提高了测温电缆的抗拉强度、便于温度传感器的更换。正是这些特点使得采用DS18x20温度传感器的粮情测控系统更适用于高大粮仓（诸如浅圆仓、立筒仓）的应用环境,可以解决高大粮仓在不需重新安装测温电缆的情况下更换测温电缆内部的温度传感器以及改变温度传感器相对位置。由于这种温度传感器的价格比热敏电阻高出许多,所以DS18x20温度传感器粮情测控系统在房式仓中应用时不如热敏电阻粮情测控系统更具有性能价格比的优势。
2．按通信方式分类
? 国内粮情测控系统的通信方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。
2．1．RS485总线技术
? RS485是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准,其大每段总线长度为1200米,每段多支持32个节点,采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接,全网络支持多256个节点。
RS485通信技术应用时间较长,软硬件实现较为容易,因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。由于RS485总线技术不支持多主结构,系统容量、通讯距离等方面具有很大的局限性,所以随着现代化大型粮食储备库的逐年增多,RS485通讯方式显得愈来愈力不从心。
2．2．现场总线技术
? 现场总线技术是一个全新的总线技术,是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通讯协议,它的出现为自动化控制和仪器仪表工业带来了巨大的变革,它代表着未来发展的方向。目前国内粮情测控系统采用了两种现场总线：LONWORKS总线技术和CAN总线技术。
? LONWORKS的技术特点是总线开放、互操作性强、可靠性高、通信速度高可达1.25Mbit/s,大通信距离可达2700米,多节点数为32000个。由此可以看出它在性能上要比RS485总线好的多。
? CAN总线技术在粮情测控系统中的应用比LONWORKS总线技术更为广泛。CAN总线技术具有先进的多主网络结构、通讯距离远、价位低、可靠性高、系统容量大等优点, CAN总线技术废除了传统的站地址编码,取而代之的是对通信数据块进行编码,使得网络中的节点数在理论上不受限制,从而大大增加了系统的容量,使得大型现代化储备粮库的粮情检测控制在同一系统下得以实现。先进的多主结构不仅使得系统内可以有多台上位机存在以适应不同操作人员和管理人员的多种需要,而且使得网络中智能分机摆脱了只能被动受控状况,整个系统高度智能化,从而大大提高了系统运行的可靠性。CAN总线大通讯距离可达10公里,这对库区较大、粮仓分布较分散的大型储备粮库是非常适用的。现场总线技术的另一个优点是可以大大节约连接导线以及安装维护费用,使得整个系统在大大提高系统整体性能的同时具有很高的性能价格比。
? 随着大型国家粮食储备库的日益增多和更多新技术的不断涌现,预计未来国内粮情测控系统将在以下几个方面得到进一步的发展：
? 首先,热敏电阻和数字温度传感器在同一粮情测控系统中使用。根据以上分析,热敏电阻和数字温度传感器在房式仓和高大仓房两个不同场合各自具有优势,随着大型国家粮食储备库的增多,在同一储备库中将存在不同的仓型,而现存的粮情测控系统中只能选择热敏电阻或数字温度传感器二者之一作为温度检测元件。为了更好地发挥热敏电阻和数字温度传感器各自的优势,在同一粮情测控系统中选用这两种传感器是未来市场发展的需求之一。
? 其次,现场总线技术的应用将更为广泛。现场总线技术是一个全新的通信技术,它代表着控制系统未来的发展方向,未来的粮情测控系统将不可避免地放弃RS485通信方式转而采用新型的现场总线技术,这将使系统的可靠性、性能价格比大大提高。
? 再者,系统功能的进一步完善。目前粮情测控系统仅局限与温湿度的检测和通风控制,诸如粮食储藏过程中倍受关注的水分检测和虫害检测均未得到解决,预计未来的粮情测控系统将会把更多种类的粮情检测综合数据采集上来,与粮情专家分析软件密切配合,共同保障粮食的储藏安全。
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