浅圆仓挡粮门移位监测系统*

张杰纯 刘 刚 安志明 王继伟 郑启双

(中央储备粮唐山直属库有限公司 063611)

1 浅圆仓挡粮门位移检测设备结构

1.1 电感式接近开关检测法

电感式接近开关工作的原理是：当有金属靠近电感式接近开关时，开关发出信号。用这种传感器监控浅圆仓挡粮门位移，如图1所示。

图1 电感式接近开关示意图

1.1.1 位移监测点 可以调节位置和长短的铁杆。

1.1.2 接近开关 电感式接近开关，监测距离0～15 mm，在监测范围内有金属存在时发出高电频信号。6扇门需要6个接近开关。

1.1.3 传感器安装立柱 可移动、可调节高度的不锈钢立柱，立柱内部安装电感式接近开关，感应面与立柱外壁齐平。

1.1.4 监测模块 用于接近开关信号的监测，并将开关信息传给控制箱。

1.1.5 控制箱 PLC：实现接收、显示、传输开关状态、声光报警等任务。

1.1.6 通讯模块 实现和上位机、历史数据库的通讯。

1.1.7 供电电源 为PLC、通讯模块、接近开关、监测模块供电。

1.1.8 操作按钮和指示灯 当浅圆仓挡粮门关闭后，将不锈钢立柱立在门洞中，接近开关感应面正对浅圆仓挡粮门。位移监测点用强磁铁吸附在浅圆仓挡粮门上，并调整位置，使接近开关刚好监测不到信号。当浅圆仓挡粮门向外移动时，接近开关就可以监测到位移装置，发出浅圆仓挡粮门移动的信号。接近开关只是发出监测到或没有监测到两种开关信号，相应的监测模块只监测开关量，系统成本低。

1.2 激光位置监测法

激光位置监测法是把激光位置传感器安装到保温门上，传感器随保温门移动，使用方便，但监测数据可能随保温门晃动而变化。

1.2.1 激光位置监测法是使用激光位移传感器测量浅圆仓挡粮门到激光位移传感器的距离。如图2所示。

图2 激光位移传感器示意图

1.2.1.1 激光位移传感器 分辨率高达1 mm，平均寿命100000 h，4 mA～20 mA模拟量输出。每个挡粮门需要6个。激光位移传感器可以安装在保温门上，不需要增加安装传感器的立柱。

1.2.1.2 监测模块 6路4 mA～20 mA模拟量A/D转换器。将6路传感器检测的距离信号发送给控制箱。

1.2.1.3 控制箱 PLC：实现接收、显示、传输挡粮门位置、状态、声光报警等任务。

1.2.1.4 通讯模块 实现和上位机、历史数据库的通讯。10寸触屏：TFT屏、分辨率1280×800。显示挡粮门位置、设置报警限、闪烁方式报警。

1.2.1.5 供电电源 为PLC、触屏、通讯模块、激光位移传感器、监测模块供电。

1.2.1.6 操作按钮和指示灯 当浅圆仓挡粮门、保温门关闭后，可以在控制箱触屏或上位机电脑上查看浅圆仓挡粮门的位置，并设定位置变化的报警值。

激光位移传感器、监测模块、PLC都需对要模拟量处理，系统成本较高。

1.2.2 激光位置监测法是在浅圆仓挡粮门和保温门之间放置方便移动的监测箱，6个激光传感器安装在监测箱中，光束分别指向6扇门。监测数据稳定，但6台激光测距的数据是有差别的，最上面的距离数据大，最下面的距离数据小。

当浅圆仓挡粮门关闭后，将监测箱放在浅圆仓挡粮门和保温门之间，调整激光传感器角度，分别指向6扇门。然后关闭保温门。在控制箱触屏或上位机电脑上查看浅圆仓挡粮门的位置，并设定位置变化的报警值，见图3。

图3 激光位置监测法示意图

2 数据采集传输

数据服务器负责存储浅圆仓挡粮门位置数据并提供查询服务。数据服务器可以设在中控室，也可以设置在云端。根据数据服务器的位置不同，数据模块到服务器之间的传输可以通过如下方式实现：①有线数据传输、②无线数据透传、③4G云数据传输。

2.1 有线数据传输

用信号电缆(比如屏蔽铜芯电缆或光缆)连接数据传输模块和数据服务器。这种连接方式稳定可靠，光缆传输不受电磁干扰。但是，施工难度大。

2.2 无线数据透传

无线透传方式需要在数据服务器端和各个数据传输模块端增加无线数传模块，多个无线数传模块组成的无线网络代替信号电缆。这种方式施工难度小，但无线传输容易受到电磁干扰，也会受到建筑物的阻挡，施工时需要择优选择无线数传模块安装位置。为了降低成本可以3～6个仓门用一个无线数据透传模块，见图4。

图4 无线数据透传示意图

2.3 4G云数据传输

但对于“专门用于执行专利方法的产品”，德国联邦最高法院却在Fullplast Process案中对它在投入市场后发生方法专利权用尽的观点表达了明确的反对。该案中，专利权人拥有一项方法专利，他向被告销售了一台实施该专利方法的机器。同时双方签署了专利许可合同，约定被告向专利权人支付许可费。但后来被告未能支付许可费，专利权人即提起诉讼。被告的抗辩理由之一是，该方法专利在机器被投入市场后即用尽了，故他不必支付许可费。

4G云数据传输需要在各个数据传输模块端增加4G DTU数据传输模块，利用移动网络(移动、联通、电信均可)实现数据上传任务。每个4G DTU数传模块需要购买数据流量卡。还需要租用云服务器存储数据。为了降低成本可以3～6个仓门用一个4GDTU模块，见图5。

图5 4G云数据传输示意图

3 数据显示和存储

3.1 使用有线数据传输、无线数据透传方式

使用有线数据传输、无线数据透传方式时，数据服务器设在中控室。以现有局域网为基础，比较容易组成C/S(Client/Server即客户端/服务器)架构的网络。需要定制开发数据服务器端和客户端软件。局域网内每个需要查看挡粮门数据的电脑上都必须安装一套定制的客户端软件。数据采集间隔、数据存储时间几乎不受限制。在软件使用过程中不需要任何费用。

造价费用主要包括：服务器采购费用、服务器端软件开发费用、客户端软件开发费用。

3.2 使用4G云数据传输方式

使用4G云数据传输方式时，可以非常方便地实现B/S(Browser/Server即浏览器/服务器)架构网络。租用云数据服务商提供的数据服务器。由于数据存储在云服务器中，采集数据、存储数据、查看数据都要通过公网，数据刷新速度会有很大限制，一般在1 min左右才能刷新一次。需要开发云数据服务器端软件及电脑、手机可以浏览的网页、开发微信小程序或公众号。

相关人员在任何有网络的地方都可以通过电脑和手机浏览器查询挡粮门数据。也可也通过微信小程序查看。

4 现场使用系统

系统现场使用示意图如图6，系统中每1列(6个)浅圆仓组成一个控制单元，整个系统由7个控制单元组成。每个控制单元监测6个浅圆仓。每个控制单元设置一个TZGD04集中控制箱，安装在最南端的浅圆仓位置。其他5个浅圆仓各设置TZGD03信号检测箱。TZGD04和各TZGD03通过modbus网络连接；TZGD04和TZDTU-20 4G云模块用以太网连接。

图6 系统现场使用示意图

4.1 TZGD03信号检测箱

TZGD03信号检测箱主要由下列元器件组成：1套PLC及扩展AD模块、2台激光测距仪，含磁性激光反射板。1台工业开关电源、2台高精度数字显示器、1个声光报警器、1个报警确认按钮、1面不锈钢IP65双门控制箱。

其中，2台激光测距仪安装在保温门内侧，通过10针重载插接件连接到TZGD03。在测量上门和中门的交叉点、中门和下门的交叉点各安装1块激光反射板，并对应1台激光测距仪。

激光测距仪检测保温门到挡粮门的距离，将距离信号传送给TZGD03，在数字显示器显示距离值，同时，PLC CPU采集距离数据，和事先设置好的上下报警限进行比较，超出报警限，发出声光报警信号。TZGD03将距离数据以及报警状态通过Modbus网络，传输到TZGD04。

TZGD03可以接收来自TZGD04的控制命令，实现数据传输、上下限设置、声光报警、报警远程确认等功能。

每个控制单元包括5面TZGD03，系统共需要35面TZGD03，如图7。

图7 TZGD03框图

4.2 TZGD04集中控制箱

TZGD04除具有TZGD03功能之外，还可远程操控其他TZGD03、显示其他TZGD03的信息，其主要组成为：1套PLC及扩展AD模块、2台激光测距仪、含磁性激光反射板。1台4口以上交换机、1台工业开关电源、1面高清触摸屏、6个声光报警器、1个报警确认按钮、1面不锈钢IP65双门控制箱。

TZGD04通过Modbus网络和5台TZGD04交换信息，各个仓挡粮门位置及报警信息显示在TDGD04触屏上，在触屏上可以设置各个仓门的空仓位置、满仓位置和显示实际位置，全部信息通过因特网发生给TZDTU-20 4G云模块。42个仓需要7个TZGD04。其组成如图8。

图8 TZGD04框图

4.3 TZDTU-20 4G云数传模块

TZDTU-20是用于TZYH-4G01物联网云平台连接下位设备所用的4G全网通网关，TZDTU-20可以利用4G网络或有线网络连接TZYH-4G01物联网云平台。TZDTU-20利用串口或网口实现Modbus数据自动采集和传输，配置参数方式多样、灵活，运行安全稳定，具备隔离防护，EMC防护等多项保护设计，适合于环境恶劣的工业现场。

用户通过TZYH-4G01平台可以远程配置TZDTU-20各项参数，简单易用，轻松创建可靠的数据通信网络。TZDTU-20无论作为Modbus主站进行串口通讯或作为Modbus客户端进行网口通讯，均可以灵活地实现多个Modbus子设备或者多个Modbus Server设备的接入。TZDTU-20具备标准导轨，工程现场安装简单，适用于各种触摸屏、PLC、Modbus仪器仪表或工业控制器的远程联网与监控。

借助配套软件工具，TZDTU-20还具备远程上下载PLC程序和远程调试PLC功能。

其特点是：①采用高性能工业级32位通信处理器和无线模块。②支持全网通4G/3G/2G通讯，支持网线直连(WAN)上网，优先使用网线上网。③具备通信隔离和端口防护，特别适合于工业现场的应用。④宽电源输入(DC 9～30 V)，电源接口内置反相保护和过压保护。⑤WDT“看门狗”设计，保证系统稳定。⑥采用完备的防掉线机制，保证数据终端永远在线，上电即可进入数据传输状态。⑦支持标准工业Modbus-RTU、Modbus-TCP通讯协议。⑧支持远程配置、远程在线升级功能。⑨内嵌私有加密通讯协议栈，实现设备与云平台的安全无缝对接。⑩支持标准DIN35 mm导轨安装。

5 结论

5.1 浅圆仓挡粮门位移检测系统可准确及时检测挡粮门位置变动，并报警。

5.2 可通过数据箱现场检测挡粮门位移情况，也可通过手机检测。

5.3 系统自动检测，避免开启保温门。

5.4 适用于粮库各种仓型挡粮门监测。