基于Labview 的儲油罐監測系統設計

江蘇信息職業技術學院 徐敏 沙晶晶 陳香

針對儲油罐實時監測的現實需求，本文設計了一個基于89S51 單片機和Labview 虛擬儀器技術于一體的遠程監測系統，系統能對儲油罐的溫度、液位進行遠程實時監測。監測系統由下位機和上位機兩部分組成，其中下位機由溫度傳感器、磁致伸縮液位傳感器、PCF8591 AD 芯片和89S51 單片機組成，而上位機由Labview 虛擬儀器監控界面組成，上下位機通過網絡進行數據通訊，能夠對儲油罐的液面和溫度參數進行實時監控，同時具有報警閾值設定、數據保存和歷史查詢功能。測試表明，該系統具有界面直觀、操作簡單、傳輸實時等優點，具有較高的實用價值。

我國儲備油庫點眾多，實時準確地掌握油庫信息并確保儲存安全，一直是監管工作的重點。伴隨著經濟的發展，油庫規模的不斷擴大和油罐數量的不斷增加，對油罐區的管理和監控提出了越來越嚴格的要求，特別是對油庫管理的數字化水平提出了更高的要求。同時，隨著互聯網信息技術、計算機技術與儀表技術的不斷提高，以及數字化管理系統在生產過程中的監測成功應用，使得生產的數字化水平大大提升，為油庫監管系統的建立提供了技術支持[1-4]。儲油罐作為油庫儲存油品的主要工具，一直是安全生產的重點監控對象，儲油罐的液位、溫度等參數的測量準確性、可靠性十分重要，一直是監控的重點指標。

本文以某加油站的儲油罐為例，構建智能監測系統，實現對儲油罐的全面實時監測，大大減少了安全隱患，降低了人工工作強度。

1 需求分析

該加油站的儲油罐多采用臥式圓柱體罐體，埋在地表固定位置，極少機會移動。儲油罐通過管線連接到地表的加油機，加油機通過帶流量計的油槍對外出油。加油站對儲油罐最關注的是當前罐內溫度和液位高度，前者關系到罐內安全，后者用來判定何時需要注油、何時需要停止注油。因此，儲油罐監測系統的功能主要包括溫度實時監測、液位實時監測功能、報表統計功能以及儲油罐的進油記錄、出油記錄、故障報警記錄等歷史查詢功能。

液位測量系統是監測系統的重要部件，也是儲油罐監控系統的核心部分，液位計的準確測量是儲油罐安全運行的重要保障。目前，在油氣存儲中經常用到的液位計有磁致伸縮液位計、伺服式液位計、超聲波液位計、雷達液位計等幾種，這些液位計各有優缺點。

（1）雷達液位計是一種采用微波測量技術、非接觸式的液位測量儀表，它克服了機械式接觸型液位儀表的諸多缺點[5]。雷達液位計不需要傳輸媒介，不受大氣、蒸汽的影響，可以用于揮發性介質如汽油的液位測量。缺點是價格較貴，如果天線不慎沾上介質會誤報。當天線遇到結晶結冰現象會報錯，需加熱保溫處理，并清理天線，在氣溫較低的露天室外場合，適用性不強，極易誤報。（2）超聲波液位計是利用超聲波發射-反射-接收的時間差來計算距離的，安裝簡單方便，不受被測液體的粘度、密度的影響。缺點是測試容易有盲區，對容易揮發的石油汽油而言，精度相對較差。（3）伺服式液位計利用重力原理、杠桿原理和自控原理，形成閉環調節系統，可以測得精確的液位值，其精度能高達1mm，適合計量級需求。伺服式液位計的不足之處是安裝調試麻煩、價格較貴。（4）磁致伸縮液位計使用Wademan 效應通過現代先進的電子技術精確測量發射脈沖和扭轉波脈沖之間的時間值，達到精確測量液體液位的目的[6]。磁致伸縮液位計很適用于油類液體，常被用來測油水分界面。磁致伸縮液位計不需定期重標和維護，環境適應性強，具有精度高、穩定性好、可靠性高、使用壽命長等優點，而且其價格適中，在油類液位測量中獲得了廣泛應用。

溫度是儲油罐內的重點檢測指標，客觀準確地測量罐內的溫度十分重要。當前，儲油罐油溫檢測多采用接觸式溫度傳感器，測量原理是利用電類感溫傳感技術實現直接或間接油溫測量，常用的代表性傳感器有感溫電纜、集成電路溫度變送器、熱電阻溫度計等。LM75A 為典型的集成電路溫度變送器，由于其價格適中、精度較高，在許多場合獲得廣泛應用。

綜上所述，考慮到各種液位計和溫度傳感器的優缺點和儲油罐監測系統的實際需求，結合現有的虛擬儀器技術、互聯網技術、儀器儀表技術，遵循經濟實用、方便快捷的設計原則，本文提出一種新型監測系統設計，該系統結構簡單、操作方便，可以應用到各類儲油罐上，具有良好的推廣價值。

2 系統方案設計

2.1 系統架構設計

本著簡潔適用的設計原則，本方案采用上、下位機聯合機制來實現監測功能。其中下位機由溫度傳感器LM75A、磁致伸縮液位傳感器ULC3200、AD 芯片PCF8591 和89S51單片機組成，其功能是對溫度、液面等進行實時檢測，完成信號轉換處理，并發送給上位機。上位機通過向下位機發送命令，接收下位機上傳的數據并進行處理、保存，并將相關信息顯示在操作界面上。

以NI 公司Labview 為代表的虛擬儀器技術，具有編程簡單、界面直觀、操作方便、開發效率高的特點，因此，本方案中上位機的主控界面選用Labview 軟件來進行開發。

基于Labview 的儲油罐監測系統結構如圖1 所示。

圖1 儲油罐監測系統結構圖Fig.1 Structure diagram of oil tank monitoring system

2.2 溫度傳感器

本系統選取LM75A 溫度傳感器進行儲油罐的溫度數據檢測，該傳感器測量精度高達0.125℃，測量范圍-55～+125℃，供電電壓范圍為2.8～5.5V，輸出4～20mA 電流信號。LM75A 溫度傳感器可以直接把溫度轉換為數字信號，并將溫度數值保存在內部寄存器中。單片機可以通過I2C 總線直接讀取溫度數值。由于溫度檢測的實時性要求不高，本方案里溫度檢測的頻率設定為1Hz。

2.3 磁致伸縮液位傳感器

磁致伸縮液位傳感器是一種高精度的液位檢測器，是儲油罐監控系統的核心設備。該傳感器主要由測量桿、磁致伸縮線(波導絲)、電子隔間和安裝在測量桿上的非接觸浮子組成，其設計機理結構如圖2 所示。

圖2 磁致伸縮液位傳感器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of magnetostrictive liquid level sensor

當傳感器工作時，傳感器的電路部分在波導線上沿波導傳播時將激發波導線上的脈沖電流。該電流將會在波導線周圍產生磁場。浮子安裝在傳感器桿外部，隨著液位的變化，浮子會沿桿上下移動。在浮子內部有一組永久磁環，當浮子產生的磁環磁場遇上脈沖電流產生的磁場時，浮子所產生的磁場發生改變，使得波導絲在浮子的位置處產生扭轉波脈沖。脈沖以固定的速度沿波導絲傳回，并由檢測機構檢測[7]。這種扭轉波由安裝在電子隔間中的拾取機構檢測并轉換成相應的“終止脈沖”。通過計算“起始脈沖”和相應的“終止脈沖”之間的時間差，可以精確地測算出位移，進而計算出液位值。

與其他類型液位計相比，磁致伸縮液位計具有多個優點[8]:（1）測量范圍大，最大測量范圍達到20m；（2）測量精度高達±1mm，滿足計量級要求，而且測量精度不受容器形狀和容器內蒸汽等因素影響；（3）測量參數多，可以同時實現溫度、液位等多參數的測量；（4）使用壽命長，由于利用純電子技術測量，故沒有磨損，可靠又安全；（5）信號輸出方式多，方便實現系統的監控功能；（6）安裝、維護方便，無需定期標定。本方案選用ULC3200 磁致伸縮液位計，該液位計的輸出信號主要包括4～20mA 電流信號和RS485 總線輸出。實際運行時液位檢測信號經AD 芯片PCF8591 轉換后傳輸到單片機89S51。鑒于液位檢測的實時性要求不高，本方案中液位檢測的頻率設定為5Hz。

磁致伸縮液位傳感器雖然精確，但是當溫度變化較大時，一樣會引起較大誤差。因此，引用[9]提出了磁致伸縮液位傳感器的溫度補償算法。本監測系統設計時也考慮了溫度補償問題，為此采用了溫度傳感器來檢測溫度，方便軟件實時判定溫度高低，是否需要對磁致伸縮液位傳感器進行溫度補償。當條件滿足時軟件會自動調用溫度補償算法對溫度檢測值進行校準，力求最真實地跟蹤實際溫度值。

2.4 單片機最小系統

單片機最小系統由時鐘電路、89S51 主控芯片、啟動電路、調試接口電路和電源模塊共同組成。時鐘電路中的晶振為最小系統提供時鐘信號。電源模塊負責為系統硬件提供相應的工作電平，完成從交流電到相應直流電的轉換。89S51 是相當成熟且廣泛應用的一種單片機，其性能完全滿足系統需求。作為下位機，一方面負責初始化相關模塊進行信號檢測；另一方面根據收到的上位機的命令進行相應操作，把監測數據發送到上位機。

監控面板位于上位機，是客戶操作的接口界面，用戶可以根據界面顯示選擇相關操作，如進行實時監測、記錄查詢、清除顯示欄、退出等操作。

2.5 系統軟件設計

2.5.1 監控系統軟件設計

儲油罐監控系統軟件設計流程如圖3 所示，整個軟件系統包括位于上位機的Labview 監控程序和位于下位機的單片機采樣程序。下位機負責檢測硬件的初始化和檢測信號(液位、溫度等)的數據采集，并進行初步數據處理，依照通信協議把檢測數據傳送到上位機服務器。上位機負責數據接收和顯示，一方面解析通信協議獲取下位機的傳輸數據并保存到數據庫；另一方面可通過相關算法計算出儲油容量、油罐溫度、統計報表等數據信息，并在顯示界面圖形化顯示。

圖3 監測系統設計流程圖Fig.3 Monitoring system design flow chart

2.5.2 監控系統操作面板設計

Labview 編程以圖形化顯示著稱，如圖4 所示為儲油罐液位溫度顯示面板，由于監控對象為2 個儲油罐，故液面溫度監測操作界面上顯示2 個儲油罐。通過面板界面可以直觀地看出軟件功能。面板左側的液位和溫度都可以設定上下限閾值，如果實際檢測出的數值超過閾值，則指示燈會報警亮紅燈，否則為綠燈。右側為記錄查詢平臺，點擊相關按鈕可以查詢相關歷史記錄，查詢顯示欄會顯示查詢結果。如果顯示欄內容太多，可以點擊“清除顯示欄”按鈕，再重新查詢。

圖4 儲油罐液位溫度顯示界面Fig.4 Display interface of oil tank liquid level temperature

正常運行時，監測界面會實時顯示檢測出的液位和溫度。查詢記錄、清除顯示欄等操作需點擊相關按鈕才會執行。監控軟件默認一直進行監測，直至點擊“退出”按鈕才能退出監控軟件。

根據儲油罐的外形和容積，軟件內部對各個儲油罐設計了各自的液位閾值。當液位高度到達閾值時，軟件會自動觸發報警并在軟件界面顯示。同理，根據統計經驗對儲油罐的溫度也設置了相應的閾值，當實際檢測溫度到達閾值時，軟件會自動觸發報警并在軟件界面顯示。為了增強報警的實時性，軟件設計了信息報警功能，只要在軟件系統里登記了管理人員的手機號碼，軟件系統報警時會自動把警告信息發送到相關人員的手機上從而做到24h 不間斷監控。

2.5.3 用戶管理

為方便管理，依照操作權限的不同，監測系統的用戶級別設置為系統管理員、工程師和監管員三類[10]。系統管理員的權限最高，既可以增加和刪除檢測項、歷史數據記錄，又可以管理所有賬戶信息，此外還擁有啟動和停止軟件的權限。系統管理員多由用戶方的技術管理人員擔任。工程師的權限較低，除了具有查看監管項的權限外，還具有系統設置權限和增加、刪除監管員用戶的權限。監管員只可查看儲油罐的各監管項的狀況，沒有其他修改或刪除權限。通過對用戶權限的分層設置，可以有效避免誤操作或人為破壞。

2.5.4 數據保存與記錄查詢

為了便于查看歷史統計信息，軟件設計了歷史數據查閱功能模塊。用戶可以進入相關界面點擊按鈕選擇查看液位/溫度統計報表、液位/溫度歷史曲線、液位/溫度報警記錄等，全面掌握儲油罐的歷史信息。軟件設置上位機默認保存兩年內的所有歷史數據，當上位機存儲空間不足時，軟件會自動提示操作人員如何操作。系統管理員可以把歷史數據下載到電腦做永久保存，也可以根據實際情況刪除部分無關緊要的歷史數據。

3 結語

基于圖形化編程軟件Labview 開發的儲油罐監測系統，具有性能優越、開發時間短、投資少等優點，同時又具備操作簡單等功能，且人機界面形象又直觀，深受客戶好評。