基于無線通信的儲油罐監測系統設計

江蘇信息職業技術學院 徐敏 董天天

儲油罐的實時監測對安全生產具有重要現實意義。本文提出一種無線監測系統，該系統由磁致伸縮液位傳感器、溫度傳感器、采集通信一體機和服務器組成。采集通信一體機集數據采集和無線傳輸功能于一體，將液位數據和溫度數據采集后通過GPRS 網絡實時傳送給數據中心服務器進行處理和顯示。實驗表明，本方案穩定可靠，具備普遍的適用性。

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，特備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。

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的液位計有雷達液位計、超聲波液位計、伺服式液位計、磁致伸縮液位計等幾種，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]。雷達液位計的優點是不需要傳輸媒介，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，因此需進行加熱保溫處理，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，優點是安裝簡單方便，不受被測液體的黏度、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，而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，且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。

溫度是儲油罐內非常重要的檢測指標，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。以PT100 為代表的熱電阻溫度計由于價格適中、精度較高，在許多場合獲得廣泛應用。

綜上所述，考慮到各種液位計的優缺點和儲油罐監測系統的實際需求，結合現有的無線通信技術、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。

1 系統架構

從硬件角度看，儲油罐監測系統包括溫度傳感器PT100、磁致伸縮液位傳感器、監測終端（采集通信一體機）和服務器。溫度傳感器和磁致伸縮液位傳感器安裝在儲油罐上，負責檢測罐內的溫度和液位數據。監測終端（采集通信一體機）負責采集檢測數據，并通過無線模塊把數據發送到數據中心服務器，服務器上的軟件負責處理數據和監測顯示。系統通訊示意圖如圖1 所示。

圖1 儲油罐監測系統通訊示意圖Fig.1 Communication diagram of oil storage tank monitoring system

監測系統軟件安裝在控制中心的服務器上，一方面接收、保存和處理數據，顯示各儲油罐的監測狀況；另一方面提供操作接口界面，方便用戶瀏覽查閱。

2 系統的技術實現

2.1 采集通信一體機

采集通信一體機是整個監測系統的核心部件，負責檢測數據的采集和無線傳輸職責。本方案中，選用速聯科技有限公司的采集通信一體機，該一體機自帶GPRS 無線模塊，具有6 路AI、9 路DI、5 路DO、2 路串口，支持采集溫度、液位、壓力、流量等數據，支持遠程設置設備參數、遠程升級程序。而且IP65 防護，供電方式可以為太陽能+蓄電池供電或市電供電，便于應用在戶外場合。實際工作時，采集通信一體機承擔下位機的功能。首先根據上位機服務器的指令進行數據采集，然后把采集到的溫度、液位數值進行初步處理后通過GPRS 無線模塊上傳到服務器。

2.2 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機理結構圖Fig.2 Mechanism structure 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，從而計算出液位值。

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[8]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PT100 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。

2.3 溫度傳感器的選取

溫度傳感器選取防爆型PT100 溫度變送器，該產品量程-200 ～600 度，輸出4 ～20mA，滿足測量需求。實際應用時可以根據儲油罐體積在不同位置安裝多個監測點，全面監控。在本系統中，由于采集通信一體機具有6 路AI 輸入，為了更好地監測溫度，根據各儲油罐的外形和容積，每個儲油罐可以安裝3 ～5 個PT100 溫度傳感器來檢測溫度。正常狀態下，各個溫度監測點的溫度數值應當相差不大，這時對溫度的數值處理可以采用幾個測量點的平均值作為檢測值上傳給服務器。如果某個溫度傳感器發生故障，則該測量點的溫度數據與其他幾個測量點的數據會明顯不同或相差太大，由此可以確認該測量點的溫度傳感器故障。如此則可提醒維護人員檢修或更換溫度傳感器，這一功能可以由軟件來實現。

2.4 服務器

服務器上安裝了專用的監測系統軟件，數據中心通過監測軟件接收各現場傳回的監測數據，進行相應的數據處理，并在軟件界面上可隨時查看各儲油罐的液位、溫度等信息。而且一旦某個儲油罐的液位、溫度數據超過閾值，系統會自動報警。監控軟件有電腦版和手機App 版兩個版本，用戶可以通過電腦或者手機來登錄查看系統狀況，隨時了解實際狀況。

3 系統軟件設計

3.1 監測系統軟件設計概要

整個系統軟件設計包括兩部分：下位機(采集通信一體機)的硬件信號采樣程序和上位機(服務器)的監控顯示程序；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。監控顯示軟件設計了友好的人機交互界面，配有登錄、輸入、存儲等操作控件，方便用戶的管理和操作。上位機監控顯示軟件的功能模塊如圖3 所示。

圖3 監控顯示軟件功能模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring display software function module

3.2 軟件功能模塊設計

整個監控系統軟件采用B/S 架構設計，用戶可以用手機、電腦等工具通過互聯網訪問監控顯示程序。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[9]。系統管理員的權限最高，既可以增加刪除檢測項、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，可修改自身賬戶密碼，沒有其他修改權限。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。

根據儲油罐的外形和體積，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。

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。用戶可以點擊按鈕選擇查看液位和溫度統計報表、液位和溫度歷史曲線、液位溫度報警記錄，全面掌握儲油罐的歷史信息。軟件設置服務器默認保存一年內的所有歷史數據，當服務器存儲空間不足時，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。

4 結語

充分利用計算機和無線通訊技術，以磁致伸縮液位傳感器和PT100 溫度傳感器為采樣工具，設計了一套儲油罐智能監測系統。該系統具有數據采集、實時報警、圖形化顯示、歷史查詢、用戶管理等功能，實現了對儲油罐狀態的實時動態監測，為生產操作和管理決策提供了準確的數據依據，既減少了人力成本，又降低了發生安全事故的風險。

引用

[1] 楊卜.油罐區監控系統設計與研究[D].武漢:武漢大學,2008.

[2] 宋春紅.信息化和自動化在成品油庫監控系統中的應用[J].自動化與儀表,2013,28(6):57-60.

[3] 于順安.信息化是企業轉型的動力和標志[J].中國石油企業,2010(4):70-71.

[4] 孫德明,何正嘉.快速構建基于Web的遠程測控系統[J].計算機工程與應用,2003,39(23):160-162.

[5] 劉兵,王非,楊勇,等.可視化設備管理系統研究與應用[J].天然氣與石油,2013,31(6):4-6.

[6] 張新.儲油罐超聲波液位開關的研制及應用[J].輕工科技,2012(3):60-61+123.

[7] 王碩.磁致伸縮液位傳感器的研究與優化[D].天津:河北工業大學,2016.

[8] 張仙偉,王何慶,張倩.基于溫度補償的儲油罐液位監測系統的設計與實現[J].智能計算機與應用,2019,9(5):214-216.

[9] 趙慶平.儲油罐遠程監管系統設計與實現[J].唐山學院學報,2019,32(6):1-4.