杜永杰，陸 藝，趙 靜

（1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

拌合站瀝青罐是專門用于存放瀝青的一種裝置。為了實時掌握瀝青罐液位信息，瀝青液位的連續(xù)計量是非常重要的。通過監(jiān)測瀝青罐液位，可以分析瀝青拌合站每日的瀝青消耗量。傳統(tǒng)的瀝青拌合站采用人工估計和浮標測量瀝青罐液位，沒有輸出電子數(shù)據(jù)，難以實現(xiàn)在線監(jiān)測。目前的測量方案主要有：關(guān)學(xué)忠等人根據(jù)超聲波測距原理測量儲油罐的液位，但是超聲波傳播速度極易受瀝青蒸汽影響，瀝青罐內(nèi)部溫度較高，會對超聲波傳播產(chǎn)生較大影響；劉鵬利用雷達測距原理進行液位測量，但是內(nèi)部的高溫蒸汽會在傳感器表面凝結(jié)，影響測量結(jié)果甚至?xí)菇Y(jié)果完全失效，維護成本較大。本文系統(tǒng)利用單法蘭壓力變送器采集瀝青罐液位信息，維護成本低，測量不受高溫蒸汽影響。

采集到液位信息之后，需要將信息上傳到云平臺。拌合站往往處于郊區(qū)，距離基站較遠，2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)信號較差、資費較高，而NB?IoT 的增益較高，覆蓋區(qū)域廣、月費低廉，可以很好地解決信號和成本問題。在同一基站的情況下，NB?IoT 比目前其他的無線通信技術(shù)增加50～100 倍的設(shè)備連接數(shù)，未來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增加之后，NB?IoT 設(shè)備不會受到影響。綜合考慮拌合站現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、模塊成本、功耗和流量資費，本系統(tǒng)最終選擇NB?IoT 網(wǎng)絡(luò)。

隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)可以通過云平臺遠程監(jiān)測拌合站生產(chǎn)過程中的各項數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)管控物料配合比，制定生產(chǎn)計劃等。通過對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，可提高拌合站的生產(chǎn)質(zhì)量。

根據(jù)NB?IoT 通信技術(shù)和云計算技術(shù)，本文設(shè)計并研發(fā)了拌合站瀝青罐液位監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測瀝青罐液位和瀝青質(zhì)量，使瀝青拌合站能夠全面掌握庫存信息，為企業(yè)提供精細化控制物料成本的解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

拌合站瀝青罐液位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、監(jiān)測主機、RabbitMQ 和瀝青罐監(jiān)測云平臺組成。拌合站瀝青罐液位監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 拌合站瀝青罐液位監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 傳感器

壓力變送器測量瀝青液位時，檢測膜盒需要與瀝青液直接接觸。而瀝青液具有黏稠、高溫的特點，普通壓力變送器的受壓膜盒空間狹小，內(nèi)壁非常容易粘附瀝青液而導(dǎo)致測量結(jié)果不準確甚至完全失效。因此本文考慮使用單法蘭壓力變送器，這種變送器在測壓膜盒外部設(shè)置了導(dǎo)壓管和受壓膜片，內(nèi)部含有硅油，阻斷瀝青液與傳感器的直接接觸，從而大大提高了傳感器的穩(wěn)定性，測得數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)大幅度的波動、滯停現(xiàn)象。

文中通過壓力變送器和溫度變送器采集瀝青壓力和溫度信息；再通過內(nèi)置電路將信息轉(zhuǎn)成4～20 mA 電流信號，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器傳入STM32，實現(xiàn)瀝青罐液位監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。由于瀝青密度和粘稠度受溫度影響較大，故溫度需要達到130 ℃以上，才能根據(jù)壓力和瀝青密度換算出準確的液位值。因此，本文需要同時采集瀝青溫度和壓力，瀝青罐內(nèi)溫度在130～190 ℃，本監(jiān)測系統(tǒng)的瀝青罐高度為2.35 m，傳感器選型如表1所示。

表1 傳感器選型表

瀝青罐為臥置的圓柱體，為了方便安裝和維護，傳感器安裝在瀝青罐側(cè)壁高于底部0.35 m 處，傳感器安裝位置如圖2 和圖3 所示。

圖2 傳感器安裝示意圖

圖3 傳感器安裝實物圖

1.2 通信單元

NB?IoT 數(shù)據(jù)傳輸終端使用某公司的N560 NB?IoT DTU，設(shè)備包含心跳包功能，在不斷電的情況下，設(shè)備可以一直在線。通過設(shè)置RabbitMQ 域名和消息隊列名稱，就可以實現(xiàn)信息上傳。供電電壓范圍為DC 6～24 V，本系統(tǒng)使用DC 24 V 進行供電。串口數(shù)據(jù)接口支持RS 232、RS 485和TTL，串口波特率為1 200～115 200 b/s。

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)包括本地數(shù)據(jù)傳輸和云端數(shù)據(jù)傳輸兩部分，傳輸鏈路如圖4 所示。監(jiān)測主機內(nèi)部的STM32 單片機接收到經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號之后，將對數(shù)據(jù)進行打包，將同一時間采集到的溫度和壓力信息捆綁在一起。STM32 通過RS 232 協(xié)議與NB?IoT 數(shù)據(jù)傳輸終端進行指令和數(shù)據(jù)交互。通過NB?IoT 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到RabbitMQ 服務(wù)器。在傳輸過程中可能出現(xiàn)短暫的掉線，但是變送器還是不斷地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機，此時就需要將數(shù)據(jù)暫存在單片機的存儲器內(nèi)，等待網(wǎng)絡(luò)正常之后再上傳數(shù)據(jù)。RabbitMQ 服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后，再從對應(yīng)的消息隊列獲取信息，然后把獲取的信息存儲到SQL Server 數(shù)據(jù)庫。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸鏈路

1.3 瀝青罐監(jiān)測云平臺

監(jiān)測瀝青罐液位，實際上是為了保證瀝青混凝土的生產(chǎn)。通過在瀝青拌合站控制室上位機設(shè)置ODBC 來訪問數(shù)據(jù)庫，從瀝青混凝土生產(chǎn)控制系統(tǒng)采集生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)，包括每鍋瀝青混凝土消耗的瀝青質(zhì)量。將生產(chǎn)記錄的瀝青消耗質(zhì)量作為標準值，可以校準本系統(tǒng)推算得到的瀝青質(zhì)量，實現(xiàn)系統(tǒng)的誤差補償。云平臺的功能設(shè)計如圖5 所示。

圖5 瀝青罐監(jiān)測云平臺功能設(shè)計

瀝青罐監(jiān)測云平臺包括以下幾個功能：

1）瀝青混凝土生產(chǎn)管理：分為生產(chǎn)記錄、配方管理、數(shù)據(jù)分析。生產(chǎn)記錄包括各種原料的消耗質(zhì)量和比例，根據(jù)生產(chǎn)的需要在云平臺設(shè)置瀝青混凝土生產(chǎn)配方，然后將配方下發(fā)到拌合站操作室。

2）庫存管理：記錄每一次瀝青出庫和入庫信息，包括瀝青型號和瀝青罐編號，幫助拌合站合理控制瀝青庫存量。

3）瀝青罐信息展示：顯示瀝青型號、瀝青密度、溫度、液位和質(zhì)量、瀝青罐固有參數(shù)。

4）瀝青罐數(shù)采集記錄：將所有時間點采集的瀝青溫度、液位和質(zhì)量存入數(shù)據(jù)庫，用于每日瀝青消耗量分析。

2 硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)測主機設(shè)計

監(jiān)測主機包括基于STM32 的主控板、N560 NB?IoT DTU 和A/D 轉(zhuǎn)換器WP3082ADAM。本系統(tǒng)以ARM Cortex?M3 核的STM32F103RCT6 作為控制芯片，其優(yōu)良的性能非常適用于監(jiān)測主機的控制單元。監(jiān)測主機硬件設(shè)計如圖6 所示，WP3082ADAM 將變送器輸出的4～20 mA 信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，通過RS 485 傳輸?shù)絊TM32 主控板，然后通過RS 232 把信號傳輸?shù)絅560 NB?IoT DTU。

圖6 監(jiān)測主機硬件設(shè)計

本系統(tǒng)使用的WP3082ADAM 是一款具有8 路單端模擬量輸入（直流型4～20 mA）的A/D 轉(zhuǎn)換器。使用RS 485 Modbus RTU標準通信。A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)為12位，模擬量輸入精度為±0.02 mA，外部供電電源為DC 9 V～30 V/2 W，完全滿足瀝青罐液位和溫度信號的采集需要。

RS 485 通信模塊使用MAX1487 芯片，其工作方式為半雙工，能夠消除大部分干擾，接收器能夠探測到200 mV 的小信號。RS 232 通信模塊使用MAX3232芯片，它利用兩個電荷泵實現(xiàn)完整的RS 232 性能。MAX3232 能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸速率保持在120 Kb/s 以上，并且維持正常的RS 232 電平。

2.2 電源模塊

電源模塊分為開關(guān)電源、輸入保護和降壓轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源將220 V AC轉(zhuǎn)變成24 V DC，給NB?IoT終端和A/D轉(zhuǎn)換器供電。降壓轉(zhuǎn)換電路將24 V DC 轉(zhuǎn)變成DC 3.3 V，給RS 485、RS 232 通信模塊和STM32 供電。各個模塊的供電要求如表2 所示。

表2 系統(tǒng)電源模塊劃分

當電路受到瞬時電壓沖擊時，輸入保護電路的瞬態(tài)抑制二極管可以瞬間將高阻特性變換成低阻特性，通過吸收能量來穩(wěn)定輸入電壓，防止電路受沖擊而損壞。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

瀝青罐監(jiān)測云平臺界面包括主界面和子界面，主界面顯示瀝青罐的實時狀態(tài)、液位高度圖和液位曲線圖，子界面為其他模塊功能。主界面如圖7 所示。

圖7 瀝青罐監(jiān)測云平臺界面

3.2 瀝青液位測量原理

根據(jù)靜壓式測液位原理，瀝青靜壓力與瀝青液位、密度有關(guān)，壓力公式為：

式中：為瀝青作用于壓力變送器的靜壓力；為瀝青液的密度；為重力加速度，取9.8 m/s；為壓力變送器到瀝青液面的垂直距離。

壓力變送器內(nèi)置芯片使用的默認密度值為1 g/cm，但是瀝青密度是隨著溫度變化的，不同批次和型號的瀝青液密度也不同，所以需要換算得到實際的液位值。標定實驗使用的瀝青型號為70#瀝青，瀝青供應(yīng)商提供的瀝青密度與溫度關(guān)系為：

式中：為瀝青液的密度；為瀝青液的溫度。瀝青溫度由溫度變送器測量得到，然后根據(jù)瀝青密度得到實際液位與壓力變送器測得液位的關(guān)系。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)瀝青液位標定實驗

為了完成瀝青液位標定實驗，在瀝青拌合站控制室安裝數(shù)據(jù)采集軟件，讀取生產(chǎn)過程中每鍋瀝青混凝土的瀝青使用質(zhì)量。利用激光測距儀測量瀝青液位，與壓力變送器測量的液位進行對比，激光測距儀的精度為±1.5 mm，滿足本系統(tǒng)的標定精度要求。拌合站瀝青罐的容積為43 m。在瀝青拌合站進行生產(chǎn)時，計量斗會對每次使用的瀝青稱重，將計量斗得到的瀝青質(zhì)量作為標準值。實驗步驟如下：

1）徹底清空瀝青罐內(nèi)部的瀝青，包括內(nèi)壁上的殘余瀝青，當瀝青罐處于空罐時，調(diào)節(jié)壓力變送器顯示液位為0 m。

2）瀝青運輸車將瀝青裝入瀝青罐，直到瀝青液位為2 m 時停止上料，通過拌合站地磅稱重得到瀝青運輸車進站和出站的質(zhì)量差值為35.8 t，即裝入的瀝青質(zhì)量為35.8 t，溫度變送器測得瀝青溫度為138.9 ℃，計算得到瀝青密度為0.911 g/cm。然后開始生產(chǎn)瀝青混合料，當瀝青累計用量達到3 t 左右，待壓力變送器顯示液位值穩(wěn)定之后，記錄液位值，并用激光測距儀測量一次液位。

測量結(jié)果如表3 所示，其中為瀝青罐內(nèi)瀝青總質(zhì)量，為壓力變送器液位的修正值，為修正后壓力變送器液位與激光測距儀液位的絕對誤差。

表3 瀝青罐液位計標定實驗測量結(jié)果

瀝青溫度變化范圍為±0.2 ℃，對瀝青密度的影響忽略不計。以激光測距儀測量的瀝青液位為基準，壓力變送器液位與激光測距儀測量液位的絕對誤差的絕對值最大為0.049 m，符合瀝青液位測量精度要求。

3.4 標定后監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

完成監(jiān)測系統(tǒng)的液位標定之后，重新進行瀝青液位測量，并計算瀝青質(zhì)量。實驗步驟同第3.3 節(jié)，通過瀝青運輸車進行第二次裝瀝青。裝入的瀝青質(zhì)量為35.25 t，溫度變送器測得瀝青溫度為138.9 ℃，計算得到瀝青密度為0.911 g/cm。然后根據(jù)壓力變送器測量的瀝青液位，結(jié)合瀝青密度和瀝青罐尺寸計算出瀝青質(zhì)量。測量結(jié)果如表4 所示，其中為推算瀝青質(zhì)量與真實瀝青質(zhì)量的絕對誤差。

表4 液位監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

通過壓力變送器測量得到瀝青液位，計算得到的瀝青質(zhì)量與真實值的絕對誤差的絕對值最大為0.88 t。誤差來源為瀝青液位測量誤差。另外由于瀝青液并不是純凈的液體，部分瀝青會出現(xiàn)凝固，導(dǎo)致瀝青質(zhì)量計算存在誤差。但計算得到的瀝青質(zhì)量還是可以作為瀝青進貨的參考依據(jù)，并為生產(chǎn)計劃的制定提供數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)使用單法蘭壓力變送器測量瀝青液位，解決了高溫蒸汽和瀝青結(jié)焦對傳感器的影響。使用NB?IoT 網(wǎng)絡(luò)上傳測量數(shù)據(jù)，解決了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差和成本高的問題。結(jié)合云計算技術(shù)，實現(xiàn)了安全穩(wěn)定的遠程監(jiān)測。通過在瀝青拌合站現(xiàn)場測試可知，瀝青液位測量滿足精度要求。通過計算得到罐內(nèi)瀝青質(zhì)量，完善了瀝青的庫存管理，能夠為拌合站的精細化管理提供技術(shù)支持。

注：本文通訊作者為陸藝。