江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院 徐敏 董天天

儲油罐的實時監(jiān)測對安全生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實意義。本文提出一種無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集和無線傳輸功能于一體，將液位數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)采集后通過GPRS 網(wǎng)絡實時傳送給數(shù)據(jù)中心服務器進行處理和顯示。實驗表明，本方案穩(wěn)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(jiān)管工作的重點。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，油庫規(guī)模的不斷擴大和油罐數(shù)量的不斷增加，對油罐區(qū)的管理和監(jiān)控提出了越來越嚴格的要求，特備是對油庫管理的數(shù)字化水平提出了更高的要求。同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、計算機技術(shù)與儀表技術(shù)的不斷提高，以及數(shù)字化管理系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的監(jiān)測成功應用，使得生產(chǎn)的數(shù)字化水平大大提升，為油庫監(jiān)管系統(tǒng)的建立提供了技術(shù)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(chǎn)的重點監(jiān)控對象，儲油罐的液位、溫度等參數(shù)的測量準確性、可靠性十分重要，一直是監(jiān)控的重點指標。

液位測量系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)的重要部件，也是儲油罐監(jiān)控系統(tǒng)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(jīng)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(yōu)缺點。

（1）雷達液位計是一種采用微波測量技術(shù)、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(yōu)點是不需要傳輸媒介，不受大氣、蒸汽的影響，可以用于揮發(fā)性介質(zhì)，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(zhì)會誤報。當天線遇到結(jié)晶結(jié)冰現(xiàn)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(fā)射-反射-接收的時間差來計算距離的，優(yōu)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(qū)，對容易揮發(fā)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(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(diào)試麻煩、價格較貴。（4）磁致伸縮液位計使用Wademan 效應通過現(xiàn)代先進的電子技術(shù)精確測量發(fā)射脈沖和扭轉(zhuǎn)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(huán)境適應性強，具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)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(nèi)非常重要的檢測指標，客觀準確地測量罐內(nèi)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(shù)實現(xiàn)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(yōu)缺點和儲油罐監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求，結(jié)合現(xiàn)有的無線通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、儀器儀表技術(shù)，遵循經(jīng)濟實用、方便快捷的設計原則，本文提出一種新型監(jiān)測系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)架構(gòu)

從硬件角度看，儲油罐監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度傳感器PT100、磁致伸縮液位傳感器、監(jiān)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(nèi)的溫度和液位數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端（采集通信一體機）負責采集檢測數(shù)據(jù)，并通過無線模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務器，服務器上的軟件負責處理數(shù)據(jù)和監(jiān)測顯示。系統(tǒng)通訊示意圖如圖1 所示。

圖1 儲油罐監(jiān)測系統(tǒng)通訊示意圖Fig.1 Communication diagram of oil storage tank monitoring system

監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)，顯示各儲油罐的監(jiān)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(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

2.1 采集通信一體機

采集通信一體機是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，負責檢測數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸職責。本方案中，選用速聯(lián)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(shù)據(jù)，支持遠程設置設備參數(shù)、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(jù)上位機服務器的指令進行數(shù)據(jù)采集，然后把采集到的溫度、液位數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 磁致伸縮液位傳感器機理結(jié)構(gòu)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(fā)波導線上的脈沖電流，該電流會在波導線周圍產(chǎn)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(nèi)部有一組永久磁環(huán)，當浮子產(chǎn)生的磁環(huán)磁場遇上脈沖電流產(chǎn)生的磁場時，浮子所產(chǎn)生的磁場發(fā)生改變，使得波導絲在浮子的位置處產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波脈沖。脈沖以固定的速度沿波導絲傳回，并由檢測機構(gòu)檢測[7]。這種扭轉(zhuǎn)波由安裝在電子隔間中的拾取機構(gòu)檢測并轉(zhuǎn)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(jiān)測系統(tǒng)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(diào)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(chǎn)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(jù)儲油罐體積在不同位置安裝多個監(jiān)測點，全面監(jiān)控。在本系統(tǒng)中，由于采集通信一體機具有6 路AI 輸入，為了更好地監(jiān)測溫度，根據(jù)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(tài)下，各個溫度監(jiān)測點的溫度數(shù)值應當相差不大，這時對溫度的數(shù)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(fā)生故障，則該測量點的溫度數(shù)據(jù)與其他幾個測量點的數(shù)據(jù)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(xiàn)。

2.4 服務器

服務器上安裝了專用的監(jiān)測系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)中心通過監(jiān)測軟件接收各現(xiàn)場傳回的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行相應的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)超過閾值，系統(tǒng)會自動報警。監(jiān)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(tǒng)狀況，隨時了解實際狀況。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計概要

整個系統(tǒng)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(jiān)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(shù)據(jù)采集，并進行初步數(shù)據(jù)處理，依照通信協(xié)議把檢測數(shù)據(jù)傳送到上位機服務器。上位機負責數(shù)據(jù)接收和顯示，一方面解析通信協(xié)議獲取下位機的傳輸數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫；另一方面通過相關(guān)算法計算出儲油容量、油罐溫度、統(tǒng)計報表等數(shù)據(jù)信息，并在顯示界面圖形化顯示。監(jiān)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(jiān)控顯示軟件的功能模塊如圖3 所示。

圖3 監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)軟件采用B/S 架構(gòu)設計，用戶可以用手機、電腦等工具通過互聯(lián)網(wǎng)訪問監(jiān)控顯示程序。為方便管理，依照操作權(quán)限的不同，監(jiān)測系統(tǒng)的用戶級別設置為系統(tǒng)管理員、工程師和監(jiān)管員三類[9]。系統(tǒng)管理員的權(quán)限最高，既可以增加刪除檢測項、歷史數(shù)據(jù)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(quán)限。系統(tǒng)管理員多由用戶方的技術(shù)管理人員擔任。工程師的權(quán)限較低，除了具有查看監(jiān)管項的權(quán)限外，還具有系統(tǒng)設置權(quán)限和增加、刪除監(jiān)管員用戶的權(quán)限。監(jiān)管員只可查看儲油罐的各監(jiān)管項的狀況，可修改自身賬戶密碼，沒有其他修改權(quán)限。監(jiān)管員只可查看儲油罐的各監(jiān)管項的狀況，沒有其他修改或刪除權(quán)限。通過對用戶權(quán)限的分層設置，可以有效避免誤操作或人為破壞。

根據(jù)儲油罐的外形和體積，軟件內(nèi)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(fā)報警并在軟件界面顯示。同理，根據(jù)統(tǒng)計經(jīng)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(fā)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(tǒng)里登記了管理人員的手機號碼，軟件系統(tǒng)報警時會自動把警告信息發(fā)送到相關(guān)人員的手機上，從而做到24h 不間斷監(jiān)控。

為了便于查看歷史統(tǒng)計信息，軟件設計了歷史數(shù)據(jù)查閱功能模塊。用戶可以點擊按鈕選擇查看液位和溫度統(tǒng)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(nèi)的所有歷史數(shù)據(jù)，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(tǒng)管理員可以把歷史數(shù)據(jù)下載到電腦做永久保存，也可以根據(jù)實際情況刪除部分無關(guān)緊要的歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

充分利用計算機和無線通訊技術(shù)，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(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、實時報警、圖形化顯示、歷史查詢、用戶管理等功能，實現(xiàn)了對儲油罐狀態(tài)的實時動態(tài)監(jiān)測，為生產(chǎn)操作和管理決策提供了準確的數(shù)據(jù)依據(jù)，既減少了人力成本，又降低了發(fā)生安全事故的風險。

引用

[1] 楊卜.油罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(yè)轉(zhuǎn)型的動力和標志[J].中國石油企業(yè),2010(4):70-71.

[4] 孫德明,何正嘉.快速構(gòu)建基于Web的遠程測控系統(tǒng)[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(tǒng)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(guān)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(yōu)化[D].天津:河北工業(yè)大學,2016.

[8] 張仙偉,王何慶,張倩.基于溫度補償?shù)膬τ凸抟何槐O(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].智能計算機與應用,2019,9(5):214-216.

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