基于无线通信的储油罐监测系统设计

江苏信息职业技术学院 徐敏 董天天

储油罐的实时监测对安全生产具有重要现实意义。本文提出一种无线监测系统，该系统由磁致伸缩液位传感器、温度传感器、采集通信一体机和服务器组成。采集通信一体机集数据采集和无线传输功能于一体，将液位数据和温度数据采集后通过GPRS 网络实时传送给数据中心服务器进行处理和显示。实验表明，本方案稳定可靠，具备普遍的适用性。

我国储备油库点众多，实时准确地掌握油库信息并确保储存安全，一直是监管工作的重点。伴随着经济的发展，油库规模的不断扩大和油罐数量的不断增加，对油罐区的管理和监控提出了越来越严格的要求，特备是对油库管理的数字化水平提出了更高的要求。同时，随着互联网信息技术、计算机技术与仪表技术的不断提高，以及数字化管理系统在生产过程中的监测成功应用，使得生产的数字化水平大大提升，为油库监管系统的建立提供了技术支持[1-4]。储油罐作为油库储存油品的主要工具，一直是安全生产的重点监控对象，储油罐的液位、温度等参数的测量准确性、可靠性十分重要，一直是监控的重点指标。

液位测量系统是监测系统的重要部件，也是储油罐监控系统的核心部分，液位计的准确测量是储油罐安全运行的重要保障。目前在油气存储中经常用的液位计有雷达液位计、超声波液位计、伺服式液位计、磁致伸缩液位计等几种，这些液位计各有优缺点。

（1）雷达液位计是一种采用微波测量技术、非接触式的液位测量仪表，它克服了机械式接触型液位仪表的诸多缺点[5]。雷达液位计的优点是不需要传输媒介，不受大气、蒸汽的影响，可以用于挥发性介质，如汽油的液位测量；缺点是价格较贵，如果天线不慎沾上介质会误报。当天线遇到结晶结冰现象会报错，因此需进行加热保温处理，并清理天线。在气温较低的露天室外场合，适用性不强，极易误报。（2）超声波液位计是利用超声波发射-反射-接收的时间差来计算距离的，优点是安装简单方便，不受被测液体的黏度、密度的影响；缺点是测试容易有盲区，对容易挥发的石油汽油而言，精度相对较差。（3）伺服式液位计利用重力原理、杠杆原理和自控原理，形成闭环调节系统，可以测得精确的液位值，其精度能高达1mm，适合计量级需求，而伺服式液位计的不足之处是安装调试麻烦、价格较贵。（4）磁致伸缩液位计使用Wademan 效应通过现代先进的电子技术精确测量发射脉冲和扭转波脉冲之间的时间值，达到精确测量液体液位的目的[6]。磁致伸缩液位计很适用于油类液体，常被用来测油水分界面，且磁致伸缩液位计不需定期重标和维护，环境适应性强，具有精度高、稳定性好、可靠性高、使用寿命长等优点，而且其价格适中，在油类液位测量中获得了广泛应用。

温度是储油罐内非常重要的检测指标，客观准确地测量罐内的温度十分重要。当前，储油罐油温检测多采用接触式温度传感器，测量原理是利用电类感温传感技术实现直接或间接油温测量，常用的代表性传感器有感温电缆、集成电路温度变送器、热电阻温度计等。以PT100 为代表的热电阻温度计由于价格适中、精度较高，在许多场合获得广泛应用。

综上所述，考虑到各种液位计的优缺点和储油罐监测系统的实际需求，结合现有的无线通信技术、互联网技术、仪器仪表技术，遵循经济实用、方便快捷的设计原则，本文提出一种新型监测系统设计，该系统结构简单、操作方便，可以应用到各类储油罐上，具有良好的推广价值。

1 系统架构

从硬件角度看，储油罐监测系统包括温度传感器PT100、磁致伸缩液位传感器、监测终端（采集通信一体机）和服务器。温度传感器和磁致伸缩液位传感器安装在储油罐上，负责检测罐内的温度和液位数据。监测终端（采集通信一体机）负责采集检测数据，并通过无线模块把数据发送到数据中心服务器，服务器上的软件负责处理数据和监测显示。系统通讯示意图如图1 所示。

图1 储油罐监测系统通讯示意图Fig.1 Communication diagram of oil storage tank monitoring system

监测系统软件安装在控制中心的服务器上，一方面接收、保存和处理数据，显示各储油罐的监测状况；另一方面提供操作接口界面，方便用户浏览查阅。

2 系统的技术实现

2.1 采集通信一体机

采集通信一体机是整个监测系统的核心部件，负责检测数据的采集和无线传输职责。本方案中，选用速联科技有限公司的采集通信一体机，该一体机自带GPRS 无线模块，具有6 路AI、9 路DI、5 路DO、2 路串口，支持采集温度、液位、压力、流量等数据，支持远程设置设备参数、远程升级程序。而且IP65 防护，供电方式可以为太阳能+蓄电池供电或市电供电，便于应用在户外场合。实际工作时，采集通信一体机承担下位机的功能。首先根据上位机服务器的指令进行数据采集，然后把采集到的温度、液位数值进行初步处理后通过GPRS 无线模块上传到服务器。

2.2 磁致伸缩液位传感器

磁致伸缩液位传感器是一种高精度的液位检测器，是储油罐监控系统的核心设备。该传感器主要由测量杆、磁致伸缩线(波导丝)、电子隔间和安装在测量杆上的非接触浮子组成，其设计机理结构如图2 所示。

图2 磁致伸缩液位传感器机理结构图Fig.2 Mechanism structure of magnetostrictive liquid level sensor

当传感器工作时，传感器的电路部分在波导线上沿波导传播时将激发波导线上的脉冲电流，该电流会在波导线周围产生磁场。浮子安装在传感器杆外部，随着液位的变化，浮子会沿杆上下移动。在浮子内部有一组永久磁环，当浮子产生的磁环磁场遇上脉冲电流产生的磁场时，浮子所产生的磁场发生改变，使得波导丝在浮子的位置处产生扭转波脉冲。脉冲以固定的速度沿波导丝传回，并由检测机构检测[7]。这种扭转波由安装在电子隔间中的拾取机构检测并转换成相应的“终止脉冲”。通过计算“起始脉冲”和相应的“终止脉冲”之间的时间差，可以精确地测算出位移，从而计算出液位值。

磁致伸缩液位传感器虽然精确，但是当温度变化较大时，一样会引起较大误差。因此，引用[8]提出了磁致伸缩液位传感器的温度补偿算法。本监测系统设计时也考虑了温度补偿问题，为此采用了温度传感器PT100 来检测温度，方便软件实时判定温度高低，是否需要对磁致伸缩液位传感器进行温度补偿。当条件满足时软件会自动调用温度补偿算法对温度检测值进行校准，力求最真实地跟踪实际温度值。

2.3 温度传感器的选取

温度传感器选取防爆型PT100 温度变送器，该产品量程-200 ～600 度，输出4 ～20mA，满足测量需求。实际应用时可以根据储油罐体积在不同位置安装多个监测点，全面监控。在本系统中，由于采集通信一体机具有6 路AI 输入，为了更好地监测温度，根据各储油罐的外形和容积，每个储油罐可以安装3 ～5 个PT100 温度传感器来检测温度。正常状态下，各个温度监测点的温度数值应当相差不大，这时对温度的数值处理可以采用几个测量点的平均值作为检测值上传给服务器。如果某个温度传感器发生故障，则该测量点的温度数据与其他几个测量点的数据会明显不同或相差太大，由此可以确认该测量点的温度传感器故障。如此则可提醒维护人员检修或更换温度传感器，这一功能可以由软件来实现。

2.4 服务器

服务器上安装了专用的监测系统软件，数据中心通过监测软件接收各现场传回的监测数据，进行相应的数据处理，并在软件界面上可随时查看各储油罐的液位、温度等信息。而且一旦某个储油罐的液位、温度数据超过阈值，系统会自动报警。监控软件有电脑版和手机App 版两个版本，用户可以通过电脑或者手机来登录查看系统状况，随时了解实际状况。

3 系统软件设计

3.1 监测系统软件设计概要

整个系统软件设计包括两部分：下位机(采集通信一体机)的硬件信号采样程序和上位机(服务器)的监控显示程序；下位机负责检测硬件的初始化和检测信号(液位、温度等)的数据采集，并进行初步数据处理，依照通信协议把检测数据传送到上位机服务器。上位机负责数据接收和显示，一方面解析通信协议获取下位机的传输数据并保存到数据库；另一方面通过相关算法计算出储油容量、油罐温度、统计报表等数据信息，并在显示界面图形化显示。监控显示软件设计了友好的人机交互界面，配有登录、输入、存储等操作控件，方便用户的管理和操作。上位机监控显示软件的功能模块如图3 所示。

图3 监控显示软件功能模块示意图Fig.3 Schematic diagram of monitoring display software function module

3.2 软件功能模块设计

整个监控系统软件采用B/S 架构设计，用户可以用手机、电脑等工具通过互联网访问监控显示程序。为方便管理，依照操作权限的不同，监测系统的用户级别设置为系统管理员、工程师和监管员三类[9]。系统管理员的权限最高，既可以增加删除检测项、历史数据记录，又可以管理所有账户信息，此外还拥有启动和停止软件的权限。系统管理员多由用户方的技术管理人员担任。工程师的权限较低，除了具有查看监管项的权限外，还具有系统设置权限和增加、删除监管员用户的权限。监管员只可查看储油罐的各监管项的状况，可修改自身账户密码，没有其他修改权限。监管员只可查看储油罐的各监管项的状况，没有其他修改或删除权限。通过对用户权限的分层设置，可以有效避免误操作或人为破坏。

根据储油罐的外形和体积，软件内部对各个储油罐设计了各自的液位阈值。当液位高度到达阈值时，软件会自动触发报警并在软件界面显示。同理，根据统计经验对储油罐的温度也设置了相应的阈值，当实际检测温度到达阈值时，软件会自动触发报警并在软件界面显示。为了增强报警的实时性，软件设计了信息报警功能，只要在软件系统里登记了管理人员的手机号码，软件系统报警时会自动把警告信息发送到相关人员的手机上，从而做到24h 不间断监控。

为了便于查看历史统计信息，软件设计了历史数据查阅功能模块。用户可以点击按钮选择查看液位和温度统计报表、液位和温度历史曲线、液位温度报警记录，全面掌握储油罐的历史信息。软件设置服务器默认保存一年内的所有历史数据，当服务器存储空间不足时，软件会自动提示操作人员如何操作。系统管理员可以把历史数据下载到电脑做永久保存，也可以根据实际情况删除部分无关紧要的历史数据。

4 结语

充分利用计算机和无线通讯技术，以磁致伸缩液位传感器和PT100 温度传感器为采样工具，设计了一套储油罐智能监测系统。该系统具有数据采集、实时报警、图形化显示、历史查询、用户管理等功能，实现了对储油罐状态的实时动态监测，为生产操作和管理决策提供了准确的数据依据，既减少了人力成本，又降低了发生安全事故的风险。

引用

[1] 杨卜.油罐区监控系统设计与研究[D].武汉:武汉大学,2008.

[2] 宋春红.信息化和自动化在成品油库监控系统中的应用[J].自动化与仪表,2013,28(6):57-60.

[3] 于顺安.信息化是企业转型的动力和标志[J].中国石油企业,2010(4):70-71.

[4] 孙德明,何正嘉.快速构建基于Web的远程测控系统[J].计算机工程与应用,2003,39(23):160-162.

[5] 刘兵,王非,杨勇,等.可视化设备管理系统研究与应用[J].天然气与石油,2013,31(6):4-6.

[6] 张新.储油罐超声波液位开关的研制及应用[J].轻工科技,2012(3):60-61+123.

[7] 王硕.磁致伸缩液位传感器的研究与优化[D].天津:河北工业大学,2016.

[8] 张仙伟,王何庆,张倩.基于温度补偿的储油罐液位监测系统的设计与实现[J].智能计算机与应用,2019,9(5):214-216.

[9] 赵庆平.储油罐远程监管系统设计与实现[J].唐山学院学报,2019,32(6):1-4.