基于单法兰液位变送器的沥青罐料位检测系统设计

黄河 杨洋 王俊 谭屈山 张南蛟 韩俊* 龚先祁

(1.四川成绵苍巴高速公路有限责任公司成都分公司；2.四川数字交通科技股份有限公司)

沥青是一种常见的道路铺设材料，在道路施工中应用广泛。沥青路面具有许多优点，包括平滑舒适、减少噪音、提高车辆抓地力、减少磨损和降低维护成本，因此在公路、城市道路和机场跑道等地面铺设工程中得到了广泛的应用。目前，沥青罐料位监测主要采用浮标液位计。这种浮标液位计是一种现场仪表，以浮标为测量元件，通过机械组件间接显示被测介质液位。然而，这种方式无法实时传递电子信号以传达实时料位信息，同时需要工作人员亲自前往现场读取数据。考虑到沥青本身具有毒性，这种监测方式对工作人员的身体健康存在较大的威胁。随着信息化时代的到来，一些单机料位监测系统也被应用到拌合站料位监测工作当中。然而，对沥青罐的相关监测数据仅限于本地存储，需要相关工作人员亲自前往现场拉取数据进行分析，这在复杂的施工环境和沥青罐高温有毒的特性下可能导致监测数据不全或出现错误。为了解决这一问题，可以在拌合站沥青罐的监测位置部署物联网节点，通过将相关数据上传至消息中转平台，实现对监测数据的远程实时管理和分析。这样使得料位监控更加轻量、便捷，并且可以远程实现，通过网页或者小程序等方式直观展示数据，有效提高了监测数据的准确性和及时性。这种技术应用为沥青罐料位监测带来了全新的可能性，提升了施工安全和效率。

现阶段沥青罐检测原理主要有雷达测距、超声波测距、压力传感器、磁致伸缩传感器。雷达测距方式通过调频连续波雷达测距原理设计，在测量过程中通过FMCW 信号在沥青液面反射从而得到液位数据。但是在沥青罐中通常会有高温蒸汽弥漫，沥青蒸汽会导致信号发生装置与信号接收装置损坏，影响液位测量结果。[1]为了减少高温环境对测量装置的影响，磁致伸缩测位原理被应用在液位测量中，磁致伸缩测位计是由测头、测杆、磁环、导波丝组成的机械装置，测位计安装在沥青罐顶部，测杆在沥青液体中，磁环安装在测杆上。在液位发生变化时装置的电磁场发生变化，进而得到液位数据，磁致伸缩测位计采用机械装置对液位进行测量，可以避免高温沥青蒸汽对测量结果的影响，但是沥青材料性状粘稠，对测位计测杆使用寿命影响较大。[2]基于超声波测距是通过超声波在沥青罐顶端与液面之间对液位进行测量，通过沥青罐顶端的液位测量装置发射超声波，并接受由液面产生的回波信号，通过单片机对数据进行处理。但是在沥青罐内部温度较高并且会有波动时，罐内的沥青蒸汽的弥漫，会对超声波传播速度产生影响。[3]

本文基于单法兰液位变送器对沥青罐料位进行监测，其在很大程度上可以减少沥青罐内高温、蒸汽等复杂环境对数据产生的干扰，同时利用远程监控平台可以实现对沥青罐检测的数字化与精准化。

1.沥青罐料位监控系统需求分析

沥青罐料位检测系统的用户可以大致分为两类：公路施工沥青拌合站现场工作人员和项目监督管理人员。公路施工沥青拌合站现场工作人员关心的监控指标是当前沥青物料的状态。这直接关系到施工方案的进度和工作安排。准确监测沥青的物料状态对于及时调整施工计划、确保生产进度和质量至关重要。例如，现场工作人需要监测沥青的液位、温度以及密度等参数，以便根据实际情况进行调整，确保拌合站的正常运行和沥青材料的高效利用。而对于项目监督管理人员来说，其更关注于某一个施工阶段内沥青物料的变化以及所生产沥青物料的质量。需要通过监控系统获得准确的沥青物料数据，以便评估施工进度、质量合规性，并进行必要的管理决策。监测沥青物料的变化和质量可以帮助他们及时发现问题、改进工艺，并确保最终路面材料的质量达标。因此，沥青罐料位检测系统对于这两类用户都具有重要的意义，能够为他们提供实时、准确的沥青物料数据，帮助他们有效地管理和监控施工过程，确保项目顺利进行并达到预期的质量标准。

在公路施工的沥青拌合站中一般都会采用多沥青罐存储沥青物料的方式，当需要生产沥青材料时会有运输车辆将沥青原料放置于沥青池中，然后通过泵机将沥青原料注入沥青罐内。但现阶段很多公路施工沥青拌合站存在沥青罐数量多、工作人员少、管理不到位等问题，这就导致在沥青注入沥青罐时可能会出现物料外溢等安全事故，不仅会浪费施工原料，其高温物料更会对现场工作人员造成伤害。其次，现阶段的沥青罐在加料过程中无法准确获悉原料注入量，对施工原料的把控无法做到精准化与信息化。

沥青罐料位监测系统的主要监控指标为料位的高度，分为最低料位点与最高料位点，最低料位点关乎公路施工是否能顺利进行，最高料位点关乎沥青原料在注入时是否会发生浪费。在沥青罐检测系统中对温度的监测也是十分必要的，结合单法兰液位变送器的原理，如果要得到沥青物料的质量就必须知道当前沥青物料的温度，温度的控制对沥青物料的质量会产生影响。

2.单法兰液位变送器测料位原理

单法兰液位变送器是一种非常有用的设备，能够对各种容器中液位和密度进行精确测量。它通常具有平法兰和插入式法兰两种类型，适用于测量高粘度介质或悬浮液体。这种变送器主要由两个电极和测量膜片组成。测量膜片会根据沥青的压力变化而改变位置，从而形成一个可移动的膜片与固定的电极板之间的电容器。在沥青罐内，液态沥青的质量变化会导致受压膜片上的压力发生变化。这些压力通过硅油相互传递，导致沥青罐内的沥青质量与压力成正比。由于沥青液体的压力与膜片的位移量成正比，因此可以将其转换成4～20mA 直流信号输出，从而实现对沥青液位和密度的准确测量。这种设计使得单法兰液位变送器能够在复杂的工业环境中稳定可靠地工作，为油料、化工等行业的生产和运营提供重要的数据支持。同时，它的精准测量能力也有助于优化生产流程，提高生产效率和质量控制水平。

在拌合站中沥青罐多数为卧置的圆柱形罐体，传感器采用在罐体侧面距离罐底高度焊接放置，由于单法兰液位变送器需要放置在液体中，故不能紧贴于罐底，需要与罐底预留出高度。单法兰液位变送器的压力公式如公式（2-1）所示。

公式（2-1）中ρ 为沥青的密度；g 为重力加速度，h1本文中取9.8m/s2；为单法兰液位变送器到沥青料位顶面的高度。

基质沥青在80°～90°之间开始具有流动性，沥青在沥青罐内的温度一般在130°左右，此状态下沥青为液体状态，沥青料位高度可以通过液体压力与料位高度计算得出。由于沥青的密度与沥青实时温度有关系，所以在安装单法兰传感器的同时需要安装温度传感器，温度与沥青密度之间的关系可以由沥青生产者提供，结合实时温度可以计算出此时沥青密度，同时根据单法兰压力传感距离罐底高度可以得到沥青料位高度如公式（2-2）所示。

3.料位监控系统架构设计

该系统采用物联网架构设计，系统为三层架构，分别为应用层、网络层、感知层，如图1 所示。在本系统中，感知层为单法兰液位变送器采集拌合站中沥青罐中的料位信息，网络层用来沟通应用层与感知层，实现数据的双向传递。本系统使用RabbitMQ 服务器，在应用层使用NB-IoT 模块来实现数据的传输。应用层为远程监控云平台，应用层作为系统的用户交互模块，主要实现数据的存储与处理、人机交互功能。

图1 系统架构图

3.1 沥青罐监控总体设计

沥青罐监测终端是由单法兰液位变送器、温度传感器、STM32、NB-IoT 模块、AD 转换器共同组成的，通过放置在沥青罐中的压力传感器与温度传感器计算出来的料位信息传递给STM32 芯片，最终通过NB-IoT 模块上传至RabbitMQ 服务器中。沥青罐监测终端架构如图2 所示。

图2 沥青罐监测终端架构

本系统现场监控主机由STM32 主控板、NB-IoT 模块、AD 转换器共同构成，监测主机接受沥青罐监测终端的信息并负责信号的转换，同时也要沟通应用层，负责数据的上传。监控主机结构如图3 所示。

图3 监控主机

该系统使用 ARM Cortex-M3 核的 STM32F103RCT作为主控制芯片，它是系统监测主机的核心部分，STM32F103RCT6 是STMicroelectronics（意法半导体）推出的一款32 位ARM Cortex-M3 内核的微控制器（Microcontroller Unit，MCU），它属于STM32F1 系列产品。

单法兰液位变送器与温度传感器采集到的数据由AD 转换器转换为数字信号送给STM32 主控芯片，STM32 主控芯片将信号传输给NB-IoT 模块,最终实现数据的传输。其中AD 转换器与STM32 主控芯片之间的通信协议为RS485，RS485 使用半双工工作模式，STM 主控芯片可以接收AD转换器输出的16 进制数据，RS485 通信模块中的AX1487芯片在使用过程中对大多数环境干扰具有抵抗作用。STM32主控芯片与NB-IoT 模块之间的通信协议为RS232，NB-IoT模块通过RS232 接受主控芯片的指令，RS232 也同时从云端传输给NB-IoT 模块的命令。

AD 转换器将单法兰液位变送器传输的信号转换为16进制数据，STM32 主控芯片通过处理得到具体的电流数值。NB-IoT 模块的初始化由STM32 主控芯片完成，数据通过MQTT 协议进行打包传输，同时NB-IoT 模块的数据传输也由STM32 主控芯片完成。

在本系统中监测主机与传感器设备需要供电，系统通过电源模块对系统供电，单法兰液位变送器、温度传感器、AD 转换器、NB-IoT 模块使用由220V AC 转换为24V DC，STM32 主控芯片、RS482 通信模块、RS282 通信模块使用24V DC 转3.3V DC。

3.2 数据传输方案设计

系统数据传输方案如图4 所示，沥青罐监测终端将采集到的数据通过NB-IoT 模块发送到Rabbit-MQ 服务器中，再由服务器发送至远程监控平台中的MQTT 数据处理模块中，经过处理将数据存入数据库，最终通过用户交互模块实现远程监控。

图4 数据传输方式

采用MQTT 协议可以实现客户端和服务器对消息的传输，系统使用Rabbit-MQ 是一种开源软件，可以有效避免上传数据量过大而导致的堵塞问题，使沥青罐料位检测系统数据传输更加可靠 。

在数据传输过程中两个通讯程序需同时在线，任意一方掉线都会导致数据传输失败，Rabbit-MQ 技术通过消息队列可以在数据传输时只有一个程序在线，消息队列可以接收应用程序发来的数据并按顺序储存下来，当其他应用数据需要读取数据时消息队列可以按照储存数据的顺序依次将数据传输给应用程序。

（1）NB-IoT 模块

NB-IoT 是指窄带物联网（narrow band internet of things）技术，是一种低功耗广域（lpwa）网络技术标准，基于蜂窝技术，用于连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备，聚焦于低功耗广覆盖（lpwa）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

在本系统中沥青罐监测终端得到温度以及料位数据后对NB-IoT 模块进行调用，以此实现数据传输，NB-IoT 模块首先与eNodeB 基站连接，二者通过空口连接方式进行连接，之后eNodeB 基站再与IoT 核心网络通信，经过处理传输至IoT 平台，平台根据不同的通讯链路将信息发送至不同的服务器做进一步处理。[4]

在使用NB-IoT 模块时需要进行初始化，本系统使用通信协议为MQTT，首先将NB-IoT 模块工作模式设置为9-MQTT，在线模式需设置为1-永远在线模式。沥青罐料位检测系统的数据传输需要不间断，NB-IoT 模块在通电后与远程监控中心需要保持通信，一方掉线后需自动连接，在不发送数据时需发送心跳包来减少唤醒次数，增加数据传输可靠性。为了增强沥青罐料位监测系统的可靠性，远程监控平台分别设置主数据中心与备数据中心，NB-IoT 模块首先尝试连接主数据中心，如果连接失败再尝试连接备数据中心，需NB-IoT 模块设置为1-主备中心切换模式。NB-IoT 模块在使用之前需要进行调试，数据通信调试会影响正常数据通信，在调试工作结束后需将NB-IoT 模块调试模式设置为0-关闭调试。NB-IoT 模块内部设置一个时间段如果没有任何数据通信则会自动下线，但是沥青罐料位检测系统需要实时数据，故需要NB-IoT 模块定时发送心跳包来维持与Rabbit-MQ 服务器的连接，心跳间隔根据系统检测需求频率来确定，一般设置为1min。

（2）Rabbit-MQ 服务器

本系统使用阿里云服务器来接收消息，将Rabbit-MQ服务器部署在阿里云服务器内，阿里云服务器功能强大，作为一个常用服务器其IP 地址稳定，安全性高。

沥青罐监控主机发布信息至Rabbit-MQ 服务器，监控中心通过消息队列来读取信息。远程监控中心将用户信息发布在Rabbit-MQ 服务器，监控主机通过信息订阅来读取用户信息，从而实现人机交互模块。Rabbit-MQ 服务器数据传输过程如图5 所示。

Rabbit-MQ 服务器数据的优点就在于使用消息队列，沥青罐料位监测分别设置了沥青罐料位消息队列与沥青罐控制指令消息队列，分部设计消息队列可以有效避免数据上传与指令发布带来的冲突。沥青罐料位消息队列存储温度数据、料位数据，沥青罐控制指令消息队列存储远程监控中心发布的指令。Rabbit-MQ 消息队列如图6 所示。

图6 Rabbit-MQ 消息队列

3.3 远程监控云平台设计

远程监控架构如图7 所示，远程监控云平台主要包括表现层、逻辑层、数据层、数据库，通过沥青罐监控终端采集到的数据上传到远程监控云平台，经过数据处理模块的处理后在数据库中进行存储，用户通过交互模块进行数据的读取，数据的处理展示通过业务逻辑层完成。

图7 远程监控架构图

为了提升程序的维护效率，在数据层与逻辑层设置了接口，对内部程序进行维护之后可以免去对表现成调用程序的更改。

在数据访问层使用了实体框架EF,并与SQLServer 数据库进行映射，以实现数据库的具体操作。相应的实体类Models 中包含了业务逻辑层和数据访问层所需的所有类。数据传输对象Dto 用于存储表现层所需的类，即直接展示在界面上的数据类。通过使用Dto 提升系统的解耦性。对于系统模型的变化，只需要替换模型，而无需修改表现层的代码，便能实现平滑的模型替换。

远程监控平台可以提供沥青罐料位信息、沥青物料信息，其中沥青罐信息包括沥青物料型号批次、沥青罐基本信息、沥青物料物理化学信息等，管理人员可以通过平台对相关信息进行查看与修改。工作人员可以通过选择对应的沥青罐来查看具体的沥青料位信息。

4.结束语

本文分析单法兰液位变送器的测料位原理，同时结合现阶段我国交通道路的现状以及现阶段仍有很多地区道路交通施工现场沥青拌合站料位监测现状，设计了一种基于单法兰液位变送器的沥青罐料位检测系统，以此来实现对沥青拌合站中沥青罐的精细化管理。该系统可以解决由于沥青罐特殊环境导致的料位检测不准确问题，同时可以实现对沥青罐料位检测的精细化与信息化，相较于机械原理液位测量装置其数据精准度有很大提升，相较于传统单机料位监测系统，该系统可以大大提升公路施工过程中沥青拌合站的工作质量与效率。