基于超聲波和組態(tài)王的油罐液位遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

倫翠芬，張海峰，陳立東

(1河北科技師范學(xué)院機電工程學(xué)院，河北秦皇島，066600;2河北省昌黎縣職業(yè)教育中心)

罐區(qū)液位參數(shù)的檢測是一項非常重要的工作。通過測量液位可以掌握生產(chǎn)動態(tài)，也可避免出現(xiàn)冒頂、抽空等事故。液位參數(shù)也是計算儲罐存油量的前提。隨著罐區(qū)監(jiān)控管理的自動化程度要求越來越高，機械式的手工檢尺和浮球油位計測量滿足不了現(xiàn)代遠程監(jiān)測管理的要求［1］。超聲波液位計探頭高頻振動可以自動清理膜片的冷凝水和灰塵，不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)和導(dǎo)電性的影響，而且其可靠性和使用壽命比多數(shù)接觸型液位計要高［2］。但是超聲液位檢測易受干擾［3］，且脈沖回波時間難于精確測得，影響了液位檢測精度;另外，超聲波液位儀表越來越多的留有通訊接口，但是主要研究還是集中在單點檢測技術(shù)。筆者研究了一種具有較高精度的超聲波多點液位檢測系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)液位的遠程監(jiān)測。該系統(tǒng)以新型STC單片機為核心，采用自動增益放大電路，同時增強系統(tǒng)的上位機監(jiān)控功能，實現(xiàn)罐區(qū)內(nèi)各油罐液位的動態(tài)記錄和存儲。

1 超聲檢測原理

理論分析表明，雖然超聲波在傳播過程中有能量損耗，且波束可以由多種路徑傳播，同時還存在著多種干擾信號，但就接收器接收到的信號強弱而言，只有從液面反射的信號最強，可以很容易地將此信號濾出，并對它進行處理。所以超聲連續(xù)測量液位通常采用脈沖回波式的方法:超聲波換能器發(fā)射的超聲脈沖在介質(zhì)中傳播，在被測介質(zhì)上被反射，返回接收換能器。測量該超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時間，根據(jù)介質(zhì)中的聲速，即可得到液位高度，即:

其中H為油罐高度，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中的傳播速度為:

其中，T 為絕對溫度，c0=331.4 m/s。

如果要求液位測量的誤差小于1 mm，時間測量誤差應(yīng)小于2×0.001/344=6 ms，利用單片機STC12C4052的捕獲功能即可把時間精度提高到所需準確度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由超聲液位檢測原理設(shè)計的液位檢測系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、溫度測量電路、串口電路組成(圖1)。發(fā)射電路由單片機P1.0的觸發(fā)信號作用下，由發(fā)射探頭將頻率為40 kHz 的電脈沖轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去;液面的反射回波由接收探頭接收，經(jīng)過濾波放大并由回波檢測電路處理后，應(yīng)用STC12C4052單片機的捕獲功能，準確捕獲第一個回波脈沖時間;由溫度測量電路對實際溫度進行測量，實現(xiàn)對超聲波傳播速度的修正，進一步提高測量精度;為實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離傳送，在發(fā)送(工控機)和接收端(單片機)都進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用RS-485協(xié)議使用工控機中的RS-232串行接口進行遠距離的數(shù)據(jù)傳送和控制。

圖1 油罐液位遠程監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.2 超聲波發(fā)射器及發(fā)射電路

超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。超聲波發(fā)射頻率越高，所能探測到的最遠距離越小，但是頻率越高，超聲波發(fā)射的擴散角越小，聲波的指向性越好。若用頻率較小的超聲波，雖然衰減小，傳播遠，但脈沖的波長較長，影響測量精度。故在短距離(小于l m)測量時應(yīng)選擇頻率高(100 kHz以上)的傳感器，而長距離測量時要選擇低頻率的傳感器。根據(jù)超聲波傳播特性及測量要求，本系統(tǒng)液位測量選擇心頻率為40 kHz的超聲波傳感器。

而接收信號的大小和好壞直接取決于發(fā)射傳感器的發(fā)射信號，由于傳播距離的要求，發(fā)射電路的功率必須足夠大［6］，本系統(tǒng)選用大功率的CMOS管來驅(qū)動發(fā)射器。同時根據(jù)實際測量距離主動地控制發(fā)射功率，使回波信號幅值經(jīng)放大后能穩(wěn)定在一定的數(shù)值上，由數(shù)字電位器MAX5407來實現(xiàn)發(fā)射信號的幅度控制(圖2)。

圖2 油罐液位遠程監(jiān)測系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路

2.3 接收電路

接收電路由信號放大電路和回波檢測電路組成。單片機定時器的定時周期是12 T，而捕捉功能下定時周期是1 T，用STC系列新型單片機STC12C4052的捕捉功能CCP來完成計時，提高計時的精度。信號放大電路采用二級放大，第一級完成信號的基準放大，第二級采用二階帶通濾波放大?；夭z測電路主要由比較電路和單穩(wěn)觸發(fā)電路組成，信號經(jīng)過比較電路之后形成一個脈沖信號去觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)電路以形成一個窄脈沖信號，該信號去觸發(fā)單片機的CCP0引腳，由比較捕捉模塊進行負邊沿捕捉，得到第一個回波的前沿時刻。接收電路如圖3。

圖3 油罐液位遠程監(jiān)測系統(tǒng)超聲波接收電路

2.4 溫度補償

由公式(2)可知，聲速隨溫度變化的規(guī)律為:室溫下溫度變化1℃，超聲波速度就變化0.6 m/s，因此用常溫下的超聲波速度341 m/s來計算不同溫度下的液位有很大的誤差，必須采取措施減小或消除這種溫度變化產(chǎn)生的誤差。本系統(tǒng)采用增設(shè)溫度檢測通道進行溫度測量，感溫元件采用集成溫度傳感器DS18B20。單片機根據(jù)溫度傳感器檢測的溫度數(shù)據(jù)查詢相應(yīng)的聲速修正數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)液位的準確測量。另一方面通過對溫度的測量，也實現(xiàn)了對油品密度的自動補償，從而可以進一步計算油罐存油量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

組態(tài)王具有開發(fā)周期短、完善的圖形界面生成功能，形象直觀的動態(tài)顯示液位參數(shù)變化并越限報警，能將液位參數(shù)保存在特定數(shù)據(jù)庫中，并且組態(tài)王中有單片機串行通訊協(xié)議和驅(qū)動程序，只需做簡單的設(shè)置即可。單片機部分采用keilc 51開發(fā)。

3.1 組態(tài)王與單片機通訊程序設(shè)計

3.1.1 組態(tài)王通訊程序設(shè)計 組態(tài)王與單片機的通訊必須嚴格依照組態(tài)王通訊協(xié)議進行［8］，本系統(tǒng)采用了效率較高的HEX協(xié)議。在組態(tài)王工程瀏覽器中點擊設(shè)備-COM1，在設(shè)備配置向?qū)е羞x智能模塊-單片機-通用單片機HEX-串口，進行上位機的通信設(shè)置;點擊數(shù)據(jù)庫—數(shù)據(jù)詞典，新建變量并設(shè)置其連接設(shè)備為單片機。

3.1.2 單片機通訊程序設(shè)計 通訊程序數(shù)據(jù)接收與發(fā)送部分采用中斷模式，協(xié)議的處理采用查詢模式。

通訊部分程序由主函數(shù)、CRC校驗子函數(shù)、接收函數(shù)、發(fā)送函數(shù)組成。在主函數(shù)中設(shè)置串口方式3，平時單片機的SM2為1，接收組態(tài)王發(fā)送來的地址請求，當(dāng)檢測到組態(tài)王對自己的地址請求后，置SM2為0，此時可進行液位值處理，通信結(jié)束后置SM2為1，等待下一次組態(tài)王的地址請求。數(shù)據(jù)第9位做檢驗位，組態(tài)王發(fā)送地址請求格式中為1，其它傳輸格式中為0。單片機串行中斷流程圖如圖4。

3.2 組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫的連接

組態(tài)王可以把傳輸?shù)綌?shù)據(jù)詞典的數(shù)據(jù)按需求設(shè)定的時間進行實時保存到PC機數(shù)據(jù)庫，保證了各種意外發(fā)生時的及時控制與修復(fù)以及生成歷史曲線圖等等，可以說數(shù)據(jù)庫是整個軟件的核心。而組態(tài)王數(shù)據(jù)庫功能較為薄弱，因此選用Access數(shù)據(jù)庫作為控制系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)庫，組態(tài)王用SQL通過ODBC對其進行操作。在完成數(shù)據(jù)庫建立、ODBC數(shù)據(jù)源設(shè)置、建立記錄體后，在命令語言中執(zhí)行SQL函數(shù)和Access連接，完成實時液位數(shù)據(jù)的存儲、查詢及畫面動態(tài)顯示等。

3.3 單片機軟件設(shè)計

單片機軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括主函數(shù)、液位測量模塊、溫度測量與修正模塊、鍵盤顯示模塊、與PC機通信模塊等。由于噪聲干擾的存在，使單片機產(chǎn)生外部中斷的有可能是噪聲信號，而不是真正的第一個回波脈沖。在液位測量模塊采用了中位值平均濾波法(取N=5)，以此消除噪聲干擾引起的隨機誤差。

3.4 監(jiān)測界面

上位機進入組態(tài)功能運行，監(jiān)測主界面顯示如圖5所示。系統(tǒng)實時采集并顯示儲油罐液位值，通過主站計算機，可設(shè)置液位門限值，當(dāng)液位超過設(shè)置值時及時發(fā)出報警信號提醒操作工進行操作，可生成液位實時趨勢曲線并打印報表。

圖4 油罐液位遠程監(jiān)測系統(tǒng)單片機串行中斷流程

圖5 油罐液位遠程監(jiān)測系統(tǒng)組態(tài)王監(jiān)測界面

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用新型單片機，在硬件設(shè)計上采用增益放大電路，軟件設(shè)計上采用了相應(yīng)的數(shù)字濾波措施，

提高了液位檢測的精度。以RS485有線通訊實現(xiàn)了上位機對油罐群液位參數(shù)的遠距離監(jiān)測，上位機監(jiān)測界面采用組態(tài)王開發(fā)，界面友好，功能強大。利用組態(tài)王軟件強大的數(shù)據(jù)庫功能和良好的用戶交互界面，實現(xiàn)液位報警上/下限設(shè)置、提供報警信號，提高了罐區(qū)的自動化管理水平。

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(責(zé)任編輯:朱寶昌)