一種儲油罐區(qū)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙雨　周天勇　陳晨

摘 要：我國石油資源豐富，采油煉油企業(yè)眾多，儲油罐是儲存油品的重要設(shè)備。但國內(nèi)許多反應(yīng)罐、大型儲油罐、加油站的環(huán)境監(jiān)測仍采用人工檢尺和分析化驗的方法，其他參數(shù)的測定也沒有實行實時動態(tài)測量，這樣易引發(fā)安全事故，無法為生產(chǎn)操作和管理決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。本系統(tǒng)針對上述問題，研發(fā)出符合我國國情的儲油罐區(qū)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以保障石油庫區(qū)的安全生產(chǎn)，而且將加快石油行業(yè)的現(xiàn)代化管理進程。

關(guān)鍵字：環(huán)境監(jiān)測；儲油罐區(qū)；數(shù)據(jù)采集；石油

隨著科技的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，由傳統(tǒng)的人工測量開始逐步向計算機智能監(jiān)測方向發(fā)展。相比較而言，國外的油罐區(qū)環(huán)境安全實時監(jiān)測系統(tǒng)性能好，但其價格過高，遠遠超出了我國廣大用戶的承受能力。而國內(nèi)研制的系統(tǒng)大多計算精度低、穩(wěn)定性和可靠性差。因此，研發(fā)出符合我國國情的油罐區(qū)環(huán)境安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以保障石油庫區(qū)的安全生產(chǎn)，而且將加快石油行業(yè)的現(xiàn)代化管理進程。

1 系統(tǒng)總體框架

在設(shè)計儲油罐管理系統(tǒng)時，首先確定系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和功能要求，從技術(shù)和經(jīng)濟角度上進行可行性分析，然后進行方案選擇和總體設(shè)計，考慮下位機硬件電路的結(jié)構(gòu)是否合理，性價比等問題，探討上位機的功能框架，采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等細節(jié)，再進行詳細設(shè)計和調(diào)試，最終完成設(shè)計任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)由溫、濕度光照傳感器，信號調(diào)理電路，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單片機組成，模擬傳感器將檢測出的信號轉(zhuǎn)為電壓，然后將模擬信號通過信號調(diào)理電路，通過ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號（八位二進制），在單片機的控制下讀通道進行選擇，完成信號的讀取，DS18B20可直接與單片機相連接，不需要經(jīng)過A＼D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字量溫度被單片機進行采集。接著利用一個串口通信模塊把采集到的數(shù)據(jù)傳送到計算中，利用計算機端的LABVIRW軟件編程對檢測的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的實時顯示，控制，報警及遠程通信。

2.1 傳感器的選擇

單線溫度傳感器DS18B20，一根線實現(xiàn)對溫度的讀取。并且數(shù)字溫度傳感器抗干擾能力強，受電源穩(wěn)定變化影響小。DS18B20用9位（二進制）對溫度進行存貯，溫度數(shù)值穩(wěn)定且準(zhǔn)確度高。但編程相對模擬傳感器復(fù)雜，特別是編程中對延時要求較為苛刻。

HU-10S是將濕度傳感器的非線性電阻信號轉(zhuǎn)化為線性電壓信號，使用方便，外圍電路只需要一個電阻，就可得出1.0-3.0的直流電壓信號?？梢灾苯咏槿階/D轉(zhuǎn)換電路而不需要對信號進行放大，功耗低，線性度好，測量準(zhǔn)確。

光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。本設(shè)計光強的檢測則采用光敏電阻，通過在不同光強下電阻值的變化來測量光強。

油氣濃度傳感器采用接觸燃燒式氣敏油氣濃度傳感器，該傳感器以密封吸入方式達到防爆要求標(biāo)準(zhǔn)其檢測元件是在鉑絲繞成的線圈上鍍以氧化鋁或者氧化鋁與氧化硅混合而成的涂覆層，經(jīng)一定溫度燒結(jié)而形成的球狀多孔體。在氧化鋁外表上敷有鉑、鈀等貴重金屬作催化層，組裝成氣敏元件。

2.2 單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)如圖2所示，18引腳和19引腳接時鐘電路，XTAL1 接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)是振蕩器倒相放大器的輸入，XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)是振蕩器倒相放大器的輸出。第9 引腳為復(fù)位輸入端，接上電容，電阻及開關(guān)后夠按鍵復(fù)位電路，20 引腳為接地端，40 引腳為電源端。

2.3 ADC0809 數(shù)據(jù)采集電路

本電路實現(xiàn)對模擬信號的數(shù)據(jù)采集，由ADC0809將模擬信號輸入轉(zhuǎn)換為8為二進制數(shù)字信號，然后再經(jīng)單片機P2口送入單片機。單片機在完成數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲后，向上位機傳送。在數(shù)據(jù)采集電路中，ADC0809必須在單片機的控制下，才能實現(xiàn)其功能。

如圖3所示， ALE地址鎖存允許輸入信號 ，其時鐘信號上升沿將A，B，C選擇的通道信號，輸入ADC0809進行AD轉(zhuǎn)換。該鎖存信號由單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生，并經(jīng)P1.0輸出。接著，ST送入的信號上升沿將內(nèi)部置零，下降沿開始啟動AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，EOC=1，可利用其作為CPU中斷信號，為下一次AD轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

2.4 串口通訊通信接口電路

串行通信接口電路一般由可編程的串行接口芯片、波特率發(fā)生器、EIA與TTL電平轉(zhuǎn)換器以及地址譯碼電路組成。通過串口通信電路，實現(xiàn)上位機和下位機之間的聯(lián)系。

2.5 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

模擬信號經(jīng)由A＼D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號大小，由電源和模擬信號共同決定，因此穩(wěn)定的系統(tǒng)供電電源對本次實驗測量的精度起著至關(guān)重要的作用。本次系統(tǒng)電源電路采用7805穩(wěn)壓管和兩個470uf的電解電容對電源進行穩(wěn)壓，產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電源，消除電源變化對實驗結(jié)果造成的影響。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要通過模擬和數(shù)字傳感器實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的采集，用信號調(diào)理電路對模擬傳感器采集的模擬信號進行處理，然后通過數(shù)據(jù)采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，由單片機進行處理。單片機處理之后的信號再由串口通信電路送給上位機，通過LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，監(jiān)測，報警，存儲和遠程通信。完成這一任務(wù)，需要相應(yīng)單片機端軟件和計算機端軟件。

在單片機端程序設(shè)計過程中，首先要明確程序要實現(xiàn)的功能，即完成系統(tǒng)初始化，DS18B20數(shù)字溫度傳感器數(shù)字信號的讀取，對讀取的所有信號的處理和串口通信；其次將要實現(xiàn)的各功能模塊化程序，供程序調(diào)用，特別是對DS18B20溫度的讀取程序，語句較多，因此考慮自定義一個讀DS18B20溫度的庫函數(shù)，這樣可使主程序更簡潔；最后是主程序自需要對各子程序的正確調(diào)用，便能實現(xiàn)其功能。

4 結(jié)論

本設(shè)計對儲油罐區(qū)環(huán)境監(jiān)測提出了一種新的方案，實現(xiàn)了對儲油罐區(qū)溫度、濕度、油氣濃度和光強環(huán)境的實時有效監(jiān)測，大大提高了儲油罐區(qū)安全性。此系統(tǒng)還具有適應(yīng)性強，即投即用，簡單、方便、經(jīng)濟、可靠等多個特點，具有很好的市場推廣價值和應(yīng)用價值。本論文對基于虛擬技術(shù)的遠程通信環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，進行了全面詳盡的介紹，并完成了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計。本設(shè)計的主要工作總結(jié)如下：

（1）提出了智能遠程環(huán)境溫度、濕度以及光照度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件、硬件實施方案。

（2）利用適用性很強的LabVIEW虛擬平臺，實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

（3）完成了智能遠程環(huán)境溫度、濕度以及光照度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件程序和硬件系統(tǒng)電路的設(shè)計。

（4）該系統(tǒng)軟件程序和硬件電路設(shè)計均采用模塊化設(shè)計，根據(jù)實際需要，可對更多參數(shù)進行監(jiān)測。

經(jīng)過調(diào)試，多次演示，該系統(tǒng)可用于實際應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測中。

參考文獻

[1]吉雷.Protel99SE從入門到精通.西安電子科技大學(xué)出版社.2002：128—135

[2]李玉梅.單片機原理的應(yīng)用設(shè)計.國防工業(yè)出版社.2006：56—144

[3]麥山，皮佑國. 基于單片機的協(xié)議紅外遙控系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)， 1998，（05） .

[4]潘浩， 李洪彪， 張朝暉. 一種基于RS485總線的遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學(xué)報， 2003，（S1）.

[5] 陳錫輝.LabVIEW 8.20程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[6] 楊欣，王玉鳳，劉湘黔.51 單片機應(yīng)用從零開始[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：293-328.

[7] 張重雄.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：76-140.

[8] 盧玉州.基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].山東科技大學(xué)碩士.2004：5-10.

[9] Richard c.Dorf.modern conctrol systerm[M].BEIJING：Science Publishing House，2002.

[10] Donald A. Neamen. Electronic circuit analysis and design[M].Tsinghua University Press and Springer Verlag.2002.

作者簡介

趙雨，西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院學(xué)生，現(xiàn)在德州魯信鉆井技術(shù)服務(wù)有限公司從事鉆井技術(shù)服務(wù)相關(guān)工作。