储油罐油量混合式计量管理系统

【摘要】：针对我国的储油罐监测与控制设计了一种基于组态软件的自动控制系统。

系统以工控机为核心，采用扩散硅压力式液位计对储油罐油位进行监测。

为了满足现场测量精度需要，本系统设置了不定期“压力--油位系数标定”，提高储油罐监测精度。

采用USB 数据采集卡对扩散硅压力式液位计电流信号进行A/D转换数据采集。

通过“组态”开发的人机界面对储油罐进行监测及数据交换，直观地显示储油罐实际油位高度及储油罐每天油位变化情况，打印出储油罐油量变化的日报表、月报表等。

【关键词】储油罐、监测、组态、扩散硅压力式液位计、USB数据采集卡1.概述1.1 油罐油位监测控制系统研究的现实意义燃油是国民经济生产的重要物资，燃油的运输储存管理非常重要。

储油罐区是燃油保障的重要储存基地，具有分布空间范围广、安全防爆要求高、监控点多、布线复杂，自动化系统的水平和垂直集成难度大等特点。

储油罐区通常包括储油罐、防火堤及消防设施等，主要用于接收、储存和转运成品油，通过铁路槽车或港口油轮装运成品油，计量所储存和输送的成品油。

储油罐区作为油品的蓄水池和调节器对油品再生产和流通过程实施调节作用；作为油品的储存场所，对油品在相对停滞时起保护作用。

储油罐监测自动化对保证燃油的储存、运输及使用安全具有重要意义。

近年来，随着工业规模的不断扩大，产品品种增多，产量提高，油品储罐的建造和设置不断增加，油品生产、运输及销售企业投资不断加大。

企业的生产及管理部门每天都需要掌握储油罐内的液位．密度、温度、体积和质量等重要数据。

既要保证数据的准确和及时，又要确保储油罐的安全，防止意外事故的发生。

管理人员按照生产部门所制定的生产计划和常年积累下来的经验对储油罐进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。

另外管理人员的责任和压力也不断增加，这对生产安全是很不利的。

随着智能仪表和计算机技术的迅猛发展．使计算机能用于储油罐的监控管理，满足储油罐监测所需达到的高精确度及高稳定性，从而实现储油罐监控管理的自动化，提高劳动生产率。

因此，储油罐储罐参数的精确检测、油品管理流程的有效控制，对于储油罐安全和平稳运行具有十分重要的意义。

目前，我国的储油罐监测大多停留在人工方式。

对油罐油量的测量大多采用人工爬罐，投尺进行测量；用带有重锤的米制钢带卷尺或带有刻度的标尺计量，手工记录读数，人工查表换算，最后得到油量数据，这种测量方法不仅劳动强度大，同时存在不安全因素，也无法保证精度这种方式既花费大量的人力物力，而且监测周期时间长，不能实时进行，有的虽然安装了自动化监测系统，但监测精度普遍不高。

大型储油罐的容量一般在1000~100000m3之间，很小的测量误差会造成很大的绝对误差。

因此，研制一套储油罐监测系统，提高储油罐的计量精度和自动化管理水平具有极其重要的现实意义。

1.2 研究现状概述目前，我国有多种油罐监测监控系统，结构组成、功能设计、操作程序可以说五花八门，各不相同，但就其基本工作原理而言，都大同小异。

绝大多数检测监控系统都采用传感器，将罐内油品的有关参数如静压力、油位、温度、密度等原始数据转换成计算机能接受的标准电流电压信号，再经计算机处理、转换运算，求出油品高度，进而得到油品体积或重量。

油量检测最重要的一个参数是液位。

进行罐油量的检测监控首先要解决的问题是对储罐液体石油产品的计量。

而储油罐石油产品计量问题的核心是储罐的液位检测。

随着石油化工工业的发展及工农业生产需要，石油生产、运输及销售管理部门对油罐自动计量技术也越来越重视。

由于目前采用的储罐容量较大，因此油罐的计量精度要求非常高，因为很小的液位高度测量误差都会带来很大的容量误差。

随着具有监测、控制和诊断诸如压力、流量和温度等过程变量功能的计算机控制系统已经在国民经济生产中得到广泛的应用。

光纤、超声波、雷达、传感器等高新技术不断涌现，诸如静压式液位计、伺服式液位计、雷达液位计、磁致式液位计等的出现和使用，使油罐液位自动计量已进入多功能、高精度的新阶段。

储油罐油量混合式计量管理系统是将现代化油罐液位测量技术与“组态”工业自动化软件结合起来。

将压力测量与油位测量相结合对储油罐油量质量进行测算。

测量温度用来计算在参考温度下的标准体积和密度。

储油罐油量混合式计量管理系统是一个非常完善的计量系统，提供液面、体积、质量、平均密度等参数。

储油罐作为油品的存储设备，其安全性必须得到保证。

由于油品具有易燃性、易爆性、腐蚀性等属性，所以储油罐油量混合式计量管理系统必须满足防燃、防爆、耐腐蚀等要求。

同时，为防止油罐的满溢和抽空现象的发生，储油罐油量混合式计量管理系统实时监测液位的高低的并在达到上、下限值时报警。

采用计算机自动监测技术，实时监测储油罐液位、温度等参数，不仅可以方便了解油品存储状况，而且能够及时进行控制，保障安全平稳生产。

2. 系统架构储油罐油量混合式计量管理系统实际应用储油罐区有四个立式金属储油罐如图1所示，高15米（使用高13米），直径10米。

图1立式金属拱顶罐储油罐油量混合式计量管理系统组成：前端储油罐进油管道口安装的扩散硅压力式液位计，由铠装通信电缆传输4-20MA压力——电流信号到插在工控机的USB接口上USB数据采集卡，在工控机上采用“组态”软件进行编程，实现USB 数据采集卡的储油罐油位压力监测，通过“压力--油位系数标定”进行压力——油位换算得到储油罐油位高度，计算出储油罐储油量。

随着科学技术的迅猛发展，高新技术在各行业中得到了广泛的应用，扩散硅压力式液位计测量应用于各类储罐的液位测量。

该种液位仪具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点。

因此，广泛应用于石油、化工等液位测量领域，并逐渐取代了其它传统的传感器，成为液位测量中的精品。

USB数据采集卡可直接插在计算机的USB接口上，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。

也可构成工业生产过程监控系统。

它的主要应用场合为：电子产品质量检测、信号采集、过程控制、伺服控制。

组态软件是中国目前规模最大的工业自动化软件，它的应用涉及电力、化工、冶金、环保、水处理、国属粮库、邮电通讯和食品等各行业，同时作为首家国产监控组态软件应用于军工、国防、航天航空等关键领域，是国内工业应用最广泛的组态软件。

通过扩散硅压力式液位计、USB数据采集卡、工控机及组态软件的有机结合形成了储油罐油量混合式计量管理系统。

图2 储油罐油量混合式计量管理系统框图2.1 高精度压力变换器的选用高精度压力变换器通过测得油品液柱高度产生的静压力来实现油位高度的测量。

如图2中的A点为密闭油罐气相空间中的一点，其静压P即为气相压力，A为油品液柱产生的压力。

B点为油品中深度为H上的一点，其压力PB图3 压力—油位测量原理图根据静力学原理可知，A、B两点的压力差为：P∆ = PB - PA= H·ρ·g （2.1）若图2中的油罐为敞口容器，则PA为大气压Pa，则式（2.1）可写为：P = PB= H·ρ·g （2.2）式中 P——深度为H面的表压力，Pa;PB——B点的绝对压力，Pa；PA——A点的压力，Pa；H——B点在右面下的深度，m；ρ——油品的密度，g/m3；g——重力加速度，m/s2；由式（2.1）和式（2.2）可知，油品液体中任一点的压力等于其表面压力加上油品液体密度与重力加速度及油品液柱高度的乘积。

油品液体的静压力是油品液位高度和油品液体密度的函数，当油品液体的密度为常数时，A、B两点的压力和压差仅与液位高度有关。

因此，通过测量压力或压差，就可进行油品液体高度的测量。

凡是能测量压力或压差的仪表，只要量程合适，都可以用于油品液位测量。

利用静压法直接精确地测出油罐内液位，并通过体积和油品密度，直接得出油品重量，只有出现了能对温度及线性度进行补偿的智能化的变送器，使精度达到0.01%-0.03%才成为现实。

2.1.1 扩散硅压力变换器油罐油品液柱压力通过隔离膜片和硅油传递给压力敏芯片，该芯片上扩散又四个电阻并组成惠斯通电桥，当压力变化时两个对角的电阻值增加，另两个对角电阻减少，在恒定电流（约1mA）的作用下输出50-100mV电压信号，通过转换模块输出液压力成正比的4-20mV的电流信号。

扩散硅压力敏感器件具有高灵敏度输出，测量精度高的特点。

扩散硅压力变换器可长期工作在150-250摄氏度的环境下。

储油罐油量混合式计量管理系统选用了FST800－212型高性能压力变送器。

图4 扩散硅压力变换器2.1.2 陶瓷压力变送器陶瓷压力变送器是利用一种特殊的正比压阻效应的材料，通过厚膜技术印制在陶瓷膜片上，介质压力直接作用于陶瓷膜片的另一面，当压力变化时，通过陶瓷膜片传递给具有压阻效应的材料上，使其构成的惠斯通电桥产生电阻变化，在恒定激励电压的作用下输出mV电压信号。

通过转换模块，输出与压力成正比的4-20mV电流信号。

陶瓷传感器由于陶瓷膜片的抗腐蚀性可与大多数介质相接触，并具有低的温度系数。

2.2 FST800－212型高性能压力变送器FST800－212型高性能压力变送器是基于MEMS技术，采用先进的玻璃微熔技术，避免了温度、湿度、机械疲劳和介质对产品产生的影响，从而加强了传感器在工业环境中的长期稳定性。

压力腔体采用17－4PH不锈钢整体加工，无焊缝、无"O"型圈，无泄漏隐患。

传感器温度和非线性数字补偿电路，具有测量精度高、工作温度范围宽、抗干扰能力强、长期稳定性好等特点。

该系列产品有多种压力连接和电气连接供用户选择。

MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。

微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。

它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。

这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。

2.2.1 FST800－212型高性能压力变送器产品特点产品特点：典型精度：0.075% span；具有先进的温度和非线性数字补偿功能；具有卓越的抗冲击、抗过载、抗震动、耐腐蚀；具有高效防雷击、强抗射频和电磁干扰保护；高精度、高频响、长期稳定性好。