基于單法蘭液位變送器的瀝青罐料位檢測系統設計

黃河 楊洋 王俊 譚屈山 張南蛟 韓俊* 龔先祁

(1.四川成綿蒼巴高速公路有限責任公司成都分公司；2.四川數字交通科技股份有限公司)

瀝青是一種常見的道路鋪設材料，在道路施工中應用廣泛。瀝青路面具有許多優點，包括平滑舒適、減少噪音、提高車輛抓地力、減少磨損和降低維護成本，因此在公路、城市道路和機場跑道等地面鋪設工程中得到了廣泛的應用。目前，瀝青罐料位監測主要采用浮標液位計。這種浮標液位計是一種現場儀表，以浮標為測量元件，通過機械組件間接顯示被測介質液位。然而，這種方式無法實時傳遞電子信號以傳達實時料位信息，同時需要工作人員親自前往現場讀取數據。考慮到瀝青本身具有毒性，這種監測方式對工作人員的身體健康存在較大的威脅。隨著信息化時代的到來，一些單機料位監測系統也被應用到拌合站料位監測工作當中。然而，對瀝青罐的相關監測數據僅限于本地存儲，需要相關工作人員親自前往現場拉取數據進行分析，這在復雜的施工環境和瀝青罐高溫有毒的特性下可能導致監測數據不全或出現錯誤。為了解決這一問題，可以在拌合站瀝青罐的監測位置部署物聯網節點，通過將相關數據上傳至消息中轉平臺，實現對監測數據的遠程實時管理和分析。這樣使得料位監控更加輕量、便捷，并且可以遠程實現，通過網頁或者小程序等方式直觀展示數據，有效提高了監測數據的準確性和及時性。這種技術應用為瀝青罐料位監測帶來了全新的可能性，提升了施工安全和效率。

現階段瀝青罐檢測原理主要有雷達測距、超聲波測距、壓力傳感器、磁致伸縮傳感器。雷達測距方式通過調頻連續波雷達測距原理設計，在測量過程中通過FMCW 信號在瀝青液面反射從而得到液位數據。但是在瀝青罐中通常會有高溫蒸汽彌漫，瀝青蒸汽會導致信號發生裝置與信號接收裝置損壞，影響液位測量結果。[1]為了減少高溫環境對測量裝置的影響，磁致伸縮測位原理被應用在液位測量中，磁致伸縮測位計是由測頭、測桿、磁環、導波絲組成的機械裝置，測位計安裝在瀝青罐頂部，測桿在瀝青液體中，磁環安裝在測桿上。在液位發生變化時裝置的電磁場發生變化，進而得到液位數據，磁致伸縮測位計采用機械裝置對液位進行測量，可以避免高溫瀝青蒸汽對測量結果的影響，但是瀝青材料性狀粘稠，對測位計測桿使用壽命影響較大。[2]基于超聲波測距是通過超聲波在瀝青罐頂端與液面之間對液位進行測量，通過瀝青罐頂端的液位測量裝置發射超聲波，并接受由液面產生的回波信號，通過單片機對數據進行處理。但是在瀝青罐內部溫度較高并且會有波動時，罐內的瀝青蒸汽的彌漫，會對超聲波傳播速度產生影響。[3]

本文基于單法蘭液位變送器對瀝青罐料位進行監測，其在很大程度上可以減少瀝青罐內高溫、蒸汽等復雜環境對數據產生的干擾，同時利用遠程監控平臺可以實現對瀝青罐檢測的數字化與精準化。

1.瀝青罐料位監控系統需求分析

瀝青罐料位檢測系統的用戶可以大致分為兩類：公路施工瀝青拌合站現場工作人員和項目監督管理人員。公路施工瀝青拌合站現場工作人員關心的監控指標是當前瀝青物料的狀態。這直接關系到施工方案的進度和工作安排。準確監測瀝青的物料狀態對于及時調整施工計劃、確保生產進度和質量至關重要。例如，現場工作人需要監測瀝青的液位、溫度以及密度等參數，以便根據實際情況進行調整，確保拌合站的正常運行和瀝青材料的高效利用。而對于項目監督管理人員來說，其更關注于某一個施工階段內瀝青物料的變化以及所生產瀝青物料的質量。需要通過監控系統獲得準確的瀝青物料數據，以便評估施工進度、質量合規性，并進行必要的管理決策。監測瀝青物料的變化和質量可以幫助他們及時發現問題、改進工藝，并確保最終路面材料的質量達標。因此，瀝青罐料位檢測系統對于這兩類用戶都具有重要的意義，能夠為他們提供實時、準確的瀝青物料數據，幫助他們有效地管理和監控施工過程，確保項目順利進行并達到預期的質量標準。

在公路施工的瀝青拌合站中一般都會采用多瀝青罐存儲瀝青物料的方式，當需要生產瀝青材料時會有運輸車輛將瀝青原料放置于瀝青池中，然后通過泵機將瀝青原料注入瀝青罐內。但現階段很多公路施工瀝青拌合站存在瀝青罐數量多、工作人員少、管理不到位等問題，這就導致在瀝青注入瀝青罐時可能會出現物料外溢等安全事故，不僅會浪費施工原料，其高溫物料更會對現場工作人員造成傷害。其次，現階段的瀝青罐在加料過程中無法準確獲悉原料注入量，對施工原料的把控無法做到精準化與信息化。

瀝青罐料位監測系統的主要監控指標為料位的高度，分為最低料位點與最高料位點，最低料位點關乎公路施工是否能順利進行，最高料位點關乎瀝青原料在注入時是否會發生浪費。在瀝青罐檢測系統中對溫度的監測也是十分必要的，結合單法蘭液位變送器的原理，如果要得到瀝青物料的質量就必須知道當前瀝青物料的溫度，溫度的控制對瀝青物料的質量會產生影響。

2.單法蘭液位變送器測料位原理

單法蘭液位變送器是一種非常有用的設備，能夠對各種容器中液位和密度進行精確測量。它通常具有平法蘭和插入式法蘭兩種類型，適用于測量高粘度介質或懸浮液體。這種變送器主要由兩個電極和測量膜片組成。測量膜片會根據瀝青的壓力變化而改變位置，從而形成一個可移動的膜片與固定的電極板之間的電容器。在瀝青罐內，液態瀝青的質量變化會導致受壓膜片上的壓力發生變化。這些壓力通過硅油相互傳遞，導致瀝青罐內的瀝青質量與壓力成正比。由于瀝青液體的壓力與膜片的位移量成正比，因此可以將其轉換成4～20mA 直流信號輸出，從而實現對瀝青液位和密度的準確測量。這種設計使得單法蘭液位變送器能夠在復雜的工業環境中穩定可靠地工作，為油料、化工等行業的生產和運營提供重要的數據支持。同時，它的精準測量能力也有助于優化生產流程，提高生產效率和質量控制水平。

在拌合站中瀝青罐多數為臥置的圓柱形罐體，傳感器采用在罐體側面距離罐底高度焊接放置，由于單法蘭液位變送器需要放置在液體中，故不能緊貼于罐底，需要與罐底預留出高度。單法蘭液位變送器的壓力公式如公式（2-1）所示。

公式（2-1）中ρ 為瀝青的密度；g 為重力加速度，h1本文中取9.8m/s2；為單法蘭液位變送器到瀝青料位頂面的高度。

基質瀝青在80°～90°之間開始具有流動性，瀝青在瀝青罐內的溫度一般在130°左右，此狀態下瀝青為液體狀態，瀝青料位高度可以通過液體壓力與料位高度計算得出。由于瀝青的密度與瀝青實時溫度有關系，所以在安裝單法蘭傳感器的同時需要安裝溫度傳感器，溫度與瀝青密度之間的關系可以由瀝青生產者提供，結合實時溫度可以計算出此時瀝青密度，同時根據單法蘭壓力傳感距離罐底高度可以得到瀝青料位高度如公式（2-2）所示。

3.料位監控系統架構設計

該系統采用物聯網架構設計，系統為三層架構，分別為應用層、網絡層、感知層，如圖1 所示。在本系統中，感知層為單法蘭液位變送器采集拌合站中瀝青罐中的料位信息，網絡層用來溝通應用層與感知層，實現數據的雙向傳遞。本系統使用RabbitMQ 服務器，在應用層使用NB-IoT 模塊來實現數據的傳輸。應用層為遠程監控云平臺，應用層作為系統的用戶交互模塊，主要實現數據的存儲與處理、人機交互功能。

圖1 系統架構圖

3.1 瀝青罐監控總體設計

瀝青罐監測終端是由單法蘭液位變送器、溫度傳感器、STM32、NB-IoT 模塊、AD 轉換器共同組成的，通過放置在瀝青罐中的壓力傳感器與溫度傳感器計算出來的料位信息傳遞給STM32 芯片，最終通過NB-IoT 模塊上傳至RabbitMQ 服務器中。瀝青罐監測終端架構如圖2 所示。

圖2 瀝青罐監測終端架構

本系統現場監控主機由STM32 主控板、NB-IoT 模塊、AD 轉換器共同構成，監測主機接受瀝青罐監測終端的信息并負責信號的轉換，同時也要溝通應用層，負責數據的上傳。監控主機結構如圖3 所示。

圖3 監控主機

該系統使用 ARM Cortex-M3 核的 STM32F103RCT作為主控制芯片，它是系統監測主機的核心部分，STM32F103RCT6 是STMicroelectronics（意法半導體）推出的一款32 位ARM Cortex-M3 內核的微控制器（Microcontroller Unit，MCU），它屬于STM32F1 系列產品。

單法蘭液位變送器與溫度傳感器采集到的數據由AD 轉換器轉換為數字信號送給STM32 主控芯片，STM32 主控芯片將信號傳輸給NB-IoT 模塊,最終實現數據的傳輸。其中AD 轉換器與STM32 主控芯片之間的通信協議為RS485，RS485 使用半雙工工作模式，STM 主控芯片可以接收AD轉換器輸出的16 進制數據，RS485 通信模塊中的AX1487芯片在使用過程中對大多數環境干擾具有抵抗作用。STM32主控芯片與NB-IoT 模塊之間的通信協議為RS232，NB-IoT模塊通過RS232 接受主控芯片的指令，RS232 也同時從云端傳輸給NB-IoT 模塊的命令。

AD 轉換器將單法蘭液位變送器傳輸的信號轉換為16進制數據，STM32 主控芯片通過處理得到具體的電流數值。NB-IoT 模塊的初始化由STM32 主控芯片完成，數據通過MQTT 協議進行打包傳輸，同時NB-IoT 模塊的數據傳輸也由STM32 主控芯片完成。

在本系統中監測主機與傳感器設備需要供電，系統通過電源模塊對系統供電，單法蘭液位變送器、溫度傳感器、AD 轉換器、NB-IoT 模塊使用由220V AC 轉換為24V DC，STM32 主控芯片、RS482 通信模塊、RS282 通信模塊使用24V DC 轉3.3V DC。

3.2 數據傳輸方案設計

系統數據傳輸方案如圖4 所示，瀝青罐監測終端將采集到的數據通過NB-IoT 模塊發送到Rabbit-MQ 服務器中，再由服務器發送至遠程監控平臺中的MQTT 數據處理模塊中，經過處理將數據存入數據庫，最終通過用戶交互模塊實現遠程監控。

圖4 數據傳輸方式

采用MQTT 協議可以實現客戶端和服務器對消息的傳輸，系統使用Rabbit-MQ 是一種開源軟件，可以有效避免上傳數據量過大而導致的堵塞問題，使瀝青罐料位檢測系統數據傳輸更加可靠 。

在數據傳輸過程中兩個通訊程序需同時在線，任意一方掉線都會導致數據傳輸失敗，Rabbit-MQ 技術通過消息隊列可以在數據傳輸時只有一個程序在線，消息隊列可以接收應用程序發來的數據并按順序儲存下來，當其他應用數據需要讀取數據時消息隊列可以按照儲存數據的順序依次將數據傳輸給應用程序。

（1）NB-IoT 模塊

NB-IoT 是指窄帶物聯網（narrow band internet of things）技術，是一種低功耗廣域（lpwa）網絡技術標準，基于蜂窩技術，用于連接使用無線蜂窩網絡的各種智能傳感器和設備，聚焦于低功耗廣覆蓋（lpwa）物聯網（IoT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。

在本系統中瀝青罐監測終端得到溫度以及料位數據后對NB-IoT 模塊進行調用，以此實現數據傳輸，NB-IoT 模塊首先與eNodeB 基站連接，二者通過空口連接方式進行連接，之后eNodeB 基站再與IoT 核心網絡通信，經過處理傳輸至IoT 平臺，平臺根據不同的通訊鏈路將信息發送至不同的服務器做進一步處理。[4]

在使用NB-IoT 模塊時需要進行初始化，本系統使用通信協議為MQTT，首先將NB-IoT 模塊工作模式設置為9-MQTT，在線模式需設置為1-永遠在線模式。瀝青罐料位檢測系統的數據傳輸需要不間斷，NB-IoT 模塊在通電后與遠程監控中心需要保持通信，一方掉線后需自動連接，在不發送數據時需發送心跳包來減少喚醒次數，增加數據傳輸可靠性。為了增強瀝青罐料位監測系統的可靠性，遠程監控平臺分別設置主數據中心與備數據中心，NB-IoT 模塊首先嘗試連接主數據中心，如果連接失敗再嘗試連接備數據中心，需NB-IoT 模塊設置為1-主備中心切換模式。NB-IoT 模塊在使用之前需要進行調試，數據通信調試會影響正常數據通信，在調試工作結束后需將NB-IoT 模塊調試模式設置為0-關閉調試。NB-IoT 模塊內部設置一個時間段如果沒有任何數據通信則會自動下線，但是瀝青罐料位檢測系統需要實時數據，故需要NB-IoT 模塊定時發送心跳包來維持與Rabbit-MQ 服務器的連接，心跳間隔根據系統檢測需求頻率來確定，一般設置為1min。

（2）Rabbit-MQ 服務器

本系統使用阿里云服務器來接收消息，將Rabbit-MQ服務器部署在阿里云服務器內，阿里云服務器功能強大，作為一個常用服務器其IP 地址穩定，安全性高。

瀝青罐監控主機發布信息至Rabbit-MQ 服務器，監控中心通過消息隊列來讀取信息。遠程監控中心將用戶信息發布在Rabbit-MQ 服務器，監控主機通過信息訂閱來讀取用戶信息，從而實現人機交互模塊。Rabbit-MQ 服務器數據傳輸過程如圖5 所示。

Rabbit-MQ 服務器數據的優點就在于使用消息隊列，瀝青罐料位監測分別設置了瀝青罐料位消息隊列與瀝青罐控制指令消息隊列，分部設計消息隊列可以有效避免數據上傳與指令發布帶來的沖突。瀝青罐料位消息隊列存儲溫度數據、料位數據，瀝青罐控制指令消息隊列存儲遠程監控中心發布的指令。Rabbit-MQ 消息隊列如圖6 所示。

圖6 Rabbit-MQ 消息隊列

3.3 遠程監控云平臺設計

遠程監控架構如圖7 所示，遠程監控云平臺主要包括表現層、邏輯層、數據層、數據庫，通過瀝青罐監控終端采集到的數據上傳到遠程監控云平臺，經過數據處理模塊的處理后在數據庫中進行存儲，用戶通過交互模塊進行數據的讀取，數據的處理展示通過業務邏輯層完成。

圖7 遠程監控架構圖

為了提升程序的維護效率，在數據層與邏輯層設置了接口，對內部程序進行維護之后可以免去對表現成調用程序的更改。

在數據訪問層使用了實體框架EF,并與SQLServer 數據庫進行映射，以實現數據庫的具體操作。相應的實體類Models 中包含了業務邏輯層和數據訪問層所需的所有類。數據傳輸對象Dto 用于存儲表現層所需的類，即直接展示在界面上的數據類。通過使用Dto 提升系統的解耦性。對于系統模型的變化，只需要替換模型，而無需修改表現層的代碼，便能實現平滑的模型替換。

遠程監控平臺可以提供瀝青罐料位信息、瀝青物料信息，其中瀝青罐信息包括瀝青物料型號批次、瀝青罐基本信息、瀝青物料物理化學信息等，管理人員可以通過平臺對相關信息進行查看與修改。工作人員可以通過選擇對應的瀝青罐來查看具體的瀝青料位信息。

4.結束語

本文分析單法蘭液位變送器的測料位原理，同時結合現階段我國交通道路的現狀以及現階段仍有很多地區道路交通施工現場瀝青拌合站料位監測現狀，設計了一種基于單法蘭液位變送器的瀝青罐料位檢測系統，以此來實現對瀝青拌合站中瀝青罐的精細化管理。該系統可以解決由于瀝青罐特殊環境導致的料位檢測不準確問題，同時可以實現對瀝青罐料位檢測的精細化與信息化，相較于機械原理液位測量裝置其數據精準度有很大提升，相較于傳統單機料位監測系統，該系統可以大大提升公路施工過程中瀝青拌合站的工作質量與效率。