图1  在结晶水平的磁致伸缩

物联网时代将加速所有联网系统的整合。目前在工业领域，ZigBee与Wireless 将成为下一时代的主流。本文将介绍具有无线传输功能的LeveLink搭配磁致伸缩液位计。此系统的发展将可带动在相关产业的自动化整合，达成Wireless Process Control 的目标。

上海凡宜科技最新研发出LeveLink系列崁入式控制系统，应用于液化气（加油）站测量，与无线数据连接。LeveLink具有系统强性件、多通道沟通，它可以实现远程控制、无线传输。LeveLink经MODBUS，4~20mA标准信号接口，可连接各种雷达物位计、磁致伸缩物位计、射频导纳物位计等装置，具有高度的可靠性与精确度，此系统可适用于各种制程自动化工业需求。LeveLink主要功能特色包含：

具有无线传送警示功能，可经由四4GSM（850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz）交互式查询现场情况；

交互式远传需求，可经由TCP/IP Ethernet设定控制命令，web现场查询；

具有自我诊断功能；

具有智能型泄漏、偷窃防治功能，搭配高精度的磁致伸缩物位计（0.01% Full Scale），可精确到0.1gallon/hr（0.455L/h）泄漏侦测；

多站区管理，单一主机可直接连结32个感测装置，最多可同时多部连接512套装置，达到系统整合管理；

具有接口设定桶槽功能；

数据查询与纪录功能。

图2  LeveLink与磁致伸缩传感应在液化气站、加油站联机架构

液化气站、加油站的防雷与安全性要求

液化气站、加油站传感器防雷，可根据规范的规定内容及液化气站及加油站的特性来确定防雷分类，汽油罐和液化气罐贮有高危的易燃易爆物，应属于第一类或第二类防雷，其建（构）筑物按规范所划分的内容来确定，一般是按二类防雷来设计检测，储有或使用液化气或汽油类易燃易爆类物体的建（构）筑物应按第一类或第二类防雷来设计检测。具体检测的内容包括：直击雷、感应雷（包括雷电波的侵入）、静电、等电位、电涌保护器SPD（过电压保护器）及各种接地电阻的检查检测。一般来说，其接地要求如下表，相关重要参考数据如李良福编撰的易爆易燃场所防雷抗静电安全检测技术参照相关国家标准，如GB15599-1995、GB50074-2002、GB50343-2004。

重大危险源安全监控通用技术规范

监控系统通常是由传感器、二次检测仪表、逻辑控制器、执行机构、报警设备以及工业数据通信网络等仪表和器材所组成的计算机数据采集与监控系统。视要求采集液位、温度、湿度、压力、流量、阀位、火焰、可燃及有毒气体、风向和风速等传感器参数，并由智能故障诊断和事故预警软件系统进行数据分析以确定现场的安全状况，同时配备连锁装备在危险出现时采取相应措施，实现自动预警、联网声光报警、监控信息显示、打印、控制、数据传输、以及安全数据或状态记录储存的工程技术软硬件系统。目前在这方面的国家标准尚未完整建立，较重要部分兹列举如下：

GB18218重大危险源辨识；

GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求；

GB50058爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范；

GB50257电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范；

GB50093自动化仪表工程施工及验收规范；

SY/T 6319防止静电、闪电和杂散电流引燃的措施；

GB/T8566信息技术软件生存周期过程；

GB/T8567计算机软件产品开发文件编制指南；

GB17681易燃易爆罐区安全监控系统验收技术要求。

图3  （a，b）磁致伸缩传感器校正平台与磁致伸缩传感器 ；（c）校正结果

重大危险源主要涉及生产、使用和储存大量易燃、易爆及毒性物质，易发生燃烧、爆炸和中毒等重大事故，故监控系统需解决下列问题：

充分考虑生产过程复杂的工艺安全因素、物料危险特性、被保护对象的事故特殊性、事故连锁反应以及环境影响等问题，根据工程危险及有害因素分析完成安全分析和系统设计；

通过现场数据采集与监控网络，实时监控与安全相关的监测预警参数，通过计算机、通信、控制与信息处理技术的有机结合，实现不同生产单元或区域、不同安全监控设备的信息融合，并通过人机友好的交互界面提供可视化、图形化的监控平台；

通过对现场采集的监控数据和信息的智能分析，完成故障诊断和事故预警，及时发现异常，为操作人员进行现场故障的排除和应急处置提供指导，保障生产安全。

油槽泄漏规范

槽体或管线渗漏概率，根据美国宾州环境资源部的研究，10年以上的储油槽有46%发生泄漏，15年以上者，泄漏机率高达71%。储槽本身之泄漏占49%，管路之泄漏占39%，其他两者皆泄漏者占12%，此凸显出早于预警的整合性系统的重要性，亦为本文所介绍的LeveLink的开发目的。根据相关泄漏率标准的制定，目前最严苛的标准为0.1gallon/hr（0.455L/h），在3h内检出。几个检测泄漏的方法如下：

土壤气体含量抽出分析（只能测知有无泄漏）；

地下水含量抽出分析（只能测知有无泄漏）；

槽体结构测试（只能测知有无泄漏）；

自动坦克Gaguing。

本文介绍的Levelink搭配磁致伸缩液位计，达到高精度检测的目标，泄漏率的计算方法，依照PSA标准，泄漏率等比例于储槽的表面积，以PSA标准来说，616ft2（1ft=304.8mm）储槽，其可侦测泄漏率精确度要求为0.2GPH（gal/h）与PD=96.4％和PFA=3.6％，再一例为PSA=900ft2，其可侦测泄漏率精确度要求为= [（900ft2÷616ft2）× 0.2GPH]=0.29GPH（1.318L/h）。

图4 LeveLink与磁致伸缩液位计硬件方块图

磁致伸缩传感器的设计原理

液化气站和加油站属于计量级的高精度要求， 一般需要磁致伸缩传感器具有高精确度0.05%F.S等级，具有双浮球动作, 至少可以高精度测量油位高位（Fuel High）、油位低位（Fuel Low）、含水位高位（Water High）等。更进阶的选择，可在磁致伸缩液位计内崁入一个RTD 温度传感器同时感测槽体温度。实务设计尚须考虑本质安全（Intrinsic Safety）、低温度漂移系数等。上海凡宜电子科技公司的EG磁致伸缩液位计，具有低温漂设计（0.01%/℃）与NEPSI认证，适用于液化气（加油）站的整合型运用。

磁致效应效应为James于1842年所发现，当磁致效应材料产生应变量ε时，应变量ε不只为应力σ的函数，也是磁场强度H的函数，其关系式为ε=sH+d0H，其中sH为材料的Compliance，d0为磁致效应系数（Magnetostrictive Coefficient）。并非所有的磁性材料都有足够的磁致效应能作为感测组件，其由施加磁场强度所引致的磁偶（Dipole Moment）大小决定，如图1所示。

磁致伸缩传感器与LeveLink的信号传递接口为异步时序 （Asynchronous Timing）。首先，磁致伸缩传感器内部电路产生一个高脉冲（Interrogation Pulse），传递到磁致伸缩感应棒，藉由电磁交变反应，其基本构造由一个作为Core的磁导材料，一个以上的永久磁性装置，一个电流脉波发生器以及应变讯号检出器构成。应变讯号检出器可以是藉由检出磁致伸缩传感器因应变产生的磁场变化，在另一端由Coil检出。或者，以一个压电材料，检出应变量转换成电压。此效应称为Magnetostrictive Effects（磁场造成磁性材料械形变），结合反向作用，称为Inverse Magnetostrictive Effects（机械形变造成磁场变异），则可以检测出磁性材料的变化，作为信号检出。LeveLink经RS-485物理层，以MODBUS命令与磁致伸缩组件通信，取得物位/液位信号，作信息监视与控制整合，并支持不同的无线接口转换（四频GSM，850/900/1800/1900MHz），例如若现场施配困难，磁致伸缩组件可以经ZigBee传送相关信息并由LeveLink读取，LeveLink此时则充当了一个Coordinator，可启动与组织所有挂载有ZigBee 接口的磁致伸缩液位计，架构如图2所示。

图3（a）~（b）为一可量测到6m的校正平台，由5相步进马达带动正时皮带，可以同时校正设定2支磁致伸缩传感器。平台的精度可达0.05mm。整个程序采用自行开发的程序接口，依据不同的行程长度，划分成50个等区间依次校正，整个程序花费4~5min。图3（b）则为目前桓达科技的磁致伸缩传感器的一种标准结构，其特征为可分离型，方便使用者拆装使用，具有友善的维护功能。图3（c）为典型的校正结果，由图可视，上海凡宜的磁致伸缩液位计，出厂精度严格控制于0.01% F.S。（产品标示为0.05% F.S）

LeveLink控制器功能

LeveLink的功能硬件架构如图4 所示。其为一个以ARM为硬件的CPU，搭配Linux OS操作系统开发，具有多信道接口（3组UART，USB，LCD，AD，DA，DIO）与强大的内建记忆功能 （Flash Memory，SDRAM，2GB Memory Card）；LeveLink可以使用4~20mA接口或RS-485通信层，与各种传感器作信号连结，包含磁致伸缩液位计、雷达物位计等。在本文中所介绍的为磁致伸缩液位计，其硬件组成包含一个loop power控制器，温度感测电路，CPLD Clock电路，OP放大电路，及信号补偿电路的组成，如图3所示。操作上，使用者可以内建5组GSM行动电话号码，每一个输出/入模块供电为DC±12V,可接受各种热电偶与标准电压电流信号（K，J，T，E, R，S，B，N type with±0.3%accuracy）, RTD（PT100，JPT100），voltage（±0.1%accuracy）and current（0~20mA）。该设计方便使用者连接其他设施如流量、温度、压力传感器和称重传感器等。

LeveLink使用者接口

LeveLink是一个强韧、高可靠性的数据管理系统，同时具备有液化气站和加油站的库存管理功能 （Inventory Management）；具有功能强大的人机接口，使用者可以使用内建的标准Silo形态、或利用使用者输入函示库，简单设定要监视的桶槽形式。呈现在画面上为切页式使用者功能，并具有各种数据记录、警示、历史查询、交班管理等功能；并可经由TCP/IP或Ethernet连结，在固定IP地址呈现现场情况，提供管理者便利的工具。LeveLink设计概念为多通道同步警示，当有异常发生时，系统将自动发出e-mail, 屏幕显示信息，自动发出GSM简讯，并于Web接口上发出警告信息，使得各管理阶层人员，都能在同一时间得到最新信息。