羅會玖

摘要：為了確保輸油管道的安全運行，設(shè)計了基于GPRS的輸油管道實時監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用“負(fù)壓波”法進(jìn)行泄露檢測，通過RTU控制數(shù)據(jù)采集，利用GPRS無線傳輸通信實現(xiàn)現(xiàn)場RTU與監(jiān)控室數(shù)據(jù)通信，從而完成對輸油管道實時監(jiān)控功能。

關(guān)鍵詞：輸油管道；GPRS；泄漏檢測與定位；負(fù)壓波

中圖分類號：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）07-1670-03

石油輸送管道大多在野外，點多、分散、距離長，面臨打孔盜油、不法分子的蓄意破壞等問題，與前些年相比，這些年的“油耗子”盜油“技術(shù)含量”越來越高；為了有效解決這些難題，在石油輸送管道沿線布置管道監(jiān)控裝置，而而長期以來對監(jiān)控信息的傳輸沒有好的解決方案，很多地方甚至連電話線都沒有，更談不上采用光纖接入等方式；針對這個情況，設(shè)計的系統(tǒng)中將無線GPRS無線傳輸技術(shù)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)緊密結(jié)合，實時采集數(shù)據(jù)，全方位識別，全天候處理，將監(jiān)控信息傳送到監(jiān)控室中，減少盜油案件的發(fā)生，減少了油田損失，減少巡線隊員的工作量，提高了長輸管道的現(xiàn)代化管理水平，為今后開展優(yōu)化運行調(diào)度和自動化監(jiān)控打下了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

輸油管道自動化監(jiān)控系統(tǒng)通過對管道首站和末站的壓力、溫度及流量的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對管道的完全監(jiān)控，管道發(fā)生泄漏時，首端流量上升，末端流量下降，輸差增大，同時首末站壓力下降，當(dāng)輸差和壓力變化量大于“設(shè)定值”（報警門坎）時，系統(tǒng)報警。整個管道監(jiān)控系統(tǒng)由安裝在首站及末站的現(xiàn)場采集控制單元RTU、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸單元、監(jiān)控室數(shù)據(jù)中心組成；系統(tǒng)通過現(xiàn)場RTU模塊實現(xiàn)與GPRS DTU 的數(shù)據(jù)交互， RTU 實時接收監(jiān)控室數(shù)據(jù)中心發(fā)來的控制命令完成相應(yīng)控制功能，同時RTU 定時將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS DTU，GPRS DTU在收到RTU 發(fā)來的數(shù)據(jù)會立即轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控室數(shù)據(jù)中心，整個監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

1）現(xiàn)場采集控制部分：前端的壓力、溫度及流量分別通過溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器進(jìn)行采集，再把采集后的信號輸入到數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行處理，其中數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采用帶有獨立CPU的緊湊型控制器，數(shù)據(jù)采集處理單元主要由16-bit、8-channel analog differential input module和16-bit、microprocessor組成，分別對壓力和流量信號進(jìn)行前置放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、編程等預(yù)處理，它適用于無人值守的工作環(huán)境，能夠進(jìn)行獨立的數(shù)據(jù)采集和處理。

2）GPRS 數(shù)據(jù)傳輸：RTU 將各工藝參數(shù)實時采集后，按照GPRS 模塊的數(shù)據(jù)格式添加相應(yīng)的目的地址后，通過工業(yè)總線發(fā)給GPRS DTU 模塊，之后GPRS DTU模塊根據(jù)數(shù)據(jù)的目的地址選擇傳輸?shù)穆酚?，將信號發(fā)送到GPRS 網(wǎng)絡(luò)中。

3）監(jiān)控中心計算機：采用輪詢方式收集各管道控制器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析經(jīng)處理后，進(jìn)輸油管道實時數(shù)據(jù)庫，并對采集上來的溫度、壓力及流量信號以曲線的形式進(jìn)行實時顯示，并根據(jù)輸油管道兩端的壓力采集信號，以負(fù)壓波方法為理論基礎(chǔ)，對輸油管道中所出現(xiàn)的泄漏及時進(jìn)行報警并確定泄漏點所在位置，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、歷史趨勢分析、報表打印等。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、顯示模塊、輸入輸出接口模塊和網(wǎng)絡(luò)瀏覽模塊等。

1）數(shù)據(jù)處理模塊

泄漏檢測與定位算法： 若泄漏指標(biāo)超過閾值，先判斷是否由工況變化引起，如是工況變化，系統(tǒng)不報警，但給值班人員以“工況變化”提示；如果判斷為泄漏，則給出聲、光報警提示，同時給出泄漏點定位。泄漏監(jiān)測的實現(xiàn)方式：三級層次結(jié)構(gòu)：一是泄漏監(jiān)測儀實時感測管道內(nèi)的聲波信號，并以4-20mA形式輸出信號到泄漏監(jiān)測RTU；二是泄漏監(jiān)測RTU實時采集4-20mA聲波信號，并通過GPS授時，給實時數(shù)據(jù)打上時間標(biāo)簽，通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到泄漏監(jiān)測中心；三是泄漏監(jiān)測中心接收上、下游RTU傳送的數(shù)據(jù)，通過自適應(yīng)信號去噪和信號重構(gòu)、聲紋特征提取和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型，實現(xiàn)泄漏的可靠診斷。通過相關(guān)分析實現(xiàn)泄漏定位。

系統(tǒng)泄漏定位采用負(fù)壓波輸量平衡法，當(dāng)管線某點發(fā)生泄漏時，該點就會產(chǎn)生一個負(fù)壓波，這個壓力的變化通過介質(zhì)按一定規(guī)律向兩端傳播，壓力波傳播過程衰減較小，可以傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，傳感器能檢測出壓力波到達(dá)測量點的時刻，利用負(fù)壓波通過上下游測量點的時間差以及負(fù)壓波在管線中的傳播速度，可以確定泄漏位置。

設(shè)管道長度L、壓力波傳遞速度α（變量）、流速V，t1與t2分別是壓力波傳遞到首站及末站的時間，[Δt=t2-t1]，由以下公式即可算出管道泄漏位置X0： [X0=a-V2aL+Δt（a+V）]，由此可以看出：負(fù)壓波的瞬時傳播速度與介質(zhì)的溫度、粘度、管道材料、管徑、彈性模量等參數(shù)有關(guān)，負(fù)壓波輸量平衡法關(guān)鍵技術(shù)問題是微弱信號的提取和傳播速度的修正，對由于因管線的工況參數(shù)及被輸介質(zhì)的理化性質(zhì)和溫度等引起壓力波的傳遞速度及衰減速度變化進(jìn)行必要的補償和修正，即可實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

精確獲得泄漏引發(fā)的壓力波傳播到上下游傳感器的信號，需要準(zhǔn)確地捕捉到泄漏壓力波信號序列的對應(yīng)特征點。由于不可避免的工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、輸油泵的振動等因素，采集到的壓力波信號序列附加了大量噪聲，如何從噪聲當(dāng)中準(zhǔn)確地提取出信號的特征點是定位的關(guān)鍵。利用小波變換對負(fù)壓波信號進(jìn)行處理，并應(yīng)用于輸油管道泄漏報警定位系統(tǒng)”。通過小波算法的應(yīng)用，克服了以往算法的缺點，提高了運算速度和處理精度。

小波變換（wavelet transform）是80年代后期發(fā)展起來的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支。小波變換的含義是：把某一被稱為基本小波[也叫母小波（mother wavelet）]的函數(shù)ψ（t）作位移τ后，再在不同尺度a下與待分析信號x（t）作內(nèi)積：

[WTx（a，τ）=1a-∞+∞x（t）ψ?t-τadt，a>0]，等效的頻域表示是：

[WTx（a，τ）=a2π-∞+∞X（t）Ψ?（aω）e+jωπdω]。

對由于因管線的工況參數(shù)及被輸介質(zhì)的理化性質(zhì)和溫度等引起壓力波的傳遞速度及衰減速度變化進(jìn)行必要的補償和修正，即可實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。負(fù)壓波傳播速度修正公式 ：[a=Kρ1+（D/e）（K/E）C1]，式中 a為管內(nèi)壓力波的傳播速度（m/s），K為液體的體積彈性系數(shù)（Pa），r為液體的密度（kg/m3），E為管材的彈性（Pa），D 為管道直徑（m），e為管壁厚度（m），C1為與管道的約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。

考慮到精度和計算量的要求，這里采用復(fù)化Simpson算法進(jìn)行泄漏點定位：

2）GPRS 通信

通訊系統(tǒng)采用GPRS 通訊方式，通訊系統(tǒng)的主要功能是把首站和末站經(jīng)過“數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)”處理以后的壓力、流量信號送到集輸調(diào)度室的“數(shù)據(jù)監(jiān)視處理系統(tǒng)”，調(diào)度室通過網(wǎng)絡(luò)傳到其它管理科室。

GPRS模塊選用MC35實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及報告信息的遠(yuǎn)程傳輸。模塊內(nèi)具備TCP/IP協(xié)議棧，可直接利用它進(jìn)行無線上網(wǎng)， GPRS模塊使用UART接口和微處理器控制器進(jìn)行通信，通過微控制器AT指令對MC35進(jìn)行上網(wǎng)前的設(shè)置和數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)收到MC35的正確反饋回答后，1條物理信道就在MC35和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間建立起來。微控制器通過向MC35發(fā)送不同的AT命令來控制其工作。

MC35加電后，應(yīng)用程序需通過P0口操作MC35的ON/OFF控制位，CMS91正式啟動的過程大約3～5 s，若MC35接有有效的SIM卡，MC35將附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)。對MC35的串口讀寫操作仍然由中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)，復(fù)位上電后，程序先進(jìn)行工作頻率等參數(shù)的設(shè)置，然后進(jìn)行撥號和PPP協(xié)商；PPP協(xié)商成功后，將得到系統(tǒng)本地IP，一旦獲得自己的IP，系統(tǒng)實際上就已經(jīng)連入Internet，但要和連入Internet的另一IP終端通信，就還需要與另一IP終端進(jìn)行端對端的TCP連接。在TCP連接成功后，整個程序?qū)⒈３诌@個連接狀態(tài)。進(jìn)入TCP連接狀態(tài)后，可能會收到TCP連接的另一IP終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，在層層解包處理之后，便可以得到TCP層之上的種種應(yīng)用層數(shù)據(jù)。如果要向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，則要先進(jìn)行中斷請求發(fā)送，在等到TCP連接建立之后方可發(fā)送。這部分TCP/IP協(xié)議的處理由CMS91內(nèi)嵌的微控制器來完成。

3）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)分別安裝在首站和末站，主要對流量、壓力、溫度信號的采集、預(yù)處理、壓縮打包后，通過通訊系統(tǒng)送到數(shù)據(jù)監(jiān)視處理系統(tǒng)，RTU從與智能傳感器連接的串行端口（COM）接收到傳感器數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包解碼成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。以備中心站在請求數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，采集的數(shù)據(jù)包括壓力信號、溫度信號、流量信號和開關(guān)量信號。

4）顯示模塊

實時顯示RTU顯示壓力、流量、溫度的數(shù)據(jù)， 如果接上VGA顯示器（或者從遠(yuǎn)程桌面登錄到此計算機），可從屏幕上觀測到RTU狀態(tài)，以便于診斷RTU故障。

5）遠(yuǎn)程瀏覽模塊

數(shù)據(jù)的保存功能：每隔一定時間，把當(dāng)前時刻數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中；

遠(yuǎn)端訪問功能：利用遠(yuǎn)程訪問客戶端，可以在任何一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機上，在通過身份的驗證后，瀏覽歷史數(shù)據(jù)和監(jiān)視當(dāng)前數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

設(shè)計的輸油管道監(jiān)控系統(tǒng)使用GPRS無線傳輸技術(shù)及先進(jìn)傳感技術(shù)，并結(jié)合改進(jìn)的負(fù)壓波平衡法來診斷泄漏信號，對復(fù)雜 工況下的管道泄漏定位技術(shù)有了很大的突破，具有抗干擾能力強、報警及時、靈敏度高、定位準(zhǔn)確等特點，實現(xiàn)了對輸油管道運行參數(shù)的集中監(jiān)視及控制，起到了管道生產(chǎn)的“千里眼”，原油輸送的“保護神”的作用，大大減少盜油案件的發(fā)生及油田損失。

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