楊軍強(qiáng) 武曉朦 李甦

【摘 要】油氣資源的開發(fā)以及能源市場的激增，使得管道運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)得到迅速的發(fā)展。腐蝕是威脅長輸管線安全運(yùn)行的重要因素之一，埋地管道陰極保護(hù)電位的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于保障管道安全具有重要意義。本文針對管道現(xiàn)場對功耗的要求，分析并設(shè)計(jì)了基于MSP430和GPRS無線模塊的超低功耗無線數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)具有超低功耗、低成本、遠(yuǎn)距離、高可靠性和易維護(hù)性等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】管道；陰極保護(hù)；GPRS；MSP430；低功耗

一、引言

在石油天然氣工業(yè)中，管道運(yùn)輸是最佳選擇。而管道的腐蝕直接影響管道的使用壽命，降低管道的輸送能力，因而腐蝕是引起管道系統(tǒng)可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素，實(shí)際上管道因腐蝕而造成破壞的價(jià)值和影響，比其本身價(jià)值還要大的多[1]。

我國的年腐蝕約為 5000 億元，這其中很大一部分就是管道的腐蝕。作為油氣勘探開發(fā)和儲運(yùn)的油氣管道，其失效形式主要表現(xiàn)為腐蝕失效。盡管腐蝕很難完全避免，但可以控制[2]。目前陰極保護(hù)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到長輸油氣管道防腐中來，國內(nèi)如西氣東輸管道、西部管道、蘭鄭長管道都采取了陰極保護(hù)技術(shù)[3]。但是目前多數(shù)管線的陰極保護(hù)電位的采集監(jiān)測工作都是由人工來完成，需要大量人力物力?；跓o線通訊網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程陰極保護(hù)電位監(jiān)測技術(shù)就表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。遠(yuǎn)程陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)將傳統(tǒng)的陰極保護(hù)監(jiān)測技術(shù)與無線通信技術(shù)結(jié)合起來，組成一個分布式數(shù)據(jù)采集與信息處理系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于長輸油氣管道的現(xiàn)場陰保電位監(jiān)測、數(shù)據(jù)積累工作以及實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究等[4]。

二、系統(tǒng)整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器設(shè)計(jì)首先測量恒電位儀的輸出電壓和輸出電流值確保陰極保護(hù)系統(tǒng)正常工作，再通過斷電測量法測量管道開路（儀器連接管道）電壓和斷電（儀器與管道斷開）電壓以及直流和交流電流的方式對管道進(jìn)行陰極保護(hù)監(jiān)測。

對于恒電位儀的輸出電壓和輸出電流的監(jiān)測，恒電位儀的輸出端接霍爾電壓和電流傳感器，儀器通過測量霍爾傳感器的輸出來測量恒電位儀的輸出電壓以及輸出電流。

在陰極保護(hù)系統(tǒng)中，對于雜散電流頻率的估計(jì)也是很重要的一部分，本文設(shè)計(jì)的儀器將數(shù)據(jù)采樣并傳至上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其頻率值。上位機(jī)采用 M-Rife 算法，這是在傳統(tǒng) Rife 算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到的一種更高精度的頻率估計(jì)算法。

超低功耗陰極保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)將由低功耗數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控中心組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)陰極保護(hù)電位的自動采集和數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)器接收端，存入數(shù)據(jù)庫，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)回調(diào)，電位分析，以及域值告警等，系統(tǒng)整體功能圖如圖1所示。

正常情況下，管道陰極保護(hù)電位應(yīng)維持在工程設(shè)計(jì)時(shí)的電位值，當(dāng)管道發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，防腐層脫落，導(dǎo)致電位異常，只要實(shí)時(shí)檢測管道電位的電位值，就知道管道的某個位置發(fā)生了異常，從而起到了對長輸管線的安全預(yù)警。

三、陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)

1.陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集無線傳輸硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用MSP430F5438為核心，具有信號采集、信號調(diào)理，電源控制、GPRS模塊控制等功能，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.陰極保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

陰極保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)以及監(jiān)控中心客戶端軟件的設(shè)計(jì)。主要是完成數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和緊急情況下的實(shí)時(shí)采集，最后匯總到數(shù)據(jù)中心，供管理人員決策。系統(tǒng)啟動后首先會初始化一些必要的設(shè)備及 IO 口。首先系統(tǒng)會關(guān)閉看門狗，初始化MCU 的時(shí)鐘，RTC 時(shí)鐘，然后初始化系統(tǒng)中使用到的 IO 口及 ADC?；境跏蓟戤吅笙到y(tǒng)會運(yùn)行 ADC 采集程序，實(shí)施斷電測量法，采集模擬通道的傳感器數(shù)值，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理。當(dāng)數(shù)據(jù)采集工作完成后，系統(tǒng)會啟動 GPRS 模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定 IP 地址的中心服務(wù)器。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的要求設(shè)置采集時(shí)間和發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔，當(dāng)管道出現(xiàn)異常時(shí)，可以實(shí)時(shí)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

四、結(jié)論

系統(tǒng)主要采用超低功耗MSP430F5438單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)樁的電位值測量和遠(yuǎn)程無線傳輸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)對電源模塊進(jìn)行控制，在不發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此系統(tǒng)功耗極低可常年不用更換電池。本系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)對安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)控終端設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測長輸管網(wǎng)的運(yùn)營安全，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場狀況，以便及時(shí)處理突發(fā)事件；在正常運(yùn)營范圍內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)可以定時(shí)上報(bào)現(xiàn)場狀況，以便記錄分析陰極保護(hù)測試樁的正常事件，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祝馨.長輸管道的腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2006，23.

[2] 寇杰，梁法春，陳婧.油氣管道腐蝕與防護(hù)[M].北京：中國石化出版社，2008.

[3] 胡士信.管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].腐蝕與防護(hù)，2004，25.

[4] 王芷芳，朱安綱.埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位測量中的IR降及其修正[J].腐蝕與防護(hù)，2003，24（3）：110～113.