劉銀輝，趙航，吉李滿

(吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130052)

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小口徑輸油管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉銀輝，趙航，吉李滿

(吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130052)

研究和設(shè)計(jì)了一種從采油井口到計(jì)量間的小口徑石油輸送管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)感測(cè)地埋管線的溫度以及計(jì)量間內(nèi)管線所在環(huán)路的壓力和溫度，結(jié)合了有線和無(wú)線兩種傳輸方式，用短距離無(wú)線通信和Internet完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，報(bào)警信息和管線參數(shù)亦可通過(guò)Internet發(fā)送到維護(hù)管理人員的智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了該段小口徑輸油管線泄漏狀況的全面監(jiān)測(cè)。

小口徑輸油管線 風(fēng)光互補(bǔ)供電 溫度 壓力

University, Changchun, 130052, China )

由于年久腐蝕、偷盜破壞等多種原因，管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生，由此造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)，并且污染環(huán)境。聯(lián)合站到聯(lián)合站之間的大口徑輸油主干管線泄漏監(jiān)測(cè)已經(jīng)獲得廣泛關(guān)注，與此不同，采油井口到計(jì)量間的輸油管線由于管徑小、管壓低、傳輸距離短，少有關(guān)注。然而這段小口徑管線主要分布在農(nóng)田地中，穿過(guò)溝塘水渠，一旦泄漏，資源浪費(fèi)雖小，但環(huán)境污染并由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失也是十分巨大的。可是把現(xiàn)有的輸油主干管線泄漏監(jiān)測(cè)手段用于這些小口徑輸油管線，出于成本和精度考慮均不適合。為此，建立1套有效的小口徑石油輸送管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)泄漏發(fā)生以后，能夠及早發(fā)現(xiàn)泄漏及其位置，從而使工作人員能夠立即停止電機(jī)，關(guān)閉閥門，減少損失，具有重要的意義。

1 系統(tǒng)概述

該課題研究的小口徑輸油管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是以WSN方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制，終端設(shè)備通過(guò)初始設(shè)置后，可直接通過(guò)無(wú)線方式對(duì)輸油管線的壓力和溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)發(fā)回至上位機(jī)后，通過(guò)系統(tǒng)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏并送出報(bào)警信息。報(bào)警信息和管線參數(shù)亦可通過(guò)Internet發(fā)送到維護(hù)管理人員的智能手機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 測(cè)溫傳感器陣列

輸油管線在鋪設(shè)或維修過(guò)程中，將測(cè)溫傳感器陣列布置到管線上。測(cè)溫傳感器使用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，該傳感器感測(cè)溫度范圍在-55～125℃，最小精度達(dá)6.25×10-2℃，充分滿足了工程實(shí)際需求。采用以Mega128為核心的控制板，控制板上設(shè)置有8組傳感器接線端子，每組包括3個(gè)連接點(diǎn)：VCC，GND，Qn;1組RS-485通信端子。使用3芯屏蔽線分別將8只DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器連接到控制板的傳感器接線端子上；控制板的通信端子連接1條4芯屏蔽線，延伸至地面以上，連接電源和無(wú)線通信裝置；Mega128核心控制板及接線端子被密封在防水盒中。安裝施工時(shí)，沿著某1條輸油管線，以防水盒為中點(diǎn)，每間隔4m左右布置1只，向前后兩個(gè)方向各安排4只DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，采用綁縛方式，固定在管壁下方，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)1條長(zhǎng)度為30m左右輸油管線的監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 供電與無(wú)線通信

因?yàn)檩斢凸芫€穿行于廣闊的農(nóng)田，基于成本和安全因素考量，測(cè)溫傳感器陣列的供電部分沒有取自輸電電網(wǎng)，而是設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)的供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)被安裝在每一處測(cè)溫傳感器陣列掩埋點(diǎn)的旁邊，由于測(cè)溫傳感器陣列需要直流12V直流電源，為此太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)的供電系統(tǒng)包括了50W/18V單晶太陽(yáng)能電池板、100W/12V風(fēng)力發(fā)電機(jī)、100A·h/12V鉛酸蓄電池和埋地箱體、200W/12V風(fēng)光互補(bǔ)控制器、8m高燈桿。Mega128核心控制板延伸至地面以上4芯屏蔽線的+12V端和GND端，分別連接到風(fēng)光互補(bǔ)控制器的直流負(fù)載端的正、負(fù)端子上。

因?yàn)闇y(cè)溫傳感器陣列掩埋點(diǎn)通常遠(yuǎn)離采油生產(chǎn)隊(duì)的計(jì)量間，在控制中心與核心控制板之間，采用2.4GHz無(wú)線通信模塊架起通信橋梁。工作在ISM頻段，功率達(dá)100mW，傳輸距離超過(guò)2km，以四線制模式完成RS-485透明傳輸。

無(wú)線通信的從模塊被安裝在防雨配電箱中，該箱體被安裝在距離地面5m的高處，與供電系統(tǒng)使用同1根燈桿，一方面可以獲得良好的通信條件，減少農(nóng)作物和樹木對(duì)信號(hào)的影響，另一方面可以防止被破壞。燈桿豎立在開闊的田地中，無(wú)線通信模塊被置于高處，并且使用吸盤天線，故需要采取防雷措施，設(shè)計(jì)使用RS-485/12V導(dǎo)軌式信號(hào)避雷保護(hù)器，信號(hào)避雷保護(hù)器進(jìn)線端連接Mega128核心控制板延伸至地面以上4芯屏蔽線的D+端和D-端，信號(hào)避雷保護(hù)器的出線端分別連接無(wú)線通信模塊的A端和B端。

2.3 計(jì)量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測(cè)

采油生產(chǎn)隊(duì)通過(guò)油井從地下深處抽取原油，同時(shí)補(bǔ)充進(jìn)水以維持原油的壓力。由于原油凝固點(diǎn)較低，為了防止原油凝固造成管線堵塞，將加熱的軟化水經(jīng)過(guò)管線輸送到井口，摻入到輸油管線中。完成上述生產(chǎn)過(guò)程的輸送、計(jì)量、保護(hù)等設(shè)備被安裝在計(jì)量間內(nèi)，計(jì)量間與配水間緊鄰，配水間內(nèi)有高壓水泵、附屬設(shè)備、安全保護(hù)設(shè)備。針對(duì)每條原油輸送和熱水摻輸環(huán)路，在計(jì)量間內(nèi)有對(duì)應(yīng)的管道和控制閥門。

在計(jì)量間內(nèi)對(duì)輸油回路的壓力和熱水摻輸回路的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)安全生產(chǎn)要求，壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被安裝在防爆殼體內(nèi)。壓力測(cè)量采用擴(kuò)散硅壓力變送器，量程0～4MPa， 12V(DC)供電，RS-485輸出，數(shù)據(jù)格式：9600bit/s，N，8，1，標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議；溫度測(cè)量采用DS18B20單總線溫度傳感器。全部壓力和溫度設(shè)備掛接在1條RS-485總線上，連接到控制中心。計(jì)量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 計(jì)量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意

2.4 控制中心

控制中心被設(shè)置在值班室，工控機(jī)在線實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)控軟件，控制中心備有UPS電源和Internet接入。工控機(jī)的2塊接口卡，1塊連接從計(jì)量間引來(lái)的RS-485總線，1塊連接無(wú)線通信主模塊的RS-485接口。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

小口徑輸油管線泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序開發(fā)主要包括三個(gè)部分：監(jiān)測(cè)終端、數(shù)據(jù)通信和中心監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

1) 監(jiān)測(cè)終端。既包括測(cè)溫傳感器陣列，也包括計(jì)量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測(cè)。此兩種終端裝置均是以Mega128處理器為核心，通過(guò)驅(qū)動(dòng)壓力或溫度傳感器，獲得物理量值；Mega128處理器執(zhí)行Modbus協(xié)議，完成指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的傳送。

2) 數(shù)據(jù)通信。圍繞Modbus協(xié)議展開設(shè)計(jì)，按規(guī)定需要為每一種設(shè)備分配1個(gè)IP地址，為此將0～255個(gè)IP地址劃分為三段，計(jì)量間內(nèi)壓力變送器的地址為0～99，計(jì)量間內(nèi)溫度傳感器的地址為100～199；測(cè)溫傳感器陣列中設(shè)備地址為201～249。用03指令實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的讀取。

3) 中心監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)?；赩isial Basic開發(fā)，使用SQL Server，能夠?qū)崟r(shí)顯示所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的物理量值，可以對(duì)每1個(gè)Modbus總線上的設(shè)備獨(dú)立設(shè)置閾值，核心算法實(shí)現(xiàn)低誤報(bào)率，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)5min。

該系統(tǒng)的核心功能是發(fā)現(xiàn)泄漏并及時(shí)發(fā)出報(bào)警。系統(tǒng)的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間越短，環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失越??；系統(tǒng)的誤報(bào)警率越低，對(duì)正常采油生產(chǎn)的影響越小。算法上，以輪詢方式連續(xù)讀取5個(gè)周期的所有Modbus總線上的設(shè)備測(cè)量到的物理量值，針對(duì)每個(gè)IP地址設(shè)備的5組連續(xù)數(shù)據(jù)，采用中值濾波，剔除由于通信或設(shè)備自身原因產(chǎn)生的奇異值。報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生自3個(gè)判斷項(xiàng)的“與”操作結(jié)果，當(dāng)3個(gè)判斷項(xiàng)的結(jié)果均為真時(shí)，發(fā)出警報(bào)。判斷依據(jù)：當(dāng)埋于地下的石油輸送管線發(fā)生泄漏，由于管內(nèi)是油與熱水的混合物，使得附近土壤的溫度升高，從而被掩埋的測(cè)溫傳感器陣列感測(cè)到；石油輸送管線發(fā)生泄漏時(shí)，計(jì)量間內(nèi)該環(huán)路的壓力值下降，要摻輸更多的冷水，進(jìn)而導(dǎo)致熱水摻輸回路溫度下降，這兩項(xiàng)變化可以被計(jì)量間內(nèi)壓力和溫度監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到。這3個(gè)判斷項(xiàng)分別是某條石油輸送管線的測(cè)溫傳感器陣列返回值不小于閾值(默認(rèn)45℃)、該管線在計(jì)量間內(nèi)的壓力值不大于閾值(默認(rèn)0.3MPa)、該管線所在回路的計(jì)量間內(nèi)熱水摻輸溫度值不大于閾值(默認(rèn)40℃)。上述3個(gè)閾值，可以在中心監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的主界面中通過(guò)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)設(shè)備的設(shè)置按鈕，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，調(diào)整設(shè)定。

中心監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)連接Internet，收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和警報(bào)狀態(tài)，可以傳送到Web Server，從而實(shí)現(xiàn)不受位置限制的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，采油隊(duì)工人通過(guò)手機(jī)登錄網(wǎng)站，即可查看。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)小口徑石油輸送管線的泄漏問(wèn)題設(shè)計(jì)了1套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)用大量溫度傳感器構(gòu)成陣列完成溫度采集；用擴(kuò)散硅壓力變送器采集壓力參數(shù)；設(shè)計(jì)有風(fēng)光互補(bǔ)的野外供電系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸結(jié)合了有線和無(wú)線兩種方式；主控中心連接Internet發(fā)布管線參數(shù)推送報(bào)警信息。系統(tǒng)可以很好地為井口到計(jì)量間這段小口徑石油輸送管線的泄漏監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

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Research and Design of Leakage Monitoring System for Small Diameter Oil Pipeline

Liu Yinhui, Zhao Hang, Ji Liman

(Information Enginering School, Jinlin Engineering Normal

A pipeline leakage monitoring system for small diameter oil pipeline between oil well and measuring room are studied and designed. The temperature of buried pipelines, pressure and temperature of loop in measuring room are collected through sensing. Combining with wire and wireless transmission mode, monitoring data are transferred through short distance wireless communication and Internet transmission. Alarming information and pipeline parameters also can be sent to smartphones of maintenance management personnels to achieve a comprehensive monitoring of leakage for small diameter pipeline.

small diameter oil transportation pipeline; wind and solar hybrid power generation; temperature; pressure

劉銀輝(1976—)，女，吉林長(zhǎng)春人，2008年畢業(yè)于長(zhǎng)春理工大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，主要從事電子信息技術(shù)研究工作，任講師。

TP274+.5

B

1007-7324(2016)05-0061-03

稿件收到日期：2016-06-18，修改稿收到日期：2016-08-10。