埋地金屬管道陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王寶珠，杜逸偉，郭志濤，蘇彥莽

（河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401）

埋地金屬管道陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王寶珠，杜逸偉，郭志濤，蘇彥莽

（河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401）

我國(guó)監(jiān)測(cè)埋地金屬管道陰極保護(hù)狀態(tài)主要依靠人工定時(shí)巡檢，存在效率低、無(wú)法采集到斷電電位的問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)由智能電位采集儀和陰極保護(hù)管理平臺(tái)兩部分構(gòu)成：智能電位采集儀以MSP430單片機(jī)為核心，自動(dòng)采集陰極保護(hù)電位、溫度等信息，通過(guò)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)上傳至陰極保護(hù)管理平臺(tái)；陰極保護(hù)管理平臺(tái)采用了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)關(guān)技術(shù)和WebGIS技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控管線的陰極保護(hù)狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理.實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集斷電電位，效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理.

埋地金屬管道；陰極保護(hù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；WebGIS

近年來(lái)，石油、天然氣、飲用水作為重要的資源，通常以埋地金屬管道作為傳輸載體.截至2015年底，中國(guó)除臺(tái)灣省以外的所有地區(qū)在役油氣管道總里程累計(jì)約為12萬(wàn)千米[1].據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因腐蝕而損耗的鋼鐵達(dá)6千多萬(wàn)噸，造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2 800億元[2].陰極保護(hù)系統(tǒng)是通過(guò)提供陰極保護(hù)電流以防止管道腐蝕.我國(guó)埋地金屬管道很多分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)，交通不便，如何有效監(jiān)測(cè)其是否處于保護(hù)狀態(tài)是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題.傳統(tǒng)的人工定時(shí)巡檢方式，大多以萬(wàn)用表等儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，效率低，容易受到天氣的影響.人工匯總數(shù)據(jù)，過(guò)程繁瑣，實(shí)時(shí)性差，查看管線陰極保護(hù)狀態(tài)不直觀.而且，該方式只能測(cè)量陰極保護(hù)通電電位，但陰極保護(hù)準(zhǔn)則中的評(píng)判指標(biāo)是斷電電位，這樣就造成了管理上的誤差.陰極保護(hù)的通電電位是直接測(cè)量管道和參比電極之間的電壓，實(shí)際包含了斷電電位和IR降兩部分.IR降即為電流流過(guò)管道和參比電極之間的土壤產(chǎn)生的壓降，斷電電位是管道的受保護(hù)電壓.為了得到管道真實(shí)的受保護(hù)狀態(tài)，需要消除IR降的影響，獲取斷電電位.陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：管道陰極保護(hù)電位（斷電電位）應(yīng)在-850 mV（CSE）～-1 200 mV（CSE）范圍內(nèi)；當(dāng)上述準(zhǔn)則難以達(dá)到時(shí)，也可采用陰極極化或去極化電位差，即通電電位與斷電電位之差，大于100 mV的判據(jù).

綜合以上分析，研制一套陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查看管線的陰極保護(hù)狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化管理，具有重要的意義[3].陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括智能電位采集儀和陰極保護(hù)管理平臺(tái).智能電位采集儀要求能夠自動(dòng)采集陰極保護(hù)相關(guān)參數(shù)，同時(shí)基本消除IR降的影響.該采集儀具有功耗低的特點(diǎn)，適合長(zhǎng)期工作于野外.此外，該采集儀可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，將數(shù)據(jù)上傳至陰極保護(hù)管理平臺(tái).該平臺(tái)能夠?qū)y(cè)試樁位置顯示在GIS地圖上，查看數(shù)據(jù)報(bào)表，修改采集儀參數(shù)，下發(fā)控制指令，為相關(guān)部門(mén)運(yùn)行和維護(hù)提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù).

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由智能電位采集儀和陰極保護(hù)管理平臺(tái)構(gòu)成.陰極保護(hù)管理平臺(tái)包括中心調(diào)度網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫(kù)和基于WebGIS的網(wǎng)站.該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)參數(shù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和對(duì)智能電位采集儀的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)埋地金屬管道陰極保護(hù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理.智能電位采集儀選用試片斷電法[4]采集通電電位、斷電電位等陰極保護(hù)參數(shù)，通過(guò)遠(yuǎn)程通信單元將獲取的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器.中心調(diào)度網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)后，將數(shù)據(jù)更新至數(shù)據(jù)庫(kù).引入Web技術(shù)，使得用戶僅需一臺(tái)接入Internet網(wǎng)絡(luò)的終端，即可登陸瀏覽器，隨時(shí)隨地訪問(wèn)陰極保護(hù)管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看管線的陰極保護(hù)狀態(tài).

圖1 陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of remote monitoring system for cathodic protection

2 智能電位采集儀設(shè)計(jì)

智能電位采集儀按照功能可劃分為7個(gè)主要單元：主控單元、電源單元、信號(hào)調(diào)理與采集單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、GPS授時(shí)單元、時(shí)鐘單元、遠(yuǎn)程通信單元.智能電位采集儀選取超低功耗的MSP430F5438作為主控單元的處理器.電源單元將電池組提供的電壓轉(zhuǎn)換為±5 V、＋4 V、＋3.3 V電壓給各個(gè)單元供電.信號(hào)調(diào)理與采集單元使用±5 V供電，遠(yuǎn)程通信單元使用＋4V供電，主控單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、GPS單元、時(shí)鐘單元采用＋3.3 V供電.信號(hào)調(diào)理與采集單元負(fù)責(zé)將原始待采信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供AD采集的信號(hào)，然后進(jìn)行采集.繼電器控制試片與管道的通斷，從而測(cè)量通電電位和斷電電位.GPS授時(shí)單元在GPS成功定位后將時(shí)鐘單元的時(shí)間同步為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，確定采集儀所在位置.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元選用Flash芯片，存儲(chǔ)采集儀的配置信息和采集數(shù)據(jù).遠(yuǎn)程通信單元建立采集儀和服務(wù)器之間的通信鏈路，將采集數(shù)據(jù)打包上傳，接收管理平臺(tái)下發(fā)的命令.智能電位采集儀總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

圖2 智能電位采集儀總體設(shè)計(jì)框圖Fig.2 The overall design of intelligent potential collecting-machine

2.1 電位采集功能實(shí)現(xiàn)

直流電位調(diào)理電路如圖3所示.AD8659為四通道微功耗、精密軌到軌輸入/輸出放大器，采用雙電源±5 V供電，具有低失調(diào)電壓、極低輸入偏置電流和出色的抗電磁干擾等特性.模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7705在電源電壓為5 V，基準(zhǔn)電壓為

2.5V的條件下可采集0～2.5V的正向電壓.測(cè)試信號(hào)的電壓范圍在-3 V～＋3 V之間，存在正向電壓和負(fù)向電壓，且幅值大于AD7705的采集峰值，所以采用高精度電阻分壓，使其電壓范圍在-1 V～＋1 V之間后再接入A/D轉(zhuǎn)換芯片，第1級(jí)運(yùn)放對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行跟隨，第2級(jí)運(yùn)放對(duì)跟隨信號(hào)進(jìn)行電壓抬升，以便將負(fù)信號(hào)抬升到零電位以上以供A/D芯片采集.使用五位半數(shù)字萬(wàn)用表34 450 A測(cè)試，對(duì)于-3V～＋3V的直流電壓，采集儀的采集精度在±1 mV以?xún)?nèi)，滿足GB/T 21246-2007中的要求.

交流電位調(diào)理電路如圖4所示.在埋地管道附近可能存在高壓輸電線或者變壓器，那么就會(huì)在管道上耦合出工頻的感生交流電壓[5].采集儀利用MSP430內(nèi)部的AD采集交流雜波，交流雜波進(jìn)入之前，通過(guò)電阻進(jìn)行分壓，經(jīng)過(guò)電容隔離直流之后，第1級(jí)運(yùn)放對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行跟隨，完成阻抗變換，第2級(jí)運(yùn)放對(duì)跟隨信號(hào)進(jìn)行電壓抬升，以便將負(fù)信號(hào)抬升到零電位以上以便AD采集.交流雜波經(jīng)過(guò)電阻衰減，然而即使采用高精度電阻，分壓仍存在一定的誤差，需要通過(guò)修正校正系數(shù)分段進(jìn)行校正.經(jīng)測(cè)試，采集儀可以采集峰峰值為0～60 V的交流信號(hào)，絕對(duì)誤差控制在100 mV之內(nèi).

圖3 直流電位調(diào)理電路Fig.3 Conditioning circuit of direct voltage

圖4 交流電位調(diào)理電路Fig.4 Conditioning circuit of alternating voltage

智能電位采集儀放置在無(wú)人值守的野外，雷雨天氣時(shí)，會(huì)在管道和參比電極上耦合出較強(qiáng)的感應(yīng)信號(hào)，因此在供電引腳和地之間放置陶瓷放電管，使系統(tǒng)滿足GB/T 17626.5-2008中第4級(jí)防雷的要求.為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，在管道和試片的輸入端都加入了瞬態(tài)電壓抑制二極管SMBJ12CA作為過(guò)電壓保護(hù).

2.2 遠(yuǎn)程通信功能實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程通信功能依賴(lài)于國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商提供的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò).國(guó)內(nèi)三大主流運(yùn)營(yíng)商提供了多種制式的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)具有接入范圍廣、實(shí)時(shí)在線、無(wú)需維護(hù)鏈路等突出的優(yōu)點(diǎn)[6-7].然而，這些網(wǎng)絡(luò)在不同地區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度有一定的差距.遠(yuǎn)程通信單元設(shè)計(jì)單獨(dú)的電路板，用戶可以根據(jù)需求選擇不同制式的網(wǎng)絡(luò)，將相應(yīng)的遠(yuǎn)程通信單元直接插在采集儀預(yù)留的排座上，保證采集儀能夠選用最優(yōu)的通信網(wǎng)絡(luò).設(shè)計(jì)時(shí)選用封裝相近、上網(wǎng)流程基本一致的遠(yuǎn)程通信模塊，這就保證了程序無(wú)需因更換遠(yuǎn)程通信模塊做大幅修改.遠(yuǎn)程通信模塊與MSP430F5438單片機(jī)均為T(mén)TL電平，可以直接通過(guò)串口相連接，單片機(jī)通過(guò)AT指令對(duì)模塊進(jìn)行配置和控制.遠(yuǎn)程通信單元需要SIM卡提供入網(wǎng)支持，P1為SIM卡電路，通過(guò)SIM_CLK、SIM_RST、SIM_VCC等引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM卡的讀寫(xiě)及復(fù)位操作.遠(yuǎn)程通信單元電路以支持GPRS網(wǎng)絡(luò)的MG2639模塊為例，如圖5所示.

圖5 MG2639遠(yuǎn)程通信電路Fig.5 Circuit of telecommunication of MG2639

2.3 低功耗功能實(shí)現(xiàn)

由于智能電位采集儀長(zhǎng)期工作于無(wú)人值守的野外，更換供電電源十分不便，因此系統(tǒng)對(duì)功耗的要求十分嚴(yán)格.為了滿足這一需求，采集儀的主處理器和外圍電路全部使用低功耗芯片.經(jīng)測(cè)試，采集儀工作電流僅為77 mA.為進(jìn)一步控制功耗，采用嚴(yán)格限制工作時(shí)間的方法，采集儀平時(shí)處于斷電狀態(tài)，只有到設(shè)置的開(kāi)機(jī)時(shí)間時(shí)，才會(huì)通過(guò)時(shí)鐘芯片喚醒，采集儀開(kāi)始工作.同時(shí)，各部分設(shè)計(jì)獨(dú)立的供電電路，只有在使用到相應(yīng)的單元時(shí)，才會(huì)對(duì)這一部分電路供電，使用完畢后即切斷電源.采集儀選用總電量達(dá)到36 Ah的鋰電池組，時(shí)鐘芯片選用容量為3 600 mAh可充電鋰電池進(jìn)行供電.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，智能電位采集儀的主電源和時(shí)鐘單元電源均可工作8年以上.

3 陰極保護(hù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

陰極保護(hù)管理平臺(tái)由中心調(diào)度網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫(kù)、基于WebGIS的網(wǎng)站組成，是用戶和智能電位采集儀之間交互的橋梁.智能電位采集儀將通電電位、斷電電位、交流峰值電位、電池電量等數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上.服務(wù)器上的中心調(diào)度網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，通過(guò)TCP/IP協(xié)議的SOCKET對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后將正確的數(shù)據(jù)更新至SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中.陰極保護(hù)管理平臺(tái)通過(guò)tomcat發(fā)布至Internet網(wǎng)絡(luò)，方便工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù).

陰極保護(hù)管理平臺(tái)依托百度地圖API進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了WebGIS技術(shù)的嵌入和數(shù)據(jù)共享.用戶登陸管理平臺(tái)后，可以在GIS地圖上方便直觀地看到測(cè)試樁所處的位置，陰極保護(hù)參數(shù)是否符合設(shè)定的閾值，以及智能電位采集儀的網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)等信息.

陰極保護(hù)管理平臺(tái)設(shè)置了數(shù)據(jù)報(bào)表、管理工具、用戶管理等欄目.用戶通過(guò)管理工具對(duì)管線、管段、設(shè)備可以進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢(xún)等操作，專(zhuān)家系統(tǒng)為用戶提供知識(shí)庫(kù)和記錄專(zhuān)家的整改建議，維修保養(yǎng)可記錄對(duì)管線的維護(hù)工作，用戶管理中可維護(hù)對(duì)應(yīng)不同權(quán)限的用戶信息.數(shù)據(jù)報(bào)表中，可以搜索某個(gè)樁號(hào)查詢(xún)歷史記錄，也可查詢(xún)管段所屬的所有測(cè)試樁的當(dāng)日數(shù)據(jù).采用折線圖和數(shù)據(jù)列表相結(jié)合的報(bào)表方式，可以準(zhǔn)確直觀地看到陰極保護(hù)參數(shù)的情況.

陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已應(yīng)用于新疆原料廠米西輸水埋地管線，總計(jì)227臺(tái)智能電位采集儀，陰極保護(hù)管理平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定.陰極保護(hù)管理平臺(tái)GIS地圖界面如圖6所示，某測(cè)試樁的月報(bào)表如圖7所示.

圖6 陰極保護(hù)管理平臺(tái)GIS地圖界面Fig.6 The interface of GIS map on the management platform for cathodic protection

圖7 某測(cè)試樁的月報(bào)表Fig.7 The monthly report of certain test pile

4 結(jié)束語(yǔ)

由于埋地金屬管道在土壤環(huán)境中受到不同程度的腐蝕，傳統(tǒng)的人工巡檢方式，效率低，數(shù)據(jù)量小，而且只能采集到通電電位.本文設(shè)計(jì)了一套陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，包括智能電位采集儀和陰極保護(hù)管理平臺(tái)兩部分.基于MSP430的智能電位采集儀采用試片斷電法消除IR降，將所在測(cè)試樁的經(jīng)緯度、陰極保護(hù)參數(shù)、上傳時(shí)間等信息通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至基于WebGIS的陰極保護(hù)管理平臺(tái).服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、顯示，為工程技術(shù)人員進(jìn)行管道防腐工作提供可靠的依據(jù).實(shí)踐證明，該系統(tǒng)效率高、工作穩(wěn)定、能夠采集到陰極保護(hù)的斷電電位，適用于長(zhǎng)輸管線的陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控.

[1] 高鵬，王培鴻，楊耀輝，等.2015年中國(guó)油氣管道建設(shè)新進(jìn)展[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2016，24（3）：60-65.

[2]宋吟蔚.基于分形理論的埋地鋼質(zhì)管道雜散電流腐蝕檢測(cè)技術(shù)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

[3]關(guān)維國(guó)，秦志猛，任國(guó)臣，等.基于GPRS的輸油管道陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（8）：2736-2738.

[4]李自力，謝躍輝，郝宏娜，等.試片斷電法測(cè)量埋地管道的斷電電位[J].腐蝕與防護(hù)，2011，44（12）：77-79.

[5]熊川雲(yún)，劉明哲，庹先國(guó)，等.埋地金屬管道陰極保護(hù)參數(shù)野外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2015，（3）：14-18.

[6]商孔明.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（24）：6175-6178.

[7]王秀芳.基于GPRS的抽油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（11）：2604-2606.

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Design of remote monitoring system of buried metal pipeline based on cathodic protection

WANG Baozhu，DU Yiwei，GUO Zhitao，SU Yanmang
（School of Electronics and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

Since status monitoring of cathodic protection of buried metal pipeline in our country mainly relies on artificial periodical inspection,which has low efficiency and can't collect off potential,a remote monitoring system for cathodic protection is designed.The system consists of a intelligent potential collecting-machine and a management platform for cathodic protection.A intelligent potential collecting-machine which is based on MSP430,collects information such as potential of cathodic protection and temperature automatically，transmits these information to the management platform for cathodic protection through 2G/3G/4G network.The management platform for cathodic protection uses database technology,gateway technology and WebGIS technology,monitors the status of cathodic protection of pipelines in real time,manages the data centrally.Practical application shows that this system can collect off potential precisely,have high stability and efficiency and realize the management of remote monitoring for cathodic protection.

buried metal pipeline;cathodic protection;remote monitoring;WebGIS

TP311

A

1007-2373（2017）01-0029-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.005

2016-11-21

河北省科技支撐項(xiàng)目（16220308D）

王寶珠（1962-），女，教授.