基于PLC 的管道防腐補口無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

賈 超

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司， 河北廊坊 065000）

0 前 言

中俄東線天然氣管道工程自建成投產(chǎn)后， 承擔每年380 億m3進口天然氣的輸送任務(wù)， 向東北、 環(huán)渤海和長三角區(qū)域供氣， 將有效緩解東北地區(qū)天然氣短缺， 改善京津冀地區(qū)大氣污染現(xiàn)狀， 促進長江三角洲地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整， 具有很重要的戰(zhàn)略意義以及很可觀的經(jīng)濟效益[1]。 隨著大數(shù)據(jù)時代的到來， 為順應(yīng)智能化、 數(shù)字化的發(fā)展趨勢， 中國石油天然氣集團有限公司提出了“標準化設(shè)計、 工廠化預(yù)制、 模塊化施工、 機械化作業(yè)、 信息化管理” 的“五化” 及“全數(shù)字化移交、 全智能化運營、 全生命周期管理” 的“三全” 建設(shè)目標， 以中俄東線天然氣管道工程為契機， 全面建設(shè)“數(shù)字管道”[2-4]。

在中俄東線管道建設(shè)中， 現(xiàn)場防腐補口已實現(xiàn)機械化流水作業(yè)， 有效提升了防腐補口質(zhì)量及施工效率[5-14]。 為實現(xiàn)對防腐補口過程質(zhì)量的嚴格管控， 以及關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的真實性、 完整性及可追溯性， 分析確定了影響補口質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，通過研發(fā)基于PLC 的無線數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，對關(guān)鍵參數(shù)進行采集、 處理， 并最終實現(xiàn)無線遠程傳輸及存儲， 保證了關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的真實性、完整性及可追溯性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

（1） 利用掃碼槍讀取管口、 操作人員和設(shè)備的二維碼信息， 通過溫度傳感器和壓力傳感器分別采集管口溫度、 噴砂壓力等數(shù)據(jù)信息， 施工二維碼如圖1 所示。

（2） 將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給PLC， 通過程序進行數(shù)據(jù)加工、 整理及存儲在相應(yīng)的寄存器中。

（3） 上位機通過Modbus RTU 協(xié)議， 以數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組建的無線渠道， 定時采集數(shù)據(jù)， 實時顯示在上位機界面并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給遠程服務(wù)器。 電氣原理圖如圖2 所示。

圖1 中俄東線管道施工二維碼

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電氣原理圖

1.2 硬件組成

1.2.1 控制單元

控制器采用三菱FX 系列PLC， 直流24 V 供電， 共8 個輸入點、 8 個輸出點， 采用繼電器輸出方式。 采用PLC 作為控制器， 一方面可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性， 增強抗干擾力； 另一方面， 方便功能擴展， 不改變硬件接線， 直接通過修改程序即可實現(xiàn)。 此外， PLC 通過A/D 模塊擴展口連接A/D 轉(zhuǎn)換模塊， 通過通訊擴展口依次連接232 串口模塊和485 串口模塊。 控制系統(tǒng)硬件如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件實物照片

1.2.2 數(shù)據(jù)采集單元

（1） 掃碼槍。 利用掃碼槍讀取管口二維碼、操作人員二維碼、 設(shè)備二維碼， 并將信息通過232 通信模塊傳遞給PLC。

（2） 傳感器。 采用24 V、 4～20 mA 電流信號模式的溫度傳感器和壓力傳感器， 通過二線制接線方式， 分別采集管口加熱溫度信息和噴砂除銹壓力數(shù)據(jù)， 并上傳至A/D 模塊。 傳感器現(xiàn)場安裝如圖4 所示。

圖4 傳感器安裝照片

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元包括發(fā)射端和接收端兩部分，二者通過433 MHz 無線電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)射端通過485 端口與PLC 相連， 并安裝于施工現(xiàn)場， 接收端通過232 端口和控制室PC 機相連， 將接收到的信息傳遞并存儲于主機中。 圖5所示為接收端調(diào)試現(xiàn)場照片。

圖5 接收端調(diào)試現(xiàn)場

1.3 程序設(shè)計

系統(tǒng)利用GX-Works 2 軟件進行PLC 程序編寫， 分溫度、 壓力采集和二維碼采集兩部分， 圖6所示為無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程。

圖6 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程

2 成果應(yīng)用

截止目前， 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在中俄東線管道局、 四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司、 遼河油田建設(shè)有限公司等單位的噴砂除銹、中頻加熱設(shè)備中應(yīng)用50 余套。 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖7 所示。 實踐證明， 該系統(tǒng)安裝方便， 操作簡單， 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠， 最大傳輸距離可達3 km， 能夠有效保證中俄東線機械化防腐補口關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的全數(shù)字化移交。 圖8 所示為無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用照片。

圖7 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備照片

圖8 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場

3 結(jié)束語

機械化防腐補口的普及帶來了施工效率的提升， 同時降低了人員的勞動強度， 施工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集更是為施工質(zhì)量的把控奠定了基礎(chǔ)。機械化防腐補口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過管口、 操作人員和設(shè)備二維碼的應(yīng)用， 實現(xiàn)了管口與施工數(shù)據(jù)的精準匹配， 保證了關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的真實性、 完整性及可追溯性， 有利于施工質(zhì)量控制、 施工過程管理及管道后期的運營維護。