PLC/RTU在負(fù)壓波管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

王洪超，吳 瓊，王 寧，王立坤

（1.國家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院，河北 廊坊 065000；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000）

0 引 言

長輸原油、成品油管道中因焊縫開裂、腐蝕穿孔、打孔盜油、第三方破壞（機(jī)械挖掘）和地質(zhì)災(zāi)害等原因造成的管道泄漏事件時(shí)有發(fā)生，給管道的安全高效運(yùn)行帶來極大的挑戰(zhàn)。管道泄漏事件不僅可能造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，泄漏的油品還可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡或環(huán)境污染。國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和專業(yè)公司開展了輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的深入研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，相繼開發(fā)了負(fù)壓波法、負(fù)壓波結(jié)合流量平衡法、次聲波法、實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法、分布式光纖監(jiān)測(cè)法等多種不同技術(shù)原理的輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)[1-2]。負(fù)壓波法管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)具有系統(tǒng)原理簡單、定位精度高、報(bào)警響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在我國絕大部分輸油管道中得到了應(yīng)用，對(duì)于防范打孔盜油等原因?qū)е碌墓艿劳话l(fā)泄漏起到了積極的作用。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，管輸工況操作引起的壓力波動(dòng)易對(duì)基于負(fù)壓波法的泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)產(chǎn)生干擾，引起過多無效報(bào)警，影響系統(tǒng)的正常使用。與此同時(shí)，現(xiàn)有泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠商多，主流廠商的數(shù)據(jù)采集設(shè)備技術(shù)規(guī)格不一致，增大了使用維護(hù)的成本和難度。因此，研究采用PLC/RTU 采集管道壓力、流量和泵閥設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，既可統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集設(shè)備規(guī)格，降低使用維護(hù)難度，也可獲取管輸工況操作信息，降低負(fù)壓波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無效報(bào)警次數(shù)，提高泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能和應(yīng)用效果。

1 數(shù)據(jù)采集

主流泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)廠商（國家管網(wǎng)研究總院、天津大學(xué)、ATMOS 等）通常采用專用設(shè)備采集壓力數(shù)據(jù)（如圖1所示），采樣率普遍在100 Hz 以上。PLC/RTU 作為管道SCADA 系統(tǒng)常見的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要用于獲取管道站場(chǎng)、閥室安裝的泵、閥門、流量計(jì)、壓力變送器等多種類設(shè)備儀表的模擬量或狀態(tài)信息，其采樣率普遍在1 Hz 以內(nèi)，遠(yuǎn)低于主流泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)廠商對(duì)數(shù)據(jù)采樣率的要求。

圖1 常見的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用設(shè)備

低采樣率容易引起信號(hào)不規(guī)則的階梯狀突變（如圖2所示），影響泄漏識(shí)別和定位精度。因此，如果使用PLC/RTU采集泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備規(guī)格型號(hào)的一致性，必須解決 PLC/RTU 的高速、均勻采樣問題。

圖2 低采樣率引起的階梯狀壓力曲線

目前長輸管道普遍采用AB 公司和BB 公司的PLC、RTU 產(chǎn)品，針對(duì)這兩類產(chǎn)品的特點(diǎn)，對(duì)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要使用的變送器、PLC/RTU 進(jìn)行了以下參數(shù)優(yōu)化調(diào)整：

（1）修改現(xiàn)場(chǎng)變送器的阻尼時(shí)間。將變送器阻尼時(shí)間默認(rèn)值改為最小值0.2 s，使變送器對(duì)壓力波動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

（2）修改站場(chǎng)PLC 的掃描周期。PLC 數(shù)據(jù)點(diǎn)位多，過小的掃描周期會(huì)增大PLC 的運(yùn)行負(fù)荷，影響運(yùn)行穩(wěn)定性。經(jīng)測(cè)試，將PLC 控制器的掃描周期調(diào)整100 ms 可在保證PLC運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣率的提升。

（3）修改閥室RTU 的掃描周期。為保證PLC/RTU 數(shù)據(jù)采樣率的一致性，將RTU 控制器的掃描周期調(diào)整為100 ms。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用站場(chǎng)PLC、閥室RTU 代替專用設(shè)備開發(fā)管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括兩部分內(nèi)容：（1）建立數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，實(shí)時(shí)從PLC/RTU 獲取壓力、流量和設(shè)備參數(shù)[3-5]；（2）建立泄漏監(jiān)測(cè)終端，實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并分析確定管道是否發(fā)生泄漏。

2.1 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器

現(xiàn)有管道使用的AB 公司的PLC 和BB 公司的RTU 分別支持CIP 和ModBus TCP 協(xié)議，建立數(shù)據(jù)采集服務(wù)器只需要在修改PLC、RTU 參數(shù)的基礎(chǔ)上采用ModBus、CIP 協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)從PLC/RTU 獲取壓力、流量和泵閥等設(shè)備參數(shù)，并采用通用的OPC UA 協(xié)議與泄漏監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行通信，如圖3所示。為了防止單線程輪詢PLC/RTU 各通道數(shù)據(jù)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不同步，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器軟件采用多線程方式同步獲取各PLC/RTU 數(shù)據(jù)，同步更新維護(hù)的數(shù)據(jù)參量列表。

圖3 基于PLC/RTU 的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 泄漏監(jiān)測(cè)終端

泄漏監(jiān)測(cè)終端軟件功能包括：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、泄漏檢測(cè)、泄漏定位、泄漏報(bào)警、人機(jī)交互等。終端軟件采用OPC UA 協(xié)議從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，建立連接后，每間隔100 ms 一次性讀取所有點(diǎn)位數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，判斷管道是否發(fā)生泄漏。圖4為終端軟件流程。

圖4 泄漏監(jiān)測(cè)終端軟件流程

泄漏監(jiān)測(cè)終端軟件的核心是泄漏監(jiān)測(cè)功能模塊，該模塊由負(fù)壓波泄漏檢測(cè)和泵閥狀態(tài)判斷兩部分組成。

負(fù)壓波泄漏檢測(cè)是一種常見的泄漏檢測(cè)算法[6-12]，其基本原理為：當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)泄漏點(diǎn)處的壓力迅速下降產(chǎn)生負(fù)壓波，負(fù)壓波以聲波的速度向管道上下游傳播，如圖5所示。通過在管道上下游站場(chǎng)或閥室設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝壓力變送器獲取管道內(nèi)部壓力，并計(jì)算負(fù)壓波引起的壓力下降值，可判斷管道是否發(fā)生泄漏。利用負(fù)壓波到達(dá)管道上下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差可計(jì)算泄漏點(diǎn)位置[13-14]。泄漏點(diǎn)位置X為：

圖5 負(fù)壓波泄漏檢測(cè)及定位原理

式中：c為負(fù)壓波在管道油品中的傳播速度；Δt為管道上下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收到負(fù)壓波的時(shí)間差；L為所監(jiān)測(cè)管道的長度。

然而，實(shí)際應(yīng)用中管道正常操作產(chǎn)生的壓力變化與泄漏引起的壓力變化波形相似（如圖6所示），單純采用負(fù)壓波法難以區(qū)分泄漏和正常管輸工況，導(dǎo)致負(fù)壓波法泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)誤報(bào)警次數(shù)過多，影響該方法的使用體驗(yàn)。

圖6 管道分輸（左）和甩泵（右）壓力曲線

引起管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)警的管輸操作主要有啟停輸、分輸、調(diào)量等，獲取此類操作信息將有利于識(shí)別管道運(yùn)行工況，降低誤報(bào)警頻次。表1中列出了泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要獲取的數(shù)據(jù)種類，壓力數(shù)據(jù)用于負(fù)壓波法，變頻泵轉(zhuǎn)速、定速泵電機(jī)電流和調(diào)節(jié)閥開度變化可以用于判斷管道啟停輸、分輸和輸量調(diào)節(jié)等操作。當(dāng)輸油泵狀態(tài)參數(shù)、調(diào)節(jié)閥開度發(fā)生變化時(shí)，可以認(rèn)為管道發(fā)生正常操作，屏蔽此時(shí)壓力波動(dòng)引起的報(bào)警信息即可減少負(fù)壓波法泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的誤報(bào)警頻次。

表1 管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要獲取的數(shù)據(jù)種類

3 應(yīng)用與測(cè)試

為了驗(yàn)證基于PLC/RTU 的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，在吉長線成品油管道進(jìn)行了模擬放油測(cè)試。吉長線管道全長約160 km，輸送介質(zhì)為成品油，設(shè)有吉林首站、長春末站和若干閥室。泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取吉林站、1#閥室、5#閥室和長春末站的壓力等信號(hào)，數(shù)據(jù)的采樣率為10 Hz。模擬放油測(cè)試地點(diǎn)為8#閥室，距離5#閥室49.5 km，輸送介質(zhì)為柴油，管道瞬時(shí)輸量為318 m3/h，本次測(cè)試共放油9 次，泄漏速率依次從3%Q到0.5%Q，共報(bào)警5 次，詳見表2所列。

表2 放油測(cè)試記錄

本次測(cè)試中共4 次泄漏未報(bào)警，分別為1、2、8、9 次測(cè)試。其中，第1、2 次測(cè)試泄漏量較大，為3%Q，壓力變化幅值也較大，但此時(shí)管道里程和壓力波傳播速度沒有經(jīng)過修正，系統(tǒng)定位泄漏發(fā)生在站內(nèi)未進(jìn)行報(bào)警，經(jīng)過參數(shù)修正后這兩次泄漏均能正常報(bào)警。第8、9次泄漏量最小，為0.5%Q，壓力波形波動(dòng)很小，未達(dá)到報(bào)警閾值，系統(tǒng)未發(fā)出泄漏報(bào)警。測(cè)試結(jié)果表明，將PLC/RTU 獲取的管道壓力數(shù)據(jù)用于負(fù)壓波法泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可檢測(cè)大于管輸量1.5%的泄漏，基本能夠滿足管道泄漏監(jiān)測(cè)的技術(shù)需求。

4 結(jié) 語

主流泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)廠商普遍采用專用的泄漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，此類設(shè)備規(guī)格多樣，增大了使用和維護(hù)難度。使用管道常見的PLC/RTU 代替專用設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)壓力等數(shù)據(jù)的采集。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，開發(fā)的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)管輸量1.5%以上的泄漏，略低于常見泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管輸量1%的檢測(cè)靈敏度。未來需要繼續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)分析方法，增加流量數(shù)據(jù)來提高泄漏監(jiān)測(cè)的靈敏度。另外，需要挖掘輸油泵、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備參數(shù)信息的使用方法，彌補(bǔ)通過判斷管輸操作屏蔽報(bào)警信息存在的漏報(bào)警風(fēng)險(xiǎn)。