油氣管道陰極保護數據遠程採集系統的設計

摘要：

針對埋地金屬管道腐蝕嚴重，而我國陰極保護的評測方法多為人工巡檢，測量數據誤差大、數據不完備、查看不便的現狀，設計出一套金屬管道陰極保護數據遠程採集系統。設計了高精度的採集電路，通過GPRS/CDMA的遠程傳輸方式，將埋地油氣管道的各項陰極保護參數採集後發回伺服器。通過伺服器查看數據並對各項數據進行綜合分析與處理，獲得受保護管道的當前保護狀況，為管道的保護提供了重要依據。設計專門的電源管理模塊，選取超低功耗處理器MSP430F5438使系統在休眠模式下電流小於20 μA，採用12 000 mAh的電池配合太陽能電池可工作10年以上，彌補了野外供電不足的缺陷。

0 引言

目前，埋地金屬管道廣泛應用於石油、天然氣、飲用水等的傳輸。埋地金屬管道長期埋於地下，由於環境各異，會發生不同程度的腐蝕[1]。據統計數據顯示，在我國每年因管道腐蝕造成的直接經濟損失約佔國民經濟凈產值的3%～4%[2]。埋地管道的腐蝕、穿孔、泄露不僅造成了油氣漏失，使運輸中斷，造成巨大的經濟損失，還易引發諸多安全問題，對環境造成破壞。因此，對管道的保護非常重要。

陰極保護主要包括兩種方法：犧牲陽極法和外加強制電流法[3]。國外多採用整流器提供陰保電流，而我國多採用恆電位儀和犧牲陽極結合的方式提供陰極保護電流。根據現行的陰極保護標準，陰極保護電位（管/地斷電電位）應在-850 mV～-1 200 mV之間[4]；當上述準則難以達到時，可採用管道陰極極化電位差或去極化電位差大於100 mV作為判據。我國的油氣管道鋪設廣泛，傳統的人工巡檢方式多採用萬用表等儀器進行現場採集，效率低誤差大，只能採集通電電位，無法採集陰極保護準則評判時的斷電電位，造成了陰極保護效果判斷的誤差，且人工匯總數據實時性差，查看不方便等。

綜上所述，需要研製一套油氣管道陰極保護數據遠程採集系統，用於實時查看、管理陰極保護數據，評價管道陰極保護狀態。

1 系統的總體結構

陰極保護數據遠程監測系統結構如圖1所示，由智能陰極保護數據採集儀和陰極保護數據管理系統組成。智能陰極保護數據採集儀將測量管道的各項參數，包括通電電位、斷電電位、交流電位、自然電位、直流電流以及交流電流等。數據通過GPRS/CDMA的無線通道遠程傳輸到伺服器的陰極保護數據採集管理系統中,管理人員可以使用PC登錄網站查看相應的管道陰極保護參數。

2 智能陰極保護數據採集儀的設計

智能陰保數據採集儀主要由主控單元、電源管理單元、數據採集和調理單元、數據存儲單元、GPS授時定位單元、時鐘單元和遠程通信單元7部分組成。由於智能電位採集儀應用於野外環境對功耗要求較高，選取了超低功耗的MSP430F5438作為主控單元的處理器[5]。系統主要測量的參數有通電電位、斷電電位、交流干擾電位、自然電位、直流電流以及交流電流等。智能陰極保護數據採集儀的系統框圖如圖2所示。

2.1 電位採集功能的實現

2.1.1 直流電位調理電路

直流電路需要測量的數據包括通電電位、斷開電位和自然電位，分為通斷電位和自然電位兩路通道進行採集。選取了四通道微功耗、精密軌到軌輸入/輸出放大器AD8659，它具有低電源電流、低失調電壓、極低輸入偏置電流，還有較高的抗電磁干擾的能力，此器件的精密特性組合適用於管道測量中要求的高輸入阻抗和抗干擾的測量。採用的模數轉換晶元為AD7705，在電源電壓為3.3 V、基準電源為2.5 V的條件下可以採集0~+2.5 V的電壓。根據實際要求需要採集-5 V~+5 V範圍的電壓信號，通過高精度分壓電阻使信號電壓範圍轉變為-1 V~+1 V，經過第一級運放組成的電壓跟隨器，然後在第二級運放對電壓抬升1.225 V變為0.225 V~+2.225 V，再進行模數轉換，得到採集電位,具體電路如圖3所示。

2.1.2 交流感生電壓調理電路

如果埋地管道附近有變壓器或高壓輸電線，管道上就會耦合出交流電壓，引起交流腐蝕[6]，因此需對管道上的交流電壓進行測量。如圖4所示，測量端直接接在管道上通過電容隔離直流信號，經分壓後進入半波整流電路，然後進入積分電路在電容C39上積分，通過MSP430的內部AD採集電壓按照比例得到當前的交流電壓值，可以支持的測量範圍為有效值0~+100 V的交流電壓。

2.2 電流採集功能的實現

管道中陰極保護電流密度是指被保護的管道單位面積上所需要的保護電流，它是衡量管道防腐塗層絕緣性能的一個重要指標[7-8]。本文設計了直流電流測量電路和交流電流測量電路。如圖5所示，A_GD1和A_GD2之間為串聯在管道和試片之間的高精度的0.1 Ω的採樣電阻，使用雙向、電壓輸出電流感測放大器LMP8601將電流流過高精度採樣電阻的電壓放大20倍。通過兩級RC和運放組成的電壓跟隨器濾除交流信息，測量直流電位得到當前直流電流大小；通過電容隔離直流信息後再經過精密全波整流電路將交流信號轉換成直流信號，測得交流電流的大小。因為試片的裸露面積是固定的，所以可得到管道相應位置的直流電流密度和交流電流密度。

2.3 北斗/GPS時間同步校準功能的實現

時間同步部分以衛星時鐘為同步基準[9]，衛星接收機為高靈敏度北斗/GPS雙模接收機ATGM332D，支持GPS和BDS單系統定位和雙系統聯合定位。可以通過串口接收位置信息和時間信息，同時TIMEPULSE管腳可以輸出標準的秒脈衝，誤差小於1 μs。因為授時時間通過串口對時鐘晶元進行校準，有較大的誤差，需要在串口授時完成後再使用秒脈衝產生中斷對時間進行校準。同時在測量時定好測量時間後，在時間位於測量時間上一分鐘的59 s處開啟測量中斷。使用定位晶元秒脈衝的上升沿作為中斷測量的開始時間，可以將測量時間誤差降低到1 ms以內。北斗/GPS接收模塊電路如圖6所示。

2.4 遠程通信功能的實現

根據採集儀設備多使用在野外偏遠地區不便於有線通信，決定使用無線通信方式向伺服器傳輸信息。而GPRS/CDMA的通信方式具有成本低、接入範圍廣、實時性強、無需維護鏈路等突出優點。而採用GPRS/CDMA通信方式可同時支持國內三大運營商不同SIM卡。用戶可以根據需求選用最優的通行網路，將通信單元單獨設計成通信板，通過插針實現與主板的連接。選取了MG2639D和MC8332D通信模塊，分別支持GPRS/CDMA兩種通信制式，下面以MG2639D為例進行說明。如圖7所示，電路中主控制單元MSP430晶元通過串口實現與MG2639的通信，通過AT指令對模塊進行配置和控制，通過SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA 3個管腳完成對開通的移動/聯通卡的操作，可以實現通過GPRS網路的數據通信。相應地，CDMA的通信方式只需將硬體更換為MC8332D的通信模塊和電信卡，通過主程序實現多種通信方式的兼容。

2.5 低功耗的實現

由於智能陰保數據採集儀長期工作在野外，電源的更換和維護十分不便，因此系統對功耗的要求十分嚴格。為了滿足這一要求，採集儀的主處理器和外圍電路全部使用低功耗晶元。選取了超低功耗TPS70933作為3.3 V電源管理晶元，晶元可以通過EN管腳控制，在關斷模式線功耗低至0.15 μA，工作模式功耗只有1 μA，分多路供電，只有在對應模塊工作時才需要開啟對應的電源。採集儀平時處於休眠模式，只有在工作時才會處於工作模式。MSP4305438有5種省電模式LPM0~LPM4，其中LPM3模式下功耗為2 μA，為支持中斷可被喚醒的功耗最低的模式。經過測試，採集儀處於休眠模式時只有主控晶元和時鐘部分工作，且主控晶元處於LPM3模式，整系統電流低於20 μA。在工作模式時陰極保護數據採集狀態的平均電流為30 mA，採集時間為20 s左右，在定位授時和上傳模式時平均電流為70 mA，所需時間為40 s左右，系統每天需要採集4次信息（3次測量干擾，1次用於上傳）。系統使用12 000 mAh可充電電池配合太陽能電池板，系統可以穩定工作10年以上。

3 系統工作流程

本系統以超低功耗晶元MSP4305438作為主控晶元，同時為了實現低功耗的功能，通過多個超低功耗的電源管理晶元分別為不同的模塊進行供電，在程序中只在使用對應單元時才對其進行供電。同時為了保證對數據的可靠傳輸，數據上傳不成功時將對數據進行本地保存，每次上傳檢查是否有緩存數據，如果存在緩存數據則將緩存數據一併上傳，具體工作流程如圖8所示。

4 系統功能測試

本油氣管道遠程採集系統功能均在天津電子儀錶實驗所進行了測驗並按照要求通過了檢驗，得到了編號為TDYY字第170081-WT號的檢驗報告。

4.1 採集儀的測量精度

在測量中以電位的測量為例，用到了6位半的數字萬用表34401A，程式控制直流穩壓電源AN50600SV1，智能變頻電源AN97005H。測量數據均為3次測量後的平均數據。

從表1中數據可知直流電位的絕對誤差最大不超過4 mV，誤差比例小於0.30%，滿足誤差比例小於0.50%的要求。

從表2中數據可以看出交流電位的最大誤差為0.93%，滿足設計中要求的誤差不大於1%的要求。

4.2 陰極保護數據管理平台的功能測試

陰極保護數據管理平台由網關、資料庫、基於WebGIS的網站組成[10]。智能陰極保護參數採集儀將陰極保護數據發送到伺服器上。伺服器通過網關作為中轉站將經過校驗後的數據發送到資料庫，管道管理人員通過網站登錄後可以查看各項參數和相關折線圖。

陰極保護管理平台的網站設置了數據報表、管理工具、用戶管理、專家系統等。管道管理人員可以通過管理平台對管線、管段、設備進行添加、刪除、修改、查詢等操作。專家系統可以為用戶提供知識庫和相關的管道維護建議，用戶管理可以設定不同級別的用戶擁有不同級別的操作和查看的許可權。數據報表中，可以查看某個採集點的數據記錄，也可以查看整條管線的所有採集點某日的全部數據並生成折線圖便於進行數據分析。以上功能均在天津市電子儀錶研究所進行了檢驗。

本系統現已應用於北京市成品油輸送管道，總計40台陰極保護參數採集儀。圖9所示為輸油管道在某天的陰極保護電位折線圖，通過查看斷電電位發現173測試點處的電位異常現象，在採集點附近挖開查看發現此處管道防腐層出現破損，導致管道受外界干擾較大，對管道進行了維護，規避了管道破損的風險。

5 結論

本文設計了不同陰極保護參數的採集調理電路和同步定位模塊等外圍電路，通過GPRS/CDMA的無線通信方式設計出一套高效、穩定、節能的陰極保護參數遠程監控系統，該系統將被保護管道的各項參數採集後發送回伺服器。伺服器對數據進行接收、解析、存儲並顯示，方便了管道管理人員查看數據，為管道的受保護狀態提供了重要的參考依據，同時可以通過對管道多種數據的綜合分析得到當前管道的健康狀況。陰極保護數據採集系統的所有功能在天津市電子儀錶實驗所進行檢驗，已經在北京某輸油管道中穩定運行。實踐證明本系統具有精度高、功耗極低、穩定性好、無人值守等特點，滿足野外監測系統的設計需要。

參考文獻

[1] 熊川雲，劉明哲，庹先國，等.埋地金屬管道陰極保護參數野外監測系統的設計[J].自動化與儀錶，2015，30(3)：14-18.

[2] 楊軍強.長輸油氣管道陰極保護無線監控系統研製[D].西安：西安石油大學，2014.

[3] 薛致遠，畢武喜，陳振華，等.油氣管道陰極保護技術現狀與展望[J].油氣儲運，2014，33(9)：938-944.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 21448-2008，埋地鋼質管道陰極保護技術規範[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5] OH M H，SHIN C，KIM S.Design of low-power asynch-ronous MSP430 processor core using AFSM based controllers[C].ITC-CSCC：International Technical Conference on Circuits Systems，Computers and Communications，2008：1109-1112.

[6] LI Z，HAO H，DING Q.Electrochemical tests on the optimum cathodic protection potential of X70 steel in the presence of AC interference[C].International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring.IEEE，2011：166-171.

[7] 陶嘉楠.埋地管道陰極保護電流測量技術研究[D].天津：天津大學，2014.

[8] WANTUCH A，KURGAN E，GAS P. Numerical analysis on cathodic protection of underground structures[C].Selected Issues of Electrical Engineering and Electronics.IEEE，2016：1-4.

[9] CHEN Y，DICKENS J，HOLT S，et al.Synchronization of phased array pulsed ring-down sources using a GPS based timing system[C].Power Modulator and High Voltage Conference.IEEE，1930：624-627.

[10] 王寶珠，杜逸偉，郭志濤，等.埋地金屬管道陰極保護遠程監控系統的設計[J].河北工業大學學報，2017，46(1)：29-33.

作者信息:

郭志濤，孔江浩，雷 瑤，史龍雲

（河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！