摘要：

針對埋地金屬管道腐蝕嚴(yán)重，而我國陰極保護(hù)的評測方法多為人工巡檢，測量數(shù)據(jù)誤差大、數(shù)據(jù)不完備、查看不便的現(xiàn)狀，設(shè)計出一套金屬管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。設(shè)計了高精度的采集電路，通過GPRS/CDMA的遠(yuǎn)程傳輸方式，將埋地油氣管道的各項(xiàng)陰極保護(hù)參數(shù)采集后發(fā)回服務(wù)器。通過服務(wù)器查看數(shù)據(jù)并對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與處理，獲得受保護(hù)管道的當(dāng)前保護(hù)狀況，為管道的保護(hù)提供了重要依據(jù)。設(shè)計專門的電源管理模塊，選取超低功耗處理器MSP430F5438使系統(tǒng)在休眠模式下電流小于20 μA，采用12 000 mAh的電池配合太陽能電池可工作10年以上，彌補(bǔ)了野外供電不足的缺陷。

0 引言

目前，埋地金屬管道廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、飲用水等的傳輸。埋地金屬管道長期埋于地下，由于環(huán)境各異，會發(fā)生不同程度的腐蝕[1]。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在我國每年因管道腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約占國民經(jīng)濟(jì)凈產(chǎn)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(yùn)輸中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還易引發(fā)諸多安全問題，對環(huán)境造成破壞。因此，對管道的保護(hù)非常重要。

陰極保護(hù)主要包括兩種方法：犧牲陽極法和外加強(qiáng)制電流法[3]。國外多采用整流器提供陰保電流，而我國多采用恒電位儀和犧牲陽極結(jié)合的方式提供陰極保護(hù)電流。根據(jù)現(xiàn)行的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，陰極保護(hù)電位（管/地斷電電位）應(yīng)在-850 mV～-1 200 mV之間[4]；當(dāng)上述準(zhǔn)則難以達(dá)到時，可采用管道陰極極化電位差或去極化電位差大于100 mV作為判據(jù)。我國的油氣管道鋪設(shè)廣泛，傳統(tǒng)的人工巡檢方式多采用萬用表等儀器進(jìn)行現(xiàn)場采集，效率低誤差大，只能采集通電電位，無法采集陰極保護(hù)準(zhǔn)則評判時的斷電電位，造成了陰極保護(hù)效果判斷的誤差，且人工匯總數(shù)據(jù)實(shí)時性差，查看不方便等。

綜上所述，需要研制一套油氣管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，用于實(shí)時查看、管理陰極保護(hù)數(shù)據(jù)，評價管道陰極保護(hù)狀態(tài)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集儀和陰極保護(hù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集儀將測量管道的各項(xiàng)參數(shù)，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(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA的無線通道遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)中,管理人員可以使用PC登錄網(wǎng)站查看相應(yīng)的管道陰極保護(hù)參數(shù)。

2 智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計

智能陰保數(shù)據(jù)采集儀主要由主控單元、電源管理單元、數(shù)據(jù)采集和調(diào)理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、GPS授時定位單元、時鐘單元和遠(yuǎn)程通信單元7部分組成。由于智能電位采集儀應(yīng)用于野外環(huán)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(tǒng)主要測量的參數(shù)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(hù)數(shù)據(jù)采集儀的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 電位采集功能的實(shí)現(xiàn)

2.1.1 直流電位調(diào)理電路

直流電路需要測量的數(shù)據(jù)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(jìn)行采集。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(diào)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于管道測量中要求的高輸入阻抗和抗干擾的測量。采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為AD7705，在電源電壓為3.3 V、基準(zhǔn)電源為2.5 V的條件下可以采集0~+2.5 V的電壓。根據(jù)實(shí)際要求需要采集-5 V~+5 V范圍的電壓信號，通過高精度分壓電阻使信號電壓范圍轉(zhuǎn)變?yōu)?1 V~+1 V，經(jīng)過第一級運(yùn)放組成的電壓跟隨器，然后在第二級運(yùn)放對電壓抬升1.225 V變?yōu)?.225 V~+2.225 V，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到采集電位,具體電路如圖3所示。

2.1.2 交流感生電壓調(diào)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(jìn)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(jīng)分壓后進(jìn)入半波整流電路，然后進(jìn)入積分電路在電容C39上積分，通過MSP430的內(nèi)部AD采集電壓按照比例得到當(dāng)前的交流電壓值，可以支持的測量范圍為有效值0~+100 V的交流電壓。

2.2 電流采集功能的實(shí)現(xiàn)

管道中陰極保護(hù)電流密度是指被保護(hù)的管道單位面積上所需要的保護(hù)電流，它是衡量管道防腐涂層絕緣性能的一個重要指標(biāo)[7-8]。本文設(shè)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(lián)在管道和試片之間的高精度的0.1 Ω的采樣電阻，使用雙向、電壓輸出電流感測放大器LMP8601將電流流過高精度采樣電阻的電壓放大20倍。通過兩級RC和運(yùn)放組成的電壓跟隨器濾除交流信息，測量直流電位得到當(dāng)前直流電流大??；通過電容隔離直流信息后再經(jīng)過精密全波整流電路將交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號，測得交流電流的大小。因?yàn)樵嚻穆懵睹娣e是固定的，所以可得到管道相應(yīng)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(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)

時間同步部分以衛(wèi)星時鐘為同步基準(zhǔn)[9]，衛(wèi)星接收機(jī)為高靈敏度北斗/GPS雙模接收機(jī)ATGM332D，支持GPS和BDS單系統(tǒng)定位和雙系統(tǒng)聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，誤差小于1 μs。因?yàn)槭跁r時間通過串口對時鐘芯片進(jìn)行校準(zhǔn)，有較大的誤差，需要在串口授時完成后再使用秒脈沖產(chǎn)生中斷對時間進(jìn)行校準(zhǔn)。同時在測量時定好測量時間后，在時間位于測量時間上一分鐘的59 s處開啟測量中斷。使用定位芯片秒脈沖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(nèi)。北斗/GPS接收模塊電路如圖6所示。

2.4 遠(yuǎn)程通信功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)采集儀設(shè)備多使用在野外偏遠(yuǎn)地區(qū)不便于有線通信，決定使用無線通信方式向服務(wù)器傳輸信息。而GPRS/CDMA的通信方式具有成本低、接入范圍廣、實(shí)時性強(qiáng)、無需維護(hù)鏈路等突出優(yōu)點(diǎn)。而采用GPRS/CDMA通信方式可同時支持國內(nèi)三大運(yùn)營商不同SIM卡。用戶可以根據(jù)需求選用最優(yōu)的通行網(wǎng)絡(luò)，將通信單元單獨(dú)設(shè)計成通信板，通過插針實(shí)現(xiàn)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(jìn)行說明。如圖7所示，電路中主控制單元MSP430芯片通過串口實(shí)現(xiàn)與MG2639的通信，通過AT指令對模塊進(jìn)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(lián)通卡的操作，可以實(shí)現(xiàn)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。相應(yīng)地，CDMA的通信方式只需將硬件更換為MC8332D的通信模塊和電信卡，通過主程序?qū)崿F(xiàn)多種通信方式的兼容。

2.5 低功耗的實(shí)現(xiàn)

由于智能陰保數(shù)據(jù)采集儀長期工作在野外，電源的更換和維護(hù)十分不便，因此系統(tǒng)對功耗的要求十分嚴(yán)格。為了滿足這一要求，采集儀的主處理器和外圍電路全部使用低功耗芯片。選取了超低功耗TPS70933作為3.3 V電源管理芯片，芯片可以通過EN管腳控制，在關(guān)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(yīng)模塊工作時才需要開啟對應(yīng)的電源。采集儀平時處于休眠模式，只有在工作時才會處于工作模式。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(jīng)過測試，采集儀處于休眠模式時只有主控芯片和時鐘部分工作，且主控芯片處于LPM3模式，整系統(tǒng)電流低于20 μA。在工作模式時陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的平均電流為30 mA，采集時間為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(tǒng)每天需要采集4次信息（3次測量干擾，1次用于上傳）。系統(tǒng)使用12 000 mAh可充電電池配合太陽能電池板，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作10年以上。

3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)以超低功耗芯片MSP4305438作為主控芯片，同時為了實(shí)現(xiàn)低功耗的功能，通過多個超低功耗的電源管理芯片分別為不同的模塊進(jìn)行供電，在程序中只在使用對應(yīng)單元時才對其進(jìn)行供電。同時為了保證對數(shù)據(jù)的可靠傳輸，數(shù)據(jù)上傳不成功時將對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地保存，每次上傳檢查是否有緩存數(shù)據(jù)，如果存在緩存數(shù)據(jù)則將緩存數(shù)據(jù)一并上傳，具體工作流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)功能測試

本油氣管道遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)功能均在天津電子儀表實(shí)驗(yàn)所進(jìn)行了測驗(yàn)并按照要求通過了檢驗(yàn)，得到了編號為TDYY字第170081-WT號的檢驗(yàn)報告。

4.1 采集儀的測量精度

在測量中以電位的測量為例，用到了6位半的數(shù)字萬用表34401A，程控直流穩(wěn)壓電源AN50600SV1，智能變頻電源AN97005H。測量數(shù)據(jù)均為3次測量后的平均數(shù)據(jù)。

從表1中數(shù)據(jù)可知直流電位的絕對誤差最大不超過4 mV，誤差比例小于0.30%，滿足誤差比例小于0.50%的要求。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出交流電位的最大誤差為0.93%，滿足設(shè)計中要求的誤差不大于1%的要求。

4.2 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)管理平臺的功能測試

陰極保護(hù)數(shù)據(jù)管理平臺由網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫、基于WebGIS的網(wǎng)站組成[10]。智能陰極保護(hù)參數(shù)采集儀將陰極保護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上。服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)作為中轉(zhuǎn)站將經(jīng)過校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，管道管理人員通過網(wǎng)站登錄后可以查看各項(xiàng)參數(shù)和相關(guān)折線圖。

陰極保護(hù)管理平臺的網(wǎng)站設(shè)置了數(shù)據(jù)報表、管理工具、用戶管理、專家系統(tǒng)等。管道管理人員可以通過管理平臺對管線、管段、設(shè)備進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢等操作。專家系統(tǒng)可以為用戶提供知識庫和相關(guān)的管道維護(hù)建議，用戶管理可以設(shè)定不同級別的用戶擁有不同級別的操作和查看的權(quán)限。數(shù)據(jù)報表中，可以查看某個采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄，也可以查看整條管線的所有采集點(diǎn)某日的全部數(shù)據(jù)并生成折線圖便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以上功能均在天津市電子儀表研究所進(jìn)行了檢驗(yàn)。

本系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于北京市成品油輸送管道，總計40臺陰極保護(hù)參數(shù)采集儀。圖9所示為輸油管道在某天的陰極保護(hù)電位折線圖，通過查看斷電電位發(fā)現(xiàn)173測試點(diǎn)處的電位異常現(xiàn)象，在采集點(diǎn)附近挖開查看發(fā)現(xiàn)此處管道防腐層出現(xiàn)破損，導(dǎo)致管道受外界干擾較大，對管道進(jìn)行了維護(hù)，規(guī)避了管道破損的風(fēng)險。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了不同陰極保護(hù)參數(shù)的采集調(diào)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(shè)計出一套高效、穩(wěn)定、節(jié)能的陰極保護(hù)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將被保護(hù)管道的各項(xiàng)參數(shù)采集后發(fā)送回服務(wù)器。服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、存儲并顯示，方便了管道管理人員查看數(shù)據(jù)，為管道的受保護(hù)狀態(tài)提供了重要的參考依據(jù)，同時可以通過對管道多種數(shù)據(jù)的綜合分析得到當(dāng)前管道的健康狀況。陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有功能在天津市電子儀表實(shí)驗(yàn)所進(jìn)行檢驗(yàn)，已經(jīng)在北京某輸油管道中穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)踐證明本系統(tǒng)具有精度高、功耗極低、穩(wěn)定性好、無人值守等特點(diǎn)，滿足野外監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需要。