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(zhǎng)期埋于地下，由于環(huán)境各異，會(huì)發(fā)生不同程度的腐蝕^[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)每年因管道腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)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(wèn)題，對(duì)環(huán)境造成破壞。因此，對(duì)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(yáng)極法和外加強(qiáng)制電流法^[3]。國(guó)外多采用整流器提供陰保電流，而我國(guó)多采用恒電位儀和犧牲陽(yáng)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?cái)嚯婋娢唬?yīng)在-850 mV～-1 200 mV之間^[4]；當(dāng)上述準(zhǔn)則難以達(dá)到時(shí)，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(guó)的油氣管道鋪設(shè)廣泛，傳統(tǒng)的人工巡檢方式多采用萬(wàn)用表等儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，效率低誤差大，只能采集通電電位，無(wú)法采集陰極保護(hù)準(zhǔn)則評(píng)判時(shí)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(shí)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(shí)查看、管理陰極保護(hù)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)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(cè)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(cè)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(guò)GPRS/CDMA的無(wú)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(jì)

    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(chǔ)單元、GPS授時(shí)定位單元、時(shí)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)量中要求的高輸入阻抗和抗干擾的測(cè)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(hào)，通過(guò)高精度分壓電阻使信號(hào)電壓范圍轉(zhuǎn)變?yōu)?1 V~+1 V，經(jīng)過(guò)第一級(jí)運(yùn)放組成的電壓跟隨器，然后在第二級(jí)運(yùn)放對(duì)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(huì)耦合出交流電壓，引起交流腐蝕^[6]，因此需對(duì)管道上的交流電壓進(jìn)行測(cè)量。如圖4所示，測(cè)量端直接接在管道上通過(guò)電容隔離直流信號(hào)，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(guò)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(cè)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(gè)重要指標(biāo)^[7-8]。本文設(shè)計(jì)了直流電流測(cè)量電路和交流電流測(cè)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(cè)放大器LMP8601將電流流過(guò)高精度采樣電阻的電壓放大20倍。通過(guò)兩級(jí)RC和運(yùn)放組成的電壓跟隨器濾除交流信息，測(cè)量直流電位得到當(dāng)前直流電流大小；通過(guò)電容隔離直流信息后再經(jīng)過(guò)精密全波整流電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，測(cè)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(shí)間同步校準(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)

    時(shí)間同步部分以衛(wèi)星時(shí)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(guò)串口接收位置信息和時(shí)間信息，同時(shí)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(shí)時(shí)間通過(guò)串口對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行校準(zhǔn)，有較大的誤差，需要在串口授時(shí)完成后再使用秒脈沖產(chǎn)生中斷對(duì)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。同時(shí)在測(cè)量時(shí)定好測(cè)量時(shí)間后，在時(shí)間位于測(cè)量時(shí)間上一分鐘的59 s處開啟測(cè)量中斷。使用定位芯片秒脈沖的上升沿作為中斷測(cè)量的開始時(shí)間，可以將測(cè)量時(shí)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(wú)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(shí)性強(qiáng)、無(wú)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(shí)支持國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)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(jì)成通信板，通過(guò)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(shuō)明。如圖7所示，電路中主控制單元MSP430芯片通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與MG2639的通信，通過(guò)AT指令對(duì)模塊進(jìn)行配置和控制，通過(guò)SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA 3個(gè)管腳完成對(duì)開通的移動(dòng)/聯(lián)通卡的操作，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(guò)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(duì)應(yīng)模塊工作時(shí)才需要開啟對(duì)應(yīng)的電源。采集儀平時(shí)處于休眠模式，只有在工作時(shí)才會(huì)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(guò)測(cè)試，采集儀處于休眠模式時(shí)只有主控芯片和時(shí)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(shí)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(shí)間為20 s左右，在定位授時(shí)和上傳模式時(shí)平均電流為70 mA，所需時(shí)間為40 s左右，系統(tǒng)每天需要采集4次信息（3次測(cè)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(yáng)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(shí)為了實(shí)現(xiàn)低功耗的功能，通過(guò)多個(gè)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(duì)應(yīng)單元時(shí)才對(duì)其進(jìn)行供電。同時(shí)為了保證對(duì)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，數(shù)據(jù)上傳不成功時(shí)將對(duì)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(cè)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(cè)驗(yàn)并按照要求通過(guò)了檢驗(yàn)，得到了編號(hào)為TDYY字第170081-WT號(hào)的檢驗(yàn)報(bào)告。

4.1 采集儀的測(cè)量精度 

    在測(cè)量中以電位的測(cè)量為例，用到了6位半的數(shù)字萬(wàn)用表34401A，程控直流穩(wěn)壓電源AN50600SV1，智能變頻電源AN97005H。測(cè)量數(shù)據(jù)均為3次測(cè)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(duì)誤差最大不超過(guò)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(jì)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(tái)的功能測(cè)試

    陰極保護(hù)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)由網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(guò)網(wǎng)關(guān)作為中轉(zhuǎn)站將經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)，管道管理人員通過(guò)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(tái)的網(wǎng)站設(shè)置了數(shù)據(jù)報(bào)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(guò)管理平臺(tái)對(duì)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(shí)庫(kù)和相關(guān)的管道維護(hù)建議，用戶管理可以設(shè)定不同級(jí)別的用戶擁有不同級(jí)別的操作和查看的權(quán)限。數(shù)據(jù)報(bào)表中，可以查看某個(gè)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(jì)40臺(tái)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(guò)查看斷電電位發(fā)現(xiàn)173測(cè)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(duì)管道進(jìn)行了維護(hù)，規(guī)避了管道破損的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)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(guò)GPRS/CDMA的無(wú)線通信方式設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、存儲(chǔ)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(shí)可以通過(guò)對(duì)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(wú)人值守等特點(diǎn)，滿足野外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 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，2015，30(3)：14-18.

[2] 楊軍強(qiáng).長(zhǎng)輸油氣管道陰極保護(hù)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)研制[D].西安：西安石油大學(xué)，2014.

[3] 薛致遠(yuǎn)，畢武喜，陳振華，等.油氣管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，33(9)：938-944.

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 21448-2008，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)電流測(cè)量技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，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(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，46(1)：29-33.

作者信息:

郭志濤，孔江浩，雷  瑤，史龍?jiān)?/p>

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