基于GPRS的输油管道实时监控系统

罗会玖

摘要：为了确保输油管道的安全运行，设计了基于GPRS的输油管道实时监控系统，系统采用“负压波”法进行泄露检测，通过RTU控制数据采集，利用GPRS无线传输通信实现现场RTU与监控室数据通信，从而完成对输油管道实时监控功能。

关键词：输油管道；GPRS；泄漏检测与定位；负压波

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）07-1670-03

石油输送管道大多在野外，点多、分散、距离长，面临打孔盗油、不法分子的蓄意破坏等问题，与前些年相比，这些年的“油耗子”盗油“技术含量”越来越高；为了有效解决这些难题，在石油输送管道沿线布置管道监控装置，而而长期以来对监控信息的传输没有好的解决方案，很多地方甚至连电话线都没有，更谈不上采用光纤接入等方式；针对这个情况，设计的系统中将无线GPRS无线传输技术与监测监控系统紧密结合，实时采集数据，全方位识别，全天候处理，将监控信息传送到监控室中，减少盗油案件的发生，减少了油田损失，减少巡线队员的工作量，提高了长输管道的现代化管理水平，为今后开展优化运行调度和自动化监控打下了基础。

1 系统设计

输油管道自动化监控系统通过对管道首站和末站的压力、温度及流量的实时监测，实现对管道的完全监控，管道发生泄漏时，首端流量上升，末端流量下降，输差增大，同时首末站压力下降，当输差和压力变化量大于“设定值”（报警门坎）时，系统报警。整个管道监控系统由安装在首站及末站的现场采集控制单元RTU、GPRS 数据传输单元、监控室数据中心组成；系统通过现场RTU模块实现与GPRS DTU 的数据交互， RTU 实时接收监控室数据中心发来的控制命令完成相应控制功能，同时RTU 定时将数据发送给GPRS DTU，GPRS DTU在收到RTU 发来的数据会立即转发到监控室数据中心，整个监控系統如图1所示。

1）现场采集控制部分：前端的压力、温度及流量分别通过温度传感器、压力传感器和流量传感器进行采集，再把采集后的信号输入到数据采集分析系统进行处理，其中数据采集分析系统采用带有独立CPU的紧凑型控制器，数据采集处理单元主要由16-bit、8-channel analog differential input module和16-bit、microprocessor组成，分别对压力和流量信号进行前置放大、滤波、A/D 转换、编程等预处理，它适用于无人值守的工作环境，能够进行独立的数据采集和处理。

2）GPRS 数据传输：RTU 将各工艺参数实时采集后，按照GPRS 模块的数据格式添加相应的目的地址后，通过工业总线发给GPRS DTU 模块，之后GPRS DTU模块根据数据的目的地址选择传输的路由，将信号发送到GPRS 网络中。

3）监控中心计算机：采用轮询方式收集各管道控制器数据，数据经过分析经处理后，进输油管道实时数据库，并对采集上来的温度、压力及流量信号以曲线的形式进行实时显示，并根据输油管道两端的压力采集信号，以负压波方法为理论基础，对输油管道中所出现的泄漏及时进行报警并确定泄漏点所在位置，并对数据进行存储、历史趋势分析、报表打印等。

2 软件设计

系统软件主要包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块、显示模块、输入输出接口模块和网络浏览模块等。

1）数据处理模块

泄漏检测与定位算法： 若泄漏指标超过阈值，先判断是否由工况变化引起，如是工况变化，系统不报警，但给值班人员以“工况变化”提示；如果判断为泄漏，则给出声、光报警提示，同时给出泄漏点定位。泄漏监测的实现方式：三级层次结构：一是泄漏监测仪实时感测管道内的声波信号，并以4-20mA形式输出信号到泄漏监测RTU；二是泄漏监测RTU实时采集4-20mA声波信号，并通过GPS授时，给实时数据打上时间标签，通过无线或有线网络把数据传送到泄漏监测中心；三是泄漏监测中心接收上、下游RTU传送的数据，通过自适应信号去噪和信号重构、声纹特征提取和人工神经网络诊断模型，实现泄漏的可靠诊断。通过相关分析实现泄漏定位。

系统泄漏定位采用负压波输量平衡法，当管线某点发生泄漏时，该点就会产生一个负压波，这个压力的变化通过介质按一定规律向两端传播，压力波传播过程衰减较小，可以传播相当远的距离，传感器能检测出压力波到达测量点的时刻，利用负压波通过上下游测量点的时间差以及负压波在管线中的传播速度，可以确定泄漏位置。

设管道长度L、压力波传递速度α（变量）、流速V，t1与t2分别是压力波传递到首站及末站的时间，[Δt=t2-t1]，由以下公式即可算出管道泄漏位置X0： [X0=a-V2aL+Δt（a+V）]，由此可以看出：负压波的瞬时传播速度与介质的温度、粘度、管道材料、管径、弹性模量等参数有关，负压波输量平衡法关键技术问题是微弱信号的提取和传播速度的修正，对由于因管线的工况参数及被输介质的理化性质和温度等引起压力波的传递速度及衰减速度变化进行必要的补偿和修正，即可实现准确定位。

精确获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的信号，需要准确地捕捉到泄漏压力波信号序列的对应特征点。由于不可避免的工业现场的电磁干扰、输油泵的振动等因素，采集到的压力波信号序列附加了大量噪声，如何从噪声当中准确地提取出信号的特征点是定位的关键。利用小波变换对负压波信号进行处理，并应用于输油管道泄漏报警定位系统”。通过小波算法的应用，克服了以往算法的缺点，提高了运算速度和处理精度。

小波变换（wavelet transform）是80年代后期发展起来的应用数学分支。小波变换的含义是：把某一被称为基本小波[也叫母小波（mother wavelet）]的函数ψ（t）作位移τ后，再在不同尺度a下与待分析信号x（t）作内积：

[WTx（a，τ）=1a-∞+∞x（t）ψ?t-τadt，a>0]，等效的频域表示是：

[WTx（a，τ）=a2π-∞+∞X（t）Ψ?（aω）e+jωπdω]。

对由于因管线的工况参数及被输介质的理化性质和温度等引起压力波的传递速度及衰减速度变化进行必要的补偿和修正，即可实现准确定位。负压波传播速度修正公式 ：[a=Kρ1+（D/e）（K/E）C1]，式中 a为管内压力波的传播速度（m/s），K为液体的体积弹性系数（Pa），r为液体的密度（kg/m3），E为管材的弹性（Pa），D 为管道直径（m），e为管壁厚度（m），C1为与管道的约束条件有关的修正系数。

考虑到精度和計算量的要求，这里采用复化Simpson算法进行泄漏点定位：

2）GPRS 通信

通讯系统采用GPRS 通讯方式，通讯系统的主要功能是把首站和末站经过“数据采集分析系统”处理以后的压力、流量信号送到集输调度室的“数据监视处理系统”，调度室通过网络传到其它管理科室。

GPRS模块选用MC35实现历史数据、实时数据以及报告信息的远程传输。模块内具备TCP/IP协议栈，可直接利用它进行无线上网， GPRS模块使用UART接口和微处理器控制器进行通信，通过微控制器AT指令对MC35进行上网前的设置和数据的传输。当收到MC35的正确反馈回答后，1条物理信道就在MC35和GPRS网络之间建立起来。微控制器通过向MC35发送不同的AT命令来控制其工作。

MC35加电后，应用程序需通过P0口操作MC35的ON/OFF控制位，CMS91正式启动的过程大约3～5 s，若MC35接有有效的SIM卡，MC35将附着在GPRS网络。对MC35的串口读写操作仍然由中断服务程序来实现，复位上电后，程序先进行工作频率等参数的设置，然后进行拨号和PPP协商；PPP协商成功后，将得到系统本地IP，一旦获得自己的IP，系统实际上就已经连入Internet，但要和连入Internet的另一IP终端通信，就还需要与另一IP终端进行端对端的TCP连接。在TCP连接成功后，整个程序将保持这个连接状态。进入TCP连接状态后，可能会收到TCP连接的另一IP终端发来的数据，在层层解包处理之后，便可以得到TCP层之上的种种应用层数据。如果要向对方发送数据，则要先进行中断请求发送，在等到TCP连接建立之后方可发送。这部分TCP/IP协议的处理由CMS91内嵌的微控制器来完成。

3）数据采集模块

数据采集分析系统分别安装在首站和末站，主要对流量、压力、温度信号的采集、预处理、压缩打包后，通过通讯系统送到数据监视处理系统，RTU从与智能传感器连接的串行端口（COM）接收到传感器数据包，并将数据包解码成模数转换器（ADC）的二进制数据。以备中心站在请求数据时，将数据发送出去，采集的数据包括压力信号、温度信号、流量信号和开关量信号。

4）显示模块

实时显示RTU显示压力、流量、温度的数据， 如果接上VGA显示器（或者从远程桌面登录到此计算机），可从屏幕上观测到RTU状态，以便于诊断RTU故障。

5）远程浏览模块

数据的保存功能：每隔一定时间，把当前时刻数据存入数据库中；

远端访问功能：利用远程访问客户端，可以在任何一台联网的计算机上，在通过身份的验证后，浏览历史数据和监视当前数据。

3 结束语

设计的输油管道监控系统使用GPRS无线传输技术及先进传感技术，并结合改进的负压波平衡法来诊断泄漏信号，对复杂 工况下的管道泄漏定位技术有了很大的突破，具有抗干扰能力强、报警及时、灵敏度高、定位准确等特点，实现了对输油管道运行参数的集中监视及控制，起到了管道生产的“千里眼”，原油输送的“保护神”的作用，大大减少盗油案件的发生及油田损失。

参考文献：

[1] 于彦伟.基于无线传感网的管道腐蚀远程监测系统设计[J].小型微型计算机系统，2011（6）.

[2] 刘丽霞.输油管道泄漏检测与定位系统设计[J].核电子学与探测技术，2011（4）.

[3] 黄庆.基于GPRS视频监控系统的设计[J].电脑知识与技术，2012（15）.

[4] 袁思达.基于GPRS的嵌入式数据传输终端的设计与实现[J].电脑知识与技术，2011（33）.