基于PLC 的管道防腐补口无线数据采集系统

贾 超

（中国石油天然气管道科学研究院有限公司， 河北廊坊 065000）

0 前 言

中俄东线天然气管道工程自建成投产后， 承担每年380 亿m3进口天然气的输送任务， 向东北、 环渤海和长三角区域供气， 将有效缓解东北地区天然气短缺， 改善京津冀地区大气污染现状， 促进长江三角洲地区的能源结构调整， 具有很重要的战略意义以及很可观的经济效益[1]。 随着大数据时代的到来， 为顺应智能化、 数字化的发展趋势， 中国石油天然气集团有限公司提出了“标准化设计、 工厂化预制、 模块化施工、 机械化作业、 信息化管理” 的“五化” 及“全数字化移交、 全智能化运营、 全生命周期管理” 的“三全” 建设目标， 以中俄东线天然气管道工程为契机， 全面建设“数字管道”[2-4]。

在中俄东线管道建设中， 现场防腐补口已实现机械化流水作业， 有效提升了防腐补口质量及施工效率[5-14]。 为实现对防腐补口过程质量的严格管控， 以及关键施工数据的真实性、 完整性及可追溯性， 分析确定了影响补口质量的关键参数，通过研发基于PLC 的无线数据采集控制系统，对关键参数进行采集、 处理， 并最终实现无线远程传输及存储， 保证了关键施工数据的真实性、完整性及可追溯性。

1 系统设计

1.1 系统工作原理

（1） 利用扫码枪读取管口、 操作人员和设备的二维码信息， 通过温度传感器和压力传感器分别采集管口温度、 喷砂压力等数据信息， 施工二维码如图1 所示。

（2） 将采集到的数据传递给PLC， 通过程序进行数据加工、 整理及存储在相应的寄存器中。

（3） 上位机通过Modbus RTU 协议， 以数据收发模块组建的无线渠道， 定时采集数据， 实时显示在上位机界面并将数据打包发送给远程服务器。 电气原理图如图2 所示。

图1 中俄东线管道施工二维码

图2 数据采集系统电气原理图

1.2 硬件组成

1.2.1 控制单元

控制器采用三菱FX 系列PLC， 直流24 V 供电， 共8 个输入点、 8 个输出点， 采用继电器输出方式。 采用PLC 作为控制器， 一方面可提高系统稳定性， 增强抗干扰力； 另一方面， 方便功能扩展， 不改变硬件接线， 直接通过修改程序即可实现。 此外， PLC 通过A/D 模块扩展口连接A/D 转换模块， 通过通讯扩展口依次连接232 串口模块和485 串口模块。 控制系统硬件如图3 所示。

图3 控制系统硬件实物照片

1.2.2 数据采集单元

（1） 扫码枪。 利用扫码枪读取管口二维码、操作人员二维码、 设备二维码， 并将信息通过232 通信模块传递给PLC。

（2） 传感器。 采用24 V、 4～20 mA 电流信号模式的温度传感器和压力传感器， 通过二线制接线方式， 分别采集管口加热温度信息和喷砂除锈压力数据， 并上传至A/D 模块。 传感器现场安装如图4 所示。

图4 传感器安装照片

1.2.3 数据传输单元

数据传输单元包括发射端和接收端两部分，二者通过433 MHz 无线电磁波进行数据传输。发射端通过485 端口与PLC 相连， 并安装于施工现场， 接收端通过232 端口和控制室PC 机相连， 将接收到的信息传递并存储于主机中。 图5所示为接收端调试现场照片。

图5 接收端调试现场

1.3 程序设计

系统利用GX-Works 2 软件进行PLC 程序编写， 分温度、 压力采集和二维码采集两部分， 图6所示为无线数据采集系统程序流程。

图6 无线数据采集系统程序流程

2 成果应用

截止目前， 无线数据采集系统已在中俄东线管道局、 四川石油天然气建设工程有限责任公司、 辽河油田建设有限公司等单位的喷砂除锈、中频加热设备中应用50 余套。 现场数据采集系统如图7 所示。 实践证明， 该系统安装方便， 操作简单， 数据传输稳定可靠， 最大传输距离可达3 km， 能够有效保证中俄东线机械化防腐补口关键施工数据的全数字化移交。 图8 所示为无线数据采集系统现场应用照片。

图7 无线数据采集系统设备照片

图8 无线数据采集系统应用现场

3 结束语

机械化防腐补口的普及带来了施工效率的提升， 同时降低了人员的劳动强度， 施工过程中的关键数据采集更是为施工质量的把控奠定了基础。机械化防腐补口数据采集系统通过管口、 操作人员和设备二维码的应用， 实现了管口与施工数据的精准匹配， 保证了关键施工数据的真实性、 完整性及可追溯性， 有利于施工质量控制、 施工过程管理及管道后期的运营维护。