【学术论文】油气管道阴极保护数据远程采集系统的设计
摘要：
针对埋地金属管道腐蚀严重，而我国阴极保护的评测方法多为人工巡检，测量数据误差大、数据不完备、查看不便的现状，设计出一套金属管道阴极保护数据远程采集系统。设计了高精度的采集电路，通过GPRS/CDMA的远程传输方式，将埋地油气管道的各项阴极保护参数采集后发回服务器。通过服务器查看数据并对各项数据进行综合分析与处理，获得受保护管道的当前保护状况，为管道的保护提供了重要依据。设计专门的电源管理模块，选取超低功耗处理器MSP430F5438使系统在休眠模式下电流小于20 μA，采用12 000 mAh的电池配合太阳能电池可工作10年以上，弥补了野外供电不足的缺陷。
0 引言
目前，埋地金属管道广泛应用于石油、天然气、饮用水等的传输。埋地金属管道长期埋于地下，由于环境各异，会发生不同程度的腐蚀[1]。据统计数据显示，在我国每年因管道腐蚀造成的直接经济损失约占国民经济净产值的3%～4%[2]。埋地管道的腐蚀、穿孔、泄露不仅造成了油气漏失，使运输中断，造成巨大的经济损失，还易引发诸多安全问题，对环境造成破坏。因此，对管道的保护非常重要。
阴极保护主要包括两种方法：牺牲阳极法和外加强制电流法[3]。国外多采用整流器提供阴保电流，而我国多采用恒电位仪和牺牲阳极结合的方式提供阴极保护电流。根据现行的阴极保护标准，阴极保护电位（管/地断电电位）应在-850 mV～-1 200 mV之间[4]；当上述准则难以达到时，可采用管道阴极极化电位差或去极化电位差大于100 mV作为判据。我国的油气管道铺设广泛，传统的人工巡检方式多采用万用表等仪器进行现场采集，效率低误差大，只能采集通电电位，无法采集阴极保护准则评判时的断电电位，造成了阴极保护效果判断的误差，且人工汇总数据实时性差，查看不方便等。
综上所述，需要研制一套油气管道阴极保护数据远程采集系统，用于实时查看、管理阴极保护数据，评价管道阴极保护状态。
1 系统的总体结构
阴极保护数据远程监测系统结构如图1所示，由智能阴极保护数据采集仪和阴极保护数据管理系统组成。智能阴极保护数据采集仪将测量管道的各项参数，包括通电电位、断电电位、交流电位、自然电位、直流电流以及交流电流等。数据通过GPRS/CDMA的无线通道远程传输到服务器的阴极保护数据采集管理系统中,管理人员可以使用PC登录网站查看相应的管道阴极保护参数。
2 智能阴极保护数据采集仪的设计
智能阴保数据采集仪主要由主控单元、电源管理单元、数据采集和调理单元、数据存储单元、GPS授时定位单元、时钟单元和远程通信单元7部分组成。由于智能电位采集仪应用于野外环境对功耗要求较高，选取了超低功耗的MSP430F5438作为主控单元的处理器[5]。系统主要测量的参数有通电电位、断电电位、交流干扰电位、自然电位、直流电流以及交流电流等。智能阴极保护数据采集仪的系统框图如图2所示。
2.1 电位采集功能的实现
2.1.1 直流电位调理电路
直流电路需要测量的数据包括通电电位、断开电位和自然电位，分为通断电位和自然电位两路通道进行采集。选取了四通道微功耗、精密轨到轨输入/输出放大器AD8659，它具有低电源电流、低失调电压、极低输入偏置电流，还有较高的抗电磁干扰的能力，此器件的精密特性组合适用于管道测量中要求的高输入阻抗和抗干扰的测量。采用的模数转换芯片为AD7705，在电源电压为3.3 V、基准电源为2.5 V的条件下可以采集0~+2.5 V的电压。根据实际要求需要采集-5 V~+5 V范围的电压信号，通过高精度分压电阻使信号电压范围转变为-1 V~+1 V，经过第一级运放组成的电压跟随器，然后在第二级运放对电压抬升1.225 V变为0.225 V~+2.225 V，再进行模数转换，得到采集电位,具体电路如图3所示。
2.1.2 交流感生电压调理电路
如果埋地管道附近有变压器或高压输电线，管道上就会耦合出交流电压，引起交流腐蚀[6]，因此需对管道上的交流电压进行测量。如图4所示，测量端直接接在管道上通过电容隔离直流信号，经分压后进入半波整流电路，然后进入积分电路在电容C39上积分，通过MSP430的内部AD采集电压按照比例得到当前的交流电压值，可以支持的测量范围为有效值0~+100 V的交流电压。
2.2 电流采集功能的实现
管道中阴极保护电流密度是指被保护的管道单位面积上所需要的保护电流，它是衡量管道防腐涂层绝缘性能的一个重要指标[7-8]。本文设计了直流电流测量电路和交流电流测量电路。如图5所示，A_GD1和A_GD2之间为串联在管道和试片之间的高精度的0.1 Ω的采样电阻，使用双向、电压输出电流感测放大器LMP8601将电流流过高精度采样电阻的电压放大20倍。通过两级RC和运放组成的电压跟随器滤除交流信息，测量直流电位得到当前直流电流大小；通过电容隔离直流信息后再经过精密全波整流电路将交流信号转换成直流信号，测得交流电流的大小。因为试片的裸露面积是固定的，所以可得到管道相应位置的直流电流密度和交流电流密度。
2.3 北斗/GPS时间同步校准功能的实现
时间同步部分以卫星时钟为同步基准[9]，卫星接收机为高灵敏度北斗/GPS双模接收机ATGM332D，支持GPS和BDS单系统定位和双系统联合定位。可以通过串口接收位置信息和时间信息，同时TIMEPULSE管脚可以输出标准的秒脉冲，误差小于1 μs。因为授时时间通过串口对时钟芯片进行校准，有较大的误差，需要在串口授时完成后再使用秒脉冲产生中断对时间进行校准。同时在测量时定好测量时间后，在时间位于测量时间上一分钟的59 s处开启测量中断。使用定位芯片秒脉冲的上升沿作为中断测量的开始时间，可以将测量时间误差降低到1 ms以内。北斗/GPS接收模块电路如图6所示。
2.4 远程通信功能的实现
根据采集仪设备多使用在野外偏远地区不便于有线通信，决定使用无线通信方式向服务器传输信息。而GPRS/CDMA的通信方式具有成本低、接入范围广、实时性强、无需维护链路等突出优点。而采用GPRS/CDMA通信方式可同时支持国内三大运营商不同SIM卡。用户可以根据需求选用最优的通行网络，将通信单元单独设计成通信板，通过插针实现与主板的连接。选取了MG2639D和MC8332D通信模块，分别支持GPRS/CDMA两种通信制式，下面以MG2639D为例进行说明。如图7所示，电路中主控制单元MSP430芯片通过串口实现与MG2639的通信，通过AT指令对模块进行配置和控制，通过SIM_RST、SIM_CLK、SIM_DATA 3个管脚完成对开通的移动/联通卡的操作，可以实现通过GPRS网络的数据通信。相应地，CDMA的通信方式只需将硬件更换为MC8332D的通信模块和电信卡，通过主程序实现多种通信方式的兼容。
2.5 低功耗的实现
由于智能阴保数据采集仪长期工作在野外，电源的更换和维护十分不便，因此系统对功耗的要求十分严格。为了满足这一要求，采集仪的主处理器和外围电路全部使用低功耗芯片。选取了超低功耗TPS70933作为3.3 V电源管理芯片，芯片可以通过EN管脚控制，在关断模式线功耗低至0.15 μA，工作模式功耗只有1 μA，分多路供电，只有在对应模块工作时才需要开启对应的电源。采集仪平时处于休眠模式，只有在工作时才会处于工作模式。MSP4305438有5种省电模式LPM0~LPM4，其中LPM3模式下功耗为2 μA，为支持中断可被唤醒的功耗最低的模式。经过测试，采集仪处于休眠模式时只有主控芯片和时钟部分工作，且主控芯片处于LPM3模式，整系统电流低于20 μA。在工作模式时阴极保护数据采集状态的平均电流为30 mA，采集时间为20 s左右，在定位授时和上传模式时平均电流为70 mA，所需时间为40 s左右，系统每天需要采集4次信息（3次测量干扰，1次用于上传）。系统使用12 000 mAh可充电电池配合太阳能电池板，系统可以稳定工作10年以上。
3 系统工作流程
本系统以超低功耗芯片MSP4305438作为主控芯片，同时为了实现低功耗的功能，通过多个超低功耗的电源管理芯片分别为不同的模块进行供电，在程序中只在使用对应单元时才对其进行供电。同时为了保证对数据的可靠传输，数据上传不成功时将对数据进行本地保存，每次上传检查是否有缓存数据，如果存在缓存数据则将缓存数据一并上传，具体工作流程如图8所示。
4 系统功能测试
本油气管道远程采集系统功能均在天津电子仪表实验所进行了测验并按照要求通过了检验，得到了编号为TDYY字第170081-WT号的检验报告。
4.1 采集仪的测量精度
在测量中以电位的测量为例，用到了6位半的数字万用表34401A，程控直流稳压电源AN50600SV1，智能变频电源AN97005H。测量数据均为3次测量后的平均数据。
从表1中数据可知直流电位的绝对误差最大不超过4 mV，误差比例小于0.30%，满足误差比例小于0.50%的要求。
从表2中数据可以看出交流电位的最大误差为0.93%，满足设计中要求的误差不大于1%的要求。
4.2 阴极保护数据管理平台的功能测试
阴极保护数据管理平台由网关、数据库、基于WebGIS的网站组成[10]。智能阴极保护参数采集仪将阴极保护数据发送到服务器上。服务器通过网关作为中转站将经过校验后的数据发送到数据库，管道管理人员通过网站登录后可以查看各项参数和相关折线图。
阴极保护管理平台的网站设置了数据报表、管理工具、用户管理、专家系统等。管道管理人员可以通过管理平台对管线、管段、设备进行添加、删除、修改、查询等操作。专家系统可以为用户提供知识库和相关的管道维护建议，用户管理可以设定不同级别的用户拥有不同级别的操作和查看的权限。数据报表中，可以查看某个采集点的数据记录，也可以查看整条管线的所有采集点某日的全部数据并生成折线图便于进行数据分析。以上功能均在天津市电子仪表研究所进行了检验。
本系统现已应用于北京市成品油输送管道，总计40台阴极保护参数采集仪。图9所示为输油管道在某天的阴极保护电位折线图，通过查看断电电位发现173测试点处的电位异常现象，在采集点附近挖开查看发现此处管道防腐层出现破损，导致管道受外界干扰较大，对管道进行了维护，规避了管道破损的风险。
5 结论
本文设计了不同阴极保护参数的采集调理电路和同步定位模块等外围电路，通过GPRS/CDMA的无线通信方式设计出一套高效、稳定、节能的阴极保护参数远程监控系统，该系统将被保护管道的各项参数采集后发送回服务器。服务器对数据进行接收、解析、存储并显示，方便了管道管理人员查看数据，为管道的受保护状态提供了重要的参考依据，同时可以通过对管道多种数据的综合分析得到当前管道的健康状况。阴极保护数据采集系统的所有功能在天津市电子仪表实验所进行检验，已经在北京某输油管道中稳定运行。实践证明本系统具有精度高、功耗极低、稳定性好、无人值守等特点，满足野外监测系统的设计需要。
参考文献
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作者信息:
郭志涛，孔江浩，雷 瑶，史龙云
（河北工业大学 电子信息工程学院，天津300401）