埋地金屬管道陰極保護遠程監控系統的設計

王寶珠，杜逸偉，郭志濤，蘇彥莽

（河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401）

埋地金屬管道陰極保護遠程監控系統的設計

王寶珠，杜逸偉，郭志濤，蘇彥莽

（河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401）

我國監測埋地金屬管道陰極保護狀態主要依靠人工定時巡檢，存在效率低、無法采集到斷電電位的問題，為此設計了陰極保護遠程監控系統.該系統由智能電位采集儀和陰極保護管理平臺兩部分構成：智能電位采集儀以MSP430單片機為核心，自動采集陰極保護電位、溫度等信息，通過2G/3G/4G網絡上傳至陰極保護管理平臺；陰極保護管理平臺采用了數據庫技術、網關技術和WebGIS技術，實時監控管線的陰極保護狀態，對數據進行集中管理.實際應用表明，該系統能夠準確采集斷電電位，效率高、運行穩定，實現了陰極保護的遠程監控管理.

埋地金屬管道；陰極保護；遠程監控；WebGIS

近年來，石油、天然氣、飲用水作為重要的資源，通常以埋地金屬管道作為傳輸載體.截至2015年底，中國除臺灣省以外的所有地區在役油氣管道總里程累計約為12萬千米[1].據統計，我國每年因腐蝕而損耗的鋼鐵達6千多萬噸，造成經濟損失高達2 800億元[2].陰極保護系統是通過提供陰極保護電流以防止管道腐蝕.我國埋地金屬管道很多分布在偏遠地區，交通不便，如何有效監測其是否處于保護狀態是一個亟需解決的問題.傳統的人工定時巡檢方式，大多以萬用表等儀器進行現場采集，效率低，容易受到天氣的影響.人工匯總數據，過程繁瑣，實時性差，查看管線陰極保護狀態不直觀.而且，該方式只能測量陰極保護通電電位，但陰極保護準則中的評判指標是斷電電位，這樣就造成了管理上的誤差.陰極保護的通電電位是直接測量管道和參比電極之間的電壓，實際包含了斷電電位和IR降兩部分.IR降即為電流流過管道和參比電極之間的土壤產生的壓降，斷電電位是管道的受保護電壓.為了得到管道真實的受保護狀態，需要消除IR降的影響，獲取斷電電位.陰極保護標準規定：管道陰極保護電位（斷電電位）應在-850 mV（CSE）～-1 200 mV（CSE）范圍內；當上述準則難以達到時，也可采用陰極極化或去極化電位差，即通電電位與斷電電位之差，大于100 mV的判據.

綜合以上分析，研制一套陰極保護遠程監控系統，實時查看管線的陰極保護狀態，對數據進行集中化管理，具有重要的意義[3].陰極保護遠程監控系統包括智能電位采集儀和陰極保護管理平臺.智能電位采集儀要求能夠自動采集陰極保護相關參數，同時基本消除IR降的影響.該采集儀具有功耗低的特點，適合長期工作于野外.此外，該采集儀可以實現遠程通信，將數據上傳至陰極保護管理平臺.該平臺能夠將測試樁位置顯示在GIS地圖上，查看數據報表，修改采集儀參數，下發控制指令，為相關部門運行和維護提供準確可靠的依據.

1 系統總體結構

陰極保護遠程監測系統結構如圖1所示，由智能電位采集儀和陰極保護管理平臺構成.陰極保護管理平臺包括中心調度網關、數據庫和基于WebGIS的網站.該系統實現了陰極保護參數的采集、傳輸、存儲和對智能電位采集儀的控制，從而實現對埋地金屬管道陰極保護的遠程監控管理.智能電位采集儀選用試片斷電法[4]采集通電電位、斷電電位等陰極保護參數，通過遠程通信單元將獲取的數據上傳至服務器.中心調度網關對數據進行校驗后，將數據更新至數據庫.引入Web技術，使得用戶僅需一臺接入Internet網絡的終端，即可登陸瀏覽器，隨時隨地訪問陰極保護管理平臺，實時查看管線的陰極保護狀態.

圖1 陰極保護遠程監控系統結構Fig.1 The structure of remote monitoring system for cathodic protection

2 智能電位采集儀設計

智能電位采集儀按照功能可劃分為7個主要單元：主控單元、電源單元、信號調理與采集單元、數據存儲單元、GPS授時單元、時鐘單元、遠程通信單元.智能電位采集儀選取超低功耗的MSP430F5438作為主控單元的處理器.電源單元將電池組提供的電壓轉換為±5 V、＋4 V、＋3.3 V電壓給各個單元供電.信號調理與采集單元使用±5 V供電，遠程通信單元使用＋4V供電，主控單元、數據存儲單元、GPS單元、時鐘單元采用＋3.3 V供電.信號調理與采集單元負責將原始待采信號轉換成可供AD采集的信號，然后進行采集.繼電器控制試片與管道的通斷，從而測量通電電位和斷電電位.GPS授時單元在GPS成功定位后將時鐘單元的時間同步為標準時間，確定采集儀所在位置.數據存儲單元選用Flash芯片，存儲采集儀的配置信息和采集數據.遠程通信單元建立采集儀和服務器之間的通信鏈路，將采集數據打包上傳，接收管理平臺下發的命令.智能電位采集儀總體設計框圖如圖2所示.

圖2 智能電位采集儀總體設計框圖Fig.2 The overall design of intelligent potential collecting-machine

2.1 電位采集功能實現

直流電位調理電路如圖3所示.AD8659為四通道微功耗、精密軌到軌輸入/輸出放大器，采用雙電源±5 V供電，具有低失調電壓、極低輸入偏置電流和出色的抗電磁干擾等特性.模/數轉換芯片AD7705在電源電壓為5 V，基準電壓為

2.5V的條件下可采集0～2.5V的正向電壓.測試信號的電壓范圍在-3 V～＋3 V之間，存在正向電壓和負向電壓，且幅值大于AD7705的采集峰值，所以采用高精度電阻分壓，使其電壓范圍在-1 V～＋1 V之間后再接入A/D轉換芯片，第1級運放對電壓信號進行跟隨，第2級運放對跟隨信號進行電壓抬升，以便將負信號抬升到零電位以上以供A/D芯片采集.使用五位半數字萬用表34 450 A測試，對于-3V～＋3V的直流電壓，采集儀的采集精度在±1 mV以內，滿足GB/T 21246-2007中的要求.

交流電位調理電路如圖4所示.在埋地管道附近可能存在高壓輸電線或者變壓器，那么就會在管道上耦合出工頻的感生交流電壓[5].采集儀利用MSP430內部的AD采集交流雜波，交流雜波進入之前，通過電阻進行分壓，經過電容隔離直流之后，第1級運放對電壓信號進行跟隨，完成阻抗變換，第2級運放對跟隨信號進行電壓抬升，以便將負信號抬升到零電位以上以便AD采集.交流雜波經過電阻衰減，然而即使采用高精度電阻，分壓仍存在一定的誤差，需要通過修正校正系數分段進行校正.經測試，采集儀可以采集峰峰值為0～60 V的交流信號，絕對誤差控制在100 mV之內.

圖3 直流電位調理電路Fig.3 Conditioning circuit of direct voltage

圖4 交流電位調理電路Fig.4 Conditioning circuit of alternating voltage

智能電位采集儀放置在無人值守的野外，雷雨天氣時，會在管道和參比電極上耦合出較強的感應信號，因此在供電引腳和地之間放置陶瓷放電管，使系統滿足GB/T 17626.5-2008中第4級防雷的要求.為進一步提高系統的可靠性，在管道和試片的輸入端都加入了瞬態電壓抑制二極管SMBJ12CA作為過電壓保護.

2.2 遠程通信功能實現

遠程通信功能依賴于國內三大運營商提供的無線通信網絡.國內三大主流運營商提供了多種制式的網絡，這些網絡具有接入范圍廣、實時在線、無需維護鏈路等突出的優點[6-7].然而，這些網絡在不同地區的信號強度有一定的差距.遠程通信單元設計單獨的電路板，用戶可以根據需求選擇不同制式的網絡，將相應的遠程通信單元直接插在采集儀預留的排座上，保證采集儀能夠選用最優的通信網絡.設計時選用封裝相近、上網流程基本一致的遠程通信模塊，這就保證了程序無需因更換遠程通信模塊做大幅修改.遠程通信模塊與MSP430F5438單片機均為TTL電平，可以直接通過串口相連接，單片機通過AT指令對模塊進行配置和控制.遠程通信單元需要SIM卡提供入網支持，P1為SIM卡電路，通過SIM_CLK、SIM_RST、SIM_VCC等引腳實現對SIM卡的讀寫及復位操作.遠程通信單元電路以支持GPRS網絡的MG2639模塊為例，如圖5所示.

圖5 MG2639遠程通信電路Fig.5 Circuit of telecommunication of MG2639

2.3 低功耗功能實現

由于智能電位采集儀長期工作于無人值守的野外，更換供電電源十分不便，因此系統對功耗的要求十分嚴格.為了滿足這一需求，采集儀的主處理器和外圍電路全部使用低功耗芯片.經測試，采集儀工作電流僅為77 mA.為進一步控制功耗，采用嚴格限制工作時間的方法，采集儀平時處于斷電狀態，只有到設置的開機時間時，才會通過時鐘芯片喚醒，采集儀開始工作.同時，各部分設計獨立的供電電路，只有在使用到相應的單元時，才會對這一部分電路供電，使用完畢后即切斷電源.采集儀選用總電量達到36 Ah的鋰電池組，時鐘芯片選用容量為3 600 mAh可充電鋰電池進行供電.實驗測試結果表明，智能電位采集儀的主電源和時鐘單元電源均可工作8年以上.

3 陰極保護管理平臺設計

陰極保護管理平臺由中心調度網關、數據庫、基于WebGIS的網站組成，是用戶和智能電位采集儀之間交互的橋梁.智能電位采集儀將通電電位、斷電電位、交流峰值電位、電池電量等數據發送到服務器上.服務器上的中心調度網關作為數據的中轉站，通過TCP/IP協議的SOCKET對接收到的數據進行校驗，然后將正確的數據更新至SQL Server數據庫中.陰極保護管理平臺通過tomcat發布至Internet網絡，方便工作人員實時監測現場數據.

陰極保護管理平臺依托百度地圖API進行開發，實現了WebGIS技術的嵌入和數據共享.用戶登陸管理平臺后，可以在GIS地圖上方便直觀地看到測試樁所處的位置，陰極保護參數是否符合設定的閾值，以及智能電位采集儀的網絡在線狀態等信息.

陰極保護管理平臺設置了數據報表、管理工具、用戶管理等欄目.用戶通過管理工具對管線、管段、設備可以進行添加、刪除、修改、查詢等操作，專家系統為用戶提供知識庫和記錄專家的整改建議，維修保養可記錄對管線的維護工作，用戶管理中可維護對應不同權限的用戶信息.數據報表中，可以搜索某個樁號查詢歷史記錄，也可查詢管段所屬的所有測試樁的當日數據.采用折線圖和數據列表相結合的報表方式，可以準確直觀地看到陰極保護參數的情況.

陰極保護遠程監控系統已應用于新疆原料廠米西輸水埋地管線，總計227臺智能電位采集儀，陰極保護管理平臺運行穩定.陰極保護管理平臺GIS地圖界面如圖6所示，某測試樁的月報表如圖7所示.

圖6 陰極保護管理平臺GIS地圖界面Fig.6 The interface of GIS map on the management platform for cathodic protection

圖7 某測試樁的月報表Fig.7 The monthly report of certain test pile

4 結束語

由于埋地金屬管道在土壤環境中受到不同程度的腐蝕，傳統的人工巡檢方式，效率低，數據量小，而且只能采集到通電電位.本文設計了一套陰極保護遠程監控系統，包括智能電位采集儀和陰極保護管理平臺兩部分.基于MSP430的智能電位采集儀采用試片斷電法消除IR降，將所在測試樁的經緯度、陰極保護參數、上傳時間等信息通過無線通信網絡發送至基于WebGIS的陰極保護管理平臺.服務器對數據進行解析、存儲、顯示，為工程技術人員進行管道防腐工作提供可靠的依據.實踐證明，該系統效率高、工作穩定、能夠采集到陰極保護的斷電電位，適用于長輸管線的陰極保護遠程監控.

[1] 高鵬，王培鴻，楊耀輝，等.2015年中國油氣管道建設新進展[J].國際石油經濟，2016，24（3）：60-65.

[2]宋吟蔚.基于分形理論的埋地鋼質管道雜散電流腐蝕檢測技術研究[D].北京：北京工業大學，2008.

[3]關維國，秦志猛，任國臣，等.基于GPRS的輸油管道陰極保護遠程監測系統設計[J].計算機測量與控制，2015，23（8）：2736-2738.

[4]李自力，謝躍輝，郝宏娜，等.試片斷電法測量埋地管道的斷電電位[J].腐蝕與防護，2011，44（12）：77-79.

[5]熊川雲，劉明哲，庹先國，等.埋地金屬管道陰極保護參數野外監測系統的設計[J].自動化與儀表，2015，（3）：14-18.

[6]商孔明.基于無線傳感器網絡和GPRS的溫濕度遠程監測系統[J].科學技術與工程，2012，12（24）：6175-6178.

[7]王秀芳.基于GPRS的抽油機監控系統的開發[J].科學技術與工程，2011，11（11）：2604-2606.

[責任編輯 代俊秋]

Design of remote monitoring system of buried metal pipeline based on cathodic protection

WANG Baozhu，DU Yiwei，GUO Zhitao，SU Yanmang
（School of Electronics and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

Since status monitoring of cathodic protection of buried metal pipeline in our country mainly relies on artificial periodical inspection,which has low efficiency and can't collect off potential,a remote monitoring system for cathodic protection is designed.The system consists of a intelligent potential collecting-machine and a management platform for cathodic protection.A intelligent potential collecting-machine which is based on MSP430,collects information such as potential of cathodic protection and temperature automatically，transmits these information to the management platform for cathodic protection through 2G/3G/4G network.The management platform for cathodic protection uses database technology,gateway technology and WebGIS technology,monitors the status of cathodic protection of pipelines in real time,manages the data centrally.Practical application shows that this system can collect off potential precisely,have high stability and efficiency and realize the management of remote monitoring for cathodic protection.

buried metal pipeline;cathodic protection;remote monitoring;WebGIS

TP311

A

1007-2373（2017）01-0029-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.005

2016-11-21

河北省科技支撐項目（16220308D）

王寶珠（1962-），女，教授.