PLC/RTU在負壓波管道泄漏監測技術中的應用

王洪超，吳 瓊，王 寧，王立坤

（1.國家管網集團科學技術研究總院，河北 廊坊 065000；2.國家管網集團北方管道有限責任公司，河北 廊坊 065000）

0 引 言

長輸原油、成品油管道中因焊縫開裂、腐蝕穿孔、打孔盜油、第三方破壞（機械挖掘）和地質災害等原因造成的管道泄漏事件時有發生，給管道的安全高效運行帶來極大的挑戰。管道泄漏事件不僅可能造成較大的經濟損失，泄漏的油品還可能引發火災和爆炸事故，造成嚴重的人員傷亡或環境污染。國內外眾多科研機構和專業公司開展了輸油管道泄漏監測技術的深入研究和現場應用，相繼開發了負壓波法、負壓波結合流量平衡法、次聲波法、實時瞬態模型法、分布式光纖監測法等多種不同技術原理的輸油管道泄漏監測技術[1-2]。負壓波法管道泄漏監測技術具有系統原理簡單、定位精度高、報警響應快等優點，在我國絕大部分輸油管道中得到了應用，對于防范打孔盜油等原因導致的管道突發泄漏起到了積極的作用。

然而，在實際應用中，管輸工況操作引起的壓力波動易對基于負壓波法的泄漏監測技術產生干擾，引起過多無效報警，影響系統的正常使用。與此同時，現有泄漏監測系統廠商多，主流廠商的數據采集設備技術規格不一致，增大了使用維護的成本和難度。因此，研究采用PLC/RTU 采集管道壓力、流量和泵閥設備狀態等數據，既可統一數據采集設備規格，降低使用維護難度，也可獲取管輸工況操作信息，降低負壓波泄漏監測系統的無效報警次數，提高泄漏監測系統的性能和應用效果。

1 數據采集

主流泄漏監測技術廠商（國家管網研究總院、天津大學、ATMOS 等）通常采用專用設備采集壓力數據（如圖1所示），采樣率普遍在100 Hz 以上。PLC/RTU 作為管道SCADA 系統常見的數據采集設備，主要用于獲取管道站場、閥室安裝的泵、閥門、流量計、壓力變送器等多種類設備儀表的模擬量或狀態信息，其采樣率普遍在1 Hz 以內，遠低于主流泄漏監測技術廠商對數據采樣率的要求。

圖1 常見的泄漏監測系統專用設備

低采樣率容易引起信號不規則的階梯狀突變（如圖2所示），影響泄漏識別和定位精度。因此，如果使用PLC/RTU采集泄漏監測系統數據實現設備規格型號的一致性，必須解決 PLC/RTU 的高速、均勻采樣問題。

圖2 低采樣率引起的階梯狀壓力曲線

目前長輸管道普遍采用AB 公司和BB 公司的PLC、RTU 產品，針對這兩類產品的特點，對泄漏監測系統需要使用的變送器、PLC/RTU 進行了以下參數優化調整：

（1）修改現場變送器的阻尼時間。將變送器阻尼時間默認值改為最小值0.2 s，使變送器對壓力波動實現快速響應。

（2）修改站場PLC 的掃描周期。PLC 數據點位多，過小的掃描周期會增大PLC 的運行負荷，影響運行穩定性。經測試，將PLC 控制器的掃描周期調整100 ms 可在保證PLC運行穩定性的前提下實現數據采樣率的提升。

（3）修改閥室RTU 的掃描周期。為保證PLC/RTU 數據采樣率的一致性，將RTU 控制器的掃描周期調整為100 ms。

2 系統設計

利用站場PLC、閥室RTU 代替專用設備開發管道泄漏監測系統，主要包括兩部分內容：（1）建立數據采集服務器，實時從PLC/RTU 獲取壓力、流量和設備參數[3-5]；（2）建立泄漏監測終端，實時從數據采集服務器獲取數據并分析確定管道是否發生泄漏。

2.1 數據采集服務器

現有管道使用的AB 公司的PLC 和BB 公司的RTU 分別支持CIP 和ModBus TCP 協議，建立數據采集服務器只需要在修改PLC、RTU 參數的基礎上采用ModBus、CIP 協議，通過網絡從PLC/RTU 獲取壓力、流量和泵閥等設備參數，并采用通用的OPC UA 協議與泄漏監測終端進行通信，如圖3所示。為了防止單線程輪詢PLC/RTU 各通道數據導致數據不同步，數據采集服務器軟件采用多線程方式同步獲取各PLC/RTU 數據，同步更新維護的數據參量列表。

圖3 基于PLC/RTU 的泄漏監測系統架構示意圖

2.2 泄漏監測終端

泄漏監測終端軟件功能包括：數據獲取、數據顯示、數據存儲、泄漏檢測、泄漏定位、泄漏報警、人機交互等。終端軟件采用OPC UA 協議從數據采集服務器獲取數據，建立連接后，每間隔100 ms 一次性讀取所有點位數據，然后進行實時分析處理，判斷管道是否發生泄漏。圖4為終端軟件流程。

圖4 泄漏監測終端軟件流程

泄漏監測終端軟件的核心是泄漏監測功能模塊，該模塊由負壓波泄漏檢測和泵閥狀態判斷兩部分組成。

負壓波泄漏檢測是一種常見的泄漏檢測算法[6-12]，其基本原理為：當管道發生泄漏時泄漏點處的壓力迅速下降產生負壓波，負壓波以聲波的速度向管道上下游傳播，如圖5所示。通過在管道上下游站場或閥室設置監測點安裝壓力變送器獲取管道內部壓力，并計算負壓波引起的壓力下降值，可判斷管道是否發生泄漏。利用負壓波到達管道上下游監測點的時間差可計算泄漏點位置[13-14]。泄漏點位置X為：

圖5 負壓波泄漏檢測及定位原理

式中：c為負壓波在管道油品中的傳播速度；Δt為管道上下游監測點接收到負壓波的時間差；L為所監測管道的長度。

然而，實際應用中管道正常操作產生的壓力變化與泄漏引起的壓力變化波形相似（如圖6所示），單純采用負壓波法難以區分泄漏和正常管輸工況，導致負壓波法泄漏監測技術誤報警次數過多，影響該方法的使用體驗。

圖6 管道分輸（左）和甩泵（右）壓力曲線

引起管道泄漏監測系統誤報警的管輸操作主要有啟停輸、分輸、調量等，獲取此類操作信息將有利于識別管道運行工況，降低誤報警頻次。表1中列出了泄漏監測系統需要獲取的數據種類，壓力數據用于負壓波法，變頻泵轉速、定速泵電機電流和調節閥開度變化可以用于判斷管道啟停輸、分輸和輸量調節等操作。當輸油泵狀態參數、調節閥開度發生變化時，可以認為管道發生正常操作，屏蔽此時壓力波動引起的報警信息即可減少負壓波法泄漏監測技術的誤報警頻次。

表1 管道泄漏監測系統需要獲取的數據種類

3 應用與測試

為了驗證基于PLC/RTU 的泄漏監測系統的性能，在吉長線成品油管道進行了模擬放油測試。吉長線管道全長約160 km，輸送介質為成品油，設有吉林首站、長春末站和若干閥室。泄漏監測系統獲取吉林站、1#閥室、5#閥室和長春末站的壓力等信號，數據的采樣率為10 Hz。模擬放油測試地點為8#閥室，距離5#閥室49.5 km，輸送介質為柴油，管道瞬時輸量為318 m3/h，本次測試共放油9 次，泄漏速率依次從3%Q到0.5%Q，共報警5 次，詳見表2所列。

表2 放油測試記錄

本次測試中共4 次泄漏未報警，分別為1、2、8、9 次測試。其中，第1、2 次測試泄漏量較大，為3%Q，壓力變化幅值也較大，但此時管道里程和壓力波傳播速度沒有經過修正，系統定位泄漏發生在站內未進行報警，經過參數修正后這兩次泄漏均能正常報警。第8、9次泄漏量最小，為0.5%Q，壓力波形波動很小，未達到報警閾值，系統未發出泄漏報警。測試結果表明，將PLC/RTU 獲取的管道壓力數據用于負壓波法泄漏監測系統，可檢測大于管輸量1.5%的泄漏，基本能夠滿足管道泄漏監測的技術需求。

4 結 語

主流泄漏監測技術廠商普遍采用專用的泄漏監測數據采集設備，此類設備規格多樣，增大了使用和維護難度。使用管道常見的PLC/RTU 代替專用設備可以實現壓力等數據的采集。經實際測試，開發的泄漏監測系統能夠檢測管輸量1.5%以上的泄漏，略低于常見泄漏監測系統管輸量1%的檢測靈敏度。未來需要繼續優化數據分析方法，增加流量數據來提高泄漏監測的靈敏度。另外，需要挖掘輸油泵、調節閥等設備參數信息的使用方法，彌補通過判斷管輸操作屏蔽報警信息存在的漏報警風險。