基于GPRS的输油管道阴极保护远程监测系统设计

基于GPRS的输油管道阴极保护远程监测系统设计

关维国;秦志猛;任国臣;鲁宝春

【摘 要】为实现输油管道阴极保护系统的远程自动化监测与参数集中管理,开发了一种基于GPRS的分布式管道阴极保护参数远程监测系统;设计监测终端检测现场保护点的阴极电位、恒电位仪电压和阴极保护电流,采用GPRS无线网络以TCP/IP方式远传数据至监测中心工控机,实现了分布式多监测点阴极保护状态的在线监测与参数管理;运行测试结果表明,该系统稳定可靠,实现了对多站点、多通道数据的远程集中监测,阴极电位的检测精度达到了0.5％,可满足输油管线阴极保护的远程自动化监测需求.

【期刊名称】《计算机测量与控制》

【年(卷),期】2015(023)008

【总页数】4页(P2736-2738,2752)

【关键词】阴极保护;数据采集;GPRS网络;远程监测

【作 者】关维国;秦志猛;任国臣;鲁宝春

【作者单位】辽宁工业大学电子与信息工程学院,辽宁锦州 121001;辽宁工业大学电子与信息工程学院,辽宁锦州 121001;辽宁工业大学电气工程学院,辽宁锦州

121001;辽宁工业大学电子与信息工程学院,辽宁锦州 121001

【正文语种】中 文

【中图分类】TP368.1 石油、天然气埋地管道防腐检测是保证石油化工行业安全生产的关键，90年代以来广泛采用涂层加注入电流阴极保护技术来防止管道防腐层的老化［1］。目前国内管道防腐阴极保护参数多依靠万用表及测试仪以人工方式进行检测，对于管网复杂且大规模分布的厂区与长距离管线，人工检测方法效率低、可靠性差、危险性高，难以满足管道阴极保护参数实时监测的需要［2-3］。因此，利用现代无线通信技术，研究输油管道阴极保护远程在线监测系统，对管道阴极保护系统中的阴极保护电位、恒电位仪输出电压及电流进行现场自动监测，实现数据集中化管理与保护状态远程监测具有重要的意义。为此提出了基于GPRS的分布式输油管道阴极保护远程监测系统设计，该系统能够实时监测阴极电位、恒电位仪电压、电流等管道阴极保护参数，经GPRS无线数据传输，实现阴极保护状态的远程在线监测与数据管理。可满足阴极保护监测的实时性、可靠性需求，为输油管道的防腐监测及隐患处理提供重要的参考依据与安全保障。

基于GPRS的分布式管道阴极保护监测系统由阴极保护监测终端、GPRS数据传输部分和监控中心工控机构成，实现阴极保护数据的检测、传输和处理功能。系统结构如图1所示，由于数据通信采用基于GPRS技术的TCP／IP传输模式，保证了阴极保护数据传输的实时性、可靠性和经济性需求［4］。

阴极保护监测终端以STC12C5A60S2单片机为控制核心，实现对现场阴极电压等参数的数据采集和AD转换，检测数据通过GPRS网络无线传输至监测中心计算机，并实时接收监测中心指令，根据控制信息实现相应阴极保护电流调整。

监测中心由连接于INTERNET网络的工控计算机为核心单元。该工控机运行Force Control 6.0力控组态管理软件完成网络远程数据接收，实时发送操作指令，并对检测到的数据进行存储、数据分析及运行状态评估。根据需要对相关数据形成报表及曲线，出现设备故障及保护参数越限及时报警，完成输油管道阴极保护数据与状态的检测和管理。 无线收发器具备网桥功能，转发通过服务器下达的控制命令，接收现场终端传来的实时数据。

2.1 阴极保护监测终端的系统构成

阴极保护参数监测终端用于检测现场测试桩以及恒电位仪的阴极电位（－2.5～0

V）、恒电位仪输出差分电压（0～80 V）、输出电流（0～80 A）等参数，并通过GPRS无线通信链路远传至服务器端管理程序。监测终端硬件电路由STC微控制器、信号调理电路、A／D转换电路、GPRS电路及电源电路构成，如图2所示。

监测终端采用微控制器STC12C5A60S2为控制核心，利用12位双路A／D转换器TLC1549完成阴极电位与输出电流的检测。阴极电位输入调理电路完成阴极电压的1.5倍隔离放大，提供给ADC的A通道进行检测；恒电位仪输出0～80 A的电流信号采用霍尔传感器及运放电路放大后，转换为0～2.5 V电压信号，加至TLC1549的B输入通道进行检测。由于恒电位仪输出电压为差动输出信号，因而需经差动放大电路隔离放大，由另一片TLC1549进行模数转换并进行数字量光耦隔离传输，转换结果隔离传输至STC12C5A60S2的I／O口。终端电源采用12 V开关电源供电，经两路DC／DC模块WRA12D05CS变换为两组±5 V隔离电源，分别为单片机系统及差动电路ADC供电。GPRS板与CPU板采用IDC16端子排连接，实现CPU板对GPRS模块的供电与串行通信控制。

2.2 恒电位仪差分电压检测与数据隔离传输

在监测参数中，恒电位仪输出电压和阴极电位是非共地的两类电压信号，因此恒电位仪输出电压需单独进行A／D转换和数字量隔离传输，以避免干扰单片机系统。恒电位仪0～80 V输出电压首先进行差分变换，调理为0～5 V的单端输入信号，然后采用片外A／D转换器TLC1549进行模数转换，并将转换的数据经光耦TP521电路光电隔离，回送至微控制器STC5A60S2，确保两路不共地信号的良好隔离，隔离检测电路如图3所示。恒电位仪电压变换后0～5 V的电压Vin经串行12位A／D转换器TLC1549进行电压检测，以电压基准TL431为TLC1549提供4.096 V的基准电压，微控制器通过光耦隔离提供ADC的片选CS和时钟信号CLK，转换数据DO经光电隔离后串行传回至STC微控制器。由于恒电位仪调理电路和A／D转换电路采用隔离的＋5 V电源供电，并将A／D转换结果经光电隔离后发送给控制芯片，该数字隔离传输方案解决了恒电位仪输出电压的隔离检测问题，又避免了采用线性光耦信号变换存在的临界区非线性误差。

2.3 GPRS通信模块电路设计

监测终端采用GPRS模块实现微处理器与监测中心站之间网络通信，GPRS模块以串行接口与单片机系统板连接［5］。GPRS模块采用WAVECOM公司的Q24PLUS模块，其外围电路包括SIM卡电路、串行数据接口、电源模块和工作指示电路，如图4所示。

由于GPRS模块Q24PLUS与单片机STC5A60S2均为TTL电平，故STC单片机直接通过串行接口即可实现对GPRS模块的网络配置和数据传输，通过串口线（GPRS_ RXD、GPRS_TXD、GND）以AT指令方式实现控制器对Q24PLUS模块的通信控制［6-7］。GPRS模块工作电源通过LM2941稳压芯片提供VDD为4.2 V的工作电压，并满足发送数据时1.5 A瞬时电流要求。模块工作中需SIM卡在线入网支持，U1为SIM卡电路，通过SIMDATA、SIMCLK、SIMRST引脚完成对SIM卡的数据读写及复位操作，Q1及DS1构成模块工作指示电路，并指示模块工作状态。

3.1 监测终端软件设计

阴极保护参数检测和数据无线通信主要由监测终端软件完成。STC12C5A60S2通过COM1口与GPRS模块连接，运行开始需对GPRS和AD通道进行初始化，然后按初始设定的默认时间进行周期性检测现场数据并主动上报给主机，同时数据暂存到内部RAM中。COM1口实时监视来自主机的命令，实现定时上传和主从式上传检测参数的功能。

3.2 基于TCP／IP的GPRS数据通信软件设计

GPRS模块与STC微控制器之间的数据传输采用串口通信［8］，单片机串行口工作方式为模式1，8位UART，数据传输率115 200bps。控制指令采用Q24PLUS的AT指令，该程序主要对AT指令进行发送和接收，在完成发送和接收数据时是分别调用数据发送子程序和数据接收子程序，GPRS数据通信程序流程如图5所示。

首先需检测GPRS模块是否初始化成功，初始化AT指令包括初始化终端SIM卡号码，主机DNS服务的IP地址及端口号，接入GPRS服务的APN［9］。然后微控制器发送AT指令控制由GPRS模块建立TCP通讯连接，形成数据传输透明通道后，检测的阴极保护数据通过串口COM1发送到GPRS模块，经GPRS网络传送到监测主机。GPRS通过以下AT指令完成数据传输设置：1）通过AT＋WOPEN＝1命令运行OPEN AT的TCP／IP协议；2）运行AT＋WIPCFG＝1启动TCP／IP协议栈；3）配置AT＋WIPBR＝1，6，打开数据通道及通讯方式；4）运行AT＋WIPBR＝2，6，11，”CMNET”，设置接入点（APN）名称；5）运行AT＋WIPBR＝4，6，0，启动数据通道；6）运行AT＋WIPCREATE＝2，1，”10.113.23.243”，4001，建立客户端端口连接；7）运行AT＋WIPDATA＝2，1，1，进入数据透传状态。

数据透传后采用Modbus协议的ASCII模式传输阴极保护参数数据。ASCII模式中，以“：”（ASCII码3A H）为信息开始，依次顺序发送：终端ID、4号命令、数据长度、阴极电压数据、阴极电流数据、恒电位电压数据和CRC校验码，最后以回车－换行符（ASCII码0D0AH）为信息结束。通过校验重发方式防止接收数据帧错误。

3.3 监测中心软件设计 分布式多台现场监测终端所检测的阴极保护数据经GPRS网络发送到监测中心工控机的IP地址与端口后，由该工控机运行组态软件Force Control管理程序负责数据的接收、存储及管理。各个监测终端采用不同的端口（4001～4033）发送数据，由上位机软件进行可靠的数据解析与分析。利用组态软件自身的实时数据库和后台运行的SQL数据库，实现数据存储与管理。管理程序通过主控机UI界面实现33个阴极保护测试点的实时参数显示、设备状态检测、数据查询、报表、趋势曲线及故障报警等功能。

经过现场系统运行测试实验，该系统已应用于某石化公司输油管道阴极保护工程，测试结果表明，该系统对核心参数阴极保护电压的检测精度达到0.5级，高低温测试特性符合工业级标准，实现了阴极保护数据检测、数据通信、数据查询管理、历史报表和曲线、报警记录和数据维护等功能。

监测中心工控机现场运行的阴极保护监测程序及模拟屏监测界面如图6所示，双击主界面中设备图标，可进入设备子界面窗口，在设备子界面中可查看站点基本信息、设置该站点阴极保护电位越限报警限值、查看当前监测参数值、查询该站点参数的历史数据。具有系统管理员权限的用户修改站点参数配置及其它管理功能。

表1为测试过程中注入电流阴极保护时欠补偿和正常补偿两阶段的监测参数测量、测试精度以及补偿性能。对于判别阴极保护中最为核心的阴极电位参数，其测试精度决定了整个系统的检测性能和对管道保护状态评估的可靠性。从表1可见，

在欠补偿条件下阴极电位的测试精度达到了±0.49%，正常补偿时精度达到±0.42%，该系统对阴极电位的测试精度达到了0.5%级别，保证了各种工况下进行阴极保护状态判定的准确性。

本文设计了一种基于GPRS的分布式输油管道阴极保护远程监测系统，该系统基于GPRS的TCP／IP数据传输方式，实现了对分布于各厂站输油管道的阴极电位、恒电位仪电压及保护电流的数据采集和远程监测，具有管道保护状态自动监测与远