基于MSP430的輸油管道檢漏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

因管道運(yùn)輸具有密閉性好、運(yùn)輸量大、損失小、不易受外界因素影響等特點(diǎn)，已經(jīng)成為油氣運(yùn)輸?shù)氖走x方式。但長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致管道老化出現(xiàn)裂縫，或因外界環(huán)境腐蝕，以及打孔偷油等人為破壞因素，會(huì)引發(fā)管道泄漏，這不僅會(huì)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且，管道運(yùn)輸?shù)挠蜌庖兹家妆?，泄漏?huì)導(dǎo)致起火爆炸，影響輸油線的安全，以致造成人員傷亡。因此，安全問(wèn)題一直是管道運(yùn)輸面臨的一項(xiàng)重要課題。

由此，國(guó)外從上世紀(jì)70年代就開(kāi)始了管道檢漏技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)起步較晚，上世紀(jì)80年代才開(kāi)始。目前，檢測(cè)方法主要有壓力點(diǎn)分析法(PPA)、負(fù)壓波法、聲波法和實(shí)時(shí)模型法等。PPA法和負(fù)壓波法在檢測(cè)輸油管道突發(fā)泄漏或者泄漏較大時(shí)有效，聲波法和模型法的投入和誤報(bào)率都較高。而基于MSP430的石油管道檢漏系統(tǒng)，能連續(xù)檢測(cè)并且針對(duì)管道發(fā)生細(xì)小泄漏及時(shí)報(bào)警，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較高。此外，更換破損管道方便且不影響整體結(jié)構(gòu)，投入低、性價(jià)比高。

1 檢測(cè)原理與安裝設(shè)計(jì)

微線檢漏傳感器(MLLD傳感器)是采用直徑0.1mm的漆包線以“S形”緊密繞制而成的，傳感器留有三個(gè)端口，分別是電源端、地端和電壓檢測(cè)端。實(shí)際情況中，輸油管道大多需要埋在地下，為避免外界因素的影響需要先對(duì)管道進(jìn)行包裝保護(hù)后再投入運(yùn)營(yíng)。文中介紹的檢測(cè)法是在管道包裹保護(hù)材料時(shí)，將MLLD傳感器包裹在管道外的保護(hù)層中，通過(guò)檢測(cè)傳感器端口的電壓值來(lái)判斷管道泄漏情況。

1.1 檢測(cè)原理與單元設(shè)計(jì)

漆包線由銅線構(gòu)成，0℃時(shí)其電阻率約為1.6×10-8 Ω·m，且電阻率的大小與溫度有關(guān)，電阻率的計(jì)算公式：

ρ=ρ0(1+at)

ρ=RS/L

式中，ρ、ρ0分別是t℃和0℃的電阻率，α是電阻率溫度系數(shù)，R是導(dǎo)線電阻，S是導(dǎo)線橫截面積，L是導(dǎo)線長(zhǎng)度。根據(jù)上述兩個(gè)公式得出t℃時(shí)漆包線的電阻率及電阻。

MLLD傳感器內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示，其通斷會(huì)導(dǎo)致α點(diǎn)電壓發(fā)生變化，再通過(guò)電壓比較器后，通過(guò)單片機(jī)I/O接收到“0”或“1”的電平信號(hào)來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏。為能縮小泄漏點(diǎn)位置的判斷范圍，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，我們將一節(jié)管道均分成若干段，每段安裝一個(gè)MLLD傳感器。

1.2 管道整體設(shè)計(jì)

如圖2所示，以長(zhǎng)10m、外徑400mm的管道為例，為方便檢測(cè)，該管道均分成八段，則選用的MLLD傳感器總長(zhǎng)約為1.28km，每個(gè)單元長(zhǎng)159m，直徑0.1mm，在溫度是20℃時(shí)，每單元的的漆包線電阻約為3.46 Ω，內(nèi)部選10k的限流電阻。此外，在輸油管道外增加溫度傳感器和壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)管道運(yùn)營(yíng)情況，將檢測(cè)值及時(shí)反饋給控制中心，做檢漏系統(tǒng)的輔助信息。管道間由防腐防潮性高的四線工業(yè)連接器連接，這四根線分兩組分別連接電源線和信號(hào)線。這樣可以保證系統(tǒng)的供電以及管道間的信息傳輸。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信息傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息傳輸方式采用無(wú)線傳輸和有線傳輸結(jié)合。無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)是由管道終端檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線通信單元和中繼單元組成。檢測(cè)終端的無(wú)線通信單元選用基于低功耗無(wú)線收發(fā)芯片CC1101的無(wú)線通信模塊，電路圖如圖3所示。CC1101是美國(guó)TI公司推出的一款低功耗、高集成度而多通道的無(wú)線收發(fā)芯片，其工作在低于1GHz頻段，設(shè)計(jì)旨在用于極低功耗RF應(yīng)用，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為500kbps，通過(guò)SPI通信接收數(shù)據(jù)。

在保證通信正常的情況下，為減少無(wú)線通信模塊的數(shù)量，將管道分組，每十節(jié)管道為一組，每組管道間采用總線型主從式結(jié)構(gòu)的有線傳輸。最后一節(jié)管道的MSP430匯總十節(jié)管道的信息，通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸給無(wú)線中繼單元，再由CDMA無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸給控制中心?？刂浦行膶⒔邮盏碾娖?、溫度、壓力等信息在中心機(jī)顯示，工作人員由此判斷管道運(yùn)營(yíng)情況。圖4是信息傳輸示意圖。

為保證控制中心接收到的信息不會(huì)混亂，我們將每節(jié)管道編號(hào)，中心機(jī)按標(biāo)號(hào)順序顯示管道信息。若發(fā)生泄漏，工作人員可通過(guò)標(biāo)號(hào)快速找出泄漏管道，及時(shí)做出處理。

此外，由于無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的通信受傳輸距離限制，超出一定范圍后中繼單元將無(wú)法收到檢測(cè)終端的信息。因而，為保證通信的可行性和可靠性，通過(guò)借鑒移動(dòng)通信系統(tǒng)中基站的微蜂窩結(jié)構(gòu)，對(duì)檢測(cè)終端分成多個(gè)獨(dú)立的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)。

2.2 檢測(cè)終端電路設(shè)計(jì)

管道信息采集中系統(tǒng)微處理器采用美國(guó)TI公司推出的16位超低功耗的MSP430G2553單片機(jī)和MSP430F2234單片機(jī)。設(shè)計(jì)以十節(jié)管道為一組，前九節(jié)管道的微處理器選擇MSP430 G2553單片機(jī)，而最后一節(jié)管道因增加無(wú)線通信單元和信息存儲(chǔ)單元，所以選擇MSP430F2234單片機(jī)。

MLLD傳感器將電壓信息通過(guò)電壓比較器后，單片機(jī)I/O口接收高低不同電平值。管道溫度數(shù)據(jù)采集選用微型化、低功耗、單線接口的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，管道壓力數(shù)據(jù)采集選用低功耗、寬電壓設(shè)計(jì)、安裝方便的KE-260/210壓力傳感器。每組管道由SD卡來(lái)存儲(chǔ)信息，信息通過(guò)有線傳輸?shù)阶詈笠粋€(gè)單片機(jī)后，將采集的管道信息存儲(chǔ)到SD卡中。

圖5是每組管道的最后一節(jié)管道的硬件電路框圖。

3 軟件設(shè)計(jì)流程與仿真

3.1 設(shè)計(jì)流程

檢測(cè)終端初始化后，每隔一段時(shí)間采集一次管道的溫度值、壓力值和MLLD電壓端口值，并將信息通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸給中繼單元。若單片機(jī)接收到兩個(gè)LM339的8位輸出信息不全為“1”，說(shuō)明回路斷開(kāi)，從而判斷有泄漏出現(xiàn)。根據(jù)該8位二進(jìn)制數(shù)中“0”的個(gè)數(shù)和位置，我們可以判斷出是泄漏管道的哪一個(gè)MLLD傳感器斷開(kāi)，從而可以確定泄漏點(diǎn)的位置。圖6為電壓檢測(cè)流程圖。

3.2 MATLAB仿真

據(jù)單元檢測(cè)原理圖設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，用MATLAB軟件仿真出一節(jié)10m管道電壓情況。軟件設(shè)計(jì)從零時(shí)刻開(kāi)始，每五分鐘采集一次電壓信息。20℃時(shí)MLLD傳感器總阻值為10.346k Ω。再接入3.3V電源后，若傳感器未斷開(kāi)，仿真結(jié)果約為3.19V;若斷開(kāi)，仿真結(jié)果為0.97V。如圖7所示，座標(biāo)系中橫、縱、豎三個(gè)坐標(biāo)分別表示管道MLLD傳感器的標(biāo)號(hào)，采集時(shí)間和電壓值。在0時(shí)刻和5分鐘時(shí)檢測(cè)到電壓值為3.19V，10分鐘時(shí)檢測(cè)到1號(hào)和5號(hào)傳感器電壓為0.97V，說(shuō)明1號(hào)和5號(hào)傳感器斷開(kāi)，進(jìn)而說(shuō)明管道在這兩個(gè)傳感器覆蓋的位置出現(xiàn)泄漏。若未采取措施，在下次檢測(cè)時(shí)，1號(hào)和5號(hào)傳感器仍為低電壓。

4 總結(jié)

文中提出了一種應(yīng)用于輸油管道泄漏檢測(cè)的檢漏系統(tǒng)，與其他石油管道的檢測(cè)技術(shù)相比，設(shè)計(jì)的MLLD傳感器簡(jiǎn)單易操作，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了MSP430G2553、MSP430F2234、CC1101等低功耗器件，通過(guò)搭建電路和軟件仿真的結(jié)合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，檢測(cè)結(jié)果較為可靠。