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機動輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：趙翔1,陳俊明2,彭濤1 文檔來源： 1．后勤工程學(xué)院軍事供油工程系重慶 2.62201 部隊		點擊數(shù)： 107 1	更新時間： 2021年10月10日
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收稿日期:2017-03-02
機動輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
趙 翔1,陳俊明2,彭 濤1
(1． 后勤工程學(xué)院軍事供油工程系重慶，４01311);
(2． 62201 部隊青海西寧，810001)
摘 要:利用機動輸油管線信息化改造后已有的泵機組、泵站和調(diào)度中心三層架構(gòu)數(shù)據(jù)采集與通信條件,實現(xiàn)了全線各泵
站流量、壓力等參數(shù)的實時采集與傳輸。通過充分挖掘各泵站上傳的流量、壓力等參數(shù)的額外價值,開發(fā)了基于可變窗長中值
濾波器和擴展形態(tài)濾波器的泄漏檢測綜合算法,建立了實用的機動輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng),最大限度地減少了泄漏經(jīng)濟損失和
環(huán)境污染,并使得機動輸油管線“指揮調(diào)度軟件”的功能更加全面,提升了輸油系統(tǒng)安全運行管理水平。
關(guān)鍵詞:機動輸油管線;泄漏監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計
中圖分類號:TP27４+． 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B DOI 編碼:10． 1４016/ j． cnki． 1001-9227． 2017． 07． 091 Abstract:Based on the existing data acquisiton and communication conditions of the pump unit，pump station and control centre
three-tier architecture after the informationization of the mobile petroleum pipeline，the real-time data acquisition and communicate of the
flow rate，pressure and other process parameters of the whole pipeline is achieved． By means of fully excavating the additional value of the
flow rate，pressure and other process uploaded by each pump station，a leakage detection synthesis detection algorithm based on the median
filter with the variable window length is developed，a practical field oil pipeline leak monitoring system is established，and the economic
losses and environmental pollution of leakage is fully minimized． It makes the function of dispatching command software of mobile
petroleum pipeline more comprehensive，and upgrades the safety operation management level of the mobile petroleum pipeline system． Key words:mobile petroleum pipeline;leakage monitoring;system design
0 引言
機動輸油管線一般采用從泵到泵的接力輸送方式，具有
距離長、涉及人員和裝備多、工藝復(fù)雜、輸送壓力高、輸送量
大、連續(xù)輸送時間長、介質(zhì)具有易燃易爆危險性等特點，其技
術(shù)要求相對較高。而且，由于采用露天、快速鋪設(shè)方式，與民
用埋地管線相比，機動輸油管線更易受到露天鋪設(shè)形式及快
速裝配式鋪設(shè)方式影響，一方面容易因發(fā)生碾壓、碰砸、連接
部位松動、應(yīng)力集中、材料失效或人為破壞等問題，而發(fā)生泄
漏事故，且泄漏形式更為復(fù)雜[1] ;另一方面由于任務(wù)需要，泵
站選址或線路走向經(jīng)常需要穿越工業(yè)區(qū)、居民生活區(qū)、高壓輸
配電線路、鐵路等[2] ，所處的電磁環(huán)境復(fù)雜多變，原編配的專
用數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)容易受沿途電磁環(huán)境變化干擾，影響
了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實時性，導(dǎo)致調(diào)度中心難以實時
可靠掌控全線的水力情況。因此，目前在管線發(fā)生泄漏后仍
然依靠人工目視巡線方式進行上報與處置[3] ，由于泵站之間
距離較遠(yuǎn)，調(diào)度中心很難及時判斷泄漏情況并采取相應(yīng)措施，
給機動輸油管線長期穩(wěn)定、安全高效運行帶來潛在隱患。
經(jīng)過信息化改造，機動輸油管線指揮調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)了全
線各泵站流量、壓力等參數(shù)的實時采集，調(diào)度指令下載、各泵
站及巡線情況的及時接收，解決了基本的調(diào)度指揮問題。在
不增加額外投資的前提下，本文將充分挖掘這些流量、壓力參
數(shù)的價值，基于流量平衡法、負(fù)壓力波法等[４] ，開發(fā)“機動輸
油管線泄漏監(jiān)測”模塊，準(zhǔn)確報告泄漏事故的發(fā)生，及時判斷
泄漏發(fā)生的程度及位置，從而最大限度地減少經(jīng)濟損失和減
小環(huán)境污染，降低事故隱患，并使得機動輸油管線“指揮調(diào)度
軟件”的功能更加全面，提升輸油系統(tǒng)安全運行管理水平。
1 研究意義
目前，機動管線基本依靠人工巡線來掌握有無泄漏發(fā)生。
這種方法對人的依賴程度高，在巡線人員少、工作量大的情況
下，容易疲勞產(chǎn)生惰性，具有一定盲目性和偶然性。而且由于
站與站之間距離較遠(yuǎn)，需要耗費很多的人力、物力，受天氣、地
形地物影響，某些管段還不易直接察看，如果巡線人員責(zé)任心
不強，很難及時發(fā)現(xiàn)泄漏點[5] 。上述主、客觀因素導(dǎo)致在管線
發(fā)生泄漏時，調(diào)度中心很難及時了解泄漏大小并確定位置。
若發(fā)生泄漏不及時處理，則將危害管線的正常運行，造成經(jīng)濟
損失和環(huán)境污染，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等安全事故[6] ，嚴(yán)重時
將影響到整個作戰(zhàn)任務(wù)的完成。
因此，對管線進行實時監(jiān)測，及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)泄漏顯得十分
重要。如:美軍快速安裝式油料輸送系統(tǒng)(RIFTS)配備有具
有泄漏檢測功能的指揮與控制單元( C2M， command and
control module with leak detection capabilities)，能夠自動監(jiān)測
線路沿線任何地方的微小泄漏(10 加侖/ 分，2． 28 m3 / h)，并
迅速定位。俄軍的管線滲漏判斷系統(tǒng)用于管線滲漏相關(guān)參數(shù)
檢測和滲漏位置判斷，支線段滲漏判斷可超過100km，系統(tǒng)判
斷誤差小于1km。
2 機動輸油管線負(fù)壓波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)
經(jīng)過信息化改造，機動輸油管線基本建成了信息化系統(tǒng)，
由泵機組控制系統(tǒng)、泵站監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度中心系統(tǒng)三層架構(gòu)[7]
組成，實現(xiàn)了全線各泵站流量、壓力等參數(shù)的實時采集與傳輸，
解決了基本的調(diào)度指揮問題，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[8] 。
圖1 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
·91·
《自動化與儀器儀表》2017 年第7 期(總第212 期)
其中，底層泵機組采用PＬC 進行檢測控制，同時通過
CAN 總線接口與泵站監(jiān)控計算機進行通訊，上傳泵機組的運
行數(shù)據(jù)信息、接收調(diào)度系統(tǒng)命令并執(zhí)行[9] 。泵站監(jiān)控系統(tǒng)具
有承上啟下的作用，一方面從泵機組控制器獲取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)
至調(diào)度中心，另一方面從調(diào)度中心獲取調(diào)度信息，經(jīng)過分析處
理后轉(zhuǎn)發(fā)至泵機組控制器進行執(zhí)行，同時它又為現(xiàn)場值班人
員提供人機接口，便于值班人員掌握和操作泵機組運行狀
態(tài)[10] 。調(diào)度中心系統(tǒng)起到對整個作業(yè)管線統(tǒng)一調(diào)度的功能，
協(xié)調(diào)各個泵機組的運行狀態(tài)、分析作業(yè)過程中的異常狀況，其
數(shù)據(jù)來源為各個泵機組上傳的數(shù)據(jù)[11] 。
考慮機動輸油管線與固定輸油管線的區(qū)別，對機動輸油
管線的泄漏檢測應(yīng)該滿足以下幾個基本要求:
(1)準(zhǔn)確可靠地判斷泄漏的發(fā)生，并能夠在較短時間內(nèi)
判斷泄漏點具體位置;
(2)準(zhǔn)確可靠地判斷泄漏程度，并能對較小量泄漏及時
作出判斷;
(3)檢測系統(tǒng)部署簡單，易于在野外條件下進行使用與
維護。
在設(shè)計實用的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)時，力求對現(xiàn)有管線少改動
或不改動為原則。在我們搭建的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)中，泵機組完
全基于信息化改造后的既有條件，無需增加其它硬件，泵站和
調(diào)度中心部署的硬件也非常簡單，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、
投資少等優(yōu)點，在機動輸油管線上具有極好的可操作性。
圖2 機動輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)
安裝在泵機組上的PＬC 控制器I/ O 配置如圖3 所示。
圖3 PＬC 配置原理圖
泵機組PＬC 主要完成儀表盤操控及報警指示、泵機組狀
態(tài)參數(shù)采集、發(fā)動機轉(zhuǎn)速本地調(diào)節(jié)、與上位機通訊等工作。具
體包括:
(1)監(jiān)控參數(shù)本地設(shè)置與存儲(或接收上位機定制的本
機設(shè)置)，泵機組監(jiān)控參數(shù)及工作模式翻屏顯示、泵機組狀態(tài)
參數(shù)(含流量)實時顯示;
(2)泵機組狀態(tài)參數(shù)(泵機組進出口壓力，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、
增速箱溫度、缸蓋溫度、機油溫度、機油壓力、燃油液位)實時
采集、存儲與上傳;
(3)泵站調(diào)度參數(shù)(介質(zhì)溫度、流量，上位機根據(jù)各泵機
組進出口壓力自動換算出泵站進出壓力)實時采集、存儲與
上傳;(
４)泵機組狀態(tài)參數(shù)越限報警(發(fā)動機參數(shù)具有雙保險
報警機制:一方面采集有模擬量，對其數(shù)值進行實時越限判斷
并報警，另一方面采集了報警觸點上的開關(guān)信號，直接進行報
警)與上傳;
(5)泵機組“本控”模式下，根據(jù)本機嵌入的控制算法進
行就地閉環(huán)控制，控制算法包括點動控制(升速/ 降速/ 快升
速/ 快降速/ 停機/ 急停機)、定轉(zhuǎn)速控制、定流量控制、定進壓
控制、定排壓控制、定進排壓控制，各種控制均滿足泵機組、管
線安全工作的基本限制(如進口不欠壓、出口不超壓，否則控
制器將進入自動保護模式);
(6)泵機組“遠(yuǎn)控”模式下，解除本機嵌入的控制算法而
根據(jù)上位機下達(dá)的指令直接執(zhí)行開環(huán)或閉環(huán)控制動作，其控
制算法與上類似，為適應(yīng)泵站多臺泵機組按需串并聯(lián)(如:供
油泵站與首泵站合一，４ 寸泵機組并聯(lián)運用在6 寸管線上)、
隨機起停(如:某臺泵機組突然停機，越站輸送或降低輸量輸
送，備用泵投用)等復(fù)雜情況，增加了泵機組輸送/ 停輸狀態(tài)
自動探測與自適應(yīng)工藝流程組態(tài)、負(fù)荷均衡、水力協(xié)調(diào)等控制
原則;(
7)執(zhí)行上述任務(wù)中與泵站值班室監(jiān)控調(diào)度單元間保持
密切的數(shù)據(jù)及指令交換。
3 泄漏監(jiān)測軟件設(shè)計與實現(xiàn)
機動管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)由參數(shù)記錄子模塊、實時模型建
立子模塊、檢漏子模塊構(gòu)成，其輸入是現(xiàn)場采集的各種參數(shù)，
根據(jù)全線監(jiān)視與調(diào)度需要規(guī)定多種輸出形式[12] ，如圖４
所示。
圖４ 機動輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖
三個功能模塊的關(guān)系是:首先建立管線縱斷面地形圖，這
是建立整個數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息。實時模型建立子模塊
采集各個泵站出入站壓力，在縱斷面圖上建立水力坡降圖;參
數(shù)記錄子模塊記錄各個參數(shù)的歷史值，可顯示其變化趨勢;檢
漏子模塊將采集預(yù)設(shè)時間段的壓力值壓縮成壓力波序列后進
行泄漏分析。
圖5 機動輸油管線泄漏監(jiān)測軟件功能結(jié)構(gòu)
每個子模塊要求的輸入和得到的輸出不一樣，以下分別
介紹。
·92·
機動輸油管線泄漏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 趙 翔，等
(1)實時模型建立子模塊
管線縱斷面水力坡降線可以根據(jù)相鄰站進出站壓力值和
流量分別建立輸油管線理想和實際兩種模型。
理想模型是假定管線全線正常工況下工作，沒有發(fā)生泄
漏或堵塞等異常情況下的模型。實際模型沒有理想模型管線
系統(tǒng)處處流量一致的假設(shè)，考慮了各數(shù)據(jù)采集點的實際流量，
反映當(dāng)前管線的實際水力坡降狀況，這可以作為反映輸油管
線運行狀態(tài)的實際模型。如果兩者相差超過允許范圍，則報
警提示用戶。
圖6 實時模型建立子模塊流程
為兼顧調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸量小、秒級實時性要求和泄漏分析
數(shù)據(jù)傳輸量大、毫秒級實時性要求的特點，以CAN 總線包進
行泵機組控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換方式，其優(yōu)點
在于支持并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性高;以．
csv 格式文件作為監(jiān)控系統(tǒng)和中心系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換方式，
其優(yōu)點在于通用性好，可以有效保證數(shù)據(jù)的完整性[13] 。
(2)參數(shù)記錄子模塊
參數(shù)記錄子模塊包括存儲和顯示兩個功能:不斷接收來
自現(xiàn)場經(jīng)傳感器和變送器采集的反映管線運行狀況的參數(shù)
值，首先將當(dāng)前最新數(shù)據(jù)存入記錄該參數(shù)歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，
然后通過門限判斷參數(shù)是否合理，不合理則報警[1４] 。
而根據(jù)監(jiān)控人員的選擇可以顯示某段線路、某個泵站的
某個參數(shù)查看。為既反映參數(shù)值歷史，又實時顯示當(dāng)前值，可
為需要觀察的參數(shù)值開辟一定大小的數(shù)據(jù)棧。每當(dāng)有新采樣
值到來時，當(dāng)前數(shù)據(jù)入棧，所有原數(shù)據(jù)依次下移覆蓋棧底元
素，將當(dāng)前棧內(nèi)所有數(shù)值顯示出，作為一幀圖像。
圖7 參數(shù)記錄子模塊流程
(3)檢漏子模塊
檢漏子模塊是泄漏監(jiān)測系統(tǒng)最主要的部分，按照負(fù)壓波
檢測原理[15] ，該子模塊的處理框圖如圖8 所示。
圖8 泄漏檢測子模塊框圖
(４)軟件開發(fā)
軟件開發(fā)的工作內(nèi)容包括監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度中心系統(tǒng)兩部
分，監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的工作重點在于保證泵機組控制系統(tǒng)與中
心系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的實時性、可靠性和完整性;調(diào)度中心系
統(tǒng)開發(fā)的工作重點在于數(shù)據(jù)處理的能力上。根據(jù)軟件開發(fā)側(cè)
重點的區(qū)別，選擇的開發(fā)工具為:
①監(jiān)控系統(tǒng):通用組態(tài)軟件，其特點是具備豐富的硬件驅(qū)
動接口，可以保證與泵機組控制系統(tǒng)通訊獲取數(shù)據(jù)的可靠性
和實時性，同時為值班室人員提供方便的人機交互界面;
②中心系統(tǒng):Matlab 和Visual Basic，Matlab 在數(shù)據(jù)處理分
析方面的能力是業(yè)界領(lǐng)先的，通過Matlab 的分析產(chǎn)生調(diào)度信
息和異常處理信息，采用DＬＬ 方式由Visual Basic 調(diào)用，構(gòu)建
中心系統(tǒng)。
４ 結(jié)束語
機動輸油管線實現(xiàn)了全線各泵站流量、壓力等參數(shù)的實
時采集與傳輸，解決了調(diào)度指揮問題。本研究在不增加額外
投資的前提下，充分挖掘這些流量、壓力參數(shù)的價值，以負(fù)壓
波法為基本方法，利用管道瞬態(tài)模型采用流量報警、壓力定
位，以及流量、壓力綜合分析法進行泄漏報警、定位。實際使
用過程中，我們發(fā)現(xiàn)基于負(fù)壓波泄漏監(jiān)測方法在機動輸油管
線上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)為:
(1)如何準(zhǔn)確的確定負(fù)壓波在管道中的傳播速度;
(2)如何確定負(fù)壓波信號傳到管道上下游壓力傳感器的
時間差，也就是要確定壓力信號序列的特征拐點;
(3)如何統(tǒng)一各泵站的系統(tǒng)時間，以得到負(fù)壓波傳輸?shù)?
兩端的精確的時間差;
(４)管道系統(tǒng)的調(diào)泵、調(diào)閥、越站、反輸?shù)炔僮饕矔a(chǎn)生
瞬態(tài)負(fù)壓波，必須研究如何消除由管道運行工況變化造成的
負(fù)壓波對泄漏檢測系統(tǒng)的干擾。
圍繞上述關(guān)鍵技術(shù)，以及如何抑制噪聲影響、提高檢測靈
敏度和定位精度、減少誤報警等方面，我們也進行了深入研
究。下一步的研究重點是針對負(fù)壓波原理對壓力序列下降沿
準(zhǔn)確檢測的要求，研究壓力波的新濾波方法，以便更好地提取
壓力波變化的趨勢，檢測小泄漏并降低泄漏檢測的誤報率。
(下轉(zhuǎn)第96 頁)
·93·
《自動化與儀器儀表》2017 年第7 期(總第212 期)
float sum1，sum2，sum;
sum1=0． 00000;
sum2=0． 00000;
for(i=0;i<=19;i++)
{sum1+=(sin(i?3． 1４1593/10． 000000))?current[i];}
for(i=0;i<=19;i++)
{sum2+=(cos(i?3． 1４1593/10． 000000))?current[i];}
sum=(sqrt)(((sum1/10． 000000)?(sum1/10． 000000)+
(sum2/10． 000000)?(sum2/10． 000000)) /2． 000000);
I=sum?6;}
/ / 顯示器初始化
void lcd 1286４ init()
{lcd 1286４ write com(0x3４);
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lcd 1286４ write com(0x30);
delay 1us(1000);
lcd 1286４ write com(0x0C);
delay 1us(1000);
lcd 1286４ write com(0x01);
delay 1us(1000);
lcd 1286４ write com(0x80);
delay 1us(1000);
}
４ 有載調(diào)容控制器的調(diào)試
有載調(diào)容控制器的硬件電路的核心為電壓電流信號的采
集模塊和二階有源濾波電路模塊以及電壓偏執(zhí)模塊，所以硬
件上的調(diào)試主要就是這些模塊電路的調(diào)試。其次還包括顯示
模塊的設(shè)計，這部分也是需要進行調(diào)試的，在此不做贅述。
軟件調(diào)試過程中通過觀察使用效果從而發(fā)現(xiàn)問題、解決
問題。不斷調(diào)試耿更正使得整個系統(tǒng)更加的完善。尤其是前
端的信號采集及其濾波電路都是重點，后期進過商討，在信號
輸出送往TMS320F2812 的前段加入了保護核心芯片的二極
管擊穿電路，保護芯片。軟件部分的調(diào)試，主要包括AD 采
樣、液晶顯示程序、比較輸出控制的調(diào)試。AD 的調(diào)試直接觀
察顯示模塊，有顯示即AD 采樣程序和顯示程序正常。
在硬件部分和軟件部分的調(diào)試完成后，我們將硬件電路
和軟件程序結(jié)合起來進行了綜合調(diào)試，比較輸出控制的調(diào)試，
通過改變實際負(fù)載的大小，使其完成高低容量的轉(zhuǎn)換，觀察兩
組ＬED 燈的亮滅情況，發(fā)現(xiàn)ＬED 燈能按照目標(biāo)變換亮滅，因
此比較輸出控制程序是正常的。
5 結(jié)束語
在設(shè)計主程序時采用了順序調(diào)度的設(shè)計原則，各種數(shù)據(jù)
采集、處理、比較和液晶顯示是通過調(diào)用模塊化子程序來完成
的，最終實現(xiàn)有載調(diào)容的功能。
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﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏﹏ (上接第93 頁)
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基于TMS320F2812 數(shù)字信號處理器的有載調(diào)容控制器的設(shè)計 王香梅

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