基于MSP430的輸油管道檢漏系統的設計

0 引言

因管道運輸具有密閉性好、運輸量大、損失小、不易受外界因素影響等特點(diǎn)，已經(jīng)成為油氣運輸的首選方式。但長(cháng)期運營(yíng)導致管道老化出現裂縫，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)濟損失和嚴重的環(huán)境污染，而且，管道運輸的油氣易燃易爆，泄漏會(huì )導致起火爆炸，影響輸油線(xiàn)的安全，以致造成人員傷亡。因此，安全問(wèn)題一直是管道運輸面臨的一項重要課題。

由此，國外從上世紀70年代就開(kāi)始了管道檢漏技術(shù)的研究，國內起步較晚，上世紀80年代才開(kāi)始。目前，檢測方法主要有壓力點(diǎn)分析法(PPA)、負壓波法、聲波法和實(shí)時(shí)模型法等。PPA法和負壓波法在檢測輸油管道突發(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率都較高。而基于MSP430的石油管道檢漏系統，能連續檢測并且針對管道發(fā)生細小泄漏及時(shí)報警，實(shí)時(shí)性和準確性較高。此外，更換破損管道方便且不影響整體結構，投入低、性?xún)r(jià)比高。

1 檢測原理與安裝設計

微線(xiàn)檢漏傳感器(MLLD傳感器)是采用直徑0.1mm的漆包線(xiàn)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管道進(jìn)行包裝保護后再投入運營(yíng)。文中介紹的檢測法是在管道包裹保護材料時(shí)，將MLLD傳感器包裹在管道外的保護層中，通過(guò)檢測傳感器端口的電壓值來(lái)判斷管道泄漏情況。

1.1 檢測原理與單元設計

漆包線(xiàn)由銅線(xiàn)構成，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，R是導線(xiàn)電阻，S是導線(xiàn)橫截面積，L是導線(xiàn)長(cháng)度。根據上述兩個(gè)公式得出t℃時(shí)漆包線(xiàn)的電阻率及電阻。

MLLD傳感器內部構造如圖1所示，其通斷會(huì )導致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I/O接收到“0”或“1”的電平信號來(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，提高檢測的準確性，我們將一節管道均分成若干段，每段安裝一個(gè)MLLD傳感器。

1.2 管道整體設計

如圖2所示，以長(cháng)10m、外徑400mm的管道為例，為方便檢測，該管道均分成八段，則選用的MLLD傳感器總長(cháng)約為1.28km，每個(gè)單元長(cháng)159m，直徑0.1mm，在溫度是20℃時(shí)，每單元的的漆包線(xiàn)電阻約為3.46 Ω，內部選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)檢測管道運營(yíng)情況，將檢測值及時(shí)反饋給控制中心，做檢漏系統的輔助信息。管道間由防腐防潮性高的四線(xiàn)工業(yè)連接器連接，這四根線(xiàn)分兩組分別連接電源線(xiàn)和信號線(xiàn)。這樣可以保證系統的供電以及管道間的信息傳輸。

2 硬件設計

2.1 信息傳輸系統設計

信息傳輸方式采用無(wú)線(xiàn)傳輸和有線(xiàn)傳輸結合。無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )是由管道終端檢測系統的無(wú)線(xiàn)通信單元和中繼單元組成。檢測終端的無(wú)線(xiàn)通信單元選用基于低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC1101的無(wú)線(xiàn)通信模塊，電路圖如圖3所示。CC1101是美國TI公司推出的一款低功耗、高集成度而多通道的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，其工作在低于1GHz頻段，設計旨在用于極低功耗RF應用，最高數據傳輸速率為500kbps，通過(guò)SPI通信接收數據。

在保證通信正常的情況下，為減少無(wú)線(xiàn)通信模塊的數量，將管道分組，每十節管道為一組，每組管道間采用總線(xiàn)型主從式結構的有線(xiàn)傳輸。最后一節管道的MSP430匯總十節管道的信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊傳輸給無(wú)線(xiàn)中繼單元，再由CDMA無(wú)線(xiàn)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顯示，工作人員由此判斷管道運營(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，我們將每節管道編號，中心機按標號順序顯示管道信息。若發(fā)生泄漏，工作人員可通過(guò)標號快速找出泄漏管道，及時(shí)做出處理。

此外，由于無(wú)線(xiàn)數傳網(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)通信系統中基站的微蜂窩結構，對檢測終端分成多個(gè)獨立的無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )。

2.2 檢測終端電路設計

管道信息采集中系統微處理器采用美國TI公司推出的16位超低功耗的MSP430G2553單片機和MSP430F2234單片機。設計以十節管道為一組，前九節管道的微處理器選擇MSP430 G2553單片機，而最后一節管道因增加無(wú)線(xiàn)通信單元和信息存儲單元，所以選擇MSP430F2234單片機。

MLLD傳感器將電壓信息通過(guò)電壓比較器后，單片機I/O口接收高低不同電平值。管道溫度數據采集選用微型化、低功耗、單線(xiàn)接口的DS18B20數字溫度傳感器，管道壓力數據采集選用低功耗、寬電壓設計、安裝方便的KE-260/210壓力傳感器。每組管道由SD卡來(lái)存儲信息，信息通過(guò)有線(xiàn)傳輸到最后一個(gè)單片機后，將采集的管道信息存儲到SD卡中。

圖5是每組管道的最后一節管道的硬件電路框圖。

3 軟件設計流程與仿真

3.1 設計流程

檢測終端初始化后，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(xiàn)通信模塊傳輸給中繼單元。若單片機接收到兩個(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。根據該8位二進(jìn)制數中“0”的個(gè)數和位置，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為電壓檢測流程圖。

3.2 MATLAB仿真

據單元檢測原理圖設計數學(xué)模型，用MATLAB軟件仿真出一節10m管道電壓情況。軟件設計從零時(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)，仿真結果約為3.19V;若斷開(kāi)，仿真結果為0.97V。如圖7所示，座標系中橫、縱、豎三個(gè)坐標分別表示管道MLLD傳感器的標號，采集時(shí)間和電壓值。在0時(shí)刻和5分鐘時(shí)檢測到電壓值為3.19V，10分鐘時(shí)檢測到1號和5號傳感器電壓為0.97V，說(shuō)明1號和5號傳感器斷開(kāi)，進(jìn)而說(shuō)明管道在這兩個(gè)傳感器覆蓋的位置出現泄漏。若未采取措施，在下次檢測時(shí)，1號和5號傳感器仍為低電壓。

4 總結

文中提出了一種應用于輸油管道泄漏檢測的檢漏系統，與其他石油管道的檢測技術(shù)相比，設計的MLLD傳感器簡(jiǎn)單易操作，而且系統設計采用了MSP430G2553、MSP430F2234、CC1101等低功耗器件，通過(guò)搭建電路和軟件仿真的結合，驗證了設計的可行性，檢測結果較為可靠。