基于STM32的油氣管道陰極保護(hù)電壓自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪銳，王洪鈞，焦爽

1.湖北省天然氣發(fā)展有限公司（湖北 武漢 430000）

2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司（寧夏 銀川 754000）

0 引言

截至2018年底，我國(guó)境內(nèi)油氣管道已累計(jì)建成13.60×104km，名列世界第3位[1-2]。但是，我國(guó)油氣管道的年平均事故率高于北美地區(qū)[3]，其中，腐蝕是造成油氣管道事故的主要原因之一[4]。例如：2013年11月22日青島油氣管道爆炸事故是由于管道腐蝕導(dǎo)致原油泄漏造成的特別重大事故。

為防止油氣管道腐蝕穿孔或失效，我國(guó)主要采用防腐涂層結(jié)合陰極保護(hù)等措施進(jìn)行綜合防護(hù)。其中，陰保電位是評(píng)價(jià)管道陰保效果的重要參數(shù)。目前，主要采取人工方式在管道測(cè)試樁上進(jìn)行定期采集。受現(xiàn)場(chǎng)巡護(hù)人員素質(zhì)、測(cè)量?jī)x器、自然環(huán)境等因素影響，管道企業(yè)很難獲取管道沿線(xiàn)準(zhǔn)確有效的管道保護(hù)電位數(shù)據(jù)，不利于后續(xù)開(kāi)展管道陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)工作，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種管道電位自動(dòng)采集裝置，以協(xié)助企業(yè)定期準(zhǔn)確獲取管道沿線(xiàn)各區(qū)域的陰保電位，方便企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理并降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32是基于ARM Cortex?-M3內(nèi)核的微處理器（MCU），內(nèi)部集成有GPIO、USART、ADC、RTC、DMA等豐富的外設(shè)資源，同時(shí)具有低成本、低功耗、高性能等特點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，通常僅需要配置簡(jiǎn)單的系統(tǒng)供電電路，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路、檢測(cè)電路和通訊電路就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)。因此，本文選用STM32作為MCU對(duì)管道陰保電位自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 陰保電位自動(dòng)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)給MCU控制系統(tǒng)及GPRS通訊模塊分別提供3.3 V及5.0 V的供電電壓，同時(shí)也為ADC采樣提供3.3 V的高精度基準(zhǔn)電壓。

1.2 陰保電位采集

陰保電位采集由檢測(cè)回路與電壓調(diào)理回路組成，并利用MCU的內(nèi)部ADC采樣器進(jìn)行采樣。檢測(cè)回路主要將管道陰保電位經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的硬件濾波和極性處理后，送入電壓調(diào)理電路，將陰保電位調(diào)整到0～3.3 V供MCU進(jìn)行采樣。

1.3 通訊模塊

管道測(cè)試樁“零散”分布在管道沿線(xiàn)，通常不具備常規(guī)的RS485、光纖等有線(xiàn)通信方式，本文利用MCU與GPRS模塊將陰保電位通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行傳輸。同時(shí)，為方便用戶(hù)配置采樣周期、目標(biāo)號(hào)碼等參數(shù)，利用MCU的串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的參數(shù)配置功能。

1.4 本地存儲(chǔ)單元

系統(tǒng)配置的參數(shù)存儲(chǔ)在MCU內(nèi)部的Flash中，與此同時(shí)，為防止GPRS模塊因信號(hào)不良或欠費(fèi)造成的檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)將管道電位同時(shí)存儲(chǔ)在外部SD卡中，以便用戶(hù)必要時(shí)讀取使用。

1.5 系統(tǒng)休眠與喚醒

管道測(cè)試樁分布在野外，很難獲取穩(wěn)定可靠的供電電源。為節(jié)約系統(tǒng)能耗，方便現(xiàn)場(chǎng)管理，本文利用了MCU的低功耗模式和RTC喚醒功能，使系統(tǒng)能夠按照用戶(hù)設(shè)定的運(yùn)行模式，定期喚醒設(shè)備進(jìn)行電位采集和傳輸，最大限度降低系統(tǒng)能耗。

2 應(yīng)用分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的管道陰極保護(hù)電位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在某天然氣管道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了3處試點(diǎn)應(yīng)用，其中選擇2處人員較難進(jìn)入的水田，1處為普通地區(qū)。普通地區(qū)的試點(diǎn)測(cè)試樁同時(shí)安排巡線(xiàn)員在試點(diǎn)期間利用Fluke 115C萬(wàn)用表進(jìn)行陰保電位測(cè)試和記錄。現(xiàn)場(chǎng)安裝示意如圖2所示。

圖2 陰保電位自動(dòng)采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

在原有測(cè)試樁的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)新裝了長(zhǎng)效參比電極和本文設(shè)計(jì)的管道陰保電位自動(dòng)采集裝置，將測(cè)試樁原有測(cè)試電纜、參比電極電纜分別與采集裝置相連，同時(shí)利用PC機(jī)對(duì)裝置的定期喚醒采集時(shí)間（每天10:00am測(cè)量）、裝置編號(hào)（位置）及目標(biāo)接收端號(hào)碼進(jìn)行了設(shè)置。

2.2 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)1個(gè)月對(duì)3處試點(diǎn)測(cè)試樁進(jìn)行檢測(cè)，為方便對(duì)比分析，將其中1處同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和人工檢測(cè)的試點(diǎn)測(cè)試樁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試點(diǎn)測(cè)試樁檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，電位分布圖如圖3所示。

通過(guò)圖3分析可知，陰保電位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)因經(jīng)過(guò)軟、硬件濾波，同時(shí)避免人為操縱誤差，采集的數(shù)據(jù)相對(duì)人工采集的數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)和可靠，兩者相差最大的電壓誤差為0.089 V。

此外，管道巡線(xiàn)人員通常在執(zhí)行巡線(xiàn)任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行陰保電位檢測(cè)，受現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)任務(wù)、雷雨等因素影響，很難保證每天準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行電位測(cè)量。若多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，更加難以保證定時(shí)測(cè)量。而自動(dòng)采集裝置每天約10:01am定時(shí)將電位檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的客戶(hù)端，通過(guò)客戶(hù)端短信不僅可以讀取陰保電位數(shù)據(jù)，還能間接反應(yīng)自動(dòng)檢測(cè)裝置的工作狀態(tài)。

表1 管道陰保電位檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 不同采集方式下的電位分布圖

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)照結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的管道陰極保護(hù)電壓自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，無(wú)需對(duì)原有測(cè)試樁進(jìn)行較大改動(dòng)，僅需投入較少的成本就可以實(shí)現(xiàn)管道電位的自動(dòng)采集和傳輸，以獲取準(zhǔn)確的管道陰保電位，有效避免了人為測(cè)量引入的較大測(cè)量誤差，同時(shí)也消除了自然環(huán)境對(duì)測(cè)量作業(yè)的不利影響，對(duì)后續(xù)陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性評(píng)價(jià)及管道防護(hù)具有重要的意義。