基于PLC 的管道防腐補(bǔ)口無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

賈 超

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司， 河北廊坊 065000）

0 前 言

中俄東線天然氣管道工程自建成投產(chǎn)后， 承擔(dān)每年380 億m3進(jìn)口天然氣的輸送任務(wù)， 向東北、 環(huán)渤海和長三角區(qū)域供氣， 將有效緩解東北地區(qū)天然氣短缺， 改善京津冀地區(qū)大氣污染現(xiàn)狀， 促進(jìn)長江三角洲地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整， 具有很重要的戰(zhàn)略意義以及很可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]。 隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來， 為順應(yīng)智能化、 數(shù)字化的發(fā)展趨勢， 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司提出了“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、 工廠化預(yù)制、 模塊化施工、 機(jī)械化作業(yè)、 信息化管理” 的“五化” 及“全數(shù)字化移交、 全智能化運(yùn)營、 全生命周期管理” 的“三全” 建設(shè)目標(biāo)， 以中俄東線天然氣管道工程為契機(jī)， 全面建設(shè)“數(shù)字管道”[2-4]。

在中俄東線管道建設(shè)中， 現(xiàn)場防腐補(bǔ)口已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水作業(yè)， 有效提升了防腐補(bǔ)口質(zhì)量及施工效率[5-14]。 為實(shí)現(xiàn)對(duì)防腐補(bǔ)口過程質(zhì)量的嚴(yán)格管控， 以及關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的真實(shí)性、 完整性及可追溯性， 分析確定了影響補(bǔ)口質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，通過研發(fā)基于PLC 的無線數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集、 處理， 并最終實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程傳輸及存儲(chǔ)， 保證了關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性及可追溯性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

（1） 利用掃碼槍讀取管口、 操作人員和設(shè)備的二維碼信息， 通過溫度傳感器和壓力傳感器分別采集管口溫度、 噴砂壓力等數(shù)據(jù)信息， 施工二維碼如圖1 所示。

（2） 將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給PLC， 通過程序進(jìn)行數(shù)據(jù)加工、 整理及存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中。

（3） 上位機(jī)通過Modbus RTU 協(xié)議， 以數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組建的無線渠道， 定時(shí)采集數(shù)據(jù)， 實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。 電氣原理圖如圖2 所示。

圖1 中俄東線管道施工二維碼

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電氣原理圖

1.2 硬件組成

1.2.1 控制單元

控制器采用三菱FX 系列PLC， 直流24 V 供電， 共8 個(gè)輸入點(diǎn)、 8 個(gè)輸出點(diǎn)， 采用繼電器輸出方式。 采用PLC 作為控制器， 一方面可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性， 增強(qiáng)抗干擾力； 另一方面， 方便功能擴(kuò)展， 不改變硬件接線， 直接通過修改程序即可實(shí)現(xiàn)。 此外， PLC 通過A/D 模塊擴(kuò)展口連接A/D 轉(zhuǎn)換模塊， 通過通訊擴(kuò)展口依次連接232 串口模塊和485 串口模塊。 控制系統(tǒng)硬件如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件實(shí)物照片

1.2.2 數(shù)據(jù)采集單元

（1） 掃碼槍。 利用掃碼槍讀取管口二維碼、操作人員二維碼、 設(shè)備二維碼， 并將信息通過232 通信模塊傳遞給PLC。

（2） 傳感器。 采用24 V、 4～20 mA 電流信號(hào)模式的溫度傳感器和壓力傳感器， 通過二線制接線方式， 分別采集管口加熱溫度信息和噴砂除銹壓力數(shù)據(jù)， 并上傳至A/D 模塊。 傳感器現(xiàn)場安裝如圖4 所示。

圖4 傳感器安裝照片

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元包括發(fā)射端和接收端兩部分，二者通過433 MHz 無線電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)射端通過485 端口與PLC 相連， 并安裝于施工現(xiàn)場， 接收端通過232 端口和控制室PC 機(jī)相連， 將接收到的信息傳遞并存儲(chǔ)于主機(jī)中。 圖5所示為接收端調(diào)試現(xiàn)場照片。

圖5 接收端調(diào)試現(xiàn)場

1.3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用GX-Works 2 軟件進(jìn)行PLC 程序編寫， 分溫度、 壓力采集和二維碼采集兩部分， 圖6所示為無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程。

圖6 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程

2 成果應(yīng)用

截止目前， 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在中俄東線管道局、 四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司、 遼河油田建設(shè)有限公司等單位的噴砂除銹、中頻加熱設(shè)備中應(yīng)用50 余套。 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖7 所示。 實(shí)踐證明， 該系統(tǒng)安裝方便， 操作簡單， 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠， 最大傳輸距離可達(dá)3 km， 能夠有效保證中俄東線機(jī)械化防腐補(bǔ)口關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的全數(shù)字化移交。 圖8 所示為無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用照片。

圖7 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備照片

圖8 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場

3 結(jié)束語

機(jī)械化防腐補(bǔ)口的普及帶來了施工效率的提升， 同時(shí)降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 施工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集更是為施工質(zhì)量的把控奠定了基礎(chǔ)。機(jī)械化防腐補(bǔ)口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過管口、 操作人員和設(shè)備二維碼的應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)了管口與施工數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)匹配， 保證了關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)的真實(shí)性、 完整性及可追溯性， 有利于施工質(zhì)量控制、 施工過程管理及管道后期的運(yùn)營維護(hù)。