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机动输油管线泄漏监测系统设计

文档作者：赵翔1,陈俊明2,彭涛1 文档来源： 1．后勤工程学院军事供油工程系重庆 2.62201 部队		点击数：	更新时间： 2021年10月10日
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收稿日期:2017-03-02
机动输油管线泄漏监测系统设计
赵 翔1,陈俊明2,彭 涛1
(1． 后勤工程学院军事供油工程系重庆，４01311);
(2． 62201 部队青海西宁，810001)
摘 要:利用机动输油管线信息化改造后已有的泵机组、泵站和调度中心三层架构数据采集与通信条件,实现了全线各泵
站流量、压力等参数的实时采集与传输。通过充分挖掘各泵站上传的流量、压力等参数的额外价值,开发了基于可变窗长中值
滤波器和扩展形态滤波器的泄漏检测综合算法,建立了实用的机动输油管线泄漏监测系统,最大限度地减少了泄漏经济损失和
环境污染,并使得机动输油管线“指挥调度软件”的功能更加全面,提升了输油系统安全运行管理水平。
关键词:机动输油管线;泄漏监测;系统设计
中图分类号:TP27４+． 2 文献标识码:B DOI 编码: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
机动输油管线一般采用从泵到泵的接力输送方式，具有
距离长、涉及人员和装备多、工艺复杂、输送压力高、输送量
大、连续输送时间长、介质具有易燃易爆危险性等特点，其技
术要求相对较高。而且，由于采用露天、快速铺设方式，与民
用埋地管线相比，机动输油管线更易受到露天铺设形式及快
速装配式铺设方式影响，一方面容易因发生碾压、碰砸、连接
部位松动、应力集中、材料失效或人为破坏等问题，而发生泄
漏事故，且泄漏形式更为复杂[1] ;另一方面由于任务需要，泵
站选址或线路走向经常需要穿越工业区、居民生活区、高压输
配电线路、铁路等[2] ，所处的电磁环境复杂多变，原编配的专
用数据采集与传输系统容易受沿途电磁环境变化干扰，影响
了数据采集和传输的稳定性、实时性，导致调度中心难以实时
可靠掌控全线的水力情况。因此，目前在管线发生泄漏后仍
然依靠人工目视巡线方式进行上报与处置[3] ，由于泵站之间
距离较远，调度中心很难及时判断泄漏情况并采取相应措施，
给机动输油管线长期稳定、安全高效运行带来潜在隐患。
经过信息化改造，机动输油管线指挥调度系统实现了全
线各泵站流量、压力等参数的实时采集，调度指令下载、各泵
站及巡线情况的及时接收，解决了基本的调度指挥问题。在
不增加额外投资的前提下，本文将充分挖掘这些流量、压力参
数的价值，基于流量平衡法、负压力波法等[４] ，开发“机动输
油管线泄漏监测”模块，准确报告泄漏事故的发生，及时判断
泄漏发生的程度及位置，从而最大限度地减少经济损失和减
小环境污染，降低事故隐患，并使得机动输油管线“指挥调度
软件”的功能更加全面，提升输油系统安全运行管理水平。
1 研究意义
目前，机动管线基本依靠人工巡线来掌握有无泄漏发生。
这种方法对人的依赖程度高，在巡线人员少、工作量大的情况
下，容易疲劳产生惰性，具有一定盲目性和偶然性。而且由于
站与站之间距离较远，需要耗费很多的人力、物力，受天气、地
形地物影响，某些管段还不易直接察看，如果巡线人员责任心
不强，很难及时发现泄漏点[5] 。上述主、客观因素导致在管线
发生泄漏时，调度中心很难及时了解泄漏大小并确定位置。
若发生泄漏不及时处理，则将危害管线的正常运行，造成经济
损失和环境污染，甚至导致火灾、爆炸等安全事故[6] ，严重时
将影响到整个作战任务的完成。
因此，对管线进行实时监测，及时准确发现泄漏显得十分
重要。如:美军快速安装式油料输送系统(RIFTS)配备有具
有泄漏检测功能的指挥与控制单元( C2M， command and
control module with leak detection capabilities)，能够自动监测
线路沿线任何地方的微小泄漏(10 加仑/ 分，2． 28 m3 / h)，并
迅速定位。俄军的管线渗漏判断系统用于管线渗漏相关参数
检测和渗漏位置判断，支线段渗漏判断可超过100km，系统判
断误差小于1km。
2 机动输油管线负压波泄漏监测系统
经过信息化改造，机动输油管线基本建成了信息化系统，
由泵机组控制系统、泵站监控系统和调度中心系统三层架构[7]
组成，实现了全线各泵站流量、压力等参数的实时采集与传输，
解决了基本的调度指挥问题，系统总体结构如图1 所示[8] 。
图1 统总体结构
·91·
《自动化与仪器仪表》2017 年第7 期(总第212 期)
其中，底层泵机组采用PＬC 进行检测控制，同时通过
CAN 总线接口与泵站监控计算机进行通讯，上传泵机组的运
行数据信息、接收调度系统命令并执行[9] 。泵站监控系统具
有承上启下的作用，一方面从泵机组控制器获取数据并转发
至调度中心，另一方面从调度中心获取调度信息，经过分析处
理后转发至泵机组控制器进行执行，同时它又为现场值班人
员提供人机接口，便于值班人员掌握和操作泵机组运行状
态[10] 。调度中心系统起到对整个作业管线统一调度的功能，
协调各个泵机组的运行状态、分析作业过程中的异常状况，其
数据来源为各个泵机组上传的数据[11] 。
考虑机动输油管线与固定输油管线的区别，对机动输油
管线的泄漏检测应该满足以下几个基本要求:
(1)准确可靠地判断泄漏的发生，并能够在较短时间内
判断泄漏点具体位置;
(2)准确可靠地判断泄漏程度，并能对较小量泄漏及时
作出判断;
(3)检测系统部署简单，易于在野外条件下进行使用与
维护。
在设计实用的泄漏监测系统时，力求对现有管线少改动
或不改动为原则。在我们搭建的泄漏监测系统中，泵机组完
全基于信息化改造后的既有条件，无需增加其它硬件，泵站和
调度中心部署的硬件也非常简单，具有结构简单、操作方便、
投资少等优点，在机动输油管线上具有极好的可操作性。
图2 机动输油管线泄漏监测系统
安装在泵机组上的PＬC 控制器I/ O 配置如图3 所示。
图3 PＬC 配置原理图
泵机组PＬC 主要完成仪表盘操控及报警指示、泵机组状
态参数采集、发动机转速本地调节、与上位机通讯等工作。具
体包括:
(1)监控参数本地设置与存储(或接收上位机定制的本
机设置)，泵机组监控参数及工作模式翻屏显示、泵机组状态
参数(含流量)实时显示;
(2)泵机组状态参数(泵机组进出口压力，发动机转速、
增速箱温度、缸盖温度、机油温度、机油压力、燃油液位)实时
采集、存储与上传;
(3)泵站调度参数(介质温度、流量，上位机根据各泵机
组进出口压力自动换算出泵站进出压力)实时采集、存储与
上传;(
４)泵机组状态参数越限报警(发动机参数具有双保险
报警机制:一方面采集有模拟量，对其数值进行实时越限判断
并报警，另一方面采集了报警触点上的开关信号，直接进行报
警)与上传;
(5)泵机组“本控”模式下，根据本机嵌入的控制算法进
行就地闭环控制，控制算法包括点动控制(升速/ 降速/ 快升
速/ 快降速/ 停机/ 急停机)、定转速控制、定流量控制、定进压
控制、定排压控制、定进排压控制，各种控制均满足泵机组、管
线安全工作的基本限制(如进口不欠压、出口不超压，否则控
制器将进入自动保护模式);
(6)泵机组“远控”模式下，解除本机嵌入的控制算法而
根据上位机下达的指令直接执行开环或闭环控制动作，其控
制算法与上类似，为适应泵站多台泵机组按需串并联(如:供
油泵站与首泵站合一，４ 寸泵机组并联运用在6 寸管线上)、
随机起停(如:某台泵机组突然停机，越站输送或降低输量输
送，备用泵投用)等复杂情况，增加了泵机组输送/ 停输状态
自动探测与自适应工艺流程组态、负荷均衡、水力协调等控制
原则;(
7)执行上述任务中与泵站值班室监控调度单元间保持
密切的数据及指令交换。
3 泄漏监测软件设计与实现
机动管线泄漏监测系统由参数记录子模块、实时模型建
立子模块、检漏子模块构成，其输入是现场采集的各种参数，
根据全线监视与调度需要规定多种输出形式[12] ，如图４
所示。
图４ 机动输油管线泄漏监测系统总体框图
三个功能模块的关系是:首先建立管线纵断面地形图，这
是建立整个数据监控系统的基础信息。实时模型建立子模块
采集各个泵站出入站压力，在纵断面图上建立水力坡降图;参
数记录子模块记录各个参数的历史值，可显示其变化趋势;检
漏子模块将采集预设时间段的压力值压缩成压力波序列后进
行泄漏分析。
图5 机动输油管线泄漏监测软件功能结构
每个子模块要求的输入和得到的输出不一样，以下分别
介绍。
·92·
机动输油管线泄漏监测系统设计 赵 翔，等
(1)实时模型建立子模块
管线纵断面水力坡降线可以根据相邻站进出站压力值和
流量分别建立输油管线理想和实际两种模型。
理想模型是假定管线全线正常工况下工作，没有发生泄
漏或堵塞等异常情况下的模型。实际模型没有理想模型管线
系统处处流量一致的假设，考虑了各数据采集点的实际流量，
反映当前管线的实际水力坡降状况，这可以作为反映输油管
线运行状态的实际模型。如果两者相差超过允许范围，则报
警提示用户。
图6 实时模型建立子模块流程
为兼顾调度数据传输量小、秒级实时性要求和泄漏分析
数据传输量大、毫秒级实时性要求的特点，以CAN 总线包进
行泵机组控制系统和监控系统之间的数据交换方式，其优点
在于支持并发的数据传输、数据传输速率高、可靠性高;以．
csv 格式文件作为监控系统和中心系统之间的数据交换方式，
其优点在于通用性好，可以有效保证数据的完整性[13] 。
(2)参数记录子模块
参数记录子模块包括存储和显示两个功能:不断接收来
自现场经传感器和变送器采集的反映管线运行状况的参数
值，首先将当前最新数据存入记录该参数历史数据的数据库，
然后通过门限判断参数是否合理，不合理则报警[1４] 。
而根据监控人员的选择可以显示某段线路、某个泵站的
某个参数查看。为既反映参数值历史，又实时显示当前值，可
为需要观察的参数值开辟一定大小的数据栈。每当有新采样
值到来时，当前数据入栈，所有原数据依次下移覆盖栈底元
素，将当前栈内所有数值显示出，作为一帧图像。
图7 参数记录子模块流程
(3)检漏子模块
检漏子模块是泄漏监测系统最主要的部分，按照负压波
检测原理[15] ，该子模块的处理框图如图8 所示。
图8 泄漏检测子模块框图
(４)软件开发
软件开发的工作内容包括监控系统和调度中心系统两部
分，监控系统开发的工作重点在于保证泵机组控制系统与中
心系统之间数据交互的实时性、可靠性和完整性;调度中心系
统开发的工作重点在于数据处理的能力上。根据软件开发侧
重点的区别，选择的开发工具为:
①监控系统:通用组态软件，其特点是具备丰富的硬件驱
动接口，可以保证与泵机组控制系统通讯获取数据的可靠性
和实时性，同时为值班室人员提供方便的人机交互界面;
②中心系统:Matlab 和Visual Basic，Matlab 在数据处理分
析方面的能力是业界领先的，通过Matlab 的分析产生调度信
息和异常处理信息，采用DＬＬ 方式由Visual Basic 调用，构建
中心系统。
４ 结束语
机动输油管线实现了全线各泵站流量、压力等参数的实
时采集与传输，解决了调度指挥问题。本研究在不增加额外
投资的前提下，充分挖掘这些流量、压力参数的价值，以负压
波法为基本方法，利用管道瞬态模型采用流量报警、压力定
位，以及流量、压力综合分析法进行泄漏报警、定位。实际使
用过程中，我们发现基于负压波泄漏监测方法在机动输油管
线上应用的关键技术为:
(1)如何准确的确定负压波在管道中的传播速度;
(2)如何确定负压波信号传到管道上下游压力传感器的
时间差，也就是要确定压力信号序列的特征拐点;
(3)如何统一各泵站的系统时间，以得到负压波传输到
两端的精确的时间差;
(４)管道系统的调泵、调阀、越站、反输等操作也会产生
瞬态负压波，必须研究如何消除由管道运行工况变化造成的
负压波对泄漏检测系统的干扰。
围绕上述关键技术，以及如何抑制噪声影响、提高检测灵
敏度和定位精度、减少误报警等方面，我们也进行了深入研
究。下一步的研究重点是针对负压波原理对压力序列下降沿
准确检测的要求，研究压力波的新滤波方法，以便更好地提取
压力波变化的趋势，检测小泄漏并降低泄漏检测的误报率。
(下转第96 页)
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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;}
/ / 显示器初始化
void lcd 1286４ init()
{lcd 1286４ write com(0x3４);
delay 1us(1000);
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 有载调容控制器的调试
有载调容控制器的硬件电路的核心为电压电流信号的采
集模块和二阶有源滤波电路模块以及电压偏执模块，所以硬
件上的调试主要就是这些模块电路的调试。其次还包括显示
模块的设计，这部分也是需要进行调试的，在此不做赘述。
软件调试过程中通过观察使用效果从而发现问题、解决
问题。不断调试耿更正使得整个系统更加的完善。尤其是前
端的信号采集及其滤波电路都是重点，后期进过商讨，在信号
输出送往TMS320F2812 的前段加入了保护核心芯片的二极
管击穿电路，保护芯片。软件部分的调试，主要包括AD 采
样、液晶显示程序、比较输出控制的调试。AD 的调试直接观
察显示模块，有显示即AD 采样程序和显示程序正常。
在硬件部分和软件部分的调试完成后，我们将硬件电路
和软件程序结合起来进行了综合调试，比较输出控制的调试，
通过改变实际负载的大小，使其完成高低容量的转换，观察两
组ＬED 灯的亮灭情况，发现ＬED 灯能按照目标变换亮灭，因
此比较输出控制程序是正常的。
5 结束语
在设计主程序时采用了顺序调度的设计原则，各种数据
采集、处理、比较和液晶显示是通过调用模块化子程序来完成
的，最终实现有载调容的功能。
参考文献
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