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，已經成為油氣運輸的首選方式。但長期運營導致管道老化出現裂縫，或因外界環境腐蝕，以及打孔偷油等人為破壞因素，會引發管道泄漏，這不僅會帶來重大的經濟損失和嚴重的環境污染，而且，管道運輸的油氣易燃易爆，泄漏會導致起火爆炸，影響輸油線的安全，以致造成人員傷亡。因此，安全問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年代就開始了管道檢漏技術的研究，國內起步較晚，上世紀80年代才開始。目前，檢測方法主要有壓力點分析法(PPA)、負壓波法、聲波法和實時模型法等。PPA法和負壓波法在檢測輸油管道突發泄漏或者泄漏較大時有效，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生細小泄漏及時報警，實時性和準確性較高。此外，更換破損管道方便且不影響整體結構，投入低、性價比高。

1 檢測原理與安裝設計

微線檢漏傳感器(MLLD傳感器)是采用直徑0.1mm的漆包線以“S形”緊密繞制而成的，傳感器留有三個端口，分別是電源端、地端和電壓檢測端。實際情況中，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行包裝保護后再投入運營。文中介紹的檢測法是在管道包裹保護材料時，將MLLD傳感器包裹在管道外的保護層中，通過檢測傳感器端口的電壓值來判斷管道泄漏情況。

1.1 檢測原理與單元設計

漆包線由銅線構成，0℃時其電阻率約為1.6×10-8 Ω·m，且電阻率的大小與溫度有關，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是導線電阻，S是導線橫截面積，L是導線長度。根據上述兩個公式得出t℃時漆包線的電阻率及電阻。

MLLD傳感器內部構造如圖1所示，其通斷會導致α點電壓發生變化，再通過電壓比較器后，通過單片機I/O接收到“0”或“1”的電平信號來判斷是否發生泄漏。為能縮小泄漏點位置的判斷范圍，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MLLD傳感器。

1.2 管道整體設計

如圖2所示，以長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傳感器總長約為1.28km，每個單元長159m，直徑0.1mm，在溫度是20℃時，每單元的的漆包線電阻約為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，實時檢測管道運營情況，將檢測值及時反饋給控制中心，做檢漏系統的輔助信息。管道間由防腐防潮性高的四線工業連接器連接，這四根線分兩組分別連接電源線和信號線。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線傳輸和有線傳輸結合。無線數傳網絡是由管道終端檢測系統的無線通信單元和中繼單元組成。檢測終端的無線通信單元選用基于低功耗無線收發芯片CC1101的無線通信模塊，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線收發芯片，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SPI通信接收數據。

在保證通信正常的情況下，為減少無線通信模塊的數量，將管道分組，每十節管道為一組，每組管道間采用總線型主從式結構的有線傳輸。最后一節管道的MSP430匯總十節管道的信息，通過無線通信模塊傳輸給無線中繼單元，再由CDMA無線通信網絡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。若發生泄漏，工作人員可通過標號快速找出泄漏管道，及時做出處理。

此外，由于無線數傳網絡的通信受傳輸距離限制，超出一定范圍后中繼單元將無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，通過借鑒移動通信系統中基站的微蜂窩結構，對檢測終端分成多個獨立的無線數傳網絡。

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線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卡來存儲信息，信息通過有線傳輸到最后一個單片機后，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，并將信息通過無線通信模塊傳輸給中繼單元。若單片機接收到兩個LM339的8位輸出信息不全為“1”，說明回路斷開，從而判斷有泄漏出現。根據該8位二進制數中“0”的個數和位置，我們可以判斷出是泄漏管道的哪一個MLLD傳感器斷開，從而可以確定泄漏點的位置。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。軟件設計從零時刻開始，每五分鐘采集一次電壓信息。20℃時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，仿真結果約為3.19V;若斷開，仿真結果為0.97V。如圖7所示，座標系中橫、縱、豎三個坐標分別表示管道MLLD傳感器的標號，采集時間和電壓值。在0時刻和5分鐘時檢測到電壓值為3.19V，10分鐘時檢測到1號和5號傳感器電壓為0.97V，說明1號和5號傳感器斷開，進而說明管道在這兩個傳感器覆蓋的位置出現泄漏。若未采取措施，在下次檢測時，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相比，設計的MLLD傳感器簡單易操作，而且系統設計采用了MSP430G2553、MSP430F2234、CC1101等低功耗器件，通過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。