在原油生產(chǎn)加工過程中，原油輸送是必不可少的。在輸送過程中，由于分散性大、傳輸距離長、地域跨度大等特點，存在著各種管線自然損壞引起的泄漏，不僅給國家和企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，也會給人民生命和財產(chǎn)造成嚴(yán)重傷害，如2013年11月發(fā)生在青島的輸油管道破裂造成幾十人死亡和數(shù)千萬經(jīng)濟(jì)損失。

同時由于利益驅(qū)動，還存在著人為盜竊行為，近年來曾有多次新聞報道過因輸油管道被破壞造成嚴(yán)重后果的。據(jù)有關(guān)部門調(diào)查統(tǒng)計，華北油田、中原油田、勝利油田、大港油田等因“油耗子”盜油破壞油氣管線每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約10億元，間接經(jīng)濟(jì)損失約20億元。因此，進(jìn)行油氣管道遠(yuǎn)程監(jiān)測具有重大的安全和經(jīng)濟(jì)意義。

本文根據(jù)大港油田采油一廠企業(yè)合作項目，設(shè)計了一套基于全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communication, GSM）的原油管道遠(yuǎn)程智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)，通過對管道內(nèi)部壓力的實時監(jiān)控，判斷出泄漏量的大小和初步的位置，并及時關(guān)閉相關(guān)閥門，同時發(fā)出報警信號，通知工作人員快速有效地做出反應(yīng)，將損失降到最小。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由數(shù)個單控制器構(gòu)成，每個控制器都有對應(yīng)編號，單控制器對壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、判斷以及發(fā)出控制命令，并且通過控制GSM模塊發(fā)送消息給移動接收終端，通知工作人員快速有效地做出反應(yīng)，避免損失。遠(yuǎn)程智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成框圖

1.2 模塊電路設(shè)計

1）控制方案

系統(tǒng)采用就地分散控制的方式。各個控制器對自己控制范圍內(nèi)的各單元電路進(jìn)行控制，同時對壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，并做出相應(yīng)的控制命令。就地控制方式比較靈活，避免了各個控制器之間的互相干擾，其中一個控制出現(xiàn)故障也不會影響其他控制器的正常運行，保證各個控制器獨立工作。

2）信息傳輸

由于傳統(tǒng)的R232或者R485通信方式都是通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電纜網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，并且容易被人為破壞，傳輸距離也有限，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控模式。本設(shè)計采用GSM短信模式的無線通信方式，該方法除了具備遠(yuǎn)程無線通信以外，還具有不易被破壞，實際數(shù)據(jù)傳輸速率30kbit/s左右，為系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了有效條件。

3）泄漏檢測

采用油田專用的高性能SDG-GP壓力變送器，其靈敏度較高，精度等級可以達(dá)到±0.05%，具有防腐蝕、抗高溫功能等。

4）放大、隔離電路

利用中間繼電器來充當(dāng)一個隔離電路，可以隔離傳感器12V電源電壓對控制器信號的干擾；采用INA326單獨運算放大器與外圍電路構(gòu)建放大電路，能夠把傳感器采集到的微弱信號放大成所需信號。

5）電源電路

由于此方案需要多路電壓，例如傳感器需要12V電壓，放大器需要3.8V電壓，GSM模塊需要2.8V電壓，控制器需要3.3V電壓；因此可以采用LM2576把12V電壓變成3.8V，然后利用RT9193- 33GB把3.8V電壓變成3.3V與2.8V，這樣就可以得到穩(wěn)定的多路電壓。單控制器結(jié)構(gòu)功能框圖如圖2所示。

圖2 單控制器結(jié)構(gòu)功能框圖

2 工作原理

系統(tǒng)單控制器采用STC12LE5410A/D單片機，這種微控制單元（micro controller unit, MCU）具有1個R232口和1個SPI通信口以及8位A/D。

2.1 工作流程

控制板安裝在管道內(nèi)部，高精度壓力變送器不斷采集管道內(nèi)部壓力值，經(jīng)過隔離、放大電路傳回控制器，然后對此信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號分析，每次分析完的信號都寫入AT24C02（以防止斷電后數(shù)據(jù)丟失、每隔一段時間清除其中的數(shù)據(jù)）。最后判斷是否超過程序設(shè)計的閥值，以及是否是起泵、調(diào)壓等引起的誤報。

當(dāng)確認(rèn)后的確是泄漏引起而超過閥值時，控制器控制報警模塊報警，并且標(biāo)記此信號，同時通過控制器控制GSM無線通信模塊把程序設(shè)計時編輯好的故障短信發(fā)送到移動接收終端傳輸；但當(dāng)未超過閥值時，從機只需要跟常態(tài)一樣運行。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程框圖

2.2 放大電路

圖4是系統(tǒng)的放大電路原理圖，采用INA326搭建而成的經(jīng)典電路。傳感器采集到的信號通過集成運放的輸入端2腳、3腳接入，放大后信號由6腳輸出，輸出端加上一個限流電阻；該運放是單電源供電，并且具有極低的直流誤差。外圍電路簡單、元件很少，靈敏度高，不需要對外圍元件進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)，真正實現(xiàn)免調(diào)試功能。輸入阻抗達(dá)到100kΩ，內(nèi)阻達(dá)到幾十MΩ，穩(wěn)定性很好，輸出信號比較穩(wěn)定。

2.3 電源電路

圖5是系統(tǒng)的多路電壓產(chǎn)生電路原理圖，電源輸入為12V直流電壓，由LM2576電源穩(wěn)壓模塊與外圍電路搭建的降壓電路，把12V電壓變成3.8V電壓為運放供電；再把3.8V電壓由降壓集成芯片RT9193搭建而成降壓電路變成3.3V電壓，為控制器供電。

圖4 放大電路原理圖

圖5 多路電源產(chǎn)生電路原理圖

2.4 控制電路

圖6是系統(tǒng)的控制器電路原理圖，控制器電路以STC12LE5410AD單片機為控制核心，由外圍輔助電路，復(fù)位電路、晶振電路、濾波電路等構(gòu)成。控制電路通過2引腳、3引腳與GSM（WS6138）進(jìn)行控制通信發(fā)送短信。ADC為經(jīng)過放大器放大后的信號輸入端。

圖6 控制器電路原理圖

2.5 GSM電路

圖7是系統(tǒng)的GSM電路原理圖，GSM電路以集成芯片WS6138為核心，由SIM卡外圍電路構(gòu)成，通過控制器通信端口與WS1836通信端口達(dá)成通信協(xié)議，控制器下發(fā)命令讓W(xué)S6138調(diào)出短信內(nèi)容，通過SIM卡電路發(fā)送短信給移動接收終端。

3 軟件設(shè)計

控制器電路軟件流程如圖8所示。包括故障發(fā)生與正常運行兩個部分。故障發(fā)生就是產(chǎn)生中斷響應(yīng)，分析系統(tǒng)采集到的壓力值與程序設(shè)計的壓力閥值之間關(guān)系是否異常，對異常信號進(jìn)行標(biāo)注，再一次判斷是否是工況引起的異常，若確定是泄漏引起的異常，則產(chǎn)生中斷響應(yīng)去執(zhí)行控制命令，待處理完故障以后再進(jìn)行系統(tǒng)故障恢復(fù)；正常運行時系統(tǒng)不產(chǎn)生中斷響應(yīng)。采用前后臺的設(shè)計思路，在中斷里面處理事件標(biāo)志，主流程序中檢測標(biāo)志處理具體事務(wù)，程序有了很強的健壯性。

4 串口仿真調(diào)試

4.1 測試條件

利用裝配好的智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)控制板，實驗室直流電壓源為控制板提供12V直流電壓，然后檢測各個模塊電壓是否正常，待檢測所有電壓正常以后，在控制板底端插上已注冊的SIM卡，最后利用USB轉(zhuǎn)串的數(shù)據(jù)線連接電腦與控制板MCU的串口通信端。

圖7 GSM電路原理圖

圖8 控制器電路軟件流程圖

4.2 測試步驟

• 1）打開控制板第一級電源開關(guān)（總電源開關(guān)），插上電源直流電壓源為控制板供電，觀察指示燈是否正常點亮，并測試此電壓是否為12V。
• 2）打開控制板第二級電源開關(guān)（控制器模塊、放大模塊電源），觀察指示燈是否正常點亮，并測試控制器電壓是否為3.3V，放大器電壓是否為3.8V。
• 3）打開控制板第三極電源開關(guān)（GSM模塊電源），觀察指示燈是否正常點亮，并測試控制器電壓是否為2.8V。
• 4）關(guān)閉總電源開關(guān)，插上SIM卡，連接好USB轉(zhuǎn)串?dāng)?shù)據(jù)線，打開STC-isp程序下載軟件，選好控制器類型、COM端口、波特率設(shè)置等，此時可下載已編譯好的程序。
• 5）成功下載程序后，證明我們搭建的串口電路正常，關(guān)閉STC-isp下載軟件，以免和串口調(diào)試軟件相沖突；打開串口調(diào)試軟件。

4.3 測試實驗

由于調(diào)試過程中涉及到真實的手機號碼，因此某些地方作了隱藏處理。

• 調(diào)試模塊上的SIM卡，成都移動手機卡信息中心：+8613800280500；號碼：1598205****。
• 終端手機上的SIM卡，重慶移動手機卡信息中心：+8613800230500；號碼：1375297****。

1）模塊給手機發(fā)信息測試

首先，模塊上電，打開開關(guān)指示燈常亮500ms，說明模塊開始正常工作；然后，等待指示燈60ms開/2s滅的時候，說明SIM卡注冊網(wǎng)絡(luò)成功，此時便可以開始實驗工作。

（1）TEXT方式發(fā)送信息。如圖9為TEXT方式發(fā)送信息截圖。

圖9 TEXT方式發(fā)送信息

• 發(fā)送：AT（回車）
• 返回：AT（回車）OK
• 發(fā)送：AT+CMGF=1（回車）
• 返回：AT+CMGF=1（回車）OK
• 發(fā)送：AT+CSCA=“+8613800280500”（回車）
• 返回：AT+CSCA=“+8613800280500”（回車）OK
• 發(fā)送：AT+CMGS=“1375297****”（回車）
• 返回：AT+CMGS=“1375297****”（回車）
• 發(fā)送：HELLO520（短息內(nèi)容）
• 返回：HELLO520（短息內(nèi)容）
• 發(fā)送：1A（十六進(jìn)制）（回車）
• 返回：+CMGS：*** OK

（2）PDU方式發(fā)送信息。如圖10為PDU方式發(fā)送信息截圖。

• 發(fā)送：AT+CMGF=0（回車）
• 返回：OK
• 發(fā)送：AT+CMGS=27（回車）
• 返回：＞089169310808200805F011000D916831 57922740F00008AA0C6D4BD55DF27ECF5C317EEA→+CMGS 178 OK

圖10 PDU方式發(fā)送信息

2）手機給模塊發(fā)信息測試

首先，模塊上電，打開開關(guān)指示燈常亮500ms，說明模塊開始正常工作；然后，等待指示燈60ms開/2s滅的時候，說明SIM卡注冊網(wǎng)絡(luò)成功，此時便可以開始實驗工作。

（1）TEXT方式接收信息。圖11為TEXT方式接收信息截圖。

圖11 TEXT方式接收信息

（2）PDU方式接收信息。圖12為PDU方式接收信息截圖。

圖12 PDU方式接收信息

總結(jié)

本文進(jìn)行理論推導(dǎo)，初步闡述了該方法的可能性，然后通過仿真分析證明了基于GSM的原油遠(yuǎn)程管道智能防盜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法的正確性，不僅能夠有效解決系統(tǒng)信息傳輸問題，還能通過手機報警方式提醒工作人員，便于值班人員及時發(fā)現(xiàn)且快速解決問題。

由于系統(tǒng)正處于研發(fā)階段，所以文中得到的都是仿真實驗數(shù)據(jù)，真實數(shù)據(jù)還有待系統(tǒng)完全設(shè)計制作完成后，在實際工程中試驗才能得到最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。