CN101230953B - 一种管路泄漏检测系统及具有远程监视的管路泄漏检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管路泄漏检测系统和以该系统为核心的远程监视系统。管路泄漏检测系统，包括若干安装于管路周围的且具有数据处理能力的检测终端和安装在控制机房的控制主机，所述检测终端和控制主机都包括具有网络通信功能的接口，检测终端和控制主机是通过内部局域网联接的。远程监视管路泄漏系统，包括远程监视主机、网关和管路泄漏检测系统，管路泄漏检测系统接网关，网关接互联网，远程监视主机接互联网。由于利用网络联接，系统结构简单、能方便与互联网互联互通、成本低。在远程监视系统中，远程主机和本地检测系统的控制主机数据库系统实现全范围的共享。应用于在化工、电力等行业的较高压力管道、压力管道泄漏的检测与报警。

Description

一种管路泄漏检测系统及具有远程监视的管路泄漏检测系统

技术领域

本发明涉及远程监视及实时检测系统，尤其涉及一种用于化工厂、发电厂等场合对液体或者气体传输管道实时检测是否有泄漏的检测系统，以及将实时检测的信息进行远程传送的系统。

背景技术

化工厂、发电厂都有很复杂的管路系统用来传输气体或者液体原料、热汽等，这样可以节省很多人力物力。但是这些气体或者液体化工原料大多具有腐蚀性，传输的管道在使用一定时间后将可能破损，至使原料泄漏造成损失，如果泄漏不能及时发现和处理，将会使泄漏地方继续扩大有时甚至会有灾难性地后果发生。特别是发电厂，当高温高压的蒸汽在锅炉炉管里泄漏时，如果及时发现采取有力措施可以很快修复，使损失降低。但是如果不能及时发现，高压的蒸汽将会使泄漏孔迅速扩大，对锅炉造成毁灭性地损失。因此及时发现管路泄漏是采取有力措施将损失降低的前提，而对管路进行实时检测则是通常使用的有效办法。目前，主流的管路泄漏检测系统都是利用探测器将管路内的各种声响接收起来然后通过导线传输到控制中心，是以模拟信号传输的方式，在控制中心对各探测器探测的声响进行分析，若某一探测器传来的信号有异常则进一步确定该处是否存在有泄漏。该技术成型在10年以前，对于一个大型的化工厂或者一座大型锅炉来说，要在各管道合适的位置设置检测装置，且将检测到的信号实时地传送到控制中心，连接各探测器到控制中心的导线将成为检测系统的成本中的很大一块，有时甚至占整个检测系统的60％还要多。随着电子技术和网络通信技术的迅速发展，化工厂和发电厂的控制系统的集成化程度也都越来越高，控制系统网络化、智能化的发展趋势使以模拟信号传输的管路泄漏检测系统难以满足未来市场要求。因此各化工厂和电厂，特别是为电厂提供锅炉的锅炉生产设计厂商都竟相研制出适应电厂控制系统的锅炉炉管泄漏检测系统，以适应市场的需要。公告号为CN2752743的中国实用新型专利文件就公布了一种基于现场总线技术的炉管泄漏检测装置，该装置是利用现场总线技术设计的、有利于提高测量与控制的准确度、减少传送误差的、并且具有一定的可扩展性、安装调试也较方便。这种基于现场总线技术的炉管泄漏检测产品中现场总线可以用工控PC机作为操作站，提高了系统的准确性与可靠性，由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。此外，由于设备的标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易手重构等优点。但是由于这种系统采用的是总线结构和分布式控制，结构比较复杂，同时与远程系统进行通信还需要进行转换，因此使用不方便，不能适应对系统进行远程监测的需要。

此外，化工厂管路设计或者发电厂锅炉生产的厂商对于自己的产品有义务进行长期售后服务，因此需要及时了解自己的产品的状态，特别是管路是否存在泄漏的情况，便于及时指导或者直接维护。但是，现在还没有这样的系统，特别是没有能及时通过互联网传送管路是否泄漏的实时检测信号的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种系统结构简单、能方便与互联网互联互通、成本低的管路泄漏检测系统。

为解决上述技术问题，所采用的技术方案为：

一种管路泄漏检测系统，包括若干安装于管路周围的且具有数据处理能力的检测终端、安装在控制机房的控制主机和内部局域网，检测终端和控制主机都包括具有网络通信功能的接口，检测终端和控制主机利用该接口通过内部局域网进行联接。

所述的检测终端包括声音探测模块、处理器、存储模块、网卡和电源模块，处理器分别与声音探测模块、存储模块、网卡联接，电源模块与声音探测模块、处理器、存储模块、网卡的电源端连接。

进一步的，所述的声音探测模块包括麦克风、单电源放大电路，麦克风的输出与所述的处理器的A/D转换口联接。

进一步的，所述的检测终端还包括自检装置。所述的自检装置包括自检蜂鸣器，自检蜂鸣器安装在声音探测模块的感应器感应区，与所述处理器联接。在所述的检测终端中，还具有一I/O地址设置口。

所述的控制主机包括处理器、存储模块、网卡。

进一步的，在所述的在控制主机中，还具有波导管除灰控制与炉膛吹火信号引入的接口。

进一步的，在所述检测终端和控制主机之间还具有一模拟总线通路，一端通过控制开关连接各检测终端音频输出端，另一端连接监控主机音频输入端。

进一步的，在所述的管路泄漏检测系统中：还包括一个监控主机，安装在控制机房内，通过网络与控制主机相连。

本发明进一步的目的在于提供一种结构简单，能方便与互联网互联互通的具有远程监视的管路泄漏检测系统。

其技术方案是：一种具有远程监视的管路泄漏检测系统，包括远程监视主机、管路泄漏检测系统。所述的管路泄漏检测系统包括若干安装于管路周围的且具有数据处理能力的检测终端、安装在机房的控制主机和安装在机房的监控主机。检测终端、控制主机和监控主机都具有网络通信功能的接口，并通过内部局域网联接，监控主机通过互联网与远程监视主机联接。

进一步的，在所述的远程监视系统中：所述监控主机内具有为互联网与MODBUS通信协议的局域网互联的网关。

本发明的积极效果是，由于在管路泄漏检测系统中利用网络将检测终端和控制主机进行联接，充分利用网络扩充性能好的优点，根据各管路系统的特点，可以方便地设置数量不定的检测终端。在硬件不变的情况对网络软件进行升级、安装测试也是非常方便的。在本发明的一些优选方案中，还专门设置了对检测系统进行自检的装置。本发明可以大大减少管路检测系统中电缆，以节省费用。同时本发明所采用的全部模块都是标准化的模块，相互之间的接口都可以通过标准化的驱动器进行驱动，且升级换代容易。在远程监视系统中，由于采用了互联网络联接远程监视主机和本地管路泄漏检测系统，远程主机可通过网络访问本地管路检测系统检测的实时信息，同时本地检测系统的控制主机也可以通过网络访问远程监视主机内的数据库系统，实现全范围的共享，使化工厂的管路设计施工单位和电厂锅炉的生产厂商能及时知道所有管路运行情况，如果有异常将及时制定维修方案指导或者直接对泄漏处进行维修。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明管路泄漏检测系统框图。

图2是本发明检测终端原理框图。

图3是本发明控制主机原理框图。

图4是本发明具有远程监视的管路泄漏检测系统框图。

具体实施方式

实施例1是一个用于电厂锅炉炉管泄漏检测系统。如图1所示，一种锅炉炉管泄漏检测系统，具有多个检测终端，检测终端通过网线与控制主机联接。如图2所示，检测终端安装在管路附近，包括由麦克风、单电源放大电路、A/D转换器组成的声音探测模块、型号为LPC2210的处理器、SRAM和FLASH存储模块、网卡和电源模块。声音探测模块利用麦克风收集管路里的声音信号经过放大和A/D转换后，输入到处理器中，处理器利用存储在FLASH中的FFT对探测模块探测的声音转换成频域信号，存储在SRAM中，并通过网络发给控制主机。控制主机安装在机房内。如图3所示，包括LPC2210处理器、存储有应用程序的FLAS存储器和用来存放数据文件的SRAM存储模块、Modbus网卡。控制主机与检测终端通过总路线型的双绞线连接。

在图1中，本系统还有一个监控主机，监控主机通过网络与控制主机相连，同时检测终端与控监控主机之间还有一条声音模拟信号通道，将所有检测终端检测到的声音有选择性地从模拟信号通道输入到控制主机。所有检测终端和控制主机一起组成一个内部局域网，局域网的网络协议为Modbus，其物理层为RS-485定义的双绞线。这里Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，节点相互之间、节点经由网络(本实施例使用以太网Ethernet)和其它设备之间进行通信。Modbus已经成为一通用工业标准。此协议定义了一个节点能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一节点请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。这种网络协议没有定义物理层。

当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个节点须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，应答的节点将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

本锅炉炉管泄漏检测系统内部局域网的物理层采用EIA RS-485标准定义的双绞线作为网线，这里EIA RS-485是在RS-422标准的基础上，研究出来的一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。

RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，

具体规格要求：

1.接收器的输入电阻RIN≥12kΩ。

2.驱动器能输出±7V的共模电压。

3.输入端的电容≤50pF。

4.在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关)。

5.接收器的输入灵敏度为200mV(即(V+)-(V-)≥0.2V，表示信号“0”；(V+)-(V-)≤-0.2V，表示信号“1”)。

这里RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛的应用。

本锅炉炉管泄漏检测系统内部局域网采用总线式的拓扑结构，用一对双绞线作为总线将锅炉炉管中检测的终端与控制主机相联。本内部局域网总线通信采用半双工的主从通信方式，以控制主机作为主控制节点，以检测终端作为从节点，整个局域网络通信由控制主机控制，通过对各检测终端设置节点地址管理网络通信。其工作方式如下：

1、检测终端对炉管的特定处进行实时不间断地检测，通过麦克风将测点附近的声音信号转化为电信号，并采用单电源放大到0～3.3V的交流电压信号，LPC2210处理器将经过AD转换的数字声音信号进行FFT(快速傅立叶变换)变换以分析锅炉的背景和泄漏声音，同时将处理后频域数据和实时采集的时域数据存储在SRAM中。FFT程序保存在FLASH内，这里每个检测终端带有一个8位的地址拨码开关用来设置Modbus从站地址，可以设置多达128个检测终端，通信模块接收来自控制主机的命令，通过读取命令的地址码确定该命令是否是对本终端的，如果确定是控制主机对本终端的命令，通过对命令码译码，控制主机对确定根据收到来自控制主机的信号将存储在SRAM中的频域和时域数据送往控制主机。检测终端还可以根据收到的开关信号控制蜂鸣器发声和接通麦克风和模拟声音监听总线以实现检测终端的自检和声音监听及录音功能。这里检测终端都由统一的外部电源提供+12V直流电源，由硬件中的电源模块将+12V电源转化为电子器件所需的+5V、+3.3V、+1.8V的直流电源。这里主要是利用麦克风收集炉管特定处的声音，麦克风主要接收0-15KHz的信号，该信号通过音频捕捉卡按预定的频率采样到检测终端后通过放大和D/A转换，变换成数字信号序列，根据采样定理，音频捕捉卡的采样频率可以设置为3KHz。然后利用检测终端的LPC2210处理器对该数字信号进行FFT(快速傅立叶变换)后，得到炉管特定处的频域信号，即数字频谱，将时域信号和频域信号按规定的格式组成数据帧，然后将数据帧打包准备发送给控制主机。

2、控制主机安装在发电厂的主控机房，它采用的处理器为LPC2210，每个控制主机可以管理1～128个检测终端，管理采取巡检方式，完成一次对所有的就测终端数据访问的时间在60秒以内，与检测终端的通信方式采用Modbus协议。根据锅炉的大小，如果锅炉需要检测的点超过128个，可以另外增加一个局域网，也可以将几个检测点的麦克风的输出结合到一起由一个检测终端处理。控制主机将来自检测终端的数据存储在SRAM中，程序保存在FLASH内存中。另外控制主机还具有一个接收炉膛吹火信号的接口，当炉膛吹火信号为有效时可以屏蔽泄漏报警，控制主机还可以对安装检测终端的波导管进行除灰。

本实施例系统简单，各部分分工明确，所有检测终端只负责对管路内的声音信号进行收集、放大、数字化和FFT，接受控制主机的控制，按时将检测数据上传，并利用自检蜂鸣器对麦克风接收通道进行检查。控制主机对网络各节点进行统一控制，轮巡向各检测终端发送命令，并接收检测终端上传的数据进行存盘分析，并根据具体情况有选择性地选择一些数据显示或者通过模拟通道监听麦克风收集的声音。

实施例2是一种某锅炉生产厂为其生产的锅炉进行售后服务时所采用的远程监视锅炉炉管泄漏检测系统。如图4所示，远程监视锅炉炉管泄漏检测系统，在每个电厂都具有一个电厂集中监控主机，该主机作为锅炉炉管泄漏检测系统的控制中心，将各检测终端检测的数据进行集中处理或保存或显示。该监控主机还有一与各检测终端相连的模拟通道，可以选择接收各检测终端麦克风收集的声音信号进行播放或者保存。在该监控主机中利用一个网关将内部局域网与外部公共互联网联接，在生产厂家设置一集中监控主机，通过互联网与各发电厂的网关联接，发电厂网关设在发电厂监控中心，监控中心对电厂所有锅炉的生产情况进行监控，同时通过管路泄漏检测系统对锅炉炉管进行行实时监视。各锅炉的管路泄漏检测系统的控制主机与监控中心的通信方式可选择TCP/IP或Modbus，同时预留GPRS通信模块以实现对系统的远程监控。实现与控制主机的数据通信，通信方式可选择Modbus或TCP/IP连接方式。

发电厂监控中心通过申请域名可与远程集中监控系统连接实现远程监控。发电厂监控中心的监控软件将从控制主机取得各检测点声音的综合值、频谱数据存储在数据库中，可以能时保持一定量的声音时域数据。向控制主机定时发出除灰控制信号及接收炉膛吹灰是否启动信号。对超过一年以上的数据进行自动删除。实现对检测测点录音音频文件的保存。实现各检测点声音综合值、频谱曲线、时域曲线、实时曲线、历史曲线的显示。对报警参数进行设置，包括无信号、正常、轻微泄漏、泄漏和严重泄漏。对各个显示界面的打印功能。显示各测点在锅炉的位置。通过Modbus协议往电厂DCS系统送声音综合值、报警状态值。进行密码管理。

锅炉生产厂家的远程监视主机实现以下功能：

1.选择GPRS或TCP/IP方式进行远程监控，其中GPRS直接从控制主机读取数据。

2.对各电厂测点声音综合值、频谱曲线、时域曲线、实时曲线、历史曲线的显示。

3.对各电厂测点声音综合值、频谱值的数据进行存储、专家分析，及时或提前远程预警。

4.对各电厂本系统的所有测量仪表进行性能寿命跟踪管理。

通过对整个系统进行监视，接收来自各电厂控制中心的数据，可以建立一个比较完备的锅炉炉管声音数据库，实时检测到的声音数据可以通过对数据库中相应的数据进行比对，确定是否正常。

上面锅炉炉管泄漏检测系统和以该检测系统为核心的远程监视系统虽然是针对锅炉炉管和锅炉生产厂家而设计的，为火力发电厂水冷壁、过热器、再热器、省煤器管道泄漏检测与报警。本发明技术方案还可应用于其它领域，比如化工厂的管路泄漏检测与报警和管路设计施工单位对该管路进行事后服务。

Claims (17)

1.一种管路泄漏检测系统，包括若干安装于管路周围的且具有数据处理能力的检测终端和控制主机；其特征在于：还包括内部局域网，所述检测终端和控制主机都包括具有网络通信功能的接口，检测终端和控制主机通过该接口与内部局域网联接；所述的检测终端包括声音探测模块、处理器、存储模块、网卡和电源模块；处理器分别与声音探测模块、存储模块、网卡联接；电源模块与声音探测模块、处理器、存储模块、网卡的电源端连接。

2.根据权利要求1所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述声音探测模块包括麦克风、单电源放大电路、A/D转换器，麦克风的输出信号经单电源放大电路接入处理器的A/D转换口。

3.根据权利要求1所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述处理器的型号为LPC2210。

4.根据权利要求1所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述网卡为具有RS-485通信模块的网卡。

5.根据权利要求1所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述检测终端还包括自检装置，所述自检装置包括自检蜂鸣器，自检蜂鸣器安装在声音探测模块的感应器感应区，与所述处理器联接。

6.根据权利要求1所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述存储器包括SRAM存储器和FLASH存储器。

7.根据权利要求6所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述FLASH存储器内存有FFT。

8.根据权利要求1所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述控制主机包括第二处理器、第二存储模块、第二网卡。

9.根据权利要求8所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述第二网卡包括具有RS-485通信模块的网卡和具有TCP/IP协议模块的网卡。

10.根据权利要求8所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述第二处理器的型号为LPC2210。

11.根据权利要求8所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：在所述的控制主机中，还具有波导管除灰控制与炉膛吹火信号引入的接口。

12.根据权利要求1至11所述的任何一种管路泄漏检测系统，其特征在于：所述内部局域网为具有Modbus通信协议的局域网。

13.根据权利要求12所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：在所述的检测终端中，还具有I/O地址设置口。

14.根据权利要求12所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：还包括一个监控主机，通过网络与控制主机相连。

15.根据权利要求14所述的管路泄漏检测系统，其特征在于：在所述检测终端和监控主机之间还具有模拟声音信号总线通路，一端通过控制开关连接各检测终端音频输出端，另一端连接监控主机音频输入端。

16.一种具有远程监视的管路泄漏检测系统，包括远程监视主机，管路泄漏检测系统，其特征在于：所述管路泄漏检测系统包括若干安装于管路周围的且具有数据处理能力的检测终端、控制主机、监控主机和内部局域网，检测终端、控制主机和监控主机都包括具有网络通信功能的接口，检测终端、控制主机和监控主机利用该接口通过内部局域网联接，监控主机通过互联网与远程监视主机联接。

17.根据权利要求16所述的具有远程监视的管路泄漏检测系统，其特征在于：所述监控主机内具有为互联网与Modbus通信协议的局域网互联的网关。

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