CN114250471A - 一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统；包括：智能测试桩RTU、通讯基站、云服务器、SCADA系统的站控系统、阴极保护恒电位仪。所述各部分装置协同工作，共同构成阴极电位随动控制系统，实现了全面感知、数据互通、辅助决策、智能管控的智慧化发展框架。通过采集油气管道沿线测试桩处的电位、电流、环境温湿度、腐蚀速率以及土壤参数(含水率、PH值、含氧量)等参数信息，多参数数据融合，建立优化模型，动态寻优，确定当前管道阴极保护电位的优化值，控制阴极保护恒电位仪输出，极大提高了保护的可靠性，节省人力物力，改善了阴极保护存在死区、管道参数无法实时监测等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋地长输管道阴极保护系统，尤其涉及一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统。
背景技术
阴极保护技术是油气长输管道腐蚀控制中的最经济、最有效的防护措施，与管道的表面防腐层配合使用，能有效减缓油气管道的腐蚀速率、延长其服役周期，因此，在国内外油气输送管道领域中得到广泛使用。我国主干油气管道均采用外加电流为主、牺牲阳极为辅的阴极保护方式，在这种阴极保护方式下，通过管道沿线配置的参比电极测量管地之间的电位，阴极保护电源(恒电位仪)将检测到的参比电极信号与阴极保护电位给定电位进行对比，根据电位比较结果，阴极保护电源自动调整其输出的电流、电压，使管道阴极保护电位稳定在所设定的电位值范围。但是在管道周围土壤温湿度(尤其是超过40℃)和PH值、交流杂散电流等因素干扰下，按阴极保护电位设定准则所设定阴极保护电位的会存在较大的误差，其结果是很多按照准则进行阴极保护运行的管道发生过保护或欠保护状况，造成重大的安全隐患。
随着油气输送管道规模的不断扩大和信息技术的更新换代，国内外油气管道正向智慧化建设与管理方向发展，在当前数字化管道建设的基础上，通过“端+云+大数据”体系架构，集成管道全生命周期数据，构建智慧化阴极保护系统，实现管理的可视化、网络化、智能化，具有全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化的能力，为智能分析和决策提供支持。
发明内容
本发明的目的是提供了一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统。
本发明按智慧化管道发展框架，按照强化阴极腐蚀保护，提升管道的服役寿命，实现管道运输成本降低、环境污染减少和安全系数强化的智能管理控制为原则，完善阴极保护电位整定等功能为目标，在现有SCADA的站控系统基础上，本发明提供一种SCADA架构下基于站控系统的阴极保护电位优化控制系统，实现对油气输送管道阴极保护电位的自适应优化控制以及阴极保护电位监测、控制和保护的统一集中管理。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，包括智能测试桩RTU、通讯基站、云服务器、SCADA系统的站控系统、阴极保护恒电位仪；
所述智能测试桩RTU由管道阴极电位检测单元、温湿度检测单元、pH值检测单元、杂散电流检测单元、无线通讯单元组成；用于对所监测管道的电位和管道环境参数信息的采集、处理，并通过通讯基站发送至云服务器；
所述云服务器接收保存通讯基站传输来的参数数据，并通过INTERNET网，与SCADA系统的站控系统实现数据共享；
所述SCADA系统的站控系统通过服务器中对应的后台服务程序完成数据处理、生成实时和历史数据库；
所述阴极保护恒电位仪通过接收来自阴极保护电位控制计算机的电位控制数据，调整其向管道输出的保护电流，使管道电位始终控制在优化的电位范围内。所述阴极保护恒电位仪根据站控系统的指令实时调整向管道输出的保护电流。
优选地，所述智能测试桩RTU，用以监测管道电位，并收集管道周围环境参数，通过通讯基站将数据上传至云服务器。
优选地，所述智能测试桩由主控模块、电源模块、传感器模块、无线通讯模块组成，用以对管道电位和周围环境参数数据的采集和发送。
优选地，所述智能测试桩的主控模块由STM32单片机及其外围电路组成；所述智能测试桩的电源模块由辅助电源组成；所述智能测试桩的传感器模块由DHT11型单总线数字温湿度传感器、JY-PH-7002型高精度ph探头、SCM-4200型杂散电流检测仪组成。
所述管道智能测试桩的无线通讯模块由NBIoT低功耗无线通信传输模块构成。
所述管道电位传感器由饱和硫酸铜参比电极构成。
优选地，所述云服务器为接收和存储数据的地方，供SCADA系统调用，再通过终端显示出来供工作人员记录观测。
优选地，所述SCADA系统的站控系统由交换机、路由器、PLC、服务器、报警系统、上位机及终端构成；
通过路由器实现站内与通信设备的连接，并与SCADA系统的主机实现通信。所述SCADA系统的站控系统从SCADA系统中获取管道电位数据，将这些数据进行分析处理后，得出最佳的电位调整指令并发送至阴极保护恒电位仪。
优选地，所述阴极保护恒电位仪，一方面接收SCADA系统的站控系统所传输过来的指令，根据指令调整向管道输出的保护电流；另一方面根据智能测试桩的反馈数据，选择合适的阴极保护电位输入点，在节省成本的前提下使管道保护效果最好。
优选地，所述云服务器与SCADA系统，是基于计算机系统所搭建的，为智慧管道架构系统的核心控制枢纽，所述SCADA系统的站控系统为将SCADA系统中的管道相关数据读取并经自身算法运算后转换为具体的调控指令并传给下级的现场终端设备，是现场装置与SCADA系统进行互联的中间模块。
所述智能测试桩用来监测管道电位和采集管道周围环境参数数据，并通过通讯基站将数据上传至云服务器供SCADA系统使用，所述阴极保护恒电位仪向管道输出保护电流，并接收来自站控系统的调控指令，实时调整向管道输出的保护电流。
优选地，所述云服务器与SCADA系统是基于计算机中央处理器和windows操作系统所搭建的核心控制枢纽单元，包括阴极保护电位控制计算机，用以现场装置的数据采集、存储、处理，生成调控命令，经电位控制计算机分析处理后直接发送至现场终端。
优选地，所述智能测试桩按固定距离安放至管道沿线，根据管道周围环境数据计算出阴极保护的最佳埋设点，为现场施工提供技术支持，并且在阴极保护系统正式运行时，可以将管道实时电位传送至SCADA系统，进而达到阴极保护调整输出保护电流的目的，使管道电位始终处于理想状态。
优选地，所述站控系统为智慧管道架构中的中转站，负责获取SCADA系统中与管道阴极保护电位相关的数据进行分析处理，得出最佳的调控指令，并发送给阴极保护恒电位仪，使其实时调整对管道输出的保护电位；所述阴极保护恒电位仪负责向管道持续输出保护电流，在站控系统的实时运算调控下，阴极保护恒电位仪向管道输出的保护电流也会随着管道电位的改变而改变，使管道参比电位始终处于-0.85v～-1.25v范围内，即实现最佳的保护效果。
本发明所涉及的一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，由智能测试桩RTU、通讯基站、云服务器、SCADA系统的站控系统以及阴极保护恒电位仪组成。本发明能自动采集埋地管道周围土壤温湿度(尤其是超过40℃)和pH值、交流杂散电流等环境参数、并根据其环境参数来实时调整阴极保护装置输出保护电流大小，实现对全线管道阴极保护电位的随动控制系统。
所述阴极保护电位控制计算机是本发明的核心，从SCADA的站控系统服务器中获取管道保护电位的相关参数数据，采集油气管道沿线测试桩处的电位、电流、环境温湿度、腐蚀速率以及土壤参数(含水率、pH值、含氧量)等参数信息，多参数数据融合，建立优化模型，动态寻优，确定当前管道阴极保护电位的优化值，对管道各点阴极保护电位实现动态跟踪和优化决策。经将采集的电位值与优化决策值进行比较，其偏差作为控制器的输入，经过智能控制运算，控制阴极保护恒电位仪输出，实现管道阴极保护电位的实时修正，使其保持在一个相对恒定的状态，实现闭环控制。
本发明具有以下优点：
(1)本发明通过设置管道智能测试桩，将埋地管道的管道电位和管道周围环境参数采集后传输至云服务器，与SCADA系统的站控系统实现数据共享，能实时监测沿线管道的阴极保护电位值，可及时发现和评估阴极保护电位的异常状况，极大提高了阴极保护的可靠性。
(2)本发明阴极保护电位控制计算机从SCADA系统的站控系统的服务器中采集油气管道沿线测试桩处的电位、电流、环境温湿度、腐蚀速率以及土壤参数(含水率、PH值、含氧量)等参数信息，多参数数据融合，建立优化模型，动态寻优，确定当前管道阴极保护电位的优化值，经将采集的电位值与优化决策值进行比较，其偏差作为控制器的输入，经过模糊PI控制算法加权运算后，得出电位调整指令，并发送至阴极保护恒电位仪，使其调整向管道输出的保护电流，进而使管道阴极电位始终保持在有效的保护范围内，实现了对管道电位的动态跟踪和优化控制。
(3)本发明阴极保护恒电位仪在阴极保护电位控制计算机的优化控制下，实现对管道的智能保护，最大程度节省人力物力，保证被保护管道的阴极电位不存在死区，同时保护重叠区也不会太大，使其可靠性和经济性得到了大幅提升。
(4)因在实际应用中对阴极保护恒电位仪响应调整指令的快速性有极大要求，所以在站控系统与阴极保护恒电位仪的通讯方式上选择光纤通讯，保证了站控系统与现场终端之间通讯的可靠性和快速性。
(5)本发明智能测试桩RTU采用无线通讯模块，利用运营商网络，通过通讯基站向云服务器发送数据，提高了数据采集和传输的经济性和实时性，极大节省了人力物力。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明系统中管道智能测试桩的结构示意图；
图3为本发明系统中站控系统的结构示意图；
图4为本发明系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，包括智能测试桩RTU、通讯基站、云服务器、SCADA系统的站控系统、阴极保护恒电位仪、埋地管道，所述智能测试桩实时监测管道电位和周围环境参数，通过通讯基站将数据发送至云服务器中供SCADA系统的站控系统共享，阴极保护电位控制计算机通过读取SCADA系统的站控系统服务器中的管道阴极保护电位、管道周围土壤参数、杂散电流等数据信息，经优化决策，使阴极保护恒电位仪的输出稳定在最佳保护电位。
所述阴极保护电位控制计算机，将采集的油气管道沿线测试桩处的电位、电流、环境温湿度、腐蚀速率以及土壤参数(含水率、pH值、含氧量)等数据，多经参数数据融合、优化后，确定当前管道阴极保护电位的优化值，将实时的阴极保护电位数据与该优化值进行比较运算，使阴极保护恒电位仪实时调整向管道输出的保护电流大小，将所保护范围内的埋地管道参比电位始终处在-0.85v～-1.25v之间。当管道周围环境发生较大变化时，保护末端的电位不能正常保持在有效保护范围内时，此时允许管道首端保护电位暂时升高到-1.5v，若这种变化将长期存在，则可以根据现场情况，增加相应的阴极保护点，在增加阴极保护点后，则需要将首末端保护电位调整至-0.85v～-1.25v的最佳保护电位范围之内。
如图2所示，本发明系统中管道智能测试桩的结构示意图，所述智能测试桩需要采集管道电位，并收集管道周围环境参数数据，包括温度、湿度、pH值以及杂散电流，主控模块以STM32单片机及其外围电路组成核心控制器，辅助电源模块为整个装置供电，通讯模块采取运营商网络进行无线通讯，将采集到的数据通过通讯基站传送至云服务器，预警模块保证本装置的安全性。
其中，所述无线通讯模块采用NBIoT低功耗无线通信传输装置完成。
为保证能有效监控管道电位且控制成本，参考人工采集参数的频率，设定智能测试桩RTU发送数据的间隔为每隔12小时对管道参数进行采集并传输。
如图3所示为一种典型的站控系统结构示意图，包括交换机、上位机、报警模块、PLC、IO机架、路由器和服务器组成。
所述上位机分为两部分，一部分由工程师操作，负责站控系统的研发和维护，一部分供操作员操作使用，并通过上位机远程控制终端设备。
所述路由器负责站控系统与SCADA系统通讯。
所述阴极保护电位控制计算机的软件配置通过计算机网络与编程软件进行技术开发，或利用基于运行安全可靠的第三方操作平台来实现监控功能，包括上位机显示界面、数据库、网络数据服务器平台。
所述站控系统服务器通过INTERNET网与云服务器通讯，完成数据处理、生成实时和历史数据库。
所述阴极保护电位控制计算机主要任务为通过对SCADA系统中的管道数据进行分析处理，依靠电位的设定值和现场的实际电位对比值来作出调控命令，完成闭环控制，执行单元对阴极保护恒电位仪发出调控指令，改变阴极保护恒电位仪的输出电位，最终实现管道电位的优化调整。
如图4所示，在实际工程中，要求阴极保护恒电位能及时响应站控系统的指令，故在站控系统与阴极保护恒电位仪的数据连接中采用光纤通讯模块。
阴极保护电位控制计算机将指令通过站控交换机发送至光纤收发器，经转换，指令数据通过光纤通讯传送终端交换机中，终端交换机接收指令并通过通讯模块将指令传送至阴极保护恒电位仪，进而完成电位调整动作。保证了设备间数据传输的可靠性和及时性。
所述站控系统的阴极保护电位控制计算机控制程序中，加入PID算法控制，当实际管道电位与预定管道电位出现偏差时，PID算法会使实际电位向给定电位收敛，最终消除误差，达到理想保护效果。
在实际工程中，对于不同的受控对象，PID算法有时也会引起系统振荡，所以针对本发明的实际要求，本发明无需考虑初始状态到现在时刻的变化，仅需计算与上一次的差值，所以本发明采用增量式PI调节即可满足预定目标，不仅不会累加系统误差，同时也能很大程度节省内存，提高了经济性和快速性。
增量式PI调节表达式：
ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k) (1.1)
增量式PI调节在微控制器中的表达式为：
式1.2中，ΔU(k)为增量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，T为周期，e(k)为偏差值，e(k-1)为上一次偏差值，Ti为积分时间。
所述PI控制算法作为站控系统的内部程序，控制误差小，防止电源输出波动频繁。
本发明的一个较佳实施例中，通过智能测试桩RTU、阴极保护恒电位仪、SCADA系统以及站控系统之间的联合运行，可以实时监测控制管道电位，智能测试桩通过各模块的优化，对管道电位和周围环境参数的测量采集传输效果也有了很大的提升，使整个装置运行可靠且高效。
通过实际测试应用，本发明提供的一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，对管道保护高效且经济，对于即将施加阴极保护的管道来说，也可以通过本系统，得到最佳的实施方案，既不会出现保护死区，同时也能极大程度节省成本，使管道防腐蚀工程技术得到有效优化，为未来智慧管道架构的发展提供了新的思路。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
Claims (10)
1.一种油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：包括智能测试桩RTU、通讯基站、云服务器、SCADA系统的站控系统、阴极保护恒电位仪；
所述智能测试桩RTU由管道阴极电位检测单元、温湿度检测单元、pH值检测单元、杂散电流检测单元、无线通讯单元组成；用于对所监测管道的电位和管道环境参数信息的采集、处理，并通过通讯基站发送至云服务器；
所述云服务器接收保存通讯基站传输来的参数数据，并通过INTERNET网，与SCADA系统的站控系统实现数据共享；
所述SCADA系统的站控系统通过服务器中对应的后台服务程序完成数据处理、生成实时和历史数据库；
所述阴极保护恒电位仪通过接收来自站控系统电位控制计算机的电位控制数据，调整其向管道输出的保护电流，使管道电位始终控制在优化的电位范围内。
2.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：
所述智能测试桩RTU，用以监测管道电位，并收集管道周围环境参数，通过通讯基站将数据上传至云服务器。
3.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述智能测试桩由主控模块、电源模块、传感器模块、无线通讯模块组成，用以对管道电位和周围环境参数数据的采集和发送。
4.如权利要求3所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述智能测试桩的主控模块由STM32单片机及其外围电路组成；所述智能测试桩的电源模块由辅助电源组成；所述智能测试桩的传感器模块由DHT11型单总线数字温湿度传感器、JY-PH-7002型高精度ph探头、SCM-4200型杂散电流检测仪组成。
5.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述云服务器为接收和存储数据的地方，供SCADA系统调用，再通过终端显示出来供工作人员记录观测。
6.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述SCADA系统的站控系统由交换机、路由器、PLC、服务器、报警系统、上位机及终端构成；通过路由器实现站内与通信设备的连接，并与SCADA系统的主机实现通信。
7.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述阴极保护恒电位仪，一方面接收SCADA系统的站控系统所传输过来的指令，根据指令调整向管道输出的保护电流；另一方面根据智能测试桩的反馈数据，选择合适的阴极保护电位输入点。
8.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述SCADA系统的站控系统为将SCADA系统中的管道相关数据读取并经自身算法运算后转换为具体的调控指令并传给下级的现场终端设备，是现场装置与SCADA系统进行互联的中间模块。
9.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述云服务器与SCADA系统是基于计算机中央处理器和windows操作系统所搭建的核心控制枢纽单元，用以现场装置的数据采集、存储、处理，生成调控命令，经电位控制计算机分析处理后直接发送至现场终端。
10.如权利要求1所述的油气智慧管道架构下的阴极保护电位随动控制系统，其特征在于：所述站控系统为智慧管道架构中的中转站，站控系统中的电位控制计算机获取SCADA系统中与管道阴极保护电位相关的数据进行分析处理，得出最佳的调控指令，并通过站控系统的数据通讯装置发送给阴极保护恒电位仪，使其实时调整对管道输出的保护电位；所述阴极保护恒电位仪负责向管道持续输出保护电流，在站控系统的实时运算调控下，阴极保护恒电位仪向管道输出的保护电流也会随着管道电位的改变而改变。
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