長輸管道陰極保護監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

1、長輸管道陰極保護監(jiān)測與診斷系統(tǒng)引言長輸管道陰極保護是管道日常管理的重要工作內容，主要包括兩個方面的工 作，既陰極保護運行數據的采集和陰極保護運行數據的分析。長期以來， 由于線路長、 監(jiān)測點分散、 交通不便， 監(jiān)測工作實施與管理難度高， 工作量大，為此，國外在上世紀7080年代首先幵始進行遠程監(jiān)測方面的研究，主要采用的技術方案是飛機遙測和衛(wèi)星通訊遙測， 這些技術的運用， 在一定程度上， 達到了提高監(jiān)測效率，降低勞動強度的目標， 但高昂的數據采集成本限制了此類技 術的應用。在數據分析方面，美國環(huán)境總署曾經組織了有關的專家，建立一套陰極保護系 統(tǒng)的運行維護軟件，該軟件包括：腐蝕防護的教育和智能性專家

2、診斷系統(tǒng)，可實現 數據記錄、智能性專家診斷、設備查詢、日常管理確定敏感地區(qū)的管道位置，以便 發(fā)生故障時，及時提供相關的詳細資料。同時也可提供管道事故的預警信息。便于 管理部門及時準確的了解有關的陰極保護信息， 也便于具體執(zhí)行人員的自檢和系統(tǒng) 陰極保護的信息積累。陰極保護技術具有較強的專業(yè)性， 當前國內管道管理部門的陰極保護專業(yè)工程 技術人員不足，而需要管理的管道卻在不斷增加，因此，通過采用新技術手段，提 高陰極保護管理的水平成為發(fā)展的必然。1 長輸管道陰極保護監(jiān)測與診斷系統(tǒng)架構陰極保護在線監(jiān)控專家系統(tǒng)是一套面向陰極保護領域的無線遠程智能在線監(jiān)控和專家決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng) （GIS

3、）為管理平臺，以SQLSERVER 數據庫作為系統(tǒng)統(tǒng)一的數據庫，以公共無線數據通訊方式（GPRS/GSM和其他有線該系統(tǒng)通訊方式相結合的方式為數據傳輸手段，以低成本的方式實現遙測和遙控； 實現了對管道等被保護體保護狀況的在線檢測， 同時可以通過遠程監(jiān)控方式隨時監(jiān) 視并調整恒電位儀的工作狀態(tài)， 配合陰極保護在線監(jiān)控專家系統(tǒng)進行輔助分析， 可 以使得整個陰極保護系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)，最大限度的起到保護的作用。 1)系統(tǒng)工作流程用戶通過 GIS 應用程序提供的電子地圖、圖表和報表，可以直觀的觀察到 管道沿線保護情況，同時可以通過專家系統(tǒng)進行輔助決策，幫助用戶分析 陰極保護系統(tǒng)中相關部分故障的原因和

4、應對措施。恒電位儀數據通過有線通訊方式，利用用戶原有通訊網絡傳送到異地的中 心機房服務器，最后通過服務器中對應的后臺服務程序完成數據處理。對 于沒有有線通訊條件的恒電位儀，其數據通過GPR無線通訊方式進行傳輸。智能電位采集終端將采集的電位數據通過GPRS無線通訊方式傳送到INTERNET網上，通訊協(xié)議采用 TCP/IP，數據通過INTERNET網傳送到服務 器中，最后通過服務器中對應的后臺服務程序完成數據處理。后臺服務程序在數據處理時，同時完成數據的存儲、通訊和與 GIS 系統(tǒng)的 信息交換工作。在 GIS 系統(tǒng)不工作時，可以實現自動的數據接受和信息下 發(fā)功能。滿足數據采集無人的要求。圖 1 系

5、統(tǒng)軟件架構示意圖圖 2 系統(tǒng)拓撲結構示意圖2)系統(tǒng)構成(1) 管理中心服務器系統(tǒng)軟件：陰極保護遠程監(jiān)控專家系統(tǒng)軟件1 套Windows Sever 20031套SQLSever20081套硬件：服務器1臺1 個 Internet 靜態(tài) IP 地址的寬帶接入1條 （GPRS通訊）短信接收模塊及短信中心手機卡1 套（GSM1 訊）（2）陰保站恒電位儀系統(tǒng)每個陰極保護站需要配備一套陰極保護電源系統(tǒng)， 下設備構成：IHF 數控高頻開關恒電位儀 2 臺YHS-1 控制柜1 臺恒電位儀通訊轉換器視現場情況確定。（3）智能電位采集系統(tǒng) 每個電位采集點需要配備一套智能電位采集系統(tǒng)， 下設備構成：每套陰極保護電

6、源系統(tǒng)由如每套智能電位采集系統(tǒng)由以智能電位采集儀1 臺長效參比電極1 只水泥樁或鋼樁1 個2 長輸管道陰極保護監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要功能陰極保護在線監(jiān)控專家系統(tǒng)結合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術、專家系統(tǒng)（Prolog ）技術、無線通訊（GPRS/GS）技術和數據庫技術，實現了被保護體及其附屬設施的 維護、終端設備的遠程監(jiān)控和遙控、圖形化的管理、數據的查詢與分析以及對出現 的故障進行診斷等功能。 在線監(jiān)控專家系統(tǒng)的主界面如下圖，從界面中可以直觀的從而有利于及時掌握陰查看管道的走向、設備的位置以及異常檢測點的特殊顯示， 極保護的運行情況。圖 4 陰極保護在線監(jiān)控專家系統(tǒng)主界面其主要功能包括：(1) 專家

7、診斷系統(tǒng)系統(tǒng)內部集成的陰極保護專家系統(tǒng)，能夠在充分利用監(jiān)控數據的基礎上， 有效地對陰極保護運行過程中出現的問題進行診斷， 并給出故障發(fā)生的原因和 相應的處理意見， 從而給故障排查和維修提供了依據， 提高了科學性和準確性。圖 4 在 GIS 界面直接調用專家診斷功能圖 5 統(tǒng)計查詢界面中關聯診斷功能圖 6 圖形對比診斷界面圖 7 故障診斷界面圖 8 故障診斷報告(2) 報警功能及動態(tài)響應設備自動上傳的數據，管理軟件自動檢測報警狀態(tài)，當超出限定值時，標 記該記錄為報警記錄， 同時在電子地圖中相應的設備圖標標記為紅色，以警示 管理者對該監(jiān)測點附近管道的運行情況進行排查。(3) 數據匯總統(tǒng)計系統(tǒng)提供了

8、對歷史數據的報表統(tǒng)計和圖表統(tǒng)計的功能， 圖表分為時間圖表 和里程圖表。時間圖表反應某檢測點電位的歷史變化情況， 里程圖表通過管道 沿線各監(jiān)測點的數據能夠反映整條管道保護效果的變化趨勢。圖 9 智能電位采集儀保護電位 - 時間圖表圖 10 智能電位采集儀交流干擾電壓 - 時間圖表圖 11 恒電位儀輸出電壓、電流、保護電位綜合圖表圖 12 管道沿線保護電位 - 里程圖表圖 13 管道沿線恒電位儀輸出電壓 - 里程圖表(4) 設備監(jiān)控管理以管道、管段的分類方式對設備進行分組管理，實現設備信息的維護，設 備包括智能采集儀、恒電位儀、犧牲陽極、普通電流樁、普通電位樁等，其中 能對智能電位采集儀和恒電位儀

9、進行遠程遙控，遠程控制命令包括設備對時、 參數設置、即時采樣、采樣時間設置等。(5) 地理信息系統(tǒng)平臺地理信息包括地圖的基本操作(地圖縮放、移動、面積和距離測量、圖元設備的選擇和移動等) ，管道的繪制、監(jiān)測設備的選擇及注釋信息的維護等功 能；屬性信息包含操作員管理、權限管理、基礎數據管理等功能。(6) 陰極保護日常記錄維護系統(tǒng)中提供了常數管線日常維護記錄的錄入和保存功能， 如管道防腐層絕 緣電阻檢測記錄、管道防腐層大修記錄、土壤理化性分析記錄等，通過查詢、 分析日常記錄能進一步掌握管道的運行情況。(7) 系統(tǒng)操作日志維護提供了操作員的操作日志和設備的通訊情況日志， 便于系統(tǒng)的維護和對操 作員的

10、監(jiān)督。(8) 管道保護電位監(jiān)測智能電位采集儀智能電位采集儀應用了無線通訊技術、 低功耗技術， 實現了管道保護電位 的自動檢測、數據采集與傳輸。支持GPRS GSM無線數據通訊方式每天定時自動采集和上傳數據，支持數據存儲。支持連續(xù)檢測，采樣頻率達到 1條/秒，能夠有效檢測雜散電流干擾。支持斷電測試檢測，采樣頻率達到 30條/秒。低功耗設計，設計指標10年內無需更換電池。穩(wěn)定可靠，主機允許埋地或在水下使用?，F場安裝形式多樣，滿足防盜需要，測試樁形式有水泥測試樁和鋼管測試樁 安裝方便，免維護。圖14 智能電位采集儀及其在西二線和川氣東送現場安裝圖= = = = = : = =_=_= is 一三=_

11、=_ = _=_ =1 =一=三 _=(9) 恒電位儀遠程監(jiān)控一一IHF數控高頻幵關恒電位儀 IHF數控高頻幵關恒電位儀的主要功能特點如下：采用全數字控制高頻幵關電源技術。數字通訊接口，易于聯網和遠程監(jiān)控。中文液晶顯示，操作簡便。工作參數自保持，可實現無人值守。控制精度高，工作范圍寬。流經參比電極電流小，參比電極抗干擾能力強。體積小、重量輕，約為相控電源的 1/5 。整機效率較高，效率較可控硅提高 20 %以上。電網適應能力強，環(huán)境適應性較好。使用維護方便。3陰極保護監(jiān)控與診斷系統(tǒng)關鍵設計1)系統(tǒng)總體設計ARCGIS專家系統(tǒng)采用PROLO,幵發(fā)工具采用VC.NET?？傮w設計的關鍵要點如下：將在

12、線監(jiān)控系統(tǒng)的數據（恒電位儀、智能電位采集儀等）隨時體現在用戶使用操作的GIS平臺上，將靜態(tài)的 GIS系統(tǒng)，提升為動態(tài)系統(tǒng)，滿足使用與 管理的需要。實現這一目標，是通過設計專用的后臺服務程序，在完成數 據通訊的同時，動態(tài)刷新 GIS信息，將在線監(jiān)控數據及時呈現給用戶。專家系統(tǒng)與在線監(jiān)控系統(tǒng)的整合，是系統(tǒng)總體架構設計的另一個關鍵。專家 系統(tǒng)診斷功能是否方便，直接關系到系統(tǒng)的易用性。在系統(tǒng)設計時，提供 多個專家系統(tǒng)的診斷入口，一是從用戶使用的 GIS 平臺上提供診斷入口， 二是從系統(tǒng)的統(tǒng)計圖表及報表上提供入口。這兩種入口，均可以將管道現 有相關信息直接帶入專家診斷過程中，診斷效率高，操作簡便。三是相

13、對 獨立的診斷入口，診斷所需信息全部需要手工輸入，該方式十分靈活，不 僅可以診斷本管道的問題，也可以分析診斷其他管道的信息。2）專家診斷系統(tǒng)設計本項目專家系統(tǒng)采用 PROLOG發(fā)平臺，總體架構采用經典的專家系統(tǒng)架構， 如下圖所示：圖 15 專家系統(tǒng)結構示意圖考慮到PROLOGS言的特點，結合本系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)呈現在用戶面前的內容 主要包括： 知識維護、 故障診斷、 故障統(tǒng)計三個主要部分， 其余的推理機、 解釋器、 知識獲取過程等，均在軟件內實現。本系統(tǒng)通過知識維護模塊來獲取知識，通過對現象、故障、條件的維護來豐富 知識庫并設定知識庫中的規(guī)則；現象由故障組成，故障由條件來判斷其是否發(fā)生。故障診斷

14、模塊是對故障進行診斷， 通過專家系統(tǒng)的提問以及用戶的回答， 來匹 配知識庫中的規(guī)則，從而確定故障是否發(fā)生。診斷時，根據現場的實際情況，先選 中一條知識庫中已經維護好的現象，然后增加一條診斷記錄。診斷記錄增加后可以 進行診斷，根據系統(tǒng)的提問用戶進行回答，最后得到可能發(fā)生的故障。故障統(tǒng)計模塊中通過對已經診斷的故障進行確認，來統(tǒng)計故障發(fā)生的概率。 確 認方式是當現象被診斷后會得到可能發(fā)生的故障，用戶在現場實際排查故障時， 如 果通過專家系統(tǒng)診斷確認的故障發(fā)生了， 那么用戶需要在專家系統(tǒng)里面對故障進行3）專家系統(tǒng)知識庫設計知識庫（Knowledge Base）是知識工程中結構化，易操作，易利用，全面有

15、組織的知識集群，是針對某一（或某些）領域問題求解的需要，采用某種 （或若干）知識表示方式在計算機存儲器中存儲、組織、 管理和使用的互相聯系的知識片集合。這些知識片包括與領域相關的理論知識、事實數據，由專家經 驗得到的啟發(fā)式知識，以及常識性知識等?？紤]到陰極保護知識的特點，如何獲取更多的現場經驗和典型案例，是擺在項目幵發(fā)組面前的關鍵問題。為了保證系統(tǒng)幵發(fā)的順利進行，由中石化管道儲運分公司科技處牽頭，邀請了中石化、中石油、解放軍等十多個單位的二十多名專家組成 專家顧問團，通過會議、函審、查閱科技文獻等方式，進行知識的收集整理，確保 了知識整理的質量和覆蓋面，這一措施，為陰極保護在線監(jiān)控專家系統(tǒng)的研

16、制成功， 提供了有力的保證。根據陰極保護系統(tǒng)的特點， 專家最終確定了陰極保護知識庫的知識構成， 共有 六大類， 33 小類，75 個故障根源， 14種典型故障曲線。六大類分別是管道、場站 和閥室、自然環(huán)境、外部干擾源、 犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)、 強制電流陰極保護系統(tǒng)， 基本涵蓋了長輸管道陰極保護的所有方面。4）智能電位采集儀設計本系統(tǒng)的主要硬件設備為恒電位儀和智能電位采集儀，多數恒電位儀在場站 中，具備供電及通訊條件，容易實現遠程監(jiān)控。管道沿線電位采集現場則不具備這 些條件，因此，智能電位采集儀的設計是系統(tǒng)硬件設計的關鍵環(huán)節(jié)。智能電位采集儀設計的關鍵是電源和通訊。 管道沿線沒有電源，采用太陽能供

17、電，容易損壞和丟失，因此，采集儀最終選 用了“一次性電池供電低功耗”設計方案，在待機狀態(tài)下，功耗小于 10 微安， 電池選用一次性高能電池，工作壽命超過 10 年。管道沿線沒有有線通訊條件，采用飛機遙感或衛(wèi)星通訊費用較高， 采用微波通 訊可靠性無法保證，且頻率資源申請困難，目前公共無線通訊覆蓋范圍很廣，大多 數管道途徑區(qū)域均有無線信號，因此，最終選擇GPRS/GSME線通訊方式作為采集儀通訊手段，較好的解決了數據通訊的問題。4 小結陰極保護在線監(jiān)控專家系統(tǒng)實現了對管道陰極保護狀況的在線監(jiān)測， 監(jiān)測人員 可以在室內通過電子地圖實時地查看設備的狀態(tài)、位置、 周邊環(huán)境以及相關的管道 狀況，并可根據實

18、際情況遠程調整恒電位儀的工作狀態(tài)。配合專家系統(tǒng)，可以對陰 極保護的狀態(tài)及故障進行診斷分析，并給出處理意見。本系統(tǒng)采用網絡架構，部門 領導可同時在線查看整個系統(tǒng)的運行情況， 對運行數據的查詢可形成各種統(tǒng)計圖表 和統(tǒng)計報表針對管道陰極保護管理的需要，本系統(tǒng)主要解決了如下問題：（1）全線陰極保護統(tǒng)一、集中管理使專業(yè)人員專注于專業(yè)事務 陰極保護在線監(jiān)控專家系統(tǒng)是一套集設備監(jiān)控、 數據自動采集、 數據自動存儲、 數據查詢、故障診斷于一體的管理系統(tǒng)，便于管理單位的陰保專業(yè)工程師進行全線 陰極保護的監(jiān)控與管理， 能夠有效的掌握恒電位儀的運行情況和被保護體的保護情 況，從而實現統(tǒng)一、集中管理。系統(tǒng)的應用，可以將專業(yè)人員從日常工作中解放出來， 集中精力處理陰極保護 系統(tǒng)的關鍵問題，提高陰極保護系統(tǒng)的保護效果，進而延長埋地管道、儲罐及場站 管網的安全運行壽命。（2）陰極保護狀況科學決策分析給專業(yè)人員配備專業(yè)的助手 系統(tǒng)內部集成的陰極保護專家系統(tǒng)，能夠在充分利用監(jiān)控數據的基礎上， 有效 地對陰極保護運行過程中出現的問題進行診斷， 并給出故障發(fā)生的原因和相應的處 理意見，從而給故障排查和維修提供了依據，提高了科學性和準確性。（3）報警定位與重