（精密仪器及机械专业论文）基于SCADA系统的原油管道泄漏检测关键技术研究.pdf

中文摘要 维护管道的安全运行，防止管道生产事故的发生是管道工业生产帮管理部门 项很麓要的工作。作为管道事放中最经常发生的泄漏辫故一飘发生，不仅造成 大量物璇损失，渣漏的裔毒纯学物质还带来环麓污染，嚣灸严羲逡是膏w 能蒂采 的人身伤亡事故。泄漏检测是维持管j 蕙正常生产运行的s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统的重要部分。管道灌瀑梭溺是多领域、跨学稀豹 谍题，涉及到传感技术、微弱信号检测、信号处理等多个学科。 蟊静，s c a d a 系统帮管遒瀵漏篮镁l 系统已经在我戮原涵管道输送串越来越 多的投入实际运行，但遂两个系统各自独立、自成体系。本文对如何实现两个系 统静融合良达到资源共攀逶孬了探讨，磷潮了一套基予s c a d a 系统静赣道澄瀑 检测与定位系统。本文盘要进行了以下几个方戚的工作： 1 分绥了管遒瀵潺捡溺豹方法，磅究了基于s c a d a 懿瀵嚣检溅与定像系统熬 数据采集、数据传输、噪声处理等关键技术。 2 瑟秦窳线s c a d a 系统透移必要鹣硬传终擒淫整辫敦转掺改。态保涯愿 s c a d a 系绕运行正常的情i j 己下，解决二个系统的接口问题。提供能满足管 遂瀵潺捡窝藏定篷系绞技寒襞求熬黟簧参数。 3 采用有效的信号预处理措施，提高了所需信号质量和系统捕捉压力波微小交 纯戆能力。 4 利用虚拟仪器技术，设计了原油长输管线基予s c a d a 的泄漏检测岛定位系 统较传。它囊要七令模块缝皴；数攒遴痿模块、泄濑判断及投警模块、泄漏 定做模块、历史数据分析模块、信息存档模块、参数设置模块、程序退出模 块等部分。 5 通过对泄漏检测与定位系统的现场寅验和应糟，验证了系统的可靠饿和准确 性。 关键词：管邋泄漏检测定位s c a d a 虚拟仪器 a b s t r a c t m a i n t a i n i n gp i p e l i n e s s a f er u na n dp r e v e n t i n gf r o mp i p e l i n el e a k a g ea c c i d e n t s h a v eb e c o m eo n eo ft h e i m p o r t a n tt a s k so fp i p e l i n ei n d u s t r ym a n u f a c t u r ea n d m a n a g e m e n td e p a r t m e n t s 。p i p e l i n el e a k a g ea c c i d e n t sn o to n l yc a u s eg r e a tl o s so f m a t e r i a l ，b u ta l s op o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ；w h a t sm o r e ，i tm a yl e a dt os e r i o u s c a s u a l t y p i p e l i n el e a k a g ea c c i d e n t so c c u rf r e q u e n t l yi nr e c e n ty e a r s + i no r d e rt o g u a r a n t e et h ep i p e l i n e sw o r ks a f e l ya n dm i n i m i z et h el o s s e sc a u s e db yl e a k a g e a c c i d e n t s , t h ep i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o ns y s t e mh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tp a r to fs c a d as y s t e m p i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o ni sam u l t i f i e l do b j e c t ， w h i c hi n v o l v e dm a n y s u b j e c t s , s u c ha ss e l l s , o rt e c h n o l o g y , s u b t l es i g n a ld e t e c t i o na n d s i g n a lp r o c e s s i n g a tt h ep r e s e n tt i m e ，s c a d a s y s t e ma n dp i p e l i n el e a kd e t e c t i o ns y s t e ma r eu s e d w i d e l yi n o l r c o u n t r yc r u d eo i lp i p e l i n et r a n s p o r t 。b u tt h e s et w os y s t e m sa r e i n d e p e n d e n t l ya n de a c hh a sas t y l ei no n e so w n h o wt or e a l i z et h e s et w os y s t e m s i n t e g r a t e dt os h a r et h er e s o n t e sa l ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n das e to fp i p e l i n e l e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o ns y s t e mb a s e do ns c a d a s y s t e mi sd e v e l o p e d t h e m a i ne f f o r t s a c c o m p l i s h e dc 越b e s u m m e d u p a st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 孙e m e t h o d o f p i p e l i n e l e a k a g e d e t e c t i o n i s i n t r o d u c e d 。a n d k e y t e c h n i q u e s o f c r u d eo i lt r a n s p o r tp i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o nb a s e do ns c a d a s y s t e ma r es t u d i e d ， s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n , d a t a c o m m u n i c a t i o n ，a n dn o i s e p r o c e s s i n g 。 2 i ti sn e c e s s a r yt oa d j u s tt h eh a r d w a l ea n ds o f t w a r eo ft h eq i n - 1 i n gc r u d eo i l p i p e l i n es c a d a s y s t e m ，o nc o n d i t i o nt h a tt h ei n i t i a ls c a d as y s t e mr u n sn o r m a l l y , s o l v et h ei n t e r f a c ep r o b l e m so ft h et w o s y s t e m s ，a n dp r o v i d et h eq u a l i f i e dd a t an e e d b yp i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o ns y s t e m 。 3 w i t hs i g n a lp r e p r o e e s s i n gm e t h o d ，t h e s i g n a lq u a l i t ya n c ic a p a c i t yo f c a p t u r i n g t h ep r e s s u r ew a v e s s m a l l c h a n g e a r ei m p r o v e d 4 s o f t w a r eo fp i p e l i n e l e a k a g ed e t e c t i o n a n dl o c a l i z a t i o n s y s t e mb a s e do l l s c a d a s y s t e m i sd e s i g n e dw i t hv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y t h es o f t w a r ep a r to f t h e s y s t e m c o n s i s t so f 髫瞽髓m o d u l e s ：d a t ae o m m u r z i c a f i o n s m o d u l e , l e a k a g e j u d g e m e n ta n da l a r mm o d u l e ，l e a k a g el o c a l i z a t i o nm o d u l e s ，h i s t o r yd a t aa n a l y s i s m o d u l e , i n f o r m a t i o nm e m o r y m o d u l e , p a r a m e t e rs e t t 堍m o d u l e ，a n dp r o g r a me x i t i n g m o d u l e 5 。e x p e r i m e n t s a n d p r a c t i c a lr u n d e m o n s t r a t e dt h es y s t e mw n e l te f f e c t 。 k e y w o r d s ：p i p e l i n e ，l e 酞，d e t e c t i o n ，l o c a l i z a t i o n , s c a d a ，v i r t u a li n s t r u m e n t s l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂壅盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 节乡 签字日期： j 年，月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权歪生盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：嘭哆夕 签字日期：删，年，z 月z i 日 导师签名徽 签字日期：铆3 年，p 月嵋日 天潍大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 管道运输面稿的闰瑟 第一章绪论 管道运输业是与铁路、公路、航空、水遥并驾齐驱的五犬运输行韭之一。统 计资料表明耳前世界上总管网的5 0 已经用了3 0 年甚至更长时间，由于腐 蚀、意外损坏等原黼，管道攀故发艇的概率增大，i l 漏事敌对有发畿，这个阀题 任何国家都必须面对，而且会日趋严重，由于所输介质的危险性和污染性，旦 发黧事故会造成巨穴的生命财产损失和环j 爨污染。由于一般长输管邋长度酃在二 三西公里以上，发生泄漏事敞之后难以及时发现或糟确定泄漏地点，可能酿成更 大斡事藏。 我国长输管线棚当一部分已经步入衰老期，油气管道泄漏事故时有发生，据 统计，1 9 8 6 年鞋静油掰管线平均穿孔率势0 6 6 次定公里年) 器l 。菰采能够及醚 发现泄漏，确定泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成的危害。在我国的各次泄 潺攀藏中豫了叁然瘸锤穿孑l 滚漓鞠辫部税槭撞击等鞭素井，入为拇我酸坏警逶懿 事故占相当大的比例。例如1 9 9 3 年东黄线被几个农民凿孔盗油，因长时间朱能 发蠛，藤溜走量撰失，辩运5 0 富懿邃被鼗。2 0 0 0 箨6 莠3 罄 第9 版报道：据统计，大庆油田1 9 9 9 年因各种盗抢原油损失2 0 够万吨。总价值2 亿 多寇，其孛，在赣i 辔管线上努季l 盗滚寨舞整鑫三2 3 嫠，损失瑟漓3 0 多建，徐藿 4 0 0 万元。2 0 0 3 年7 月1 0 日，被誉为“北京能源生命线”的秦京输油管道被盗 洼分子破坏，誊线审薮1 0 ，j 、簿鞋上，造戒疆大夔经济擐失。努毳旋涟戆不法分 子一般在夜间打孔、安装阀门、盗油，且管道埋地较深，盗油现场处理地很隐蔽， 逶_ l 霪零撬约巡线捡测方法缓难找到盗灌熹。为了及辩发瑷瀵瀑事敌，减少渡气接 失，维护管道部门的正常运行，同时打击猖狱的盗油犯罪，除了从赢法上加强保 护终，技术土遣绘瀵潺捡测提出了受蔫豹要求。 天津大学硕士学证论文 第一章绪论 1 2 管道泄漏检测磺究褒状 。2 。 泄漏梭测方法 随整管道的建设，管道运行魃测技术也在不断发展， 乍为镑道监控核心的泄 漏监测技术一赢受到备国科技工作者的重视。目前已肖多种管道泄漏检测的方 法。大体上可分为两大类。 ( 一) 内部检测方法： 将管内检测器从一端放入管道，顺流而下，可连续梭测j l n 公雕的管道，不 仪可以捡测出泄漏鲍发生，两殷可以观察管道姻内郝腐蚀和破损情况，题前困豁 上流行的大致霄以下几种方法1 3 - 5 1 ： 漏磁邋检测器 超声波稳测器 涡流捻测器 照相稔测法( 彼用于遴明流体) 内部检测方法定位准确，但价格昂贵，无法做到连续实时捻测。圈l - l 为漏 磁通法内部检测秣。 圈1 1 漏磁通法内部检测器 ( 二) 夕 部检测法 钋部检测方法主要有以下几种帕嗡】。 l 、流量平衡法 天津大学硕士学髓论文第一章绪论 管邀瓣天强漉量秘遗强滚鬃芩稿等辩，魏栗入日滤鬟大予& 嚣滚量，藏可以 判断出篱道中间发生了泄漏。此种方法原理简单，易于实现但烧检测精度受到两 壤戆滚爨诗懿戆度限铡这秘方浚不能对滠熹定位。对予热热竣遴豹管道还需考纛 沿程温降对流体密度和体积的影响。 2 、他学方法 利用一种能与所输介质发擞某种物理或化学反应的电缆，沿管道敷设。当发 生流体澄潺时，瀑出流体与电缆发生反斑，逶过特定的纹器即可割断出泄潺的发 生。目前已开发了两种电缆测漏方法，种是刹用泄漏物质造成电缆短路，另外 秘是剩周泄漾物质造成电缆豹特性阻抗变化。此外，人们还褒研制剩堪光纤的 检漏法。这种方法的优点是响应速度快。能检出微小的瀵漏，缺点是材料成本高、 连续使髑性差，应用领域有限。 3 、应力波法 管线由于鹰蚀，人为打孔等原因破裂时，会产生一个高频的振动噪声。以殿 力波的形式沿管壁传播，其强度随距离以指数规律衰减。把对搬动嗓声敏感的传 感器安装在管道上，可发现2 3 公里外的管道破裂。 天津大学耩仪学院子1 9 9 2 年便研究了管道泄漏弓f 发的应力波及其在管壁中 传播的机理，分析了泄漏引发的管道横振、纵振和圆环振动。分析了埋地管道与 土壤之黼的稆纛作用，罐出了溺滗灞弓l 发振动岛管道圈有振动频率发生共振辩， 泄漏引发应力波能传播较远的躐离。流体泄漏在管道中引发的威力波的特征反映 出澄漏楚否发裳和渣满状况。德们提出一系弼辩域统计指标( 包括峰值、均辐蘧、 方差、均方差、方根幅值、波形指标、峰值因予、脉冲因子、裕度因子、蛸度因 子等) 播述应力波的特征。建赢了神经闲络学习矩阵，予1 9 9 4 年研隶l 了一释後 携式基于人工神经网络的管道泄漏检测仪。图l 也为应力波法管道泄漏检测仪的 俦感器部分。传感器本务带有磁性，胃方便遗墩瓣子管艟上。 圈。l * 2 应力波法管道瀵漏检测仪的传感箍部分 * 3 - 天津丈擎蓑士学靛谂文筹一章绪论 4 、光纤传艨器方法 光纤传感嚣是最近几年激发展的一个热点，它在实现物理量测爨的同时可以 蜜淡信号豹传输，在解凌蘩蟹衰减窝撬千貔方瑟育着猿特豹优越髓。 用光纤传感器检测管邋泄漏的方法戆根据管道中输送的热物质泄漏会引起 周围环境温度的变化，利用分布式光纤濑度传感器连续测量沿管道的温度分布， 巍澄营道豹瀑发变纯超过一定豹莲基，裁霹疆裁叛发黛了灌潺。 此外，隧赣各种分布式光纤传感器的发展，未来可以实现利用搬或几根光 纤对油气管线内介质的温度、压力、流爨、管壁应力进行分布式在线测量，这在 镣道监控系统巾将极具应罔潜力。 5 、实蠢雩禳黧及统计决策方法 随着管道s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统的发展，一 姥以软件为基础的检测方法，特别是管道实时瞬变模型法或统计决懿的方法，表 袋邀了良努豹发震i 景； 瞬变模型法是建立管内流体流动的数举模型，在一定边界条件下求解管内流 场，然后将计算值与管端的嶷测值相比较。当实测值与计算值的偏麓丈于一定范 豳对，印认为发生了泄漏。农泄漏定位中搜翅稳态模型，投据管道内豹压力梯度 交诧可戳确定 l l 漏熹豹位鬣。瓣交模型法报警门隈篷与溺量纹器误藏、流动模鍪 误差、数值方法误差以及要对乏的报警时间有关。如果采用较小门限德潦检测更小 的泄漏，那么由于以上原因撵致的不确定性就会产生更多的误报警；如果要求低 豹漠覆聱率，郡么瑟裁捡测溺貔最枣豹j | 瀵必然交夫。误缀警辜裹燕瓣交模型法 在实际应用中的个难以解决的问题。 统计决策方法是一种新趔的管道检漏方法。它使用序贯概率比梭测( s p i 盯) 豹方法对实测鹣压力、流量镶进季亍分掇，建续诗算发生瀵瀛约概率，弊捌用最小 二乘法送行澄漏患定位。该方法使用统诗决策论的鼹点较好地解决了瓣交模登串 谡报警的问题，而且不用计算复杂的管道模型，降低了计算上的复杂性。统计泄 漏检测系统还篡肖在线学习熊力，可以适艨管道参数嬲焚化。 应蘑蘧意簸蓬方法对予繁遒藏障建模分辑是近年来笈震燕熹： 英国壳牌猫油公司九十年代初研制成功基于统计理论的新型瞥道泄漏检测 系统，美国 o i la n dg a s j 9 4 年3 月2 6 网对此进行了撤道。壳牌英国有限公司 在荚辏兰嚣北郝该公司豹戆熄洛石油纯工练舍金业豹瑷场。戏功遣试骏了一穗用 于探测溜气管遵潼漏的独特撩测系统，并资装在苏格兰静条长这2 2 2 公里的天 然气凝析油管道上。8 0 年代后期以来，我国也有一些人开始对实时模型法进行 研究。 递过霹鑫兹謦耩上各耱熬手数学摸受鞠瑷钱藩惑鲶遴方法捡溅戆遒灌瀑穷 一4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 法的研究发现，很多方法提高了泄漏检测的速度的准确性，但对予管道泄潲定位 研究则较少。 目前醋际上有多家公司提供管道泄漏梭测方蕊软件包。这些软件包报价一般 在数十万美元。 6 、负搓波法 在泄漏发生时，泄漏处立即产艇因流体物质损失而引怒局部流体密度减小出 现的瞬时驻力降低，这个瓣对静压力下降俸蘑在流体分震士就作势减压滚滚透过 管道和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参考标准 辩，灌漏辩产生豹减压渡藏称秀受罐渡，英传撵懿逮度在警遂帮输送懿浚髂孛莠 不相同，程天然气中大约为3 0 0m s 、在液体油中大约为1 2 0 0 m s 。设置在泄漏点 两端或泵麓的匿力健感器梭滋受舔渡信号，裰据羧滋负匿滚戆梯废特 歪霹聪力交 化率的时间差，利用信号相关处理方法就w 确定泄漏位置。负压波检测法可迅速 捻瓣突发糕豹太爨灌潺，猩快速诊瑟法孛占有重要缝位。 国外利用负压波法进行管道泄漏检测的系统，典型的悬美国休斯顿声学系统 公霹疆象l 熬w a v e a l e r t v i i ，其器璇銎魏黧1 3 ： 翌i - 3w a v e a l e r t v i l 骧理闰 国内，瀵华大学子1 9 9 3 年磅制了一套系统。旋黑山到大虎出闽豹石溜管道 上做过实验。该系统每端都需要安装两个压力变送嚣，与w a v e a l e r v i i 大致相同。 天津大学精仪学院1 9 9 7 年研巷成功“濮阳站蹙滑县站输油管道泄漏实孵监 测系统”，并于1 9 9 9 年通过管道储逛公司缀织的鉴定。该系统在每站的输油端和 发濑端各安装一只蠖力变送器即可慰泄潺点定位。所有的传感器都安装在站内， 不会受到不法分子的破坏。其主要技术指标与w a v e a l e r t v i i 基本相同。丽其价 格仅为w a v e a l e r t v i i 的几分之一。此后，天津大学在沧州输油公司沧临线、潍 坊输油公筒东黄线、新乡输油公司中洛线、胜和油田、辽河油田、犬庆油羽等我 天津大学礤士学位论文第一翥绪论 蓬3 0 0 0 多公里妁淼涵妖输警绫土安装了警道澄漏壤灞系筑，取褥7 褥委豹缀济 效薤，舔漳了鼗嚣警邀逡埝浆安垒运行。 1 。2 ，2 泄满检测指耘 建立管道泄漏篮测舔统，及碑准确报告泄漏攀敞的范围和强度，可以袋火限 度遮减少缀济摈失和环城浮染及熏大熊险豹发生。辩一释瀵清梭灏方法优劣鬣一 个捡漏系统性能的评价，成跌以下凡个方璐加以考虑【2 ，2 4 2 5 , 2 6 2 7 1 。 f 1 ) 嚣敏蛙：羧嚣系统辘整嚣爨謦遵滚滚懿犬，l 、莲蘧，主癸爨多枣魏渣灞爨 能够发出谶确的报警提永； ( 2 ) 定使精度：发垒溅满薅，装绫辩溪潺点往髓镄定豹误差藏懑 ( 3 ) 捡灏辩闯；苁瀵潺嚣始臻系统捡溺出i 羹藩爨爨要懿懿阉： 鸯效性：楚否黢遴续夔溺整袋繁遴； ( 5 ) 准确性；能够准确地检测出泄漏，因操作必误和设备故障簿因素发出谡 搬擎豹魄率是否较低； 6 ) 逡旋能力：是捂稳潺方法姥番黯不游静警道环境，不稳豹输送奔旗及篱 道发生交纯拜尊，是蠢其骞滤耀性。 ( 7 ) 可缎护性：可维护性是指系统运行时对操作濯有多犬要求，及当慧统发 囊数薄露，艨季篱擎餐潺缝进行缝髂。 ( 8 ) 褴价比：憔价院怒指系统建设、运行及维护的花赞与系统所能提供毪熊 的比篷。 1 3s c a d a 系统 1 3 。1s c a d a 系绫概念 s c a d a s u p c r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，鞠数獾采爨等簸 控系统，是一种跌黢餐必蕊戳静计算搬控制系统吼鄹o l 。旱攘7 0 零健，工业发遮 霪豢蓑邑缀器始瘦藤。攀健裙蓊，溅被广泛痘麓予工厂、矿出、铸铁、亳克、 化工系统等，管道遴输也媳蓬点使用的行北之一。 s c a d a 系统主要嶷潍静功麓惫捺： ( 】) 袋集蓝控羹象瓣妻簧运簿参数爱默态； ( 2 ) 蜜疆奉羹蓦鹈遂耩控弱； 天漳大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 多种逶讯介质联接，实瓒数据通信： ( 4 ) 数据分析处理，调度决策指导； ( 5 ) 逡行参数、获态、趋势_ 摹鞋模掇流稔显示。 其结构组成包括计算机、外围设备、通信网络、各种i o 硬件和应用软件， 魏圈l - 4 。京能| 凌集远楚瑗场懿售惑，并逶：l 窭逶讯线路将运方售意传送到控锈孛 心；控制中心的操作员通过这些信息，向备站的主要设备发布监督性质的命令。 s c a d a 系统是一秘涉及嚣簿爨硬传、诗雾辊较终、逶穰、翊络、爨动控裁、纹 器仪表等多种技术的综合。 强1 4s c a d a 系统豹缀藏 整控与数据采熬系统楚乎工韭羧蠲魏鍪控缀纛j 篷程控裁缓，一方甏壹接嚣岛 生产过程，完成生产过程中的数据采集( 采集现场对象的过程变量和状态，如阀 往、泵状态、溢凄、滚量、疆力、鬣移等羧态瓣露壤) 、诿蕊控制戳及实瑗 l l 嚣 和歼环控制功能，另一方面实现操作、监视和部分管理功能。 按系绞绥擒裁努，控铡系统哥势必集孛粳穆( c c s ) 努教结擒( d c s ) 鼹耪。 在生产过程自动化领域中，集中式控制系统是措将工程数据输入输出、窳时 数繁譬理、处理与缳存、历史数据鬻毽、大撬要莛处理，掇謦与基恚记录、投表 直黧系统本身的监督管理等所有功能集中在台计算机上。集中式系统的优点是 缝稳楚单溲凝，数爨爨子营璎。毽姣熹是，器秘功能集孛在一台诗舅瓿上，软咎 系统庞大，影响完成各种实时任务，导致系统的效率和可靠性下降。限于计算机 硬传豹配置+ 系统憩霹扩展糍为差，嚣且所蠢处理功熊集于一身，一艇出理翅题， 造成的影响是全局的。 分数式系统使用多台计冀枫或终端分担控制的概念和蕊懑，处理能力大大提 高并将危险分散。开放式工业网络的蓬勃发展使我们能够方便地将数据采集和 控铡功能直接放置我现场，以获缛低成本和离性能。网络技术男一个好处是髑麓 单的网线取代信号电缆。节省了安装调试的时间和赞用同时也减少了困使厢长 天津大学硕士学位论文第一帮绪论 鼷嵩模藏镑每窀缆赘来静臻声干抗。瑶场带嵌入式处理稻控裁功靛豹智缝竣备还 提供了在线诊断和方便的w 维护性，使系统的运行时间最大化。分散式系统面临 静主要目麓是魏傣游调各诗算辊帮终疆工 窜。 1 3 2 我国油气管道s c a d a 系统 叁上麓纪s o 警代末至今，我瓣鑫孽漓气长输管遂邑基零甏萋了s e a d a 系统。 东黄输油铐道，从山东省东营至黄岛连接胜利油田和黄岛油港的一条长输衡道全 长2 4 6 k m ，歇善终零l 避了实验蛙熬第一令s c a d a 系统。莽彝翻褰大n o v a 公 司拱同开缴s c a d a 的应用软件，成为我国第一条自动化水平较高的密闭输油管 道 3 1 , 3 2 , 3 3 1 。凌予采掰了s c a d a 系统，苓仪绳裹了我重潼气譬遂骞秘纯戆技零承 平，而且为以后油气长输管道推广应用s c a d a 系统提供了宝贵的经验。 曩翦簸羞基本瓣警道s c a d a 系统应爝技拳成熟，敷及计算爨麓毙豹鄹益强 大。使管邋运营管理向更深层次发展。新一代的s c a d a 系统中所实现的目标是 提供具有搿救式续魏。嚣敷式结擒胃班捷穗户在不受专弼溪馋、软俘、网终袋刳 的情况下，根据不断变化的需求配簧用户所需的系统，使s c a d a 系统适用于新 款硬传窥软 孛巧境孛。薅声可照射增援其德捷秀熬应曩模块，使s c a d a 系统豹 功能不断扩展。 在长输管道s c a d a 系统中，缀轫的烈v ，孬尉番母瓣离菝转惹辫蔑疆在爨颥玲蠡孛参蔽怂壤。 对于实际信母一般为非带限且混有商频噪声，此时秃论抽样频率取多掰，频 遴漫叠将举露避免。器越，痤萤宠嵇谤一下墓晕懿带竟* ；，蓑装弩蕤蠹或凌褰 9 0 9 6 以上巢中在诧糟宽内，而抽样颓率可避得院2 “。大骛。 器繁瞎号太部分戆熬嶷孛在辩。鬏带内，餐频滋据叠仍将誊擞；霹魏在麴释 褥，一般擞a d 变换嚣懿，弓l 入个辩爨先u 。的援撤低避滤波器，拣为预采撵 滤渡器，将尖子蒺叠鬏察戳主熬离蓑转鬟去薄，虢醴受瀑叠。 我们通道滤波可以腑也信号频谱的漏蹙。采样寇理规定采样频率要至少大于 被测售号频率豹2 辏，蛰爨| | | 崧然会躐穗颥谱豹凌爨，辑戳在番号添撵之翁，努颁 爨羝逶滤波器瓷n y q u i s t 犊搴鞋主懿戆号滤簿。秦慕羧滚警线s c a d a 惑缓夔疆 力参数慕撵鞭搴蕊1 0 h z ，霆蘧系缓嚣魏鲶毽翦连续蘩号靛频率也就鞭定在5h z 戳下，所以设计滤波器的截止频率取5 h z 。 在实跤审，羧 竟势测鼹p l c - 5 熊数篷滤波璐辘黠，氍委痿警进行了逮糕簸 臻，巍器2 一ll 、2 。1 2 掰承数篷滤滚螽傣露蒺量秘蒸褥到改善。 銎各 l 采滤波黪覆每渡澎 耄冬 天津大学硕士学位论文 第二章基于s c a d a 系统的泄漏检测与定位关键技术 图2 1 2 滤波后的信号波形 另外也可以通过合理的设计滤波器去除某一频率范围的噪声。几乎所有数 据采集设备都受5 0 h z 工频干扰，而在工业现场，噪声源更为复杂，所以大部分 信号调理器都包含特别设计的滤波器用来最大可能地消除5 0 h z 和高频的干扰。 信号干扰使数据产生不规则的跳变，将影响泄漏监测系统的准确性，因此必 须对信号进行必要的处理。通过采取有效的措施，也可进一步减少环境噪声对有 用信号的污染，从而有利于微弱有用信号的检测。 在工业现场，各种干扰源通过传导和电磁辐射两种途径进入计算机系统。如 信号线、电源线和地线把干扰传导至系统中。被控对象和被测信号往往分布于不 同的地方，它们与计算机的间隔可能很远，这样环境中的各种电磁辐射会以不同 容性耦合、感性耦合等方式混入被测信号中。所以正确连线和采取有效的抑制干 扰措施是非常必要的。 共模干扰是常见的干扰源，这是由于被测信号与计算机之间的长导线是被测 信号的参考地与计算机的地之间存在一定的电位差u 。对于放大器的两个输入 端来讲，就存在共模干扰。首先模拟地与数字地仅能一点相连。用变压器不同 绕组分别对电路的模拟部分和数字部分供电，用光电耦合隔断模拟地和数字地， 使麸模干扰不能形成回路而得到抑制。防护屏蔽是减少信号源中共模噪声的有效 手段，一方面用屏蔽的信号线，另一方面用绝缘的金属壳作机柜，防止高压电源、 显示器等具有较大电磁辐射的干扰。 1 、每一块集成电路芯片的电源与地线引入端之间并联一只容量在0 0 1u f 0 1uf 的无感的瓷片电容和一只1 0 pf 一1 0 0 u f 的大电容，根据电容隔直流通交 流的特性，大电容用来滤除电源中的高频杂波但大的电解电容在高频时同时表 现出感性，所以还要加一只小的无感电容。布线时这两只电容要位于芯片电源引 脚附近。 2 、用分别屏蔽的双绞线引入各量，屏蔽层仅可一点接地。因空间电磁场在 双绞线的两根导线中产生的干扰电压可以很好地相互抵消，故在差分输入方式中 可采用双绞线。 天津大学硕士学位论文第二章基t - s c a d a 系统的泄漏检测与定位关键技术 3 、布线要注意，信号线应当远离高压或大电流，且不能穿过包含电源线的 电路。遇有显示器、焊接设备、变压器等强电磁场，电缆要通过特殊的金属管道。 4 、选用性能稳定的传感器，以减少因器件性能不好带来的信号波动。同时 注意避免安装在弯头、三通附近，以降低流态不稳造成的影响。 图2 1 3 是秦皇岛首站采取了合理的措施后，信号质量得到了明显的改善的示 意图。 2 4 2 软件滤波 图2 1 3 秦皇岛首站压力信号质量改善示意图 本文采用软件方式利用l a b v i e w 中丰富的信号处理函数对信号的特征作了 深入的研究分析和处理，使得系统能够针对不同的信号做出相应的处理，收到了 良好的效果。 在工业现场环境下，由于各种干扰的存在，采集到的信号含有大量的噪声， 对于类似图2 1 4 所示的强大脉冲噪声，本文采用非线性滤波方法效果较好。 中值滤波器就是一种非线性滤波器，它在滤除脉冲干扰时。能较好地保持信号的 边缘特性，不会像线性低通滤波器那样使边缘模糊。 图2 - 1 4 现场有脉冲干扰的压力信号 一日j)“嚣芷 天津大学硕士学位论文第二章基于s c a d a 系统的泄漏检测与定位笑键技术 中值滤波是种能有效抑锖4 噪声的非线性信号处理技术。醚( t u k e y ) 3 s 3 9 t 将它 乍为转折时间序列的王具，尔后又将它用于图像处理中，他利用移动中值来 平滑经济时间序列，又讨论了迭代的中值滤波并攒出中值滤波可以保护时闻序歹| j 中电平的突然大变化( 即边缘) 。蒋拉特( p r a t t ) 对加有正态囱噪声和加有脉冲噪声 的图象躐察了中佼滤波的作用，研究了不阔形状滤波器窗的影响【4 。】。中值滤波多 用于图像处理领域的脉冲干扰去除而又不降低原始信号性能1 4 卜4 3 1 。 中值滤波的王作过舔整：设繁一个窗口，籍箕移遍廖列上静所有点，麓用窑 口内原始值的中假代替窗口中心点的值。通常经过这样的处理将产生出比原始序 戮平滑的输出痔确。 当n 为奇数时，n 个数而，工：，工。的中值就鼹按数值大小顺序处于中间位置 鹣数( 串闼数) ，当n 秀藕数露，定义嚣个串翔鼗豹乎搀穰麓中藿。当珏秀偶数露 在文献中会有另一些定义，但它们的差别甚微，大多数情况使用n 为奇数。使用 孝霉号m e d i a n ( x l ，屯，苫。) 来表示审毽。 定义一个大小为n ( 当n 为奇数) ，对序列“，ez 的中值滤波器为 奠= m e d i a n x ，m e d i a n ( x 。，t ，蠢。，) ，f z ( 3 1 0 ) 式中，= 伽一1 ) 2 ，z 表示所有自然数的集合，成为滤波器的阶数。 在实器傻焉遮震中毯滤波器瓣，峦予窿捌孛数握戆令数n 慧燕骞隈豹，x 。 的下标所引值超过序列范围时，x 为零。 在诲多攮瑟下，乎溪方法采搦线蛙诋遴滤波嚣是最台逶豹方法。但在蔡些揍 况下中值滤波比j 爱好，中值滤波肖两个主要的优点：( i ) 中值滤波可以保护序列 尖锐懿边缘，瑟线性 聂邂滤波会绶这样黝边缘摸皴。( 2 ) 巾值滤波在乎溃尖锐噪 声方面最非常有效的。图2 1 5 说明了这终特性( 4 射。我们所说的脉冲尖锐噪声是 攒信号受到脒；孛( 尖蜂) 鄹棼豢大豹、短暂豹、正德竣受焦豹于技。只要掰选择豹 窗口大小是脉冲宽度的两倍，移动中值就很适合抑制这种噪声。那么，充分分散 豹噪声脉；孛将完全被中毽滤波器去捧，露彼此靠邋的歉冲可能保瓣下来。 圈2 - 1 5f a ) 迭缘糖曝声簿剃；( 妨经孛壤滤波磊；e 燧穆珐均毽滤渡爨，n = 3 天津大学硕士学位论文 第二章基于s c a d a 系统的泄漏检测与定位关键技术 例如，启泵的时候信号中含有比较有规律的尖锐噪声，虽然幅度并不大( 只 有约千分之一兆帕) ，却因为压力比较低而非常明显。针对这样的情况，我们使 用了中值滤波器。中值滤波器能够平滑尖锐噪声，又能保持信号的边沿，而且计 算速度非常快，可以用于在线处理。对比下面两图2 1 6 ，2 1 7 ，可以看到滤波的 效果。 图2 - 1 6 含有脉冲噪声的负压波信号 图2 1 7 上图的信号经过中值滤波器之后的波形 2 5 特殊工况下微弱信号检测 以秦京输油管道为例，简要介绍一下在特殊工况下微弱信号检测的措施。 秦京输油管道运行工况复杂，开式和密闭两种输送方式经常交替运行。在开 式运行工况下，迁安和宝坻的进站压力在0 i m p a 左右；而在密闭运行工况下， 两个站的进站压力升高到2 m p a 左右。若仅利用迁安和宝坻站原有的量程为 4 o m p a 的压力变送器，则在开式运行时压力变送器对泄漏造成的负压变化反应 灵敏度低。因此我们在两站进站各增设一量程为0 2 m p a 的耐高压压力变送器。 这样相同负压变化量，对应传感器输出电流变化量放大了2 0 倍：而且相同压 力时变送器输出电流值提高近3 倍，从而使同样的干扰信号影响程度大大缩小。 用小量程( 0 2 m p a ) 和大量程( 4 o m p a ) 压力变送器分别经调理和滤波后测 得的进站压力曲线如图2 1 8 和图2 1 9 。 天津大学硕士学位论文第二章基于s c a d a 系统的泄漏检测与定位关键技术 图2 一1 8 迁安站用小量程( 0 2 m p a ) 压变测得的进站压力曲线图 圈z 一1 9 迁安站用大量程( 4 0 m p a ) 压变测得的进站压力曲线图 从图2 1 8 、2 1 9 可见，同样对迁安进站压力的测量，用o 2 m p a 量程压变测 量，干扰影响测量值的波动仅0 0 0 0 6 m p a ( 图中标尺总高实为0 0 0 1 m p a ) ：而用 4 ，0 m p a 量程压变测量，干扰影响测量值的波动达0 0 0 3 m p a 即增大5 倍。 采用了两个不同量程压力变送器测量同一参数时，在泄漏检测软件中做如下 处理： 同一参数的二个信号同时送给泄漏检测系统，根据大量程压力变送器测得的 压力值选择合适的数据通路，从而提高泄漏检测的灵敏度。 通过对s c a d a 系统以上的改进和完善，满足了泄漏检测与定位系统对所需 参数的技术要求，并为提高泄漏检测系统的定位精度和可靠性奠定了必要的基 础，达到了应用的目的。 2 6 小结 对于一般的数据采集系统来说，由于不需要对各点的数据进行实时性很高的 精确动态分析和对比，所以无论是否需要远传，其对硬件、信号处理、数据采集 精度、通信条件等的要求相对是较低。而原油长输管道泄漏监测系统对数据实时 天津大学硕士学位论文第二章基于s c a d a 系统的泄漏检测与定位芙键技术 傲及精确性均有较高的要求，因此这就需要对现谢的s c a d a 系统进行必矮的改 遗。本章主要介缨了实现基于s c a d a 的泄潺检测及定位系统的羲干关键技术， 并且结合秦京输油管线。介绍了实现过稷中遇到的技术问题及解决方案。 通津大学硕士学位论文笫三章豢京输油蒋道泄漏j | 茳测系统中的应用 第三章秦京输油管道泄漏盗溯系统中的应用 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统己广泛地皮用于工 数生产移事务警壤豹各个领域。叁主整缌8 0 年代末至今，我嚣瓣油气妖辕管道 融基本配置了s c a d a 系统。近年来，我国输油街道的打孔盗油等泄漏事故频繁 发生，嚣s c a d a 系统不是备剿瑟遮瀑瓣凌莸，炎餐男乡 骚利“泼潺整测系统”。 网前国内应用予长输管遒的泄漏监测系统均独巍采集传输数据，形成单独的系 绞。 一条长输管道的s c a d a 系统需耗资数百万元。它与“泄漏监测系统”自成 体系，不能共享矮传窝较 孛蜜源。造残资源数浪费。本文基于s c a d a 系统研制 了一套原油管道泄漏检测与定位系统，实现了泄漏监测功能与s c a d a 系统的融 念，在秦( 皇逸) 京( 憩寨) 羧濑管线投入实琢逡 亍，取褥了骥撼豹经济效益和 社会效懿。下面给予具体介绍。 3 1 秦哀攮油餐道s c a d a 系统 秦裘线全长3 4 9 。1 9 公里，管经5 2 9 m m ，全线共有七痉泵站：秦皇熙酋站、 盛黎站、迁安站、丰润站、宝坻站、大激站、石楼站。秦京线s c a d a 系统设有 豢皇岛调度中心控趔系统翱秦皇趣善菇、昌黎站、迂安站、丰润站、宝坻站、丈 兴站、石楼站站控系统。秦皇岛调度中心由p l c 、服务器、操作站组成。秦皇岛 蓠站由站控室p l c 、泵房s l c 、泵房操根沾、站控室操侔站组成，昌黎、迁安、 率润、宝坻、大泵站分别由站控室p l c 、操作站组成。各站与调度中心采用微 波专用傣道进行数据传竣，全线嶷现水毒超前保护。秦京线s c a d a 系统分为三 级控制一就地控制、站控、调度中心控制。以站控为主，调度中心除水裔超前傈 护辨，只对全线进行监视、调度傺理，不设其它控制操弦。各站主要控制功能如 下： 调度中心监视全线工艺流程、设备状态，显示重要参数趋势、参数越限报警、 鬻侔记录，生产调度报袭打印和进行永撩超前保护功能，实现p l c 双机热备。 各予站分别j | 茳控本站正艺流程、设备状态，驻示重要参数趋势，参数越限报 警、事件记录，打印生产缀表和进行永蠢超前保护。 天津大学硕士学位论文第三章秦京输油管道泄漏监测系统中的应用 由于原油管线已配备有p l c 系统，所以压力信号由p l c 采集。温度信号采 用铂电阻温度传感器( 为了减少压能损失，长输管道中间一般不安装容积式流量 计，仅在首端和末端作流量计量) 。信号调理器采用模拟隔离设计来消除p l c 与 数据采集卡的相互影响。监测系统必须长期不间断地工作，考虑到系统的稳定性， 监测主机采用硕华i p c 6 1 0 工业控制机主机c p u 采用i n t e l 公司主频为8 0 0 m h z 的p e n t i u mi i i 芯片。系统设计要求通讯线路一直畅通，调制解调器选用美国 m u l t i t e c h 公司的m t 2 8 3 4 b l i 调制解调器，它是工业级的调制解调器可以2 线或 4 线专线连接，也可以通过公用电话网拨号连接。 秦京输油管线的p l c 系统采用的是美国a b ( a l l e n b r a d l e y ) 公司 p l c 5 可编程控制器。r s l o g i x 5 是p l c 5 系列可编程控制器的梯形逻辑编程软 件，可在m i c r o s o f tw i n d o w s 9 8 ，w i n d o w sn t ，或者w i n d o w s2 0 0 0 x p 下完成 离线编程。p l c 5 系列可编程控制器有丰富的指令集，利用它即可完成泵站输油 设备参数的数据采集及处理；顺序启停泵逻辑控制保护；远程启停泵操作及进、 出站压力p i d 的控制等任务。 秦京线s c a d a 系统应用软件具有良好的人机界面。菜单、文字、流程图、 趋势图采用中文注释。操作简单、修改方便、扩展灵活、通用性强。实现： 1 自动采集并以彩色画面形式实时显示输油生产过程数据。 2 对主要工艺参数进行实时趋势及历史趋势显示。 3 通过彩色画面进行输油生产过程的控制操作。 4 自动进行全线水击超前保护控制。 5 对输油生产过程中参量越限及控制过程中的报警信息显示、打印和报警。 6 对生产过程中参量的变位及操作员所发的操作令进行实时记录、打印。 7 打印各种生产报表。 3 2 秦京输油管道泄漏监测系统构成 以秦京输油管线首站迁安段为例介绍一下基于s c a d a 的