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1、长输管道阴极保护监测与诊断系统 引言长输管道阴极保护是管道日常管理的重要工作内容，主要包括两个方面的工作，既阴极保护运行数据的采集和阴极保护运行数据的分析。长期以来，由于线路长、监测点分散、交通不便，监测工作实施与管理难度高，工作量大，为此，国外在上世纪7080年代首先开始进行远程监测方面的研究，主要采用的技术方案是飞机遥测和卫星通讯遥测，这些技术的运用，在一定程度上，达到了提高监测效率，降低劳动强度的目标，但高昂的数据采集成本限制了此类技术的应用。在数据分析方面，美国环境总署曾经组织了有关的专家，建立一套阴极保护系统的运行维护软件，该软件包括：腐蚀防护的教育和智能性专家诊断系统，可实现数据记
2、录、智能性专家诊断、设备查询、日常管理确定敏感地区的管道位置，以便发生故障时，及时提供相关的详细资料。同时也可提供管道事故的预警信息。便于管理部门及时准确的了解有关的阴极保护信息，也便于具体执行人员的自检和系统阴极保护的信息积累。阴极保护技术具有较强的专业性，当前国内管道管理部门的阴极保护专业工程技术人员不足，而需要管理的管道却在不断增加，因此，通过采用新技术手段，提高阴极保护管理的水平成为发展的必然。1 长输管道阴极保护监测与诊断系统架构阴极保护在线监控专家系统是一套面向阴极保护领域的无线远程智能在线监控和专家决策支持系统。该系统以地理信息系统（GIS）为管理平台，以SQLSERVER数据库
3、作为系统统一的数据库，以公共无线数据通讯方式（GPRS/GSM）和其他有线通讯方式相结合的方式为数据传输手段，以低成本的方式实现遥测和遥控；该系统实现了对管道等被保护体保护状况的在线检测，同时可以通过远程监控方式随时监视并调整恒电位仪的工作状态，配合阴极保护在线监控专家系统进行辅助分析，可以使得整个阴极保护系统处于最佳的工作状态，最大限度的起到保护的作用。1）系统工作流程l 用户通过GIS应用程序提供的电子地图、图表和报表，可以直观的观察到管道沿线保护情况，同时可以通过专家系统进行辅助决策，帮助用户分析阴极保护系统中相关部分故障的原因和应对措施。l 恒电位仪数据通过有线通讯方式，利用用户原有通
4、讯网络传送到异地的中心机房服务器，最后通过服务器中对应的后台服务程序完成数据处理。对于没有有线通讯条件的恒电位仪，其数据通过GPRS无线通讯方式进行传输。l 智能电位采集终端将采集的电位数据通过GPRS无线通讯方式传送到INTERNET网上，通讯协议采用TCP/IP，数据通过INTERNET网传送到服务器中，最后通过服务器中对应的后台服务程序完成数据处理。l 后台服务程序在数据处理时，同时完成数据的存储、通讯和与GIS系统的信息交换工作。在GIS系统不工作时，可以实现自动的数据接受和信息下发功能。满足数据采集无人的要求。图1 系统软件架构示意图图2 系统拓扑结构示意图2）系统构成(1) 管理中
5、心服务器系统软件： 阴极保护远程监控专家系统软件 1套 Windows Sever 2003 1套 SQLSever2008 1套硬件： 服务器1台 1个Internet静态IP地址的宽带接入1条 （GPRS通讯）短信接收模块及短信中心手机卡 1套 （GSM通讯）(2) 阴保站恒电位仪系统每个阴极保护站需要配备一套阴极保护电源系统，每套阴极保护电源系统由如下设备构成： IHF数控高频开关恒电位仪 2台 YHS-1控制柜1台 恒电位仪通讯转换器视现场情况确定。(3) 智能电位采集系统每个电位采集点需要配备一套智能电位采集系统，每套智能电位采集系统由以下设备构成： 智能电位采集仪1台 长效参比电极
6、 1只 水泥桩或钢桩 1个2 长输管道阴极保护监测与诊断系统主要功能阴极保护在线监控专家系统结合地理信息系统（GIS）技术、专家系统（Prolog）技术、无线通讯（GPRS/GSM）技术和数据库技术，实现了被保护体及其附属设施的维护、终端设备的远程监控和遥控、图形化的管理、数据的查询与分析以及对出现的故障进行诊断等功能。在线监控专家系统的主界面如下图，从界面中可以直观的查看管道的走向、设备的位置以及异常检测点的特殊显示，从而有利于及时掌握阴极保护的运行情况。图4 阴极保护在线监控专家系统主界面其主要功能包括： (1) 专家诊断系统系统内部集成的阴极保护专家系统，能够在充分利用监控数据的基础上，
7、有效地对阴极保护运行过程中出现的问题进行诊断，并给出故障发生的原因和相应的处理意见，从而给故障排查和维修提供了依据，提高了科学性和准确性。图4 在GIS界面直接调用专家诊断功能图5 统计查询界面中关联诊断功能图6 图形对比诊断界面图7 故障诊断界面图8 故障诊断报告(2) 报警功能及动态响应设备自动上传的数据，管理软件自动检测报警状态，当超出限定值时，标记该记录为报警记录，同时在电子地图中相应的设备图标标记为红色，以警示管理者对该监测点附近管道的运行情况进行排查。(3) 数据汇总统计系统提供了对历史数据的报表统计和图表统计的功能，图表分为时间图表和里程图表。时间图表反应某检测点电位的历史变化情
8、况，里程图表通过管道沿线各监测点的数据能够反映整条管道保护效果的变化趋势。图9 智能电位采集仪保护电位-时间图表图10 智能电位采集仪交流干扰电压-时间图表图11 恒电位仪输出电压、电流、保护电位综合图表图12 管道沿线保护电位-里程图表图13 管道沿线恒电位仪输出电压-里程图表(4) 设备监控管理以管道、管段的分类方式对设备进行分组管理，实现设备信息的维护，设备包括智能采集仪、恒电位仪、牺牲阳极、普通电流桩、普通电位桩等，其中能对智能电位采集仪和恒电位仪进行远程遥控，远程控制命令包括设备对时、参数设置、即时采样、采样时间设置等。(5) 地理信息系统平台地理信息包括地图的基本操作（地图缩放、移
9、动、面积和距离测量、图元设备的选择和移动等），管道的绘制、监测设备的选择及注释信息的维护等功能；属性信息包含操作员管理、权限管理、基础数据管理等功能。(6) 阴极保护日常记录维护系统中提供了常数管线日常维护记录的录入和保存功能，如管道防腐层绝缘电阻检测记录、管道防腐层大修记录、土壤理化性分析记录等，通过查询、分析日常记录能进一步掌握管道的运行情况。(7) 系统操作日志维护提供了操作员的操作日志和设备的通讯情况日志，便于系统的维护和对操作员的监督。(8) 管道保护电位监测智能电位采集仪智能电位采集仪应用了无线通讯技术、低功耗技术，实现了管道保护电位的自动检测、数据采集与传输。l 支持GPRS、G
10、SM无线数据通讯方式。l 每天定时自动采集和上传数据，支持数据存储。l 支持连续检测，采样频率达到1条/秒，能够有效检测杂散电流干扰。l 支持断电测试检测，采样频率达到30条/秒。l 低功耗设计，设计指标10年内无需更换电池。l 稳定可靠，主机允许埋地或在水下使用。l 现场安装形式多样，满足防盗需要，测试桩形式有水泥测试桩和钢管测试桩。l 安装方便，免维护。图14 智能电位采集仪及其在西二线和川气东送现场安装图(9) 恒电位仪远程监控IHF数控高频开关恒电位仪IHF数控高频开关恒电位仪的主要功能特点如下：l 采用全数字控制高频开关电源技术。l 数字通讯接口，易于联网和远程监控。l 中文液晶显示
11、，操作简便。l 工作参数自保持，可实现无人值守。l 控制精度高，工作范围宽。l 流经参比电极电流小，参比电极抗干扰能力强。l 体积小、重量轻，约为相控电源的1/5 。l 整机效率较高，效率较可控硅提高20以上。l 电网适应能力强，环境适应性较好。l 使用维护方便 。3 阴极保护监控与诊断系统关键设计1）系统总体设计系统总体架构采用B/S架构，数据库采用SQLSERVER，地理信息系统采用ARCGIS，专家系统采用PROLOG，开发工具采用VC.NET。总体设计的关键要点如下：l 将在线监控系统的数据（恒电位仪、智能电位采集仪等）随时体现在用户使用操作的GIS平台上，将静态的GIS系统，提升为动
12、态系统，满足使用与管理的需要。实现这一目标，是通过设计专用的后台服务程序，在完成数据通讯的同时，动态刷新GIS信息，将在线监控数据及时呈现给用户。l 专家系统与在线监控系统的整合，是系统总体架构设计的另一个关键。专家系统诊断功能是否方便，直接关系到系统的易用性。在系统设计时，提供多个专家系统的诊断入口，一是从用户使用的GIS平台上提供诊断入口，二是从系统的统计图表及报表上提供入口。这两种入口，均可以将管道现有相关信息直接带入专家诊断过程中，诊断效率高，操作简便。三是相对独立的诊断入口，诊断所需信息全部需要手工输入，该方式十分灵活，不仅可以诊断本管道的问题，也可以分析诊断其他管道的信息。2）专家
13、诊断系统设计本项目专家系统采用PROLOG开发平台，总体架构采用经典的专家系统架构，如下图所示：图15 专家系统结构示意图考虑到PROLOG语言的特点，结合本系统的要求，系统呈现在用户面前的内容主要包括：知识维护、故障诊断、故障统计三个主要部分，其余的推理机、解释器、知识获取过程等，均在软件内实现。本系统通过知识维护模块来获取知识，通过对现象、故障、条件的维护来丰富知识库并设定知识库中的规则；现象由故障组成，故障由条件来判断其是否发生。故障诊断模块是对故障进行诊断，通过专家系统的提问以及用户的回答，来匹配知识库中的规则，从而确定故障是否发生。诊断时，根据现场的实际情况，先选中一条知识库中已经维
14、护好的现象，然后增加一条诊断记录。诊断记录增加后可以进行诊断，根据系统的提问用户进行回答，最后得到可能发生的故障。故障统计模块中通过对已经诊断的故障进行确认，来统计故障发生的概率。确认方式是当现象被诊断后会得到可能发生的故障，用户在现场实际排查故障时，如果通过专家系统诊断确认的故障发生了，那么用户需要在专家系统里面对故障进行确认，从而专家系统可以积累诊断经验。专家系统知识维护故障诊断故障统计现象维护故障维护条件维护故障确认故障正确率统计增加诊断监控系统诊断过程保存故障图16 专家系统界面架构示意图3）专家系统知识库设计知识库(Knowledge Base)是知识工程中结构化，易操作，易利用，全
15、面有组织的知识集群，是针对某一(或某些)领域问题求解的需要，采用某种(或若干)知识表示方式在计算机存储器中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识片集合。这些知识片包括与领域相关的理论知识、事实数据，由专家经验得到的启发式知识，以及常识性知识等。考虑到阴极保护知识的特点，如何获取更多的现场经验和典型案例，是摆在项目开发组面前的关键问题。为了保证系统开发的顺利进行，由中石化管道储运分公司科技处牵头，邀请了中石化、中石油、解放军等十多个单位的二十多名专家组成专家顾问团，通过会议、函审、查阅科技文献等方式，进行知识的收集整理，确保了知识整理的质量和覆盖面，这一措施，为阴极保护在线监控专家系统的研制成功
16、，提供了有力的保证。根据阴极保护系统的特点，专家最终确定了阴极保护知识库的知识构成，共有六大类，33小类，75个故障根源，14种典型故障曲线。六大类分别是管道、场站和阀室、自然环境、外部干扰源、牺牲阳极阴极保护系统、强制电流阴极保护系统，基本涵盖了长输管道阴极保护的所有方面。4）智能电位采集仪设计本系统的主要硬件设备为恒电位仪和智能电位采集仪，多数恒电位仪在场站中，具备供电及通讯条件，容易实现远程监控。管道沿线电位采集现场则不具备这些条件，因此，智能电位采集仪的设计是系统硬件设计的关键环节。智能电位采集仪设计的关键是电源和通讯。管道沿线没有电源，采用太阳能供电，容易损坏和丢失，因此，采集仪最终
17、选用了“一次性电池供电低功耗”设计方案，在待机状态下，功耗小于10微安，电池选用一次性高能电池，工作寿命超过10年。管道沿线没有有线通讯条件，采用飞机遥感或卫星通讯费用较高，采用微波通讯可靠性无法保证，且频率资源申请困难，目前公共无线通讯覆盖范围很广，大多数管道途径区域均有无线信号，因此，最终选择GPRS/GSM无线通讯方式作为采集仪通讯手段，较好的解决了数据通讯的问题。4 小结阴极保护在线监控专家系统实现了对管道阴极保护状况的在线监测，监测人员可以在室内通过电子地图实时地查看设备的状态、位置、周边环境以及相关的管道状况，并可根据实际情况远程调整恒电位仪的工作状态。配合专家系统，可以对阴极保护
18、的状态及故障进行诊断分析，并给出处理意见。本系统采用网络架构，部门领导可同时在线查看整个系统的运行情况，对运行数据的查询可形成各种统计图表和统计报表。针对管道阴极保护管理的需要，本系统主要解决了如下问题：（1）全线阴极保护统一、集中管理使专业人员专注于专业事务阴极保护在线监控专家系统是一套集设备监控、数据自动采集、数据自动存储、数据查询、故障诊断于一体的管理系统，便于管理单位的阴保专业工程师进行全线阴极保护的监控与管理，能够有效的掌握恒电位仪的运行情况和被保护体的保护情况，从而实现统一、集中管理。系统的应用，可以将专业人员从日常工作中解放出来，集中精力处理阴极保护系统的关键问题，提高阴极保护系
19、统的保护效果，进而延长埋地管道、储罐及场站管网的安全运行寿命。 （2）阴极保护状况科学决策分析给专业人员配备专业的助手系统内部集成的阴极保护专家系统，能够在充分利用监控数据的基础上，有效地对阴极保护运行过程中出现的问题进行诊断，并给出故障发生的原因和相应的处理意见，从而给故障排查和维修提供了依据，提高了科学性和准确性。（3）报警定位与重点监测及时准确监控系统具有自动数据分析功能，当数据异常时系统会自动报警，同时结合GIS平台，能够及时、准确的定位报警点。对于已知的干扰部位，能够通过连续监测等手段，详细监测重点区段运行情况，为诊断分析提供有效信息。（4）阴极保护数据自动采集，智能采集仪免维护简单方便智能电位采集仪和恒电位仪自动化的数据采集，能够客观的反应阴极保护状况的实际情况，能够有效的杜绝人为的测量误差，长期的连续监测过程能够实现阴极保护的数据积累，便于掌握管网的阴极保护状况和反应阴极保护状况的历史变化趋势。智能电位采集仪设计指标10年免维护，大大减轻了系统后期管理的工作量，方便了用户的使用。
