一種基于ARM-Linux的分布式管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)

針對(duì)中國輸油管道現(xiàn)場具體情況，設(shè)計(jì)一套基于嵌入式ARM-Linux和LabVIEW的分布式管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)程測控終端(RTU)、監(jiān)測PC以及工業(yè)局域網(wǎng)。詳細(xì)論述了系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組成、軟件流程等。通過實(shí)際開發(fā)與應(yīng)用，證明此設(shè)計(jì)完全適用于輸油管道特殊現(xiàn)場，不僅降低了成本與功耗，還提高了效率，為長距離石油管道運(yùn)輸系統(tǒng)正常良好地運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。

輸油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)是當(dāng)今石油化工領(lǐng)域科研工作者研究的熱門課題[1]。目前，輸油管道現(xiàn)場應(yīng)用的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)存在各種問題。首先，現(xiàn)場很多站點(diǎn)正在使用太陽能閥室設(shè)計(jì)，而廣泛使用于全國各地輸油管道監(jiān)測系統(tǒng)中的基于PC的采集傳輸設(shè)備,因其高功耗、高成本的缺點(diǎn)不適合在太陽能閥室中應(yīng)用。其次，許多現(xiàn)場管道為分布式網(wǎng)絡(luò)布局，一個(gè)站點(diǎn)可能安置了多個(gè)測量節(jié)點(diǎn)，并且在主站有多個(gè)監(jiān)控PC獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，很多監(jiān)測系統(tǒng)的多通道采集和多用戶處理能力達(dá)不到滿意要求。再次，由于一些現(xiàn)場會(huì)使用電話線撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)或微波無線網(wǎng)絡(luò)，帶寬和穩(wěn)定性無法達(dá)到正常網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求，很多現(xiàn)場設(shè)備因經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況而不能對(duì)泄漏發(fā)生做出及時(shí)判斷定位。所以針對(duì)這種情況需要應(yīng)用一些專門機(jī)制來保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和完整性，為輸油管道泄漏監(jiān)測與定位提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源。為解決上述泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的問題，設(shè)計(jì)了一套基于ARM的分布式管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

在當(dāng)今嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，ARM由于性價(jià)比、功耗、可靠性在同類產(chǎn)品中非常突出，尤其是結(jié)合開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)以后,得到了越來越多設(shè)計(jì)者的青睞[2]。在本輸油管道泄漏監(jiān)測設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)程測控終端(RTU)采用ARM和嵌入式Linux的方案,監(jiān)控PC采用LabVIEW圖形編程方案，所有節(jié)點(diǎn)通過基于TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)進(jìn)行通信。

1 系統(tǒng)概述

管道泄漏檢測系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由多個(gè)主站監(jiān)測PC和多個(gè)從站遠(yuǎn)程測控終端(RTU)組成。圖1是分布式管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

系統(tǒng)基于負(fù)壓波原理，通過安裝在各個(gè)管道測量節(jié)點(diǎn)的壓力變送器測得壓力變化情況,并通過從站RTU將各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給主站監(jiān)測PC。當(dāng)管道網(wǎng)絡(luò)中某段發(fā)生破裂時(shí), 主站監(jiān)測PC能立即接收到管段內(nèi)輸送介質(zhì)泄漏瞬間所產(chǎn)生的泄漏信號(hào), 通過比較數(shù)據(jù)庫中的模型來確定管道是否發(fā)生泄漏，利用管道兩端節(jié)點(diǎn)RTU傳送信號(hào)的時(shí)差確定泄漏位置。多個(gè)主站監(jiān)測PC可同時(shí)監(jiān)測整個(gè)管道網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件組成原理

2.1 RTU硬件組成原理

S3C2440是SAMSUNG公司生產(chǎn)的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC微處理器,其具有低功耗、高速的處理計(jì)算能力，負(fù)責(zé)控制整個(gè)RTU。以太網(wǎng)控制器通過隔離器高速、穩(wěn)定地將系統(tǒng)接入局域網(wǎng)。GPS校時(shí)模塊把導(dǎo)航信息通過UART總線傳送至S3C2440芯片，利用秒脈沖中斷實(shí)現(xiàn)RTU自動(dòng)高精度時(shí)鐘同步。由于S3C2440已經(jīng)集成了SD模塊，直接外接SD物理層接口實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)儲(chǔ)存功能。

根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的RTU系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 A/D模塊硬件設(shè)計(jì)

RTU工作時(shí)，首先由信號(hào)調(diào)理單元電路獲取壓力變送器采集到的電流信號(hào),經(jīng)由光電隔離芯片和數(shù)字濾波器得到適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸出。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采用一款內(nèi)置序列器的4通道、200 kS/s、12 bit AD7923芯片。AD7923芯片由AD780芯片提供2.5 V參考電壓。該A/D模塊通過SPI總線將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳送給ARM核心控制模塊進(jìn)一步處理。A/D模塊接口電路如圖3所示。