李 琦，趙 杰，張永勝

LI Qi1, ZHAO Jie1, ZHANG Yong-sheng2

（1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010；2. 內(nèi)蒙古包鋼西北創(chuàng)業(yè)設(shè)計研究院，包頭 014010）

0 引言

供熱管道在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中占有重要的位置，成為冬季北方城市生活的大動脈。隨著城市化進程的加快，各地的供熱管道多采用直埋敷設(shè)方式，具有節(jié)約能源、造價低等優(yōu)點，但這樣就限制了紅外熱像儀在熱網(wǎng)故障診斷中的推廣使用，而對已經(jīng)鋪設(shè)的管道再次鋪設(shè)分布式光纖測溫系統(tǒng)用來進行泄漏診斷，成本昂貴無法實施。目前管道泄漏的檢測技術(shù)有聽聲法、內(nèi)投球法等，然而由于供熱管道的介質(zhì)和環(huán)境的特殊性，這些方法未能在供熱管道上得以應(yīng)用，且實時性較差[1]。

為了能迅速診斷并定位泄漏點，本系統(tǒng)采用負(fù)壓波對供熱管道進行檢測，負(fù)壓波法不需要建立復(fù)雜的管道模型，且對設(shè)備儀表的要求比較低（無需流量傳感器），檢測速度較快，實時性好，投資少，缺點就是對滲漏和微弱的泄漏的檢測效果不理想。

1 負(fù)壓波檢測泄漏的基本原理

當(dāng)管道的某位置發(fā)生泄漏事故時，泄漏處物體的壓力突然減小，由于管道中的物體不能立即改變其流速，在泄漏處周圍的物體就會向泄漏處流動，形成一個以泄漏處為中心的壓力波動，這一壓降波將沿著管道向兩端傳播，被稱為負(fù)壓波[2]。

負(fù)壓波檢測原理如圖1所示，泄漏點的位置可以由下面的公式得到：

式中：x為泄漏點距首端測壓點的距離，m；

L為被測管路對象的長度，m；

v為負(fù)壓波的傳播速度，m/s；

?t 為首末端采集負(fù)壓波的時間差，s。

圖1 負(fù)壓波檢測泄漏原理圖

從式（1）中可知影響泄漏點定位準(zhǔn)確度的主要是v和?t，負(fù)壓波的速度可以由式（2）求解：

式中：v(t)為溫度為t時的負(fù)壓波波速，m/s；

K (t )為溫度為t時水的體積彈性系數(shù)，Pa；

ρ (t )為溫度為t時水的密度，kg/m3；

E為管道的彈性模量，Pa；

D為管道的直徑，m；

e為管道管壁的厚度，m；

C為與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)。

對于已經(jīng)投入使用的管道，它的厚度、直徑、彈性模量都是定值，只需考慮管道內(nèi)水的彈性系數(shù)和密度，而水的彈性系數(shù)和密度均與溫度有關(guān)，此時的負(fù)壓波速度是有關(guān)溫度的函數(shù)，將式(2)展開成關(guān)于溫度t的泰勒級數(shù)，通過分析計算在供熱管網(wǎng)的溫度范圍內(nèi)，泰勒級數(shù)展開式中的高次項都趨近于零，所以負(fù)壓波的速度與熱水的溫度近似成線性關(guān)系[3]。經(jīng)過數(shù)值擬合可以得出：

式中：k為大于零的常系數(shù)。在進行計算負(fù)壓波速度的時候必須考慮溫度對其的影響，可以利用式(3)做出一定程度的近似。

時間差?t主要有兩方面影響，一方面是各個熱力站采集系統(tǒng)的時鐘是否同步；另一方面是于工業(yè)現(xiàn)場有不可避免的各種干擾造成采集到的數(shù)據(jù)含有大量的噪音且采樣頻率高，對采集到的信號消噪能否準(zhǔn)確尋找到突變點，其與采集頻率和上位機的診斷故障的算法有關(guān)[4]。

2 泄漏故障診斷系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)成

圖2 熱網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)

熱網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)由遠(yuǎn)程故障診斷中心和若干個熱力站點的采集設(shè)備組成。在各個熱力站完成對壓力和溫度信號的采集處理，由故障診斷中心分析計算確定采集數(shù)據(jù)的突變點，進而確定故障點的位置。本文側(cè)重于熱力站采集系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，在滿足功能要求的條件下盡可能選擇集成度高且功耗小的芯片以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

在管道兩端安裝壓力傳感器(JKB-K0-HAG)和溫度傳感器（JWB/P23），熱力站采集系統(tǒng)采集溫度、壓力信號（4～20mA），采集數(shù)據(jù)實時顯示供值班人員查看、記錄數(shù)據(jù)，把GPS模塊接收并解析的時間信息用來授時，經(jīng)過主控芯片的數(shù)據(jù)處理，并通過GPRS DTU按照既定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳到故障診斷中心。

該故障診斷系統(tǒng)需要泄漏管道兩端采集到的數(shù)據(jù)同步才能進行分析，因此必須保證各采集系統(tǒng)的時鐘數(shù)據(jù)同步即所要分析數(shù)據(jù)的起始點（時間）必須一致，否則由于時標(biāo)不統(tǒng)一將導(dǎo)致故障點的定位誤差增大。為了解決這個問題，將GPS接收到的時間信息作為各熱力站和故障診斷中心的時間基準(zhǔn)，實現(xiàn)采集點與采集點、采集點和故障診斷中心的時鐘同步。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System , 以下簡稱GPS)可以為全球提供統(tǒng)一的高精度時間基準(zhǔn)，通過對GPS模塊的二次開發(fā)，可實現(xiàn)全天候、干擾小、精度高的時鐘同步系統(tǒng)，非常適合于異地采集同步系統(tǒng)[5]。GPS模塊接收的是以原子鐘為基準(zhǔn)的時間信號，原子鐘的時間與世界協(xié)調(diào)時的誤差在微秒級，加上傳輸計算的延遲，其精度也能在毫秒級范圍，基本符合工業(yè)上的時鐘同步應(yīng)用[6]。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

熱力站采集設(shè)備硬件設(shè)計框圖如圖3所示，其硬件部分主要由主控芯片STM32F103VBT6、顯示模塊、報警模塊、采集模塊、GPS模塊、無線傳輸模塊構(gòu)成。CPU選用了STM32系列微控制器，由ST意法半導(dǎo)體公司以ARM Cortex-M3為內(nèi)核開發(fā)生產(chǎn)的32位微控制器，其高性能、低成本、低功耗的特性在工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。

圖3 熱力站硬件設(shè)計框圖

熱力站采集設(shè)備的系統(tǒng)時間由GPS模塊提供，安裝在管道上的高精度的壓力傳感器和溫度傳感器對現(xiàn)場信號進行采集，結(jié)合實驗研究和工程實際確定采樣頻率為100次/秒，通過液晶屏實時顯示當(dāng)前的壓力、溫度、時間等數(shù)據(jù)；經(jīng)STM32處理后，當(dāng)采集設(shè)備判斷為泄漏時，通過控制電路將電磁閥關(guān)閉，減少泄漏損失，并將采集數(shù)據(jù)和GPS接收的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給故障診斷中心以便對泄漏點進行定位。

GPS模塊選用韓國JCOM C3-370C，其主芯片為高性能的GSC3F且集成了實時時鐘ARM7TDMI處理器，可選的內(nèi)部/外部射頻連接器，低噪聲放大器和濾波器增大增益，內(nèi)置備用電池和天線，體積小巧，其外接引腳為EN、VCC、TX、RX、GND和BOOT，其中BOOT引腳在其正常通信時需懸空；GPS的TX引腳需接CPU的RX，不要接反。

無線傳輸模塊選用了宏電公司的H7710 DTU，僅需使用前利用串口助手對其配置一次基本參數(shù)，并且H7710還具有心跳定時連接的功能，保證DTU永久在線，兼?zhèn)銻S232/422/485或TTL電平接口，適用于使用環(huán)境惡劣的各種工業(yè)監(jiān)控的應(yīng)用場合，為用戶提供了高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計中其與單片機通過RS-232接口連接，可實現(xiàn)熱力站采集設(shè)備與故障診斷中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用前后臺系統(tǒng)，共有五個任務(wù)，GPS時間信息解析任務(wù)、AD采集數(shù)據(jù)任務(wù)、顯示任務(wù)、無線傳輸任務(wù)和報警任務(wù)。在應(yīng)用軟件中，程序先進行時鐘、串口等初始化，主程序采用協(xié)作式調(diào)度器循環(huán)查詢各任務(wù)，將周期性任務(wù)也放在后臺，利用STM32自帶的SysTick定時器產(chǎn)生1ms的時標(biāo)，所有任務(wù)共用該信號量，而不必每個任務(wù)都開定時器，輪詢檢查某任務(wù)的周期時間是否滿足條件，通過調(diào)度算法確定當(dāng)前任務(wù)是否就緒，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行周期時間同時任務(wù)就緒且不為空才執(zhí)行其相應(yīng)的子任務(wù)，當(dāng)中斷發(fā)生時先去響應(yīng)中斷待中斷完成后返回主程序繼續(xù)輪詢各任務(wù)。系統(tǒng)軟件的總流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件總流程

當(dāng)STM32進行AD采集，在AD模塊和存儲器之間利用DMA傳輸通道，將采樣后的數(shù)據(jù)直接搬運到存儲區(qū)中，節(jié)省了單片機的資源；在串口2接收到GPS數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將暫停所有任務(wù)去執(zhí)行串口中斷，解析GPS數(shù)據(jù)并為系統(tǒng)授時，授時完成后退出中斷系統(tǒng)執(zhí)行其他任務(wù)，使AD采集的數(shù)據(jù)與GPS時間數(shù)據(jù)建立時間上的關(guān)系。

DTU傳輸由GPRS網(wǎng)絡(luò)，將采集到的壓力、溫度和GPS時間信息發(fā)送到診斷中心，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化,此設(shè)計采用了ASCII串行傳輸方式，其幀格式如圖5所示。此協(xié)議串口通訊時的數(shù)據(jù)共用9位，依次為8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗位。為了提高中斷響應(yīng)速度，串口1中斷中只檢查上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)長度，只有當(dāng)數(shù)據(jù)長度符合要求，各采集設(shè)備才識別地址信息，與地址信息一致的采集設(shè)備將相應(yīng)的標(biāo)志位置位，調(diào)用通訊子程序進行處理，否則丟棄此數(shù)據(jù)包，繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)[7]。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸幀格式圖

為了降低數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)量，將采集到的數(shù)據(jù)放在環(huán)形緩沖區(qū)，本設(shè)計以1秒為單位將壓力數(shù)據(jù)進行存儲并通過對每秒采集的數(shù)據(jù)和既定的壓力經(jīng)驗閾值相比較，假如判斷為泄漏將此緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過DTU按既定的數(shù)據(jù)傳輸格式發(fā)送到遠(yuǎn)程診斷中心，否則就向遠(yuǎn)端發(fā)送壓力緩沖區(qū)的第一個數(shù)據(jù)以供監(jiān)控人員了解管道實時運行情況。

GPS解析的流程圖如圖6所示。在應(yīng)用軟件中，程序先進行串口初始化，在串口中斷發(fā)生時，先判斷是否是數(shù)據(jù)包頭“$”，當(dāng)接收到“$”后打上語句更新標(biāo)志，才繼續(xù)接收并將信息放在相應(yīng)的數(shù)組，否則放棄這幀數(shù)據(jù)；在GPS解析程序中，對接收到的數(shù)據(jù)進行解析，也是先判斷是否是要解析的 “$”，若是則從“$”開始計算檢驗和直至“*”為止，與“*”后面的校驗碼字符比較，若相同則按逗號分隔符查找并解析需要的數(shù)據(jù)，還應(yīng)注意的是在解析時間時，由于時區(qū)的差異，應(yīng)在UTC時間上加上8小時才是準(zhǔn)確的北京時間[8]。

圖6 GPS解析流程圖

NEMA-0183協(xié)議是目前GPS模塊上使用最廣泛的協(xié)議，有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC等，程序中解析具有最小數(shù)據(jù)量的GPRMC信息。其標(biāo)準(zhǔn)格式：$GPRMC＜1＞,＜2＞,＜3＞,＜4＞,＜5＞,＜6＞,＜7＞,＜8＞,＜9＞,＜10＞,＜11＞,＜12＞*＜13＞＜CR＞＜LF＞。其中“$”為語句起始標(biāo)志，“GPRMC”為語句識別符，“*”為檢驗和識別符，“＜CR＞＜LF＞”為語句結(jié)束符。

3 實驗驗證

根據(jù)上述GPS數(shù)據(jù)授時原理，對其均間隔一小時授時一次，在實驗室將兩個熱力站采集設(shè)備共地，將兩個主控芯片的相同的擴展引腳（PD8）連接起來，讓其中一個每500ms翻轉(zhuǎn)一次PD8引腳電平，記錄并輸出當(dāng)前時間戳；另一個則將此引腳設(shè)為外部中斷，每中斷一次就輸出當(dāng)前時間戳，兩個設(shè)備輸出時間值如圖7所示。

4 結(jié)論

根據(jù)以上兩個采集設(shè)備的時鐘的測試，其時間同步系統(tǒng)的同步精度達到毫秒級，基本符合負(fù)壓波測漏的時鐘同步要求。在上位機對采集數(shù)據(jù)進行處理時，由于每幀格式數(shù)據(jù)位的開頭都帶有時間戳，保證了采集數(shù)據(jù)的起點一致，既為異地采集的數(shù)據(jù)提供了時標(biāo)保證了采集數(shù)據(jù)的同步，也為后期上位機處理數(shù)據(jù)分析定位故障點減少了冗余的數(shù)據(jù)，滿足了故障診斷的實時性要求。

圖7 串口輸出圖

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