在原油生產加工過程中，原油輸送是必不可少的。在輸送過程中，由于分散性大、傳輸距離長、地域跨度大等特點，存在著各種管線自然損壞引起的泄漏，不僅給國家和企業造成重大經濟損失，也會給人民生命和財產造成嚴重傷害，如2013年11月發生在青島的輸油管道破裂造成幾十人死亡和數千萬經濟損失。

同時由于利益驅動，還存在著人為盜竊行為，近年來曾有多次新聞報道過因輸油管道被破壞造成嚴重后果的。據有關部門調查統計，華北油田、中原油田、勝利油田、大港油田等因“油耗子”盜油破壞油氣管線每年造成的直接經濟損失約10億元，間接經濟損失約20億元。因此，進行油氣管道遠程監測具有重大的安全和經濟意義。

本文根據大港油田采油一廠企業合作項目，設計了一套基于全球移動通信系統（global system for mobile communication, GSM）的原油管道遠程智能防盜監控系統，通過對管道內部壓力的實時監控，判斷出泄漏量的大小和初步的位置，并及時關閉相關閥門，同時發出報警信號，通知工作人員快速有效地做出反應，將損失降到最小。

1 硬件電路設計

1.1 系統組成

系統由數個單控制器構成，每個控制器都有對應編號，單控制器對壓力傳感器數據進行收集、判斷以及發出控制命令，并且通過控制GSM模塊發送消息給移動接收終端，通知工作人員快速有效地做出反應，避免損失。遠程智能防盜監控系統的基本組成框圖如圖1所示。

圖1 遠程智能防盜監控系統的基本組成框圖

1.2 模塊電路設計

1）控制方案

系統采用就地分散控制的方式。各個控制器對自己控制范圍內的各單元電路進行控制，同時對壓力傳感器數據進行采集以及根據采集到的數據進行分析、判斷，并做出相應的控制命令。就地控制方式比較靈活，避免了各個控制器之間的互相干擾，其中一個控制出現故障也不會影響其他控制器的正常運行，保證各個控制器獨立工作。

2）信息傳輸

由于傳統的R232或者R485通信方式都是通過電纜進行數據傳輸，電纜網絡復雜，并且容易被人為破壞，傳輸距離也有限，無法實現遠程監控模式。本設計采用GSM短信模式的無線通信方式，該方法除了具備遠程無線通信以外，還具有不易被破壞，實際數據傳輸速率30kbit/s左右，為系統實現遠程監控提供了有效條件。

3）泄漏檢測

采用油田專用的高性能SDG-GP壓力變送器，其靈敏度較高，精度等級可以達到±0.05%，具有防腐蝕、抗高溫功能等。

4）放大、隔離電路

利用中間繼電器來充當一個隔離電路，可以隔離傳感器12V電源電壓對控制器信號的干擾；采用INA326單獨運算放大器與外圍電路構建放大電路，能夠把傳感器采集到的微弱信號放大成所需信號。

5）電源電路

由于此方案需要多路電壓，例如傳感器需要12V電壓，放大器需要3.8V電壓，GSM模塊需要2.8V電壓，控制器需要3.3V電壓；因此可以采用LM2576把12V電壓變成3.8V，然后利用RT9193- 33GB把3.8V電壓變成3.3V與2.8V，這樣就可以得到穩定的多路電壓。單控制器結構功能框圖如圖2所示。

圖2 單控制器結構功能框圖

2 工作原理

系統單控制器采用STC12LE5410A/D單片機，這種微控制單元（micro controller unit, MCU）具有1個R232口和1個SPI通信口以及8位A/D。

2.1 工作流程

控制板安裝在管道內部，高精度壓力變送器不斷采集管道內部壓力值，經過隔離、放大電路傳回控制器，然后對此信號進行A/D轉換、數字信號分析，每次分析完的信號都寫入AT24C02（以防止斷電后數據丟失、每隔一段時間清除其中的數據）。最后判斷是否超過程序設計的閥值，以及是否是起泵、調壓等引起的誤報。

當確認后的確是泄漏引起而超過閥值時，控制器控制報警模塊報警，并且標記此信號，同時通過控制器控制GSM無線通信模塊把程序設計時編輯好的故障短信發送到移動接收終端傳輸；但當未超過閥值時，從機只需要跟常態一樣運行。系統工作流程如圖3所示。

圖3 系統工作流程框圖

2.2 放大電路

圖4是系統的放大電路原理圖，采用INA326搭建而成的經典電路。傳感器采集到的信號通過集成運放的輸入端2腳、3腳接入，放大后信號由6腳輸出，輸出端加上一個限流電阻；該運放是單電源供電，并且具有極低的直流誤差。外圍電路簡單、元件很少，靈敏度高，不需要對外圍元件進行匹配調節，真正實現免調試功能。輸入阻抗達到100kΩ，內阻達到幾十MΩ，穩定性很好，輸出信號比較穩定。

2.3 電源電路

圖5是系統的多路電壓產生電路原理圖，電源輸入為12V直流電壓，由LM2576電源穩壓模塊與外圍電路搭建的降壓電路，把12V電壓變成3.8V電壓為運放供電；再把3.8V電壓由降壓集成芯片RT9193搭建而成降壓電路變成3.3V電壓，為控制器供電。

圖4 放大電路原理圖

圖5 多路電源產生電路原理圖

2.4 控制電路

圖6是系統的控制器電路原理圖，控制器電路以STC12LE5410AD單片機為控制核心，由外圍輔助電路，復位電路、晶振電路、濾波電路等構成。控制電路通過2引腳、3引腳與GSM（WS6138）進行控制通信發送短信。ADC為經過放大器放大后的信號輸入端。

圖6 控制器電路原理圖

2.5 GSM電路

圖7是系統的GSM電路原理圖，GSM電路以集成芯片WS6138為核心，由SIM卡外圍電路構成，通過控制器通信端口與WS1836通信端口達成通信協議，控制器下發命令讓WS6138調出短信內容，通過SIM卡電路發送短信給移動接收終端。

3 軟件設計

控制器電路軟件流程如圖8所示。包括故障發生與正常運行兩個部分。故障發生就是產生中斷響應，分析系統采集到的壓力值與程序設計的壓力閥值之間關系是否異常，對異常信號進行標注，再一次判斷是否是工況引起的異常，若確定是泄漏引起的異常，則產生中斷響應去執行控制命令，待處理完故障以后再進行系統故障恢復；正常運行時系統不產生中斷響應。采用前后臺的設計思路，在中斷里面處理事件標志，主流程序中檢測標志處理具體事務，程序有了很強的健壯性。

4 串口仿真調試

4.1 測試條件

利用裝配好的智能防盜監控系統控制板，實驗室直流電壓源為控制板提供12V直流電壓，然后檢測各個模塊電壓是否正常，待檢測所有電壓正常以后，在控制板底端插上已注冊的SIM卡，最后利用USB轉串的數據線連接電腦與控制板MCU的串口通信端。

圖7 GSM電路原理圖

圖8 控制器電路軟件流程圖

4.2 測試步驟

• 1）打開控制板第一級電源開關（總電源開關），插上電源直流電壓源為控制板供電，觀察指示燈是否正常點亮，并測試此電壓是否為12V。
• 2）打開控制板第二級電源開關（控制器模塊、放大模塊電源），觀察指示燈是否正常點亮，并測試控制器電壓是否為3.3V，放大器電壓是否為3.8V。
• 3）打開控制板第三極電源開關（GSM模塊電源），觀察指示燈是否正常點亮，并測試控制器電壓是否為2.8V。
• 4）關閉總電源開關，插上SIM卡，連接好USB轉串數據線，打開STC-isp程序下載軟件，選好控制器類型、COM端口、波特率設置等，此時可下載已編譯好的程序。
• 5）成功下載程序后，證明我們搭建的串口電路正常，關閉STC-isp下載軟件，以免和串口調試軟件相沖突；打開串口調試軟件。

4.3 測試實驗

由于調試過程中涉及到真實的手機號碼，因此某些地方作了隱藏處理。

• 調試模塊上的SIM卡，成都移動手機卡信息中心：+8613800280500；號碼：1598205****。
• 終端手機上的SIM卡，重慶移動手機卡信息中心：+8613800230500；號碼：1375297****。

1）模塊給手機發信息測試

首先，模塊上電，打開開關指示燈常亮500ms，說明模塊開始正常工作；然后，等待指示燈60ms開/2s滅的時候，說明SIM卡注冊網絡成功，此時便可以開始實驗工作。

（1）TEXT方式發送信息。如圖9為TEXT方式發送信息截圖。

圖9 TEXT方式發送信息

• 發送：AT（回車）
• 返回：AT（回車）OK
• 發送：AT+CMGF=1（回車）
• 返回：AT+CMGF=1（回車）OK
• 發送：AT+CSCA=“+8613800280500”（回車）
• 返回：AT+CSCA=“+8613800280500”（回車）OK
• 發送：AT+CMGS=“1375297****”（回車）
• 返回：AT+CMGS=“1375297****”（回車）
• 發送：HELLO520（短息內容）
• 返回：HELLO520（短息內容）
• 發送：1A（十六進制）（回車）
• 返回：+CMGS：*** OK

（2）PDU方式發送信息。如圖10為PDU方式發送信息截圖。

• 發送：AT+CMGF=0（回車）
• 返回：OK
• 發送：AT+CMGS=27（回車）
• 返回：＞089169310808200805F011000D916831 57922740F00008AA0C6D4BD55DF27ECF5C317EEA→+CMGS 178 OK

圖10 PDU方式發送信息

2）手機給模塊發信息測試

首先，模塊上電，打開開關指示燈常亮500ms，說明模塊開始正常工作；然后，等待指示燈60ms開/2s滅的時候，說明SIM卡注冊網絡成功，此時便可以開始實驗工作。

（1）TEXT方式接收信息。圖11為TEXT方式接收信息截圖。

圖11 TEXT方式接收信息

（2）PDU方式接收信息。圖12為PDU方式接收信息截圖。

圖12 PDU方式接收信息

總結

本文進行理論推導，初步闡述了該方法的可能性，然后通過仿真分析證明了基于GSM的原油遠程管道智能防盜監控系統設計方法的正確性，不僅能夠有效解決系統信息傳輸問題，還能通過手機報警方式提醒工作人員，便于值班人員及時發現且快速解決問題。

由于系統正處于研發階段，所以文中得到的都是仿真實驗數據，真實數據還有待系統完全設計制作完成后，在實際工程中試驗才能得到最準確的數據。