利用LabVIEW和CompactRIO開發(fā)慣性檢管器

　　挑戰(zhàn):

　　尋找石油或者天然氣管道的參考位置，并確?？臻g誤差小于1米

　　解決方案:

　　通過使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和NI CompactRIO，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，以管理在石油或者天然氣管道內(nèi)部通行的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和儲存，還可以利用LabVIEW對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以獲得最終結(jié)果。

　　"借助于LabVIEW，我們很容易實(shí)現(xiàn)對PIG（檢管器）的編程，以滿足任務(wù)要求。并且，我們還使用了相同的程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)一個(gè)后處理程序，以便轉(zhuǎn)換采集的大多數(shù)數(shù)據(jù)。"PIG（檢管器）是一個(gè)用于石油和天然氣管道檢驗(yàn)的工具，它插入管道中并且借助于關(guān)內(nèi)液體流動(dòng)產(chǎn)生的壓力前進(jìn)。PIG可以檢驗(yàn)管道的變形和異常腐蝕情況，有助于排查可能造成生態(tài)事故的故障。為了降低成本并且在監(jiān)測到異常情況后盡快更換管道，我們必須要知道異?，F(xiàn)象的參考位置。慣性PIG被設(shè)計(jì)用于檢測由地形運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的管道移位。

　　由于慣性PIG在地面以下運(yùn)行，被管道所屏蔽，我們不可能獲得連續(xù)的GPS信號。所以慣性PIG必須使用INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）來測量加速度和角速度，并通過綜合的數(shù)據(jù)分析，獲得儀器的速度、位置和方向。然而，由系統(tǒng)中還夾雜了由偏移和噪音等因素造成的傳感器不精確的問題，隨著時(shí)間的推移，定位準(zhǔn)確度會(huì)下降。

　　一種避免偏移的有效方式是添加輔助測量。我們使用里程表和一些沿管道的GPS參考導(dǎo)航點(diǎn)，以便及時(shí)更新定位的位置。這些GPS標(biāo)記借助于管道外的傳感器采集到PIG通過的瞬間，并與檢管器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同步。GPS和INS的結(jié)合的測量方式被稱作GPS輔助慣性導(dǎo)航。這種結(jié)構(gòu)允許根據(jù)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的迭代狀態(tài)估計(jì)法（卡爾曼濾波器Kalman Filter）進(jìn)行軌跡的尋跡和登記。雖然設(shè)置更多GPS點(diǎn)可以減少系統(tǒng)誤差，但是這需要技術(shù)團(tuán)隊(duì)花費(fèi)更多的準(zhǔn)備時(shí)間。因此，我們選擇了更節(jié)省成本的方案。

　　執(zhí)行慣性PIG任務(wù)的計(jì)算機(jī)必須滿足一些要求，包括在啟動(dòng)之前對現(xiàn)場所有傳感器進(jìn)行復(fù)雜狀態(tài)檢查，以避免影響整個(gè)任務(wù)。它還必須在高采集頻率下，在60多個(gè)小時(shí)內(nèi)持續(xù)實(shí)現(xiàn)對20多個(gè)傳感器的管理。由于系統(tǒng)對耐溫性要求高，并且必須能夠抵御超過20G的沖擊，還需要足夠的小以放置到PIG內(nèi)部，所以目前沒有任何現(xiàn)成可用的硬盤可以在管道內(nèi)存儲這些數(shù)據(jù)。因此，我們在PIG內(nèi)實(shí)施了實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)無損耗浮點(diǎn)數(shù)據(jù)壓縮法。

　　我們采用了一個(gè)帶有現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的NI cRIO-9014控制器，它小巧靈活，抗振性好，并且功能強(qiáng)大，足以滿足PIG任務(wù)的苛刻要求。我們還使用了強(qiáng)大而易用的LabVIEW開發(fā)平臺進(jìn)行編程。圖一中展示了慣性PIG的硬件架構(gòu)。

圖1 PIG硬件架構(gòu)

　　借助于LabVIEW，我們很容易對PIG進(jìn)行編程，以滿足任務(wù)要求，并且還開發(fā)一個(gè)后處理程序，以便把采集到的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成管道中焊接點(diǎn)的參考位置。CompactRIO的FTP和TCP功能可以簡化所有采集的數(shù)據(jù)的采集，還可以使用任何計(jì)算機(jī)或者PDA遠(yuǎn)程配置任務(wù)參數(shù)。