基于LabVIEW的管道泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)

2004年10月A版
摘   要： 基于LabVIEW，利用數(shù)據(jù)采集卡PCI－6023E連續(xù)地采集壓力、流量、溫度等參數(shù)，監(jiān)視管道運(yùn)行狀況，通過電話線路及局域網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸方式構(gòu)成實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，建立了一個(gè)完備的分布式測(cè)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于不同現(xiàn)場(chǎng)。
關(guān)鍵詞： 管道；泄漏監(jiān)測(cè)；LabVIEW；數(shù)據(jù)傳輸

引言
管道運(yùn)輸業(yè)是與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并架齊驅(qū)的五大運(yùn)輸行業(yè)之一。隨著管道運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，各種監(jiān)測(cè)技術(shù)也隨之發(fā)展。管道泄漏監(jiān)測(cè)方法有內(nèi)部檢測(cè)法和外部檢測(cè)法。其中，外部檢測(cè)法又包括流量平衡法、壓力差法、化學(xué)方法、應(yīng)力波法、實(shí)時(shí)模型法和負(fù)壓波法等，這些方法的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合各不相同。
近年來(lái)，我國(guó)的原油泄漏主要是因?yàn)槿藶槠茐脑斐傻?，特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短、泄漏量較大，屬于突發(fā)性事故，因此我們采用負(fù)壓力波檢測(cè)法。我們使用NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，設(shè)計(jì)并不斷完善了基于虛擬儀器的原油管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于勝利油田和中石化管道儲(chǔ)運(yùn)濰坊輸油公司等集輸管網(wǎng)和長(zhǎng)輸管線上，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

圖1  監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

圖2  VISA屬性調(diào)制解調(diào)器通訊程序示意圖

負(fù)壓力波泄漏監(jiān)測(cè)與定位原理
負(fù)壓力波法是一種聲學(xué)方法，所謂壓力波實(shí)際是在管輸介質(zhì)中傳播的聲波。當(dāng)管道突然發(fā)生泄漏時(shí)，相當(dāng)于泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負(fù)壓力波向管道的兩端傳播，負(fù)壓波中包含有泄漏的信息，通過檢測(cè)負(fù)壓波可以檢測(cè)泄漏的發(fā)生，并根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到管道兩端的時(shí)間差進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。該方法具有很快的反應(yīng)速度和較高的定位精度，是一種受到廣泛重視的定位方法。
由下式可計(jì)算出泄漏點(diǎn)位置：
     (1)
其中a為管輸介質(zhì)中壓力波的傳播速度，Dt為上、下游傳感器接收壓力波的時(shí)間差，L為管道長(zhǎng)度。
此公式的前提是壓力波速為常數(shù)，對(duì)于國(guó)外來(lái)講，大多是輕質(zhì)油，常溫輸送即可，原油的密度沿管線變化不大，所以波速可以看作常數(shù)。而我國(guó)的原油具有高粘度、高含蠟和高凝點(diǎn)的特點(diǎn)，必須加熱輸送。從而導(dǎo)致壓力波的傳播速度并不是一個(gè)常數(shù)，受溫度影響很大?？紤]到液體的彈性、密度和管材的彈性的因素，壓力波傳播速度a應(yīng)改寫為：
   (2)
式中：
a — 管內(nèi)壓力波的傳播速度，m/s；
K — 液體的體積彈性系數(shù)，Pa；
r — 液體的密度，kg/m3；
E — 管材的彈性，Pa；
D — 管道直徑，m；
e — 管壁厚度，m；
C1 — 與管道約束條件有關(guān)的修正系數(shù)；
t — 溫度，℃。
除了考慮溫度因素的影響以外，根據(jù)我國(guó)的現(xiàn)狀，由于只能在站內(nèi)安裝一臺(tái)壓力變送器，所以僅靠壓力是不能判斷負(fù)壓波是站內(nèi)產(chǎn)生的還是站外產(chǎn)生的。而流量變化對(duì)于泄漏和站內(nèi)操作具有不同性質(zhì)，通過分析流量變化就可以甄別負(fù)壓波的來(lái)源。
基于以上考慮，我們采取壓力流量聯(lián)合判斷的方法，分別在管道的出口和進(jìn)口加裝合適量程的壓力變送器、溫度變送器和流量變送器，連續(xù)采集原油的壓力、溫度和流量，監(jiān)視管道的運(yùn)行狀況。我們選用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6023E，利用其兩路模擬量單端輸入和一個(gè)通用24位計(jì)數(shù)器。從功能、價(jià)格和開發(fā)周期等因素來(lái)考慮，這款采集卡都非常適合我們的要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以滄州－河間長(zhǎng)輸管線的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例介紹一下整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的組成如圖1，由安裝于臨邑、德州、東光、滄州、和河間的五套子站裝置和滄州調(diào)度室的中心站裝置兩個(gè)部分組成。各站的裝置包括壓力傳感器、溫度傳感器、工控機(jī)、信號(hào)采集卡和調(diào)制解調(diào)器等。
輸油管道特別是長(zhǎng)輸管道，距離一般都較長(zhǎng)，各站之間的距離也較長(zhǎng)，以臨邑－滄州－河間長(zhǎng)輸管線為例，管道全長(zhǎng)260公里，總共五個(gè)站，兩站之間的距離在40~50公里之間。由于滄州站與滄州中心站在一起，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的距離相差不過幾百米，采用網(wǎng)卡互聯(lián)形成局域網(wǎng)，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，其余各站與滄州中心站采用輸油公司內(nèi)部已有的微波通訊設(shè)施，使用高性能的調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。各子站的壓力、溫度等數(shù)據(jù)除保存在本站的計(jì)算機(jī)上外，還實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行恼?。中心站?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各站運(yùn)行狀況，并將數(shù)據(jù)存檔，供管理人員分析。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很重要的特點(diǎn)是要綜合各子站的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否有泄漏發(fā)生，特別是必須有相應(yīng)兩站的數(shù)據(jù)才能定位泄漏點(diǎn)。
根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)子站要求實(shí)時(shí)地將采集的數(shù)據(jù)傳送到中心站的特點(diǎn)和管道部門已有的通訊設(shè)施，系統(tǒng)中采用了兩種數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方式：對(duì)于同中心站有網(wǎng)絡(luò)連接的子站，計(jì)算機(jī)之間形成局域網(wǎng)，使用網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；對(duì)于通過電話線進(jìn)行通訊的子站，使用調(diào)制解調(diào)器和電話線連接，子站將采集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地傳送到中心站。在LabVIEW平臺(tái)下開發(fā)網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議通訊和調(diào)制解調(diào)器通訊程序相比其它語(yǔ)言高效、簡(jiǎn)潔、速度快。
LabVIEW平臺(tái)下開發(fā)調(diào)制解調(diào)器通訊程序一般使用AT命令和虛擬儀器VISA接口較為方便，編制的程序較為靈活。AT命令建立調(diào)制解調(diào)器之間的連接，計(jì)算機(jī)通過串口VISA特性獲得調(diào)制解調(diào)器線路狀態(tài)和與之交換數(shù)據(jù)，圖2是計(jì)算機(jī)通過COM1(ASRL1::INSTR)獲得調(diào)制解調(diào)器的線路CTS、DCD、DSR等狀態(tài)和讀取串口所存在字節(jié)的框圖程序。
調(diào)制解調(diào)器本身具有很好的數(shù)據(jù)壓縮、糾錯(cuò)協(xié)議，對(duì)于數(shù)據(jù)傳送過程中仍可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)、每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量不大的特點(diǎn)，系統(tǒng)采取了一種簡(jiǎn)單的發(fā)送數(shù)據(jù)+ 數(shù)據(jù)校驗(yàn)和+結(jié)束標(biāo)志的校驗(yàn)方法。實(shí)際運(yùn)行表明，此方法能較好的達(dá)到系統(tǒng)的要求。
如果具備網(wǎng)絡(luò)通訊條件，子站和中心站之間的通訊可采用Client/Server結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)中，任何為其它計(jì)算機(jī)提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)被稱為Server，而利用這些服務(wù)的計(jì)算機(jī)則稱為Client。子站運(yùn)行Server程序，中心站運(yùn)行Client程序，子站計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過Client與Server程序建立的連接實(shí)時(shí)地傳送到中心站計(jì)算機(jī)。在LabVIEW下開發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序無(wú)需對(duì)TCP/IP協(xié)議的細(xì)節(jié)了解很多，用戶可根據(jù)編程參考和用戶手冊(cè)編寫復(fù)雜的程序。

系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件包括信號(hào)采集、泄漏判斷、GPS校時(shí)、調(diào)制解調(diào)器通訊、漏點(diǎn)定位等幾大部分。信號(hào)采集部分采集數(shù)據(jù)，將信號(hào)的變化情況在趨勢(shì)圖中顯示，并將數(shù)據(jù)保存下來(lái)。泄漏判斷部分綜合運(yùn)用負(fù)壓波法、流量差法、壓力梯度法等多種管道泄漏檢測(cè)方法對(duì)采集到的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，確定是否有泄漏發(fā)生。為了統(tǒng)一各子站中計(jì)算機(jī)的時(shí)間，我們采用了GPS校時(shí)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)使用的GPS接收器輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用NMEA-0183(Ver 2.0)4800波特率，數(shù)據(jù)電平為TTL，每秒輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖和含有時(shí)間信息的數(shù)據(jù)流，我們?cè)赩isual C++6.0環(huán)境下編寫了讀出GPS數(shù)據(jù)流、校正計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間的程序。為防止計(jì)算機(jī)時(shí)間芯片的漂移，我們?cè)谥鞒绦蛑忻恳恍r(shí)調(diào)用一次時(shí)間校正程序，采用動(dòng)態(tài)調(diào)用的方式，占用內(nèi)存少，而且工作穩(wěn)定可靠。調(diào)制解調(diào)器通訊部分負(fù)責(zé)將子站的壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼尽Ｂc(diǎn)定位部分是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵部分，漏點(diǎn)定位部分運(yùn)用了Signal Processing Toolset軟件包里提供的小波分析等信號(hào)處理技術(shù)準(zhǔn)確地檢測(cè)出信號(hào)的奇異點(diǎn)的特性，在實(shí)際應(yīng)用中能精確地定出泄漏點(diǎn)的位置。
在程序編制上采用了LabVIEW平臺(tái)上構(gòu)造復(fù)雜多任務(wù)并行應(yīng)用程序的技術(shù)，針對(duì)平臺(tái)的多任務(wù)調(diào)度，盡量的使用動(dòng)態(tài)調(diào)用，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)可靠。
用戶對(duì)系統(tǒng)的操作都設(shè)計(jì)為菜單操作，每一項(xiàng)菜單都通過VI Server的方法動(dòng)態(tài)調(diào)用，這樣既節(jié)省內(nèi)存，又使程序結(jié)構(gòu)清晰，模塊化好?，F(xiàn)場(chǎng)還有其他PLC系統(tǒng)，采用DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)作為與其他系統(tǒng)的接口。

結(jié)語(yǔ)
基于LabVIEW平臺(tái)的管道泄漏監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)可以快速發(fā)現(xiàn)泄漏，確定泄漏位置，它已在多條管線上安裝并正常運(yùn)行。我們經(jīng)過多年的理論研究和大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研制安裝了多種適合不同情況的管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著管道工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，管道泄漏監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)必將有更大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
1.  LabVIEW User Manual, National Instruments [M]. National Instruments Corporation，1998.
2.  Signal processing Toolset Reference Manual [M]. National Instruments Corporation，1999.
3. 楊福生，‘小波變換的工程應(yīng)用分析’，科學(xué)出版社，2000.