虛擬儀器在原油管道泄漏自動(dòng)化檢測的應(yīng)用

1、課程論文題目名稱虛擬儀器在原油管道泄漏自動(dòng)化檢測的應(yīng)用學(xué)生學(xué)院_自動(dòng)化學(xué)院_ 專業(yè)班級_3_ _學(xué) 號_3_ 學(xué)生姓名_ _ _ 指導(dǎo)教師 2013年6月26日虛擬儀器在原油管道泄漏自動(dòng)化檢測的應(yīng)用摘要：簡述虛擬儀器在自動(dòng)化檢測技術(shù)中的應(yīng)用，以及壓力管道檢測技術(shù)的現(xiàn)狀。并提出基于虛擬儀器在原油管道泄漏檢測中的應(yīng)用，包括基本檢測原理，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通信系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：虛擬儀器，管道檢測，自動(dòng)化檢測1. 引言隨著城市液化氣供氣系統(tǒng)的迅速普及，傳統(tǒng)的人工管理方法已經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代的進(jìn)步和 發(fā)展。因此發(fā)展管道液化氣監(jiān)控系統(tǒng)成為液化氣供氣企業(yè)的重要任務(wù)之一。而傳統(tǒng)儀器基本上沒有擺脫獨(dú)立使用，手動(dòng)操作的模式。

2、對于較為復(fù)雜，測試參數(shù)較多的應(yīng)用場合，使用不便，局限性明顯。于是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，人們將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到儀器設(shè)計(jì)中就產(chǎn)生了儀器儀表工業(yè)跨世紀(jì)的里程碑虛擬儀器。正是鑒于虛擬儀器技術(shù)的以上優(yōu)勢，采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行壓力管道檢測平臺(tái)的上位機(jī)開發(fā)，具有方便靈活，經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，虛擬儀器技術(shù)將成為管道檢驗(yàn)檢測平臺(tái)中的一個(gè)有益嘗試。2. 虛擬儀器在自動(dòng)化檢測技術(shù)中的應(yīng)用任何測量測試儀器的主要功能都是由三大部分組成: 數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)測試分析; 結(jié)果輸出顯示。1-2而虛擬儀器也是由這三大部分組成, 不同的是虛擬儀器的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出完全由計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)來完成。因此, 只要提供一定的

3、數(shù)據(jù)采集硬件, 就構(gòu)成了基于計(jì)算機(jī)組成的虛擬測量測試儀器3。虛擬儀器通常是有計(jì)算機(jī)、硬件接口電路和軟件這三部分構(gòu)成4。虛擬儀器己經(jīng)成為越來越多測控人員的最佳選擇,這是因?yàn)樘摂M儀器系統(tǒng)能更迅捷、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地解決測控問題。隨著虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化及軟件開發(fā)環(huán)境的發(fā)展,代碼復(fù)用成為儀器編程中的基礎(chǔ), 這意味著可以避免儀器編程過程中的大量重復(fù)勞動(dòng),從而大大縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時(shí)問;可以用各種不同的模塊構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng),選擇統(tǒng)一的測控策略,這不僅會(huì)節(jié)省大量人力物力,而且己有的測試投資在未來仍能得到可靠保護(hù)。53. 壓力管道檢測技術(shù)的現(xiàn)狀壓力管道是在一定溫度和壓力下，用于運(yùn)輸流體介質(zhì)的特種設(shè)備，

4、廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、電力等行業(yè)生產(chǎn)及城市燃?xì)夂凸嵯到y(tǒng)等公眾生活之中。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市燃?xì)饧盁崃芫W(wǎng)的普及，各類管道的數(shù)量不斷增加，特別是輸送可燃?xì)?、易爆性及對人體和環(huán)境有害性介質(zhì)的壓力管道數(shù)量逐年遞增，這也使發(fā)生事故的可能性增大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前上海在用工業(yè)管道數(shù)量約為8000km，在用(建)公用管道數(shù)量約為1000km，合計(jì)9000km，對壓力管道的檢驗(yàn)檢測已經(jīng)成為十分緊迫的任務(wù)6。但由于對壓力管道進(jìn)行監(jiān)管還是近年才開始的工作，對管道的檢驗(yàn)檢測手段還十分缺乏，因?yàn)楣艿辣诒?、曲率大、高空架設(shè)或埋地、交叉密集等特點(diǎn)，檢驗(yàn)檢測工作難度也很大，對在用管道檢測和評定技術(shù)大致分為管道壁

5、厚及其內(nèi)部狀態(tài)的檢測技術(shù)、管道壁厚或流體污物含量監(jiān)測技術(shù)和泄漏檢測技術(shù)。采用常規(guī)方法需要拆換保溫或開挖地面，時(shí)間長、費(fèi)用高。目前，國外檢測壓力管道主要開發(fā)和應(yīng)用智能清管器、聲發(fā)射、磁泄漏、遠(yuǎn)紅外等技7-9。4. 基本檢測原理及相關(guān)算法基于Labview平臺(tái)，設(shè)計(jì)原油平臺(tái)的泄漏檢測系統(tǒng)，可大大減少使用傳統(tǒng)儀器儀表檢測系統(tǒng)的費(fèi)用，增加其精確性。國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的方法是負(fù)壓力波法，這是一種聲波檢測方法，壓力波指的是管道介質(zhì)中傳播的聲波。文獻(xiàn)10詳細(xì)介紹該方法的具體應(yīng)用：當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，由于管道內(nèi)外的壓差，泄漏點(diǎn)的流體迅速流失，壓力下降，泄漏點(diǎn)兩邊的液體由于壓差而向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充。這一過程依次向上下游傳

6、遞，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。根據(jù)泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差和管內(nèi)壓力波的傳播速度就可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置。并推出公式：L為管道長度，X為泄漏點(diǎn)，a為管輸介質(zhì)中壓力波的傳播速度，t為上，下游傳感器接收壓力波的時(shí)間差。10而在文獻(xiàn)11中，提出了負(fù)壓力波法有一定的局限性和較高的誤差。因?yàn)樵趯?shí)際工況中，例如啟泵，停泵，調(diào)節(jié)流量閥值等都會(huì)影響管道首末位置的平衡狀態(tài)，同樣產(chǎn)生負(fù)壓力波。所以，在檢測過程中，僅憑負(fù)壓力波可能會(huì)引起誤差，所以流量也是檢測過程的重要參數(shù)1213。在負(fù)壓力波基礎(chǔ)上再加上多傳感器融合原理。其主要目的是基于各傳感器分離的觀測信息，通過對信息的優(yōu)化到處更多

7、有用的信息，最終目的是利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢，提高整個(gè)系統(tǒng)的有效性14。并采用卡爾曼濾波算法15對管道出入口壓力這一維信號進(jìn)行信號分析并仿真。5. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)i. 硬件設(shè)計(jì)根據(jù)之前的檢測原理，我們可以知道數(shù)據(jù)的采集包括壓力數(shù)據(jù)采集和流量數(shù)據(jù)采集。文獻(xiàn)16給出一個(gè)基于LabviEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)。壓力傳感器流量傳感器數(shù)據(jù)采集卡基于labvIEW計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)顯示由管道兩端的壓力傳感器和流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測管道的數(shù)據(jù)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集卡采集流量和壓力傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)參數(shù)并輸入電腦。數(shù)據(jù)采集卡用labvieW平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，主要完成對數(shù)據(jù)采集卡采集參數(shù)的是設(shè)置，采集信號（管道壓力信

8、號和流量信號數(shù)據(jù)）波形的顯示和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。而為了有效減少誤差，在文獻(xiàn)17中，提出硬件設(shè)計(jì)中另一方案：即在傳感器和采集卡之間按順序添加，前置放大器、帶通濾波、放大電路的設(shè)計(jì)思想。因?yàn)閭鞲衅鞯淖饔檬菍⒎请娦盘栟D(zhuǎn)化為電信號，由于傳感器的輸出電壓很小，在對傳感器進(jìn)行濾波需要對其進(jìn)行前置放大，將濾除了部分噪聲的有用信號經(jīng)過放大后送到采集卡的輸入端，更具體的在，文獻(xiàn)18具體介紹了降噪的小波分析法，計(jì)算機(jī)利用labvIEW對信號進(jìn)行采集、處理和相關(guān)分析。ii. 軟件設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集方面，文獻(xiàn)19中，采用研華PCI-1710HG數(shù)據(jù)采集卡在labvIEW中的驅(qū)動(dòng)程序，因此在labvIEW中可以很方便的利用PCI-

9、1710HG進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，采集的流量和壓力數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)為波形文件，波形文件由采樣開始時(shí)間、采樣間隔時(shí)間、采樣數(shù)據(jù)組成20-21。6. 通信系統(tǒng)為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決定位原油輸送管線的泄露問題，系統(tǒng)在每個(gè)輸油站設(shè)一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，采集并處理實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（如輸油管壓力、溫度等）。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)，將異常變化的數(shù)據(jù)送往中心站計(jì)算機(jī)，中心站計(jì)算機(jī)使用輸油管道泄露定位軟件，對各站傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確定泄露點(diǎn)的位置。中心站的分析結(jié)果又通過網(wǎng)絡(luò)送往各輸油站及輸油大隊(duì)。由于各輸油站屬于三級單位，且位置偏遠(yuǎn)、分散，一直沒有接入采油廠局域網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)輸油管道自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，必須解

10、決各輸油站之間及輸油站與采油廠局域網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)問題，鑒于待接入點(diǎn)所處地理位置的特殊性，采用了無線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)方案，充分利用無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效率傳送。22-24基于無線局域網(wǎng)絡(luò)的石油管道檢測系統(tǒng)，文獻(xiàn)25給出了一個(gè)總體系統(tǒng)框圖，如下：它由位于輸送管道上輸送站（泵站）的泄漏實(shí)時(shí)信號獲取子系統(tǒng)（遠(yuǎn)端）、中心站泄漏信號識別子系統(tǒng)（中心端）與遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)三個(gè)部分組成。遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)是遠(yuǎn)端和中心端之間的紐帶，具有非常重要的作用。各輸送站的工控機(jī)將處理后的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，通過輸送站的無線網(wǎng)橋，將需發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為微波信號，通過微波天線發(fā)射出去，中心端主塔上的接收天線

11、將接收到的微波信號送入無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)橋?qū)⑽⒉ㄐ盘栟D(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號再送入采油廠有線局域網(wǎng)，即中心站中的計(jì)算機(jī)26-30。7. 結(jié)論：基于虛擬儀器labvIEW，在數(shù)據(jù)采集，顯示，存儲(chǔ)，信號處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嬗酗@示強(qiáng)大的功能，在輸油管道泄漏檢測中起到關(guān)鍵作用，費(fèi)用少，功能大，誤差小是其應(yīng)用管道檢測的優(yōu)勢。并結(jié)合數(shù)據(jù)采集，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，更好得發(fā)揮其自身拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)。在管道檢測中起到至關(guān)重要的作用。1 瞿鏨, 鄧居祁, 盛旺.虛擬儀器的初探J.長沙大學(xué)學(xué)報(bào),2006,3.2 陳思, 黃亞宇. 虛擬儀器技術(shù)概述A. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,20073 楊可曼.關(guān)于虛擬儀器應(yīng)用前景J.高等函授學(xué)報(bào)( 自然

12、科學(xué)版) , 2004,6.4 瞿鏨, 鄧居祁, 盛旺.虛擬儀器的初探J.長沙大學(xué)學(xué)報(bào),2006,3.5 黃燕梅, 韓慶瑤, 伊淑梅. Labview 的虛擬儀器技術(shù)在自動(dòng)化檢測中的應(yīng)用.中國測試技術(shù).20056 虛擬儀器平臺(tái)的壓力管道檢測技術(shù)應(yīng)用研究/info/detail/9-1158.html7 趙宏振.FLUKE744 在天然氣管道控制系統(tǒng)測試中的應(yīng)用J. 自動(dòng)化儀表, 2009,30(7): 77-788 程啟明, 楊平, 王志萍, 余潔.海底石油管道缺陷檢測爬行器的運(yùn)動(dòng)控制J. 自動(dòng)化儀表, 20039 彭杰,應(yīng)啟戛,王樹立.基于以太網(wǎng)監(jiān)控的管

13、線泄漏實(shí)驗(yàn)臺(tái)技術(shù)改造J. 自動(dòng)化儀表, 200510 李莊，王立坤，周琰.基于虛擬儀器的原油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng). 天津大學(xué)博士研究生論文.200711石小琳，孫志毅，何秋生，孫旭輝. 信息融合在輸油管道泄漏檢測中的應(yīng)用研究A.自動(dòng)化儀器儀表，第32卷第7期.2011.712鄭杰，吳荔清等.輸油管道泄漏自動(dòng)檢測裝置的研制J.遙測遙控.2007,22-313江崇禮，孟慶操，董明.管道泄漏的壓力測量診斷方法實(shí)驗(yàn)研究J.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，1998,38(1):101-10414何友,王國宏,陸大金,等. 多個(gè)傳感器信息融合及應(yīng)用J. 北京：電子工業(yè)出版社,2000.15朱愛華. 卡爾曼濾波和

14、序貫概率比檢驗(yàn)在管道泄漏檢驗(yàn)中的應(yīng)用D.天津：天津大學(xué). 200616胡瓊，范世東. 基于虛擬儀器的管道流量和壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng). 交通信息與安全，第5期第27卷. 2009.17張青春. 相關(guān)分析在地下蒸汽管道泄漏檢測中的應(yīng)用. 18蔡培生. 基于小波分析和虛擬儀器的管道泄漏檢測研究. 西安石油大學(xué)，博士論文. 19張青春. 相關(guān)分析在地下蒸汽管道泄漏檢測中的應(yīng)用. 20雷振山，趙晨光. 虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)J. 微計(jì)算機(jī)信息. 2006.21Bitter R, Mobiuddin T, Nawrocki. Labview Advanced Programming TechniquM. Boca Raton: CRC Press, 2001 22陳悅，呂琛，王桂增. 基于scada的輸油管線泄漏檢測系統(tǒng). 自動(dòng)化儀表.200323吳巨紅，陳曾平. 無線局域網(wǎng)技術(shù)及其遠(yuǎn)程目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用. 計(jì)算機(jī)工程. 200324張瓊生. 無線局域網(wǎng)在輸油管道泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用. 華東石油大學(xué)學(xué)報(bào). 25朱建林等. 基于無線局域網(wǎng)輸油管道泄漏的檢測盒定位. 自動(dòng)化儀表：第27卷第6期. 2006.26 朱昌洪, 張紅梅, 周達(dá), 董斌.無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)