輸油管道負(fù)壓波檢漏系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控主界面

1、輸油管道負(fù)壓波檢漏系統(tǒng):動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控主界面摘 要：管道運(yùn)輸業(yè)與鐵路、公路、航空、水運(yùn)成為并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸行業(yè), 是石油和天然氣產(chǎn)品的主要運(yùn)輸方式，是國(guó)家的能源動(dòng)脈。因此，安全是油氣管道的生命。泄漏是影響油氣管道安全的主要因素。對(duì)管道泄漏檢測(cè)方法的研究自上世紀(jì)70年代以來(lái)己有三十幾年的歷史，嘗試了各種新的方法和手段。從簡(jiǎn)單的人工分段沿管線巡視發(fā)展到較為復(fù)雜的軟硬件相結(jié)合的方法，不斷提高管線泄漏檢測(cè)的靈敏度和定位準(zhǔn)確度。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外輸油管道泄漏檢測(cè)的研究狀況，對(duì)泄漏檢測(cè)及定位技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)OPC服務(wù)器，利用負(fù)壓波檢漏原理對(duì)輸油管道泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文以組態(tài)王作為開發(fā)工具，在深入研究O

2、PC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)基于OPC的監(jiān)控軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開發(fā)。所設(shè)計(jì)的基于OPC的監(jiān)控軟件可以與多種OPC服務(wù)器進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控軟件與多種現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。但由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)條件，我們用歷史數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，設(shè)計(jì)了監(jiān)控軟件的主畫面，并成功完成了系統(tǒng)的模擬聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了輸油管道流量、壓力的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及查看歷史曲線和報(bào)表生成等操作,實(shí)現(xiàn)了輸油管道泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：泄漏檢測(cè)；負(fù)壓波檢漏技術(shù)；OPC；監(jiān)控軟件Negative pressure wave of oil pipeline leak detection system, dynamic database

3、and monitor main interfaceAbstract: As one of the most important five means of transportation, pipeline transportation has become the artery of national economy modern enterprise. Therefore, security becomes significant. Leakage is a major factor affecting the safety of oil and gas pipelines. The st

4、udy of pipeline leak detection method ,which has a history of 30 years, has tried a variety of new methods and means since the 1970 s. From simple manual inspection section to more complex Software-Hardware method, we continuously search the way to improve the sensitivity of pipeline leak detection

5、and positioning accuracy. The research status of pipeline leakage detection technology home and abroad is summarized in this thesis. In this paper, we use King-view as a development tool to carry out the design and development on the OPC client software Program based on in-depth study of OPC Data Ac

6、cess specification. Using negative pressure wave theory to complete the leakage detection via OPC. The designed OPC monitoring software can connect with multiple OPC server and can read and write data from OPC Server , realizing the data transmission between monitoring software and multiple field co

7、ntrol devices. in consideration of the lack of the field condition, we used the historical data as data resource to design the main picture of the monitoring software ,meanwhile, we conducted the simulation of the system, the operation of displaying field data real-timely, alarming, watching history

8、 curve and report, and the pipeline leakage monitoring on site.Key words: leak detection; Negative pressure wave leak detection technology; OPC; Monitoring Software目 錄第1章緒論11.1課題的意義11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀21.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀71.3管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)7第2章輸油管道負(fù)壓波檢漏系統(tǒng)的研究92.1輸油管道泄漏檢測(cè)的方法92.1.1流量平衡法判斷原理92.1.2負(fù)壓波檢漏定位原理92.1

9、.3負(fù)壓波檢漏系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)102.2負(fù)壓波檢漏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)122.2.1參數(shù)給定12第3章動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立133.1關(guān)于OPC的研究133.1.1OPC的介紹133.1.2OPC技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)153.1.3OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范簡(jiǎn)介153.1.4OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范3.0版的優(yōu)點(diǎn)173.1.5OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式183.2基于OPC的數(shù)據(jù)庫(kù)建立183.2.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)183.2.2基于OPC的數(shù)據(jù)庫(kù)19第4章監(jiān)控主界面的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的模擬聯(lián)調(diào)234.1數(shù)據(jù)錄入234.1.1變量定義234.1.2讀取數(shù)據(jù)234.2監(jiān)控主界面24總結(jié)27參考文獻(xiàn)28致謝30西安石油大學(xué)本科畢業(yè)

10、設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 課題的意義管道運(yùn)輸是一種新興，經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，尤其在輸送氣體，液體等具有天然優(yōu)勢(shì)。特別是在輸油氣物料時(shí)，管道具有平穩(wěn)連續(xù)，安全性好，運(yùn)輸量大，質(zhì)量易保證，物料損失少以及占地少，運(yùn)費(fèi)低等特點(diǎn)，己成為了油氣輸送的首選方式。世界上第一條運(yùn)輸管道建于18世紀(jì)中葉，1865年美國(guó)建成了世界上第一條輸油管道。隨著現(xiàn)代化工業(yè)大發(fā)展，輸油管道被大量建造。目前，全世界己有輸油管道200多萬(wàn)公里，并且以每年4萬(wàn)公里的速度遞增，承擔(dān)了95%以上的原油輸送任務(wù)。經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，管道運(yùn)輸業(yè)己成為與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸行業(yè)之一, 是石油和天然氣產(chǎn)品的主要運(yùn)輸方式，是

11、國(guó)家的能源動(dòng)脈。因此，安全是油氣管道的生命。泄漏是影響油氣管道安全的主要因素。產(chǎn)生泄漏的原因主要有以下四大類型：-管道腐蝕和磨損；-工程設(shè)計(jì)有限；-第三方無(wú)意識(shí)的破壞；-有意破壞。一些產(chǎn)品可能具有腐蝕性，這樣管子也許會(huì)在一段時(shí)間后就被腐蝕掉一部分了，或者大氣效應(yīng)也會(huì)造成外部損壞。這些原因毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)造成管道的腐蝕，并會(huì)使腐蝕加劇。如果管道被設(shè)計(jì)了一定的最大溫度和壓力，那么在過(guò)高壓力和溫度下自然會(huì)導(dǎo)致泄漏。假設(shè)管線大量未知的腐蝕，那么問(wèn)題就會(huì)很嚴(yán)峻了。第三方無(wú)意識(shí)的破壞是指在管線附近進(jìn)行挖掘或建造。通常發(fā)生在未明顯標(biāo)注地下管道的地方，有時(shí)也會(huì)被大量或少量的工廠器械破壞。蓄意破壞一般就是不法分子為牟

12、取暴利，盜油所造成的破壞。管道的泄漏不僅影響正常的生產(chǎn),造成能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失,而且由于所輸介質(zhì)的危險(xiǎn)性和污染性,一旦發(fā)生事故還會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染和巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。想必大家對(duì)2013年“1122”事件一定有所聽聞。11月22日，在黃島發(fā)生了中石化東黃石油管道泄漏爆炸事故，造成了55人死亡， 9人失蹤， 166人受傷，是國(guó)內(nèi)輸油管道的重大事故。東黃輸油管道泄漏事故的直接起因正是輸油管線與排水暗渠交匯處的管線腐蝕很嚴(yán)重，導(dǎo)致原油泄漏并流入暗渠。我國(guó)長(zhǎng)輸管線中相當(dāng)一部分己經(jīng)步入哀老期，油氣管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)1986年以前油田管線平均穿孔率為0.66次/(公里年)。如果能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就能

13、有效地減少泄漏事故造的危害。我國(guó)的各次泄漏事故中除了自然腐蝕穿孔漏油和外部機(jī)械撞擊等因素外，人為打孔破壞管道的事故占相當(dāng)大的比例。目前我國(guó)大慶、勝利、大港、遼河、華北、中原等油田，很多管線己達(dá)設(shè)計(jì)年限，正處于超齡服役階段。特別是有些在文革期間修建的管道，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量和管道防腐狀況均較差，較常發(fā)生泄漏事故。打孔盜油的不法分子一般在夜間打孔，安裝閥門，盜油，且管道埋地較深，盜油現(xiàn)場(chǎng)處理得很隱蔽。通過(guò)常規(guī)的巡線檢測(cè)方法很難找到盜油點(diǎn)，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏事故，減少油汽損失，維護(hù)管道的正常運(yùn)行，同時(shí)打擊猖撅的盜油犯罪，除了從立法上加強(qiáng)保護(hù)外，技術(shù)上也給泄漏檢測(cè)提出了更高的要求。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)管道

14、泄漏檢測(cè)方法的研究自上世紀(jì)70年代以來(lái)己有三十幾年的歷史，嘗試了各種新的方法和手段。從簡(jiǎn)單的人工分段沿管線巡視發(fā)展到較為復(fù)雜的軟硬件相結(jié)合的方法，不斷提高管線泄漏檢測(cè)的靈敏度和定位準(zhǔn)確度。但由于監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性，如管道輸送介質(zhì)的多樣性，管道所處環(huán)境(地上、管溝、埋地、海底)的多樣性，以及泄漏形式的多樣性(泄漏、穿孔、斷裂等)，使得目前還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單可靠、通用的方法解決管道泄漏檢測(cè)問(wèn)題。1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外輸油管道管理先進(jìn)的國(guó)家,如美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等，自上世紀(jì)70年代以來(lái)，己經(jīng)在許多油氣管道系統(tǒng)中安裝了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)管道泄漏檢測(cè)方法的研究已有幾十年的歷史，但由于檢測(cè)的復(fù)雜性，如管道輸送介質(zhì)

15、的多樣性，管道所處的環(huán)境(如地上、管溝、埋地、海底)的多樣性，以及泄漏形式的多樣性(滲漏、穿孔、斷裂等)，使得目前還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單可靠、通用的方法解決管道泄漏檢測(cè)問(wèn)題。國(guó)外一些較發(fā)達(dá)國(guó)家從70年代末己經(jīng)開始對(duì)管道泄漏故障進(jìn)行了研究，80年代末進(jìn)入較實(shí)用的商品階段馬小林，王澤根，謝靜文. 負(fù)壓波在管道泄漏檢測(cè)與定位中的應(yīng)用J. 管道技術(shù)與設(shè)備,2013,3:17-20 .。目前，國(guó)外的輸油管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)己趨成熟。譬如殼牌公司(SHELL)在九十年代中期提出了使用序列概率比試驗(yàn)(SPRT)方法進(jìn)行泄漏定位，美國(guó)DETXE公司近年開發(fā)出來(lái)監(jiān)測(cè)流量的Series2000長(zhǎng)輸管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。但是這些國(guó)

16、際大公司的產(chǎn)品由于價(jià)格高昂,脫離了國(guó)內(nèi)各油田的經(jīng)濟(jì)實(shí)際,從而制約了這些產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)各油田的推廣應(yīng)用。常見的輸油管道檢漏方法基本上可以分為兩類，一類是基于硬件的檢測(cè)方法，另一類是基于軟件的檢測(cè)方法。1、 基于硬件的方法基于硬件的方法(hardware- based methods)是指利用由各種不同的物理原理設(shè)計(jì)的硬件裝置，如基于視覺(jué)的紅外溫度傳感器，基于聽覺(jué)的超聲波傳感器，基于嗅覺(jué)的碳氧檢測(cè)裝置等，將其攜帶或鋪設(shè)在管道上，以此來(lái)檢測(cè)管道泄漏并定位的方法。（1） 生物檢漏法由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員攜帶檢測(cè)儀器設(shè)備或經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的動(dòng)物通過(guò)氣味、聲音、環(huán)境狀況等因素尋找管道及其周邊的異?，F(xiàn)象，判斷和確定管道的運(yùn)

17、行和泄漏狀態(tài)。美國(guó)OIL TON公司開發(fā)出一種機(jī)載紅外檢測(cè)技術(shù)，由直升飛機(jī)攜帶一高精度紅外攝像機(jī)沿管道飛行，通過(guò)分析輸送物資與周圍土壤的細(xì)微溫差確定管道是否泄漏。這類方法直接準(zhǔn)確且不受管道自動(dòng)化程度及通信系統(tǒng)的限制，但缺點(diǎn)是不能對(duì)管道進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)泄漏的實(shí)時(shí)性差。（2） 智能清管器檢漏法智能清管器是基于超聲波、漏磁、聲發(fā)射等無(wú)損探傷原理以及錄像觀察的儀器，它的四周裝有多個(gè)探頭，可進(jìn)入管道內(nèi)部實(shí)時(shí)檢測(cè)管道內(nèi)腐蝕、機(jī)械損傷的程度和位置，為預(yù)測(cè)和判斷是否泄漏提供依據(jù)，使管道泄漏檢測(cè)的可靠性和靈敏度得到了提高。漏磁檢測(cè)器檢漏法。通過(guò)對(duì)管壁施加一個(gè)強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)鋼管金屬對(duì)磁場(chǎng)的損耗，用對(duì)泄漏磁通敏感

18、的傳感器檢測(cè)局部金屬損耗引起的磁場(chǎng)擾動(dòng)所形成的漏磁來(lái)分析管道的破損情況。該技術(shù)簡(jiǎn)單、方便且費(fèi)用低，不論液體、氣體還是氣液兩相流體均能檢測(cè)。但檢測(cè)精確度低，對(duì)管材敏感。超聲波檢測(cè)器檢漏法。利用超聲波投射技術(shù)，即短脈沖之間的渡越時(shí)間被轉(zhuǎn)換為管壁的壁厚，當(dāng)有泄漏發(fā)生時(shí)，鋼管壁內(nèi)的渡越時(shí)間減少為零，據(jù)此可判斷泄漏的發(fā)生。其檢測(cè)精度高，能提供定量、絕對(duì)數(shù)據(jù)，并且很精確。但該方法使用比較復(fù)雜，費(fèi)用高。此外，智能清管器還有內(nèi)徑規(guī)清管器和英國(guó)天然氣在線檢測(cè)中心研制的核子源清管器等。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，智能清管器只適用于沒(méi)有太多彎頭和連接處的大口徑管道。（3） 電纜泄漏檢測(cè)法電纜泄漏檢測(cè)法多用于液態(tài)烴類燃料的泄漏

19、檢測(cè)，其原理是將特殊的泄漏檢測(cè)電纜(該電纜能與管道輸送的介質(zhì)發(fā)生某種物理或化學(xué)反應(yīng))沿管道設(shè)置，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，電纜發(fā)生劣化并被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或光信號(hào)輸出，通過(guò)特定儀器即可確定泄漏情況。以下為目前國(guó)內(nèi)外用于檢測(cè)的電纜類型: 油溶性電纜。油溶性電纜是由透油不透水的材料制成的沿管道鋪設(shè)的同軸電纜。從電纜一端發(fā)射脈沖，脈沖碰到被油浸透的電纜時(shí)會(huì)反射信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)反射脈沖信號(hào)，可檢測(cè)管道泄漏位置。滲透性電纜。通過(guò)對(duì)電纜與滲漏油接觸發(fā)生的電纜阻抗分布參數(shù)的測(cè)量即可確定管道狀態(tài)及滲漏位置。分布式碳?xì)浠衔飩鞲衅麟娎|。這種電纜由報(bào)警模塊和傳感電纜兩大部分組成。當(dāng)有泄漏發(fā)生時(shí)，傳感電纜中具有導(dǎo)電作用的聚合體層

20、接觸到碳?xì)浠衔锶軇┖腿剂虾笈蛎?，?dǎo)致兩側(cè)傳感線接觸構(gòu)成回路，通過(guò)測(cè)得傳感導(dǎo)線回路電阻可確定泄漏的位置。電纜泄漏檢測(cè)法能夠快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)管道的微小滲漏及其滲漏位置，但其必須沿管道鋪設(shè)，施工不方便，另外電纜造價(jià)昂貴，施工費(fèi)用高，被泄漏物質(zhì)沾染后需及時(shí)更換。（4） 管內(nèi)探測(cè)球法管內(nèi)探測(cè)球是一種基于漏磁技術(shù)或超聲波技術(shù)的探測(cè)工具，它可以在管道內(nèi)隨介質(zhì)漂流并對(duì)管壁進(jìn)行檢測(cè)。管內(nèi)探測(cè)球敏感性好，定位準(zhǔn)確，但無(wú)法連續(xù)檢測(cè)，且價(jià)格昂貴，容易發(fā)生堵塞事故。（5） 半滲透檢測(cè)管法半滲透檢測(cè)管埋設(shè)在管道上方，氣體可通過(guò)管內(nèi)的乙烯基醋酸醋(EVA)薄膜滲透進(jìn)入管內(nèi)，并被氣泵吸到監(jiān)控站進(jìn)行成分檢測(cè)。這種方法檢測(cè)響應(yīng)

21、時(shí)間快，但費(fèi)用較高，而且土壤中的沼氣等氣體可能會(huì)造成誤報(bào)警。（6） 光纖泄漏檢測(cè)法用光纖傳感器檢測(cè)管道泄漏的方法是根據(jù)管道中輸送的熱物質(zhì)泄漏會(huì)引起周圍環(huán)境溫度的變化，利用分布式光纖溫度傳感器連續(xù)測(cè)量沿管道的溫度分布，當(dāng)沿管道的溫度變化超過(guò)規(guī)定范圍即可確定油氣泄漏的發(fā)生。（7） 示蹤劑泄漏檢測(cè)法在管道所輸送的流體中摻入液體示蹤劑，當(dāng)管道泄漏時(shí)，流出的流體中的示蹤劑揮發(fā)，并通過(guò)分子擴(kuò)散彌漫到周圍的土壤中，搜集這些氣體并分析檢測(cè)管道的泄漏。但該法檢測(cè)反應(yīng)速度較慢，檢測(cè)周圍環(huán)境的變化工作量較大，不能精確定位。（8） 聲發(fā)射法預(yù)先將聲音傳感器安裝在管道壁外側(cè)，如果管道發(fā)生泄漏，就會(huì)在漏點(diǎn)產(chǎn)生噪聲，并被安

22、裝在管道外壁上的聲音傳感器接收、放大，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理成相關(guān)的聲音全波形，通過(guò)對(duì)全波形的分析達(dá)到監(jiān)測(cè)管道泄漏狀況和定位漏點(diǎn)位置的目的。此技術(shù)適合于管內(nèi)流量低、壓力高的管道。在檢測(cè)埋地管道方面，聲發(fā)射技術(shù)較其他一些檢測(cè)方法具有更高的靈敏度，對(duì)泄漏源的定位也很精確。（9） 微波技術(shù)微波具有較強(qiáng)的穿透能力，利用微波的這一特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)埋地管道的精確定位檢測(cè)，其可探深度達(dá)2030 m。在地下0.51.5 m的淺層區(qū)域，對(duì)管道的定位精度可以達(dá)到25 cm，微波檢測(cè)還具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)黃山田，王朝暉，張來(lái)斌, 等. 基于微波技術(shù)的輸氣管道泄漏檢測(cè)方法J. 石油機(jī)械, 2006,

23、34(1) : 67-70 .。國(guó)外開發(fā)的探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是微波技術(shù)的一種應(yīng)用。但由于土壤結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)微波的傳播產(chǎn)生一定的消極影響，造成散射、衰減，所以利用微波技術(shù)進(jìn)行埋地管道保護(hù)層的不開挖檢測(cè)還有很大的難度。（10） 遙感泄漏檢測(cè)法主動(dòng)檢測(cè)法。應(yīng)用激光源照射被調(diào)查的管道線路，該技術(shù)通過(guò)測(cè)量發(fā)生泄漏的管道生成的氣體云團(tuán)吸收激光產(chǎn)生的能量差來(lái)判斷管道泄漏和確定管道泄漏的位置。被動(dòng)檢測(cè)法(熱輻射檢測(cè))。通過(guò)發(fā)生泄漏的管道氣體在大氣環(huán)境中形成的云團(tuán)內(nèi)部與此云團(tuán)外部存在著溫度差(或者是輻射能力差)來(lái)判斷管道泄漏和確定管道泄漏的位置。2、基于軟件的方法基于軟件的方法(software- based meth

24、ods)是根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如SCADA系統(tǒng))實(shí)時(shí)采集管道的流量、壓力、溫度及其他數(shù)據(jù)，利用流量或壓力的變化、物料或動(dòng)量平衡、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、壓力梯度等原理，通過(guò)計(jì)算對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)和定位。（1） 基于信號(hào)處理的方法體積/質(zhì)量平衡法。管道在正常運(yùn)行狀態(tài)下，其輸入和輸出質(zhì)量應(yīng)該相等，泄漏必然產(chǎn)生量差。體積或質(zhì)量平衡法是最基本的泄漏探測(cè)方法，可靠性較高。該方法可以直接利用己有的流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力表等測(cè)量?jī)x器，能連續(xù)監(jiān)測(cè)管道，并發(fā)現(xiàn)微小泄漏。但是由于管道本身的彈性及流體性質(zhì)變化等多種因素影響，所以精度不高。負(fù)壓波法。當(dāng)管道某處突然發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏處將引起瞬態(tài)壓力突降，形成一個(gè)負(fù)壓波。設(shè)置在泄漏

25、點(diǎn)兩端的傳感器根據(jù)壓力信號(hào)的變化和泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波傳播到上下游的時(shí)間差，就可以確定泄漏位置。該方法靈敏準(zhǔn)確，無(wú)須建立管道的數(shù)學(xué)模型，原理簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。但它要求泄漏的發(fā)生是快速突發(fā)性的。目前針對(duì)該方法對(duì)微小緩慢泄漏不是很有效的情況給出了改進(jìn)算法。同時(shí)，采用小波變換技術(shù)提取瞬態(tài)負(fù)壓波的信號(hào)，對(duì)兩端的測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行特征點(diǎn)捕捉，從而提高了該方法的檢測(cè)精度。另外，在應(yīng)用負(fù)壓波法進(jìn)行泄漏定位時(shí)，為了精確測(cè)量時(shí)間差，可以采用基于GPS( Global Positioning System)時(shí)間標(biāo)簽的管道泄漏定位方法。GPS輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖和含有時(shí)間信息的數(shù)據(jù)流強(qiáng)化各傳感器采集的信號(hào)同步，通過(guò)采集頻率與時(shí)間標(biāo)簽的

26、換算可以分別確定管道泄漏點(diǎn)上游和下游泄漏負(fù)壓波的速度，然后再利用泄漏點(diǎn)上下游檢測(cè)到的泄漏特征信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽差值，就可以確定管道泄漏的位置?；贕PS時(shí)間標(biāo)簽的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的泄漏定位精度較高。壓力梯度法。管道中的流體在穩(wěn)定流動(dòng)的條件下，壓力分布呈斜直線，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，漏點(diǎn)前的流量變大，壓力分布直線斜率變大，漏點(diǎn)后流量變小，相應(yīng)斜率也變小，壓力分布由直線變成折線狀，折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)。壓力梯度法需要在管道上安裝多個(gè)壓力檢測(cè)點(diǎn)，利用曲線擬合的方法進(jìn)行定位，進(jìn)一步使用上下游壓力梯度信號(hào)構(gòu)造時(shí)間序列，使得該時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)泄漏量敏感，然后以Kullback信息測(cè)度為準(zhǔn)則對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行分析，以檢測(cè)泄

27、漏的發(fā)生。這種以線性為基礎(chǔ)的壓力梯度法不適合高戮、高凝、高含蠟原油。壓力點(diǎn)分析法。管道正常運(yùn)行時(shí)其壓力值呈現(xiàn)連續(xù)變化的穩(wěn)定狀態(tài)。泄漏發(fā)生時(shí)，泄漏點(diǎn)出現(xiàn)壓力突降，破壞了原有的穩(wěn)態(tài)，使管道向新的穩(wěn)態(tài)過(guò)渡;泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生的負(fù)壓波向兩端傳播，同時(shí)把失穩(wěn)的瞬態(tài)傳遞到管道沿線各點(diǎn)，這樣，沿線各點(diǎn)都會(huì)發(fā)生向新的穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。通過(guò)對(duì)管道沿線設(shè)點(diǎn)進(jìn)行壓力檢測(cè)，采用統(tǒng)計(jì)的方法分析檢測(cè)值，提取數(shù)據(jù)變化曲線，與管道正常運(yùn)行狀態(tài)的曲線對(duì)比，即可進(jìn)行泄漏檢測(cè)。該方法可檢測(cè)氣體、液體和某些多相流管道泄漏，依靠分析單一測(cè)點(diǎn)測(cè)取數(shù)據(jù)，極易實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)時(shí)間快，缺點(diǎn)在于無(wú)法定位，同時(shí)對(duì)泄漏量的評(píng)估能力比較差。（2） 基于實(shí)時(shí)模型的方

28、法建立管道的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型，利用模型對(duì)管道系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行在線估算，將估算結(jié)果按照特定的算法處理，以進(jìn)行泄漏故障診斷?；跔顟B(tài)估計(jì)的方法。這類方法適用于小泄漏量情形的檢漏和定位。首先對(duì)管道內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行機(jī)理建模，得到一個(gè)非線性的分布式參數(shù)系統(tǒng)模型，通?？梢允褂貌罘址ɑ蛱卣骶€法將其線性化，然后用設(shè)計(jì)狀態(tài)估計(jì)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，估計(jì)器可以是觀測(cè)器或Kalman濾波器?；谙到y(tǒng)辨識(shí)的方法。通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)建立模型是工業(yè)上經(jīng)常使用的方法，比機(jī)理建模法更精確且實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。該方法采用線性ARMA模型結(jié)構(gòu)增加某些非線性項(xiàng)來(lái)構(gòu)成管道的模型結(jié)構(gòu)，用辨識(shí)的方法求解模型參數(shù)，并用與估計(jì)器方法類似的原理進(jìn)行檢漏與定位

29、?；跀U(kuò)展Kalman濾波器的方法。該方法將管道分段并假定各分段點(diǎn)上的泄漏量，建立包含泄漏量在內(nèi)的壓力、流量狀態(tài)空間離散模型，以上下游的壓力和流量作為輸入，以泄漏量作為輸出，用擴(kuò)展Kalman濾波器估計(jì)這些泄漏量，運(yùn)用適當(dāng)?shù)呐袆e準(zhǔn)則可進(jìn)行泄漏檢測(cè)和定位。但該方法的定位算法需假設(shè)流動(dòng)是穩(wěn)定的，在一定程度上影響了測(cè)量精度。（3） 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢漏法是一種有前途的和正在發(fā)展的方法。由于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具有模擬任何連續(xù)非線性函數(shù)的能力和從樣本學(xué)習(xí)的能力，故采用泄漏信號(hào)的特征指標(biāo)構(gòu)造神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的輸入矩陣，建立對(duì)管道運(yùn)行狀況進(jìn)行分類的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型即可檢測(cè)泄漏。己經(jīng)研究出的自適應(yīng)神經(jīng)

30、網(wǎng)絡(luò)算法不需要從實(shí)際泄漏中獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而且能夠在線學(xué)習(xí)故障，在彌補(bǔ)簡(jiǎn)單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的局限性方面取得了很好的效果。目前，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液化氣管道檢漏系統(tǒng)在國(guó)外己成功獲得應(yīng)用，在100S以內(nèi)可監(jiān)測(cè)并定位出相當(dāng)于管道內(nèi)流體流量1%以內(nèi)泄漏量的泄漏點(diǎn)，監(jiān)測(cè)誤報(bào)率低于50%。（4） 統(tǒng)計(jì)決策法統(tǒng)計(jì)決策法是一種新型的管道泄漏檢測(cè)方法。它根據(jù)管道出入口的流量和壓力，連續(xù)計(jì)算壓力和流量之間關(guān)系的變化，采用順序概率測(cè)試(Sequen-tial Probability Ratio Test)的方法和模式識(shí)別技術(shù)對(duì)實(shí)測(cè)的壓力、流量值進(jìn)行分析，連續(xù)計(jì)算發(fā)生泄漏的概率，并利用最小二乘法進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。該方法使用統(tǒng)

31、計(jì)決策論的觀點(diǎn)較好地解決了瞬變模型中誤報(bào)警的問(wèn)題，而且不用建立復(fù)雜的管道模型，降低了計(jì)算上的復(fù)雜性。統(tǒng)計(jì)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)還具有在線學(xué)習(xí)能力，可以適應(yīng)管道參數(shù)的變化。其原理簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，適應(yīng)性好，但泄漏檢測(cè)精度受儀表精度影響較大，定位精度較差別 沁, 鄭云萍, 付 敏, 宋曉健. 國(guó)內(nèi)外油氣輸送管道泄漏檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)J. 石油工程建設(shè),2007,33(3):19-22 .。 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)管道工業(yè)起步較晚，泄漏檢測(cè)技術(shù)相對(duì)落后。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者開展了管道泄漏檢測(cè)技術(shù)方面的研究。天津大學(xué)靳世久教授等對(duì)負(fù)壓波檢漏法進(jìn)行了實(shí)用化研究。浙江大學(xué)、西安石油大學(xué)、南京航空航天大學(xué)對(duì)應(yīng)力波

32、檢測(cè)管道泄漏的方法進(jìn)行了研究。上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、南京理工大學(xué)等高校實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行國(guó)內(nèi)管道超聲波檢測(cè)系統(tǒng)研究。 目前我國(guó)的管道檢漏技術(shù)主要有漏磁檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)等。相比較而言，漏磁檢測(cè)法以其檢測(cè)速度高、定位精確、可靠性高且不需要藕合劑等優(yōu)點(diǎn)己被廣泛用于我國(guó)油氣管道腐蝕檢測(cè)中。另外我國(guó)開發(fā)出的射線管道爬行器、X射線管道爬行器、地埋鐵磁性管道檢測(cè)儀以及高精度管道漏磁在線檢測(cè)系統(tǒng)，在油氣管道泄漏檢測(cè)上都有很好的應(yīng)用。但是國(guó)內(nèi)在對(duì)埋藏于城市地下的燃?xì)夤艿赖男孤z測(cè)方面技術(shù)水平還不高，主要依靠人工攜帶檢測(cè)儀器或者流動(dòng)的車載儀器沿著地下燃?xì)夤艿姥矙z，真正應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件

33、的管道檢漏系統(tǒng)還沒(méi)有在具體工作中實(shí)施。1.3 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著管道工業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越重視利用管道輸送能源，對(duì)管道泄漏檢測(cè)及定位技術(shù)的要求也越來(lái)越高。因此，對(duì)未來(lái)管道檢漏技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)作如下展望:（1） 軟硬件結(jié)合近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、信號(hào)處理、模式識(shí)別、人工智能等學(xué)科的發(fā)展及大量應(yīng)用，基于軟件的管道泄漏檢測(cè)方法為各種現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供了平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)報(bào)警，而基于硬件的方法具有定位精度高、誤報(bào)警率低的優(yōu)點(diǎn)。因此，將基于硬件的方法和基于軟件的方法更有效地結(jié)合互補(bǔ)仍是研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。（2） 軟件與SCADA結(jié)合圖 1-1基于集成服務(wù)總線的油

34、氣管道 SCADA 軟件架構(gòu)SCADA系統(tǒng)不僅能為泄漏檢測(cè)提供數(shù)據(jù)源，而且能對(duì)管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，是管道自動(dòng)化的發(fā)展方向，因此，泄漏檢測(cè)系統(tǒng)與全線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)的充分結(jié)合仍是管道檢漏技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)黃 河, 黃 平, 閆 峰, 譚祿鈞, 李 慧. 油氣管道 SCADA 系統(tǒng)調(diào)控業(yè)務(wù)應(yīng)用的 GIS 擴(kuò)展J. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2015,34(1):62-63 .。（3） 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢漏方法在目前使用的檢漏技術(shù)中己初露頭角，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，因此，不斷完善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法并提高泄漏檢測(cè)與定位系統(tǒng)的自適應(yīng)性也是今后值得關(guān)注的問(wèn)題。由于目前的檢漏與定

35、位技術(shù)難以很好地解決現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)靈敏度與誤報(bào)警之間的矛盾及定位精度不高等問(wèn)題，特別是對(duì)小流量泄漏檢測(cè)及定位更是如此。因此，提高檢測(cè)精度是研究的重點(diǎn)之一。目前管道泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)是單點(diǎn)單管的泄漏檢測(cè)，對(duì)于解決管道實(shí)際運(yùn)行狀況中存在的多點(diǎn)、多管藕合的泄漏研究還不深入，應(yīng)該將其作為不容忽視的問(wèn)題來(lái)看待。第2章 輸油管道負(fù)壓波檢漏系統(tǒng)的研究2.1 輸油管道泄漏檢測(cè)的方法2.1.1 流量平衡法判斷原理 流量平衡法就是當(dāng)管道出現(xiàn)泄漏時(shí)，管道的輸入、輸出端必然出現(xiàn)流量差，根據(jù)兩端流量是否平衡來(lái)判斷是否有泄漏，原理如圖 2-1 所示。圖 2-1 流量平衡法檢漏原理該方法的原理是在一條不泄漏的管道內(nèi)，利用

36、“流入等于流出”的原理，實(shí)時(shí)測(cè)出管道出口與入口的流量，有差別則表明管段內(nèi)可能發(fā)生泄漏，但由于所測(cè)流量取決于流體的各種性質(zhì)(如溫度、壓力、密度、粘度)以及流體的狀態(tài)，使得管道正常工作狀態(tài)下首末站流量間并不是相等，而是存在一個(gè)差值 ELLULIR . Advance in Pipeline Leak DetectionJ. Pipeline Engineering ASME,2005,34:15-19 .：Q(t) - Q (t) = Q (t)式中：Q(t)為首站流量(m)；Q (t)為末站流量(m)； Q (t)為首末站流量差(m)。 正常狀況下首末站流量差值的絕對(duì)值的最大值稱為流量閾值： =

37、max Q(t)正常情況下 Q (t)的絕對(duì)值是比較小的，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí) Q (t)增大。不考慮雜波干擾的情況下，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為，實(shí)際監(jiān)測(cè)的首末站流量差小于流量閾值的時(shí)候，管道未發(fā)生泄漏；實(shí)際監(jiān)測(cè)的首末站流量差大于流量閾值的時(shí)候，管道發(fā)生泄漏。但由于干擾的存在使得流量閾值很難確定，難以有效發(fā)現(xiàn)泄漏排除誤報(bào)。本系統(tǒng)采用在線的方式確定流量差閾值。為了減小雜波的干擾，對(duì)所采集的流量數(shù)據(jù)進(jìn)用小波變換進(jìn)行消噪處理，然后進(jìn)行閾值計(jì)算，判斷是否發(fā)生泄漏，進(jìn)而進(jìn)行泄漏定位。2.1.2 負(fù)壓波檢漏定位原理 若管線發(fā)生泄漏，泄漏處有物質(zhì)損失，導(dǎo)致該處流體密度減小，進(jìn)而引起管道內(nèi)此處流體的壓力降低。由于流體的連續(xù)

38、性，管道中的流體速度不會(huì)立即發(fā)生改變，流體在泄漏點(diǎn)與其相鄰的兩邊的區(qū)域之間產(chǎn)生壓力差異，這種差異導(dǎo)致泄漏點(diǎn)上下游區(qū)域內(nèi)的高壓流體流向泄漏點(diǎn)處的低壓區(qū)域，從而又引起與泄漏點(diǎn)相鄰區(qū)域流體的密度減小和壓力降低。這種現(xiàn)象從泄漏點(diǎn)處沿管道依次向上游、下游方向擴(kuò)散，在水力學(xué)上稱為負(fù)壓波。由于管壁的波導(dǎo)作用，負(fù)壓波傳播過(guò)程衰減較小，因此可以傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離張 智. 負(fù)壓波檢漏技術(shù)在輸氣管線中的應(yīng)用 J. 石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011,(4):23-25 .。在管道兩端安裝壓力信號(hào)采集器，拾取負(fù)壓波的梯度特征和壓力變化的時(shí)間差，結(jié)合相關(guān)的信號(hào)處理方法，可以對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位并確定泄漏量。 如圖2-2所示，管長(zhǎng)為

39、L, A, B兩站分別設(shè)有壓力信號(hào)采集器，假設(shè)距A站X處發(fā)生泄漏，泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的負(fù)壓波到達(dá)A,B站的時(shí)間分別為t和t.若管道的輸送介質(zhì)已知，假設(shè)壓力波的傳輸在理想情況下進(jìn)行，速度為a，流體速度為，令t=t一t，則有:圖2-2 負(fù)壓波定位原理圖負(fù)壓波傳播過(guò)程類似于聲波在介質(zhì)中的傳播，傳播速度為聲波在管道輸送流體中的傳播速度。因此a值在原油管道中約為1 0001 200 m / s，在天然氣管道中約為300400 m / s，而。值為1. 53 m/s之間 KOLCZYNSKI J, TYLMAN W . Application of Continuous Probabilistic Networ

40、ks to Leak Detection in Pipe-Type Cable Installations J. Probabilistic Methods Applied to Power Systems,2010(11):448-453 .，a遠(yuǎn)大于，則式(3)可簡(jiǎn)化為2.1.3 負(fù)壓波檢漏系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)管道正常輸送流體時(shí)，內(nèi)部是一個(gè)完整的水力學(xué)系統(tǒng)，壓力比較平穩(wěn)，見圖2-3(a)。如果管道上某點(diǎn)發(fā)生泄漏，在泄漏處壓力將下降，見圖2-3(d)所示。壓降波形稱之為負(fù)壓波川。負(fù)壓波產(chǎn)生后會(huì)沿著管道傳播到管道兩端的壓力傳感器中，通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)到該波形特征即可判斷管道是否發(fā)生了泄漏。由于在管道

41、內(nèi)輸送流體過(guò)程中不僅泄漏會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓波，一些正常的工況操作，如:停泵、調(diào)閥等也會(huì)產(chǎn)生類似的負(fù)壓波，分別如圖2-3(b)和(c)所示，因此管道泄漏檢測(cè)技術(shù)的核心是對(duì)不同工況下負(fù)壓波形的識(shí)別王明達(dá), 徐長(zhǎng)航, 付建民. 管道泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)J. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014,31(11):104-105 .。圖2-3 不同工況下的壓力波形圖對(duì)采集到的負(fù)壓波形數(shù)據(jù)進(jìn)行泄漏模式識(shí)別主要包括以下2個(gè)步驟:1、特征向量提取。提取能夠表征壓力波特征的參數(shù)是提高泄漏檢測(cè)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。本文采用奇異值特征指標(biāo)方法，即先將采集到的管道壓力波序列構(gòu)成Hankel矩陣，然后提取該矩陣的奇異值特征并構(gòu)建成特征向量。

42、2、模糊識(shí)別器構(gòu)建。每次工況操作所產(chǎn)生的負(fù)壓波波形都有一定的模糊特性，可采用模糊模式識(shí)別的方法進(jìn)行工況分類。即先選取一些典型工況操作的波形特征向量作為標(biāo)準(zhǔn)模式，然后利用歐式模糊貼近度法計(jì)算待測(cè)負(fù)壓波特征向量和與各標(biāo)準(zhǔn)特征向量之間的距離(見下式)，最后用最大隸屬度原則進(jìn)行分類。2.2 負(fù)壓波檢漏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.2.1 參數(shù)給定管道長(zhǎng)度：300km，管道壓力：首站 0.4-0.9Mpa，末站 0.2-0.4Mpa,管道流量：150-200m2/h，介質(zhì)：原油，負(fù)壓波傳輸速度：1100m/s。第3章 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立上文中我們已經(jīng)提到了目前對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)的方法主要有基于硬件和軟件的檢測(cè)方法。已有的

43、管道泄漏監(jiān)測(cè)主要有3種形式:一是SCADA系統(tǒng)內(nèi)帶的泄漏監(jiān)測(cè)模塊，由于系統(tǒng)的掃描頻率比較低，故檢漏的靈敏度和精度不高；二是獨(dú)立的泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要自主開發(fā)軟硬件系統(tǒng) 秦先勇, 張來(lái)斌, 王朝暉, 梁偉. 基于OPC技術(shù)的管道泄漏診斷方法研J. 石油機(jī)械,2006,7(34):46-48 . 。但對(duì)于已配備有分布式數(shù)據(jù)采集統(tǒng)和組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的管網(wǎng)，另外配備泄漏診斷硬件，會(huì)造成管網(wǎng)結(jié)構(gòu)冗余，增加泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)成本，不利于系統(tǒng)的組態(tài)化；三是利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)(DDE)，獲取遠(yuǎn)程分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的壓力、流量等信息，對(duì)管道進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。DDE是一種簡(jiǎn)單的客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，DDE方式

44、與操作系統(tǒng)和協(xié)議有關(guān)，通信速度比較慢，可靠性差，而且保密性不好。而我們接下來(lái)要講的是一種基于OPC的負(fù)壓波泄漏診斷技術(shù)，利用OPC技術(shù)獲取分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的壓力、流量等信息。3.1 關(guān)于OPC的研究3.1.1 OPC的介紹OPC是OLE for Process Control的縮寫,即把OLE應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域 鄒益民. 基于OPC的MATLAB與組態(tài)王實(shí)時(shí)通訊在過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中應(yīng)用J. 自動(dòng)化儀器與儀表,2014,10:87-89 . 。是OPC基金會(huì)組織倡導(dǎo)的工業(yè)控制和生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的硬件和軟件之間的標(biāo)準(zhǔn)接口。OLE原意是對(duì)象鏈接和嵌入，隨著OLE2的發(fā)行，其范圍己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這個(gè)概念

45、?，F(xiàn)在的OLE包容了許多新的特征,如統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和自動(dòng)化，已經(jīng)成為獨(dú)立于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)甚至硬件平臺(tái)的一種規(guī)范，是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)概念的進(jìn)一步推廣。OPC是一種基于開放標(biāo)準(zhǔn)的開放式連結(jié)，允許在自動(dòng)化/控制應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和商業(yè)/辦公室應(yīng)用之間進(jìn)行簡(jiǎn)明的、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換 汪玉鳳, 王鑫. 基于組態(tài)王網(wǎng)絡(luò) OPC 的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)J. 儀表技術(shù)與傳感器,2010,(8):56-57 .。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過(guò)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口完成的，在OPC技術(shù)中使用的是OLE2技術(shù)，OLE標(biāo)準(zhǔn)允許多臺(tái)微機(jī)之間交換文檔、圖形等對(duì)象。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，

46、不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問(wèn)，從而保證軟件對(duì)客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來(lái)。OPC服務(wù)器本身就是一個(gè)可執(zhí)行程序，該程序以設(shè)定的速率不斷地同物理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。服務(wù)器內(nèi)有一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其中存有最新的數(shù)據(jù)值，數(shù)據(jù)質(zhì)量戳和時(shí)間戳。時(shí)間戳表明服務(wù)器最近一次從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間。服務(wù)器對(duì)設(shè)備寄存器的讀取是不斷進(jìn)行的，時(shí)間戳也在不斷更新。即使數(shù)據(jù)值和質(zhì)量戳都沒(méi)有發(fā)生變化，時(shí)間戳也會(huì)進(jìn)行更新?？蛻艏瓤蓮姆?wù)器緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，也可直接從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，從設(shè)備直接讀取數(shù)據(jù)速度會(huì)慢一些，一般只有在故障診斷或極特殊的情況下才會(huì)采用。這里，我們簡(jiǎn)單的提一下OPC取代DDE的

47、原因。DDE使客戶應(yīng)用能夠獨(dú)立于數(shù)據(jù)源的供應(yīng)方，開發(fā)商不必再象以往那樣定義專用的接口。于是DDE成為許多類型的自動(dòng)化設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。DDE的出現(xiàn)使人們以為數(shù)據(jù)訪問(wèn)的問(wèn)題得到了有效解決，但在使用過(guò)程中，用戶才發(fā)現(xiàn)采用DDE來(lái)在設(shè)備和控制系統(tǒng)之間傳遞實(shí)時(shí)信息并非理想的辦法，因?yàn)樗趥鬏斝阅芎涂煽啃缘确矫娑即嬖谠S多限制。為此開發(fā)商不得不對(duì)DDE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，他們開發(fā)出各種專用的信息格式，以提高客戶應(yīng)用程序的性能和通信吞吐量。于是出現(xiàn)了DDE的多種演化版本。多種版本的DDE違背DDE最初的宗旨，因?yàn)椴煌腄DE格式使得客戶在選擇時(shí)又不得不受開發(fā)商所用格式的限制，也最終使得DDE不能夠再稱為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

48、另外DDE不適用于大量數(shù)據(jù)的高速數(shù)據(jù)采集，并且DDE從來(lái)沒(méi)有為不同計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換提供可靠的機(jī)制。上述這些原因促使工業(yè)界不得不重新制訂更為高效、可靠的數(shù)據(jù)訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)，這就是OPC。OPC比DDE更好，所提供的功能也更為強(qiáng)大。此外，OPC提供的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，而不象DDE那樣存在不同的DDE格式。OPC時(shí)代的到來(lái)使數(shù)據(jù)的交換與通信變得開放、高效、安全、可靠，同時(shí)也為信息的集成提供了更為合理和簡(jiǎn)便的方法。與DDE相比，OPC最主要的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸速率上。由于OPC服務(wù)器每秒能管理成百上千個(gè)事務(wù)，而且與DDE不同的是它的每個(gè)事務(wù)能包含多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，因此采用OPC傳輸數(shù)據(jù)要比DDE快得多。

49、先進(jìn)過(guò)程控制算法實(shí)測(cè)平臺(tái)結(jié)合Matlab強(qiáng)大的工程計(jì)算能力和組態(tài)王采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，利用更為可靠的OPC技術(shù)建立Matlab7與組態(tài)王之間的數(shù)據(jù)通訊。平臺(tái)封裝了Matlab與組態(tài)王之間的OPC數(shù)據(jù)通訊接口，使用方便簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了Matlab下算法驗(yàn)證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，對(duì)先進(jìn)控制算法的實(shí)測(cè)有很好的實(shí)用價(jià)值。報(bào)警和事件處理機(jī)制增強(qiáng)了OPC客戶處理異常的能力。服務(wù)器在工作過(guò)程中可能出現(xiàn)異常，此時(shí)，OPC客戶可通過(guò)報(bào)警和事件處理接口得到通知，并能通過(guò)該接口獲得服務(wù)器的當(dāng)前狀態(tài)。在很多場(chǎng)合，報(bào)警（Alarm）和事件（Event）的含義并不加以區(qū)分，兩者也經(jīng)?；Q使用。從嚴(yán)格意義上講，兩者含義略有差別。依據(jù)

50、OPC規(guī)范，報(bào)警是一種異常狀態(tài)，是OPC服務(wù)器或服務(wù)器的一個(gè)對(duì)象可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)中的一種特殊情況。例如，服務(wù)器上標(biāo)記為FC101的一個(gè)單元可能有如下狀態(tài)：高出警戒，嚴(yán)重高出警戒，正常，低于警戒，嚴(yán)重低于警戒。除了正常狀態(tài)外，其他狀態(tài)都視為報(bào)警狀態(tài)。事件則是一種可以檢測(cè)到的出現(xiàn)的情況，這種情況或來(lái)自O(shè)PC客戶，或來(lái)自O(shè)PC服務(wù)器，也可能來(lái)自O(shè)PC服務(wù)器所代表的設(shè)備，通常都有一定的物理意義。事件可能與服務(wù)器或服務(wù)器的一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)有關(guān)，也可能毫無(wú)關(guān)系。如高出警戒和正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)換事件和服務(wù)器的某個(gè)對(duì)象的狀態(tài)有關(guān)，而操作設(shè)備，改變系統(tǒng)配置以及出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤等事件和對(duì)象狀態(tài)就無(wú)任何關(guān)系。3.1.2 OP

51、C技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)OPC技術(shù)的發(fā)展十分迅速，作為一項(xiàng)己經(jīng)成型的過(guò)程控制領(lǐng)域軟硬件接口的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)，OPC受到了國(guó)內(nèi)工控行業(yè)的足夠重視，無(wú)論是作為用戶、系統(tǒng)集成商和硬軟件開發(fā)商，它們?cè)诳刂频母鱾€(gè)領(lǐng)域?qū)PC技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。國(guó)內(nèi)許多公司都紛紛在自己的產(chǎn)品中增加OPC特性，包括為控制應(yīng)用軟件添加OPC客戶端的功能，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供OPC服務(wù)器等。比如，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在開發(fā)新一代分布式控制系統(tǒng)時(shí)就采用了OPC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上層應(yīng)用軟件通過(guò)OPC服務(wù)器訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息的功能，并且還開發(fā)出了OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器的開發(fā)工具軟件Smart OPC。一些國(guó)內(nèi)工控軟件公司也充分利用OPC技術(shù)增強(qiáng)和擴(kuò)

52、展其軟件功能，例如，北京亞控公司的組態(tài)王、三維力控等。同時(shí)一些研發(fā)機(jī)構(gòu)還開發(fā)了OPC可視化開發(fā)軟件包和相應(yīng)控件。OPC技術(shù)己成為許多新型控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的核心技術(shù)，OPC的應(yīng)用主要應(yīng)先將OPCDA技術(shù)應(yīng)用成熟，然后才考慮基于OPC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、復(fù)雜數(shù)據(jù)，批處理等。要形成完全自主產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)，研發(fā)控制系統(tǒng)配套軟件，還應(yīng)該緊跟技術(shù)的最新發(fā)展，使產(chǎn)品的在兼容性、互操作性方面有更大的提高。目前如Intellution公司的IFIX、Wonder ware公司的In touch、U.5.Data公司的Factory Link、IBM公司的plant works、美國(guó)GE公司的Cimplieity、美國(guó)

53、AB公司(Rockwell自動(dòng)化)的RsVie,32和德國(guó)西門子公司的Win CC等世界著名組態(tài)軟件都支持OPC標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)著名的組態(tài)軟件組態(tài)王、力控和世紀(jì)星等也支持OPC標(biāo)準(zhǔn)。但是這些對(duì)OPC的使用只是用其作為數(shù)據(jù)采集或系統(tǒng)集成的一個(gè)方法,而真正的基于OPC技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)即把整個(gè)控制系統(tǒng)架構(gòu)于OPC技術(shù)之上來(lái)說(shuō)目前還是一項(xiàng)空白。3.1.3 OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范簡(jiǎn)介OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范分為自動(dòng)化接口規(guī)范和定制接口規(guī)范兩部分,它們分別為不同的編程語(yǔ)言環(huán)境提供訪問(wèn)機(jī)制 張貴平, 王越勝, 陳 強(qiáng). 基于 OPC 技術(shù)的組態(tài)王實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用J. 中國(guó)水運(yùn),2007,11(7):165-167 .。

54、自動(dòng)化接口(Automation interface)是為基于腳本編程語(yǔ)言而定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以使用Visual Basic、Delphi、Power Builder等編程語(yǔ)言開發(fā)OPC服務(wù)器的客戶應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，但速度慢，功能少。定制接口(Custom interface)是專門為C+等高級(jí)編程語(yǔ)言而制定的標(biāo)準(zhǔn)接口,實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜,但速度快,通過(guò)該接口能夠發(fā)揮OPC服務(wù)器的最佳性能。本論文只研究OPC數(shù)據(jù)存取定制接口規(guī)范(依據(jù)3.0版)，因?yàn)槎ㄖ平涌谑荗PC服務(wù)器必須實(shí)現(xiàn)的部分,而自動(dòng)化接口是其可選實(shí)現(xiàn)部分，可通過(guò)OPC基金會(huì)提供的標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化接口包對(duì)定制接口包裝獲得,此接口包可以被用于任

55、何廠商定義的的服務(wù)器定制接口。典型的OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范體系結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2 OPC體系結(jié)構(gòu)OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范描述了由OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的OPCCOM對(duì)象及相應(yīng)接口。OPC服務(wù)器由三類對(duì)象組成：服務(wù)器(server)對(duì)象、組(Group)對(duì)象、數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)對(duì)象,每類對(duì)象都包括一系列接口。服務(wù)器對(duì)象用于指出特定的OPC服務(wù)器應(yīng)用程序名,并向OPC客戶端提供創(chuàng)建和操作OPC組對(duì)象的功能。組對(duì)象存儲(chǔ)由若干Item組成的Group信息并邏輯組織數(shù)據(jù)項(xiàng)，還具有OPC服務(wù)器內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取服務(wù)(同步與異步方式)。OPC組中有以下幾個(gè)主要屬性Name、Active、update Rate O

56、PC、Percent dead band。其中Name指組的名字，Active是組的激活狀態(tài)標(biāo)志，Update Rate OPC指服務(wù)器向客戶程序提交數(shù)據(jù)變化的刷新速率，Percent Dead band是數(shù)據(jù)死區(qū)，即能引起數(shù)據(jù)變化的最小數(shù)值百分比。數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)象存儲(chǔ)具體的Item的定義、數(shù)據(jù)值、狀態(tài)值及與硬件相關(guān)的屬性，例如設(shè)備號(hào)、廠家信息、通道號(hào)等。OPC Item是非COM對(duì)象，在OPC標(biāo)準(zhǔn)中用來(lái)描述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),是客戶端不可見的對(duì)象。代表了與服務(wù)器中的數(shù)據(jù)的連接，它并不是數(shù)據(jù)源而僅僅是與數(shù)據(jù)源的連接。每個(gè)項(xiàng)都有以下主要屬性：Active項(xiàng)的激活狀態(tài)、Value項(xiàng)的數(shù)值、類型為Variant、Q

57、uality項(xiàng)的品質(zhì)，代表數(shù)值的可信度，類型為short、Timestamp時(shí)間戮，代表數(shù)據(jù)的存取時(shí)間 吳宏斌. 基于 OPC 技術(shù)的塘燕線管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J. 化學(xué)工程與裝備,2013,6:100-101 .。OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范指出一個(gè)OPC客戶程序可以連接到一個(gè)或多個(gè)由不同廠家提供的OPC服務(wù)器程序，而多個(gè)OPC客戶程序也可以連接到一個(gè)OPC服務(wù)器程序上，服務(wù)器所要訪問(wèn)的設(shè)備、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)名及服務(wù)器程序如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)由廠商提供的代碼決定。其OPC客戶與OPC服務(wù)器的關(guān)系見圖3-3。這是COM中典型的客戶/服務(wù)器模型。圖3-3 OPC客戶與OPC服務(wù)器的關(guān)系3.1.4 OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范3.0版的優(yōu)點(diǎn)本論文所提到的OPC客戶端依據(jù)最新的OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)自定義接口規(guī)范3.0版，為了說(shuō)明該版本的突出優(yōu)點(diǎn)，在軟件開發(fā)中考慮對(duì)舊版本的兼容性，將它與之前的2.0版相比較，得到以下不同之處 周長(zhǎng)劍, 王正順, 孟榮愛. 基于PC Auto的OPC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)J. PLC&FA,20