输油生产和管线安全运行的技术保障系统
时间：2022-03-17来源：佚名
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<大型测试网络在工程技术与科学研究的各个领域得到越来越多的应用，这种测试网络的特点之一是空间分布可以大到几十km，其二是测量点数可以多达上千个。这种测试网络中有很多情况下要求对各测试点同步采样，例如管道泄漏的监测、电网浪涌的测试、地震波，风速的测量等，需要成百上千个测量点在严格同一时间的采样信号。因此，需要深入研究基于虚拟仪器的大型测试网络的同步采样技术及其应用。值此本文对基于虚拟仪器图形软件LabVIEW的大型测试网络的同步采样技术在输油生产和管线的安全运行的新技术保障系统--输油管道泄漏监测上应用作研讨。 为此先对基于虚拟仪器图形软件LabVIEW技术作简述。 1 虚拟仪器图形软件LabVIEW技术理念 当今，虚拟仪器技术己深入与普及。虚拟仪器技术结合了高效的图形软件、模块化I/O和可扩展的平台，见图1所示。利用虚拟仪器技术，工程师缩短了开发时间，设计出了更高质量的产品并且减少了设计成本。 而图形软件LabVIEW是虚拟仪器灵活方便之根本。LabVIEW是虚拟仪器的重要部分，其因为它提供了一个易于使用的应用程序开发环境，专门为工程师和科学家而设计。LabVIEW提供了许多强大的特性使得它与广泛的硬件和其他软件轻松连接。该方便使用及其他特性又提供了虚拟仪器软件开发环境所需的灵活性。其结果就是用户定义的界面和用户定义的应用程序功能。LabVIEW提供的众多强大特性之一就是图形化编程环境。利用LabVIEW，工程师可以通过在计算机屏幕上创建一个图形化的用户界面设计自定义的虚拟仪器。通过计算机屏幕，可以操作仪器程序和控制所选择的硬件以及分析所采集的数据并显示结果。可以使用旋钮、按钮、表盘和图表自定义LabVIEW用户界面，或者前面板，从而仿效传统仪器的控制面板、创建自定义的测试面板或者可视化地表示过程控制和操作。 2 基于虚拟仪器的大型测试网络的同步采样技术 大型测试网络的同步采样技术分单元同步采样与子网同步采样以及全网同步采样三种类型。值此以全网同步采样为主作说明。先对大型测试网络的同步采样技术作介绍。 2.1 同步采样技术 大型测试网络可以按照空间分布划分为若干测试子网，测试子网又由测试单元组成，测试单元的特点是测试点在10个左右，分布范围在几十m之内。 基于虚拟仪器的测试单元，硬件一般可以采用计算机和数据采集卡。在一个测试单元内实现各测试点同步采样的基本方法是使用同步数据采集卡。普通数据采集卡的多个通道循环使用同一个A/D转换器，各通道采样必然存在一个时间差。同步数据采集卡每个通道都使用独立的A/D转换器，n个通道全在一个相同的时刻采样，可以保证严格的同步，如图2(a)所示同步采样示意图。 但是如果对于采样时间的同步要求不是特别严格，也可以使用“近似同步”采样的方法，来降低测试系统的设备投资。在图2(b)所示的近似同步采样示意中，一个采样周期为ΔT而采样时各通道间的扫描时间间隔为Af/n。 2.2全网同步采样 全网同步采样的核心是PXI总线设备的GPS同步采样技术。为此有必要对PXI总线作简述。 PXI是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。PXI(PCI extensions for instrumentation)充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构——PCI。PXI是Compact PCI（PCI是一种坚固的模块化结构，结合了PCI电气规范与Eurocard封装，适合于工业计算机用）规范的扩展。Compact PCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。因此，PXI产品具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合工业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件。 那末什么是PXI总线设备的GPS同步采样技术呐？对于大规模分布的整个测试系统中所有的测试点同步采样，可用一种基于GPS(Global Position System)全球定位系统的技术。这种技术适用于PXI系统，如图3所示。 用PXI-6608定时器卡与GPS卫星信号接收机相连接。GPS卫星向全球范围提供定时和定位功能，GPS用户通过GPS卫星接收机获取空间位置信息、同步时标和标准时间。GPS卫星信号不会老化，不会漂移，不易受外界干扰。PXI-6608每秒用GPS时间同步板卡的实时时钟。每个PXI系统都用PXl-6608控制采样，从而实现整个测试网络的同步。定时同步精度可以达到400ns。采用GPS的同步方法实际上适用于全球分布的测试网络。采用GPS卫星信号触发的多点同步数据采集装置如图4所示。 数据采集系统由计算机、GPS卫星接收机和数据采集卡构成。GPS卫星接收机每秒钟会产生一个方脉冲信号，幅度为5V，持续时间10ms。PCI总线数据采集卡具有数字触发功能。GPS卫星接收机的秒脉冲信号与数据采集卡的数字触发通道相连，GPS卫星的标准时间信号与计算机串口相接。通过GPS卫星接收机的秒脉冲信号触发数据采集卡进行采集，即接收到一个脉冲信号后开始一次数据采集，采样信号上附加GPS卫星的标准时间标签，实现分布于不同地域的多地点严格时间同步数据采集。在此之所以采用秒脉冲触发的同步数据采集，则是由于PCI总线数据采集卡收到脉冲信号后开始采样的时间差远低于微秒级，GPS卫星接收机秒脉冲信号的误差一般小于lµs，因此用GPS卫星接收机的秒脉冲信号做触发数据采集的信号源时，各个采样地点都是整秒采样，采样开始的时间误差将小于3µs。当需要ls内任意时刻的采样数据时，可以从采样数据中分时取数。由于采样序列中的时间间隔由数据采集卡硬件控制，所以分时取数的精度不会低于采样开始的时间精度。这种方法比现有技术操作使用简便，成本低，时间误差小。 用GPS卫星秒脉冲信号触发的数据采集技术解决了大规模测控系统采用电话线、计算机局域网和无线公网等方式传输数据不能保证数据传输实时性的问题，各点采集的数据经不同路由、不等距离传输到控制指挥中心后按照数据的时间标记实现严格的时间同步，获得不同地点采样的精确时间信息。 3 多点同步采样技术在输油管道泄漏监测中的应用 用同步数据采集卡的同步采样或用非同步数据采集卡的近似同步采样实现了测试单元的同步数据采集，在单元同步的基础上用RTSI或星型触发总线实现子网同步，再采用GPS实现整个大规模测试网的同步采样，可方便地实现分布于不同地域的多地点进行严格时间同步的数据采集，在石油、电力、交通、水利、供水、煤气等分布式作业同时有远程精确定时测控要求的行业都有广阔的应用前景。值此以基于虚拟仪器图形软件LabVIEW的多点同步采样技术在输油生产和管线的安全运行的技术保障系统--输油管道泄漏监测应用为典例作分析。 3.1 输油管道泄漏与盗油案是安全的最大隐患 输油管道是重要的原油运输设施，但是由于管道老化、地理与气候环境的变化以及人为破坏等原因，泄漏事故经常发生，不仅造成巨大经济损失和资源浪费，而且还会带来安全和污染问题。因此，泄漏监测不仅是目前输油管道安全生产管理的重要工作内容，也是今后管道正常运行不可缺少的保障。实现输油管道的泄漏监测，对于及时发现泄漏故障、确保输油生产和管线的安全运行、减少盗油案件的发生、提高长输管道的现代化管理水平等具有重要的意义。输油管道泄漏自动监测技术在国外得到了广泛的应用，美国等发达国家立法要求管道必须采取有效的泄漏监测系统，我国的管道检漏技术近几年也得到了大规模的研究与应用。那末管道泄漏监测的设计思想又是怎样呐？从输油管道泄漏监测系统结构图5述起。 3.2 输油管道泄漏监测及其精确度的设计思想 从图5看出，在输油管道沿线各分站安装计算机或其他数据采集装置，采集输油管道中的压力、温度和流量信号，通过计算机网络、无线公用网络、电台等介质传输到主站，在主站对数据进行分析和管理，发现泄漏时进行报警和定位泄漏点。 输油管道泄漏监测系统需要各分站计算机严格同步进行数据采集，相同时刻的采样数据同时到达做分析定位的主站上位机以确定泄漏点位置。但是由于目前网络技术水平的限制这几乎是不可能做到的。为了弥补网络环境造成的数据传输时间差异，可以将采样数据加上采样时刻的时间标记传输到上位机，在进行泄漏点定位时再将采样数据按采样时间“对齐”。但是计算机的时钟存在着时间误差，尽管这种误差每天一般只有0.3s~0.5s，但是对于泄漏监测定位却是不能允许的。为此可负压波法进行管道泄漏定位，并可得到管道上下游两站的采样数据到达控制中心的时间误差Δt。根据公式实际计算则每1s的数据同步误差将造成大约500m的定位误差，而采用用GPS卫星信号触发的数据采集技术使数据的时间同步误差降到3µs，由数据传输时间误差造成的定位误差将降低到3m之内。 3.3 关于输油管道泄漏监测实施技术-GPS卫星信号触发的DAQmx程序的应用 根据图4的设计方案其输油管道泄漏监测实施包含技术有GPS卫星信号触发的DAQmx程序与分站程序结构及主站程序结构三方面技术。在此以GPS卫星信号触发的DAQmx程序应用为重点作介绍。具体以什么是DAQmx程序、新一代DAQ驱动软件及LabVIEW包含两个设备驱动程序的应用作研讨。 3.3.1 什么是DAQmx程序 DAQ是英文Data Acquisition（数据采集）的缩写。 数据采集(DAQ)是指测量：电压、电流、温度、压力、声音、编码数据等电气或物理现象的过程。其DAQ应用为测量及可视化、数据日志记录、控制、自动化测试及监控等领域。 3.3.2 应用了新一代DAQ驱动软件 而DAQmx是DAQ驱动软件发展的新一代产品（如以NI公司产为例），它能帮助更快速创建、测试并使用高性能的测量应用程序。其DAQmx测量服务软件，除了具备数据采集(DAQ)驱动的基本功能之外，还具备更高工作效率，更多性能优势，故得以在虚拟仪器技术领域以及基于计算机技术的数据采集方面得到广泛应用。DAQmx测量服务软件配合所有DAQmx支持的DAQ板卡，可具有以下特性：对所有多功能数据采集(DAQ)硬件都用统一简单的编程界面，编写模拟输入、模拟输出、数字I/O及计数器程序；使用多线程且经过优化的单点I/O功能，运行速度可以提高1000倍；在各种编程环境如LabVIEW，LabWindows/CVI，Visual Studio.NET，and C/C 中用的是同样的VI程序或函数；运用Measurement * Automation Explorer(MAX)，数据采集助理(DAQ Assistant)，以及VI Logger数据记录软件，节省大量的系统配置、开发和数据记录时间。 LabVIEW包含两个设备驱动程序——传统DAQ和DAQmx，在这两个驱动程序基础上形成了两套独立的数据采集系统。在这两种数据采集系统中，首先应该考虑现有的数据采集硬件。而新的M系列数据采集卡，能使用DAQmx。所以LabVIEW图形软件在此采用DAQmx的GPS卫星信号触发采样程序，如图6所示。程序中的VI（virtual instrument-虚拟仪器）如下： ·DAQmx Create Task：创建数据采集任务。 ·DAQmx Create Channel：创建数据采集通道。设置采样的设备及其物理通道、信号连接方式、信号极限设置、通道名、单位、换算等参数。 ·DAQmx Timing：定时。设置采样数、采样率和采样方式。 ·DAQmx Trigger：触发。设置触发形式为数字信号边沿的上升沿(Rising)。触发源(source)为PFl0，使用PCI-6221数据采集L时，将GPS卫星信号接收机的秒脉冲信号接到CB68接线端子的1l针。 ·DAQmx ControlTask：任务控制。设置为发送任务(commit)。 ·DAQmx Read：读取数据。选择多通道多采样返回二维浮点数组实例。 ·DAQmx StopTask：停止任务。 3.4 关于分站程序与主站程序结构及其应用 3.4.1 分站程序结构 其各分站程序结构如下：模拟输入程序(A1)设置为采样率1000S/s，采样数500S，即采样时间500ms。采样数据求平均以后输出，由顺序结构控制读GPS时间程序(GPSTIME)启动，由串口读回GPS当前时间，加在数据前面一起用UDP协议向指定计算机的指定端口发出。模拟输入程序在GPS的秒脉冲信号控制下，每秒启动一次，所以分站程序也是每秒执行一个循环。 3.4.2 主站程序结构 程序中从两个端口分别接收来自一段管道上下游两站的信号。为每个站的信号一个m间序列，形式上是100个元素的字符串数组。每秒接收一次数据，每当新的数据到达，强加入到数据序列末尾，前面的数据依次向前移位，把第一个数据从序列中清除。“对齐数据”模块从两个数据序列中末尾的数据里取出时间T1和T2进行比较 假如T1比T2早，就在T2的数据序列中查找与T1具有相同的时间标记的数据，找到后将这两个数据作为时间对齐的数据返回给分析定位模块。分析定位模块采用小波分析检测压力信号特征点，用相关分析定位泄漏点，同时结合流量、温度信号排除站内人员正常操作等因素对泄漏判断等影响，进行管道泄漏报警和泄漏点提示。 |
