輸油生產和管線的安全運行新的挑戰(zhàn)與應對

　　眾所周知，管道運輸具有平穩(wěn)連續(xù)，安全性好，運輸量大，質量易保證，物料損失小以及占地少，運費低等特點，已經成為石油運輸?shù)氖走x方式。然而，管道的逐漸老化、各種介質的腐蝕以及人為破壞等因素，會引起管道泄漏，嚴重威脅著輸油管線的安全及周圍的自然環(huán)境，同時帶來不可估量的經濟損失。 目前，國內外出現(xiàn)多種傳統(tǒng)輸油管線泄漏檢測及定位方法，其中包括：

　　?基于硬件的檢測方法，如人工巡線、“管道豬”、聲發(fā)射技術與光線檢測、電纜檢測及GPS檢測等;

　　?基于軟件的檢測方法，如負壓波法、壓力梯度法等。

　　雖然方法很多，但是，聲發(fā)射信號在輸油管道上傳播的距離極為有限，不利于長距離檢測。尤其是在時效性強與對泄漏點的精確定位的高要求與高標準方面還不盡人意。面對這些輸油生產和管線的安全運行新的挑戰(zhàn)，技術保障系統(tǒng)在油管道泄漏監(jiān)測上的應用應運而生。其中采用GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的分布式多點同步數(shù)據(jù)采集裝置定位技術是新的技術保障系統(tǒng)。該新技術保障系統(tǒng)實際上是由虛擬儀器技術、全網同步采樣技術以及基于GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的分布式多點同步數(shù)據(jù)采集技術的合成，這三者緊密相連互為支撐。

　　本文以基于虛擬儀器圖形軟件LabVIEW的GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的多點同步數(shù)據(jù)采集技術在輸油生產和管線的安全運行應用為例，對新技術保障系統(tǒng)在油管道泄漏監(jiān)測上的應用作研討。

　　為此先對基于虛擬儀器圖形軟件LabVIEW技術作簡述。

　　虛擬儀器圖形軟件LabVIEW技術理念

　　當今，虛擬儀器技術己深入與普及。虛擬儀器技術結合了高效的圖形軟件、模塊化I/O和可擴展的平臺,見圖1所示。利用虛擬儀器技術，工程師縮短了開發(fā)時間，并減少了設計成本設計出了更高質量的產品。

　　而圖形軟件LabVIEW是使虛擬儀器靈活方便之根本。LabVIEW是虛擬儀器的重要部分,因為它提供了一個易于使用的應用程序開發(fā)環(huán)境，專門為工程師和科學家而設計。LabVIEW提供了許多強大的特性使得它能與很多硬件、軟件輕松連接。方便使用及其他特性又提供了虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境所需的靈活性，從而產生了用戶定義的界面和用戶定義的應用程序功能。LabVIEW提供的眾多強大特性之一就是圖形化編程環(huán)境。利用LabVIEW，工程師可以通過在計算機屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面設計自定義的虛擬儀器;通過計算機屏幕，可以操作儀器程序、控制選擇的硬件以及分析采集的數(shù)據(jù)并顯示結果;可以使用旋鈕、按鈕、表盤和圖表自定義LabVIEW用戶界面，或者前面板，從而仿效傳統(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建自定義的測試面板或者可視化地表示過程控制和操作。

　　基于GPS多點同步采樣測試網絡技術

　　同步采樣技術分單元同步采樣、子網同步采樣以及基于GPS多點同步采樣測試網絡技術三種類型。在此以基于GPS多點同步采樣測試網技術為主作說明。

　　所謂同步采樣也稱為跟蹤采樣，即為了使采樣頻率fs始終與系統(tǒng)實際運行的頻率f1保持固定的比例關系N=fs/f1，必須使采樣頻率隨系統(tǒng)運行的頻率的變化而實時地調整。這種同步采樣方式實施的技術保障可利用硬件測頻設備或軟件計算頻率的方法來配合實現(xiàn)。而多點同步采樣的大型測試網絡包含了基于GPS多點同步采樣測試絡網技術。這種測試網絡的特點之一是空間分布可以大到幾十km，其二是測量點數(shù)可以多達上千個。這種測試網絡中有很多情況下要求對各測試點同步采樣，例如管道泄漏的監(jiān)測、電網浪涌的測試、地震波，風速的測量等，需要成百上千個測量點在同一時間嚴格的采樣信號。

　　多點同步采樣大型測試網絡的核心是基于GPS同步采樣技術。在此先對GPS同步采樣技術理念作說明。

　　由高精度晶振構成的振蕩器經過分頻能產生滿足采樣率要求的時鐘信號,它每隔15秒與GPS的每秒脈沖(PPs)信號同步1次,保證振蕩器輸出脈沖信號的前沿與GPS時間同步。由于各裝置都用振蕩器輸出的同步時鐘信號作為采樣脈沖輸出控制各自的數(shù)據(jù)采集,因此采樣是同步的。GPS接收機經標準串口將時間信息傳送給數(shù)據(jù)采集裝置,用于給采樣數(shù)據(jù)以“時間標簽”,以用于如管道的溫度(T)、流量(F)等數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)和處理。因此利用GPS實現(xiàn)的同步采樣,可保證各測試點的數(shù)據(jù)采樣高精度同步,其同步最大誤差不超過lS，這是其它同步方法所無法比擬的。

　　對于數(shù)字通信、有線電視網絡、電力系統(tǒng)等涉及時間信息的行業(yè)，也可以選擇使用方便、廉價的GPS OEM板。它有兩個輸出端口，一個是每秒輸出一個脈沖的lpps秒脈沖端口，另一個是輸出GPS電文信息的RS232接口。GPS OEM板在接收到的帶有有效時間信息的衛(wèi)星電文后，輸出的秒脈沖信號與CPS時間的同步誤差在50 ns內，與世界協(xié)調時(UTC)的同步誤差在1μ,s內。將其應用到需要精密授時的系統(tǒng)中，可以得到精度較高的時間同步系統(tǒng)。因此,基于GPS同步采樣技術必將在輸油管道泄漏監(jiān)測上得到廣泛的應用。[nextpage]

　　而實際應用的GPS衛(wèi)星新型多點同步數(shù)據(jù)采集裝置架構它包括計算機、GPS衛(wèi)星接收機及被測對象，其特征在于：計算機上設有PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，GPS衛(wèi)星接收機的秒脈沖信號與PCI總線數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字觸發(fā)通道相連，GPS衛(wèi)星的標準時間信號與計算機串口相接，被測對象與PCI總線數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入通道相連，測試數(shù)據(jù)通過計算機網絡輸出。因此,基于GPS同步采樣技術的分布式數(shù)據(jù)采集裝置特別適合于在輸油管道泄漏監(jiān)測有遠程精確定位的應用。

　　其PCI總線是一種堅固的模塊化結構，結合了PCI電氣規(guī)范與Eurocard封裝，適合于工業(yè)計算機用)規(guī)范的擴展。Compact PCI定義了封裝堅固的工業(yè)版PCI總線架構，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機械整合性。因此，PXI產品具有級別更高、定義更嚴謹?shù)沫h(huán)境一致性指標，符合工業(yè)環(huán)境下振動、撞擊、溫度與濕度的極限條件。

　　GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的新型多點分布式同步數(shù)據(jù)采集裝置在輸油管道泄漏監(jiān)測中的應用

　　分布式同步數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能之一，就是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的同步采集和對狀態(tài)的同步監(jiān)控。實現(xiàn)這一系統(tǒng)的關鍵問題是提高同步數(shù)據(jù)采集卡的工作時間同步精度。

　　用同步數(shù)據(jù)采集卡的同步采樣或用非同步數(shù)據(jù)采集卡的近似同步采樣可實現(xiàn)測試單元的同步數(shù)據(jù)采集，可方便地實現(xiàn)分布于不同地域的多地點進行嚴格時間同步的數(shù)據(jù)采集。那么基于虛擬儀器圖形軟件LabVIEW的多點同步采樣技術在輸油生產和管線的安全運行的技術保障系統(tǒng)(即在輸油管道泄漏監(jiān)測應用)如何實現(xiàn)呢?

　　3.1管道泄漏監(jiān)測的設計思想又是怎樣呢?

　　在輸油管道沿線各分站安裝計算機或其他數(shù)據(jù)采集裝置，采集輸油管道中的壓力、溫度和流量信號，通過計算機網絡、無線公用網絡、電臺等介質傳輸?shù)娇偪刂鳈C，在總控主機對數(shù)據(jù)進行分析和管理，發(fā)現(xiàn)泄漏時進行報警和定位泄漏點。

　　輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要各分站計算機嚴格同步進行數(shù)據(jù)采集，相同時刻的采樣數(shù)據(jù)同時到達做分析定位的總控主機上位機以確定泄漏點位置。但是由于目前網絡技術水平的限制，這幾乎是不可能做到的。為了彌補網絡環(huán)境造成的數(shù)據(jù)傳輸時間差異，可以將采樣數(shù)據(jù)加上“時間標簽”傳輸?shù)街骺氐纳衔粰C，在進行泄漏點定位時再將采樣數(shù)據(jù)按采樣時間“對齊”?？捎没谲浖臋z木術的壓力梯度法進行管道泄漏定位，并可得到管道上下游兩站的采樣數(shù)據(jù)到達控制中心的時間誤差Δt。根據(jù)公式實際計算則每1s的數(shù)據(jù)同步誤差將造成大約500m的定位誤差，而采用GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集技術使數(shù)據(jù)的時間同步誤差降到3μs，由數(shù)據(jù)傳輸時間誤差造成的定位誤差將降低到3m之內。

　　需要指出是其各同步采集卡對管道模擬量溫度(T)、流量(F)設置采樣率為1000S/s，采樣數(shù)500S，即采樣時間500ms。而總控主機程序中從兩個端口分別接收來自一段管道上下游兩站的信號。

　　3.2基于虛擬儀器圖形軟件LabVIEW的多點同步采樣技術在輸油管道泄漏監(jiān)測實施技術

　　實際上對GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的DAQmx程序應用分析。根據(jù)圖3的設計方案其輸油管道泄漏監(jiān)測實施包含技術有GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的DAQmx程序與分站程序結構及主站程序結構三方面技術。在此以GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的DAQmx程序應用為重點作介紹。具體以什么是DAQmx程序、新一代DAQ驅動軟件及LabVIEW包含兩個設備驅動程序的應用作研討。

　　*什么是DAQmx程序

　　DAQ是英文Data Acquisition (數(shù)據(jù)采集)的縮寫。 數(shù)據(jù)采集(DAQ)是指測量：電壓、電流、溫度、壓力、聲音、編碼數(shù)據(jù)等電氣或物理現(xiàn)象的過程。其DAQ應用為測量及可視化、數(shù)據(jù)日志記錄、控制、自動化測試及監(jiān)控等領域。

　　*應用了新一代DAQ驅動軟件

　　而DAQmx是DAQ驅動軟件發(fā)展的新一代產品(如以NI公司產為例)，它能幫助更快速創(chuàng)建、測試并使用高性能的測量應用程序。其DAQmx測量服務軟件,除了具備數(shù)據(jù)采集(DAQ)驅動的基本功能之外,還具備更高工作效率, 更多性能優(yōu)勢，故得以在虛擬儀器技術領域以及基于計算機技術的數(shù)據(jù)采集方面得到廣泛應用。DAQmx測量服務軟件配合所有DAQmx支持的DAQ板卡，可具有以下特性：對所有多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件都用統(tǒng)一簡單的編程界面，編寫模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O及計數(shù)器程序;使用多線程且經過優(yōu)化的單點I/O功能,運行速度可以提高1000倍;在各種編程環(huán)境如LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Studio.NET, and C/C++中用的是同樣的VI程序或函數(shù);運用Measurement & Automation Explorer(MAX), 數(shù)據(jù)采集助理(DAQ Assistant), 以及VI Logger數(shù)據(jù)記錄軟件，節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和數(shù)據(jù)記錄時間。

　　*LabVIEW包含兩個設備驅動程序——傳統(tǒng)DAQ和DAQmx，在這兩個驅動程序基礎上形成了兩套獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在這兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，首先應該考慮現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集硬件。而新的M系列數(shù)據(jù)采集卡，能使用DAQmx。所以LabVIEW圖形軟件在此采用DAQmx的GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)采樣程序，如圖4所示。程序中的VI(virtual instrument-虛擬儀器)如下：

　　DAQmx Create Task：創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務。

　　DAQmx Create Channel：創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集通道。設置采樣的設備及其物理通道、信號連接方式、信號極限設置、通道名、單位、換算等參數(shù)。

　　DAQmx Timing：定時。設置采樣數(shù)、采樣率和采樣方式。

　　DAQmx Trigger：觸發(fā)。設置觸發(fā)形式為數(shù)字信號邊沿的上升沿(Rising)。觸發(fā)源

　　(source)為PFl0，使用PCI-6221數(shù)據(jù)采集L時，將GPS衛(wèi)星信號接收機的秒脈沖信號接到CB68接線端子的1l針。

　　DAQmx ControlTask：任務控制。設置為發(fā)送任務(commit)。

　　DAQmx Read：讀取數(shù)據(jù)。選擇多通道多采樣返回二維浮點數(shù)組實例。

　　DAQmx StopTask：停止任務。

　　結語

　　利用GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的新型多點同步數(shù)據(jù)采集裝置架構，可以使輸油管道泄漏監(jiān)測與保護系統(tǒng)的采樣脈沖時間誤差保持在幾個μS以內，從而使對泄漏檢測的靈敏度、泄漏檢測的及時性、泄露的誤報率等確定故障點位置與定位的精度得到很大提高與保障。