輸油生產(chǎn)和管線的安全運(yùn)行新的挑戰(zhàn)與應(yīng)對

　　眾所周知，管道運(yùn)輸具有平穩(wěn)連續(xù)，安全性好，運(yùn)輸量大，質(zhì)量易保證，物料損失小以及占地少，運(yùn)費(fèi)低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為石油運(yùn)輸?shù)氖走x方式。然而，管道的逐漸老化、各種介質(zhì)的腐蝕以及人為破壞等因素，會引起管道泄漏，嚴(yán)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(jīng)濟(jì)損失。 目前，國內(nèi)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(shù)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(fù)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(qiáng)與對泄漏點(diǎn)的精確定位的高要求與高標(biāo)準(zhǔn)方面還不盡人意。面對這些輸油生產(chǎn)和管線的安全運(yùn)行新的挑戰(zhàn)，技術(shù)保障系統(tǒng)在油管道泄漏監(jiān)測上的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。其中采用GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的分布式多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集裝置定位技術(shù)是新的技術(shù)保障系統(tǒng)。該新技術(shù)保障系統(tǒng)實(shí)際上是由虛擬儀器技術(shù)、全網(wǎng)同步采樣技術(shù)以及基于GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的分布式多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)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(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)在輸油生產(chǎn)和管線的安全運(yùn)行應(yīng)用為例，對新技術(shù)保障系統(tǒng)在油管道泄漏監(jiān)測上的應(yīng)用作研討。

　　為此先對基于虛擬儀器圖形軟件LabVIEW技術(shù)作簡述。

　　虛擬儀器圖形軟件LabVIEW技術(shù)理念

　　當(dāng)今，虛擬儀器技術(shù)己深入與普及。虛擬儀器技術(shù)結(jié)合了高效的圖形軟件、模塊化I/O和可擴(kuò)展的平臺,見圖1所示。利用虛擬儀器技術(shù)，工程師縮短了開發(fā)時間，并減少了設(shè)計成本設(shè)計出了更高質(zhì)量的產(chǎn)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?yàn)樗峁┝艘粋€易于使用的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計。LabVIEW提供了許多強(qiáng)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(chǎn)生了用戶定義的界面和用戶定義的應(yīng)用程序功能。LabVIEW提供的眾多強(qiáng)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(jī)屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面設(shè)計自定義的虛擬儀器;通過計算機(jī)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(jié)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(diǎn)同步采樣測試網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　同步采樣技術(shù)分單元同步采樣、子網(wǎng)同步采樣以及基于GPS多點(diǎn)同步采樣測試網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三種類型。在此以基于GPS多點(diǎn)同步采樣測試網(wǎng)技術(shù)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(shí)際運(yùn)行的頻率f1保持固定的比例關(guān)系N=fs/f1，必須使采樣頻率隨系統(tǒng)運(yùn)行的頻率的變化而實(shí)時地調(diào)整。這種同步采樣方式實(shí)施的技術(shù)保障可利用硬件測頻設(shè)備或軟件計算頻率的方法來配合實(shí)現(xiàn)。而多點(diǎn)同步采樣的大型測試網(wǎng)絡(luò)包含了基于GPS多點(diǎn)同步采樣測試絡(luò)網(wǎng)技術(shù)。這種測試網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)之一是空間分布可以大到幾十km，其二是測量點(diǎn)數(shù)可以多達(dá)上千個。這種測試網(wǎng)絡(luò)中有很多情況下要求對各測試點(diǎn)同步采樣，例如管道泄漏的監(jiān)測、電網(wǎng)浪涌的測試、地震波，風(fēng)速的測量等，需要成百上千個測量點(diǎn)在同一時間嚴(yán)格的采樣信號。

　　多點(diǎn)同步采樣大型測試網(wǎng)絡(luò)的核心是基于GPS同步采樣技術(shù)。在此先對GPS同步采樣技術(shù)理念作說明。

　　由高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)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(jī)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(shí)現(xiàn)的同步采樣,可保證各測試點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)、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(nèi)，與世界協(xié)調(diào)時(UTC)的同步誤差在1μ,s內(nèi)。將其應(yīng)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(shù)必將在輸油管道泄漏監(jiān)測上得到廣泛的應(yīng)用。[nextpage]

　　而實(shí)際應(yīng)用的GPS衛(wèi)星新型多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集裝置架構(gòu)它包括計算機(jī)、GPS衛(wèi)星接收機(jī)及被測對象，其特征在于：計算機(jī)上設(shè)有PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，GPS衛(wèi)星接收機(jī)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(biāo)準(zhǔn)時間信號與計算機(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)輸出。因此,基于GPS同步采樣技術(shù)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(yuǎn)程精確定位的應(yīng)用。

　　其PCI總線是一種堅固的模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)合了PCI電氣規(guī)范與Eurocard封裝，適合于工業(yè)計算機(jī)用)規(guī)范的擴(kuò)展。Compact PCI定義了封裝堅固的工業(yè)版PCI總線架構(gòu)，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機(jī)械整合性。因此，PXI產(chǎn)品具有級別更高、定義更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境一致性指標(biāo)，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(diǎn)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(yīng)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(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的同步采集和對狀態(tài)的同步監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的關(guān)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(shí)現(xiàn)測試單元的同步數(shù)據(jù)采集，可方便地實(shí)現(xiàn)分布于不同地域的多地點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)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(diǎn)同步采樣技術(shù)在輸油生產(chǎn)和管線的安全運(yùn)行的技術(shù)保障系統(tǒng)(即在輸油管道泄漏監(jiān)測應(yīng)用)如何實(shí)現(xiàn)呢?

　　3.1管道泄漏監(jiān)測的設(shè)計思想又是怎樣呢?

　　在輸油管道沿線各分站安裝計算機(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線公用網(wǎng)絡(luò)、電臺等介質(zhì)傳輸?shù)娇偪刂鳈C(jī)，在總控主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，發(fā)現(xiàn)泄漏時進(jìn)行報警和定位泄漏點(diǎn)。

　　輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要各分站計算機(jī)嚴(yán)格同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相同時刻的采樣數(shù)據(jù)同時到達(dá)做分析定位的總控主機(jī)上位機(jī)以確定泄漏點(diǎn)位置。但是由于目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的限制，這幾乎是不可能做到的。為了彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)簽”傳輸?shù)街骺氐纳衔粰C(jī)，在進(jìn)行泄漏點(diǎn)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(shù)的壓力梯度法進(jìn)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(dá)控制中心的時間誤差Δt。根據(jù)公式實(shí)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(shù)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(nèi)。

　　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(shè)置采樣率為1000S/s，采樣數(shù)500S，即采樣時間500ms。而總控主機(jī)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(diǎn)同步采樣技術(shù)在輸油管道泄漏監(jiān)測實(shí)施技術(shù)

　　實(shí)際上對GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的DAQmx程序應(yīng)用分析。根據(jù)圖3的設(shè)計方案其輸油管道泄漏監(jiān)測實(shí)施包含技術(shù)有GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的DAQmx程序與分站程序結(jié)構(gòu)及主站程序結(jié)構(gòu)三方面技術(shù)。在此以GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的DAQmx程序應(yīng)用為重點(diǎn)作介紹。具體以什么是DAQmx程序、新一代DAQ驅(qū)動軟件及LabVIEW包含兩個設(shè)備驅(qū)動程序的應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域。

　　*應(yīng)用了新一代DAQ驅(qū)動軟件

　　而DAQmx是DAQ驅(qū)動軟件發(fā)展的新一代產(chǎn)品(如以NI公司產(chǎn)為例)，它能幫助更快速創(chuàng)建、測試并使用高性能的測量應(yīng)用程序。其DAQmx測量服務(wù)軟件,除了具備數(shù)據(jù)采集(DAQ)驅(qū)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(shù)領(lǐng)域以及基于計算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方面得到廣泛應(yīng)用。DAQmx測量服務(wù)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(jīng)過優(yōu)化的單點(diǎn)I/O功能,運(yùn)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(yùn)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(shè)備驅(qū)動程序——傳統(tǒng)DAQ和DAQmx，在這兩個驅(qū)動程序基礎(chǔ)上形成了兩套獨(dú)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(yīng)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(wù)。

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

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

　　DAQmx Trigger：觸發(fā)。設(shè)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(jī)的秒脈沖信號接到CB68接線端子的1l針。

　　DAQmx ControlTask：任務(wù)控制。設(shè)置為發(fā)送任務(wù)(commit)。

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

　　DAQmx StopTask：停止任務(wù)。

　　結(jié)語

　　利用GPS衛(wèi)星信號觸發(fā)的新型多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集裝置架構(gòu)，可以使輸油管道泄漏監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)的采樣脈沖時間誤差保持在幾個μS以內(nèi)，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(diǎn)位置與定位的精度得到很大提高與保障。