基于LabVIEW的管道泄漏檢測與定位系統

2004年10月A版
摘   要： 基于LabVIEW，利用數據采集卡PCI－6023E連續地采集壓力、流量、溫度等參數，監視管道運行狀況，通過(guò)電話(huà)線(xiàn)路及局域網(wǎng)等數據傳輸方式構成實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )，建立了一個(gè)完備的分布式測控系統。本系統已經(jīng)成功地應用于不同現場(chǎng)。
關(guān)鍵詞： 管道；泄漏監測；LabVIEW；數據傳輸

引言
管道運輸業(yè)是與鐵路、公路、航空、水運并架齊驅的五大運輸行業(yè)之一。隨著(zhù)管道運輸業(yè)的不斷發(fā)展，各種監測技術(shù)也隨之發(fā)展。管道泄漏監測方法有內部檢測法和外部檢測法。其中，外部檢測法又包括流量平衡法、壓力差法、化學(xué)方法、應力波法、實(shí)時(shí)模型法和負壓波法等，這些方法的特點(diǎn)和應用場(chǎng)合各不相同。
近年來(lái)，我國的原油泄漏主要是因為人為破壞造成的，特點(diǎn)是持續時(shí)間短、泄漏量較大，屬于突發(fā)性事故，因此我們采用負壓力波檢測法。我們使用NI公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW，設計并不斷完善了基于虛擬儀器的原油管道泄漏監測系統，本系統已經(jīng)成功地應用于勝利油田和中石化管道儲運濰坊輸油公司等集輸管網(wǎng)和長(cháng)輸管線(xiàn)上，取得了可觀(guān)的經(jīng)濟效益和良好的社會(huì )效益。

圖1  監測系統組成示意圖

圖2  VISA屬性調制解調器通訊程序示意圖

負壓力波泄漏監測與定位原理
負壓力波法是一種聲學(xué)方法，所謂壓力波實(shí)際是在管輸介質(zhì)中傳播的聲波。當管道突然發(fā)生泄漏時(shí)，相當于泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負壓力波向管道的兩端傳播，負壓波中包含有泄漏的信息，通過(guò)檢測負壓波可以檢測泄漏的發(fā)生，并根據泄漏產(chǎn)生的負壓波傳播到管道兩端的時(shí)間差進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。該方法具有很快的反應速度和較高的定位精度，是一種受到廣泛重視的定位方法。
由下式可計算出泄漏點(diǎn)位置：
     (1)
其中a為管輸介質(zhì)中壓力波的傳播速度，Dt為上、下游傳感器接收壓力波的時(shí)間差，L為管道長(cháng)度。
此公式的前提是壓力波速為常數，對于國外來(lái)講，大多是輕質(zhì)油，常溫輸送即可，原油的密度沿管線(xiàn)變化不大，所以波速可以看作常數。而我國的原油具有高粘度、高含蠟和高凝點(diǎn)的特點(diǎn)，必須加熱輸送。從而導致壓力波的傳播速度并不是一個(gè)常數，受溫度影響很大?？紤]到液體的彈性、密度和管材的彈性的因素，壓力波傳播速度a應改寫(xiě)為：
   (2)
式中：
a — 管內壓力波的傳播速度，m/s；
K — 液體的體積彈性系數，Pa；
r — 液體的密度，kg/m3；
E — 管材的彈性，Pa；
D — 管道直徑，m；
e — 管壁厚度，m；
C1 — 與管道約束條件有關(guān)的修正系數；
t — 溫度，℃。
除了考慮溫度因素的影響以外，根據我國的現狀，由于只能在站內安裝一臺壓力變送器，所以?xún)H靠壓力是不能判斷負壓波是站內產(chǎn)生的還是站外產(chǎn)生的。而流量變化對于泄漏和站內操作具有不同性質(zhì)，通過(guò)分析流量變化就可以甄別負壓波的來(lái)源。
基于以上考慮，我們采取壓力流量聯(lián)合判斷的方法，分別在管道的出口和進(jìn)口加裝合適量程的壓力變送器、溫度變送器和流量變送器，連續采集原油的壓力、溫度和流量，監視管道的運行狀況。我們選用NI公司的數據采集卡PCI-6023E，利用其兩路模擬量單端輸入和一個(gè)通用24位計數器。從功能、價(jià)格和開(kāi)發(fā)周期等因素來(lái)考慮，這款采集卡都非常適合我們的要求。

系統設計
以滄州－河間長(cháng)輸管線(xiàn)的泄漏監測系統為例介紹一下整個(gè)系統的設計。系統的組成如圖1，由安裝于臨邑、德州、東光、滄州、和河間的五套子站裝置和滄州調度室的中心站裝置兩個(gè)部分組成。各站的裝置包括壓力傳感器、溫度傳感器、工控機、信號采集卡和調制解調器等。
輸油管道特別是長(cháng)輸管道，距離一般都較長(cháng)，各站之間的距離也較長(cháng)，以臨邑－滄州－河間長(cháng)輸管線(xiàn)為例，管道全長(cháng)260公里，總共五個(gè)站，兩站之間的距離在40~50公里之間。由于滄州站與滄州中心站在一起，兩臺計算機的距離相差不過(guò)幾百米，采用網(wǎng)卡互聯(lián)形成局域網(wǎng)，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數據實(shí)時(shí)傳輸，其余各站與滄州中心站采用輸油公司內部已有的微波通訊設施，使用高性能的調制解調器進(jìn)行數據傳輸。各子站的壓力、溫度等數據除保存在本站的計算機上外，還實(shí)時(shí)傳輸到中心站。中心站實(shí)時(shí)監測各站運行狀況，并將數據存檔，供管理人員分析。監測系統很重要的特點(diǎn)是要綜合各子站的數據來(lái)判斷是否有泄漏發(fā)生，特別是必須有相應兩站的數據才能定位泄漏點(diǎn)。
根據監測系統子站要求實(shí)時(shí)地將采集的數據傳送到中心站的特點(diǎn)和管道部門(mén)已有的通訊設施，系統中采用了兩種數據遠程傳輸方式：對于同中心站有網(wǎng)絡(luò )連接的子站，計算機之間形成局域網(wǎng)，使用網(wǎng)絡(luò )TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數據遠程傳輸；對于通過(guò)電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行通訊的子站，使用調制解調器和電話(huà)線(xiàn)連接，子站將采集到的數據遠程實(shí)時(shí)地傳送到中心站。在LabVIEW平臺下開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )TCP/IP協(xié)議通訊和調制解調器通訊程序相比其它語(yǔ)言高效、簡(jiǎn)潔、速度快。
LabVIEW平臺下開(kāi)發(fā)調制解調器通訊程序一般使用AT命令和虛擬儀器VISA接口較為方便，編制的程序較為靈活。AT命令建立調制解調器之間的連接，計算機通過(guò)串口VISA特性獲得調制解調器線(xiàn)路狀態(tài)和與之交換數據，圖2是計算機通過(guò)COM1(ASRL1::INSTR)獲得調制解調器的線(xiàn)路CTS、DCD、DSR等狀態(tài)和讀取串口所存在字節的框圖程序。
調制解調器本身具有很好的數據壓縮、糾錯協(xié)議，對于數據傳送過(guò)程中仍可能出現錯誤的情況，根據系統實(shí)時(shí)發(fā)送數據、每次發(fā)送的數據量不大的特點(diǎn)，系統采取了一種簡(jiǎn)單的發(fā)送數據+ 數據校驗和+結束標志的校驗方法。實(shí)際運行表明，此方法能較好的達到系統的要求。
如果具備網(wǎng)絡(luò )通訊條件，子站和中心站之間的通訊可采用Client/Server結構。在網(wǎng)絡(luò )中，任何為其它計算機提供服務(wù)的計算機被稱(chēng)為Server，而利用這些服務(wù)的計算機則稱(chēng)為Client。子站運行Server程序，中心站運行Client程序，子站計算機采集的數據通過(guò)Client與Server程序建立的連接實(shí)時(shí)地傳送到中心站計算機。在LabVIEW下開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )程序無(wú)需對TCP/IP協(xié)議的細節了解很多，用戶(hù)可根據編程參考和用戶(hù)手冊編寫(xiě)復雜的程序。

系統軟件
系統軟件包括信號采集、泄漏判斷、GPS校時(shí)、調制解調器通訊、漏點(diǎn)定位等幾大部分。信號采集部分采集數據，將信號的變化情況在趨勢圖中顯示，并將數據保存下來(lái)。泄漏判斷部分綜合運用負壓波法、流量差法、壓力梯度法等多種管道泄漏檢測方法對采集到的工況數據進(jìn)行分析判斷，確定是否有泄漏發(fā)生。為了統一各子站中計算機的時(shí)間，我們采用了GPS校時(shí)技術(shù)?，F場(chǎng)使用的GPS接收器輸出數據結構采用NMEA-0183(Ver 2.0)4800波特率，數據電平為T(mén)TL，每秒輸出標準秒脈沖和含有時(shí)間信息的數據流，我們在Visual C++6.0環(huán)境下編寫(xiě)了讀出GPS數據流、校正計算機系統時(shí)間的程序。為防止計算機時(shí)間芯片的漂移，我們在主程序中每一小時(shí)調用一次時(shí)間校正程序，采用動(dòng)態(tài)調用的方式，占用內存少，而且工作穩定可靠。調制解調器通訊部分負責將子站的壓力數據傳輸到中心站。漏點(diǎn)定位部分是系統成功的關(guān)鍵部分，漏點(diǎn)定位部分運用了Signal Processing Toolset軟件包里提供的小波分析等信號處理技術(shù)準確地檢測出信號的奇異點(diǎn)的特性，在實(shí)際應用中能精確地定出泄漏點(diǎn)的位置。
在程序編制上采用了LabVIEW平臺上構造復雜多任務(wù)并行應用程序的技術(shù)，針對平臺的多任務(wù)調度，盡量的使用動(dòng)態(tài)調用，優(yōu)化程序結構可靠。
用戶(hù)對系統的操作都設計為菜單操作，每一項菜單都通過(guò)VI Server的方法動(dòng)態(tài)調用，這樣既節省內存，又使程序結構清晰，模塊化好?，F場(chǎng)還有其他PLC系統，采用DDE(動(dòng)態(tài)數據交換)作為與其他系統的接口。

結語(yǔ)
基于LabVIEW平臺的管道泄漏監測及定位系統可以快速發(fā)現泄漏，確定泄漏位置，它已在多條管線(xiàn)上安裝并正常運行。我們經(jīng)過(guò)多年的理論研究和大量的現場(chǎng)試驗，研制安裝了多種適合不同情況的管道泄漏監測系統。隨著(zhù)管道工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，管道泄漏監測及定位系統必將有更大的應用前景。

參考文獻：
1.  LabVIEW User Manual, National Instruments [M]. National Instruments Corporation，1998.
2.  Signal processing Toolset Reference Manual [M]. National Instruments Corporation，1999.
3. 楊福生，‘小波變換的工程應用分析’，科學(xué)出版社，2000.