虚拟仪器在原油管道泄漏自动化检测的应用

课程论文题目名称虚拟仪器在原油管道泄漏自动化检测的应用学生学院__自动化学院______专业班级_______3______________学号__3____学生姓名___________指导教师2013年6月26日虚拟仪器在原油管道泄漏自动化检测的应用摘要：简述虚拟仪器在自动化检测技术中的应用，以及压力管道检测技术的现状。并提出基于虚拟仪器在原油管道泄漏检测中的应用，包括基本检测原理，数据采集系统，通信系统。关键词：虚拟仪器，管道检测，自动化检测1.引言随着城市液化气供气系统的迅速普及，传统的人工管理方法已经不能适应时代的进步和发展。因此发展管道液化气监控系统成为液化气供气企业的重要任务之一。而传统仪器基本上没有摆脱独立使用，手动操作的模式。对于较为复杂，测试参数较多的应用场合，使用不便，局限性明显。于是在计算机技术和微电子技术发展的带动下，人们将虚拟现实技术引入到仪器设计中就产生了仪器仪表工业跨世纪的里程碑——虚拟仪器。正是鉴于虚拟仪器技术的以上优势，采用虚拟仪器技术进行压力管道检测平台的上位机开发，具有方便灵活，经济高效的特点，虚拟仪器技术将成为管道检验检测平台中的一个有益尝试。2.虚拟仪器在自动化检测技术中的应用任何测量测试仪器的主要功能都是由三大部分组成:①数据采集;②数据测试分析;③结果输出显示。[1-2]而虚拟仪器也是由这三大部分组成,不同的是虚拟仪器的数据分析和结果输出完全由计算机的软件系统来完成。因此,只要提供一定的数据采集硬件,就构成了基于计算机组成的虚拟测量测试仪器[3]。虚拟仪器通常是有计算机、硬件接口电路和软件这三部分构成[4]。虚拟仪器己经成为越来越多测控人员的最佳选择,这是因为虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测控问题。随着虚拟仪器驱动程序标准化及软件开发环境的发展,代码复用成为仪器编程中的基础,这意味着可以避免仪器编程过程中的大量重复劳动,从而大大缩短复杂程序的开发时问;可以用各种不同的模块构造自己的虚拟仪器系统,选择统一的测控策略,这不仅会节省大量人力物力,而且己有的测试投资在未来仍能得到可靠保护。[5]3.压力管道检测技术的现状压力管道是在一定温度和压力下，用于运输流体介质的特种设备，广泛应用于石油化工、冶金、电力等行业生产及城市燃气和供热系统等公众生活之中。随着工业生产的发展和城市燃气及热力管网的普及，各类管道的数量不断增加，特别是输送可燃气、易爆性及对人体和环境有害性介质的压力管道数量逐年递增，这也使发生事故的可能性增大。据不完全统计，目前上海在用工业管道数量约为8000km，在用(建)公用管道数量约为1000km，合计9000km，对压力管道的检验检测已经成为十分紧迫的任务[6]。但由于对压力管道进行监管还是近年才开始的工作，对管道的检验检测手段还十分缺乏，因为管道壁薄、曲率大、高空架设或埋地、交叉密集等特点，检验检测工作难度也很大，对在用管道检测和评定技术大致分为管道壁厚及其内部状态的检测技术、管道壁厚或流体污物含量监测技术和泄漏检测技术。采用常规方法需要拆换保温或开挖地面，时间长、费用高。目前，国外检测压力管道主要开发和应用智能清管器、声发射、磁泄漏、远红外等技[7-9]。4.基本检测原理及相关算法基于Labview平台，设计原油平台的泄漏检测系统，可大大减少使用传统仪器仪表检测系统的费用，增加其精确性。国内应用最广泛的方法是负压力波法，这是一种声波检测方法，压力波指的是管道介质中传播的声波。文献[10]详细介绍该方法的具体应用：当管道发生泄漏时，由于管道内外的压差，泄漏点的流体迅速流失，压力下降，泄漏点两边的液体由于压差而向泄漏点处补充。这一过程依次向上下游传递，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压力波。根据泄漏产生的负压波传播到上下游的时间差和管内压力波的传播速度就可以计算出泄漏点的位置。并推出公式：L为管道长度，X为泄漏点，a为管输介质中压力波的传播速度，Δt为上，下游传感器接收压力波的时间差。[10]而在文献[11]中，提出了负压力波法有一定的局限性和较高的误差。因为在实际工况中，例如启泵，停泵，调节流量阀值等都会影响管道首末位置的平衡状态，同样产生负压力波。所以，在检测过程中，仅凭负压力波可能会引起误差，所以流量也是检测过程的重要参数[12][13]。在负压力波基础上再加上多传感器融合原理。其主要目的是基于各传感器分离的观测信息，通过对信息的优化到处更多有用的信息，最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势，提高整个系统的有效性[14]。并采用卡尔曼滤波算法[15]对管道出入口压力这一维信号进行信号分析并仿真。5.数据采集系统i.硬件设计根据之前的检测原理，我们可以知道数据的采集包括压力数据采集和流量数据采集。文献[16]给出一个基于LabviEW的数据采集系统总体架构。由管道两端的压力传感器和流量传感器实时监测管道的数据参数，数据采集卡采集流量和压力传感器监测的数据参数并输入电脑。数据采集卡用labvieW平台进行开发，主要完成对数据采集卡采集参数的是设置，采集信号（管道压力信号和流量信号数据）波形的显示和实时流量传感器压力传感器数据采集卡基于labvIEW计算机数据显示数据存储存储。而为了有效减少误差，在文献{17}中，提出硬件设计中另一方案：即在传感器和采集卡之间按顺序添加，前置放大器、带通滤波、放大电路的设计思想。因为传感器的作用是将非电信号转化为电信号，由于传感器的输出电压很小，在对传感器进行滤波需要对其进行前置放大，将滤除了部分噪声的有用信号经过放大后送到采集卡的输入端，更具体的在，文献[18]具体介绍了降噪的小波分析法，计算机利用labvIEW对信号进行采集、处理和相关分析。ii.软件设计在数据采集方面，文献[19]中，采用研华PCI-1710HG数据采集卡在labvIEW中的驱动程序，因此在labvIEW中可以很方便的利用PCI-1710HG进行数据采集。在数据存储方面，采集的流量和压力数据被存储为波形文件，波形文件由采样开始时间、采样间隔时间、采样数据组成[20-21]。6.通信系统为了及时发现、解决定位原油输送管线的泄露问题，系统在每个输油站设一个监控点，采集并处理实时监控数据（如输油管压力、温度等）。当发现数据异常时，通过网络，将异常变化的数据送往中心站计算机，中心站计算机使用输油管道泄露定位软件，对各站传来的数据进行综合分析，确定泄露点的位置。中心站的分析结果又通过网络送往各输油站及输油大队。由于各输油站属于三级单位，且位置偏远、分散，一直没有接入采油厂局域网。为了实现输油管道自动监测系统中实时数据的传输，必须解决各输油站之间及输油站与采油厂局域网之间的联网问题，鉴于待接入点所处地理位置的特殊性，采用了无线网络的联网方案，充分利用无线网络的优点，实现了数据的高效率传送。[22-24]基于无线局域网络的石油管道检测系统，文献[25]给出了一个总体系统框图，如下：它由位于输送管道上输送站（泵站）的泄漏实时信号获取子系统（远端）、中心站泄漏信号识别子系统（中心端）与远程无线网络子系统三个部分组成。远程无线网络是远端和中心端之间的纽带，具有非常重要的作用。各输送站的工控机将处理后的实时采集数据传送到远程无线网络子系统，通过输送站的无线网桥，将需发送的数字信号转化为微波信号，通过微波天线发射出去，中心端主塔上的接收天线将接收到的微波信号送入无线网桥，无线网桥将微波信号转变为数字信号再送入采油厂有线局域网，即中心站中的计算机[26-30]。7.结论：基于虚拟仪器labvIEW，在数据采集，显示，存储，信号处理，数据传输等方面有显示强大的功能，在输油管道泄漏检测中起到关键作用，费用少，功能大，误差小是其应用管道检测的优势。并结合数据采集，无线网络传输，更好得发挥其自身拓展性强的特点。在管道检测中起到至关重要的作用。[1]瞿錾,邓居祁,盛旺.虚拟仪器的初探[J].长沙大学学报,2006,3.[2]陈思,黄亚宇.虚拟仪器技术概述[A].机电产品开发与创新,2007[3]杨可曼.关于虚拟仪器应用前景[J].高等函授学报(自然科学版),2004,6.[4]瞿錾,邓居祁,盛旺.虚拟仪器的初探[J].长沙大学学报,2006,3.[5]黄燕梅,韩庆瑶,伊淑梅.Labview的虚拟仪器技术在自动化检测中的应用.中国测试技术..2005[6]虚拟仪器平台的压力管道检测技术应用研究[7]赵宏振.FLUKE744在天然气管道控制系统测试中的应用[J].自动化仪表,2009,30(7):77-78[8]程启明,杨平,王志萍,余洁.海底石油管道缺陷检测爬行器的运动控制[J].自动化仪表,2003[9]彭杰,应启戛,王树立.基于以太网监控的管线泄漏实验台技术改造[J].自动化仪表,2005[10]李庄，王立坤，周琰.基于虚拟仪器的原油管道泄漏监测系统.天津大学博士研究生论文.2007[11]石小琳，孙志毅，何秋生，孙旭辉.信息融合在输油管道泄漏检测中的应用研究[A].自动化仪器仪表，第32卷第7期.2011.7[12]郑杰，吴荔清等.输油管道泄漏自动检测装置的研制[J].遥测遥控.2007,22-3[13]江崇礼，孟庆操，董明.管道泄漏的压力测量诊断方法实验研究[J].大连理工大学学报，自然科学版，1998,38(1):101-104[14]何友,王国宏,陆大金,等.多个传感器信息融合及应用[J].北京：电子工业出版社,2000.[15]朱爱华.卡尔曼滤波和序贯概率比检验在管道泄漏检验中的应用[D].天津：天津大学.2006[16]胡琼，范世东.基于虚拟仪器的管道流量和压力数据采集系统.交通信息与安全，第5期第27卷.2009.[17]张青春.相关分析在地下蒸汽管道泄漏检测中的应用.[18]蔡培生.基于小波分析和虚拟仪器的管道泄漏检测研究.西安石油大学，博士论文.[19]张青春.相关分析在地下蒸汽管道泄漏检测中的应用.[20]雷振山，赵晨光.虚拟仪器系统的数据存储技术[J].微计算机信息.2006.[21]BitterR,MobiuddinT,Nawrocki.LabviewAdvancedProgrammingTechniqu[M].BocaRaton:CRCPress,2001[22]陈悦，吕琛，王桂增.基于scada的输油管线泄漏检测系统.自动化仪表.2003[23]吴巨红，陈曾平.无线局域网技术及其远程目标数据传输中的应用.计算机工程.2003[24]张琼生.无线局域网在输油管道泄漏实时监测系统中的应用.华东石油大学学报.[25]朱建林等.基于无线局域网输油管道泄漏的检测盒定位.自动化仪表：第27卷第6期.2006.[26]朱昌洪,张红梅,周达,董斌.无线mesh网络路由协议的研究[J].自动化仪表,2009,30(10):72-75[27]吴海霞,蒋耘晨.基于LabView的输油管道泄漏监测系统[J].自动化仪表,2004,25(11):50-52[28]雷振山，赵晨光.虚拟仪器系统的数据存储技术[J].微计算机信息.2006.[29]郑杰，吴荔清等.输油管道泄漏自动检测装置的研制[J].遥测遥控.2007,22-3[30]彭杰,应启戛,王树立.基于以太网监控的管线泄漏实验台技术改造[J].自动化仪表,2005,26(2):62-