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  石化 > 基于labview的分布式光纤油气长输管道安全监测系统    

基于labview的分布式光纤油气长输管道安全监测系统

  应用领域:

  管道安全检测

  使用的产品:
  labview 8.2
  pci-6132 ni s系列14位4通道同步数据采集卡
  scb-68 屏蔽式68针接线盒

  挑战:

  本系统方案面临着开发周期短、数据量大、双路精确同步等挑战,如何在开发过程中快速的搭建实验平台,保证系统的安全、可靠性,并能在现场恶劣的环境下长时间运行,是摆在所有项目组成员面前的难题。油气管道直径大,输送压力高,长输油管道沿途多为荒漠、沼泽、戈壁、农田等,检测和维护起来非常困难。

  应用方案:

  利用ni公司的软硬件产品,可以大幅缩短开发周期,提高开发效率。本系统用ni公司的pci-6132四路同步采集卡实现双路采集信号的精确同步采集,可保证两路信号在采集过程中不出现时间差;利用labview虚拟仪器的图形化编程,使工程师从繁重的代码编写中解放出来,更专注于需要解决的专业问题。

  介绍:

  本系统利用马赫-曾德干涉仪构成分布式振动传感器,感受油气管道周围的振动信号,由盗油挖掘、管道油气泄漏产生的振动可以使光波的相位发生变化,从而使干涉后光强变化。光电探测模块将干涉后的光波转换为电信号,随后将电信号通过放大电路进行放大,最后通过数据采集模块将模拟信号转换为数字信号进入计算机进行后续处理。

  数据采集模块采用ni公司的pci-6132数据采集卡对放大电路输出信号进行数据采集,使之转换为数字信号,送入计算机进行后续处理。该模块通过labview 虚拟仪器平台完成数据采集任务的触发、设备控制、数据缓冲和数据保存等功能。

  正文:

  一、分布式光纤油气长输管道安全监测系统概述

  随着我国国民经济的飞速发展,全社会的能源特别是做为重要能源和化工原料的油气资源的消耗迅速增加。管道运输由于其可靠性高、运输成本较低、输送量大、可以连续运输的优点,已经成为油气资源的主要输送手段,在国民经济发展和国防工业中发挥着越来越重要的作用,越来越受到全社会的重视。但随着油气管道的增多和管道服役时间的增长,管道的安全问题成为一个不容忽视的问题。管道一旦泄漏,轻则污染土地、环境,重则引起爆炸,给人民的生命财产安全带来很大威胁。特别是在我国,长输油管道一般穿越隔壁、荒漠、农田等野外无人留守的地域,给管道巡线工的巡线监测带来很大的不便和困难。

  现有的管道安全监测有直接观察法、监测电缆法、示踪剂监测法、负压波法、压力梯度法、质量平衡法、应力波法等。直接观察法即巡线法,通过巡线工的不间断巡线来监测管道状况,即费时,又费力。监测电缆法通过一根特殊的外层易被油气腐蚀的电缆来对实现监测,但是该方法在泄漏后需要对电缆进行更换,维护成本高。示踪剂监测法是在油气内加入示踪剂,通过监测示踪剂来监测管道泄漏,不能实现在线实时监测。负压波法是目前比较成熟的方法,可实现在线实时监控和自动定位,但是报警只能在泄漏发生后,无法实现预警。

  本系统用与管道同沟铺附的光缆中的三条单模光纤搭建成马赫-曾德干涉仪,感受管道周围振动情况,经pci-6132数据采集卡采集干涉信号后,利用labview编写的软件进行处理,判断是否泄漏和有盗油的发生并对这些事件进行定位。

  二、系统的软硬件设计

  本系统包括硬件及软件两部分。硬件部分主要由分布式光纤振动传感器、pci-6132数据采集卡和计算机等组成。软件部分主要由labview 虚拟仪器平台程序设计,部分嵌入matlab程序的混合编程。系统中分布式光纤振动传感器基于mach-zehnder 光纤干涉仪原理,主要包括传感光缆、光源及其驱动电路、光电探测器模块。系统软件主要基于虚拟仪器平台,主要完成数据的采集、分析、信号处理、模式识别、事发点定位和通讯等功能,其中部分功能由matlab 编程实现。由于matlab 具有更强大的计算、仿真和绘图等功能,因此系统设计中将labview虚拟仪器平台与matlab 结合起来,可以充分发挥二者的优点,从而实现了从硬件接口、数据采集、仪器控制到数据分析、信号处理和模式识别等诸多功能模块无缝连接。系统的框图如图1所示。



  硬件设计:

  1、分布式光纤传感器

  分布式光纤传感器包括激光光源、传感光缆、光电探测器三个部分。

  光纤传感系统中使用的光源种类很多,按照光的相干性可分为相干光源和非相干光源。由于本系统基于mach-zehnder光纤干涉仪原理,因此光源必须在相干光源中选择,相干光源主要包含各种激光器。由于半导体激光二极管(ld)和其他激光器相比具有体积小、重量轻、低功率驱动、高效率输出、寿命长和易于集成等一系列优点,而得到广泛应用。另外,为了保证光源的稳定,还必须有光源的保护电路,如光源的温度反馈控制、光源慢启动、激光二极管过流保护以及反向冲击保护等。

  传感光缆采用与管道同沟铺附的普通通讯光缆即可。光电探测器电路部分主要由采用ingaas材料的pin光电二极管和光电二极管输出后的放大电路组成,为了输入和输出由良好的阻抗匹配,电压信号输出端后需50ω屏蔽电缆构成阻抗匹配网络。同时为了光电二极管正常工作,需给光电二极管12v的偏置电压。

  2、采集设备

  由于需要采集来的两路信号需要经过相关运算得到两路信号精确的时间差,所以在系统的采集环节中一定要保证两路信号的精确同步。又因为光的传播速度很快,两路信号的时间差很小,所以采集卡需要的采集速率很高。ni pci-6132具有3ms/s的采样速率,8条硬件定时数字i/o线,2个24位计数器,数字触发,14位、4路模拟输入,重要的是能够实现同步采样。用此型号的采集卡可以简化采集模块的同步电路设计,提高开发效率。

  软件设计:

  本系统采用labview进行软件编程,具有良好的人机界面,可以方便地调用采集卡,对数据进行处理和保存,对系统进行控制。软件系统的流程图2所示。


  软件的启动界面调用主程序,并对系统进行初始化。主程序采用主/从结构思想设计,包括一个主循环和若干个从循环。主循环是一个状态机(各个状态的转换如图3所示),利用typedef来实现枚举变量,这样只要通过枚举变量的变化来跳转各个状态。采集循环用daqmx实现对pci-6132采集卡的控制和数据的采集,数据处理循环对采集来的两路信号进行滤波、模式识别、定位报警,网络传输循环负责把处理完的数据和定位信息上传到调度室的服务器端程序里。

 


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