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，通過電話線路及局域網等數據傳輸方式構成實時通信網絡，建立了一個完備的分布式測控系統。本系統已經成功地應用于不同現場。
關鍵詞： 管道；泄漏監測；LabVIEW；數據傳輸

引言
管道運輸業是與鐵路、公路、航空、水運并架齊驅的五大運輸行業之一。隨著管道運輸業的不斷發展，各種監測技術也隨之發展。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、化學方法、應力波法、實時模型法和負壓波法等，這些方法的特點和應用場合各不相同。
近年來，我國的原油泄漏主要是因為人為破壞造成的，特點是持續時間短、泄漏量較大，屬于突發性事故，因此我們采用負壓力波檢測法。我們使用NI公司的虛擬儀器開發平臺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和長輸管線上，取得了可觀的經濟效益和良好的社會效益。

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方法，所謂壓力波實際是在管輸介質中傳播的聲波。當管道突然發生泄漏時，相當于泄漏點處產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，通過檢測負壓波可以檢測泄漏的發生，并根據泄漏產生的負壓波傳播到管道兩端的時間差進行泄漏點定位。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位置：
     (1)
其中a為管輸介質中壓力波的傳播速度，Dt為上、下游傳感器接收壓力波的時間差，L為管道長度。
此公式的前提是壓力波速為常數，對于國外來講，大多是輕質油，常溫輸送即可，原油的密度沿管線變化不大，所以波速可以看作常數。而我國的原油具有高粘度、高含蠟和高凝點的特點，必須加熱輸送。從而導致壓力波的傳播速度并不是一個常數，受溫度影響很大。考慮到液體的彈性、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，所以僅靠壓力是不能判斷負壓波是站內產生的還是站外產生的。而流量變化對于泄漏和站內操作具有不同性質，通過分析流量變化就可以甄別負壓波的來源。
基于以上考慮，我們采取壓力流量聯合判斷的方法，分別在管道的出口和進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通用24位計數器。從功能、價格和開發周期等因素來考慮，這款采集卡都非常適合我們的要求。

系統設計
以滄州－河間長輸管線的泄漏監測系統為例介紹一下整個系統的設計。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。
輸油管道特別是長輸管道，距離一般都較長，各站之間的距離也較長，以臨邑－滄州－河間長輸管線為例，管道全長260公里，總共五個站，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幾百米，采用網卡互聯形成局域網，使用TCP/IP協議進行數據實時傳輸，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，還實時傳輸到中心站。中心站實時監測各站運行狀況，并將數據存檔，供管理人員分析。監測系統很重要的特點是要綜合各子站的數據來判斷是否有泄漏發生，特別是必須有相應兩站的數據才能定位泄漏點。
根據監測系統子站要求實時地將采集的數據傳送到中心站的特點和管道部門已有的通訊設施，系統中采用了兩種數據遠程傳輸方式：對于同中心站有網絡連接的子站，計算機之間形成局域網，使用網絡TCP/IP協議進行數據遠程傳輸；對于通過電話線進行通訊的子站，使用調制解調器和電話線連接，子站將采集到的數據遠程實時地傳送到中心站。在LabVIEW平臺下開發網絡TCP/IP協議通訊和調制解調器通訊程序相比其它語言高效、簡潔、速度快。
LabVIEW平臺下開發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，計算機通過串口VISA特性獲得調制解調器線路狀態和與之交換數據，圖2是計算機通過COM1(ASRL1::INSTR)獲得調制解調器的線路CTS、DCD、DSR等狀態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、糾錯協議，對于數據傳送過程中仍可能出現錯誤的情況，根據系統實時發送數據、每次發送的數據量不大的特點，系統采取了一種簡單的發送數據+ 數據校驗和+結束標志的校驗方法。實際運行表明，此方法能較好的達到系統的要求。
如果具備網絡通訊條件，子站和中心站之間的通訊可采用Client/Server結構。在網絡中，任何為其它計算機提供服務的計算機被稱為Server，而利用這些服務的計算機則稱為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Client與Server程序建立的連接實時地傳送到中心站計算機。在LabVIEW下開發網絡程序無需對TCP/IP協議的細節了解很多，用戶可根據編程參考和用戶手冊編寫復雜的程序。

系統軟件
系統軟件包括信號采集、泄漏判斷、GPS校時、調制解調器通訊、漏點定位等幾大部分。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。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行分析判斷，確定是否有泄漏發生。為了統一各子站中計算機的時間，我們采用了GPS校時技術。現場使用的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TTL，每秒輸出標準秒脈沖和含有時間信息的數據流，我們在Visual C++6.0環境下編寫了讀出GPS數據流、校正計算機系統時間的程序。為防止計算機時間芯片的漂移，我們在主程序中每一小時調用一次時間校正程序，采用動態調用的方式，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。漏點定位部分是系統成功的關鍵部分，漏點定位部分運用了Signal Processing Toolset軟件包里提供的小波分析等信號處理技術準確地檢測出信號的奇異點的特性，在實際應用中能精確地定出泄漏點的位置。
在程序編制上采用了LabVIEW平臺上構造復雜多任務并行應用程序的技術，針對平臺的多任務調度，盡量的使用動態調用，優化程序結構可靠。
用戶對系統的操作都設計為菜單操作，每一項菜單都通過VI Server的方法動態調用，這樣既節省內存，又使程序結構清晰，模塊化好。現場還有其他PLC系統，采用DDE(動態數據交換)作為與其他系統的接口。

結語
基于LabVIEW平臺的管道泄漏監測及定位系統可以快速發現泄漏，確定泄漏位置，它已在多條管線上安裝并正常運行。我們經過多年的理論研究和大量的現場試驗，研制安裝了多種適合不同情況的管道泄漏監測系統。隨著管道工業的進一步發展，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’，科學出版社，2000.