输油生产和管线的安全运行新的挑战与应对

　　众所周知，管道运输具有平稳连续，安全性好，运输量大，质量易保证，物料损失小以及占地少，运费低等特点，已经成为石油运输的首选方式。然而，管道的逐渐老化、各种介质的腐蚀以及人为破坏等因素，会引起管道泄漏，严重威胁着输油管线的安全及周围的自然环境，同时带来不可估量的经济损失。 目前，国内外出现多种传统输油管线泄漏检测及定位方法，其中包括：

　　?基于硬件的检测方法，如人工巡线、“管道猪”、声发射技术与光线检测、电缆检测及GPS检测等;

　　?基于软件的检测方法，如负压波法、压力梯度法等。

　　虽然方法很多，但是，声发射信号在输油管道上传播的距离极为有限，不利于长距离检测。尤其是在时效性强与对泄漏点的精确定位的高要求与高标准方面还不尽人意。面对这些输油生产和管线的安全运行新的挑战，技术保障系统在油管道泄漏监测上的应用应运而生。其中采用GPS卫星信号触发的分布式多点同步数据采集装置定位技术是新的技术保障系统。该新技术保障系统实际上是由虚拟仪器技术、全网同步采样技术以及基于GPS卫星信号触发的分布式多点同步数据采集技术的合成，这三者紧密相连互为支撑。

　　本文以基于虚拟仪器图形软件LabVIEW的GPS卫星信号触发的多点同步数据采集技术在输油生产和管线的安全运行应用为例，对新技术保障系统在油管道泄漏监测上的应用作研讨。

　　为此先对基于虚拟仪器图形软件LabVIEW技术作简述。

　　虚拟仪器图形软件LabVIEW技术理念

　　当今，虚拟仪器技术己深入与普及。虚拟仪器技术结合了高效的图形软件、模块化I/O和可扩展的平台,见图1所示。利用虚拟仪器技术，工程师缩短了开发时间，并减少了设计成本设计出了更高质量的产品。

　　而图形软件LabVIEW是使虚拟仪器灵活方便之根本。LabVIEW是虚拟仪器的重要部分,因为它提供了一个易于使用的应用程序开发环境，专门为工程师和科学家而设计。LabVIEW提供了许多强大的特性使得它能与很多硬件、软件轻松连接。方便使用及其他特性又提供了虚拟仪器软件开发环境所需的灵活性，从而产生了用户定义的界面和用户定义的应用程序功能。LabVIEW提供的众多强大特性之一就是图形化编程环境。利用LabVIEW，工程师可以通过在计算机屏幕上创建一个图形化的用户界面设计自定义的虚拟仪器;通过计算机屏幕，可以操作仪器程序、控制选择的硬件以及分析采集的数据并显示结果;可以使用旋钮、按钮、表盘和图表自定义LabVIEW用户界面，或者前面板，从而仿效传统仪器的控制面板、创建自定义的测试面板或者可视化地表示过程控制和操作。

　　基于GPS多点同步采样测试网络技术

　　同步采样技术分单元同步采样、子网同步采样以及基于GPS多点同步采样测试网络技术三种类型。在此以基于GPS多点同步采样测试网技术为主作说明。

　　所谓同步采样也称为跟踪采样，即为了使采样频率fs始终与系统实际运行的频率f1保持固定的比例关系N=fs/f1，必须使采样频率随系统运行的频率的变化而实时地调整。这种同步采样方式实施的技术保障可利用硬件测频设备或软件计算频率的方法来配合实现。而多点同步采样的大型测试网络包含了基于GPS多点同步采样测试络网技术。这种测试网络的特点之一是空间分布可以大到几十km，其二是测量点数可以多达上千个。这种测试网络中有很多情况下要求对各测试点同步采样，例如管道泄漏的监测、电网浪涌的测试、地震波，风速的测量等，需要成百上千个测量点在同一时间严格的采样信号。

　　多点同步采样大型测试网络的核心是基于GPS同步采样技术。在此先对GPS同步采样技术理念作说明。

　　由高精度晶振构成的振荡器经过分频能产生满足采样率要求的时钟信号,它每隔15秒与GPS的每秒脉冲(PPs)信号同步1次,保证振荡器输出脉冲信号的前沿与GPS时间同步。由于各装置都用振荡器输出的同步时钟信号作为采样脉冲输出控制各自的数据采集,因此采样是同步的。GPS接收机经标准串口将时间信息传送给数据采集装置,用于给采样数据以“时间标签”,以用于如管道的温度(T)、流量(F)等数据传送数据和处理。因此利用GPS实现的同步采样,可保证各测试点的数据采样高精度同步,其同步最大误差不超过lS，这是其它同步方法所无法比拟的。

　　对于数字通信、有线电视网络、电力系统等涉及时间信息的行业，也可以选择使用方便、廉价的GPS OEM板。它有两个输出端口，一个是每秒输出一个脉冲的lpps秒脉冲端口，另一个是输出GPS电文信息的RS232接口。GPS OEM板在接收到的带有有效时间信息的卫星电文后，输出的秒脉冲信号与CPS时间的同步误差在50 ns内，与世界协调时(UTC)的同步误差在1μ,s内。将其应用到需要精密授时的系统中，可以得到精度较高的时间同步系统。因此,基于GPS同步采样技术必将在输油管道泄漏监测上得到广泛的应用。[nextpage]

　　而实际应用的GPS卫星新型多点同步数据采集装置架构它包括计算机、GPS卫星接收机及被测对象，其特征在于：计算机上设有PCI总线数据采集卡，GPS卫星接收机的秒脉冲信号与PCI总线数据采集卡数字触发通道相连，GPS卫星的标准时间信号与计算机串口相接，被测对象与PCI总线数据采集卡模拟输入通道相连，测试数据通过计算机网络输出。因此,基于GPS同步采样技术的分布式数据采集装置特别适合于在输油管道泄漏监测有远程精确定位的应用。

　　其PCI总线是一种坚固的模块化结构，结合了PCI电气规范与Eurocard封装，适合于工业计算机用)规范的扩展。Compact PCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。因此，PXI产品具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合工业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件。

　　GPS卫星信号触发的新型多点分布式同步数据采集装置在输油管道泄漏监测中的应用

　　分布式同步数据采集与监控系统的重要功能之一，就是实现对数据的同步采集和对状态的同步监控。实现这一系统的关键问题是提高同步数据采集卡的工作时间同步精度。

　　用同步数据采集卡的同步采样或用非同步数据采集卡的近似同步采样可实现测试单元的同步数据采集，可方便地实现分布于不同地域的多地点进行严格时间同步的数据采集。那么基于虚拟仪器图形软件LabVIEW的多点同步采样技术在输油生产和管线的安全运行的技术保障系统(即在输油管道泄漏监测应用)如何实现呢?

　　3.1管道泄漏监测的设计思想又是怎样呢?

　　在输油管道沿线各分站安装计算机或其他数据采集装置，采集输油管道中的压力、温度和流量信号，通过计算机网络、无线公用网络、电台等介质传输到总控主机，在总控主机对数据进行分析和管理，发现泄漏时进行报警和定位泄漏点。

　　输油管道泄漏监测系统需要各分站计算机严格同步进行数据采集，相同时刻的采样数据同时到达做分析定位的总控主机上位机以确定泄漏点位置。但是由于目前网络技术水平的限制，这几乎是不可能做到的。为了弥补网络环境造成的数据传输时间差异，可以将采样数据加上“时间标签”传输到主控的上位机，在进行泄漏点定位时再将采样数据按采样时间“对齐”。可用基于软件的检木术的压力梯度法进行管道泄漏定位，并可得到管道上下游两站的采样数据到达控制中心的时间误差Δt。根据公式实际计算则每1s的数据同步误差将造成大约500m的定位误差，而采用GPS卫星信号触发的数据采集技术使数据的时间同步误差降到3μs，由数据传输时间误差造成的定位误差将降低到3m之内。

　　需要指出是其各同步采集卡对管道模拟量温度(T)、流量(F)设置采样率为1000S/s，采样数500S，即采样时间500ms。而总控主机程序中从两个端口分别接收来自一段管道上下游两站的信号。

　　3.2基于虚拟仪器图形软件LabVIEW的多点同步采样技术在输油管道泄漏监测实施技术

　　实际上对GPS卫星信号触发的DAQmx程序应用分析。根据图3的设计方案其输油管道泄漏监测实施包含技术有GPS卫星信号触发的DAQmx程序与分站程序结构及主站程序结构三方面技术。在此以GPS卫星信号触发的DAQmx程序应用为重点作介绍。具体以什么是DAQmx程序、新一代DAQ驱动软件及LabVIEW包含两个设备驱动程序的应用作研讨。

　　*什么是DAQmx程序

　　DAQ是英文Data Acquisition (数据采集)的缩写。 数据采集(DAQ)是指测量：电压、电流、温度、压力、声音、编码数据等电气或物理现象的过程。其DAQ应用为测量及可视化、数据日志记录、控制、自动化测试及监控等领域。

　　*应用了新一代DAQ驱动软件

　　而DAQmx是DAQ驱动软件发展的新一代产品(如以NI公司产为例)，它能帮助更快速创建、测试并使用高性能的测量应用程序。其DAQmx测量服务软件,除了具备数据采集(DAQ)驱动的基本功能之外,还具备更高工作效率, 更多性能优势，故得以在虚拟仪器技术领域以及基于计算机技术的数据采集方面得到广泛应用。DAQmx测量服务软件配合所有DAQmx支持的DAQ板卡，可具有以下特性：对所有多功能数据采集(DAQ)硬件都用统一简单的编程界面，编写模拟输入、模拟输出、数字I/O及计数器程序;使用多线程且经过优化的单点I/O功能,运行速度可以提高1000倍;在各种编程环境如LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Studio.NET, and C/C++中用的是同样的VI程序或函数;运用Measurement & Automation Explorer(MAX), 数据采集助理(DAQ Assistant), 以及VI Logger数据记录软件，节省大量的系统配置、开发和数据记录时间。

　　*LabVIEW包含两个设备驱动程序——传统DAQ和DAQmx，在这两个驱动程序基础上形成了两套独立的数据采集系统。在这两种数据采集系统中，首先应该考虑现有的数据采集硬件。而新的M系列数据采集卡，能使用DAQmx。所以LabVIEW图形软件在此采用DAQmx的GPS卫星信号触发采样程序，如图4所示。程序中的VI(virtual instrument-虚拟仪器)如下：

　　DAQmx Create Task：创建数据采集任务。

　　DAQmx Create Channel：创建数据采集通道。设置采样的设备及其物理通道、信号连接方式、信号极限设置、通道名、单位、换算等参数。

　　DAQmx Timing：定时。设置采样数、采样率和采样方式。

　　DAQmx Trigger：触发。设置触发形式为数字信号边沿的上升沿(Rising)。触发源

　　(source)为PFl0，使用PCI-6221数据采集L时，将GPS卫星信号接收机的秒脉冲信号接到CB68接线端子的1l针。

　　DAQmx ControlTask：任务控制。设置为发送任务(commit)。

　　DAQmx Read：读取数据。选择多通道多采样返回二维浮点数组实例。

　　DAQmx StopTask：停止任务。

　　结语

　　利用GPS卫星信号触发的新型多点同步数据采集装置架构，可以使输油管道泄漏监测与保护系统的采样脉冲时间误差保持在几个μS以内，从而使对泄漏检测的灵敏度、泄漏检测的及时性、泄露的误报率等确定故障点位置与定位的精度得到很大提高与保障。