第一次管道中的現場測試
作者:
Ricardo Artigas Langer - EngeMOVI
行業(yè):
能源/電力, 石油與天然氣/ 煉油/ 化工
產品:
實時模塊, FPGA模塊, LabVIEW, cRIO-9014
挑戰(zhàn):
尋找石油或者天然氣管道的參考位置，并確?？臻g誤差小于1米
解決方案:
通過使用LabVIEW實時模塊和NI CompactRIO，設計和實現一個實時數據采集和處理系統(tǒng)，以管理在石油或者天然氣管道內部通行的慣性導航系統(tǒng)（INS）的數據。系統(tǒng)實現了對數據的采集、預處理和儲存，還可以利用LabVIEW對數據進行后處理，以獲得最終結果。
"借助于LabVIEW，我們很容易實現對PIG（檢管器）的編程，以滿足任務要求。并且，我們還使用了相同的程序設計語言開發(fā)一個后處理程序，以便轉換采集的大多數數據。"
PIG（檢管器）是一個用于石油和天然氣管道檢驗的工具，它插入管道中并且借助于關內液體流動產生的壓力前進。PIG可以檢驗管道的變形和異常腐蝕情況，有助于排查可能造成生態(tài)事故的故障。為了降低成本并且在監(jiān)測到異常情況后盡快更換管道，我們必須要知道異常現象的參考位置。慣性PIG被設計用于檢測由地形運動產生的管道移位。
由于慣性PIG在地面以下運行，被管道所屏蔽，我們不可能獲得連續(xù)的GPS信號。所以慣性PIG必須使用INS（慣性導航系統(tǒng)）來測量加速度和角速度，并通過綜合的數據分析，獲得儀器的速度、位置和方向。然而，由系統(tǒng)中還夾雜了由偏移和噪音等因素造成的傳感器不精確的問題，隨著時間的推移，定位準確度會下降。
一種避免偏移的有效方式是添加輔助測量。我們使用里程表和一些沿管道的GPS參考導航點，以便及時更新定位的位置。這些GPS標記借助于管道外的傳感器采集到PIG通過的瞬間，并與檢管器的慣性導航系統(tǒng)同步。GPS和INS的結合的測量方式被稱作GPS輔助慣性導航。這種結構允許根據用于動態(tài)系統(tǒng)的迭代狀態(tài)估計法（卡爾曼濾波器Kalman Filter）進行軌跡的尋跡和登記。雖然設置更多GPS點可以減少系統(tǒng)誤差，但是這需要技術團隊花費更多的準備時間。因此，我們選擇了更節(jié)省成本的方案。
執(zhí)行慣性PIG任務的計算機必須滿足一些要求，包括在啟動之前對現場所有傳感器進行復雜狀態(tài)檢查，以避免影響整個任務。它還必須在高采集頻率下，在60多個小時內持續(xù)實現對20多個傳感器的管理。由于系統(tǒng)對耐溫性要求高，并且必須能夠抵御超過20G的沖擊，還需要足夠的小以放置到PIG內部，所以目前沒有任何現成可用的硬盤可以在管道內存儲這些數據。因此，我們在PIG內實施了實時統(tǒng)計無損耗浮點數據壓縮法。
我們采用了一個帶有現場可編程門陣列（FPGA）的NI cRIO-9014控制器，它小巧靈活，抗振性好，并且功能強大，足以滿足PIG任務的苛刻要求。我們還使用了強大而易用的LabVIEW開發(fā)平臺進行編程。圖一中展示了慣性PIG的硬件架構。
圖1 PIG硬件架構
借助于LabVIEW，我們很容易對PIG進行編程，以滿足任務要求，并且還開發(fā)一個后處理程序，以便把采集到的大量數據轉換成管道中焊接點的參考位置。CompactRIO的FTP和TCP功能可以簡化所有采集的數據的采集，還可以使用任何計算機或者PDA遠程配置任務參數。
通過對任務中計算機VI進行遠程訪問，我們可以很容易診斷原型機的可能故障。這就使團隊能夠集中精神于開發(fā)數學算法，而非通信協(xié)議，來進行數據融合和統(tǒng)計分析。最終，借助于LabVIEW對于多核的支持，這些算法在乘以經過慣性導航和卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間估計的數千個矩陣之后，運行的更快。
項目開發(fā)僅用了18個時間，還包括了在完成機械設計之前所進行的一系列測試。因為我們設計的是能夠輸送液體而非固體的管道，我們必須實現一個復雜的懸浮系統(tǒng)，以保證INS的正常工作。檢管器計算不正確，在管道內會有很多因素會導致PIG被破壞，例如閥門、轉角、縫隙、限位器、液體流量，甚至是非法安裝的用于偷竊燃料的閥門。因此，硬件和軟件的開發(fā)必須與機械設計同時進行，以避免造成整個項目延遲的。
在開發(fā)過程中，我們需要一個平臺用于測試算法。我們在一輛自行車上安裝了CompactRIO控制器和傳感器（圖2），并且按照和在管道內使用PIG繪制路徑地圖一樣的方式來繪制路徑地圖。
圖2 使用自行車進行現場試驗
雖然我們從這個試驗平臺收集了許多數據，但是自行車比管道具有更多的自由度；因此最終我們用軌道小車（圖3）來代替自行車，它提供了一個更像最終真實運行條件的試驗平臺。
圖3 使用軌道小車進行現場試驗
最后，在裝配好PIG機械結構后，我們在管道上進行了現場試驗。之前所提到的每個現場試驗平臺都具有不同的特性，而LabVIEW可以快速適應于每個現場試驗平臺，以保證項目按時完成。我們利用NI的產品開發(fā)了所有軟件，而一段文本代碼都不用寫。
在巴西和哥倫比亞，在投入商業(yè)使用將近一年的時間里，CompactRIO控制器經受了各種苛刻的考驗。其中有一次，由于對接收程序的錯誤操作造成慣性PIG與管道底部正面相撞，撞擊力非常大，破環(huán)PIG小車間的聯軸器。這些由8毫米粗的鋼條制成聯軸器完全扭曲，并穿透了PIG外殼，到達了放置CompactRIO的位置。裂口使整個隔間都充滿40大氣壓的增壓汽油。雖然CompactRIO的數據采集卡被破環(huán)了，但是實時控制器在弄干并且清潔后仍然能夠運行，使得我們搶救回了40小時任務的數據。這意味著，即使PIG幾乎完全被破環(huán)，我們也能夠收回所有的檢測數據，而無需進行重復實驗。
EngeMOVI和NI工程師已經經過了多次合作，實現了各種不同的項目：包括慣性PIGs、幾何和磁性PIGs、用于深水管道檢查的水下機器人、具有冗余運動功能的焊接機器人以及最近由NI 9505運動控制模塊驅動的的機動PIG，這些合作獲得了非常積極的結果。
我們開發(fā)的首個慣性PIG可以在直徑為25.3～35.6厘米、長度為289.7英里的管道內行進。最大的可接受曲率是1.5D（D為管道直徑），在管道內部行進的最大速度是8米/秒。初始原型正在不斷被改進，并在其之上已經研制出完整的系列產品，我們深信NI提供的產品將會不斷地在我們的新產品開發(fā)上扮演重要角色。