第一次管道中的現(xiàn)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(chǎn)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,，并確保空間誤差小于1米
　
解決方案:
　　通過使用LabVIEW實時模塊和NI CompactRIO,，設計和實現(xiàn)一個實時數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),，以管理在石油或者天然氣管道內(nèi)部通行的慣性導航系統(tǒng)（INS）的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集,、預處理和儲存,，還可以利用LabVIEW對數(shù)據(jù)進行后處理，以獲得最終結(jié)果,。
　
　　"借助于LabVIEW,，我們很容易實現(xiàn)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(zhuǎn)換采集的大多數(shù)數(shù)據(jù),。"

 　
　　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(nèi)液體流動產(chǎn)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?，F(xiàn)象的參考位置,。慣性PIG被設計用于檢測由地形運動產(chǎn)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(shù)據(jù)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(jié)合的測量方式被稱作GPS輔助慣性導航,。這種結(jié)構(gòu)允許根據(jù)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(shù)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(xiàn)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(nèi)持續(xù)實現(xiàn)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(nèi)部,，所以目前沒有任何現(xiàn)成可用的硬盤可以在管道內(nèi)存儲這些數(shù)據(jù)。因此,，我們在PIG內(nèi)實施了實時統(tǒng)計無損耗浮點數(shù)據(jù)壓縮法,。
　
　　我們采用了一個帶有現(xiàn)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(gòu),。

圖1 PIG硬件架構(gòu)

　　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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的采集,，還可以使用任何計算機或者PDA遠程配置任務參數(shù),。
　
　　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(shù)學算法,，而非通信協(xié)議，來進行數(shù)據(jù)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(jīng)過慣性導航和卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間估計的數(shù)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(xiàn)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(nèi)會有很多因素會導致PIG被破壞,，例如閥門、轉(zhuǎn)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(nèi)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(xiàn)場試驗

　　雖然我們從這個試驗平臺收集了許多數(shù)據(jù),，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(xiàn)場試驗

　　最后,，在裝配好PIG機械結(jié)構(gòu)后，我們在管道上進行了現(xiàn)場試驗,。之前所提到的每個現(xiàn)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(xiàn)場試驗平臺，以保證項目按時完成,。我們利用NI的產(chǎn)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(jīng)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(lián)軸器,。這些由8毫米粗的鋼條制成聯(lián)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),。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(shù)據(jù),，而無需進行重復實驗,。
　
　EngeMOVI和NI工程師已經(jīng)經(jīng)過了多次合作，實現(xiàn)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(qū)動的的機動PIG,，這些合作獲得了非常積極的結(jié)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(nèi)行進,。最大的可接受曲率是1.5D（D為管道直徑）,，在管道內(nèi)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(jīng)研制出完整的系列產(chǎn)品,，我們深信NI提供的產(chǎn)品將會不斷地在我們的新產(chǎn)品開發(fā)上扮演重要角色。