（精密仪器及机械专业论文）管道泄漏监测远程终端模块的研制.pdf

中文摘要 管道泄漏监测与定位，是管道运输管理系统的重要组成部份，在维护管道生 产安全，减少泄漏造成的损失方面发挥着重要作用。先进的s c a d a ( s u p e r v i s o 叫 c o n 仃o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统作为工业监控平台，已广泛应用在电信、水利、 环保、能源、油气炼制和运输等诸多领域。这两种工业技术的结合具有重大的现 实意义。在s c 刖) a 系统中，远程终端模块( i 删) 作为远端设备，基本应用是 采集现场数据，对其进行封装以传输给中心监控站。本文的主要工作是构建基于 嵌入式系统的远程终端模块，以适应其工作在负压波法管道泄漏监测系统中的需 要。 本文首先设计了i 删中的所必需的工业数据采集、存储、传输等组件，以 满足系统泄漏定位的基本要求： 压力，温度等管道运行参数信息，在经过信号调理后，由a d 转换器件进行 数据采集，软件模块由r t u 内嵌的实时时钟触发以保证其实时性；为提高数据 处理能力，系统设计了u s b 总线接口的数据缓存单元； 基于工业以太网的数据传输控制系统，在工业数据通讯中扮演重要角色。本 文基于t c p 佃协议，建立了网络传输模块以完成r m 与中心控制室的数据传输 任务。由于以太网络传输固有的时延不确定性，系统在数据帧中为采样数据打上 时间标签，并建立交互式数据通讯协议。 另外，精确得到负压波传到管道上下游测量地的时间差，是本泄漏监测系统 的关键技术之一。本文设计了g p s 校时机制，利用g p s 一体化接收机获得精确 的世界时和1 p p s 脉冲时标，校正测量站r t u 模块的实时时钟，完成对异地测量 系统时基的同步。 文章最后讨论了提升小波变换与卡尔曼滤波器算法在r t u 模块的应用。小 波变换与卡尔曼滤波等数字信号处理方法已作为成熟技术应用在管道压力波形 拐点定位中。本文从算法需求的角度出发，基于r u 所采用的嵌入式系统特点， 讨论利用卡尔曼滤波器实现压力信号消噪，提升小波变换实现压力波形信号奇异 点定位，并通过对真实压力数据的实验，验证了算法的有效性。 关键词：管道泄漏监测远程终端模块嵌入式系统提升小波 a b s t r a c t i no r d e rt 0 目_ i a r a n t e et h ep i p e l i n e sw o r ks a f e l ya n dm i n i l i l i z et h el o s s e sc a u s e d b yl e a k a g ea c c i d e n t s ，t h ep i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o ns y s t e mh a s b e c o m ea ni m p o n 锄tp a r ti nt h ef i e l do fp i p e l i n e 仃a n s p o r t a t i o n s c a d as y s t e m sa r e u s e dt om o n i t o r加dc o n n o lap l a n t0 r e q u i p m e n ti n 访d u s t r i e ss u c h舔 t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，w a t e ra n dw a s t ec o n t r o l ，e n e 瑁mo i la n dg 勰r c f i n i n ga n d 仃a n s p o r t a t i o n i ti ss i g n i f i c a n tt oi n t e g r a t et h e s et w os y s t e m s t h er e m o t et e n l 1 i n a l u n i ti u u ，w o r k i n gi nt h es c a d ai sad e v i c ei n s t a l l e da tar e m o t e1 0 c a t i o nt h a t c o n e c t sd a t a ，c o d e st h ed a t ai n t oat m n s m i t t a b l ef o n n a ta n d 仃a n s m i t st h ed a t ab a c kt 0 ac e n 仃a ls t a t i o n t h em a i ne 行0 r to f “sp a p e ri st 0b u i i dt 1 1 ep r o p e rr 1 ub 嬲e d0 nt l l e c r n b e d d e ds y s t e m ，t om e e tt l l er e q u i r e m e n t so ft h ep i p e l i n el e a k a g ei n s p e c t i o nu s i n g t 1 1 es u c t i o n 、v a v em e t h o d t b 如l f i l lt h eb a s i cd e m a n do ft h ep i p e l i n el e a k a g ei n s p e c t i o n ，t h ei t ? i uh a sb e e n d e s i g n e df o rc o l l e c t i n g ，l o g g i n g 锄dt m 璐m i t t i n gt h ep a m m e t e r so f 锄a l o g u eo rd i g i t a l s i g n a l s a r e rt h es i g n a lm o d u l a t i o n ，t h ep a r a m e t e r so ft h ep i p e l i n es i t u a t i o n ，姒c h 硒 p r e s 吼l r e ，t e m p e r a t u r es i g n a l s ，a r ec o n v e r t e dt 0d i g i t a ls i 印a lv i at h ea d c i nd e t a i l ， t h er e a lt i m es 锄p l i n gs u b p r o 伊a mi s 仃i g g e r e db yt h ei 盯ci n c l u d e di nt h e 唧 m e 锄w h i l e ，t h ed a t as t o m g es y s t e mb 嬲e do nt h eu s bi n t e 而c eh 觞b e e nd e s i 驴e d 矗阿 t l l ep u 叩o s eo fi m p r 0 v i n gt h ec 印a c i 锣o ft h ed a t am a n a g e m e n t a p p l y i n ge t h e m e tt o i n d u s 仃y sn e t w o r kc o n t r 0 is y s t 锄i st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c o n 打o ln e 觚o r k t o m d k e 也ed a t at m s m i s s i o nb e t w e e nt h er t l 锄d 也ec e n t m lm o n i t o ra c c u r a t ca n d t i m e l y ，t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do n 也et c p i pp r o t o c o li sb u i l t g i v e nt h eu n d e t e n n i n e dr e s p o n s et i m el e a db y 也en e t w o r k ，h o w e v e r ，t h ep r o g r a m a d d st h es 锄p l et i m et 0t h ed a t a 劬m ei nt h ep r o g 眦l 舳db u i l d st h ei n t e m c t i v e c o n u n u n i c a t i o np r o c e s s i n g o n eo ft h ek e yt e c h n o l o 画e so ft h es u c t i o nw a v em e t h o di st od e t e m i n et 1 1 et i m e b e 眇e s u c t i o nw a v e sg o i n gt 1 1 r o u g ht h et 、om e 舔州n gp o i n t so f 也ep i p e l i n e t 0 s y n c h 啪i z et h et i m eb e n c h m a r ko ft h em e a s u r es i t e s ，t h eg p so e mi sa p p l i e dt o c o r r e c tt h er t co ft h ei u u p e r i o d i c a l l y w h i c hp i c l ( su p 也ep r e c i s eu t c t i m ea n d o 疏r st h ep r e c i s e1 p p s f i n a l l y ，t h ew a v e l e t st m n s f o m 锄dt h el o h n 锄f i l t e rh a v eb e e np r o v e dt ob e e f l e c t i v e a m o n gt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s t i d g e tt h e f e a t u r e d i n f l e c t i o np o i n to fp r e s s u r ew a v ec o v e r e db yn o i s e c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to f a r i t h m e t i cf o rt h eh a r d w a r ea n ds o f h ) l ，a r eo fi h u ，t h et l l e s i sd i s c u s s e st 1 1 ea p p l i c a t i o n o ft 1 1 ek a l m a i lf i l e rt 0r e d u c et h en o i s ea n dt h el i rw a v e f o m lt ol o c a t et l l es i n g u l 撕哆 i tc a nb es e e nt h a t 也i sm e t h o di se f i e c t i v et h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fp r e s s u r es i g n a l s k e yw o r d s ： p i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o n ，r e m o t et e n n i n a lu n i t ，e n l b e d d e d s y s t 锄，“rw a v e l e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谓 之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 怍了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昧哥 签字f 1 期： 舢7 年月1 u 学位论文版权使用授权书 i 学位论文作者完全了解 墨盗盘堂 有关f ! f 留、使j 1 j ，戗沦文的观j t ： 持授权苤生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘阼进 j ：睑 索并采 j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供盘阅和借阅：m 愚一学段 f 门崮家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 诫。讶 i 导师签名： 签字同期：易p 7 年f 月力 r签字同期：洲7 年月口同 ? 0fs0 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管道运输的发展与现状 1 1 1 我国管道运输的现状 管道运输作为现代运输体系中的重要组成部分，与其它运输方式如航空、铁 路、公路、水路相比，在运输液体、气体、浆体等物品方面具有独特的优势n 1 ： ( 1 ) 安全性高，环境污染较小，损耗较低，基于全密闭化的运输方式，适合运 送易燃、易爆及易挥发的原油、成品油、天然气等；( 2 ) 投资少，见效快，管 道建设的周期和费用不到铁路的l 2 ，占地约为铁路的1 9 ；以我国每年产销1 5 亿吨成品油、其中5 0 采用铁路运输来计算，装卸和运输过程中发生的油品损 耗可达5 0 万吨年以上，折合人民币约为1 5 亿元，若这些油品全部采用管道密 闭输送，这些损耗的大部分就可以节省下来；( 3 ) 占用人力、物力资源较少， 管道运输中间环节较少，易于实现自动化管理与控制；( 4 ) 可以在较为恶劣的 气候条件下，及在河流、湖泊、高山、沙漠等特殊环境中连续正常工作。 管道运输在我国石油、天然气运输方面发挥着重要作用，在国民经济中占有 重要的位置。经过几十年的发展，我国初步形成了东北、华北、华东输油管网及 西南输气管网、西北一带油气管网。全国石油、天然气产量的9 0 通过长输管道 进行运输，截止2 0 0 4 年底，我国油气管道累计长度4 5 8 6 5 k m ，管道长度居世界 第六位，其中原油管道1 5 9 1 5 k m ，天然气管道2 1 2 9 9 k m ，成品油管道6 5 2 5 l 【m ，海 底管道2 1 2 6 k m 。 1 1 2 数字化管道的发展 随着我国经济的快速发展，对成品油的需求与日俱增，迫切需要构建“北油 南运”和“西油东运成品油管道干线，根据目前全国成品油管道建设的规划， 到2 0 1 0 年全国将形成1 3 条成品油管道，将覆盖我国东北、华北、华东、中南、 西南和西北的部分地区，经过1 5 个省市，形成全国成品油管道干线网络系统。 而从近几年来看，我国长输管道建设进入了高速发展时期，从2 0 0 0 年至今，就 有涩宁兰、兰成渝、忠武线、西气东输、陕京二线、联络线和西部管道工程，并 且管道建设中出现了大口径、长距离、高压、网络化的发展趋势。同时长输管道 建设出现了两个“延伸”趋势。即：由西部人烟稀少地区向人口稠密地区延伸和 第一章绪论 由经济不发达地区向经济发达地区延伸心1 。管道运输的飞速发展，向人们提出 了管道运营、管理和环境保护等方面的诸多新课题，传统的管道建设管理理念、 手段、方式逐渐难以适应管道运输发展的需要。在这种背景下，数字化管道的概 念，为人们考察管道的建设与管理提供了一个新的途径和手段。 2 0 世纪9 0 年代，美国最早提出了数字管道概念嘲。作为“数字地球”( d i g i t a l e a r t h ) 系统的组成部分，数字管道基于先进的信息管理系统，提供了与管道相 关的各种图形、数据、状态等数字化信息。目前，这项技术在美国、加拿大和意 大利国家较为成熟，如阿拉斯加管道，目前可实现对地震等自然灾害的预警和管 道系统的自动控制；北美的联盟管道( a 1 1 i a n c ep i p e l i n e ) ；意大利s n a m 公司 的i g a s 管道工程地理信息系统。数字化管道基于地理信息系统、全球定位系统、 遥感、数据处理系统，辅之以网络通讯、多媒体、虚拟现实等多种现代信息技术， 构建数字化的信息框架，将真实管道的地理位置及运行参数、状态，及时准确的 提供给管道管理部门。 作为国内首条数字化管道，西气东输工程的续建工程，冀宁支线纵贯华北、 华东的冀、鲁、苏三省，连通环渤海的陕京二线和长江三角洲的西气东输两大天 然气干线。该管线在勘察设计期间利用卫星遥感与数字摄影测量技术进行选线， 获取了管线两侧各2 0 0 米范围内的沿线四维数据、并应用地理信息系统与全球定 位系统，初步建立起包括管道沿线地形、环境、人口、经济等内容的管道信息管 理系统。该系统能够提供现场各环节的可追溯性数据，便于对出现的问题及时做 出判断与处理。 1 2 管道安全监测技术概述 油气管道由于运送对象的特殊性，一旦发生泄漏，对管道自身安全、周边人 民群众的生命与财产安全及生态环境都会造成影响。而近年来，犯罪分子在管道 上打孔盗油、盗气；大量基础建设项目施工过程中，不可避免在管道沿线进行挖 掘作业，这些都严重威胁着管道运行的安全。据不完全统计，我国每年因外界破 坏而造成的管道泄漏引起的事故百余起，直接经济损失达亿元，环境破坏和社会 影响等间接损失更是无法估量。为防止外界因素对管道的破坏，建立高效、可靠 的管道安全监测系统势在必行。 目前，管道安全生产监测技术主要有两类h 川】：管道泄漏事件发生后的监测 技术和管道破坏事件发生前的预防监测技术。 1 目前，管道安全预防监测技术中，声波检测法与光纤传感器法是业界关注 的热点，并已在工程实践中得到应用。 2 第一章绪论 ( 1 ) 声波检测法旧1 ，是当人为破坏管道时，各种机械动作所产生的声波，沿管 道钢管高速传播，利用安装在钢管外壁上的高灵敏度声学传感器接收声波信号， 经放大滤波，利用有线或无线传输设备将数据传到主站，后者利用数字信号处理 等技术，对管道破坏点进行定位。这种方法中，高精度声波传感器一般布置距离 较近，无法对长输管线进行监控。 ( 2 ) 光纤管道安全预警技术n 3 ，利用与管道同沟铺设的光缆，拾取管道附 近沿线的土壤振动信号，并借助于综合信息管理平台及时分辨各种信息，对可 能危害管道安全的动土事件或场站设施的入侵事件进行报警。通过集成的管道 沿线地理信息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) 以及通信系统，管道控制中 心人员可以及时指挥、调度维护抢修人员快速及时准确地赶到危害事件发生地 点，避免管道安全事故的发生。 2 现代管道泄漏检测的方法可归为基于硬件和基于软件的方法，其中，基于 硬件的方法包括：直接观察法；泄漏检测电缆法；示踪剂检测法；光纤泄漏检测 法，基于软件的方法包括：负压波法、压力梯度法、质量平衡法、实时模型法、 统计决策方法等。随着科学技术的不断发展，现代管道泄漏检测技术有如下发展 趋势副： ( 1 ) 各种检测方法相互结合使用。单一的泄漏检测和定位手段越来越不适应 管道运输业的发展，将多种泄漏检测和定位手段与技术相结合，同时在现场运用 中考虑各种检漏方法的特点使用，能够更加及时、准确地检测泄漏点。 ( 2 ) 智能检测和定位技术的应用。利用人工智能技术的发展，对诸如流量、 压力、温度、密度、粘度等管道和流体信息进行采集和处理，通过建立数学模型， 或通过信号处理，或通过神经网络的模式识别、提取故障特征并基于知识的方法 进行检测和定位。通过建立管道的数学模型并与信号处理方法相结合，将管外检 测技术和管内检测技术相结合，进而将智能方法引入检测和定位技术。 1 3 工业控制领域的r t u 简介 1 3 1 现场数据采集与处理方式介绍 在现代工业控制系统中，现场数据采集与处理的常用方法有阳1 ，基于可编 程逻辑控制器( p l c ) 、远程数据采集控制模块、数据采集卡与工控机相配合工 作模式。 1 、新一代的可编程逻辑控制器，全面使用基于高性能的1 6 位、3 2 位微处理 器，使用精简指令集，而且一台p l c 中含多微处理器，可进行多通道处理。p l c 第一章绪论 一般不采用计算机中的中断处理方式，而是采用循环扫描的工作方式，即p l c 对 用户程序反复循环扫描，逐条解释用户程序并执行。p l c 的优点是功能强大，模 块可内置数据处理算法，但它的速度较慢，价格一般较高，适用于测量和控制对 象多，功能需求多，速度和实时要求不高的大型系统。 2 、远端数据采集和控制模块适用于在恶劣工况条件下，作为现场仪表、传 感器与计算机之间的接口，其内置微处理器，常与主机以组成工业网络的形式工 作。如美国国家仪器公司的f i e l dp o i n t ，它含有三类组件：i 0 模块、底座、 网络模块，。使用时可以为适应特殊要求而独立选择i o 和工业网络。这种模块的 优点有，模块内可内置低通滤波器与光电隔离，工作的温度范围为一4 0 7 0 ； 模块之间通过总线连接、速度快、通信可靠；同时可利用l a b v i e w 、l a b w i n d 0 w s c v i 进行软件编程，编程方式友好，效率高。 3 、插槽式数据采集，置于计算机机箱内部，利用高速总线直接与核心模块 通讯，可以做实时数据分析处理。如常用的美国n i 公司的e 系列采集，采用高 速a s i c ；2 u s 稳定时间高精度仪用放大器，与其配套使用的排线或屏蔽线和专用 的接线端子，具有可靠的电磁干扰屏蔽作用，特别适合于对微小信号的采集与处 理。 1 3 2 远程终端模块概述 r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 是构成企业综合自动化系统的核心装置，通常 由信号i 0 模块、微处理器、有线或无线通讯设备、电源及外壳等组成，由微处 理器控制，并支持网络系统。它通过自身的软件( 或智能软件) 系统，可理想地实 现企业中央监控与调度系统对生产现场一次仪表的遥测、遥控、遥信和遥调等功 能，在如s c a d a 的现代工控管理系统中有广泛的应用。 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) n 训，监控与数据采 集系统，广泛应用于电网、水网、油气管网及智能建筑领域。系统中，微处理器 及微控器构成远程终端模块，利用传感器模块( 包括工业现场的各种仪表) 获得所 需数据信息，通过各种通讯手段，将数据传递给主站计算机。操作人员通过主站 的人机交互设备，使用专用的系统软件，即可实现对整个工业网络的监控，进行 实时事件处理。 在s c a d a 系统中，r t u 作为独立的数据获取与控制单元，它的作用是在远端控 制现场设备，获得有用数据信息，并将数据传送给s c a d a 系统的调度中心，从而 支持s c a d a 控制中心与现场设备间的通讯。 实际工程中，要求在远端的r t u 所应具备的结构与功能包括u ， ( 1 ) 实时操作系统r t o s ，以提高系统可靠性与可用性； 4 第一章绪论 ( 2 ) 系统驱动模块，包括与s c a d a 监控中心通讯的驱动模块和与现场设备的 i o 接口通讯的设备驱动模块； ( 3 ) 系统诊断模块； ( 4 ) 应用程序模块： 现场过程扫描和数据记录与存储； 对从通讯链路传过来s c a d a 监控中心命令的响应； 完整的用户编程环境或支持用户程序的文件系统； 检测、存储并提示某一被控点的突发状态变化； 监控模拟量与数字量输入，当其变化超过规定值时，进行标记。 1 4 本文的工作与意义 远程终端模块技术与遥测、遥控、遥调技术密切相关，是在远端研究物理变 化过程、对生产过程进行检测与控制的重要技术。在计算机、机械、仪器仪表、 自动控制等学科的强有力支撑下，远程终端技术必然在工控领域里扮演更加重要 的角色。 管道监测技术的发展一个重要方向，是研究如何提高安全预警与事故报警的 准确性、实时性、可靠性，并与管道管理系统相融合，成为其重要的组成部分。 由于管道监测的特殊性，组建网络化的测试监控体系是必然的发展趋势，在这种 背景下，设计出具有强大数字信号处理能力，并具有传统工控能力的远程终端系 统对提高管道监测系统的整体性能具有重要的意义。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍了我国管道运输的发展状况、未来的发展趋势与管道安全监测科 学中的新技术与新方法，介绍了先进的数字化管道技术的发展与应用价值，讨论 了管道安全监测系统的发展方向。就本课题的应用领域，介绍了s c a d a 系统与应 用于工业现场的远程处理控制仪器的特点。 ( 2 ) 阐述了负压波法管道泄漏检测技术的基本理论方法，描述了泄漏监测 定位中所需实时获得的各种参数，以及校时系统对事故定位的重要性。说明了 r t u 组件在管道泄漏监测体系中的地位与作用。明确了系统对r t u 模块的整体功 能需求，并在此基础上完成了系统的硬件概要方案设计与软件任务规划。 ( 3 ) 根据远程终端模块硬件设计的概要思想，设计了r t u 模块中工业现场 信号调理模块，包括，电流电压转换、信号滤波与增益调节、流量脉冲信号计数 第一章绪论 等模块；设计了基于嵌入式系统的中心控制平台，包括，g p s 校时模块、数据采 集模块、电源模块、数据存储与通讯等模块。 ( 4 ) 根据远程终端模块软件任务规划，基于嵌入式控制平台的中断体系构 成特点，构建了软件任务的实时任务调度体系，完成了系统各主要任务的软件编 写，包括，过采样数据采集、数字滤波、系统校时、网络通讯用户协议的实现等。 ( 5 ) 讨论了提升算法实现小波变换在信号去噪、奇异点分析等方面的应用， 提出在利用卡尔曼滤波技术进行信号去噪的基础上，利用提升小波变换技术，实 现对管道压力波形奇异点的定位，并进行了实际压力波形数据的分析与处理，得 到了较为满意的效果。 6 第二章远程终端模块总体设计方案 第二章远程终端模块总体设计方案 本章基于负压波法管道泄漏检测的原理与方法，介绍远程终端模块硬件与软 件系统的总体方案设计。 2 1 基于负压波的管道泄漏监测方法 负压波法检测管道的突发性泄漏具有较高的灵敏度和定位准确度n 2 1 引，此 方法利用管道发生泄漏时，引发的负压波传输到上下游测量点的时间差，结合负 压波的波速进行泄漏定位。 管线瞬态负压波定位示意图如下图2 1 所示： 压力变送器a压力交送器b oo 图2 1 单管线瞬态负压波定位示意图 泄漏点的计算公式为： x = ( 工+ 口f ) 2 ( 2 1 ) 这里， 工一泄漏点距上游站测压点的距离， 所 三一上、下游监测工作站间距，脚 口一负压波的传播速度，所占 舡一上游站压力突变时间与下游站压力突变时间差，j o 上述原理描述了理想状态下，负压波法定位方法工程实际中，必须综合考 7 第二章远程终端模块总体设计方案 虑如下客观情况，并采取适当措施n 屯1 5 r 1 6 1 7 】： ( 1 ) 我国原油大多数具有高粘度、高含蜡、高凝点的特点，工程实际中必须 采用加热输送。管道沿线的温度差异导致了负压波在管道各点的传播速度不同， 因此必须考虑管道输送过程中温度的变化对负压波在管道中的传播速度的影响， 这里要求远程终端模块在现场采集传输油品的温度信号。 ( 2 ) 在实际管道运行过程中，工作站内的正常作业，如泵、阀的调节，也会引 起负压波，影响监控系统对泄漏的判断与报警，因此需要对现场工况进行分析。 结合管道流量变化，可对判断泄漏发生起辅助作用。如实际发生泄漏时，上游与 下游都会接收到泄漏引发的负压波，但上游的流量不会有太大变化，而下游的流 量将会减少。因此在安装有流量计的监测工作站，系统应采集流量信号。 ( 3 ) 为了精确得到压力突变的时间差，常用的方法是对异地工控设备进行基 准时钟校正，这里采用g p s 提供世界时基准时间进行校正，并进行实时数据采集， 同时为数据打上时间标签，以克服各种通讯方式中实时性因素对定位带来的不利 影响。 ( 4 ) 在泄漏监测系统中，如果管道两端的压力变送器的响应时间不一致，就 会给确定管道泄漏负压波传到管道两端的时间差带来误差，因此在工程实际中， 需要考虑压力变送器的响应时间。 小结： 在应用负压波法进行管道泄漏检测与定位方法中，监测系统不但需要实时获 得管道运行的压力参数，还需要获得温度与流量信号，温度参数是确定负压波波 速的关键因素，而流量参数能够对在监测过程中有效的区分工况起到辅助作用， 以减少误报警。同时，对异地设备应提供数据采集所需的基准时间源，并进行时 钟校正，补偿时钟累积误差，以满足泄漏定位的要求。 2 2 远程终端模块概要设计 如图2 2 所示，远程终端模块作为管道泄漏监测系统重要组成部分，基于负 压波法泄漏定位的要求，需要具有如下功能与特点： 1 、具备数据采集能力，以获得现场仪表提供的管道运行参数：压力、温度 和流量； 2 、对从现场仪表或传感器输出的信号进行信号调理，以满足后续系统进行 信号分析、处理的要求； 3 、进行信号本地处理，完成工况分析与报警工作； 8 前一书逆 i 终端 5 l 块总体吐| 颦 1 、m 中心数 i l ：分析监撺乐统捉供衄压波定位所需的n 布川j 十问精度标志的 压力、温度投流量信弓： 5 、执行- ，心棒制系统的远程牲：l 命令如通讯胺障后柏数蝌绌忙： 6 、作为k 圳运 r 的：挡殴蔷，泵统成具蔷低j j j 4 c 、商可靠性的特点； 7 、具蔷吱时时钟j 时i 词校准机制： 8 、凡桥人机交互接u ，先成显小o 参数输入等上作： 9 、具蔷数槲蔷份存储j j j 能。 日口口 盈 - - l = = 二j l 二二= 两盈 口口曰 刚2 2 系统壮体示枣罔 221 硬件平台概要设计 如蚓2 3 所小撤槲| 三【j 一对系统总体需求的分析，这单占先介纠系统f | ! | 件r 台的结构与助能总仲殴计 垦 髟 第二章远程终端模块总体设计方案 l 南洒蜡牡l 一一1 人机交互 l 电狮俣耿i ，rr r 模块 v 一 t 由 以太网心 压力 i v 变换 滤波a d 转换嵌入式 通讯控温度 _ 增益控制模块n控制模块 。 模块制变送器 站 流量计 脉冲计数模块 ii l t 存储 g p s 模块 模块 图2 3 硬件平台结构图 一、信号调理模块 1 、电流电压变换及计数模块 现场一次仪表，如压力变送器( 如以扩散硅传感器作为测量元件 的k g p 型压力变送器) 、温度变送器( 如p t l o o a l t r a ，热电阻一体 化温度变送器) 输出的均为4 2 0 m a 的直流电流信号，为后续电路处 理方便，将电流信号经i v 变换模块转化成电压信号；流量计输出信 号为脉冲信号，本系统采用隔离计数器，利用串行通信输出流量信息。 2 、模拟滤波模块 由于工况现场及系统本身的客观因素，信号中不可避免的含有大 量噪声，为此系统中设计了滤波系统，包括抗混叠模拟滤波、与过采样 的模数转换方法相结合的数字滤波与抽取。 3 、增益调节模块 信号经模拟器件滤波后，一般需要对插入损耗作补偿，同时为充 分利用后续模数转换器件，系统中了加入由仪用运放构成的增益调节 电路。 4 、电源模块 为提高系统的可靠性及实现模块整体的低功耗设计，系统采用高 效率的开关电源作为系统的供电模块； 二、基于嵌入式3 8 6 的系统控制平台设计 1 、嵌入式硬件平台的选择 作为工业现场的控制模块，就本系统而言，嵌入式3 8 6 本身的 特点，能够满足系统的需求。 ( 1 ) 内部集成了系统所需设备的各种通讯接口，如： l o 第二章远程终端模块总体设计方案 i s a 总线接口：负责与以太网芯片，a d 转换芯片等器件的通讯： 串行接口：负责与g p s 一体化接收机、流量计数模块通讯，并作 为程序调试接口； 并行接口：负责报警、液晶控制。 ( 2 ) 内部集成了与工业级8 2 5 9 相兼容的中断控制系统，为g p s 校时 及实时数据采集处理，提供了建立可靠的实时任务调度的条件； ( 3 ) 内部含有以备用电源支持的实时时钟，通过d o s 系统命令即可得 到当前系统的时间与日期；同时利于时间校正； ( 4 ) 内核基于i n t e l 8 0 3 8 6 ，3 2 位处理器，其物理架构与当前主流p c 机具有相似之处，作为成熟的工业产品，能在较为恶劣的工况下 工作，可靠性较高，并有大量资源可供使用； ( 5 ) 可扩展的r a m 存储单元，具有较高的性能与可扩展性； 2 、基于i s a 总线的r t l 8 0 1 9 以太网通讯模块，提供了与主站基于t c p i p 的工业以太网络数据通讯，能够有效地进行数据与命令传输； 3 、基于u s b 总线的存储模块，提供了系统所需的外部数据存储空间， 使大容量数据备份存储成为可能； 4 、数据采集单元，完成具有1 2 位精度的数据采集任务； 5 、g p s 一体化接收机，为系统提供了u t c 时间源； 6 、人机交互单元，系统提供了液晶显示与矩阵键盘单元。 2 2 2 软件系统概要设计 整个软件系统基于d o s 平台设计，d o s 系统作为单任务操作系统，其系统命 令为模块软件编程提供了一定的便利条件，如内部r t c 实时时钟数据的获得，数 据以目录文件格式进行存储等。 如图2 4 所示，系统软件各任务规划为， 第二章远程终端模块总体设计力案 图2 4 软什流程图 l 、模拟数字转换，完成压力、温度信号采集，控制多路数据实时采集与传 输，并进行数据缓存； 2 、利用串行通信与计数模块进行通信，获得流量数据； 3 、信号处理，工况判断，及本地报警； 4 、实时时钟的g p s 校时，获得与u t c 世界时一致的标准时间； 5 、完成数据帧用户层封装，进行以太网通讯，与上位机进行数据交换； 6 、人机交互，系统参数设置，与液品数据显示； 7 、采集得到的数据压缩后以二进制文件格式进行备份存储，包括按时问建 立存储目录与文件； 8 、本地信号处理，包括信号去噪与奇异点分析。 2 3 本章总结 本章首先介绍了采用负压波法进行管道泄漏监测的原理与方法，明确了系 统工况分析与事故判断、定位所需的物理信号，以及对远程终端模块信号调理与 数据采集的要求；然后根据系统需求，给出了远程终端模块的整体功能框图，包 括硬件电路的概要设计与软件系统的任务功能与分配。 1 2 第二章远程终端模块硬件设计 第三章远程终端模块硬件设计 本章讨论远程终端模块的硬件设计实现，包括信号调理模块，嵌入式控制系 统硬件平台设计。 3 1 信号调理模块设计 由总体硬件方案设计，信号调理模块是将管道压力、温度信号由4 2 0 m a 电流 信号经电流电压转换器件转换成电压信号，并最终转换成数字信号；同时将流量 信号由流量计输出的脉冲信号经计数模块输出串行数字信号，送入嵌入式系统， 进行后续处理。如图3 1 所示，压力、温度信号转换成电压信号后，由于各工况 干扰源不可避免地在有用信号中渗杂噪声，设计中加入模拟低通滤波电路滤除噪 声，同时作为模数转换的抗混叠滤波器。 图3 1 信号调理流程图 3 1 1 电流电压转换模块设计 常用的电流电压转换方式n 盯是将电流信号接入串接标准电阻，通过电压跟 随器输出转换后的电压，此方法中，串接的标准电阻的精度与特性直接影响着电 路转换精度。另外，以利用2 5 0 欧电阻转换4 2 0 i a 到卜5 v 为例，若对转换得到 的电压直接进行a d 转换，则只有4 v 的有效输入范围。为提高转换精度和a d 转 换有效输入范围，本系统中采用集成的电流电压转换芯片r c v 4 2 0 来保证转换的 精度与可靠性。 如图3 2 所示，r c v 4 2 0 是美国b r u r r b r o w n 公司生产的精密电流环接收器 芯片，其内部包含一个精密电阻网络，与内部运算放大器配合能将输入的4 2 0 a 电流转换成o _ 5 v 电压；另外，芯片内含一个精密电压基准，提供了典型温漂为 5 p p m 的精密1 0 v 电压输出。模块总转换精度可达0 1 ，共模抑制比c 脉可 达8 6 d b ，共模输入范围为4 0 v ，满量程时的电压下降仅为1 5 v ，适合在环路中 第三章远程终端模块硬件设计 串有其他仪表负载，或者在对变送器电压有严格限制的应用场合中使用。模块调 试方法如下： 1 、增益微调 在r c v 4 2 0 芯片的1 5 脚( 接收反馈端) 与1 4 脚( 电压输出端) 接入滑动变 阻器，可以在小范围内对增益进行调节。因增大增益将导致共模抑制比c m r 下降， 所以增益调节应尽可能的小。如，用1 2 5q 电阻可使增益增大1 ，但c m r 将下 降6 d b 。 图3 2 电流电压转换模块 2 、输出电压偏置调节 为达到在输入4 2 0 m a 电流时，输出为0 5 v 电压，需要对输出进行偏置调节。 如图3 2 所示，为增大调节范围，将芯片第1 0 脚( 基准反馈端) 与第1 1 脚( 基 准输出端) 相连，这样，芯片稳压源1 0 v 输出电压通过精密单位增益放大器i n a l 0 5 构成一1 0 v 参考电压，并利用高精度变阻器件进行分压，通过由运算放大器 o p a 2 3 7 构成的反馈电压跟随器，调节偏置电压。 3 1 2 信号滤波与增益调节模块设计 整个系统的滤波由模拟滤波与数字滤波模块组成。采用数字滤波技术可以克 服利用模拟器件进行滤波而带来的由于元件失配、非线性、老化，动态性能等参 数带来的影响，由于数字滤波通常基于软件技术实现，设计也较为方便。尽管如 此，一般仍使用模拟滤波器来进行抗混叠滤波。 系统中采用的是具有1 2 位分辨率的a d c 转换器件，理想情况下能够提供7 0 d b 的信噪比( s n r ) ，在采用过采样的模数转换方式中，当采样率为信号频率的4 倍时，低通滤波器需要提供7 0 d b 的衰减，以确保所有杂散信号经过足够的衰减， 1 4 第三章远程终端模块硬件设计 不会出现在采样后的信号中，这就需要采用高阶滤波器在过渡带内提供合适的每 倍频程衰减。 常用的低通滤波器件中n 9 】，椭圆滤波器的过渡带较为陡峭，但相频特性较 差，而与切比雪夫滤波器相比，巴特沃斯滤波器虽然过渡带衰减较差，但通带的 增益更加平整。另一方面，对集成低通滤波器件，通常有连续时间滤波器和开关 电容滤波器两种类型，由于后者较前者不需要外部调节器件，结构灵活，一般情 况下可以替代分离或集成的连续时钟滤波器。 如图3 3 所示，系统中实际采用的是单片集成开关电容低通滤波器m a x 2 8 0 ， 这种器件以输入时钟的方式来控制截止频率，其内部四阶开关电容网络与外接一 组r c 元件构成五阶巴特沃斯低通滤波器，通带增益为1 ，最高转移频率2 0 k h z 。 器件第5 脚为时钟输入端，其悬空时，滤波器以内部时钟1 4 0 k h z 驱动，芯片l 脚外接的r 、c 器件可将驱动频率调整到更低，也可外接其它时钟发生器作外驱 动。输入信号经外接一阶r c 网络，由第1 脚输入芯片，要求电容c 由电源第1 脚与内部开关电容网络耦合。第8 脚为缓冲输出端，从该端输出时，会引入2 2 0 m v 失调电压。这里为减小失调电压，从第7 脚直接输出，但该端输出阻抗较 高，因此使用时，外接缓冲器后输出。同时，若截止频率设定为f c ，为了实现巴 特沃斯特性要求，要求满足r c = 1 6 2 2 f c ，通过该r c 网络也实现了低通抗混 叠滤波。 图3 3 滤波与增益调节电路 为补偿模拟器件带来的插入损耗，电路中加入由仪用运放a d 6 2 0 构成增益调 节电路，其放大倍数通过1 脚与8 脚间串接的电阻进行调节，在开路时的增益接 近为1 。a d 6 2 0 具有很好的直流与交流特性乜训，其最大输入失调电压为5 0uv ， 最大输入失调电压漂移为luv 。另外，a d 6 2 0 的输出电压和参考电位端有关， 将参考端和恰当的接地点连接可解决许多接地方面的问题。通常为了将低电平的 模拟信号从有噪声的数字环境中隔离出来，数据采集系统将模拟地与数字地分 第三章远程终端模块硬件设计 离，而在a d c 器件将模拟地与数字地一点相连，保证各个独立的接地回路使敏感 电流向地的电流为最小。 3 1 3 流量脉冲信号计数模块设计 流量信息对工况判断起辅助作用，在装有流量计的监控站，应将流量信号读 入监控系统。工控现场，常采用腰轮流量计采集流量信号，其输出是2 4 v 脉冲信 号。本系统将其进行调理后，经a d a m 4 0 8 0 对脉冲信号进行计数，并通过串行接 口与嵌入式模块通讯，提供流量信息。由于流量信息为累积计算值，软件系统控 制，间隔固定时间读取流量信息。系统中采用的a d a m 一4 8 0 0 计数模块，它为系统 提供了两个独立的3 2 位计数器( 计数器o 和计数器1 ) ；输入频率：5 h z 一5 0 k h z ； 并采用隔离输入方式。 为了减少智能控制模块c p u 的软件时间开销，并提高系统的使用效率。系统 通过总线方式与外部异步收发器进行通讯，读取流量信息。本系统中采用的u a r t 器件t l l 6 c 5 5 0 ，是含自动流控制的通用异步收发器，它可以工作在f i f 0 模式， 通过接收和发送寄存器的缓冲进行交替工作。t l l 6 c 5 5 0 在接收外部器件数据时 完成串行到并行的转换；在接收c p u 的数据时，完成数据的并行到串行的变换， 并进行串行发送。 如图3 4 ：嵌入式3 8 6 模块利用总线驱动t l l 6 c 5 5 0 乜妇与a d a m 4 0 8 0 进行串行 通信，t l l 6 c 5 5 0 接口线中，地址线a o a 2 供3 8 6 来选择控制1 6 c 5 5 0 内部寄存 器，以完成功能寄存器的寻址。x i n 与x o u t 接入外部基准时钟频率；s i n 与s o u