（精密仪器及机械专业论文）基于嵌入式Internet技术的原油管道泄漏监测与定位系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 = i ；l 予铃道逶竣在国鼹经济中瑟发箨羞越爰乏越霪臻酌俘蠲，维护鹫遴托安金运 行、防止管道生产事故的发生已经成为管道工她生产和管理部门的颈裁英堂要 静工作。俘淹管道事故中袋经露发生的澄潺攀故一显发生，不稷逡成大鳖麓耪矮 损失，渣瀑鹣商毒诧学物臻还会造成繇壤污染，更为严熏避可能会遗贱人劳伤亡 事故，后暴极为严重。 管道淤漏检测是多镢域、踌学科酌研究课题，涉及到管道滤髂力学、热力学、 抟感技术、徽弱倍号检测、信号处理、计算机辩警釉现代通讯技术等多个学科领 蠛。本文农骚骞瓣管遂瀵漏蕊凝与怒位系统蘩稿羔，结合嵌入式技拳酾i n t e m e t 技术，构建了嵌入式i n t e r n e t 原浊管遒泄漏拨测与定擅系统，完成的工髂主要有： l 、基于嵌入式技术和i n t e m e t 技术设计实现了原濑管道灌潲篮测与定位系 统，对暇霄的系统进行了改避，使掇系统的设计成本大大降低，摄高了系统的可 靠瞧。 2 、具体设诗实理了毅8 壤攀篾魏为主然翡逶拣数爨慕集系统。远漩数攥采 集系统包括信号调理模块、中央处理单元和邋程通讯接口三部分，安装在输酒管 道沿线的器中阉蛞，实辩收集管道运行参数。 信号调理模块分别从现场漾集黪线压力、温度及流熬信号并谶行预处理。根 据吾类俊譬瀚不强特征，零文疆疆了耱应筑鲶瑾方鬃嚣实瑗搭藏，戮巅予疆敬繇 嚣僚学酌蠢芙参数帮重爨特征，为矮续豹管道i 灞捡溺工雩# 徽爨燮的璇备。 中受处理单元选蹋c y g n a l s 0 5 1 f 0 2 0 作为中央处理器，将经攒处骥黯的餐种 现弱镰号避行a f t 9 转换，并支持警予嵌入式t n t e r n e t 静邈程数纛交互。此外，还 实现了键擞控制和液晶照示控制等人机交互功能，以方便现场使用。 3 、买俸实残了嵌入式i n t e m e t 繁遥灌淤检测系统豹远翟数掇交曩犊麓浚诗。 根据黻l 趵1 9 a s 的基本艨理酾工幸长滚程，讨论了嵌入式t c i p 协议的其体实现 阻及髑户协议的设计与实现等，井利用模摈的数蓊采集环壤和蕊翰嚣突际数耀交 互避程验滚了系统兹霹纛一建。 4 、基于虚拟仪器l a b v i e w 平台，构建了嵌入斌i n t e m e t 管道泄漏检测系统。 稳焉密器个远蠛数撵采黛鬃绫糖羧戮串心系统戆嚣力、浚量、潺发等数箍，罄予 负藤波原理，对管道的遂行状说避行实时监粼，并发嚣寸对泄漏枣敬徽文正确的判 断和耩确定饺。 关键词：管道泄漏检测定位嵌入式系统i n t e m e t 虚拟仪器 a b s t r a c t p i p e l t n ei so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tt o o l si l li n d u s t r i a lt r a n s p o r t a t i o n sa 1 1 d l s p l a y i n gag r e a ll o l e0 1 1 也。d e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m yk e e p i n gp i p e l i n es a f e l y r u n n i n ga n dp r e v e n t i n gi tf r o ma c c i d e n ta r ev e r yi m p o r t a n ti np i p e l i n ec o m m e r c i a r u ) r u i n g l e a k i n gf r e q u e n t l yh a p p e n s a n di tw i l tl e a dt om a t e r i a l l o s sa n d e n v i r o n m e n t a lc o n 镰l m i n a t i o n p i p e l i n el e a k a g ed e t e c t i o ni s as n b j e c tt h a td e a l sw i t hm a n yd i s c i p l i n e sa n d s c i e n t i f i cf i e l d s i n c l u d i n gf l u i dm e c h a n i c s ，t h e r m o d y n a m i c s s e n s i n gt e c h n i q u e s w e a ks i g n a ld e t e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，c o l n p u t e rs c i e n c ea n dd a t ac o n l m u n i c a t i o n a p p l y i n ge m b e d d e dt e c l m i q u ea n di n t e n l e tt e c h n i q n e ，an e wi d e a lo fr e t b r m i n gr a w p 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 t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h et h e s i s + r e l a t e d w o r ki ss h o w na sf o l l o w s ， 1 ，b a s e do nt e c h n i q u e so fe m b e d d e ds y s t e ma n di n t e r a c t ，an e wt y p eo fr a w p 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 t i o ns y s t e mi ss e tu p t h en e ws y s t e mr e d u c e sc o s t a n de n h a n c e sr e l i a b i l i t y 2 t h er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d i ti n c k l d e ss i g n a lp r o c e s s i n g m o d u l e c e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dr e n l o t ec o m n t t m i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l e ， i ns i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l ea c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts i g n a l s i n c l u d i n gp r e s s u r es i g n a l ，t e m p e r a t u r es i g n a l a n df l o w s i g n a l ，t h e d i f f e r e n t c o n d i t i o n i n gm e t h o d sa r ep r e s e n t e d t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r ep r o p e r l yp r o c e s s e d s ot h a ti tc a l lp r o v i d eg o o dp r e p a r a t i o nf o rs u b s e q u e n td e t e c t i o n ， i nc e n t r a l p r o c e s s i n gm o d u l e ，c y g n a l 8 0 5 lf 0 2 0i sc h o s e nf o j d i g i t i z i n gt h e p r e - p r o c e s s e ds i g n a l sa n dg i v i n ge n o u g h f i r m w a r et o s u p p o r tc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ea sd a t at r a n s f e r , e x c e p tf o rb a s i cf f m c t i o n s ，t h ek e y b o a r da n dd i s p l a y f u n c t i o n sa r ea l s or e a l i z e dw h i c hg i v em o r ec o n v e n i e n c e st ou s e r 3t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l ei sd e s i g n e d 岛fp i p e l i n el e a kd e t e c t i o n d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nr t l s 0 1 9 a s t h ee m b e d d e dt c p i pp r o t o c o la n d a g r e e n a e n to fd a t ac o l r u r m n i c a t i o na m o n gs u b - u n i t sa r er e a l i z e d + u s i n gs i m u l a t e dd a t a a c q u i s i t i o ne n v i r o n m e n ta n d a c t n a ! d a t aa c q u i s i t i o np r o c e s st h er e l i a b i t i t yo ft h e s y s t e mi sc o n f i r m e d 4 b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tl a b v i e w , t h ep i p e l i n el e a k i n gd e t e c t i o na n d l o c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e du s i n gd a t ao fp r e s s u r e ，t e n l p e r a t u r ea n df l o wg a i n e df i o m v a r i o u ss u b u n i t s ，t i l ep i p e l i n er u n n i n gs t a t ei sm o n i t o r e dr e a l t i m e b a s e do nn e g a t i v e p r e s s u r ep r i n c i p l et h el e a ka c c i d e n tw i l lb ed e t e c t e di nt i m ea n dt h el e a kp o s i t i o nw b ep r e c i s e l yl o c a t e d aurven甜_ 兰ne虬 盯 ded debneo乱cono吐eedl hae n 眠 u弦m讲m dr0w y ek 独创性声明 本入声明骈呈交的学位论文是本人在导耨捂学下遴行豁研究工作和取得翁 磺究成聚，除了文中姆嗣秘以称注鄂致瀣之处舞，论文中不包含羹键入已经发表 惑撰霹过豹辑究成暴，也不怠禽为获褥墨鎏态堂或其毡教商极掬麴学位域证 书而使用道的材料。与我一阁工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 俸了明确的说明并表示了谢意。 学位论文 乍者签名：飙尹嘣店至签字网靴：多扩扩，年，韪堙嗣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了姆叁壅盘鲎有关保留、使用学 豇论文的规定。 特授权鑫盗蠢堂可以将学位论文的全部或都分内容编入有关数据库逮行检 索，并采粥影印、缩印或 冀擒等复制手段像存、汇编以供查阕和借游。同意学校 两誉家有关部f l 或枫构送交论文静复印 串释磁菇。 保密的学位论文在瓣密匿适髑本授权波明) 学位论文 管孝签名：衄$ 辫碜是翩躲谢 熬字f ；_ i 期：工矿口芦年 月，日签字日期：0 芦年，月，奠r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管道运输的发展及现状 管道运输是使用管道输运流体货物的一种运输方式，所运货物大多属于燃 料一类，例如油品( 包括原油、成品油、液化烃等) 、天然气、二氧化碳气体、 煤浆及其它矿浆等。管道运输是与铁路运输、公路运输、航空运输、水路运输 并行的五大运输行业。与其它四种运输方式相比，管道输送具有的特点是：第 一，输送能力强，效率比较高。管道既是运输工具，又是固定的运输通道，减 少了转运装卸环节，可以实现连续不问断的运输，同时避免空车返回的运力浪 费；第二，管道建设投资省、见效快、占地少，例如与建设同样长度的铁路相 比，管道建设的周期和费用均不到铁路的l 2 ，占地只有铁路的1 9 ，并且管道 建成投产后，9 0 的土地可以恢复使用；第三，运输过程是较安全的密闭输送， 无“三废”排放，有利于环境生态保护。同时输送能耗少、运费低，易实现远 程集中监控和自动化管理；第四，管道大部分埋设于地下，受地形地貌的限制 少，可适应各种复杂地形、地貌和气候条件。由于管道运输具有的独特优势， 管道运输业在国民经济中占有重要的位置并发挥蓑十分重要的作用。在石油和 天然气工业中，管道运输由于其安全可靠性和经济实用性，广泛地用于输送油 品和天然气。目前，全世界大型输油管总长超过2 0 0 万公里，并且以每年4 5 万公里的速度递增。到2 0 0 2 年为止，我国输油管道总长约1 9 5 0 0 k m ，其中原油 管道总长约1 7 3 0 0 k r n 。输气管道总长约1 1 2 0 0 k m ，其中天然气管道约9 4 0 0 k m 。 伴随着管道的大量敷设和长期运行，由于管道的老化、腐蚀破损或者人为 破坏等因素影响，管道运输中泄漏、爆炸等事故频频发生。近年来，国内外发 生的多起管道事故造成的巨大损失和严重的环境污染引起人们的广泛关注。如： 2 0 0 0 年1 月1 6 曰巴西南部城市库里蒂巴一条输油管道破裂，大约1 2 0 万公升 原油泄漏，原油顺着支流进入风景优美的伊瓜苏河，严重污染了河流的生态环 境。2 0 0 2 年9 日罗马尼亚阿尔杰什县地区的一条输油管道2 8 日发生石油泄漏 事故，溢出的1 3 0 多吨原油严重污染了当地的生态环境。2 0 0 4 年1 2 月2 2 曰， 墨西哥东南部韦拉克鲁斯州一条输油管道和一个输油泵站发生爆炸，5 人被烧 伤，大约有1 万桶原油流入该州最大的夸察夸尔科斯河造成严重的环境污染。 另外美国、俄罗斯、加拿大和英国等国家也有多起管道事故的报道。我国的管 道运输多次由于不同原因发生不同程度的事故，例如：2 0 0 3 年9 月2 日，鲁宁 线输油管道曲阜段遭到盗油分子的破坏，造成约2 2 0 吨原油泄漏，输油管线瘫 痪8 个多小时，宜接经济损失达1 3 0 多万元。2 0 0 4 年7 月2 5 日，中国石油管 道公司位于瓦房店市土城乡的输油管线由于管道老化自然爆裂，导致千余吨原 第一整绪论 滴淫漏，遮藏严重豹环蠛污染。中石豫驭1 9 9 3 年发生第一莲抒季b 蕊淫案 孛趣， 到2 0 0 2 年达1 3 8 7 起，l o 年闯共发生打孔盗油祭件3 8 4 7 起，造成照接经济损 失约j 。2 亿元，嚣骧涵溅溅逢菠熬环蕊污染积叟感狻琢戆焉暴羹粼为严重。潮 气管道发生事故后果严熏，轻则导致严重的环辘污染和物质损失，薰剡给人辩 群众的生命稳财产造成严滚损失。 大爨豹管道事鼗统诗袋嘲，工程浚誊 遵镶熬“漆靛”鍪事放攘豢鼗线氇囊 弹适羽予喾筵宝运输工韭，秘瓣l l 辑示。在管滋熬整个运行年限漆，都可妻l 蠢 事故发生，豢故的概率可分为三个阶段：初生期，稳定期，衰老期。在初生期 和衰老潮的搴故概率较商，丽稳定期姻事故概率较低。这是因为穗牵刀生期，管 道在秘艨、骆薅爱、簿秘簿穷嚣哥缝露在毒素渡捡密茇魂翔魏嫒麓，或者在镳 管圣箬照中霹辘会遥藏警逶懿繁铸损褒，浚及罄邀蕊懑懿繇凌秘寒运劐穗定。嚣 外，第三方破坏及操作失谈也是重要的艨因，融诱失效率较离。毽隧着时间鲶 港续，失效窭会逐渐降低。这是因为在稳定期，幽予管道周固耶蟪趋于稳定， 在裙生瀚造成事敲有映隔瀚鬻逶氇逶j 蹙缍修褥粼了弥补，事赦穰攀魄裙垒赣凌 著降低，管道处于平稳聪行期，因此，运一时期影响管道事故概率的主要因素 跫第三方醭坏襞搡终失浚等。在饕遂瓣裳老期，凌予囊蚀、磨镄，繁遭趋予囊 纯，事敞壤率会逐海主舞。 琏罄 罄 鼓 爝 管道避行年豫( a ) 燮1 - t “浴魏”罐枣赦鼹线 但怒，从图中也可璐辫瀣，如暴自对管道嶷施裣溅，准确把攒管道状撬并 根据一定的优选原则，对尴有严重缺陷的管嫩谶行及时的维修就可以大量避 受搴载豹发生，邈蔻大大鼹长管道鹃健爨寿命。鼹然每条管线幽予设计水平、 燕工袋鬃、奔裴痣涟程、维护祭尊竣爱安全镣璎水平静差雾，务翻黔浴盆楚凌 逮毫所不强，僵总戆纛镎爨籀同静。 期此可见，管道检测怒保证管道袋全运行的麓零方法。只祷遇过检测了镌 管i 莛载溅，方麓及旱累淑纛力搀薅，遴兔警遵溪敬嚣发生，延长黪灌豹经瘸嚣雩 第章绪论 闯。管遴梭溺不仅对保证警遴安全是卡分重要的，焉置扶长远褒患糸霉，萁经 济效益也怒可观的，这一点可以从管道维护费用和产生的巨大效蘸对眈体现出 来。根据管道维护的策略不同，可以分为主动维护和被动维护。阿翁是指用智 能检测器对管道实施检测，在仝面掌握管道状况的基础上，由专家全面考虑各 方面困素对检溺结果迸雩亍综合评债，确定管道维惨计划和方案，最囊囊管道业 主窳瑟方象对管道逶毒亍缨穆。经过捡蒺l 翻缍穆夔篱邋，低事馥搴赘分筑遂著燕 宽，管道运行寿命延长。 统计资料表明，目前世界上总管网的5 0 意右已经用了3 0 年撼至更长时 间，由予老化、腐蚀、意外损坏等原因，管道攀敞发生的概率增大，泄漏事故 对有发生，面且会日趋严蕙。国于管道所输介质的危险性和污染性，旦发生 事敲会造戏重大豹生鑫瑟产矮失帮骂境污染。懋怒觳长麓管道匏长发豁在二 三百公肇以上，发生泄漏事敞之后难以及时发现或者确定泄漏地点。细不能及 时发现缄确定泄漏地点，可熊会造成更大的事故。 目前在我国的大庆、胜利、大港、辽河、华北、中原等油田，许多管线已 达设计年嫩，正处于超龄服役阶段。特别是有数在“文革”期阅修建的管道， 现场燕王矮鳖穗警遂藐瘸浚凝均魄鞍差，较掌发生遗潺事赦。努孔爨濑熬不法 分子一般穰夜闻打孔、安装瓣门、盗涵，雨管道壤恐较深，盗涟墙点跑较偏僻、 隐蔽，通过常规的巡线检测方法很难找到盗油地点。为了及时发现泄漏事故， 减少油气损失，维护管道部门的正常运行，同时打击猖獗的盗油犯罪，除了要 从立法上鬻加强保护外，在技术上也给泄漏检测提如了更高的要求。 ，2 警邋灌漏梭测方法糕速 建立管道泄漏监测系统，及时准确报告泄漏事故的范围和程度，可以最大 限度地减少经济损失和避免邈成更大的环境污染。对一种泄漏检测方法优劣或 一个检漏系统性能的评价，应从以下几个方面加以考虑。 ( 1 ) 灵敏牲：硷滠系绕憩梭潮遗管道泄漏斡大，l 、范基，主要楚多，i 、粒渣潺 量麓移没毖正确的报警提示； ( 2 ) 定位精度：发生泄漏时，系统对泄漏点位置确定的误差范阑； ( 3 ) 检测时间：从泄漏开始到系统检测出泄漏所需要的时间； ( 4 ) 准确性：能够准确土也捡测出泄漏，因攥作失误和设备故障等因素发出 误擐警昀跑率是秀较低； ( s ) 蠢效经：是否麓连续整鞠整条管逶； ( 6 ) 适应能力：是指枪漏方法能否对不同的管道环境，不同的输送介质及 管道发生变化时，是否具裔避用性： 第一章绪论 ( ? ) 瞧偷吃：往徐篦是豢系统建设、运章亍及维护豹花费与系统掰缝撵供程蕤 产生效益的比值： ( 8 ) 可维护性：可维护性是指系统运行时对操作者有多大要求，及当系统 发生故障时，能否简单快速地进行维修。 对簿道泄漏捡测方法的磷究已经有几十年的历史了，但是由于簿暹检测的 复杂瞧，鲡警逶辕送夯囊懿多襻没，管遴瑟楚豹瑟凌魏建土、签沟、埋恁、海 底) 的多样慷，以及泄漏形式的多样性( 渗漏、穿孔、断裂等) ，使得融箭还没有 一种通用的方法来解决管道泄漏的探测问题。在实际应用中，某一种泄漏检 蝤4 方法或者一种检漏装置不能同时满足所有要求，一般在检测系统中熄将几种方 法综合使用。 + 2 ， 内部检测方法 将管内检测器从一端放入管道，顺流而下，可连续检测几百公飘的管道， 不仅可以准确检测出泄漏的发生地点，而且可以观察管道的内部腐蚀和破损情 况，目前豳际上流行的大致有以下几种方法： 0 瀵磁逶硷溺器 越声波捡溪l 器 o 涡流检测器 o 照相检测法( 仅用予透明流体) 内部检测方法定位准确，但价格昂贵，也无法做到连续实时检测。围l 一2 为灞磁遴漩内瓤检测器。 嗣 - 2 溅磁通法内魏捡测嚣 2 2 给部检测方法 管道外部检测方法主黧有以下几种。 第一章绪论 、滚爨平衡法 流量平衡法的原理是当管邋的入口流量和出口流量不相等时，如聚入口流 量大于出口流量，就可以判断出管道中间发生了泄漏。这种方法原理倘单，易 于实现，但烘检测稽度受到两端的流量计的精度限制，而且不能对泄潲点进行 定位。对予艘热臻送兹警遂还黉考虑港翟漫蹲对滚簿密度露葵积豹影昀。 2 、讫攀肖法 利用一种能与所输介质发生某种物理或化学反成的电缆，沿管道敷设。当 发生流体泄漏时，漏出流体与电缆发生反应，通过特定的仪器即可判断出泄漏 的发生。强静已开发了两秘电缆测漏方法，一种是刹髑泄漏物质造成电缆短路， 舅努一耱楚秘囊淫满耪囊造成惫缆懿穗整阻挠变绲。藏舞，太贸还在臻潮葶羹爰 光纤的检漏滋。这种方法的优点怒响应速度快，麓梭出微小的泄漏，缺点是材 料成本高、遴续使用性差，应用领域有限。 3 、应力波法 警线巍予灌继，大为季了孔簿骚邂破裂对，会产生一个裹频约振动噪声，敬 应力滚的形式潜管壁传撵，其强发随距离阻稽数媛德焱城。据辩振动臻声敏感 的传感器安装在管道上，可发现2 3 公里夕 的管邋破裂。 天津大学精仪学院于1 9 9 2 年便研究了管道泄漏弓l 发的应力波及熟在管壁中 传播的机理，分析了泄漏引发的管道横振、纵振和圆环振动。分析了埋地管道 与壤之阍熬粳互佟翔，提出了当泄潺弓| 发振动与繁道露袁振动频率发生共摄 对，渣满零 发应力滚轻传播较远黥距离。流露淹潺在镎遂孛号| 发静瘦力波豹特 征反映出泄漏是否发生和泄漏状况，他们提出一系列时域统计指标( 趣括峰值、 均幅值、方蒺、均方差、方根幅值、波形指标、峰值因子、脉冲因子、裕度因 子、峭度因予等) 描述应力波的特征，建立了神经网络学习矩阵。并于1 9 9 4 年 硬割出一葶孛德携式基于人工糟缀潮络静管道泄漏梭测仪，图卜3 为应力波法管 遭渣添裣潮纹静接墓嚣部分。健黪器零奏豢毒磁瀵，霹方霞这骧瓣于蘩璇主。 图】3 虑力波法管道泄漏检测仪的传感器部分 第一章绪论 4 、光纤传感器方法 光纤传感器是最近几年来发展的一个热点，它在实现物理量测量的同时可 以进行信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性。 用光纤传感器检测管道泄漏的方法是根据管道中输送的热物质泄漏会引起 周围环境温度的变化，利用分布式光纤温度传感器连续测量沿管道的温度分布， 当沿管道的温度变化超过一定的范围，就可以判断发生了泄漏。 此外，随着各种分布式光纤传感器的发展，未来可以实现利用一根或几根 光纤对油气管线内介质的温度、压力、流量、管壁应力进行分布式在线测量， 这在管道监控系统中将极具应用潜力。 5 、实时模型及统计决策方法 随着管道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 ) 系统的发展， 一些以软件为基础的检测方法，特别是管道实时瞬变模型法或统计决策的方法， 表现出了良好的发展前景。 瞬变模型法是建立管内流体流动的数学模型，在一定边界条件下求解管内 流场，然后将计算值与管端的实测值相比较。当实测值与计算值的偏差大于一 定范围时，即认为发生了泄漏。在泄漏定位中使用稳态模型，根据管道内的压 力梯度变化可以确定泄漏点的位置。瞬变模型法报警门限值与测量仪器误差、 流动模型误差、数值方法误差以及要求的报警时间有关。如果采用较小门限值 来检测更小的泄漏，那么由于以上原因导致的不确定性就会产生更多的误报警； 如果要求低的误报警率，那么所能检测到的最小的泄漏必然交大。误报警率高 是瞬变模型法在实际应用中的一个难以解决的问题。 统计决策方法是一种新型的管道检漏方法。它使用序贯概率比检测( s p r t ) 的方法对实测的压力、流量值进行分析，连续计算发生泄漏的概率，并利用最 小二乘法进行泄漏点定位。该方法使用统计决策论的观点较好地解决了瞬变模 型中误报警的问题，而且不用计算复杂的管道模型，降低了计算上的复杂性。 统计泄漏检测系统还具有在线学习能力，可以适应管道参数的变化。 6 、负压波法 在泄漏发生时，泄漏处立即产生因流体物质损失丽引起局部流体密度减小 出现的瞬时压力降低，这个瞬时的压力下降作用在流体介质上就作为减压波源， 通过管道和流体介质向泄漏点的上下游以声速传播。当以泄漏前的压力作为参 考标准时，泄漏时产生的减压波就称为负压波。管道中输送介质不同，负压波 的传播速度大小也不相同。如在天然气中大约为3 0 0 m s ，在液体油中则大约为 第章绪论 1 2 0 0 m s 。蘩暴涟潺点嚣翡或者警邋熬泵囊设置压力传慧器震来稔溺受运浚信 号，根据捡测负压波的梯度特征和愿力变化率的时间麓，利用相关的信号处理 方法就可确定泄漏点的位置和泄漏时间。负压波检测漱可迅速检测突发饿的大 量泄漏，在快速诊断法中占有重簧地位。 在众多的链遒淫漏检测方法中，受压波法最为适合梭测突发性的泄漏枣敞， 在我们熬应震中，选磊这琴枣方法 售为捡溅疆理。 1 3 嵌入式i n t e m e t 原油管道泄漏检测与定位系统 国外利用负压波法进行管道泄漏检测的系统，比较典型的是美国休斯顿声 学系统公司研制豹w a v e a l e r t v i i ，其原理图如图1 4 所示。 它嚣要至少霆令穗隔一定距离瓣送力交送器，豫在各站上已毒魏丞力臻感 器外，还需在辩外各装一个，这就增加了安装成本和信号的传输复杂经。在站 外安装压力传感器，对它的维护较为困难，而且容易麓到盗油分子的破坏。 图1 珥w a v e a l e r t v l l 原理图 天津大学鞲佼学院1 9 9 7 年疆涮成功“濮阳蘸至潺黩麓输油管道渣漏实辩鉴 测系统”，并于1 9 9 9 年通过管道储运公司组织的攀窳。该系统在每站的输油端 和发油端各安装一只压力变送器即可对泄漏点定位。所有的传感器都安凝在站 内，不会受到不法分子的破坏。典主要技术指标与w a v e a l e r t v i i 基本相同。丙 其徐撂仅为w a v e a l e r t v i i 豹几分之一。此后，天律大学凌沧蚓输漕公司沧瞧线、 潍坊输灌公霹系莛线、瑟乡赣滚公霹中洛线、薤积濑瓣、辽浮蘧舔、大庚涵避 等我国3 0 0 0 多公里的原油长输铃线上安装了管道泄漏监测系统，取得了嘴最的 经济效益，保障了我国管道运输的安全运行。图1 5 鼹我们设计的原油管道泄 第一章绪论 漏实辩懿溯系统静示意霾。诧系统静工作漉程可敬簿单匏攒述为：遴过各类黉 感器将傺道中的各类参数如压力、流量、温度等信号采集进来，先缝过适当地 信号调联，再由信号采集卡采集到工控机中，然后通过调制解调器传输到中心 站上；在中心站，基于负压波原理，实时地监控各路信号，并对泄潲做出快速 准确她判麟。 整1 - 5 原濑警遂澧灞整涮与定位錾绫暴意圈 基于嵌入式i n t e m e t 的原油管道泄漏监测与定位系统是对上述系统的个 改进。它的组成示意图如图1 - 6 所示。此系统利用一个嵌入式i n t e r n e t 的数据采 集系统取代了原先的信号调壤器、子站的各个工控机以及子站和中心站所需的 数据采集卡酾羽卡等设备。这； 孛改变，使褥整个鬈统更戈糖练，不仅大大降惩 系统斡设计或本，磊置还爨鼹了系统翡可靠瞧。在螽嚣懿吝章节中我稍涛其俸 讨论基于嵌入式i n t e r n e t 的数精采集系统以及潦于嵌入式i n t e r n e t 的镶道泄漏检 测中心系统的相关设计。 第一章绪论 圈1 * 6 基于嵌入式i n t e r n e t 的原油管道泄渊检测与定能系统示意图 。4 泰文的磷究意义秘主要量 乍 嵌入式系统以其低功耗、体积小、集成度高等特点，与当前取得巨大成功 的i n t e m e t 技术相结合，形成了嵌入式i n t e r n e t 技术，成为工控领域中的一个热 点。通过嵌入溅i n t e r n e t 技术实现嵌入式控制装置的嘲络化，为嵌入式控制装置 的远程监控与放障诊断展现了广辅的前景。 嵌入式i n t e m e t 技术是远足年发展霆寒熬蓊技零，瓣蓑已经逐灏渗透黧嚣鬻 生活和工监生产的各个领域，它椅建抟远程控蒂系统肖如下特点： 现场设备的数据采集及t c p i p 通信等功能可以集成在一块，结构简单， 体积小，价格低廉。 采用统的网络协议t c p i p 协议，整个系统缀网容易，数据传输恢。 蹋户褒逡方逶过p c 辊土i n t e m e t 弱登酝，裁w 以对设备遽毒亍按剿。 以嵌入式系统用于现场仪表稻工、监设备层为例，灏入式i n t e m e t 技术与城场 总线技术相比，具有以下特点： 为设计人员提供了大量的工具和函数库，减少了客户端的二次开发工作 量； 完全豹分蠢式绩稳，撬窝了系缝豹可靠牲； 整个潮络都基于下c 疆秘议和用户协议，使控制潮络和金盈管理僚怠阙 络统一协调遮行，实现了i n t e m e t 无缝接入： 通j 蕊浏览器用户可随时随地监控现场设备的避行状态和数据，并在远方 9 第一章绪硷 吲1 6 基丁漩入式i n t e r n e ! 的原油管道湘黼检测与定值系统示意图 1 4 本文的研究意义和主要工作 嵌入式系统以其低功耗、体积小、集成度高等特点，与当前取得巨大成功 的i n t e m e t 技术相结台，形成了嵌八式i n t e m e t 技术，成为工控领域中的个熟 点。通过嵌入式i n t e r n e l 技术实现嵌入式控制装置的网络化，为嵌入式控制装置 的远程监控与故障诊断展现了广阔的前景。 嵌入式i n t e m e t 技术是近几年发展起来的新技术，目前已经逐渐渗透到日常 生活和工业生产的各个领域它构建的远程控制系统有如下特点： 现场设备的数据采集及t c p i p 通信等功能可以集成在一块，结构简单， 体积小价格低廉。 采用统的网络协议t c p i p 协议，整个系统组网容易，数据传输快。 用户在远方通过p c 机上i n t e m e t 网登陆，就可以对设备进行控制。 以嵌入式系统用于现场仪表和工业设备层为例，嵌八式i n t e m e t 技术与现场 总线技术相比，具有以下特点： 为设计人员提供r 大量的工具和函数库，减少了客户端的二次开发工作 量； 完全的分布式结构，提高了系统的可靠性； 整个网络都基于t c p i p 协议和用户协议，使控制网络和企业管理信息网 络统一协调运行，实现了i n t e r n e t 无缝接入： 通过浏览器用户可随时随地监控现场设各的运行状态和数据，并在远方 通过浏览器用户可随时随地监控现场设备的运行状态和数据，并在远方 第一章绪论 霹疆场浚备迸行诊断帮软件秀缀。 管道作为国民经济中担任重要运输作用的工具，维护管道的安全运行，防 止管道生产事故的发生是管道工业生产和管理部门一项很重要的工作。作为管 道事故中最经常发生的泄漏第敞一旦发生，不仅造成大量物质损失，泄漏的有 毒化学物援还豢来环境污染，更为严重地是有可能带来匏人身伤亡礤敬。本文 在蘸鸯瓣管道渣满整溯与定霞系统上，结合嵌入式按零帮i n t e r n e t 蔽零，对滠毒 的系统徽了改进，建立了基予嵌入式i n t e r n e t 的原油管道泄漏监测与定位系统， 完成的工作主要有： 1 、糖于嵌入式技术和i n t e m e t 技术设计原油管道泄漏监测与定能系统，对 原有的系统进行了改进，使褥系统的设计成本太大降低，并提高了系统的可靠 整。 2 、鼹体实现了跌g 位孳片梳为主体斡远端数攒采集系统的设诗，包括信号 调理模块和中央处理单元。猩信号调理模块中，对管道泄漏检测所需的三种重 要参数：压力、流量、温度，根据它们各自的特点进行适当的调理；中央处理 单元选用c y g n a l c 8 0 5 l 系列单片机进行数据聚熊和管理，并支持熬于嵌入式 i n t e m e t 弱远程数攥交互。 3 、嶷俸实现了嵌入式i n t e r n e t 管道灌漏检测系统的远程数据交互矮翻斡设 计。根据r t l s 0 1 9 a s 的基本原理和工作流程，究成t c p i p 协议在嵌入式系统 中的县体实现以及用户协议的实现等。并利用模拟的数据采集环境和实际现场 的数据袋集遗程验证了系统的可靠性。 4 、麓予虔拱搜器l a b v i e w 平台，搀建了嵌入式i n t e m e t 管邋溅满检测系 统。 第二章镣道运行参数采熊与预处理 第二章管邋运行参数采集与预处理 2 1 远端数据采集系统的构成 滋端数据采集系统是艇个嵌入式i n t e r n e t 管道渣漏监测与定位系统的重要缀 成部分。它安装在管道沿线的各个子站上，获取和处理譬道运行的备季中工况数据， 并利用i n t e r a c t 向处理中心实时传送，保证泄漏检测和定位的可靠、准确实施。 远臻数据采纂系绞幽三帮分缓残，包括绩号髫藿瑾摸块、中央处理孳元葶妥远程逶1 鼠 接口。 管道中的各种运行参数，如压力、溢度、流量等，逶避不蔺静传感嚣进幸亍采 集。它们有可能是电流信号，也可能是黻冲信号，而且这些信号述掺杂蒴工业嗓 声。因此在将信号进行a d 转换之前，需要进行适当地调遴，这就是信号调瑗 模块j 莠要竞戏豹功熊。售号经过调理之蓐通过a d 转换，转换或数字傣号输入 到单片机中做相应处理。从运行管道中采集的各类参数的倍号经过调理和转换处 理戬嚣，还嚣要逶避远程遴诿按强模获将数豢转辕裂处理中心，皴综合缝理。蒸 于嵌入式i n t e m e t 的管道泄漏检测数据采集系统的组成框图如图2 1 所示。 图2 1 基于嵌入式i n t e r n e t 的管道泄漏检测数据采集系统的绍成框图 在下面的讨论中将具体介绍信号调理模块和中央处理单元模块的工作原理 及设计进程，对予远程遥谶接1 2 1 模获涛在下章至举猿讨论。 2 2 信号调淫 在聚洼磐道静逡牙过程中，为了鉴控警遴运行黪状态，蓑要实站采集流量售 号、温度信号、压力信号等各种信号，用来进行泄漏检测岛定位。但这魑信号由 各自的传惑嚣采集遴来之蘸，裔翡篦较微弱，有的憝毫滚德号葳躲渖信鸶，有豹 则受到工业噪声的干扰，因此这些信号在使用之前都需要进行预处理。 2 2 1 压力信号的处理 工业参数检铡中的压力就愚物理学中的压强，即夯渍( 包括气体或液体) 垂 直 乍用于单位嚣积上的力。在现代工业生产中，压力是一个非常壤要的参数。在 原油集输监测系统当中，调泵、调阀、油罐液位变化或者管道发生泄漏，压力酃 会变亿。我们馕臻豹天津鑫动纯仪表厂生产数k g p 型压力变送攀塌扩数硅捷感 第一二章曹邋运 _ 参数采粜与预处理 器作为测量元件，过程流体( 液体、气体、蒸汽) 的压力通过隔离膜片和填充液 体( 密封硅油) ，传递到中心检测硅膜片上，使中心检测硅膜片产生位移。该位 移暑与过程流体的压力戒正比变化。在中心检测硅膜片的中央部位有一铁淦氧 片。它与两侧固定的电磁回路组成一差动电麟，在中心检测硅膜片位移的同时， 引起其与两侧固定电磁回路的自j 隙变化从而导致电磁回路差动电感量的变化。两 个电感值l l ，l 2 被传递到主电路的外部接口。 外部接口将电流元件与主电路隔开避免干扰信号通过丽测量信号被传送 到内部进行模数转换。传感器在制造期侧，已将不同压力。不同温度下的输出特 性数掘存入i # e e p r o m 作为传感器的一种“指纹”档案，测量值经微处理器的 一系列数据处理，对传感器本身的非线性误差和由于温度变化造成的误差做了补 偿修正，获得与输出压力对应的线性值。微处理器的的另一重要功能是根据设定 的量程，计算出相应的数字盘经数模转换输出4 2 0 m a 标准电流信号。 现场中由压力变送器采集到的压力信号是电流信号量程在4 2 0 m a 。在 将压力信号进行a d 转换之前。需要将电流信号转换成电压信号，这只需要选 用合适的电阻就可以完成了。 w 转换后。由于所转换的电压量程并不一定和数据采集模块工作的电压量 程相吻合。为了保证a d 转换的精度，还需要进行增益调整。可由图2 - 2 描述的 处理过程来实现。 刿2 - 2 压力信号的处理过掸 在具体的实现中为了能够适应不同量程的电流信号转换，在电路的设计中 设置了不同量程的跳线嚣根据输入的不同，连接不同的电阻进行i v 转换。我 们i 2 置4 2 0 m a 的电流转换为例，具体阐述实现过程。 i 、i 变换 c y g n a l f 0 2 0 单片机的工作电平是3 3 v 。因此在i ，转换时只需选择适当 的糖密电阻将电流转换成电压即可电路原理图如图2 - 3 所示，选用了1 5 0 t 2 的 第二二章管邀逆行参数采集与预娃理 精密电阻4 2 0 m a 的输入电流经过电阻后，转化成0 6 3 v 的输出电压。 冒2 3 i v 转换的原理圈 此时经过i v 变换，电流信号已经转换成电压信号，但它的量绂在o 6 3 v 之问。 2 、增益调整 为了能够保证a d 转换时的1 2 位转换精度。还需要对此电压信号进行增益 调整。 在具体的实施中，我们选用运算放大器o p 0 7 来实现。它具有高精度、低功 耗、低噪声、低成本等特点。它的电路原理圉如图2 - 4 所示。 - l聆 髓2 运算放火器电路原理幽 第二章管道运行参数采集与预处理 4 、滤波处理 压力信号经过i v 变换、和电压的增益调整厨，可以输入到a d 转换器中了 但是在输入之前还需做一个重要的工作，即滤波处理。因为从现场中采集来的 压力信号难免会受到各种工业噪声的影响，有时这些噪声会将有用信号彻底淹 没。在我们的压力信号滤波处理中，不仅要滤除信号中掺杂的噪声，还要较好的 保持压力波形的特征边缘。因此在选择滤波方法的过程中。要综合考虑这两个 方丽。 我们知道惯性滤波器有很好的滤波效果，但是利用它作滤波处理后，信号的 特征边缘也将变得非常平缓，而在我们的应用中必须保持边缘的变化趋势。_ 丌关 电容滤波器不需要模数转换器可以对模拟量的离散值直接处理具有处理速度 快，整体结构简单的特点。开关电容的特点是其阻抗为开关频率的函数，所以可 通过改变控制开关的时钟额率来改变开关电容滤波器的截止频率。通过比较我 们选用开关电容低通滤波嚣来对压力信号作滤波处理。 通过低通滤波罱，原始信号的高频噪声可以基本滤除。但是在低额区域的噪 声仍然存在，而且开关电容若单独用于模拟环境。噪声较大因此要综台运用模 拟和数字滤波。 数字滤波的方法非常多，如均值滤波、中值滤波、高斯滤波等。 我们知道中值滤波是一种非线性滤波技术，它的特点是：降低噪声的效果 比较明显： 在信号变化比较小的情况下可以得到很好的平滑处理； 降低了信 号边沿部分的模糊程度 其数学过程如下： ( 1 ) 输入( x 。- ( n i ) ，2 ，- - 、o i ，i ，o i + ( n - 1 ) ，2 ) ，叩以2 j 为中心的n 个数值l ( 2 ) 求取中值( 。i - l ，_ x j + ( n 1 y 2 ，o i ) ，即输入的n 个样值按大小重新排序： ( 3 ) 输出x i + ( n - l 妮，即找到重新排序后中闽位置的数。 在压力信号的滤波处理中，我们综合利用模拟滤波方法和数宇滤波方法，得 到了良好的处理效果。图2 - - 5 和图2 6 分别是未滤波前的压力原始信号波形 及滤波后的压力波形。比较两幅图可以看到明显的滤波效果。 第二章管道运行参数袋集与预处理 瞄2 - 5 未滤波的压力信号渡形 图2 - 6 滤渡蓐熬压力稼号渡缮 2 2 ，2 溢凌信号的调疆 温度在电厂、承处理厂、环境监控、褛宇自动化和石油工啦等等行业中部是 非常煎鬻的参数。我国的原油一般商粘度裔、离凝点、古蜡高的特点，需要加热 输送，镒则可能凝管，造成巨大经济损必。在输送过程中，原油温度沿流动方向 逐渐降低。温度变化会影响原油的密度、粘度、压力波传播速度等多种参数，函 而监潮原油的温度穰有必要。 应用最广泛酾添魔传感器是燕电偶( t h e m a o c o u p l e ) ，熬电隰 ( r e s i s t a n c e t e m p e r a t u r ed e t e c t o r 缩髯为r t d ) 和热敏电阻( t h e r m i s t e r ) 。每种温 度传感器的适用场合各不桶蔺。 我们实际选用的天津市中环温度伎袭厂生产的p t l 0 0 熟电阻，建稀体讫 温度交送器，羹号势a 臻r a ，其精度魏o 2 ，响应时蠲小于9 蛰移，激藏电流 为5 m a ，交送嚣输密4 2 0 m a 电流，对应濂度范醋0 1 0 0 6 c 。蘸l 予藤油其有较 高的腐蚀幢，我们褥溢魔传感器颓斜插入输油篱道的测黉支管中，聚雳非接舷法 溯薰原油的温庹。 国上可知，觚瑗场采集列抟温鹰信号也楚毫流信号，它辩压力僖号