基于LabVIEW与GPRS的油气管道泄漏远程监测系统的设计

1、基于LabVIEW与GPRS的油气管道泄漏远程监测系统的设计1引言由于输油管道的打孔盗油等泄漏事故频繁发生，各种泄漏检测方法纷纷提出。目前，国内外管道泄漏检测方法分为内检测法和外检测法。其中，外检测法包括光纤法、负压波法、声学法等。基于LABVIEW与GPRS的油气管道泄漏远程监测系统依据声学法的原理研制而成。上位机监控程序，作为人机界面直接反馈管道运行的状态，向人们传达管道是否发生泄漏的消息。对于这一人机界面，它要求可视化效果好，信息表达直观、易懂、高效，具有信息存1 引言由于输油管道的打孔盗油等泄漏事故频繁发生，各种泄漏检测方法纷纷提出。目前，国内外管道泄漏检测方法分为内检测法和外检测法。

2、其中，外检测法包括光纤法、负压波法、声学法等。基于LABVIEW与GPRS的油气管道泄漏远程监测系统依据声学法的原理研制而成。上位机监控程序，作为人机界面直接反馈管道运行的状态，向人们传达管道是否发生泄漏的消息。对于这一人机界面，它要求可视化效果好，信息表达直观、易懂、高效，具有信息存储、历史数据回放等功能。基于这些功能，非常适合采用虚拟仪器技术来实现。虚拟仪器技术是现代自动测试领域中一门快速发展的技术，它是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物。其核心是充分利用计算机软件与硬件资源，采用图形化的编程语言，有效的实现计算机与现场仪器的连接。具有可操作性强, 通用性好, 性价比高, 功能强大,

3、 快捷方便, 可实现数据的自动采集和远程在线实时监测的特点。另外，基于LABVIEW平台，可以很好的与通信技术和网络化技术结合，在已有VI的基础上开发并设计VI以实现TCP通信，这就为GPRS无线通讯客户端的开发提供了便利。本文采用GPRS无线通讯方式来实现数据传输，通过DSP最小系统现场采集管道振动信号，并对信号进行实时处理，通过振动信号的异常性来判断管道是否发生泄漏，利用LABVIEW语言编写上位机程序，通过网络读取数据，对漏点进行定位，以直观易懂的形式将信息反馈给用户。2 远程监测系统组成基于LABVIEW与GPRS的油气管道泄漏远程监测系统由DSP最小系统、GRPS数据发送模块、LAB

4、VIEW上位机程序三大部分组成。如图1所示：图1 监测系统组成油气管道在受到人为破坏或自然毁坏时形成振动信号源产生振动信号，该振动信号沿着管道向信号源两侧呈指数形式递减传播，其频率和幅值异于管道正常运行产生的信号。如图2所示：图2 敲击振动信号系统通过信号的幅度特性和频率特性来判断管道是否发生异常；计算振动信号到达离振动信号源最近的两传感器的时间差，通过时间差进行泄漏点定位。该方法的一大优点：能预警，即管道未发生泄漏时，只要管道受到敲击并产生异常的振动信号，那么系统就会发出报警。监测系统中DSP最小系统负责实时采集管道的振动信号，并对采集的信号进行实时处理和异常判断，当管道处于异常情况时，DS

5、P最小系统将异常时间段的振动信号传输给GPRS模块；GPRS模块负责将DSP系统传来的数据接入到Internet特定的网址中，进行远程无线通讯；LABVIEW上位机程序负责读取Internet特定网址中的数据，处理数据，进行泄漏定位、泄漏报警、泄漏信息记录存储。3 系统硬件设计监测系统的硬件部分主要安装在油气管道现场，其主要包括传感器、信号调理器、DSP最小系统、GPRS模块、电源。如图3所示：图3 硬件结构组成系统中传感器选用高灵敏度振动加速度传感器，传感器依据振动信号加速度大小线性输出电压信号，非线性误差小于1%。为了在噪声环境下提取有用信号，对传感器输出的原始信号进行自适应放大、滤波、极

6、性转换和信号过压保护等模拟信号调理。其中，自适应放大电路为本系统的一个创新点，其目的是提高系统的定位精度。传感器与泄漏点距离较近时，若以默认的放大倍数对信号放大，信号幅值必然超过采集输入范围，信号经过电压保护电路后，将转变成直流信号输出。对于一个饱和的直流信号，系统无法进行泄漏点定位。因此对信号调理的放大倍数采用自适应控制，增加信号输入的动态范围，使上位机程序能够很好的利用信号的动态特性进行泄漏点定位。系统中DSP采用TI公司的TMS320F2812，该芯片具有12位的片内AD转换，充许模拟输入范围：03V，最大不超过4V。转换时间最快可为80ns，AD工作频率可调，最大工作时钟频率为25HZ

7、，由DSP系统时钟配置提供。F2812其CPU主频最大可为：150MHZ，可通过外接30MHZ时钟电路，在片内通过PLL电路配置系统时钟。系统中有两个UART口，在与GPRS模块通信时，可直接采用异步串口通讯。其主要工作：进行信号采集，处理，以及泄漏判断。当信号幅值、频率异常时，将异常时间段的数据传输给GPRS模块。当管道运行正常无异常时，不发送数据。GPRS模块接口为RS232，支持标准TCP/IP协议，UDP协议，缓存大小：8M，支持永远在线，按时在线。当GPRS模块接收到DSP系统传来的数据时，通过无线通讯将数据接入到Internet当中。4 系统软件设计系统的软件部分采用图形化的编程语

8、言LABVIEW编写，其主要模块分为：数据读取模块、数据显示模块、泄漏定位及地图显示模块、泄漏信息存储模块、历史数据回放模块、退出。系统软件结构组成如图4所示：图4 软件结构组成4.1 数据读取与数据显示模块数据读取主要是以查询的方式向GPRS接入的Internet IP读取泄漏信号数据，而后将数据显示在前面板窗口。上位机程序一旦查询有泄漏数据时，立即发出预警，同时读取数据。管道线上等间隔布置传感器，管道发生异常时，能接收到泄漏点振动信号的传感器至少有二个，至多有三个。LABVIEW程序读取的数据至少有两组，至多有三组，取幅值较大的两组数据作为泄漏定位数据源，并将两组数据同时显示在前面板，数据

9、读取与数据显示程序框图如图5所示：图5 数据读取与显示程序框图4.2泄漏定位及地图显示模块泄漏定位是系统的核心部分，本系统采用的定位方法为时差法定位。系统通过对前向输出的两组数据进行互相关计算，估计时间差，根据时间差匹配振动信号管道传递模型，实现泄漏定位。定位结果的文字信息将以对话框的形式反馈在前面板，对话框被确认后将调出地图，显示泄漏地点，同时记录泄漏事件。4.3泄漏信息存储模块与历史数据回放模块系统发出泄漏预警后，系统对泄漏发生的时间、地点、泄漏的程度以及接收到的振动信号进行存储。历史数据回放模块，供工作人员查看已存储的信息。5 实验结果及结论为了测试系统接收数据的能力与预警的能力，设计实

10、验方案如下：在1公里实验管道两端安装两套硬件系统，包括传感器、DSP系统、GPRS模块，其中传感器贴管壁安装。在离传感器100米、300米、500米、700米、900米处，模拟盗油动作，对管道实施破坏。破坏管道500米处得到的实验结果如图6所示：图6 实验结果显示图中波形显示的数据为管道遭到破坏时的振动信号，数据时间长度为1秒钟，DSP系统的采样率为10KHz。此次实验系统定位结果为508米，管道间距为1000米，定位绝对误差为8米，定位相对误差为0.8%。经过多次现场实验验证，本文所设计的基于LABVIEW与GPRS的油气管道泄漏远程监测系统可实现预警，可提高定位精度，弥补了其他检测方法定位

11、精度低的问题。采用无线通讯，具有很好的数据接收能力，减少了通讯投入费用。参考文献1 张立，侯迪波，张光新,等. 基于多声学传感器融合的管道泄漏检测方法研究. 传感技术学报，2007 20（5）：1176-1179.2 Rajtar J M. Pipeline Leak Detection System for Oil and Gas Flow Lines J. Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, 1997, 119(1):1052109.3 KleinW R. Acoustic Leak Detection M. New York: American Society of Mec