基于虚拟仪器的原油管道泄漏监测系统（2） 电磁干扰, 传感器, 时间差, 输油泵, 沧州

yuyang911220

二、精确捕捉压力波传播到上下游的时间差
精确获得泄漏引发的压力波传播到上下游传感器的时间差，需要准确地捕捉到泄漏负压力波信号序列的对应特征点。由于不可避免的工业现场的电磁干扰、输油泵的振动等，采集到的压力波信号序列附加了大量噪声，如何从噪声当中准确地提取出信号的特征点是定位的关键。
首先，因为不同条件（管径、温度、压力、输送工艺、环境噪声等）下的信号具有不同的特征，我们利用LabVIEW中丰富的信号处理函数对信号的特征作了深入的研究分析和预处理，使得系统能够针对不同的信号做出相应的处理。例如，在沧州首站，启泵的时候信号中含有比较有规律的尖锐噪声，虽然幅度并不大（只有约千分之一兆帕），却因为压力比较低而非常明显，如图3。针对这样的情况，我们使用了中值滤波器。中值滤波器能够平滑尖锐噪声，又能保持信号的边沿，而且计算速度非常快，可以用于在线处理。对比下面两图，可以看到滤波的效果。




图3 含有脉冲噪声的负压波信号




图4 上图的信号经过中值滤波器之后的波形
对信号作了一定预处理之后，我们采用Signal Processing软件包里提供的小波分析的动态库来捕捉压力波变化的特征点。将含有负压波信号的数据通过两通道滤波器，分为低频概貌和高频细节两路输出，负压波的位置就是高频细节当中最小值对应的索引值。图5为图2所示信号的高频结果。因为我们仅分析信号，不作重构，所选择参数设计更为灵活的双正交的滤波器组，而不必考虑对偶滤波器组是否收敛。利用Wavelet and Filter Bank Design Tookit提供的Design Panel 和1D Test Panel，我们在现场对于不同的信号可以方便地调整滤波器参数，观察滤波效果，大大提高了应用的效率。




图5 图2的信号通过两通道滤波器后的高频结果
三，系统的软件设计
以沧州-临邑长输管线的泄漏监测系统为例介绍一下整个系统的设计。
系统的组成如图6，由安装于沧州、东光、德州和临邑的四套装置和沧州处调度室的中心计算机组成。各站的装置包括各种传感器、计算机、信号调理装置、信号采集卡和调制解调器等。
因为管道全线长180公里，两座泵站之间的距离一般是60公里左右，所以只能通过电话网络实现数据通信。LabVIEW的函数库里没有现成的函数可供调用，我们综合运用Serial Port VIs，In Port， Out Port 和Call Library Function调用自己编写的动态链接库，控制调制解调器实现远程的数据通信，各个子站的数据都可以实时传到中心站，线路中断能够自动重新连接。主程序每一分钟调用一次泄漏判断子程序，该子程序综合运用负压波法、压力梯度法和流量差法分析采集到的工况数据，判断是否有泄漏发生。
沧州站和沧州处调度室仅有几百米的距离，两台计算机之间建立了以太网，使用TCP/IP实现数据传输。现场还有其他PLC系统，我们用DDE实现LabVIEW和Excel之间的数据交换，作为与其他系统的接口。
用户对系统的操作都设计为菜单操作，包括参数设置、文件处理、历史数据、泄漏定位和退出系统等几项。每一项菜单还有报警、都通过VI Server的方法动态调用，这样既节省内存，又使程序结构清晰，模块化好。



图9 用动态调用实现菜单操作
图7和图8为中心计算机的主界面和定位程序的操作界面。
总结
作为虚拟仪器开发平台，和其他同类产品相比，LabVIEW在数据采集、存储、显示、信号处理、数据传输等方面显示了强大的功能，尤其是其数据采集和信号处理的优势提高了我们的工作效率。我们综合运用了数字滤波、中值滤波、频谱分析等等各种信号处理函数，使用起来只需连连线；小波分析软件包也为现场应用提供了很大的方便；另外我们选用的PCI-6023E数据采集卡价格并不比其他同类产品高，而且性能非常出色，在LabVIEW当中有多种方法可供调用。同时，Advanced Functions和其他通信函数扩展了LabVIEW的性能，使系统设计更加灵活。模块化的设计使编程简单明了，我们仅用了两个多月的时间就在实验室完成了全部程序的编制，在现场调试阶段，也可以很快作出调整，实现用户的要求。系统反映灵敏，报警时间小于200秒；定位精度比原来用C语言设计的系统大大提高，最大定位误差小于被测管长的2%。还能够估算泄漏量，具有和其他程序的接口，方便扩展。据统计，在胜利油田临盘-济南管线，2001年3月5日至4月12日，共监测到泄漏39次，抓获盗油车辆8辆。在沧州-临邑管线2001年4月9日至5月13日，抓获盗油车辆17辆，发现阀门40多处，为国家挽回经济损失数十万元。
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室经过多年的探索，对我国各地的原油、成品油管道作了深入的理论研究和丰富的现场实验，研制的泄漏检测系统能够适应各种不同的工况特点。除了前文提到的应用之外，本系统还将应用于中（原）-洛（阳）的全线改造、辽河油田曙光-锦西等管线，在我国的石油生产和运输领域具有广阔的前景。本实验室对天然气管道泄漏也作了一定研究，随着我国天然气管道的发展，美国国家仪器公司的产品在天然气管道泄漏系统上也将获得成功应用。