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行業(yè):
能源/電力, 石油與天然氣/ 煉油/ 化工

產(chǎn)品:
實(shí)時(shí)模塊, FPGA模塊, LabVIEW, cRIO-9014

挑戰:
尋找石油或者天然氣管道的參考位置，并確?？臻g誤差小于1米

解決方案:
通過(guò)使用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和NI CompactRIO，設計和實(shí)現一個(gè)實(shí)時(shí)數據采集和處理系統，以管理在石油或者天然氣管道內部通行的慣性導航系統（INS）的數據。系統實(shí)現了對數據的采集、預處理和儲存，還可以利用LabVIEW對數據進(jìn)行后處理，以獲得最終結果。

"借助于LabVIEW，我們很容易實(shí)現對PIG（檢管器）的編程，以滿(mǎn)足任務(wù)要求。并且，我們還使用了相同的程序設計語(yǔ)言開(kāi)發(fā)一個(gè)后處理程序，以便轉換采集的大多數數據。"

PIG（檢管器）是一個(gè)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(guān)內液體流動(dòng)產(chǎn)生的壓力前進(jìn)。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測到異常情況后盡快更換管道，我們必須要知道異?，F象的參考位置。慣性PIG被設計用于檢測由地形運動(dòng)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的GPS信號。所以慣性PIG必須使用INS（慣性導航系統）來(lái)測量加速度和角速度，并通過(guò)綜合的數據分析，獲得儀器的速度、位置和方向。然而，由系統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(wèn)題，隨著(zhù)時(shí)間的推移，定位準確度會(huì )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(diǎn)，以便及時(shí)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(guò)的瞬間，并與檢管器的慣性導航系統同步。GPS和INS的結合的測量方式被稱(chēng)作GPS輔助慣性導航。這種結構允許根據用于動(dòng)態(tài)系統的迭代狀態(tài)估計法（卡爾曼濾波器Kalman Filter）進(jìn)行軌跡的尋跡和登記。雖然設置更多GPS點(diǎn)可以減少系統誤差，但是這需要技術(shù)團隊花費更多的準備時(shí)間。因此，我們選擇了更節省成本的方案。

執行慣性PIG任務(wù)的計算機必須滿(mǎn)足一些要求，包括在啟動(dòng)之前對現場(chǎng)所有傳感器進(jìn)行復雜狀態(tài)檢查，以避免影響整個(gè)任務(wù)。它還必須在高采集頻率下，在60多個(gè)小時(shí)內持續實(shí)現對20多個(gè)傳感器的管理。由于系統對耐溫性要求高，并且必須能夠抵御超過(guò)20G的沖擊，還需要足夠的小以放置到PIG內部，所以目前沒(méi)有任何現成可用的硬盤(pán)可以在管道內存儲這些數據。因此，我們在PIG內實(shí)施了實(shí)時(shí)統計無(wú)損耗浮點(diǎn)數據壓縮法。

我們采用了一個(gè)帶有現場(chǎng)可編程門(mén)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(mǎn)足PIG任務(wù)的苛刻要求。我們還使用了強大而易用的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行編程。圖一中展示了慣性PIG的硬件架構。

圖1 PIG硬件架構

借助于LabVIEW，我們很容易對PIG進(jìn)行編程，以滿(mǎn)足任務(wù)要求，并且還開(kāi)發(fā)一個(gè)后處理程序，以便把采集到的大量數據轉換成管道中焊接點(diǎn)的參考位置。CompactRIO的FTP和TCP功能可以簡(jiǎn)化所有采集的數據的采集，還可以使用任何計算機或者PDA遠程配置任務(wù)參數。

通過(guò)對任務(wù)中計算機VI進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)，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(kāi)發(fā)數學(xué)算法，而非通信協(xié)議，來(lái)進(jìn)行數據融合和統計分析。最終，借助于LabVIEW對于多核的支持，這些算法在乘以經(jīng)過(guò)慣性導航和卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間估計的數千個(gè)矩陣之后，運行的更快。

項目開(kāi)發(fā)僅用了18個(gè)時(shí)間，還包括了在完成機械設計之前所進(jìn)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(shí)現一個(gè)復雜的懸浮系統，以保證INS的正常工作。檢管器計算不正確，在管道內會(huì )有很多因素會(huì )導致PIG被破壞，例如閥門(mén)、轉角、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(mén)。因此，硬件和軟件的開(kāi)發(fā)必須與機械設計同時(shí)進(jìn)行，以避免造成整個(gè)項目延遲的。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們需要一個(gè)平臺用于測試算法。我們在一輛自行車(chē)上安裝了CompactRIO控制器和傳感器（圖2），并且按照和在管道內使用PIG繪制路徑地圖一樣的方式來(lái)繪制路徑地圖。

圖2 使用自行車(chē)進(jìn)行現場(chǎng)試驗

雖然我們從這個(gè)試驗平臺收集了許多數據，但是自行車(chē)比管道具有更多的自由度；因此最終我們用軌道小車(chē)（圖3）來(lái)代替自行車(chē)，它提供了一個(gè)更像最終真實(shí)運行條件的試驗平臺。

圖3 使用軌道小車(chē)進(jìn)行現場(chǎng)試驗

最后，在裝配好PIG機械結構后，我們在管道上進(jìn)行了現場(chǎng)試驗。之前所提到的每個(gè)現場(chǎng)試驗平臺都具有不同的特性，而LabVIEW可以快速適應于每個(gè)現場(chǎng)試驗平臺，以保證項目按時(shí)完成。我們利用NI的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了所有軟件，而一段文本代碼都不用寫(xiě)。

在巴西和哥倫比亞，在投入商業(yè)使用將近一年的時(shí)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(chē)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(gè)隔間都充滿(mǎn)40大氣壓的增壓汽油。雖然CompactRIO的數據采集卡被破環(huán)了，但是實(shí)時(shí)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(shí)任務(wù)的數據。這意味著(zhù)，即使PIG幾乎完全被破環(huán)，我們也能夠收回所有的檢測數據，而無(wú)需進(jìn)行重復實(shí)驗。

EngeMOVI和NI工程師已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多次合作，實(shí)現了各種不同的項目：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(dòng)功能的焊接機器人以及最近由NI 9505運動(dòng)控制模塊驅動(dòng)的的機動(dòng)PIG，這些合作獲得了非常積極的結果。

我們開(kāi)發(fā)的首個(gè)慣性PIG可以在直徑為25.3～35.6厘米、長(cháng)度為289.7英里的管道內行進(jìn)。最大的可接受曲率是1.5D（D為管道直徑），在管道內部行進(jìn)的最大速度是8米/秒。初始原型正在不斷被改進(jìn)，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(huì )不斷地在我們的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上扮演重要角色。

下一步：

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