基于LabVIEW的管道泄漏检测与定位系统

摘   要： 基于LabVIEW，利用数据采集卡PCI－6023E连续地采集压力、流量、温度等参数，监视管道运行状况，通过电话线路及局域网等数据传输方式构成实时通信网络，建立了一个完备的分布式测控系统。本系统已经成功地应用于不同现场。

引言
管道运输业是与铁路、公路、航空、水运并架齐驱的五大运输行业之一。随着管道运输业的不断发展，各种监测技术也随之发展。管道泄漏监测方法有内部检测法和外部检测法。其中，外部检测法又包括流量平衡法、压力差法、化学方法、应力波法、实时模型法和负压波法等，这些方法的特点和应用场合各不相同。
近年来，我国的原油泄漏主要是因为人为破坏造成的，特点是持续时间短、泄漏量较大，属于突发性事故，因此我们采用负压力波检测法。我们使用NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW，设计并不断完善了基于虚拟仪器的原油管道泄漏监测系统，本系统已经成功地应用于胜利油田和中石化管道储运潍坊输油公司等集输管网和长输管线上，取得了可观的经济效益和良好的社会效益。

图1  监测系统组成示意图

图2  VISA属性调制解调器通讯程序示意图

负压力波泄漏监测与定位原理
负压力波法是一种声学方法，所谓压力波实际是在管输介质中传播的声波。当管道突然发生泄漏时，相当于泄漏点处产生了以一定速度传播的负压力波向管道的两端传播，负压波中包含有泄漏的信息，通过检测负压波可以检测泄漏的发生，并根据泄漏产生的负压波传播到管道两端的时间差进行泄漏点定位。该方法具有很快的反应速度和较高的定位精度，是一种受到广泛重视的定位方法。
由下式可计算出泄漏点位置：
     (1)
其中a为管输介质中压力波的传播速度，Dt为上、下游传感器接收压力波的时间差，L为管道长度。
此公式的前提是压力波速为常数，对于国外来讲，大多是轻质油，常温输送即可，原油的密度沿管线变化不大，所以波速可以看作常数。而我国的原油具有高粘度、高含蜡和高凝点的特点，必须加热输送。从而导致压力波的传播速度并不是一个常数，受温度影响很大。考虑到液体的弹性、密度和管材的弹性的因素，压力波传播速度a应改写为：
   (2)
式中：
a — 管内压力波的传播速度，m/s；
K — 液体的体积弹性系数，Pa；
r — 液体的密度，kg/m3；
E — 管材的弹性，Pa；
D — 管道直径，m；
e — 管壁厚度，m；
C1 — 与管道约束条件有关的修正系数；
t — 温度，℃。
除了考虑温度因素的影响以外，根据我国的现状，由于只能在站内安装一台压力变送器，所以仅靠压力是不能判断负压波是站内产生的还是站外产生的。而流量变化对于泄漏和站内操作具有不同性质，通过分析流量变化就可以甄别负压波的来源。
基于以上考虑，我们采取压力流量联合判断的方法，分别在管道的出口和进口加装合适量程的压力变送器、温度变送器和流量变送器，连续采集原油的压力、温度和流量，监视管道的运行状况。我们选用NI公司的数据采集卡PCI-6023E，利用其两路模拟量单端输入和一个通用24位计数器。从功能、价格和开发周期等因素来考虑，这款采集卡都非常适合我们的要求。

系统设计
以沧州－河间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1，由安装于临邑、德州、东光、沧州、和河间的五套子站装置和沧州调度室的中心站装置两个部分组成。各站的装置包括压力传感器、温度传感器、工控机、信号采集卡和调制解调器等。
输油管道特别是长输管道，距离一般都较长，各站之间的距离也较长，以临邑－沧州－河间长输管线为例，管道全长260公里，总共五个站，两站之间的距离在40~50公里之间。由于沧州站与沧州中心站在一起，两台计算机的距离相差不过几百米，采用网卡互联形成局域网，使用TCP/IP协议进行数据实时传输，其余各站与沧州中心站采用输油公司内部已有的微波通讯设施，使用高性能的调制解调器进行数据传输。各子站的压力、温度等数据除保存在本站的计算机上外，还实时传输到中心站。中心站实时监测各站运行状况，并将数据存档，供管理人员分析。监测系统很重要的特点是要综合各子站的数据来判断是否有泄漏发生，特别是必须有相应两站的数据才能定位泄漏点。
根据监测系统子站要求实时地将采集的数据传送到中心站的特点和管道部门已有的通讯设施，系统中采用了两种数据远程传输方式：对于同中心站有网络连接的子站，计算机之间形成局域网，使用网络TCP/IP协议进行数据远程传输；对于通过电话线进行通讯的子站，使用调制解调器和电话线连接，子站将采集到的数据远程实时地传送到中心站。在LabVIEW平台下开发网络TCP/IP协议通讯和调制解调器通讯程序相比其它语言高效、简洁、速度快。
LabVIEW平台下开发调制解调器通讯程序一般使用AT命令和虚拟仪器VISA接口较为方便，编制的程序较为灵活。AT命令建立调制解调器之间的连接，计算机通过串口VISA特性获得调制解调器线路状态和与之交换数据，图2是计算机通过COM1(ASRL1::INSTR)获得调制解调器的线路CTS、DCD、DSR等状态和读取串口所存在字节的框图程序。
调制解调器本身具有很好的数据压缩、纠错协议，对于数据传送过程中仍可能出现错误的情况，根据系统实时发送数据、每次发送的数据量不大的特点，系统采取了一种简单的发送数据+ 数据校验和+结束标志的校验方法。实际运行表明，此方法能较好的达到系统的要求。
如果具备网络通讯条件，子站和中心站之间的通讯可采用Client/Server结构。在网络中，任何为其它计算机提供服务的计算机被称为Server，而利用这些服务的计算机则称为Client。子站运行Server程序，中心站运行Client程序，子站计算机采集的数据通过Client与Server程序建立的连接实时地传送到中心站计算机。在LabVIEW下开发网络程序无需对TCP/IP协议的细节了解很多，用户可根据编程参考和用户手册编写复杂的程序。

系统软件
系统软件包括信号采集、泄漏判断、GPS校时、调制解调器通讯、漏点定位等几大部分。信号采集部分采集数据，将信号的变化情况在趋势图中显示，并将数据保存下来。泄漏判断部分综合运用负压波法、流量差法、压力梯度法等多种管道泄漏检测方法对采集到的工况数据进行分析判断，确定是否有泄漏发生。为了统一各子站中计算机的时间，我们采用了GPS校时技术。现场使用的GPS接收器输出数据结构采用NMEA-0183(Ver 2.0)4800波特率，数据电平为TTL，每秒输出标准秒脉冲和含有时间信息的数据流，我们在Visual C++6.0环境下编写了读出GPS数据流、校正计算机系统时间的程序。为防止计算机时间芯片的漂移，我们在主程序中每一小时调用一次时间校正程序，采用动态调用的方式，占用内存少，而且工作稳定可靠。调制解调器通讯部分负责将子站的压力数据传输到中心站。漏点定位部分是系统成功的关键部分，漏点定位部分运用了Signal Processing Toolset软件包里提供的小波分析等信号处理技术准确地检测出信号的奇异点的特性，在实际应用中能精确地定出泄漏点的位置。
在程序编制上采用了LabVIEW平台上构造复杂多任务并行应用程序的技术，针对平台的多任务调度，尽量的使用动态调用，优化程序结构可靠。
用户对系统的操作都设计为菜单操作，每一项菜单都通过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。现场还有其他PLC系统，采用DDE(动态数据交换)作为与其他系统的接口。

结语
基于LabVIEW平台的管道泄漏监测及定位系统可以快速发现泄漏，确定泄漏位置，它已在多条管线上安装并正常运行。我们经过多年的理论研究和大量的现场试验，研制安装了多种适合不同情况的管道泄漏监测系统。随着管道工业的进一步发展，管道泄漏监测及定位系统必将有更大的应用前景。