應(yīng)用領(lǐng)域：
管道安全檢測(cè)
使用的產(chǎn)品：
LabVIEW 8.2
PCI-6132 NI S系列14位4通道同步數(shù)據(jù)采集卡
SCB-68 屏蔽式68針接線(xiàn)盒
挑戰(zhàn)：
本系統(tǒng)方案面臨著開(kāi)發(fā)周期短、數(shù)據(jù)量大、雙路精確同步等挑戰(zhàn)，如何在開(kāi)發(fā)過(guò)程中快速的搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，保證系統(tǒng)的安全、可靠性，并能在現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，是擺在所有項(xiàng)目組成員面前的難題。油氣管道直徑大，輸送壓力高，長(zhǎng)輸油管道沿途多為荒漠、沼澤、戈壁、農(nóng)田等，檢測(cè)和維護(hù)起來(lái)非常困難。
應(yīng)用方案：
利用NI公司的軟硬件產(chǎn)品，可以大幅縮短開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)效率。本系統(tǒng)用NI公司的PCI-6132四路同步采集卡實(shí)現(xiàn)雙路采集信號(hào)的精確同步采集，可保證兩路信號(hào)在采集過(guò)程中不出現(xiàn)時(shí)間差；利用LabVIEW虛擬儀器的圖形化編程，使工程師從繁重的代碼編寫(xiě)中解放出來(lái)，更專(zhuān)注于需要解決的專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。
介紹：
本系統(tǒng)利用馬赫-曾德干涉儀構(gòu)成分布式振動(dòng)傳感器，感受油氣管道周?chē)恼駝?dòng)信號(hào)，由盜油挖掘、管道油氣泄漏產(chǎn)生的振動(dòng)可以使光波的相位發(fā)生變化，從而使干涉后光強(qiáng)變化。光電探測(cè)模塊將干涉后的光波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，隨后將電信號(hào)通過(guò)放大電路進(jìn)行放大，最后通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。數(shù)據(jù)采集模塊采用NI公司的PCI-6132數(shù)據(jù)采集卡對(duì)放大電路輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。該模塊通過(guò)LabVIEW 虛擬儀器平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)的觸發(fā)、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)保存等功能。
正文：
一、分布式光纖油氣長(zhǎng)輸管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，全社會(huì)的能源特別是做為重要能源和化工原料的油氣資源的消耗迅速增加。管道運(yùn)輸由于其可靠性高、運(yùn)輸成本較低、輸送量大、可以連續(xù)運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為油氣資源的主要輸送手段，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，越來(lái)越受到全社會(huì)的重視。但隨著油氣管道的增多和管道服役時(shí)間的增長(zhǎng)，管道的安全問(wèn)題成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。管道一旦泄漏，輕則污染土地、環(huán)境，重則引起爆炸，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)很大威脅。特別是在我國(guó)，長(zhǎng)輸油管道一般穿越隔壁、荒漠、農(nóng)田等野外無(wú)人留守的地域，給管道巡線(xiàn)工的巡線(xiàn)監(jiān)測(cè)帶來(lái)很大的不便和困難。
現(xiàn)有的管道安全監(jiān)測(cè)有直接觀察法、監(jiān)測(cè)電纜法、示蹤劑監(jiān)測(cè)法、負(fù)壓波法、壓力梯度法、質(zhì)量平衡法、應(yīng)力波法等。直接觀察法即巡線(xiàn)法，通過(guò)巡線(xiàn)工的不間斷巡線(xiàn)來(lái)監(jiān)測(cè)管道狀況，即費(fèi)時(shí)，又費(fèi)力。監(jiān)測(cè)電纜法通過(guò)一根特殊的外層易被油氣腐蝕的電纜來(lái)對(duì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，但是該方法在泄漏后需要對(duì)電纜進(jìn)行更換，維護(hù)成本高。示蹤劑監(jiān)測(cè)法是在油氣內(nèi)加入示蹤劑，通過(guò)監(jiān)測(cè)示蹤劑來(lái)監(jiān)測(cè)管道泄漏，不能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。負(fù)壓波法是目前比較成熟的方法，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)定位，但是報(bào)警只能在泄漏發(fā)生后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)警。
本系統(tǒng)用與管道同溝鋪附的光纜中的三條單模光纖搭建成馬赫-曾德干涉儀，感受管道周?chē)駝?dòng)情況，經(jīng)PCI-6132數(shù)據(jù)采集卡采集干涉信號(hào)后，利用LabVIEW編寫(xiě)的軟件進(jìn)行處理，判斷是否泄漏和有盜油的發(fā)生并對(duì)這些事件進(jìn)行定位。
二、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)包括硬件及軟件兩部分。硬件部分主要由分布式光纖振動(dòng)傳感器、PCI-6132數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等組成。軟件部分主要由LabVIEW 虛擬儀器平臺(tái)程序設(shè)計(jì)，部分嵌入MATLAB程序的混合編程。系統(tǒng)中分布式光纖振動(dòng)傳感器基于Mach-Zehnder 光纖干涉儀原理，主要包括傳感光纜、光源及其驅(qū)動(dòng)電路、光電探測(cè)器模塊。系統(tǒng)軟件主要基于虛擬儀器平臺(tái)，主要完成數(shù)據(jù)的采集、分析、信號(hào)處理、模式識(shí)別、事發(fā)點(diǎn)定位和通訊等功能，其中部分功能由MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)。由于MATLAB 具有更強(qiáng)大的計(jì)算、仿真和繪圖等功能，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)與MATLAB 結(jié)合起來(lái)，可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了從硬件接口、數(shù)據(jù)采集、儀器控制到數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理和模式識(shí)別等諸多功能模塊無(wú)縫連接。系統(tǒng)的框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
硬件設(shè)計(jì)：
1、分布式光纖傳感器
分布式光纖傳感器包括激光光源、傳感光纜、光電探測(cè)器三個(gè)部分。
光纖傳感系統(tǒng)中使用的光源種類(lèi)很多，按照光的相干性可分為相干光源和非相干光源。由于本系統(tǒng)基于Mach-Zehnder光纖干涉儀原理，因此光源必須在相干光源中選擇，相干光源主要包含各種激光器。由于半導(dǎo)體激光二極管（LD）和其他激光器相比具有體積小、重量輕、低功率驅(qū)動(dòng)、高效率輸出、壽命長(zhǎng)和易于集成等一系列優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛應(yīng)用。另外，為了保證光源的穩(wěn)定，還必須有光源的保護(hù)電路，如光源的溫度反饋控制、光源慢啟動(dòng)、激光二極管過(guò)流保護(hù)以及反向沖擊保護(hù)等。
傳感光纜采用與管道同溝鋪附的普通通訊光纜即可。光電探測(cè)器電路部分主要由采用InGaAs材料的pin光電二極管和光電二極管輸出后的放大電路組成，為了輸入和輸出由良好的阻抗匹配，電壓信號(hào)輸出端后需50Ω屏蔽電纜構(gòu)成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)為了光電二極管正常工作，需給光電二極管12V的偏置電壓。
2、采集設(shè)備
由于需要采集來(lái)的兩路信號(hào)需要經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算得到兩路信號(hào)精確的時(shí)間差，所以在系統(tǒng)的采集環(huán)節(jié)中一定要保證兩路信號(hào)的精確同步。又因?yàn)楣獾膫鞑ニ俣群芸欤瑑陕沸盘?hào)的時(shí)間差很小，所以采集卡需要的采集速率很高。NI PCI-6132具有3MS/s的采樣速率，8條硬件定時(shí)數(shù)字I/O線(xiàn)，2個(gè)24位計(jì)數(shù)器，數(shù)字觸發(fā)，14位、4路模擬輸入，重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)同步采樣。用此型號(hào)的采集卡可以簡(jiǎn)化采集模塊的同步電路設(shè)計(jì)，提高開(kāi)發(fā)效率。
軟件設(shè)計(jì)：
本系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行軟件編程，具有良好的人機(jī)界面，可以方便地調(diào)用采集卡，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。軟件系統(tǒng)的流程圖2所示。
圖2 程序流程圖
軟件的啟動(dòng)界面調(diào)用主程序，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。主程序采用主/從結(jié)構(gòu)思想設(shè)計(jì)，包括一個(gè)主循環(huán)和若干個(gè)從循環(huán)。主循環(huán)是一個(gè)狀態(tài)機(jī)（各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖3所示），利用Typedef來(lái)實(shí)現(xiàn)枚舉變量，這樣只要通過(guò)枚舉變量的變化來(lái)跳轉(zhuǎn)各個(gè)狀態(tài)。采集循環(huán)用DAQmx實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI-6132采集卡的控制和數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理循環(huán)對(duì)采集來(lái)的兩路信號(hào)進(jìn)行濾波、模式識(shí)別、定位報(bào)警，網(wǎng)絡(luò)傳輸循環(huán)負(fù)責(zé)把處理完的數(shù)據(jù)和定位信息上傳到調(diào)度室的服務(wù)器端程序里。
圖3 系統(tǒng)控制狀態(tài)機(jī)枚舉圖
各狀態(tài)說(shuō)明：
1、初始化：讀取set.ini設(shè)置文件，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化。
2、正常運(yùn)行：判斷各個(gè)狀態(tài)條件，符合條件進(jìn)入不同狀態(tài)。正常運(yùn)行時(shí)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理同時(shí)進(jìn)行。
3、定位計(jì)算：當(dāng)預(yù)處理判斷有威脅管道安全的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入定位計(jì)算狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和定位值的計(jì)算。
4、修改參數(shù)：讀取set.ini文件，對(duì)各個(gè)參數(shù)修改后再保存到set.ini文件中去。
5、清除隊(duì)列：當(dāng)定位完畢或正常運(yùn)行達(dá)到參數(shù)設(shè)置值的時(shí)候進(jìn)入清除隊(duì)列狀態(tài)，清除隊(duì)列并釋放內(nèi)存。
6、手動(dòng)定位：手動(dòng)找到振動(dòng)數(shù)據(jù)段，進(jìn)行定位計(jì)算。
7、查閱記錄：查看歷史數(shù)據(jù)。
8、退出：清除隊(duì)列，釋放內(nèi)存，關(guān)閉程序。
程序主要設(shè)計(jì)思想：
1、利用主從結(jié)構(gòu)和狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，完成不同狀態(tài)的功能，可使復(fù)雜的程序更清晰，程序修改起來(lái)更容易，有利于程序代碼的重用和程序的升級(jí)。
2、利用定時(shí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)，對(duì)采集時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行精確控制。
3、利用隊(duì)列技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)循環(huán)之間的數(shù)據(jù)傳輸和相互同步，保證有序的數(shù)據(jù)傳遞，避免競(jìng)爭(zhēng)和沖突。
4、利用事件結(jié)構(gòu)減少循環(huán)查詢(xún)，避免了輪詢(xún)帶來(lái)的資源浪費(fèi)。
5、利用動(dòng)態(tài)調(diào)用子VI，自動(dòng)釋放內(nèi)存，降低了內(nèi)存消耗。
6、采用LabVIEW和MATLAB混合編程，組合成用戶(hù)界面優(yōu)秀，控制儀器能力極強(qiáng)，同時(shí)擁有強(qiáng)大計(jì)算功能和信號(hào)處理功能的混合平臺(tái)。
7、利用TCP/IP協(xié)議，使各個(gè)子站的數(shù)據(jù)和定位結(jié)果通過(guò)工業(yè)控制以太網(wǎng)傳到調(diào)度室的服務(wù)區(qū)端上，這樣調(diào)度室就可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道全線(xiàn)的安全狀態(tài)。客戶(hù)端程序界面和服務(wù)器端程序界面如圖4、圖5所示。
圖4 客戶(hù)端運(yùn)行界面
圖5 服務(wù)器端運(yùn)行界面
預(yù)警系統(tǒng)軟件部分包含的功能模塊主要由以下幾個(gè)：
1、數(shù)據(jù)采集及保存模塊
信號(hào)采集部分從系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行就開(kāi)始工作，一直工作到用戶(hù)退出系統(tǒng)。該部分主要工作在于采集兩路光電探測(cè)器輸出電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示在用戶(hù)顯
