眾所周知，管道運(yùn)輸具有平穩(wěn)連續(xù)，安全性好，運(yùn)輸量大，質(zhì)量易保證，物料損失小以及占地少，運(yùn)費(fèi)低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為石油運(yùn)輸?shù)氖走x方式。然而，管道的逐漸老化、各種介質(zhì)的腐蝕以及人為破壞等因素，會(huì)引起管道泄漏，嚴(yán)重威脅著輸油管線的安全及周圍的自然環(huán)境，同時(shí)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。 目前，國內(nèi)外出現(xiàn)多種傳統(tǒng)輸油管線泄漏檢測及定位方法，其中包括：

　　基于硬件的檢測方法，如人工巡線、“管道豬”、聲發(fā)射技術(shù)與光線檢測、電纜檢測及GPS檢測等;

　　基于軟件的檢測方法，如負(fù)壓波法、壓力梯度法等。

　　雖然方法很多，但是聲發(fā)射信號(hào)在輸油管道上傳播的距離極為有限，不利于長距離檢測。尤其是在時(shí)效性強(qiáng)與對(duì)泄漏點(diǎn)的精確定位的高要求與高標(biāo)準(zhǔn)方面還不盡人意。面對(duì)這些輸油生產(chǎn)和管線的安全運(yùn)行新的挑戰(zhàn)，技術(shù)保障系統(tǒng)在油管道泄漏監(jiān)測上的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。其中采用GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)的分布式多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集裝置定位技術(shù)是新的技術(shù)保障系統(tǒng)。該新技術(shù)保障系統(tǒng)實(shí)際上是由虛擬儀器技術(shù)、全網(wǎng)同步采樣技術(shù)以及基于GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)的分布式多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)的合成，這三者緊密相連互為支撐。

　　本文以基于虛擬儀器圖形軟件LabVIEW的GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)的多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)在輸油生產(chǎn)和管線的安全運(yùn)行應(yīng)用為例，對(duì)新技術(shù)保障系統(tǒng)在油管道泄漏監(jiān)測上的應(yīng)用作研討。

　　虛擬儀器圖形軟件LabVIEW技術(shù)理念

　　當(dāng)今，虛擬儀器技術(shù)己深入與普及。虛擬儀器技術(shù)結(jié)合了高效的圖形軟件、模塊化I/O和可擴(kuò)展的平臺(tái)，見圖1所示。利用虛擬儀器技術(shù)，工程師縮短了開發(fā)時(shí)間，并減少了設(shè)計(jì)成本設(shè)計(jì)出了更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

　　而圖形軟件LabVIEW是使虛擬儀器靈活方便之根本。LabVIEW是虛擬儀器的重要部分，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)易于使用的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計(jì)。LabVIEW提供了許多強(qiáng)大的特性使得它能與很多硬件、軟件輕松連接。方便使用及其他特性又提供了虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境所需的靈活性，從而產(chǎn)生了用戶定義的界面和用戶定義的應(yīng)用程序功能。LabVIEW提供的眾多強(qiáng)大特性之一就是圖形化編程環(huán)境。利用LabVIEW，工程師可以通過在計(jì)算機(jī)屏幕上創(chuàng)建一個(gè)圖形化的用戶界面設(shè)計(jì)自定義的虛擬儀器;通過計(jì)算機(jī)屏幕，可以操作儀器程序、控制選擇的硬件以及分析采集的數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果;可以使用旋鈕、按鈕、表盤和圖表自定義LabVIEW用戶界面，或者前面板，從而仿效傳統(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建自定義的測試面板或者可視化地表示過程控制和操作。

　　基于GPS多點(diǎn)同步采樣測試網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　同步采樣技術(shù)分單元同步采樣、子網(wǎng)同步采樣以及基于GPS多點(diǎn)同步采樣測試網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三種類型。在此以基于GPS多點(diǎn)同步采樣測試網(wǎng)技術(shù)為主作說明。

　　所謂同步采樣也稱為跟蹤采樣，即為了使采樣頻率fs始終與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的頻率f1保持固定的比例關(guān)系N=fs/f1，必須使采樣頻率隨系統(tǒng)運(yùn)行的頻率的變化而實(shí)時(shí)地調(diào)整。這種同步采樣方式實(shí)施的技術(shù)保障可利用硬件測頻設(shè)備或軟件計(jì)算頻率的方法來配合實(shí)現(xiàn)。而多點(diǎn)同步采樣的大型測試網(wǎng)絡(luò)包含了基于GPS多點(diǎn)同步采樣測試絡(luò)網(wǎng)技術(shù)。這種測試網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)之一是空間分布可以大到幾十km，其二是測量點(diǎn)數(shù)可以多達(dá)上千個(gè)。這種測試網(wǎng)絡(luò)中有很多情況下要求對(duì)各測試點(diǎn)同步采樣，例如管道泄漏的監(jiān)測、電網(wǎng)浪涌的測試、地震波，風(fēng)速的測量等，需要成百上千個(gè)測量點(diǎn)在同一時(shí)間嚴(yán)格的采樣信號(hào)。

　　多點(diǎn)同步采樣大型測試網(wǎng)絡(luò)的核心是基于GPS同步采樣技術(shù)。在此先對(duì)GPS同步采樣技術(shù)理念作說明。其基于GPS多點(diǎn)同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本架構(gòu)見圖2所示。

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　　從圖2可知，由高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)生滿足采樣率要求的時(shí)鐘信號(hào)，它每隔15秒與GPS的每秒脈沖(PPs)信號(hào)同步1次，保證振蕩器輸出脈沖信號(hào)的前沿與GPS時(shí)間同步。由于各裝置都用振蕩器輸出的同步時(shí)鐘信號(hào)作為采樣脈沖輸出控制各自的數(shù)據(jù)采集，因此采樣是同步的。GPS接收機(jī)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)串口將時(shí)間信息傳送給數(shù)據(jù)采集裝置，用于給采樣數(shù)據(jù)以“時(shí)間標(biāo)簽”，以用于如管道的溫度(T)、流量(F)等數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)和處理。因此利用GPS實(shí)現(xiàn)的同步采樣，可保證各測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)采樣高精度同步，其同步最大誤差不超過lS，這是其它同步方法所無法比擬的。

　　對(duì)于數(shù)字通信、有線電視網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等涉及時(shí)間信息的行業(yè)，也可以選擇使用方便、廉價(jià)的GPS OEM板。它有兩個(gè)輸出端口，一個(gè)是每秒輸出一個(gè)脈沖的lpps秒脈沖端口，另一個(gè)是輸出GPS電文信息的RS232接口。GPS OEM板在接收到的帶有有效時(shí)間信息的衛(wèi)星電文后，輸出的秒脈沖信號(hào)與CPS時(shí)間的同步誤差在50 ns內(nèi)，與世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)的同步誤差在1μs內(nèi)。將其應(yīng)用到需要精密授時(shí)的系統(tǒng)中，可以得到精度較高的時(shí)間同步系統(tǒng)。因此，基于GPS同步采樣技術(shù)必將在輸油管道泄漏監(jiān)測上得到廣泛的應(yīng)用。

　　而實(shí)際應(yīng)用的GPS衛(wèi)星新型多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集裝置架構(gòu)它包括計(jì)算機(jī)、GPS衛(wèi)星接收機(jī)及被測對(duì)象，其特征在于：計(jì)算機(jī)上設(shè)有PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，GPS衛(wèi)星接收機(jī)的秒脈沖信號(hào)與PCI總線數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字觸發(fā)通道相連，GPS衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)與計(jì)算機(jī)串口相接，被測對(duì)象與PCI總線數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入通道相連，測試數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)輸出。因此，基于GPS同步采樣技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)采集裝置特別適合于在輸油管道泄漏監(jiān)測有遠(yuǎn)程精確定位的應(yīng)用。

　　其PCI總線是一種堅(jiān)固的模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)合了PCI電氣規(guī)范與Eurocard封裝，適合于工業(yè)計(jì)算機(jī)用)規(guī)范的擴(kuò)展。Compact PCI定義了封裝堅(jiān)固的工業(yè)版PCI總線架構(gòu)，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機(jī)械整合性。因此，PXI產(chǎn)品具有級(jí)別更高、定義更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境一致性指標(biāo)，符合工業(yè)環(huán)境下振動(dòng)、撞擊、溫度與濕度的極限條件。

　　新型多點(diǎn)分布式同步數(shù)據(jù)采集裝置

　　分布式同步數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能之一，就是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的同步采集和對(duì)狀態(tài)的同步監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是提高同步數(shù)據(jù)采集卡的工作時(shí)間同步精度。

　　用同步數(shù)據(jù)采集卡的同步采樣或用非同步數(shù)據(jù)采集卡的近似同步采樣可實(shí)現(xiàn)測試單元的同步數(shù)據(jù)采集，可方便地實(shí)現(xiàn)分布于不同地域的多地點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格時(shí)間同步的數(shù)據(jù)采集。那么基于虛擬儀器圖形軟件LabVIEW的多點(diǎn)同步采樣技術(shù)在輸油生產(chǎn)和管線的安全運(yùn)行的技術(shù)保障系統(tǒng)(即在輸油管道泄漏監(jiān)測應(yīng)用)如何實(shí)現(xiàn)呢?

　　1.管道泄漏監(jiān)測的設(shè)計(jì)思想

　　從圖3看出，在輸油管道沿線各分站安裝計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)采集裝置，采集輸油管道中的壓力、溫度和流量信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線公用網(wǎng)絡(luò)、電臺(tái)等介質(zhì)傳輸?shù)娇偪刂鳈C(jī)，在總控主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，發(fā)現(xiàn)泄漏時(shí)進(jìn)行報(bào)警和定位泄漏點(diǎn)。

　　輸油管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要各分站計(jì)算機(jī)嚴(yán)格同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相同時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)做分析定位的總控主機(jī)上位機(jī)以確定泄漏點(diǎn)位置。但是由于目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的限制，這幾乎是不可能做到的。為了彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境造成的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間差異，可以將采樣數(shù)據(jù)加上“時(shí)間標(biāo)簽”傳輸?shù)街骺氐纳衔粰C(jī)，在進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位時(shí)再將采樣數(shù)據(jù)按采樣時(shí)間“對(duì)齊”。可用基于軟件的檢木術(shù)的壓力梯度法進(jìn)行管道泄漏定位，并可得到管道上下游兩站的采樣數(shù)據(jù)到達(dá)控制中心的時(shí)間誤差Δt。根據(jù)公式實(shí)際計(jì)算則每1s的數(shù)據(jù)同步誤差將造成大約500m的定位誤差，而采用GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)使數(shù)據(jù)的時(shí)間同步誤差降到3μs，由數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間誤差造成的定位誤差將降低到3m之內(nèi)。

　　需要指出是其各同步采集卡對(duì)管道模擬量溫度(T)、流量(F)設(shè)置采樣率為1000S/s，采樣數(shù)500S，即采樣時(shí)間500ms。而總控主機(jī)程序中從兩個(gè)端口分別接收來自一段管道上下游兩站的信號(hào)。[nextpage]

　　2. 多點(diǎn)同步采樣技術(shù)

　　根據(jù)圖3的設(shè)計(jì)方案其輸油管道泄漏監(jiān)測實(shí)施包含技術(shù)有GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)的DAQmx程序與分站程序結(jié)構(gòu)及主站程序結(jié)構(gòu)三方面技術(shù)。在此以GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)的DAQmx程序應(yīng)用為重點(diǎn)作介紹。具體以什么是DAQmx程序、新一代DAQ驅(qū)動(dòng)軟件及LabVIEW包含兩個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的應(yīng)用作研討。

　　DAQ是英文Data Acquisition (數(shù)據(jù)采集)的縮寫。 數(shù)據(jù)采集(DAQ)是指測量：電壓、電流、溫度、壓力、聲音、編碼數(shù)據(jù)等電氣或物理現(xiàn)象的過程。其DAQ應(yīng)用為測量及可視化、數(shù)據(jù)日志記錄、控制、自動(dòng)化測試及監(jiān)控等領(lǐng)域。

　　而DAQmx是DAQ驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)展的新一代產(chǎn)品(如以NI公司產(chǎn)為例)，它能幫助更快速創(chuàng)建、測試并使用高性能的測量應(yīng)用程序。其DAQmx測量服務(wù)軟件，除了具備數(shù)據(jù)采集(DAQ)驅(qū)動(dòng)的基本功能之外，還具備更高工作效率， 更多性能優(yōu)勢，故得以在虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域以及基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方面得到廣泛應(yīng)用。DAQmx測量服務(wù)軟件配合所有DAQmx支持的DAQ板卡，可具有以下特性：對(duì)所有多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件都用統(tǒng)一簡單的編程界面，編寫模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O及計(jì)數(shù)器程序;使用多線程且經(jīng)過優(yōu)化的單點(diǎn)I/O功能，運(yùn)行速度可以提高1000倍;在各種編程環(huán)境如LabVIEW， LabWindows/CVI， Visual Studio.NET， and C/C++中用的是同樣的VI程序或函數(shù);運(yùn)用Measurement & Automation Explorer(MAX)， 數(shù)據(jù)采集助理(DAQ Assistant)， 以及VI Logger數(shù)據(jù)記錄軟件，節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和數(shù)據(jù)記錄時(shí)間。

　　LabVIEW包含兩個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序——傳統(tǒng)DAQ和DAQmx，在這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)上形成了兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在這兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，首先應(yīng)該考慮現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集硬件。而新的M系列數(shù)據(jù)采集卡，能使用DAQmx。所以LabVIEW圖形軟件在此采用DAQmx的GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)采樣程序。程序中的VI(virtual instrument-虛擬儀器)如下：

　　DAQmx Create Task：創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務(wù);

　　DAQmx Create Channel：創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集通道。設(shè)置采樣的設(shè)備及其物理通道、信號(hào)連接方式、信號(hào)極限設(shè)置、通道名、單位、換算等參數(shù);

　　DAQmx Timing：定時(shí)。設(shè)置采樣數(shù)、采樣率和采樣方式;

　　DAQmx Trigger：觸發(fā)。設(shè)置觸發(fā)形式為數(shù)字信號(hào)邊沿的上升沿(Rising)。觸發(fā)源(source)為PFl0，使用PCI-6221數(shù)據(jù)采集L時(shí)，將GPS衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的秒脈沖信號(hào)接到CB68接線端子的1l針;

　　DAQmx ControlTask：任務(wù)控制。設(shè)置為發(fā)送任務(wù)(commit);

　　DAQmx Read：讀取數(shù)據(jù)。選擇多通道多采樣返回二維浮點(diǎn)數(shù)組實(shí)例;

　　DAQmx StopTask：停止任務(wù)。

　　結(jié)語

　　利用GPS衛(wèi)星信號(hào)觸發(fā)的新型多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集裝置架構(gòu)，可以使輸油管道泄漏監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)的采樣脈沖時(shí)間誤差保持在幾個(gè)μS以內(nèi)，從而使對(duì)泄漏檢測的靈敏度、泄漏檢測的及時(shí)性、泄露的誤報(bào)率等確定故障點(diǎn)位置與定位的精度得到很大提高與保障。