深水隔水管水下監(jiān)測(cè)低功耗平臺(tái)設(shè)計(jì)

白 浩，張夢(mèng)娜，申曉紅，王海燕

(1. 湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 524057；2. 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

深水隔水管水下監(jiān)測(cè)低功耗平臺(tái)設(shè)計(jì)

白 浩1，張夢(mèng)娜2*，申曉紅2，王海燕2

(1. 湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 524057；2. 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

水下信息處理平臺(tái)是隔水管疲勞監(jiān)測(cè)裝置的神經(jīng)中樞，控制疲勞參數(shù)檢測(cè)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)發(fā)射、監(jiān)測(cè)設(shè)備的休眠與啟動(dòng)等一系列流程。低功耗水下信息處理平臺(tái)的硬件系統(tǒng)包括低功耗微處理機(jī)、高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、多種傳感器、信號(hào)調(diào)制與發(fā)送電路、電源及其他附件等。為了提高監(jiān)測(cè)設(shè)備的服役期限，對(duì)“十一五”期間的低功耗水下信息處理平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了存儲(chǔ)模塊、優(yōu)化空間布局與程序流程，使得電路板面積大大縮小。優(yōu)化后，水下信息處理平臺(tái)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)，進(jìn)而降低了隔水管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，提高了其便捷性和適用性。

海洋油氣管道；深水隔水管；疲勞；低功耗；水下信息處理平臺(tái)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

隔水管是深水油氣勘探開發(fā)的重要設(shè)備，是連接海面作業(yè)平臺(tái)與海底井口的要道，也是深水油氣開發(fā)技術(shù)上要求最高、最具挑戰(zhàn)性的一部分[1]。在水深超過(guò)1 000 m的深水，隔水管的直徑與長(zhǎng)度比達(dá)到了細(xì)長(zhǎng)柔彈性體的范圍，隔水管的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為柔彈性運(yùn)動(dòng)而非剛體運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致隔水管的振幅會(huì)大幅增加，極易產(chǎn)生疲勞、斷裂、損傷和泄漏等一系列問(wèn)題。隨著南海深水海域的油氣開發(fā)作業(yè)的逐步深入，隔水管用量急劇加大。若沒(méi)有一流的監(jiān)測(cè)技術(shù)作為保障，隔水管將面臨疲勞、失效乃至斷裂的風(fēng)險(xiǎn),故對(duì)深水隔水管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求變得越來(lái)越迫切[2]。

根據(jù)供電和數(shù)據(jù)通信方式的區(qū)別，監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)有離線、有線和水聲三種監(jiān)測(cè)方法[3-5]。考慮到安裝與操作的難度、實(shí)時(shí)性等因素，通過(guò)與離線、有線兩種方式的比較，選擇水聲監(jiān)測(cè)方法。而基于水聲的隔水管疲勞監(jiān)測(cè)設(shè)備，其性能嚴(yán)重依賴于所在區(qū)域的海洋環(huán)境，并且采用鋰電池為系統(tǒng)能源供電，故對(duì)系統(tǒng)功耗要求十分嚴(yán)格。因此，根據(jù)工程實(shí)際需求，基于深海遠(yuǎn)距離水聲技術(shù)提出了一個(gè)具體的隔水管監(jiān)測(cè)低功耗平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明此方案設(shè)計(jì)可以降低功耗，延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的服役期限。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

已有的深水隔水管疲勞監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有防噴器(BOP)轉(zhuǎn)角、渦激振動(dòng)(VIV)、海洋流速、應(yīng)變、偏移等參數(shù)的監(jiān)測(cè)能力，而且還有隔水管姿態(tài)報(bào)警功能。圖中1～n點(diǎn)為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 深水隔水管疲勞監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Deepwater riser fatigue monitoring network

在每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處，水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要由4部分構(gòu)成：傳感器部分、信號(hào)處理部分、信號(hào)放大/功率放大部分、發(fā)射換能器部分，系統(tǒng)模塊框圖如圖2所示。

基于水聲的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)功耗的要求十分嚴(yán)格。為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)硬件采用低功耗微控制器(MCU)作為控制核心，低功耗直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)作為高精度波形產(chǎn)生單元。系統(tǒng)軟件采用“中斷—喚醒—工作—休眠”的低功耗工作流程。

圖2 水下信息處理裝置的模塊框圖Fig.2 Block diagram of underwater information processing device

在硬件設(shè)計(jì)方面，考慮不同測(cè)點(diǎn)間定時(shí)同步和內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)的要求，通過(guò)鐵電存儲(chǔ)器緩存、外部低溫漂的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)來(lái)實(shí)現(xiàn)要求的功能。采用主從機(jī)方式，主機(jī)MCU控制從機(jī)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的工作，必要時(shí)掉電處理，大大節(jié)約了系統(tǒng)能量消耗。在軟件設(shè)計(jì)方面，通過(guò)構(gòu)建文件系統(tǒng)FAT32，即建立安全數(shù)字卡(SD卡)中的文件、寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等操作，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)工作模式

為使處理裝置的功耗降低，系統(tǒng)運(yùn)行模式為定時(shí)間斷工作模式：(1)平時(shí)處于低功耗休眠狀態(tài)，以節(jié)省電池能量；(2)當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定工作時(shí)間時(shí)，由外部的RTC模塊喚醒MCU，系統(tǒng)進(jìn)入激活狀態(tài)；(3)由MCU依次控制其他外圍模塊及傳感器上電啟動(dòng)，并從相應(yīng)傳感器采集數(shù)據(jù)，之后，控制其掉電，使其進(jìn)入低功耗模式；(4)由MCU控制DSP對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并完成結(jié)果編碼(包括7，4漢明編碼與差分編碼)，將編碼后的待發(fā)碼元存儲(chǔ)在MCU的內(nèi)置FLASH中，之后是DSP進(jìn)入低功耗模式；(5)啟動(dòng)DDS，將待發(fā)碼元傳送至DDS調(diào)制發(fā)送，發(fā)送完畢后，MCU給DDS模塊掉電，并自行進(jìn)入低功耗計(jì)時(shí)模式，等待下一工作時(shí)間的到來(lái)。以上操作便構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)工作周期。系統(tǒng)通過(guò)周期性的工作，以最小耗能模式完成水下信息采集、處理與傳輸，保證了隔水管狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)[6]。

采用這種工作模式，可以大幅度降低系統(tǒng)功耗。以每24 h調(diào)制發(fā)送0.5 h這一工作模式為例，系統(tǒng)若按傳統(tǒng)的“工作—等待”工作流程工作，平均功耗約為46.2 mW。若按“中斷—喚醒—工作—休眠”的工作流程工作，系統(tǒng)的平均功耗可降至約3.6 mW。

1.3 FRAM緩存存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

由于FM24V10鐵電存儲(chǔ)器具有非易失性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，且在斷電的情況下能對(duì)已經(jīng)讀寫的數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期的保存，所以對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的重要數(shù)據(jù)可通過(guò)MSP430f5438的I2C程序，對(duì)FM24V10進(jìn)行讀寫操作，進(jìn)而達(dá)到保存數(shù)據(jù)的目的，如圖3所示。具體的設(shè)計(jì)步驟如下。

圖3 程序及要寫入FRAM的數(shù)據(jù)Fig.3 Program and the data to be written to FRAM

(1) 對(duì)MSP430f5438進(jìn)行初始化，使芯片工作在I2C協(xié)議下。

(2) 向FM24V10寫入數(shù)據(jù)，此處應(yīng)該賦予不同組別的數(shù)據(jù)以不同的Slave address，方便單片機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的讀操作，且要記住每組數(shù)據(jù)的Slave address。

(3) 寫操作結(jié)束后進(jìn)行讀操作，編程使單片機(jī)工作在寫操作模式下，把FM24V10中的指針指向?qū)⒁獙?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀操作的相應(yīng)的Slave address。

(4) 編程使單片機(jī)工作在讀模式下，由于指針已經(jīng)指在相應(yīng)的第一個(gè)數(shù)據(jù)上，所以可以相應(yīng)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀操作。

(5) 重復(fù)前述步驟，完成不同組別數(shù)據(jù)的讀寫。

圖4是寫入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式，Head由2 Byte數(shù)據(jù)組成，其中前2 bit是寫入數(shù)據(jù)類型，二進(jìn)制數(shù)據(jù)00表示流速數(shù)據(jù)，01表示VIV數(shù)據(jù)，10表示光纖應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。Head的最后10 bit數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最長(zhǎng)可以表示1 024個(gè)數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式Fig.4 Storage format of the data

1.4 外部RTC設(shè)計(jì)

DS3231是低成本、高精度I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘，具有集成的溫補(bǔ)晶體振蕩器(TCXO)和晶體。集成晶體振蕩器提高了器件的長(zhǎng)期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。通過(guò)MSP430單片機(jī)由I2C向DS3231芯片寫入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和鬧鐘功能，再通過(guò)觀察相應(yīng)寄存器內(nèi)的數(shù)值和指示燈證明功能實(shí)現(xiàn)，并將當(dāng)前時(shí)間由DS3231讀入MSP430。圖5為RTC控制流程[7]。

圖5 RTC控制流程Fig.5 RTC control process

1.5 信號(hào)放大/功率放大平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)射功率放大平臺(tái)設(shè)計(jì)需求，本文對(duì)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)如圖6所示。

1.6 內(nèi)記數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式設(shè)計(jì)

用來(lái)作內(nèi)記的SD卡外部存儲(chǔ)器采用的是DSP的一個(gè)外設(shè)。為了降低DSP的工作時(shí)間，且為了避免頻繁啟動(dòng)DSP工作造成的能量消耗，采用FRAM中轉(zhuǎn)的記錄方式。待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，將數(shù)據(jù)從FRAM中取出，此時(shí)啟動(dòng)DSP，并寫入DSP外設(shè)SD卡中。數(shù)據(jù)流動(dòng)方式如圖7所示。

圖6 發(fā)射機(jī)原理圖紙F(tuán)ig.6 Principle drawing of the transmitter

圖7 數(shù)據(jù)流動(dòng)方式Fig.7 Flow patterns of the data

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

圖8和圖9為調(diào)試過(guò)程中FRAM緩存存儲(chǔ)器的相應(yīng)結(jié)果。

圖8 調(diào)試過(guò)程及要寫入FRAM的數(shù)據(jù)Fig.8 Debugging process and the data to be written to FRAM

圖9 讀出FRAM的數(shù)據(jù)Fig.9 Readout of the FRAM data

圖10(a)表示了計(jì)時(shí)器的初始時(shí)間，即2012年8月27日，星期一，12∶00∶00。圖10(b)表示設(shè)定的鬧鐘時(shí)間為12∶00∶30。

圖10 要寫入RTC的時(shí)間數(shù)據(jù)Fig.10 Time data to be written to RTC

對(duì)制成的電路板進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果如圖11所示，其中圖11(a)、(b)分別為未到達(dá)鬧鐘時(shí)間和到達(dá)鬧鐘時(shí)間的狀態(tài)。在鬧鐘時(shí)間到達(dá)后，讀出時(shí)間如圖12所示，2012年8月27日，星期一，12∶00∶30。

圖11 電路板狀態(tài)Fig.11 State of the circuit board

圖12 鬧鐘時(shí)間到讀出的數(shù)據(jù)Fig.12 Data read at the alarm time

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)深水隔水管疲勞監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出了一種基于水聲的低功耗監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，其中包括FRAM緩存存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)、外部RTC設(shè)計(jì)、信號(hào)放大/功率放大平臺(tái)設(shè)計(jì)、內(nèi)機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)，以MCU作為控制核心，DDS作為波形產(chǎn)生單元，采用“中斷—喚醒—工作—休眠”的低功耗工作流程，對(duì)最后形成的水下信息處理裝置進(jìn)行了原理圖重新設(shè)置，成功制板后，順利完成了電路板的調(diào)試工作。

水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用電池組供電，在電池容量不變的情況下，系統(tǒng)通過(guò)周期性的工作，以最小耗能模式完成了水下信息采集、處理與傳輸，一切工作符合設(shè)計(jì)要求。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了低功耗的工作模式，降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能量消耗，拓寬了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的生存期，保證了對(duì)隔水管狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

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[2] 孫友義,陳國(guó)明.超深水鉆井系統(tǒng)隔水管波致疲勞研究[J].石油學(xué)報(bào)，2009,30(3):460.

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DesignofLow-PowerPlatformforDeepwaterRiserUnderwaterMonitoring

BAI Hao1, ZHANG Meng-na2, SHEN Xiao-hong2,WANG Hai-yan2

(1.ZhanjiangNanhaiWestOilSurvey&DesignCo.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong524057,China;2.CollegeofMarineEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi710072,China)

Underwater information processing platform is the nerve center of the riser fatigue monitoring device. It controls fatigue parameters detection, signal processing, data transmission, dormancy and initiation of the monitoring equipment and a series of processes. The hardware system of the low-power-consumption underwater information processing platform consists of low-power microprocessor, high-speed digital signal processor (DSP), a variety of sensors, signal modulation and transmission circuit, power supply and other accessories and so on. In order to improve the service period of the monitoring equipment, we optimize the design of the low-power underwater information processing platform during the “Eleventh Five-Year” period. We add storage modules and optimize spatial layout and program flow to greatly reduce the circuit board area. After optimization, the reliability of the underwater information processing platform is enhanced further. And then the volume and weight of the riser monitoring system are reduced and its convenience and applicability are improved.

marine oil and gas pipeline; deepwater riser; fatigue; low power consumption; underwater information processing platform; optimal design

TE53

A

2095-7297(2015)02-0133-05

2015-02-11

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-001-06)

白浩(1986—)，男，工程師，主要從事石油機(jī)械工程方面的研究。

*通信作者。