長輸管道特殊清管器的智能跟蹤定位系統(tǒng)研究

何 燃，陶文華，杜昌輝

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順113001）

長輸管道特殊清管器的智能跟蹤定位系統(tǒng)研究

何 燃，陶文華，杜昌輝

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順113001）

針對目前特殊清管器跟蹤定位技術(shù)中存在的共性問題，解決精確的監(jiān)測清管器在管線內(nèi)卡堵位置。經(jīng)過深入的理論研究和測試，利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和場站設(shè)備，對其發(fā)射裝置電路設(shè)計、頻率選擇、如何減小功耗以及定位系統(tǒng)實現(xiàn)的功能模塊做出了研究。從而提出了特殊清管器智能跟蹤定位系統(tǒng)的總體方案，研制了具有調(diào)節(jié)參數(shù)能力的智能低頻發(fā)射器，開發(fā)了具備數(shù)據(jù)遠傳功能的智能接收儀，進一步解決特殊清管作業(yè)風(fēng)險及成本，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

長輸管道；特殊清管器；智能跟蹤定位；接收機

長輸管道承擔(dān)著我國油氣物資運輸?shù)闹匾蝿?wù)，被譽為國民經(jīng)濟的動脈，直接服務(wù)沿線工業(yè)的生產(chǎn)和城市居民的普通生活，用以輸送原油天然氣和其它液氣產(chǎn)品。隨著西部油氣田和海上油田資源的開發(fā)，特別是西氣東輸工程的啟動對管道運輸?shù)囊蟾悠惹衃1-4]。但是，特殊清管器在長輸管道中運行時，一旦出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象，將會造成嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟損失。所以，防止特殊清管器卡堵事故，進行特殊清管作業(yè)是保證長輸管道正常平穩(wěn)運行的一項重要措施[5-9]。清管器的智能精確跟蹤定位是保障特殊清管作業(yè)順利完成的最關(guān)鍵的技術(shù)。常規(guī)的跟蹤定位設(shè)備通常由低頻發(fā)射器、跟蹤定位儀兩部分組成：低頻發(fā)射器安裝在特殊清管器上，在隨特殊清管器運動的同時，發(fā)射用于跟蹤定位的低頻信號；跟蹤定位儀置于管道上方，接收來自管道內(nèi)的低頻信號，用以識別特殊清管器的通過[10-13]。為保證石油、天然氣長輸管道的安全平穩(wěn)運行，對特殊清管作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)——清管器的智能定位技術(shù)進行了進一步的研究。

文中通過對國內(nèi)外主流清管器跟蹤設(shè)備的調(diào)研，對清管器跟蹤定位設(shè)備做了需求分析，并查閱大量相關(guān)資料和文獻后，重點從清管器的定位技術(shù)上提出設(shè)計方案，研制了清管器智能跟蹤定位設(shè)備。其中主要從顯著增強低頻信號發(fā)射器的低頻電磁信號的發(fā)射距離和開發(fā)具備數(shù)據(jù)遠傳功能的智能接收儀進行了研究。

1 智能跟蹤定位系統(tǒng)的整體設(shè)計

該智能跟蹤定位系統(tǒng)由低頻信號發(fā)射器、預(yù)設(shè)于長輸管道沿線的特殊清管器智能跟蹤定位儀和終端數(shù)據(jù)管理中心組成，如圖1所示。智能跟蹤定位儀采集特殊清管器通過時低頻信號發(fā)射器發(fā)出的波形信號，并將信號鑒識結(jié)果以及通過時間和GPS定位數(shù)據(jù)通過GPRS數(shù)據(jù)模式傳輸?shù)浇K端數(shù)據(jù)管理中心，終端數(shù)據(jù)管理中心將清管器通過信息和波形顯示出來，并將通過的監(jiān)測地點標(biāo)記在終端軟件地圖上。

圖1 智能跟蹤定位系統(tǒng)示意圖

2 智能跟蹤定位技術(shù)的實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，本系統(tǒng)主要由低頻信號發(fā)射器、智能跟蹤定位儀，智能跟蹤定位系統(tǒng)軟件3個部分組成，本文就智能跟蹤定位設(shè)備進行了深入的研究。

2.1 低頻信號發(fā)射器

2.1.1 低頻信號發(fā)射器基本電路

清管器的信號發(fā)射器一般都采用RLC自激振蕩模式來產(chǎn)生特定振蕩電壓和頻率的振蕩脈沖。但是R、L、C容易隨管道輸送介質(zhì)溫度、管道材質(zhì)、管材壁厚等的發(fā)生變化，從而造成脈沖信號的頻率隨之變化，導(dǎo)致信號接收和識別判斷產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)斐尚盘杹G失。

為此，我們在設(shè)計中將使用MSP430系列單片機的定時器來控制開關(guān)電路，從而發(fā)射出間斷的超低頻脈沖信號。由于此款單片機的外接晶振穩(wěn)定性極好，因此發(fā)射的脈沖頻率穩(wěn)定性就得到了大幅提高。同時MSP430系列單片機是超低功率系列單片機，功耗極低，此項功能也大大提高了低頻信號發(fā)射器的續(xù)航時間。

2.1.2 信號發(fā)射器頻率選擇

信號發(fā)射器頻率我們選擇使用的22 Hz左右的低頻磁場，而且22 Hz左右的低頻信號最有利于穿透鋼制管道和土壤的屏蔽。同時如果頻率過低，非常不利于智能跟蹤儀濾除低頻噪聲影響；如果頻率過高，則會增加低頻信號發(fā)射器損耗，同時還會產(chǎn)生渦流損耗，從而增加發(fā)射器的功耗，降低低頻信號發(fā)射器的續(xù)航時間。

2.1.3 減小低頻信號發(fā)射器功耗的選材方式

在清管工作中，如果低頻信號發(fā)射器的續(xù)航時間達不到特殊清管器的運行時間要求，當(dāng)?shù)皖l信號發(fā)射器停止工作后，我們將失去對特殊清管器運行的監(jiān)控，在此期間，一旦發(fā)生特殊清管器卡堵事故，將會造成不可預(yù)計的損失。在低頻信號發(fā)射器的研發(fā)中，持續(xù)工作續(xù)航能力對于低頻信號發(fā)射器來說至關(guān)重要，為此降低發(fā)射器的功耗成為了一種最有效途徑。

除了使用小功耗的MSP430芯片外，還要減小發(fā)射線圈的鐵心損耗，主要為磁滯損耗和渦流損耗。已知減小磁滯回線的面積就可以減小磁滯損耗，且硅鋼鐵心的電阻率越大，渦流所流過的路徑越長，渦流損耗就越小。所以發(fā)射器線圈可以使用含硅量較高的薄硅鋼片。

2.2 智能跟蹤定位儀

2.2.1 無人值守智能跟蹤定位儀工作原理

當(dāng)特殊清管器攜帶低頻信號發(fā)射器運行過智能跟蹤定位儀所在位置時，與發(fā)射器平行的接收天線就會與發(fā)射器發(fā)射的低頻磁場產(chǎn)生耦合，從而使接收天線產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電壓信號經(jīng)過處理后通過遠傳信號發(fā)射至終端機的數(shù)據(jù)軟件中，在數(shù)據(jù)軟件的顯示界面上顯示實時通過位置及時間。如圖2所示，為清管器無人值守智能跟蹤定位設(shè)備的工作原理圖。

圖2 無人值守智能跟蹤儀工作原理圖

無人值守智能跟蹤定位儀，在進行特殊清管作業(yè)時需提前預(yù)埋到長輸管道上方，開機后就進入無人值守狀態(tài)，實現(xiàn)智能跟蹤定位功能。本文主要研究一種基于磁感應(yīng)線圈，具備GPRS、GPS遠程通信功能，可以上傳準(zhǔn)確時間和位置坐標(biāo)信息的多功能清管器智能跟蹤定位儀。

2.2.2 智能跟蹤定位儀工作原理

具備GPRS、GPS遠程通信功能，可以上傳準(zhǔn)確時間和位置坐標(biāo)信息的多功能清管器智能跟蹤定位儀的原理框圖如圖3所示。當(dāng)長輸管道中特殊清管器經(jīng)過智能跟蹤定位儀的位置時，低頻信號發(fā)射器發(fā)射的電磁脈沖會在接收天線中的磁感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓[13-15]，感應(yīng)電壓在低頻信號發(fā)射器電路中經(jīng)過放大、濾波、積分等信號處理方式后進入MSP430微處理器，MSP430微處理器通過設(shè)定的智能算法判斷波形是否有效，若無效，則不觸發(fā)信號報警，若有效則判斷特殊清管器通過。同時將原始數(shù)據(jù)和智能計算結(jié)果存儲到智能跟蹤定位儀存儲器中，并計算結(jié)果通過通網(wǎng)絡(luò)上傳到終端數(shù)據(jù)處理中心。

圖3 智能跟蹤定位儀的原理框圖

清管器智能跟蹤定位儀把圖3中的液晶顯示屏、按鍵、聲光報警等模塊去除，并且進行優(yōu)化集成就成為了無人值守智能跟蹤儀，其工作參數(shù)的設(shè)置由終端數(shù)據(jù)處理中心遠程控制；GPS模塊在采集清管器坐標(biāo)位置信息的同時，可通過校時功能與系統(tǒng)時間對接。與此同時，還提供了幾個人機接口功能，用來滿足不同環(huán)境下的不同需求。

智能跟蹤定位儀的多樣化功能主要表現(xiàn)在，采用模塊化設(shè)計，可以對其進行裁減，形成通過指示器；在清管器通過管道固定位置時發(fā)出提示、特征點跟蹤器；沿長輸管線在預(yù)先設(shè)定的地點監(jiān)控清管器的實時位置、卡堵定位器；精確定位卡堵在管道內(nèi)的清管器3種不同功能的設(shè)備。可根據(jù)實際特殊清管作業(yè)要求和現(xiàn)場通信、供電、干擾等情況裁減智能跟蹤儀相關(guān)功能模塊，達到設(shè)備的最優(yōu)化應(yīng)用。

2.3 低頻模擬信號處理方法

智能跟蹤定位儀的模擬信號處理主要由7大部分組成，如圖4所示。采集天線接收到的電磁信號，通過帶阻濾波濾除50 Hz頻率，信號放大器對拾取的低頻信號做出放大，同時帶通濾波過濾消除22 Hz以外的干擾波形，再次進行信號放大通過取絕對值電路將放大后信號為負的部分變?yōu)檎盘?，最后利用積分電路將正信號進行積分計算，以便于屏幕顯示。

圖4 模擬信號處理框圖

2.4 GPS定位功能

GPS定位功能的設(shè)計主要用于定位當(dāng)前智能跟蹤定位儀的位置，并且保持管線上智能跟蹤定位儀的時間同步。在GPS的選擇中，該智能跟蹤定位儀使用了瑞士u-blox公司的LEA 5系列模塊，該系列模塊能接收GPS和GALILEO兩種定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；其定位精度高（水平定位精度＜2．5m），定位速度快，而且抗干擾性好；尤其是它的功耗低，符合智能跟蹤定位儀低功耗的要求[16]。

2.5 GPS顯示程序流程

GPS顯示的程序流程圖，如圖5所示。首先，打開GPS的電源，向GPS模塊發(fā)送相關(guān)設(shè)置命令，使模塊工作處于所需要的狀態(tài)；其次，判斷出開頭標(biāo)識$，并接收該條完整信息，因為模塊在沒有正常工作時會返回其它非定位信息，而$則是所有定位信息的開頭標(biāo)識；最后，判斷所接收信息的定位狀態(tài)，如果信息有效則解析數(shù)據(jù)并在液晶屏顯示，如果信息無效則重新接收信息。

圖5 GPS顯示程序流程圖

2.6 GPRS通信功能

在該智能跟蹤定位儀中通信模塊主要擔(dān)負著與數(shù)據(jù)中心和手機的通信任務(wù)，它可以通過短信和GPRS網(wǎng)絡(luò)將智能跟蹤定位儀的定位，清管器的通過時間、狀態(tài)和波形等數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心和手機，它是實現(xiàn)無人值守智能跟蹤的重要部分。因為該智能跟蹤定位儀目前的通信階段只使用到短信功能，所以本文只對短信通信功能進行研究。同時智能跟蹤定位儀發(fā)送短信要兼顧到手機中文短信，所以統(tǒng)一使用PDU模式的USC2編碼。GPRS發(fā)送短信流程圖，如圖6所示。

圖6 GPRS發(fā)送短信流程圖

3 結(jié) 論

文中介紹了清管器在線跟蹤定位系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并針對該系統(tǒng)的低頻信號發(fā)射器、智能跟蹤定位儀二部分展開了深入的研究。分析傳統(tǒng)低頻信號發(fā)射器與工作原理基礎(chǔ)上，找到了傳統(tǒng)發(fā)射器的不足之處，提出了合理方案，以采用超低功率、功耗極低的MSP430系列單片機，此項功能大大提高了低頻信號發(fā)射器的續(xù)航時間。同時使用22 Hz的脈沖信號使穩(wěn)定度更好，相位關(guān)系更恒定。接收器設(shè)計方案中增加了信號智能識別、GPRS和GPS等功能，通過液晶屏和按鍵實現(xiàn)可視化的人機交互，最終通過單片機使其所有的功能形成一個完整的整體。通過電腦和手機訪問服務(wù)器，實時獲取清管器的位置和運行軌跡，對清理器的位置進行實時追蹤。

找到了提高發(fā)射器發(fā)射距離和降低發(fā)射器功耗的有效方法，增加了數(shù)據(jù)存儲功能、GPS衛(wèi)星定位功能和GPRS遠程通信功能，最終結(jié)合數(shù)據(jù)中心監(jiān)控終端實現(xiàn)了清管作業(yè)的操作一體化。

[1]劉剛，陳雷，張國忠，等.管道清管技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].油氣儲運，2011，30（9）：646-653.

[2]王保群.我國原油管道現(xiàn)狀與展望m.石油規(guī)劃設(shè)計，2012，23（4）:8-11.

[3]戚愛華.綜合運輸體系中管道運輸?shù)陌l(fā)展?fàn)顩r[J].綜合運輸，2010（6）：17-20.

[4]孫旭，陳欣，劉愛俠.清管器類型與應(yīng)用[J].清洗世界，2010（6）：36-41.

[5]李澤，馬貴陽.不同油品管道泄漏的數(shù)值模擬.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2015，35（4）：21-25.

[6]王玉彩.MPS430單片機在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（21）：70-72.

[7]李建，夏靜.清管器中的信號發(fā)射裝置電路設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011（15）:136-138.

[8]楊永輝.低噪聲放大器的設(shè)計與仿真[J].電子設(shè)計工程，2010（7）:200-203.

[9]艾毅然，梁華慶，史超，等.管道清管器電磁跟蹤定位系統(tǒng)接收機的設(shè)計與實現(xiàn) [J].電子設(shè)計工程，2014（21）:74-76.

[10]李俊山，蔣婕.天然氣管道清管器跟蹤定位模擬與實踐[J].油氣儲運，2013，32（9）：966-970.

[11]王鐸，劉曉艷，王康，等.清管器跟蹤技術(shù)研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2013（1）:41-43.

[12]孫天淦，周拾慶，張霞，等.清管器在小口徑注水管線清洗中的應(yīng)用 [J].清洗世界，2006，22（4）：10-14.

[13]許紅.管道內(nèi)檢測機器人定位技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望m[J].機床與液壓，2013，41（9）:172-175.

[14]牛殿國，張興濤，張聰，等.壓力波法跟蹤泡沫清管器[J].油氣儲運，2013，32（6）：31-34.

[15]姚劍清.運算放大器權(quán)威指南[M].3版.北京：人民郵電出版社，2010.

[16]鄭三立，張錦孚，周仲暉.基于GPS和單片機的智能線路巡檢管理系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010（7）：78-81.

Research of the special pig with intelligently tracking and locating system in longdistance pipeline

HE Ran，TAO Wen-hua，DU Chang-hui
（College of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

This paper is about solving the problem of precisely supervising the block position in the pipeline of the pig，in terms of the presently common problems of special pig in tracking and locating technology.By using present communication Internet technique and field devices，it has made a research for its transmitting devices'circuit design、frequency choosing、how to reduce energy and locating system's functional achieving modules via far-reaching theoretical study and test.Therefore，this paper has put forward a comprehensive plan about special pig with intelligently tracking and locating system.The plan develops smart low frequency transmitter equipped with the ability to adjust parameters and intelligent receiver with the function of transmitting data for long distance.It further reduces the risks and costs of special pig work for creating a better economic efficiency.

long-distance pipeline；special pig；intelligently tracking and locating system；receiver

TP302

A

1674－6236（2017）17-0141-04

2016-08-04稿件編號：201608028

何 燃（1996—），女，貴州興義人。研究方向：智能控制理論與應(yīng)用。