海底管道測繪裝置監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文｜周忠會(huì) 方玉平 高峰 戴文迪 周建玲 盧恩光

一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求與日俱增，海底鋪設(shè)的原油管道逐年增多，對受損管道的形變?nèi)毕轀y繪并實(shí)施管道加固修復(fù)越來越重要。對海底管道的外部檢測方法，目前普遍的技術(shù)適用于水流速度小、能見度高的水域，在海況復(fù)雜、海流速度快、能見度極低的海域能否正常工作存在極大不確定性。同樣的，在類似海域下，研制在管道上進(jìn)行直接測量的裝置，則不可避免地面臨在急水流、低能見度的情況下維持裝備穩(wěn)定性的問題，以及因?yàn)榇罅侩s質(zhì)下導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)信噪比低的問題。對此，我們通過空腔營造干式環(huán)境并在可視化的干式環(huán)境中對管道形變?nèi)毕葸M(jìn)行快速精準(zhǔn)三維測繪，將測繪的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，同時(shí)也解決了海況復(fù)雜、海流速度快、能見度極低對管道檢測造成的干擾問題。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

海底管道測繪裝置監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由控制及測繪上位機(jī)單元、配電單元、水上光端機(jī)單元、水下光端機(jī)單元、電源單元、串口服務(wù)器單元、三維掃描儀單元、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)單元、水下照明單元、姿態(tài)傳感器單元、深度計(jì)單元、閥箱單元、張力位置及液位傳感器單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)測試現(xiàn)場圖

三、系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)

（一）電源分配單元設(shè)計(jì)

海底管道測繪裝置監(jiān)控系統(tǒng)配備有多種型號電源為12V、24V和48V的外部設(shè)備，且單個(gè)設(shè)備要求電源獨(dú)立，確保在外部設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠單獨(dú)隔離且不影響其它設(shè)備的正常使用。船電AC220V通過安全保護(hù)裝置直接給水下交流伺服電機(jī)供電，AC220V轉(zhuǎn)DC48V電源模塊為水下步進(jìn)電機(jī)提供隔離電源，AC220V轉(zhuǎn)DC24V電源模塊和DC24V轉(zhuǎn)DC12V電源轉(zhuǎn)換模塊分別為水下DC24V及DC12V外設(shè)提供隔離電源，同時(shí)DC24V電池與交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換模塊通過船電自檢繼電器來切換水下DC24V及DC12V外設(shè)負(fù)載的供電電源，當(dāng)檢測到船電故障時(shí)自動(dòng)切換至水下直流電池供電，確保必要的外設(shè)負(fù)載在應(yīng)急情況下能夠正常工作。

（二）模擬量采集單元設(shè)計(jì)

海底管道測繪裝置監(jiān)控系統(tǒng)需要配備姿態(tài)、壓力、深度及液位等多種型號的傳感器，用來對測繪裝置的水下吊裝姿態(tài)、水下空艙及部分主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)壓力、工作海水深度和艙體內(nèi)的液位實(shí)施信號采集，通過通訊單元實(shí)時(shí)向甲板操作上位機(jī)傳輸信號，用于監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備水下運(yùn)行情況并指導(dǎo)甲板作業(yè)人員實(shí)施作業(yè)。測繪裝置的傳感器有電壓輸出和電流輸出兩種形式，為了減小電路占用的空間，故在一塊電路板上集成兩塊分別用來采集電壓和電流信號的采集模塊，芯片之間通過通訊口實(shí)現(xiàn)兩者的信息傳遞。此外兩路漏水檢測電路用于檢測測繪裝置接口箱是否漏水，并實(shí)時(shí)上傳狀態(tài)信息。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

海底管道測繪裝置監(jiān)測系統(tǒng)的掃描儀單元由兩個(gè)直軌電機(jī)控制，用以其實(shí)現(xiàn)首尾方向的移動(dòng)，兩個(gè)環(huán)軌電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描儀實(shí)現(xiàn)圓周方向的360O旋轉(zhuǎn)，掃描儀角度電機(jī)通過減速機(jī)及齒輪齒條實(shí)現(xiàn)其自身小角度回轉(zhuǎn)，由于5套驅(qū)動(dòng)器的通信接口有RS485和CAN兩種形式，且其通訊數(shù)據(jù)格式相差較大，此處配置兩個(gè)RS485轉(zhuǎn)CAN模塊，第一次轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)從控制RS485總線到CAN總線的轉(zhuǎn)換，第二個(gè)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)CAN總線到驅(qū)動(dòng)RS485總線的轉(zhuǎn)換，通過此種配置，有利于簡化上位機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的通信數(shù)據(jù)幀格式，提高了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

四、系統(tǒng)調(diào)試

基于設(shè)計(jì)并加工好的測繪裝置，開展了整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試，全部功能模塊正常工作。穩(wěn)定性和防水密封是調(diào)試的重點(diǎn)，嚴(yán)苛的海洋環(huán)境對電控系統(tǒng)的接口穩(wěn)定性、防水密封性提出了非常高的要求，尤其在測試海域，海水中攜帶大量泥沙，進(jìn)一步提升了難度，整個(gè)調(diào)試周期達(dá)到了30天。系統(tǒng)調(diào)試完善了上位機(jī)界面、增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)對艙體漏水等情況的保護(hù)能力，提升了安全性和穩(wěn)定性。

現(xiàn)場的系統(tǒng)調(diào)試分為三個(gè)主要階段，第一步是在陸地上實(shí)現(xiàn)全部功能，第二步是針對海洋環(huán)境出現(xiàn)的新問題進(jìn)行設(shè)計(jì)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)在碼頭的水下測控，最后將整個(gè)系統(tǒng)帶到目標(biāo)海域進(jìn)行實(shí)際測控，驗(yàn)證其真實(shí)的能力。通過三個(gè)階段的實(shí)際考核與驗(yàn)證，整個(gè)測控系統(tǒng)可以有效地給海底測繪裝置供電、提供監(jiān)控與照明、控制運(yùn)動(dòng)部件、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳并監(jiān)測測繪裝置的姿態(tài)與各部分狀態(tài)。

經(jīng)過多次下水驗(yàn)證，測繪裝置自身密封性能良好，營造了空艙環(huán)境，為三維測繪提供了必要的條件。利用干式艙環(huán)境，攝像機(jī)和水下照明燈相互配合操控艙內(nèi)三維掃描儀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，操控中心控制掃描儀運(yùn)動(dòng)到相對應(yīng)的位置，以滿足三維掃描儀的成像要求。

五、總結(jié)

本系統(tǒng)的成功研制為海底管道測繪裝置的實(shí)際運(yùn)用提供了基礎(chǔ)條件，實(shí)現(xiàn)了對作業(yè)全過程的有效監(jiān)控，通過實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的獲取和保存，為后續(xù)數(shù)據(jù)的處理和分析提供了可能。系統(tǒng)化規(guī)?；膽?yīng)用將進(jìn)一步提升中國在海底管道外檢測精準(zhǔn)測繪上的能力，填補(bǔ)了一定的技術(shù)和裝備空白。