海底管道變形測(cè)量傳感采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘" " 要：針對(duì)復(fù)雜海域較大變形海底管道精準(zhǔn)測(cè)量需求，設(shè)計(jì)了海底管道變形測(cè)量傳感采集系統(tǒng)，利用HMI和分布式遠(yuǎn)程IO進(jìn)行模塊化的測(cè)量傳感與數(shù)據(jù)采集，采用Modbus協(xié)議并建立星型拓?fù)涞耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)完成測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)了變形管道表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲??；該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于各類型復(fù)雜海域；目前已應(yīng)用于某海底管道變形修復(fù)項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確有效，保障了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

關(guān)鍵詞：變形測(cè)量；傳感采集；三維坐標(biāo)；HMI；分布式遠(yuǎn)程IO；Modbus

Design and implementation of a sensor acquisition system for deformation measurement of submarine pipelines

DUAN Ruibin1， DING Yinshan2， NIU Huli1， WANG Kekuan1， WANG Laizhen1， HE Yazhang1

1. CNPC Engineering Technology Research Co.， Ltd.， Tianjin 300451， China

2. CNPC Offshore Engineering （Qingdao） Co.， Ltd.， Qingdao 266500， China

Abstract：To serve accurate measurement requirements of submarine pipelines with significant deformation in complex sea areas， a sensing and acquisition system was designed for deformation measurement of submarine pipelines， with HMI and distributed remote IO used for modular measurement sensing and data collection， and Modbus protocol adopted and a star topology communication network established to achieve reliable transmission of measurement data. In this way， 3D coordinate data on the surface of deformed pipelines were accurately acquired. Boasting high measurement accuracy， fast response speed， stable and reliable operation， this system is applicable to various types of complex sea areas， and has been applied to a submarine pipeline deformation repair project with accurate and effective on-site measurement results， ensuring the smooth implementation of the project.

Keywords：deformation measurement; sensing collection; 3D coordinates; HMI; distributed remote IO; Modbus

舟山海域某海底輸油管道變形缺陷修復(fù)整治項(xiàng)目需要對(duì)較大變形管道表面進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量與三維繪圖，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)管卡的設(shè)計(jì)和安裝[1]。該海域潮流流速快并且水下能見度極差，日均有效潛水作業(yè)時(shí)間不足3 h[2]。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)惡劣海況以及測(cè)量精度要求，設(shè)計(jì)了基于三維機(jī)械打點(diǎn)方式的測(cè)量工裝進(jìn)行海底管道變形的自動(dòng)精準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了全天候24 h連續(xù)水下作業(yè)。

海底管道變形測(cè)量工裝主要由工裝框架、測(cè)量結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感采集系統(tǒng)等構(gòu)成，本文針對(duì)其中的傳感采集系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；該系統(tǒng)以人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）為核心，利用分布式遠(yuǎn)程IO[3]和現(xiàn)場(chǎng)傳感器進(jìn)行模塊化的測(cè)量傳感與數(shù)據(jù)采集，采用Modbus作為系統(tǒng)通信協(xié)議，并通過星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)較大變形海底管道表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，具有測(cè)量精度高、測(cè)量響應(yīng)速度快、系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，滿足了項(xiàng)目的實(shí)際工程需求。

1" " 測(cè)量原理

將測(cè)量探頭與管道表面接觸位置等效為三維空間中的點(diǎn)，測(cè)量過程中該點(diǎn)將形成特定的測(cè)量運(yùn)動(dòng)軌跡；通過合理的測(cè)量路徑規(guī)劃，并對(duì)其測(cè)量軌跡進(jìn)行三維空間坐標(biāo)的取樣與計(jì)算，可以得到測(cè)量管道表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；進(jìn)一步利用測(cè)量數(shù)據(jù)可建立變形管段的精確三維數(shù)字化模型。以測(cè)量工裝初始狀態(tài)下測(cè)量探頭等效點(diǎn)的位置為原點(diǎn)O，建立空間直角坐標(biāo)系[4]，其原點(diǎn)位置及x、y、z三軸的方向如圖1所示。

測(cè)量作業(yè)時(shí)測(cè)量探頭在伸縮氣缸帶動(dòng)下沿管道徑向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量探頭等效點(diǎn)M（x′，y′，z′）的三維坐標(biāo)計(jì)算方法如式（1）所示。

[x=（r+ρ）×sinθy=σz=（r+ρ）×cosθ-r]" " "（1）

式中：r為管道半徑，mm；ρ為探頭等效點(diǎn)M相對(duì)原點(diǎn)O的徑向位移，mm；θ為探頭和齒圈在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿管周方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，M點(diǎn)相對(duì)原點(diǎn)O的旋轉(zhuǎn)角度，rad；σ為探頭和測(cè)量結(jié)構(gòu)在平移電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿管道軸向平移時(shí)，M點(diǎn)相對(duì)原點(diǎn)O的軸向位移，mm。

2" " 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件選型

海底管道變形測(cè)量傳感采集系統(tǒng)主要由測(cè)量傳感、采集處理和數(shù)據(jù)管理三大功能模塊組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.1" " 測(cè)量傳感

測(cè)量傳感模塊包含5種傳感器，表1列出了各傳感器的型號(hào)、接口、傳感精度等信息。

傳感采集系統(tǒng)利用上述傳感器完成針對(duì)軸向位移、徑向位移、旋轉(zhuǎn)角度等測(cè)量項(xiàng)的可靠傳感與精確采集，測(cè)量工裝中各傳感器布置如圖3所示。

1）磁致伸縮位移傳感器：原理上基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)[5]，具有傳感精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；按照測(cè)量工裝設(shè)計(jì)，當(dāng)軸向位移量程和徑向位移量程分別為6 500 mm和600 mm時(shí)，傳感器的重復(fù)測(cè)量精度分別為 ±0.325 mm和±0.03 mm，滿足項(xiàng)目±1 mm的測(cè)量精度要求。

2）雙向轉(zhuǎn)速傳感器：內(nèi)置新型磁敏元件和信號(hào)放大電路，通過齒輪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，輸出A/B兩路具有相差的穩(wěn)幅方波信號(hào)[6]，可準(zhǔn)確表征齒輪轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向；實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)傳感器分別安裝于兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪處（如圖3所示），通過脈沖計(jì)數(shù)，并結(jié)合齒圈參數(shù)，可以計(jì)算得出測(cè)量探頭的旋轉(zhuǎn)角度。

3）接近傳感器：利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行金屬介質(zhì)的非接觸檢測(cè)[7]，具有靈敏度高、簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)；該傳感器裝設(shè)于測(cè)量工裝旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的初始位置處，用以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)復(fù)位檢測(cè)。

4）雙軸傾角傳感器：把靜態(tài)重力場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為傾角變化[8]，并通過數(shù)字接口直接輸出水平傾角和垂直傾角的測(cè)量值，其最大定位誤差lt;14 mm，滿足測(cè)量工裝精確就位要求。

5）超聲測(cè)距傳感器：可實(shí)現(xiàn)渾濁海水介質(zhì)中±0.15 mm的測(cè)量精度，系統(tǒng)利用該傳感器的測(cè)量結(jié)果完成徑向位移測(cè)量校驗(yàn)。

2.2" " 采集處理

采集處理模塊由HMI和分布式遠(yuǎn)程IO組成，其中遠(yuǎn)程IO連接各類傳感器，HMI則通過數(shù)據(jù)總線直接讀取遠(yuǎn)程IO的傳感采集值；該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了HMI和遠(yuǎn)程IO的“主從配合”與“分工協(xié)作”，有效提高了多類型傳感的采集效率以及系統(tǒng)工作的可靠性。

1）分布式遠(yuǎn)程IO。該模塊采用單元模塊化設(shè)計(jì)，由網(wǎng)絡(luò)適配器單元和多個(gè)擴(kuò)展 IO單元組成，兩種形式的單元模塊通過內(nèi)部總線連接，其中網(wǎng)絡(luò)適配器單元通過RS-485總線與HMI通信，擴(kuò)展 IO單元通過功能選配實(shí)現(xiàn)與不同接口類型傳感器的連接。分布式遠(yuǎn)程IO具有邊緣計(jì)算能力，可完成積分變換、數(shù)字濾波等復(fù)雜數(shù)據(jù)處理任務(wù)，當(dāng)傳感數(shù)量或傳感類型較多時(shí)，可顯著降低系統(tǒng)主控運(yùn)算資源的開銷。表2列出了分布式遠(yuǎn)程IO各單元模塊的基本參數(shù)。

2）HMI。HMI選用WEINVIEW的cMT-SVR-100，其運(yùn)算能力強(qiáng)、通訊接口豐富、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大，相較PLC等傳統(tǒng)控制器具有三大優(yōu)勢(shì)：一是支持宏指令編程，內(nèi)建豐富完善的函數(shù)庫(kù)，簡(jiǎn)化了復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)過程；二是提供上百種通信驅(qū)動(dòng)，支持多數(shù)控制器、遠(yuǎn)程IO的通信連接與數(shù)據(jù)交互；三是支持跨平臺(tái)的遠(yuǎn)程訪問與管理，可以通過建立以太網(wǎng)連接并運(yùn)行cMT Viewer軟件實(shí)現(xiàn)PC端或移動(dòng)端的實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程操作。

HMI作為傳感采集系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)，建立了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，并通過RS-485總線或工業(yè)以太網(wǎng)與各功能模塊連接，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中傳感數(shù)據(jù)到應(yīng)用數(shù)據(jù)的有序流動(dòng)，在確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下提高了信息交互效率。

2.3" " 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊主要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示與管理應(yīng)用，模塊中各單元均為TCP/IP協(xié)議設(shè)備，其全部接入由工業(yè)無線路由器建立的現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)中；該局域網(wǎng)支持無線連接（WLAN），允許移動(dòng)設(shè)備和便攜計(jì)算機(jī)的接入與訪問[9]，有效提升了系統(tǒng)管理及數(shù)據(jù)應(yīng)用的靈活性和便捷性。

數(shù)據(jù)管理模塊中工業(yè)無線路由器型號(hào)為USR-G802，其具備1個(gè)WAN接口和4個(gè)LAN接口，支持2.4 GHz頻段Wi-Fi，并具有故障自修復(fù)功能，可確?，F(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；實(shí)際應(yīng)用中HMI和測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別通過千兆網(wǎng)線（六類）與無線路由的LAN口連接，HMI數(shù)據(jù)展示與管理界面的PC端和移動(dòng)端則分別采用有線及Wi-Fi方式接入現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)。

3" " 軟件設(shè)計(jì)

海底管道變形測(cè)量傳感采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圍繞HMI開展，其主要工作分為通信接口設(shè)計(jì)、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)界面開發(fā)三部分。

3.1" " 通信接口設(shè)計(jì)

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制器上最廣泛的一種通用協(xié)議，具有易用、可靠、開源和免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)[10]。本設(shè)計(jì)選用Modbus協(xié)議作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)了通信過程的簡(jiǎn)化及數(shù)據(jù)傳輸效率的提升。

Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，其提供了一種基于串行總線或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備間C/S通信機(jī)制[11]，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的不同，主要分為Modbus-RTU和Modbus-TCP兩種類型[12]。作為系統(tǒng)通信中樞，HMI與分布式遠(yuǎn)程IO、超聲測(cè)距傳感器通過RS-485總線連接，其通信報(bào)文類型為Modbus-RTU；HMI與測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，其通信報(bào)文類型為Modbus-TCP。

表3列出了HMI與各連接設(shè)備的Modbus通信參數(shù)。Modbus-RTU 通信中HMI作為主站（Master），其通過對(duì)從站（Slave）相關(guān)寄存器的實(shí)時(shí)讀取實(shí)現(xiàn)針對(duì)各測(cè)量傳感原始數(shù)據(jù)的可靠獲?。籑odbus-TCP通信中HMI和測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別作為服務(wù)端（Server）和客戶端（Client），服務(wù)端將當(dāng)前測(cè)量的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新至保持寄存器并允許客戶端訪問與讀取。

3.2" " 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

傳感采集系統(tǒng)程序由HMI執(zhí)行，其編程環(huán)境為EasyBuilder宏指令編輯器[13]；系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由Modbus-RTU通信、旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算、徑向位移測(cè)量校驗(yàn)、三維測(cè)量坐標(biāo)計(jì)算等功能模塊組成，系統(tǒng)的主要工作流程如圖4所示。

旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算首先需要判斷測(cè)量探頭所處的角度區(qū)間及其旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)角度區(qū)間選擇對(duì)應(yīng)的雙向轉(zhuǎn)速傳感器，然后基于該傳感器的脈沖計(jì)數(shù)值計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度，最后通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的復(fù)位檢測(cè)消除旋轉(zhuǎn)角度的多圈累計(jì)誤差，旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算流程如圖5所示。

徑向位移測(cè)量校驗(yàn)主要完成位移傳感和超聲測(cè)距兩種不同測(cè)量方式下測(cè)量結(jié)果的對(duì)比與處理，從而確保徑向位移測(cè)量值的有效性。管道表面三維測(cè)量坐標(biāo)的計(jì)算基于軸向位移、徑向位移和旋轉(zhuǎn)角度三個(gè)關(guān)鍵測(cè)量項(xiàng)的測(cè)量結(jié)果及其處理，并根據(jù)式（1）完成求解與運(yùn)算。

3.3" " 系統(tǒng)界面開發(fā)

傳感采集系統(tǒng)用戶界面運(yùn)行于HMI，并支持通過cMT Viewer（PC端或移動(dòng)端）進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問與管理，具備測(cè)量展示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和參數(shù)設(shè)置等功能，測(cè)量展示主界面如圖6所示。

測(cè)量展示主界面實(shí)時(shí)顯示軸向位移、徑向位移、旋轉(zhuǎn)角度等各測(cè)量項(xiàng)的當(dāng)前測(cè)量值，并給出相應(yīng)的動(dòng)畫模擬，同時(shí)完成針對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵狀態(tài)的指示；該界面簡(jiǎn)潔、直觀、信息全面，可有效提升人機(jī)交互以及系統(tǒng)管理的效率。

4" " 測(cè)試與應(yīng)用

4.1" " 系統(tǒng)測(cè)試

完成傳感采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)后，首先開展系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以確保在項(xiàng)目應(yīng)用中測(cè)量作業(yè)的順利實(shí)施。

1）耐壓測(cè)試。對(duì)各傳感器、線纜等水下部分進(jìn)行耐壓測(cè)試，測(cè)試壓力1MPa，測(cè)試時(shí)間8 h[14]，確保系統(tǒng)可穩(wěn)定工作于50 m水深工況（最大設(shè)計(jì)工作深度50 m，水壓0.5 MPa）。

2）功能測(cè)試。進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與功能驗(yàn)證，確保系統(tǒng)傳感采集、數(shù)據(jù)處理、測(cè)量展示等各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。

3）精度測(cè)試。利用標(biāo)準(zhǔn)管道（D762 mm）進(jìn)行模擬測(cè)量作業(yè)，測(cè)試軸向位移、徑向位移和旋轉(zhuǎn)角度等測(cè)量項(xiàng)的精度指標(biāo)，確保系統(tǒng)整體測(cè)量精度優(yōu)于±1 mm。

4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?；趯?shí)際海況，進(jìn)行水下測(cè)試，測(cè)試水深由5 m逐漸增加至作業(yè)深度，驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際工況下的應(yīng)用效果，為項(xiàng)目實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。測(cè)量工裝及傳感采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7所示。

4.2" " 工程應(yīng)用

依托測(cè)量工裝，把傳感采集系統(tǒng)應(yīng)用于某海底管道變形修復(fù)整治項(xiàng)目，累計(jì)測(cè)量作業(yè)48 h，測(cè)量變形管段長(zhǎng)度6 m，輸出三維測(cè)量坐標(biāo)10 800組，利用測(cè)量數(shù)據(jù)建立的變形管段三維數(shù)字化模型如圖8所示?；跍y(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)加工的結(jié)構(gòu)管卡實(shí)現(xiàn)了水下一次安裝成功，表明傳感采集系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確有效，為本項(xiàng)目提供了關(guān)鍵支撐。

5" " 結(jié)束語

針對(duì)復(fù)雜海域較大變形的海底管道精準(zhǔn)測(cè)量需求，設(shè)計(jì)了海底管道變形測(cè)量傳感采集系統(tǒng)。

1）利用HMI和分布式遠(yuǎn)程IO進(jìn)行模塊化的測(cè)量傳感與數(shù)據(jù)采集，通過近傳感端執(zhí)行邊緣計(jì)算的設(shè)計(jì)，有效提高了多類型傳感的采集效率以及系統(tǒng)工作的可靠性。

2）采用Modbus協(xié)議并建立星型拓?fù)涞耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中傳感數(shù)據(jù)到應(yīng)用數(shù)據(jù)的有序流動(dòng)，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

3）測(cè)試表明，系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，滿足項(xiàng)目實(shí)際工程需求。

4）已應(yīng)用于某海底管道變形修復(fù)整治項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)較大變形海底管道表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，保障了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

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作者簡(jiǎn)介：

段瑞彬（1990—），男，河北衡水人，工程師，2015年畢業(yè)于西安石油大學(xué)控制工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事油氣管道特種裝備及其數(shù)智化技術(shù)的研究與開發(fā)工作。Email：duanrb@cnpc.com.cn

收稿日期：2023-12-28