次管道中的現(xiàn)場測試

　　解決方案：

　　LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW [2]集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。

　　LABVIEW初就是為測試測量而設(shè)計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。，經(jīng)過多年的發(fā)展，LABVIEW在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)……至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應(yīng)用程序。

　　CompactRIO 包含一個實時處理器與可重新 NI 配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨立嵌入式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)；還包含熱插拔工業(yè)I/O模塊，內(nèi)置可與傳感器/調(diào)節(jié)器直接連接的信號調(diào)理。CompactRIO展示了一種支持開放訪 問低層硬件資源的低成本架構(gòu)。CompactRIO 嵌入式系統(tǒng)可以使用高效的LabVIEW圖形化編程工具進(jìn)行快速開發(fā)。利用NICompactRIO，您可以快速建立嵌入式控制與采集系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)的工作性能和優(yōu)化特性可與專門定制設(shè)計的硬件電路相媲美。

　　通過使用LabVIEW實時模塊和NI CompactRIO，設(shè)計和實現(xiàn)一個實時數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，以管理在石油或者天然氣管道內(nèi)部通行的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和儲存，還可以利用LabVIEW對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以獲得終結(jié)果。

　　"借助于LabVIEW，我們很容易實現(xiàn)對PIG（檢管器）的編程，以滿足任務(wù)要求。并且，我們還使用了相同的程序設(shè)計語言開發(fā)一個后處理程序，以便轉(zhuǎn)換采集的大多數(shù)數(shù)據(jù)。

　　PIG（檢管器）是一個用于石油和天然氣管道檢驗的工具，它插入管道中并且借助于關(guān)內(nèi)液體流動產(chǎn)生的壓力前進(jìn)。PIG可以檢驗管道的變形和異常腐蝕情況，有助于排查可能造成生態(tài)事故的故障。為了降低成本并且在監(jiān)測到異常情況后盡快更換管道，我們必須要知道異常現(xiàn)象的參考位置。慣性PIG被設(shè)計用于檢測由地形運動產(chǎn)生的管道移位。

　　由于慣性PIG在地面以下運行，被管道所屏蔽，我們不可能獲得連續(xù)的GPS信號。所以慣性PIG必須使用INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）來測量加速度和角速度，并通過綜合的數(shù)據(jù)分析，獲得儀器的速度、位置和方向。然而，由系統(tǒng)中還夾雜了由偏移和噪音等因素造成的傳感器不的問題，隨著時間的推移，定位準(zhǔn)確度會下降。

　　執(zhí)行慣性PIG任務(wù)的計算機(jī)必須滿足一些要求，包括在啟動之前對現(xiàn)場所有傳感器進(jìn)行復(fù)雜狀態(tài)檢查，以避免影響整個任務(wù)。它還必須在高采集頻率下，在60多個小時內(nèi)持續(xù)實現(xiàn)對20多個傳感器的管理。由于系統(tǒng)對耐溫性要求高，并且必須能夠抵御超過20G的沖擊，還需要足夠的小以放置到PIG內(nèi)部，所以目前沒有任何現(xiàn)成可用的硬盤可以在管道內(nèi)存儲這些數(shù)據(jù)。因此，我們在PIG內(nèi)實施了實時統(tǒng)計無損耗浮點數(shù)據(jù)壓縮法。

　　我們采用了一個帶有現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的NI cRIO-9014控制器，它小巧靈活，抗振性好，并且功能強(qiáng)大，足以滿足PIG任務(wù)的苛刻要求。我們還使用了強(qiáng)大而易用的LabVIEW開發(fā)平臺進(jìn)行編程。圖一中展示了慣性PIG的硬件架構(gòu)。

　　圖1 PIG硬件架構(gòu)

　　借助于LabVIEW，我們很容易對PIG進(jìn)行編程，以滿足任務(wù)要求，并且還開發(fā)一個后處理程序，以便把采集到的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成管道中焊接點的參考位置。

　　通過對任務(wù)中計算機(jī)VI進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，我們可以很容易診斷原型機(jī)的可能故障。這就使團(tuán)隊能夠集中精神于開發(fā)數(shù)學(xué)算法，而非通信協(xié)議，來進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和統(tǒng)計分析。終，借助于LabVIEW對于多核的支持，這些算法在乘以經(jīng)過慣性導(dǎo)航和卡爾曼濾波器的狀態(tài)空間估計的數(shù)千個矩陣之后，運行的更快。

　　在開發(fā)過程中，我們需要一個平臺用于測試算法。我們在一輛自行車上安裝了CompactRIO控制器和傳感器（圖2），并且按照和在管道內(nèi)使用PIG繪制路徑地圖一樣的方式來繪制路徑地圖。

　　圖2 使用自行車進(jìn)行現(xiàn)場試驗

　　雖然我們從這個試驗平臺收集了許多數(shù)據(jù)，但是自行車比管道具有更多的自由度；因此終我們用軌道小車（圖3）來代替自行車，它提供了一個更像終真實運行條件的試驗平臺。

　　圖3 使用軌道小車進(jìn)行現(xiàn)場試驗

　　，在裝配好PIG機(jī)械結(jié)構(gòu)后，我們在管道上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。之前所提到的每個現(xiàn)場試驗平臺都具有不同的特性，而LabVIEW可以快速適應(yīng)于每個現(xiàn)場試驗平臺，以保證項目按時完成。我們利用NI的產(chǎn)品開發(fā)了所有軟件，而一段文本代碼都不用寫。

　　在巴西和哥倫比亞，在投入商業(yè)使用將近一年的時間里，CompactRIO控制器經(jīng)受了各種苛刻的考驗。這意味著，即使PIG幾乎完全被破環(huán)，我們也能夠收回所有的檢測數(shù)據(jù)，而無需進(jìn)行重復(fù)實驗。

　　EngeMOVI和NI工程師已經(jīng)經(jīng)過了多次合作，實現(xiàn)了各種不同的項目：包括慣性PIGs、幾何和磁性PIGs、用于深水管道檢查的水下機(jī)器人、具有冗余運動功能的焊接機(jī)器人以及近由NI 9505運動控制模塊驅(qū)動的的機(jī)動PIG，這些合作獲得了非常積極的結(jié)果。

　　我們開發(fā)的慣性PIG可以在直徑為25.3～35.6厘米、長度為289.7英里的管道內(nèi)行進(jìn)。的可接受曲率是1.5D（D為管道直徑），在管道內(nèi)部行進(jìn)的速度是8米/秒。初始原型正在不斷被改進(jìn)，并在其之上已經(jīng)研制出完整的系列產(chǎn)品，我們深信NI提供的產(chǎn)品將會不斷地在我們的新產(chǎn)品開發(fā)上扮演重要角色。