應(yīng)用領(lǐng)域：
管道安全檢測
使用的產(chǎn)品：
LabVIEW 8.2
PCI-6132 NI S系列14位4通道同步數(shù)據(jù)采集卡
SCB-68 屏蔽式68針接線盒
挑戰(zhàn)：
本系統(tǒng)方案面臨著開發(fā)周期短、數(shù)據(jù)量大、雙路精確同步等挑戰(zhàn)，如何在開發(fā)過程中快速的搭建實驗平臺，保證系統(tǒng)的安全、可靠性，并能在現(xiàn)場惡劣的環(huán)境下長時間運行，是擺在所有項目組成員面前的難題。油氣管道直徑大，輸送壓力高，長輸油管道沿途多為荒漠、沼澤、戈壁、農(nóng)田等，檢測和維護(hù)起來非常困難。
應(yīng)用方案：
利用NI公司的軟硬件產(chǎn)品，可以大幅縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。本系統(tǒng)用NI公司的PCI-6132四路同步采集卡實現(xiàn)雙路采集信號的精確同步采集，可保證兩路信號在采集過程中不出現(xiàn)時間差；利用LabVIEW虛擬儀器的圖形化編程，使工程師從繁重的代碼編寫中解放出來，更專注于需要解決的專業(yè)問題。
介紹：
本系統(tǒng)利用馬赫-曾德干涉儀構(gòu)成分布式振動傳感器，感受油氣管道周圍的振動信號，由盜油挖掘、管道油氣泄漏產(chǎn)生的振動可以使光波的相位發(fā)生變化，從而使干涉后光強變化。光電探測模塊將干涉后的光波轉(zhuǎn)換為電信號，隨后將電信號通過放大電路進(jìn)行放大，最后通過數(shù)據(jù)采集模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。數(shù)據(jù)采集模塊采用NI公司的PCI-6132數(shù)據(jù)采集卡對放大電路輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。該模塊通過LabVIEW 虛擬儀器平臺完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)的觸發(fā)、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)保存等功能。
正文：
一、分布式光纖油氣長輸管道安全監(jiān)測系統(tǒng)概述
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，全社會的能源特別是做為重要能源和化工原料的油氣資源的消耗迅速增加。管道運輸由于其可靠性高、運輸成本較低、輸送量大、可以連續(xù)運輸?shù)膬?yōu)點，已經(jīng)成為油氣資源的主要輸送手段，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，越來越受到全社會的重視。但隨著油氣管道的增多和管道服役時間的增長，管道的安全問題成為一個不容忽視的問題。管道一旦泄漏，輕則污染土地、環(huán)境，重則引起爆炸，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來很大威脅。特別是在我國，長輸油管道一般穿越隔壁、荒漠、農(nóng)田等野外無人留守的地域，給管道巡線工的巡線監(jiān)測帶來很大的不便和困難。
現(xiàn)有的管道安全監(jiān)測有直接觀察法、監(jiān)測電纜法、示蹤劑監(jiān)測法、負(fù)壓波法、壓力梯度法、質(zhì)量平衡法、應(yīng)力波法等。直接觀察法即巡線法，通過巡線工的不間斷巡線來監(jiān)測管道狀況，即費時，又費力。監(jiān)測電纜法通過一根特殊的外層易被油氣腐蝕的電纜來對實現(xiàn)監(jiān)測，但是該方法在泄漏后需要對電纜進(jìn)行更換，維護(hù)成本高。示蹤劑監(jiān)測法是在油氣內(nèi)加入示蹤劑，通過監(jiān)測示蹤劑來監(jiān)測管道泄漏，不能實現(xiàn)在線實時監(jiān)測。負(fù)壓波法是目前比較成熟的方法，可實現(xiàn)在線實時監(jiān)控和自動定位，但是報警只能在泄漏發(fā)生后，無法實現(xiàn)預(yù)警。
本系統(tǒng)用與管道同溝鋪附的光纜中的三條單模光纖搭建成馬赫-曾德干涉儀，感受管道周圍振動情況，經(jīng)PCI-6132數(shù)據(jù)采集卡采集干涉信號后，利用LabVIEW編寫的軟件進(jìn)行處理，判斷是否泄漏和有盜油的發(fā)生并對這些事件進(jìn)行定位。
二、系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計
本系統(tǒng)包括硬件及軟件兩部分。硬件部分主要由分布式光纖振動傳感器、PCI-6132數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)等組成。軟件部分主要由LabVIEW 虛擬儀器平臺程序設(shè)計，部分嵌入MATLAB程序的混合編程。系統(tǒng)中分布式光纖振動傳感器基于Mach-Zehnder 光纖干涉儀原理，主要包括傳感光纜、光源及其驅(qū)動電路、光電探測器模塊。系統(tǒng)軟件主要基于虛擬儀器平臺，主要完成數(shù)據(jù)的采集、分析、信號處理、模式識別、事發(fā)點定位和通訊等功能，其中部分功能由MATLAB 編程實現(xiàn)。由于MATLAB 具有更強大的計算、仿真和繪圖等功能，因此系統(tǒng)設(shè)計中將LabVIEW虛擬儀器平臺與MATLAB 結(jié)合起來，可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了從硬件接口、數(shù)據(jù)采集、儀器控制到數(shù)據(jù)分析、信號處理和模式識別等諸多功能模塊無縫連接。系統(tǒng)的框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
硬件設(shè)計：
1、分布式光纖傳感器
分布式光纖傳感器包括激光光源、傳感光纜、光電探測器三個部分。
光纖傳感系統(tǒng)中使用的光源種類很多，按照光的相干性可分為相干光源和非相干光源。由于本系統(tǒng)基于Mach-Zehnder光纖干涉儀原理，因此光源必須在相干光源中選擇，相干光源主要包含各種激光器。由于半導(dǎo)體激光二極管（LD）和其他激光器相比具有體積小、重量輕、低功率驅(qū)動、高效率輸出、壽命長和易于集成等一系列優(yōu)點，而得到廣泛應(yīng)用。另外，為了保證光源的穩(wěn)定，還必須有光源的保護(hù)電路，如光源的溫度反饋控制、光源慢啟動、激光二極管過流保護(hù)以及反向沖擊保護(hù)等。
傳感光纜采用與管道同溝鋪附的普通通訊光纜即可。光電探測器電路部分主要由采用InGaAs材料的pin光電二極管和光電二極管輸出后的放大電路組成，為了輸入和輸出由良好的阻抗匹配，電壓信號輸出端后需50Ω屏蔽電纜構(gòu)成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。同時為了光電二極管正常工作，需給光電二極管12V的偏置電壓。
2、采集設(shè)備
由于需要采集來的兩路信號需要經(jīng)過相關(guān)運算得到兩路信號精確的時間差，所以在系統(tǒng)的采集環(huán)節(jié)中一定要保證兩路信號的精確同步。又因為光的傳播速度很快，兩路信號的時間差很小，所以采集卡需要的采集速率很高。NI PCI-6132具有3MS/s的采樣速率，8條硬件定時數(shù)字I/O線，2個24位計數(shù)器，數(shù)字觸發(fā)，14位、4路模擬輸入，重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)同步采樣。用此型號的采集卡可以簡化采集模塊的同步電路設(shè)計，提高開發(fā)效率。
軟件設(shè)計：
本系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行軟件編程，具有良好的人機(jī)界面，可以方便地調(diào)用采集卡，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，對系統(tǒng)進(jìn)行控制。軟件系統(tǒng)的流程圖2所示。
圖2 程序流程圖
軟件的啟動界面調(diào)用主程序，并對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。主程序采用主/從結(jié)構(gòu)思想設(shè)計，包括一個主循環(huán)和若干個從循環(huán)。主循環(huán)是一個狀態(tài)機(jī)（各個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖3所示），利用Typedef來實現(xiàn)枚舉變量，這樣只要通過枚舉變量的變化來跳轉(zhuǎn)各個狀態(tài)。采集循環(huán)用DAQmx實現(xiàn)對PCI-6132采集卡的控制和數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理循環(huán)對采集來的兩路信號進(jìn)行濾波、模式識別、定位報警，網(wǎng)絡(luò)傳輸循環(huán)負(fù)責(zé)把處理完的數(shù)據(jù)和定位信息上傳到調(diào)度室的服務(wù)器端程序里。
圖3 系統(tǒng)控制狀態(tài)機(jī)枚舉圖
各狀態(tài)說明：
1、初始化：讀取set.ini設(shè)置文件，對各個參數(shù)進(jìn)行初始化。
2、正常運行：判斷各個狀態(tài)條件，符合條件進(jìn)入不同狀態(tài)。正常運行時采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理同時進(jìn)行。
3、定位計算：當(dāng)預(yù)處理判斷有威脅管道安全的狀態(tài)時，系統(tǒng)進(jìn)入定位計算狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和定位值的計算。
4、修改參數(shù)：讀取set.ini文件，對各個參數(shù)修改后再保存到set.ini文件中去。
5、清除隊列：當(dāng)定位完畢或正常運行達(dá)到參數(shù)設(shè)置值的時候進(jìn)入清除隊列狀態(tài)，清除隊列并釋放內(nèi)存。
6、手動定位：手動找到振動數(shù)據(jù)段，進(jìn)行定位計算。
7、查閱記錄：查看歷史數(shù)據(jù)。
8、退出：清除隊列，釋放內(nèi)存，關(guān)閉程序。
程序主要設(shè)計思想：
1、利用主從結(jié)構(gòu)和狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，完成不同狀態(tài)的功能，可使復(fù)雜的程序更清晰，程序修改起來更容易，有利于程序代碼的重用和程序的升級。
2、利用定時循環(huán)實現(xiàn)精確的定時，對采集時長進(jìn)行精確控制。
3、利用隊列技術(shù)實現(xiàn)各個循環(huán)之間的數(shù)據(jù)傳輸和相互同步，保證有序的數(shù)據(jù)傳遞，避免競爭和沖突。
4、利用事件結(jié)構(gòu)減少循環(huán)查詢，避免了輪詢帶來的資源浪費。
5、利用動態(tài)調(diào)用子VI，自動釋放內(nèi)存，降低了內(nèi)存消耗。
6、采用LabVIEW和MATLAB混合編程，組合成用戶界面優(yōu)秀，控制儀器能力極強，同時擁有強大計算功能和信號處理功能的混合平臺。
7、利用TCP/IP協(xié)議，使各個子站的數(shù)據(jù)和定位結(jié)果通過工業(yè)控制以太網(wǎng)傳到調(diào)度室的服務(wù)區(qū)端上，這樣調(diào)度室就可實時監(jiān)測管道全線的安全狀態(tài)。客戶端程序界面和服務(wù)器端程序界面如圖4、圖5所示。
圖4 客戶端運行界面
圖5 服務(wù)器端運行界面
預(yù)警系統(tǒng)軟件部分包含的功能模塊主要由以下幾個：
1、數(shù)據(jù)采集及保存模塊
信號采集部分從系統(tǒng)開始運行就開始工作，一直工作到用戶退出系統(tǒng)。該部分主要工作在于采集兩路光電探測器輸出電壓信號，實時顯示在用戶顯
