長輸管道特殊清管器的智能跟蹤定位系統研究

何 燃，陶文華，杜昌輝

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順113001）

長輸管道特殊清管器的智能跟蹤定位系統研究

何 燃，陶文華，杜昌輝

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順113001）

針對目前特殊清管器跟蹤定位技術中存在的共性問題，解決精確的監測清管器在管線內卡堵位置。經過深入的理論研究和測試，利用現有通信網絡技術和場站設備，對其發射裝置電路設計、頻率選擇、如何減小功耗以及定位系統實現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的總體方案，研制了具有調節參數能力的智能低頻發射器，開發了具備數據遠傳功能的智能接收儀，進一步解決特殊清管作業風險及成本，創造更大的經濟效益。

長輸管道；特殊清管器；智能跟蹤定位；接收機

長輸管道承擔著我國油氣物資運輸的重要任務，被譽為國民經濟的動脈，直接服務沿線工業的生產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品。隨著西部油氣田和海上油田資源的開發，特別是西氣東輸工程的啟動對管道運輸的要求更加迫切[1-4]。但是，特殊清管器在長輸管道中運行時，一旦出現卡堵現象，將會造成嚴重的安全隱患和經濟損失。所以，防止特殊清管器卡堵事故，進行特殊清管作業是保證長輸管道正常平穩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順利完成的最關鍵的技術。常規的跟蹤定位設備通常由低頻發射器、跟蹤定位儀兩部分組成：低頻發射器安裝在特殊清管器上，在隨特殊清管器運動的同時，發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運行，對特殊清管作業的關鍵技術——清管器的智能定位技術進行了進一步的研究。

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

1 智能跟蹤定位系統的整體設計

該智能跟蹤定位系統由低頻信號發射器、預設于長輸管道沿線的特殊清管器智能跟蹤定位儀和終端數據管理中心組成，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射器發出的波形信號，并將信號鑒識結果以及通過時間和GPS定位數據通過GPRS數據模式傳輸到終端數據管理中心，終端數據管理中心將清管器通過信息和波形顯示出來，并將通過的監測地點標記在終端軟件地圖上。

圖1 智能跟蹤定位系統示意圖

2 智能跟蹤定位技術的實現

根據系統的總體設計方案，本系統主要由低頻信號發射器、智能跟蹤定位儀，智能跟蹤定位系統軟件3個部分組成，本文就智能跟蹤定位設備進行了深入的研究。

2.1 低頻信號發射器

2.1.1 低頻信號發射器基本電路

清管器的信號發射器一般都采用RLC自激振蕩模式來產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溫度、管道材質、管材壁厚等的發生變化，從而造成脈沖信號的頻率隨之變化，導致信號接收和識別判斷產生較大影響，甚至會造成信號丟失。

為此，我們在設計中將使用MSP430系列單片機的定時器來控制開關電路，從而發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定性極好，因此發射的脈沖頻率穩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射器的續航時間。

2.1.2 信號發射器頻率選擇

信號發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射器損耗，同時還會產生渦流損耗，從而增加發射器的功耗，降低低頻信號發射器的續航時間。

2.1.3 減小低頻信號發射器功耗的選材方式

在清管工作中，如果低頻信號發射器的續航時間達不到特殊清管器的運行時間要求，當低頻信號發射器停止工作后，我們將失去對特殊清管器運行的監控，在此期間，一旦發生特殊清管器卡堵事故，將會造成不可預計的損失。在低頻信號發射器的研發中，持續工作續航能力對于低頻信號發射器來說至關重要，為此降低發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

當特殊清管器攜帶低頻信號發射器運行過智能跟蹤定位儀所在位置時，與發射器平行的接收天線就會與發射器發射的低頻磁場產生耦合，從而使接收天線產生感應電壓，電壓信號經過處理后通過遠傳信號發射至終端機的數據軟件中，在數據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時需提前預埋到長輸管道上方，開機后就進入無人值守狀態，實現智能跟蹤定位功能。本文主要研究一種基于磁感應線圈，具備GPRS、GPS遠程通信功能，可以上傳準確時間和位置坐標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，可以上傳準確時間和位置坐標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。當長輸管道中特殊清管器經過智能跟蹤定位儀的位置時，低頻信號發射器發射的電磁脈沖會在接收天線中的磁感應線圈中產生感應電壓[13-15]，感應電壓在低頻信號發射器電路中經過放大、濾波、積分等信號處理方式后進入MSP430微處理器，MSP430微處理器通過設定的智能算法判斷波形是否有效，若無效，則不觸發信號報警，若有效則判斷特殊清管器通過。同時將原始數據和智能計算結果存儲到智能跟蹤定位儀存儲器中，并計算結果通過通網絡上傳到終端數據處理中心。

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，并且進行優化集成就成為了無人值守智能跟蹤儀，其工作參數的設置由終端數據處理中心遠程控制；GPS模塊在采集清管器坐標位置信息的同時，可通過校時功能與系統時間對接。與此同時，還提供了幾個人機接口功能，用來滿足不同環境下的不同需求。

智能跟蹤定位儀的多樣化功能主要表現在，采用模塊化設計，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出提示、特征點跟蹤器；沿長輸管線在預先設定的地點監控清管器的實時位置、卡堵定位器；精確定位卡堵在管道內的清管器3種不同功能的設備。可根據實際特殊清管作業要求和現場通信、供電、干擾等情況裁減智能跟蹤儀相關功能模塊，達到設備的最優化應用。

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為正信號，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定位功能的設計主要用于定位當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兩種定位系統的數據；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模塊發送相關設置命令，使模塊工作處于所需要的狀態；其次，判斷出開頭標識$，并接收該條完整信息，因為模塊在沒有正常工作時會返回其它非定位信息，而$則是所有定位信息的開頭標識；最后，判斷所接收信息的定位狀態，如果信息有效則解析數據并在液晶屏顯示，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負著與數據中心和手機的通信任務，它可以通過短信和GPRS網絡將智能跟蹤定位儀的定位，清管器的通過時間、狀態和波形等數據信息發送到數據中心和手機，它是實現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送短信要兼顧到手機中文短信，所以統一使用PDU模式的USC2編碼。GPRS發送短信流程圖，如圖6所示。

圖6 GPRS發送短信流程圖

3 結 論

文中介紹了清管器在線跟蹤定位系統的總體設計方案，并針對該系統的低頻信號發射器、智能跟蹤定位儀二部分展開了深入的研究。分析傳統低頻信號發射器與工作原理基礎上，找到了傳統發射器的不足之處，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射器的續航時間。同時使用22 Hz的脈沖信號使穩定度更好，相位關系更恒定。接收器設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。

找到了提高發射器發射距離和降低發射器功耗的有效方法，增加了數據存儲功能、GPS衛星定位功能和GPRS遠程通信功能，最終結合數據中心監控終端實現了清管作業的操作一體化。

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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，Fushun 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：智能控制理論與應用。