海底管道變形測量傳感采集系統設計與實現

摘" " 要：針對復雜海域較大變形海底管道精準測量需求，設計了海底管道變形測量傳感采集系統，利用HMI和分布式遠程IO進行模塊化的測量傳感與數據采集，采用Modbus協議并建立星型拓撲的通信網絡完成測量數據的可靠傳輸，實現了變形管道表面三維坐標數據的準確獲取；該系統具有測量精度高、響應速度快、工作穩定可靠等優點，適用于各類型復雜海域；目前已應用于某海底管道變形修復項目，現場測量結果準確有效，保障了項目的順利實施。

關鍵詞：變形測量；傳感采集；三維坐標；HMI；分布式遠程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整治項目需要對較大變形管道表面進行精準測量與三維繪圖，以指導結構管卡的設計和安裝[1]。該海域潮流流速快并且水下能見度極差，日均有效潛水作業時間不足3 h[2]。針對現場惡劣海況以及測量精度要求，設計了基于三維機械打點方式的測量工裝進行海底管道變形的自動精準測量，實現了全天候24 h連續水下作業。

海底管道變形測量工裝主要由工裝框架、測量結構、驅動系統和傳感采集系統等構成，本文針對其中的傳感采集系統進行了詳細介紹；該系統以人機界面（Human Machine Interface，HMI）為核心，利用分布式遠程IO[3]和現場傳感器進行模塊化的測量傳感與數據采集，采用Modbus作為系統通信協議，并通過星型拓撲結構的通信網絡完成測量數據的可靠傳輸，實現了針對較大變形海底管道表面三維坐標數據的準確獲取，具有測量精度高、測量響應速度快、系統工作穩定可靠等優點，滿足了項目的實際工程需求。

1" " 測量原理

將測量探頭與管道表面接觸位置等效為三維空間中的點，測量過程中該點將形成特定的測量運動軌跡；通過合理的測量路徑規劃，并對其測量軌跡進行三維空間坐標的取樣與計算，可以得到測量管道表面的三維坐標數據；進一步利用測量數據可建立變形管段的精確三維數字化模型。以測量工裝初始狀態下測量探頭等效點的位置為原點O，建立空間直角坐標系[4]，其原點位置及x、y、z三軸的方向如圖1所示。

測量作業時測量探頭在伸縮氣缸帶動下沿管道徑向做往復運動，測量探頭等效點M（x′，y′，z′）的三維坐標計算方法如式（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M相對原點O的徑向位移，mm；θ為探頭和齒圈在旋轉電機的驅動下沿管周方向旋轉時，M點相對原點O的旋轉角度，rad；σ為探頭和測量結構在平移電機的驅動下沿管道軸向平移時，M點相對原點O的軸向位移，mm。

2" " 系統設計與硬件選型

海底管道變形測量傳感采集系統主要由測量傳感、采集處理和數據管理三大功能模塊組成，其系統架構如圖2所示。

2.1" " 測量傳感

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

傳感采集系統利用上述傳感器完成針對軸向位移、徑向位移、旋轉角度等測量項的可靠傳感與精確采集，測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[5]，具有傳感精度高、響應速度快、抗干擾性強等優點；按照測量工裝設計，當軸向位移量程和徑向位移量程分別為6 500 mm和600 mm時，傳感器的重復測量精度分別為 ±0.325 mm和±0.03 mm，滿足項目±1 mm的測量精度要求。

2）雙向轉速傳感器：內置新型磁敏元件和信號放大電路，通過齒輪運動檢測，輸出A/B兩路具有相差的穩幅方波信號[6]，可準確表征齒輪轉速及旋轉方向；實際應用中兩個傳感器分別安裝于兩臺旋轉電機的驅動齒輪處（如圖3所示），通過脈沖計數，并結合齒圈參數，可以計算得出測量探頭的旋轉角度。

3）接近傳感器：利用電渦流效應進行金屬介質的非接觸檢測[7]，具有靈敏度高、簡單可靠等優點；該傳感器裝設于測量工裝旋轉結構的初始位置處，用以實現旋轉復位檢測。

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

5）超聲測距傳感器：可實現渾濁海水介質中±0.15 mm的測量精度，系統利用該傳感器的測量結果完成徑向位移測量校驗。

2.2" " 采集處理

采集處理模塊由HMI和分布式遠程IO組成，其中遠程IO連接各類傳感器，HMI則通過數據總線直接讀取遠程IO的傳感采集值；該設計實現了HMI和遠程IO的“主從配合”與“分工協作”，有效提高了多類型傳感的采集效率以及系統工作的可靠性。

1）分布式遠程IO。該模塊采用單元模塊化設計，由網絡適配器單元和多個擴展 IO單元組成，兩種形式的單元模塊通過內部總線連接，其中網絡適配器單元通過RS-485總線與HMI通信，擴展 IO單元通過功能選配實現與不同接口類型傳感器的連接。分布式遠程IO具有邊緣計算能力，可完成積分變換、數字濾波等復雜數據處理任務，當傳感數量或傳感類型較多時，可顯著降低系統主控運算資源的開銷。表2列出了分布式遠程IO各單元模塊的基本參數。

2）HMI。HMI選用WEINVIEW的cMT-SVR-100，其運算能力強、通訊接口豐富、數據存儲空間大，相較PLC等傳統控制器具有三大優勢：一是支持宏指令編程，內建豐富完善的函數庫，簡化了復雜數學運算的實現過程；二是提供上百種通信驅動，支持多數控制器、遠程IO的通信連接與數據交互；三是支持跨平臺的遠程訪問與管理，可以通過建立以太網連接并運行cMT Viewer軟件實現PC端或移動端的實時監控與遠程操作。

HMI作為傳感采集系統的中心節點，建立了星型拓撲結構的數據通信網絡，并通過RS-485總線或工業以太網與各功能模塊連接，實現了系統中傳感數據到應用數據的有序流動，在確保系統數據傳輸可靠性的前提下提高了信息交互效率。

2.3" " 數據管理

數據管理模塊主要進行系統測量數據的實時展示與管理應用，模塊中各單元均為TCP/IP協議設備，其全部接入由工業無線路由器建立的現場局域網中；該局域網支持無線連接（WLAN），允許移動設備和便攜計算機的接入與訪問[9]，有效提升了系統管理及數據應用的靈活性和便捷性。

數據管理模塊中工業無線路由器型號為USR-G802，其具備1個WAN接口和4個LAN接口，支持2.4 GHz頻段Wi-Fi，并具有故障自修復功能，可確?，F場通信網絡的穩定性；實際應用中HMI和測量數據處理系統分別通過千兆網線（六類）與無線路由的LAN口連接，HMI數據展示與管理界面的PC端和移動端則分別采用有線及Wi-Fi方式接入現場局域網。

3" " 軟件設計

海底管道變形測量傳感采集系統軟件設計圍繞HMI開展，其主要工作分為通信接口設計、系統程序設計和系統界面開發三部分。

3.1" " 通信接口設計

Modbus協議是應用于現場控制器上最廣泛的一種通用協議，具有易用、可靠、開源和免費等優點[10]。本設計選用Modbus協議作為系統數據傳輸的通信協議，在保證數據傳輸可靠性的前提下實現了通信過程的簡化及數據傳輸效率的提升。

Modbus是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協議，其提供了一種基于串行總線或TCP/IP網絡的設備間C/S通信機制[11]，根據數據鏈路層協議的不同，主要分為Modbus-RTU和Modbus-TCP兩種類型[12]。作為系統通信中樞，HMI與分布式遠程IO、超聲測距傳感器通過RS-485總線連接，其通信報文類型為Modbus-RTU；HMI與測量數據處理系統通過TCP/IP網絡連接，其通信報文類型為Modbus-TCP。

表3列出了HMI與各連接設備的Modbus通信參數。Modbus-RTU 通信中HMI作為主站（Master），其通過對從站（Slave）相關寄存器的實時讀取實現針對各測量傳感原始數據的可靠獲取；Modbus-TCP通信中HMI和測量數據處理系統分別作為服務端（Server）和客戶端（Client），服務端將當前測量的三維坐標數據實時更新至保持寄存器并允許客戶端訪問與讀取。

3.2" " 系統程序設計

傳感采集系統程序由HMI執行，其編程環境為EasyBuilder宏指令編輯器[13]；系統程序采用模塊化設計，主要由Modbus-RTU通信、旋轉角度計算、徑向位移測量校驗、三維測量坐標計算等功能模塊組成，系統的主要工作流程如圖4所示。

旋轉角度計算首先需要判斷測量探頭所處的角度區間及其旋轉方向，并根據角度區間選擇對應的雙向轉速傳感器，然后基于該傳感器的脈沖計數值計算出旋轉角度，最后通過旋轉結構的復位檢測消除旋轉角度的多圈累計誤差，旋轉角度計算流程如圖5所示。

徑向位移測量校驗主要完成位移傳感和超聲測距兩種不同測量方式下測量結果的對比與處理，從而確保徑向位移測量值的有效性。管道表面三維測量坐標的計算基于軸向位移、徑向位移和旋轉角度三個關鍵測量項的測量結果及其處理，并根據式（1）完成求解與運算。

3.3" " 系統界面開發

傳感采集系統用戶界面運行于HMI，并支持通過cMT Viewer（PC端或移動端）進行遠程訪問與管理，具備測量展示、數據導出和參數設置等功能，測量展示主界面如圖6所示。

測量展示主界面實時顯示軸向位移、徑向位移、旋轉角度等各測量項的當前測量值，并給出相應的動畫模擬，同時完成針對系統各關鍵狀態的指示；該界面簡潔、直觀、信息全面，可有效提升人機交互以及系統管理的效率。

4" " 測試與應用

4.1" " 系統測試

完成傳感采集系統設計與開發后，首先開展系統測試試驗，驗證系統功能及性能指標，并根據測試結果進行系統優化，以確保在項目應用中測量作業的順利實施。

1）耐壓測試。對各傳感器、線纜等水下部分進行耐壓測試，測試壓力1MPa，測試時間8 h[14]，確保系統可穩定工作于50 m水深工況（最大設計工作深度50 m，水壓0.5 MPa）。

2）功能測試。進行系統聯調與功能驗證，確保系統傳感采集、數據處理、測量展示等各項設計功能的實現。

3）精度測試。利用標準管道（D762 mm）進行模擬測量作業，測試軸向位移、徑向位移和旋轉角度等測量項的精度指標，確保系統整體測量精度優于±1 mm。

4）現場測試。基于實際海況，進行水下測試，測試水深由5 m逐漸增加至作業深度，驗證系統在實際工況下的應用效果，為項目實踐奠定基礎。測量工裝及傳感采集系統現場測試如圖7所示。

4.2" " 工程應用

依托測量工裝，把傳感采集系統應用于某海底管道變形修復整治項目，累計測量作業48 h，測量變形管段長度6 m，輸出三維測量坐標10 800組，利用測量數據建立的變形管段三維數字化模型如圖8所示?；跍y量數據設計加工的結構管卡實現了水下一次安裝成功，表明傳感采集系統測量結果準確有效，為本項目提供了關鍵支撐。

5" " 結束語

針對復雜海域較大變形的海底管道精準測量需求，設計了海底管道變形測量傳感采集系統。

1）利用HMI和分布式遠程IO進行模塊化的測量傳感與數據采集，通過近傳感端執行邊緣計算的設計，有效提高了多類型傳感的采集效率以及系統工作的可靠性。

2）采用Modbus協議并建立星型拓撲的通信網絡，實現了系統中傳感數據到應用數據的有序流動，在保證數據傳輸可靠性的前提下提高了數據傳輸效率。

3）測試表明，系統具有測量精度高、響應速度快、工作穩定可靠等優點，滿足項目實際工程需求。

4）已應用于某海底管道變形修復整治項目，實現了針對較大變形海底管道表面三維坐標數據的準確獲取，保障了項目的順利實施。

參考文獻

[1]" 王立領，曹國民，丁銀山，等.基于管卡修復方案下的海底管道變形精準測量技術施工應用[J].石油工程建設，2023，49（1）：8-12.

[2]" 崔琬婷，丁銀山，段瑞彬，等.冊鎮海底管道變形缺陷修復技術研究[J].石油工程建設，2022，48（6）：70-73.

[3]" 余俊寧.浙江中控集散控制系統與圖爾克遠程分布式I/O及電動機控制系統在制藥項目中的應用[J].科技創新與應用，2022，12（18）：182-185.

[4]" 孫旭民.矢量閉合差在空間直角坐標系和站心坐標系下的轉換[J].物探裝備，2017，27（1）：48-49，52.

[5]" 周前.磁致伸縮直線位移傳感器及其信號增強方法[D].武漢：華中科技大學，2017.

[6]" 鄭哲，劉紀茍，張仁杰.齒輪轉速傳感器測量模型研究[J].電子測量技術，2013，36（6）：14-19.

[7]" 常凱，李勝軍，李振水.電感式接近傳感器在飛機上的應用及關鍵技術[J].航空制造技術，2015（20）：76-79.

[8]" NGUYEN H D，THI T H T，VU T Q，et al. Study on design optimization of a symmetry two-Axis tilt angle capacitive sensor[J]. IETE Journal of Research，2023，69（1）：264-271.

[9]" 范毓林.無線局域網研究綜述[J].現代信息科技，2019，3（9）：60-64.

[10]" 段瑞彬，易斐寧，吳金明，等.基于MEMS加速度計的焊槍姿態傳感器設計[J].石油工程建設，2021，47（S2）：234-238.

[11]" 王佩.面向物聯網的Modbus協議棧設計與應用[D].成都：成都理工大學，2018.

[12]" TIAGO M，GARCIA V S O.Enhanced Modbus/TCP security protocol：authentication and authorization functions supported[J]. Sensors，2022，22（20）：1-20.

[13]" 周元，李求飛，李明明.變電站外排雨水智慧控制裝置的設計與開發[J].化工自動化及儀表，2022，49（4）：506-511.

[14]" 夏仁杰.水下連接器溫度壓力測試方法研究及測試系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2018.

作者簡介：

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

收稿日期：2023-12-28