海底石油管道爬行器中智能控制器关键模块的设计.pdf

海底石油管道爬行器中智能控制器 关键模块的设计 程启明,杨 平,余 洁,王志萍 上海电力学院 信息与控制系,上海 200090 摘 要介绍海底石油管道检测系统的工作过程。海底石油管道检测爬行器的智能控制器是 整个检测系统的重要组成部分之一。详细介绍智能控制器的缺陷定位过程控制模块和异常情况 的分析与处理模块的设计,系统试验运行表明了这两个模块设计的合理性和有效性。 关键词电磁检验;超声检验;管道;智能爬行器;缺陷定位 中图分类号TG115. 28 ;TB551 ;TP274 文献标识码A 文章编号10002665620031120568203 DESIGN OF THE KEY MODULES OF THE INTELLIGENT CONTROLLER IN THE PIG FOR SEABED OIL PIPELINES CHENG Qi2ming, YANG Ping, YU Jie, WANG Zhi2ping Shanghai University of Electric Power , Shanghai 200090 , China Abstract The working process of seabed oil pipeline testing system was introduced. The intelligent controller of the pig for seabed oil pipelines was one of the important parts of the whole testing system.The two key modules of the intelligent controller were designed. System experiments showed their rationality and effectiveness. Keywords Electromagnetic inspection; Ultrasonic inspection; Pipeline; Intelligent pig; Flaw location 石油管道是能源部门所必需的输送设备,经长 期使用,管壁受冲刷和腐蚀以致减薄,常会发生泄漏 事故,造成巨大经济损失,且污染环境影响生态,做 好输油管道的在役检测工作,防患于未然,已成为能 源部门的当务之急。 采用传统检测手段实施海底输油管道检测非常 困难,国内外已做了大量研究开发工作[1～7],目前 发达国家主要采用管道检测爬行器进行在役检测, 主要应用漏磁及超声检测等方法。 检测系统工作步骤分为在线检测和精确大地定 位两个阶段。在线检测阶段借助于管内原油的压差 驱动,通过漏磁及超声检测仪检测壁厚及缺陷,测距 仪测出行走距离,SINS系统捷联Strapdown惯性 导航系统连续检测周向转动的极坐标信号,这些信 息经压缩存储到硬盘中。检测完毕,通过管道缺 收稿日期2003203226 基金项目国家863项目2001AA602021 ;上海市教委发展基 金资助项目020K02 陷评价系统进行信息处理和安全评价,以确定管道 是否需要维修,并确定漏点和缺陷的初步位置;接着 进行精确大地定位阶段,修复管道前,对管道进行线 扫描,将在线检测的缺陷信息在爬行器智能控制模 块上预先设定,爬行器驱动整个检测系统在管内行 走中进行检测对比,确认发现待修复缺陷后,自动停 止行走,放射性同位素跟踪定位系统与海底管道维 修装置的GPS系统全球卫星定位系统结合实现 缺陷和漏点的精确大地定位,然后继续爬行。 智能控制器是整个检测系统的重要组成部分之 一。下面仅介绍智能控制器中有关缺陷定位过程控 制和异常情况分析与处理两个模块的设计问题。这 两个模块的设计任务是进行系统自检,如发现问题, 则进入异常情况的分析与处理模块进行异常处理, 否则进入缺陷定位过程控制模块进行正常工作。 1 缺陷定位过程控制模块的设计 1. 1 设计任务 检测爬行器在起点自动启动,在终点自动停止; 865 第25卷第11期 2003年11月 无损检测 NDT Vol. 25 No. 11 Nov . 2 0 0 3 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 爬行速度和检测速度的自动转换;精确定位时给出 定位信号和相对距离,并判定定位情况;找到缺陷位 置后发射同位素;精确定位后自动启动爬行。 1. 2 设计方案 1. 2. 1 检测装置的速度切换和定位过程设计 检测装置的首要任务是找到缺陷并精确定位, 让同位素发射源对准缺陷处,检测装置自动停止。 这个任务要经历的运动过程见图1 ,它可分为几个 部分,首先,检测装置在爬行器的带动下,从开始位 置启动到1点根据经验选取至最高速,通过里程 轮反馈回来的位置信息在预定降速位置检测范围 2点降至3点低速行驶,同时开始检测缺陷信息;在 4点检测到缺陷后,位置控制系统采取模糊控制方 法或 PID 比例积分微分控制方法将检测装置停在 检测位置允许范围内的5点处定位准确区内。而 后,控制系统精确测量出放射装置与缺陷中心间的 相对距离,检测装置低速调整放射装置至缺陷中心 处,并发出精确定位信号。 图1 检测装置定位过程 在启动至最大速度过程中,为保证状态平滑地 转换,可采用斜坡升速控制规律设状态转换开始的 升速控制允许位移为305m ;同样,由爬行转换为 检测状态时,也采用斜坡减速控制设减速长度允许 位移为155m ;在爬行状态和检测状态采用恒速 控制高速、 低速 ; 检测出缺陷信号后,为精确定位, 应首先迅速减速为零,为了保证平滑,可采用模糊控 制方法或PID控制方法,使检测装置停在允许的定 位区内允许位移设为51m ,由于检测装置不能 在管内产生振动,因此速度控制环节不能有超调。 1. 2. 2 检测过程中的缺陷识别 缺陷识别过程见图2。由第一阶段在线检测过 程基本能确定缺陷的大体位置和特征,在第二阶段 精确检测和定位中需要完成实测缺陷信号类别的对 比确认。通过对缺陷信号一些特征指标如峰值和 平均值等的识别来实现信号的检测确认。识别方 图2 缺陷识别过程框图 法选择人工神经网络技术。通过对常见缺陷进行分 类和分析,找到其特征参数,然后选择三层BP神经 网络,对网络进行大量的离线训练和调整,实现离线 正确识别,再应用到在线识别中。缺陷被确认后,也 能精确定出缺陷中心的位置,为后面放射装置的对 准提供依据。 1. 2. 3 输入输出信息 输入信息有检测部分的缺陷判断信号、 里程轮 位移信息、 缺陷中心位置信息和缺陷预计位置;输出 信息有爬行器的爬行速度指令、 爬行器已爬行距离 与离终点距离信号以及射线门的开与关指令。 1. 2. 4 正常控制部分智能控制结构 系统选择PC机作为硬件平台,实现数据通讯 和软件控制,可选择当前较为流行的PC104工控 机。选用CAN Controller Aera Network总线作为 通讯总线。图3为智能控制结构图。 2 异常情况分析与处理模块的设计 2. 1 设计任务 图3 正常控制部分智能控制结构 965 程启明等海底石油管道爬行器中智能控制器关键模块的设计 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 在定位检测过程中实时监视各重要系统的工作 状态和报警信息,分析异常情况并提出处理措施。 2. 2 设计方案 2. 2. 1 监视系统安全运行信息 监视巡回检测爬行器、 动力电源、 漏磁及超声检 测器、 示踪射线发射器等各部分的状态和报警信号, 如这些信号一切正常,则向主控中心发送正常信号。 2. 2. 2 分析状态及报警信号,判别故障类型 若系统巡回检测故障点的信号不正常,说明系 统出现故障,则需通过分析状态及报警信号,判别出 故障类型。故障类型及判别方法如下 1电动爬行器的故障 ①电机故障电机断 路两端间无电流、 短路两端间无电压等故障。 ②运动受阻故障运动速度为零,电机电流偏大。 2智能控制器故障 ①控制回路断路检测 不到电机速度或电机实际输入电压为零。②控制 算法失效电机实际速度与给定速度偏差超限。 3动力源的故障 ①动力电池电能将耗尽 动力电池电压低于下限。②动力电池电能不足动 力电池剩余电量不足以支持爬行器走完全程距离。 ③检测电源故障供给系统某处的电源电压下降或 为零。 4传感部件与数据存储器故障 漏磁及超声 传感器失灵、 里程轮失灵、 旋转编码器失灵以及数据 存储器失灵。 5示踪射线发射器故障 示踪射线发射器仓 门无法打开或关闭。 6计算机自检及计算机间通讯故障 微机自 检可检测出CPU、 存储器、I/ O接口及微机间通信 等故障;控制中心联络不到爬行器、 检测器或示踪射 线发射器。 2. 2. 3 根据故障类型决策最佳解决方案 1爬行器故障 ①电机故障停止行进,如 能后退则返回,否则停下并发示踪求救信号SOS ,并 脱离离合器,等待救护。②运动受阻用模式识别 方法判断是何种障碍物如转弯、 变形、 上坡、 异形物 等后,不同障碍物可作不同处理,一般可倒行一段 距离,旋转一定角度,微调弹性支撑臂角度再加速前 进,如还不能通过,则停止检测前进,后退返回。 2智能控制器的故障 ①控制回路断路同 电机故障处理方案。②控制算法失效改换另一种 控制算法,如控制系统能转为正常,则继续检测前 进,否则同电机故障处理方案。 3动力源的故障 ①动力电池电能将耗尽 立即停止前进,发示踪求救信号SOS ,并脱离离合 器,等待救护。②动力电池电能不足若剩余能量 足以支持返回,则停止前进并返回,否则停下并发示 踪求救信号SOS ,并脱离离合器,等待救护。③检 测电源故障启动备用检测电源。不然则停止检测, 运动返回或前进到底。进退与否取决于路程远近。 4传感部件与数据存储器故障 重置漏磁或 超声检测器、 里程轮、 旋转编码器或数据存储器。 5示踪射线发射器故障 重置示踪射线发射 器再试。若不能排除故障,则启动应急装置关闭示 踪射线发射器。 6计算机自检及计算机间通讯故障 重启计 算机;重建与爬行器、 检测器及射线器的通讯联系。 2. 2. 4 根据解救措施的实施效果决策新的操作方案 一般来说,如前面决策方案实施效果没有达到 预期的目标,则系统可采用第二套方案。若再失灵, 则停下并发示踪求救信号SOS ,并脱离离合器,等待 救护。 3 总结 海底石油管道检测爬行器的智能控制器的两个 关键模块分别是缺陷定位过程控制模块和异常情况 的分析与处理模块。系统试验运行表明了这两个模 块设计的合理性和有效性。 参考文献 [1] Cordell JL. 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