LabVIEW 和 CompactRIO 開發(fā)一個慣性檢管器

1、LabVIEW 和 CompactRIO 開發(fā)一個慣性檢管器第一次管道中的現(xiàn)場 測試Author (s):Ricardo Artigas Langer - EngeMOVI"借助于 LabVIEW，我 們很容易實(shí)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)。"- Ricardo Artigas Langer, EngeMOVIThe Challenge:尋找石油或者天然氣 管道的參考位置，并 確?？臻g誤差小于1 米The Solution:通過使用 LabVIEW實(shí)時 模塊和NI

2、CompactRIO， 設(shè)計和實(shí)現(xiàn)一個實(shí)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(shí)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 得最終結(jié)果。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?，F(xiàn) 象的參考位置。慣性 PIG被設(shè)計用于檢 測由地形運(yùn)動產(chǎn)生的 管道移位。由于慣性P

3、IG在地 面以下運(yùn)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 素造成的傳感器不精 確的問題，隨著時間 的推移，定位準(zhǔn)確度 會下降。一種避免偏移的有效 方式是添加輔助測 量。我們使用里程表 和一些沿管道的 GPS參考導(dǎo)航點(diǎn)， 以便及時更新定位的 位置。這些GPS標(biāo) 記借助于管道外的傳 感器采集到PIG通 過的瞬間，并與檢管 器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同 步。GPS和INS 的結(jié)合的測量方式被 稱作GPS輔助慣性 導(dǎo)航。這種結(jié)

4、構(gòu)允許 根據(jù)用于動態(tài)系統(tǒng)的 迭代狀態(tài)估計法（卡 爾曼濾波器 Kalman Filter）進(jìn)行 軌跡的尋跡和登記。 雖然設(shè)置更多GPS 點(diǎn)可以減少系統(tǒng)誤 差，但是這需要技術(shù) 團(tuán)隊花費(fèi)更多的準(zhǔn)備 時間。因此，我們選 擇了更節(jié)省成本的方 案。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(shí)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)

5、據(jù)。因 此，我們在PIG內(nèi) 實(shí)施了實(shí)時統(tǒng)計無損 耗浮點(diǎn)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(diǎn) 的參考位置。 CompactRIO 的FTP和TCP功 能可以簡化所有采集 的數(shù)據(jù)的采集，還可 以使用任何計

6、算機(jī)或 者PDA遠(yuǎn)程配置任 務(wù)參數(shù)。1/4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。最終，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(yùn)行 的更快。項目開發(fā)僅用了18 個時間，還包括了在 完成機(jī)械設(shè)計之前所 進(jìn)行的一系列測試。 因為我們設(shè)計的是能 夠輸送液體而非固體 的管道，我們必須實(shí) 現(xiàn)一個復(fù)雜的懸浮系 統(tǒng)，以保證INS的 正常工作。檢管器計 算不正確，在管道內(nèi) 會有很多因素會導(dǎo)致 PIG被破壞

7、，例如 閥門、轉(zhuǎn)角、縫隙、 限位器、液體流量， 甚至是非法安裝的用 于偷竊燃料的閥門。 因此，硬件和軟件的 開發(fā)必須與機(jī)械設(shè)計 同時進(jìn)行，以避免造 成整個項目延遲的。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；因此最終我們用 軌道小車（圖3）來 代替自行車，它提供 了一個更像最終真實(shí) 運(yùn)行條件的試驗平 臺。圖3 使用軌道小車進(jìn)行現(xiàn) 場試

8、驗最后，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。其中有一 次，由于對接收程序 的錯誤操作造成慣性 PIG與管道底部正 面相撞，撞擊力非常 大，破環(huán)PIG小車 間的聯(lián)軸器。這些由 8毫米粗的鋼條制成 聯(lián)軸器完全扭曲，并 穿透了PIG外殼， 到達(dá)了放置 CompactRIO 的位置。

9、裂口使整個 隔間都充滿40大氣 壓的增壓汽油。雖然 CompactRIO 的數(shù)據(jù)采集卡被破環(huán) 了，但是實(shí)時控制器 在弄干并且清潔后仍 然能夠運(yùn)行，使得我 們搶救回了40小時 任務(wù)的數(shù)據(jù)。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(shí)驗。EngeMOVI和 NI工程師已經(jīng)經(jīng)過 了多次合作，實(shí)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(yùn)動功能的焊接機(jī) 器人以及最近由 NI 9505運(yùn)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)的首個慣性 PIG可以在直徑為

10、 25.335.6 厘米、長度為 289.7英里的管 道內(nèi)行進(jìn)。最大的可 接受曲率是1.5D （D為管道直徑）， 在管道內(nèi)部行進(jìn)的最 大速度是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。Author Information:Ricardo Artigas LangerEngeMOVI2/4Tel: 55 41 3095- 2124artigasengemovi. com.br第一次管道中的現(xiàn)場 測試3/4管道位置LegalThis case study (this "case study") was developed by a National Instruments ("NI") customer. THIS CASE STUDY