新一代惯性检管器问世

　　

    次管道中的现场测试

　　解决方案：

　　LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW [2]集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

　　LABVIEW初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW广泛的应用领域。，经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认……至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。

　　CompactRIO 包含一个实时处理器与可重新 NI 配置的FPGA芯片，适用于可靠的独立嵌入式或分布式应用系统；还包含热插拔工业I/O模块，内置可与传感器/调节器直接连接的信号调理。CompactRIO展示了一种支持开放访 问低层硬件资源的低成本架构。CompactRIO 嵌入式系统可以使用高效的LabVIEW图形化编程工具进行快速开发。利用NICompactRIO，您可以快速建立嵌入式控制与采集系统，而且该系统的工作性能和优化特性可与专门定制设计的硬件电路相媲美。

　　通过使用LabVIEW实时模块和NI CompactRIO，设计和实现一个实时数据采集和处理系统，以管理在石油或者天然气管道内部通行的惯性导航系统（INS）的数据。系统实现了对数据的采集、预处理和储存，还可以利用LabVIEW对数据进行后处理，以获得终结果。

　　"借助于LabVIEW，我们很容易实现对PIG（检管器）的编程，以满足任务要求。并且，我们还使用了相同的程序设计语言开发一个后处理程序，以便转换采集的大多数数据。

　　PIG（检管器）是一个用于石油和天然气管道检验的工具，它插入管道中并且借助于关内液体流动产生的压力前进。PIG可以检验管道的变形和异常腐蚀情况，有助于排查可能造成生态事故的故障。为了降低成本并且在监测到异常情况后尽快更换管道，我们必须要知道异常现象的参考位置。惯性PIG被设计用于检测由地形运动产生的管道移位。

　　由于惯性PIG在地面以下运行，被管道所屏蔽，我们不可能获得连续的GPS信号。所以惯性PIG必须使用INS（惯性导航系统）来测量加速度和角速度，并通过综合的数据分析，获得仪器的速度、位置和方向。然而，由系统中还夹杂了由偏移和噪音等因素造成的传感器不的问题，随着时间的推移，定位准确度会下降。

　　执行惯性PIG任务的计算机必须满足一些要求，包括在启动之前对现场所有传感器进行复杂状态检查，以避免影响整个任务。它还必须在高采集频率下，在60多个小时内持续实现对20多个传感器的管理。由于系统对耐温性要求高，并且必须能够抵御超过20G的冲击，还需要足够的小以放置到PIG内部，所以目前没有任何现成可用的硬盘可以在管道内存储这些数据。因此，我们在PIG内实施了实时统计无损耗浮点数据压缩法。

　　我们采用了一个带有现场可编程门阵列（FPGA）的NI cRIO-9014控制器，它小巧灵活，抗振性好，并且功能强大，足以满足PIG任务的苛刻要求。我们还使用了强大而易用的LabVIEW开发平台进行编程。图一中展示了惯性PIG的硬件架构。

　　图1 PIG硬件架构

　　借助于LabVIEW，我们很容易对PIG进行编程，以满足任务要求，并且还开发一个后处理程序，以便把采集到的大量数据转换成管道中焊接点的参考位置。

　　通过对任务中计算机VI进行远程访问，我们可以很容易诊断原型机的可能故障。这就使团队能够集中精神于开发数学算法，而非通信协议，来进行数据融合和统计分析。终，借助于LabVIEW对于多核的支持，这些算法在乘以经过惯性导航和卡尔曼滤波器的状态空间估计的数千个矩阵之后，运行的更快。

　　在开发过程中，我们需要一个平台用于测试算法。我们在一辆自行车上安装了CompactRIO控制器和传感器（图2），并且按照和在管道内使用PIG绘制路径地图一样的方式来绘制路径地图。

　　图2 使用自行车进行现场试验

　　虽然我们从这个试验平台收集了许多数据，但是自行车比管道具有更多的自由度；因此终我们用轨道小车（图3）来代替自行车，它提供了一个更像终真实运行条件的试验平台。

　　图3 使用轨道小车进行现场试验

　　，在装配好PIG机械结构后，我们在管道上进行了现场试验。之前所提到的每个现场试验平台都具有不同的特性，而LabVIEW可以快速适应于每个现场试验平台，以保证项目按时完成。我们利用NI的产品开发了所有软件，而一段文本代码都不用写。

　　在巴西和哥伦比亚，在投入商业使用将近一年的时间里，CompactRIO控制器经受了各种苛刻的考验。这意味着，即使PIG几乎完全被破环，我们也能够收回所有的检测数据，而无需进行重复实验。

　　EngeMOVI和NI工程师已经经过了多次合作，实现了各种不同的项目：包括惯性PIGs、几何和磁性PIGs、用于深水管道检查的水下机器人、具有冗余运动功能的焊接机器人以及近由NI 9505运动控制模块驱动的的机动PIG，这些合作获得了非常积极的结果。

　　我们开发的惯性PIG可以在直径为25.3～35.6厘米、长度为289.7英里的管道内行进。的可接受曲率是1.5D（D为管道直径），在管道内部行进的速度是8米/秒。初始原型正在不断被改进，并在其之上已经研制出完整的系列产品，我们深信NI提供的产品将会不断地在我们的新产品开发上扮演重要角色。