基于LabVIEW的分布式光纖油氣長輸管道安全監測系統

應用領域：
管道安全檢測

使用的產品：
LabVIEW 8.2
PCI-6132 NI S系列14位4通道同步數據采集卡
SCB-68 屏蔽式68針接線盒

挑戰：
本系統方案面臨著開發周期短、數據量大、雙路精確同步等挑戰，如何在開發過程中快速的搭建實驗平臺，保證系統的安全、可靠性，并能在現場惡劣的環境下長時間運行，是擺在所有項目組成員面前的難題。油氣管道直徑大，輸送壓力高，長輸油管道沿途多為荒漠、沼澤、戈壁、農田等，檢測和維護起來非常困難。

應用方案：
利用NI公司的軟硬件產品，可以大幅縮短開發周期，提高開發效率。本系統用NI公司的PCI-6132四路同步采集卡實現雙路采集信號的精確同步采集，可保證兩路信號在采集過程中不出現時間差；利用LabVIEW虛擬儀器的圖形化編程，使工程師從繁重的代碼編寫中解放出來，更專注于需要解決的專業問題。

介紹：
本系統利用馬赫-曾德干涉儀構成分布式振動傳感器，感受油氣管道周圍的振動信號，由盜油挖掘、管道油氣泄漏產生的振動可以使光波的相位發生變化，從而使干涉后光強變化。光電探測模塊將干涉后的光波轉換為電信號，隨后將電信號通過放大電路進行放大，最后通過數據采集模塊將模擬信號轉換為數字信號進入計算機進行后續處理。數據采集模塊采用NI公司的PCI-6132數據采集卡對放大電路輸出信號進行數據采集，使之轉換為數字信號，送入計算機進行后續處理。該模塊通過LabVIEW 虛擬儀器平臺完成數據采集任務的觸發、設備控制、數據緩沖和數據保存等功能。

正文：
一、分布式光纖油氣長輸管道安全監測系統概述

隨著我國國民經濟的飛速發展，全社會的能源特別是做為重要能源和化工原料的油氣資源的消耗迅速增加。管道運輸由于其可靠性高、運輸成本較低、輸送量大、可以連續運輸的優點，已經成為油氣資源的主要輸送手段，在國民經濟發展和國防工業中發揮著越來越重要的作用，越來越受到全社會的重視。但隨著油氣管道的增多和管道服役時間的增長，管道的安全問題成為一個不容忽視的問題。管道一旦泄漏，輕則污染土地、環境，重則引起爆炸，給人民的生命財產安全帶來很大威脅。特別是在我國，長輸油管道一般穿越隔壁、荒漠、農田等野外無人留守的地域，給管道巡線工的巡線監測帶來很大的不便和困難。

現有的管道安全監測有直接觀察法、監測電纜法、示蹤劑監測法、負壓波法、壓力梯度法、質量平衡法、應力波法等。直接觀察法即巡線法，通過巡線工的不間斷巡線來監測管道狀況，即費時，又費力。監測電纜法通過一根特殊的外層易被油氣腐蝕的電纜來對實現監測，但是該方法在泄漏后需要對電纜進行更換，維護成本高。示蹤劑監測法是在油氣內加入示蹤劑，通過監測示蹤劑來監測管道泄漏，不能實現在線實時監測。負壓波法是目前比較成熟的方法，可實現在線實時監控和自動定位，但是報警只能在泄漏發生后，無法實現預警。

本系統用與管道同溝鋪附的光纜中的三條單模光纖搭建成馬赫-曾德干涉儀，感受管道周圍振動情況，經PCI-6132數據采集卡采集干涉信號后，利用LabVIEW編寫的軟件進行處理，判斷是否泄漏和有盜油的發生并對這些事件進行定位。

二、系統的軟硬件設計

本系統包括硬件及軟件兩部分。硬件部分主要由分布式光纖振動傳感器、PCI-6132數據采集卡和計算機等組成。軟件部分主要由LabVIEW 虛擬儀器平臺程序設計，部分嵌入MATLAB程序的混合編程。系統中分布式光纖振動傳感器基于Mach-Zehnder 光纖干涉儀原理，主要包括傳感光纜、光源及其驅動電路、光電探測器模塊。系統軟件主要基于虛擬儀器平臺，主要完成數據的采集、分析、信號處理、模式識別、事發點定位和通訊等功能，其中部分功能由MATLAB 編程實現。由于MATLAB 具有更強大的計算、仿真和繪圖等功能，因此系統設計中將LabVIEW虛擬儀器平臺與MATLAB 結合起來，可以充分發揮二者的優點，從而實現了從硬件接口、數據采集、儀器控制到數據分析、信號處理和模式識別等諸多功能模塊無縫連接。系統的框圖如圖1所示。