长输管道特殊清管器的智能跟踪定位系统研究

何 燃，陶文华，杜昌辉

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺113001）

长输管道特殊清管器的智能跟踪定位系统研究

何 燃，陶文华，杜昌辉

（辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院，辽宁 抚顺113001）

针对目前特殊清管器跟踪定位技术中存在的共性问题，解决精确的监测清管器在管线内卡堵位置。经过深入的理论研究和测试，利用现有通信网络技术和场站设备，对其发射装置电路设计、频率选择、如何减小功耗以及定位系统实现的功能模块做出了研究。从而提出了特殊清管器智能跟踪定位系统的总体方案，研制了具有调节参数能力的智能低频发射器，开发了具备数据远传功能的智能接收仪，进一步解决特殊清管作业风险及成本，创造更大的经济效益。

长输管道；特殊清管器；智能跟踪定位；接收机

长输管道承担着我国油气物资运输的重要任务，被誉为国民经济的动脉，直接服务沿线工业的生产和城市居民的普通生活，用以输送原油天然气和其它液气产品。随着西部油气田和海上油田资源的开发，特别是西气东输工程的启动对管道运输的要求更加迫切[1-4]。但是，特殊清管器在长输管道中运行时，一旦出现卡堵现象，将会造成严重的安全隐患和经济损失。所以，防止特殊清管器卡堵事故，进行特殊清管作业是保证长输管道正常平稳运行的一项重要措施[5-9]。清管器的智能精确跟踪定位是保障特殊清管作业顺利完成的最关键的技术。常规的跟踪定位设备通常由低频发射器、跟踪定位仪两部分组成：低频发射器安装在特殊清管器上，在随特殊清管器运动的同时，发射用于跟踪定位的低频信号；跟踪定位仪置于管道上方，接收来自管道内的低频信号，用以识别特殊清管器的通过[10-13]。为保证石油、天然气长输管道的安全平稳运行，对特殊清管作业的关键技术——清管器的智能定位技术进行了进一步的研究。

文中通过对国内外主流清管器跟踪设备的调研，对清管器跟踪定位设备做了需求分析，并查阅大量相关资料和文献后，重点从清管器的定位技术上提出设计方案，研制了清管器智能跟踪定位设备。其中主要从显著增强低频信号发射器的低频电磁信号的发射距离和开发具备数据远传功能的智能接收仪进行了研究。

1 智能跟踪定位系统的整体设计

该智能跟踪定位系统由低频信号发射器、预设于长输管道沿线的特殊清管器智能跟踪定位仪和终端数据管理中心组成，如图1所示。智能跟踪定位仪采集特殊清管器通过时低频信号发射器发出的波形信号，并将信号鉴识结果以及通过时间和GPS定位数据通过GPRS数据模式传输到终端数据管理中心，终端数据管理中心将清管器通过信息和波形显示出来，并将通过的监测地点标记在终端软件地图上。

图1 智能跟踪定位系统示意图

2 智能跟踪定位技术的实现

根据系统的总体设计方案，本系统主要由低频信号发射器、智能跟踪定位仪，智能跟踪定位系统软件3个部分组成，本文就智能跟踪定位设备进行了深入的研究。

2.1 低频信号发射器

2.1.1 低频信号发射器基本电路

清管器的信号发射器一般都采用RLC自激振荡模式来产生特定振荡电压和频率的振荡脉冲。但是R、L、C容易随管道输送介质温度、管道材质、管材壁厚等的发生变化，从而造成脉冲信号的频率随之变化，导致信号接收和识别判断产生较大影响，甚至会造成信号丢失。

为此，我们在设计中将使用MSP430系列单片机的定时器来控制开关电路，从而发射出间断的超低频脉冲信号。由于此款单片机的外接晶振稳定性极好，因此发射的脉冲频率稳定性就得到了大幅提高。同时MSP430系列单片机是超低功率系列单片机，功耗极低，此项功能也大大提高了低频信号发射器的续航时间。

2.1.2 信号发射器频率选择

信号发射器频率我们选择使用的22 Hz左右的低频磁场，而且22 Hz左右的低频信号最有利于穿透钢制管道和土壤的屏蔽。同时如果频率过低，非常不利于智能跟踪仪滤除低频噪声影响；如果频率过高，则会增加低频信号发射器损耗，同时还会产生涡流损耗，从而增加发射器的功耗，降低低频信号发射器的续航时间。

2.1.3 减小低频信号发射器功耗的选材方式

在清管工作中，如果低频信号发射器的续航时间达不到特殊清管器的运行时间要求，当低频信号发射器停止工作后，我们将失去对特殊清管器运行的监控，在此期间，一旦发生特殊清管器卡堵事故，将会造成不可预计的损失。在低频信号发射器的研发中，持续工作续航能力对于低频信号发射器来说至关重要，为此降低发射器的功耗成为了一种最有效途径。

除了使用小功耗的MSP430芯片外，还要减小发射线圈的铁心损耗，主要为磁滞损耗和涡流损耗。已知减小磁滞回线的面积就可以减小磁滞损耗，且硅钢铁心的电阻率越大，涡流所流过的路径越长，涡流损耗就越小。所以发射器线圈可以使用含硅量较高的薄硅钢片。

2.2 智能跟踪定位仪

2.2.1 无人值守智能跟踪定位仪工作原理

当特殊清管器携带低频信号发射器运行过智能跟踪定位仪所在位置时，与发射器平行的接收天线就会与发射器发射的低频磁场产生耦合，从而使接收天线产生感应电压，电压信号经过处理后通过远传信号发射至终端机的数据软件中，在数据软件的显示界面上显示实时通过位置及时间。如图2所示，为清管器无人值守智能跟踪定位设备的工作原理图。

图2 无人值守智能跟踪仪工作原理图

无人值守智能跟踪定位仪，在进行特殊清管作业时需提前预埋到长输管道上方，开机后就进入无人值守状态，实现智能跟踪定位功能。本文主要研究一种基于磁感应线圈，具备GPRS、GPS远程通信功能，可以上传准确时间和位置坐标信息的多功能清管器智能跟踪定位仪。

2.2.2 智能跟踪定位仪工作原理

具备GPRS、GPS远程通信功能，可以上传准确时间和位置坐标信息的多功能清管器智能跟踪定位仪的原理框图如图3所示。当长输管道中特殊清管器经过智能跟踪定位仪的位置时，低频信号发射器发射的电磁脉冲会在接收天线中的磁感应线圈中产生感应电压[13-15]，感应电压在低频信号发射器电路中经过放大、滤波、积分等信号处理方式后进入MSP430微处理器，MSP430微处理器通过设定的智能算法判断波形是否有效，若无效，则不触发信号报警，若有效则判断特殊清管器通过。同时将原始数据和智能计算结果存储到智能跟踪定位仪存储器中，并计算结果通过通网络上传到终端数据处理中心。

图3 智能跟踪定位仪的原理框图

清管器智能跟踪定位仪把图3中的液晶显示屏、按键、声光报警等模块去除，并且进行优化集成就成为了无人值守智能跟踪仪，其工作参数的设置由终端数据处理中心远程控制；GPS模块在采集清管器坐标位置信息的同时，可通过校时功能与系统时间对接。与此同时，还提供了几个人机接口功能，用来满足不同环境下的不同需求。

智能跟踪定位仪的多样化功能主要表现在，采用模块化设计，可以对其进行裁减，形成通过指示器；在清管器通过管道固定位置时发出提示、特征点跟踪器；沿长输管线在预先设定的地点监控清管器的实时位置、卡堵定位器；精确定位卡堵在管道内的清管器3种不同功能的设备。可根据实际特殊清管作业要求和现场通信、供电、干扰等情况裁减智能跟踪仪相关功能模块，达到设备的最优化应用。

2.3 低频模拟信号处理方法

智能跟踪定位仪的模拟信号处理主要由7大部分组成，如图4所示。采集天线接收到的电磁信号，通过带阻滤波滤除50 Hz频率，信号放大器对拾取的低频信号做出放大，同时带通滤波过滤消除22 Hz以外的干扰波形，再次进行信号放大通过取绝对值电路将放大后信号为负的部分变为正信号，最后利用积分电路将正信号进行积分计算，以便于屏幕显示。

图4 模拟信号处理框图

2.4 GPS定位功能

GPS定位功能的设计主要用于定位当前智能跟踪定位仪的位置，并且保持管线上智能跟踪定位仪的时间同步。在GPS的选择中，该智能跟踪定位仪使用了瑞士u-blox公司的LEA 5系列模块，该系列模块能接收GPS和GALILEO两种定位系统的数据；其定位精度高（水平定位精度＜2．5m），定位速度快，而且抗干扰性好；尤其是它的功耗低，符合智能跟踪定位仪低功耗的要求[16]。

2.5 GPS显示程序流程

GPS显示的程序流程图，如图5所示。首先，打开GPS的电源，向GPS模块发送相关设置命令，使模块工作处于所需要的状态；其次，判断出开头标识$，并接收该条完整信息，因为模块在没有正常工作时会返回其它非定位信息，而$则是所有定位信息的开头标识；最后，判断所接收信息的定位状态，如果信息有效则解析数据并在液晶屏显示，如果信息无效则重新接收信息。

图5 GPS显示程序流程图

2.6 GPRS通信功能

在该智能跟踪定位仪中通信模块主要担负着与数据中心和手机的通信任务，它可以通过短信和GPRS网络将智能跟踪定位仪的定位，清管器的通过时间、状态和波形等数据信息发送到数据中心和手机，它是实现无人值守智能跟踪的重要部分。因为该智能跟踪定位仪目前的通信阶段只使用到短信功能，所以本文只对短信通信功能进行研究。同时智能跟踪定位仪发送短信要兼顾到手机中文短信，所以统一使用PDU模式的USC2编码。GPRS发送短信流程图，如图6所示。

图6 GPRS发送短信流程图

3 结 论

文中介绍了清管器在线跟踪定位系统的总体设计方案，并针对该系统的低频信号发射器、智能跟踪定位仪二部分展开了深入的研究。分析传统低频信号发射器与工作原理基础上，找到了传统发射器的不足之处，提出了合理方案，以采用超低功率、功耗极低的MSP430系列单片机，此项功能大大提高了低频信号发射器的续航时间。同时使用22 Hz的脉冲信号使稳定度更好，相位关系更恒定。接收器设计方案中增加了信号智能识别、GPRS和GPS等功能，通过液晶屏和按键实现可视化的人机交互，最终通过单片机使其所有的功能形成一个完整的整体。通过电脑和手机访问服务器，实时获取清管器的位置和运行轨迹，对清理器的位置进行实时追踪。

找到了提高发射器发射距离和降低发射器功耗的有效方法，增加了数据存储功能、GPS卫星定位功能和GPRS远程通信功能，最终结合数据中心监控终端实现了清管作业的操作一体化。

[1]刘刚，陈雷，张国忠，等.管道清管技术发展现状[J].油气储运，2011，30（9）：646-653.

[2]王保群.我国原油管道现状与展望m.石油规划设计，2012，23（4）:8-11.

[3]戚爱华.综合运输体系中管道运输的发展状况[J].综合运输，2010（6）：17-20.

[4]孙旭，陈欣，刘爱侠.清管器类型与应用[J].清洗世界，2010（6）：36-41.

[5]李泽，马贵阳.不同油品管道泄漏的数值模拟.辽宁石油化工大学学报，2015，35（4）：21-25.

[6]王玉彩.MPS430单片机在数据采集中的应用[J].现代电子技术，2011（21）：70-72.

[7]李建，夏静.清管器中的信号发射装置电路设计[J].电子设计工程，2011（15）:136-138.

[8]杨永辉.低噪声放大器的设计与仿真[J].电子设计工程，2010（7）:200-203.

[9]艾毅然，梁华庆，史超，等.管道清管器电磁跟踪定位系统接收机的设计与实现 [J].电子设计工程，2014（21）:74-76.

[10]李俊山，蒋婕.天然气管道清管器跟踪定位模拟与实践[J].油气储运，2013，32（9）：966-970.

[11]王铎，刘晓艳，王康，等.清管器跟踪技术研究[J].管道技术与设备，2013（1）:41-43.

[12]孙天淦，周拾庆，张霞，等.清管器在小口径注水管线清洗中的应用 [J].清洗世界，2006，22（4）：10-14.

[13]许红.管道内检测机器人定位技术研究现状与展望m[J].机床与液压，2013，41（9）:172-175.

[14]牛殿国，张兴涛，张聪，等.压力波法跟踪泡沫清管器[J].油气储运，2013，32（6）：31-34.

[15]姚剑清.运算放大器权威指南[M].3版.北京：人民邮电出版社，2010.

[16]郑三立，张锦孚，周仲晖.基于GPS和单片机的智能线路巡检管理系统[J].电网技术，2010（7）：78-81.

Research of the special pig with intelligently tracking and locating system in longdistance pipeline

HE Ran，TAO Wen-hua，DU Chang-hui
（College of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China）

This paper is about solving the problem of precisely supervising the block position in the pipeline of the pig，in terms of the presently common problems of special pig in tracking and locating technology.By using present communication Internet technique and field devices，it has made a research for its transmitting devices'circuit design、frequency choosing、how to reduce energy and locating system's functional achieving modules via far-reaching theoretical study and test.Therefore，this paper has put forward a comprehensive plan about special pig with intelligently tracking and locating system.The plan develops smart low frequency transmitter equipped with the ability to adjust parameters and intelligent receiver with the function of transmitting data for long distance.It further reduces the risks and costs of special pig work for creating a better economic efficiency.

long-distance pipeline；special pig；intelligently tracking and locating system；receiver

TP302

A

1674－6236（2017）17-0141-04

2016-08-04稿件编号：201608028

何 燃（1996—），女，贵州兴义人。研究方向：智能控制理论与应用。