基于组态王输油管道负压波检漏系统定位功能.docx

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基于组态王输油管道负压波检漏系统定位功能

基于组态王输油管道负压波检漏系统：

定位功能

毕业设计（论文）任务书

题目

输油管道负压波检漏系统：

定位功能

学生姓名

学号

专业班级

设计（论文）内容及基本要求

1.管道长度：

300km，管道压力：

首站0.4-0.9Mpa，末站0.2-0.4Mpa,管道流量：

150-200m2/h，介质：

原油，负压波传输速度：

1100m/s。

2.学习讨论研究负压波检漏和定位原理。

3.根据任务要求选择和学习一种现代工业组态软件或工业常用运算或仿真软件（如组态王、MATLAB或C++等）。

讨论该软件在管道检漏中的应用。

4.设计管道负压波检漏系统，负责内容手动定位运算和报警功能。

完成系统的模拟联调。

5.完成相关资料检索和开题报告。

6.完成论文的写作和15000字符以上的英文资料翻译。

设计（论文）起止时间

2015年1月2日至2015年6月30日

设计（论文）地点

自动化教研室

指导教师签名

年月日

系（教研室）主任签名

年月日

学生签名

年月日

输油管道负压波检漏系统：

定位功能

摘要：

输油管道作为一种经济、有效、环保的运输手段，在我国国民经济中发挥的作用越来越重要。

管道在多年的运行以后，管道防腐覆盖层会逐渐老化变质，失去其原有的保护作用，或者由于自然灾害和人为的破坏，导致管道泄漏的情况时有发生，这样既造成了国家财产的损失，又污染了环境。

因此，人们希望借助于先进的检测手段来及时地发现泄漏并准确定位，以便及时采取有利措施进行维护。

因此建立管道泄漏监测定位系统意义重大，迫在眉睫。

本文对基于负压波的管道泄漏定位方法进行了研究，介绍了负压波泄漏定位原理及方法，说明了其优缺点。

此外，本文采用的方法是利用组态软件分析负压波管道泄漏定位系统的工作过程，介绍了怎样利用趋势画面中的压力波形图计算泄漏点位置的方法。

关键词：

组态王；泄漏定位；负压波

Thenegativepressurewaveofoilpipelineleakdetectionsystem：

Locationfunction

Abstract：

Transportpipelineasaneconomic,efficient,environmentallyfriendlymeans,playsamoreimportantroleinChina'snationaleconomy.Afterrunningseveralyears,thepipelineanticorrosionlayerwillgraduallydeteriorate,losingitsoriginalprotectivefunction,orbecauseofnaturaldisastersandman-madedestruction,leadingtopipelineleakageoccurs，thishasresultedinthelossofstateproperty，andpollutionoftheenvironment.Therefore,peoplehopethatwiththehelpofadvanceddetectionmeanstodiscovertheleakageandaccuratepositioning,inordertotaketimelymeasurestomaintainfavorable.Thereforetheestablishmentofpipelineleakagemonitoringandpositioningsystemofgreatsignificance,Thispaperstudiedthemethodofpipelineleaklocationbasedonnegativepressurewave,thenegativepressurewaveleaklocationprincipleandmethod,illustratesitsadvantagesanddisadvantages.Inaddition,themethodusedinthispaperistheanalysisoftheworkingprocessofthenegativepressurewavepipelineleaklocationsystemusingtheconfigurationsoftware,introducesthemethodofhowtheleaklocationiscalculatedbyusingthefigureinthepictureofthetrendofpressurewave.

Keyword：

Kingview；Leaklocation；Negativepressurewave

1绪论

1.1课题背景及意义

随着我国能源结构的不断优化，石油在能源结构中所占的比例逐年加大，输油管道作为一种经济、有效、环保的运输手段，在我国国民经济中发挥的作用越来越重要。

管道在多年的运行以后，管道防腐覆盖层会逐渐老化变质，失去其原有的保护作用，或者由于自然灾害和人为的破坏，导致管道泄漏的事时有发生，这样既造成了国家财产的损失，又污染了环境。

因此，人们希望借助于先进的检测手段来及时地发现泄漏并准确定位，以便及时采取有利措施进行维护。

随着管道泄漏检测技术的不断发展，现有的管道泄漏检测方法很多，通常用于泄漏的检测的方法可分为直接检测法和间接检测法。

直接检测法就是根据泄漏的介质进行检测，如根据油汽泄漏时所露出的地表痕迹以及散发的气味等进行检测；间接检测法就是根据泄漏引起的管道压力、流量等输送条件的变化和泄漏引起的声、光、电等变化进行检测。

国内外主要应用的间接泄漏检测方法有压力分布法、压力点法（PPA）、负压波法、声波法等。

对于这些检测方法，都各有优缺点。

本文设计管道负压波检漏系统，负责内容手动定位运算和报警功能，完成系统的模拟联调。

随着管道工业的发展，对管道泄漏检测与定位的要求也越来越高，单一的检测与定位方法已不能满足生产需要。

采用基于负压波和流量平衡的泄漏监测方法，编写可视化监件，克服了常规管道泄漏监测方法误报率高和不能动态监测的缺点，具有广阔应用前景。

该系统有以下一些特点：

（1）输油管道泄漏检测与定位系统能可靠地监控输油管道运行、显示管道实时运行数据和波形图，并能及时准确定位泄漏点。

对历史数据的保存，可方便操作人员查询和综合分析诊断事故。

（2）在输油管道泄漏检测与定位系统的基础上，可为城市供水、供气等主干管道改进出管道泄漏检测与定位系统，拓宽应用领域。

如何能够实时地监测管道泄漏事故，并尽快定位泄漏点，对降低油品损失和环境污染、预防重大事故的发生，具有重要的现实意义。

管道一旦泄漏，不仅会带来因流体流失而造成的直接经济损失和对环境的污染，严重情况下，还可能发生爆炸和引起火灾，甚至造成人员伤亡。

例如1993年委内瑞拉的一条天然气管道发生泄漏引起火灾，烧死51人。

管道输送石油产品的泄漏不仅造成宝贵自然资源的浪费、环境污染和影响油田的正常生产，危害工农业生产和人民生活，更重要的是，由于石油产品是易燃、易爆物品，甚至可能具有较强的腐蚀性，泄漏的石油产品还将直接威胁输油管道、设施的安全运行和人民生命财产，进而造成更大的间接损失和恶性事故。

所以，及时、准确地发现管道输送石油产品的泄漏、泄漏位置和泄漏量具有重大意义。

我国输油管道自动化水平的提高为管道泄漏检测技术的应用创造了条件，但目前所采集的数据仅服务于一些简单的应用，未能充分发挥自动控制系统的作用，因此，发展管道泄漏检测技术已成当务之急，对石油产品管道的调度、管理和维护以及充分发挥自动控制系统的作用具有重大和深远的影响。

1.2国内外研究现状及发展趋势

国外输油管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自20世纪70年代以来，就在许多油气管道中安装了泄漏检测系统，效果显著。

我国在80年代以来，数家单位相继开展了流体管道泄漏检测的研究工作，对流体的性质、流体的流动、传热及过程控制系统进行了实验和研究。

虽然对管道泄漏检测和定位方法的研究已有几十年的历史，但由于管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性、泄漏形式的多样性及检测的复杂性，使得目前没有一种简单可靠、通用的方法解决管道泄漏检测和定位问题，特别是小流量的泄漏检测和泄漏点定位问题。

所以，加强管道泄漏检测和定位技术的研究和应用，提高管道输送管理水平，减少经济损失和环境污染，具有重要的现实意义。

负压波检漏技术自问世以来,已为众多的研究人员所利用并不断完善,目前该技术在液体管线泄漏诊断领域中的改进主要表现在以下5个方面：

（1）提高系统采样频率,以提高对泄漏信号的捕捉能力。

双扭环技术、FIFO技术和多端口技术都可以提高数据采集器的采集频率,但是要同时满足泄漏诊断的采集以及分析的实时性要求,较好的方式是采用双扭环技术。

双扭环技术是一种基于双页缓存器采集方式的速度匹配单元,个环状存储器互相扭合在一起,因此称之为双扭环。

（2）采用GPS时钟同步技术,以消除系统由于运行时间增加所带来的累积误差。

GPS时钟同步技术提高同步精度的基本原理是利用全球定位系统同步误差不超过1μs的秒脉冲前沿对分布式数据采集系统同步触发采集,这样就可使各站点的数据具有精确的时间起点。

另外,人为设定同步时间间隔就可消除由于系统运行时间增长所带来的累计时间误差。

泄漏发生时,先获得相邻站点所记录负压波前沿的时间标签后,通过漏点定位公式,就可以对漏点进行定位。

（3）采用多线程技术,实时快速对大量数据进行处理。

管道泄漏诊断系统由数据采集、数据处理、数据通信、泄漏诊断等模块组成,要满足实时性诊断要求,各个模块必须采用并行机制同时执行。

多线程技术是Windows、Linux和UNIX等平台提供的数据并发处理功能,此功能协同双扭环机的双内存同步运行,就可以实现泄漏诊断的连续实时分析。

各个线程通过操作系统提供的接收/发送消息的机制与其他线程进行数据通信的控制与调度;通过访问全局变量的方式实现各个线程之间共享数据的访问与刷新。

（4）采用无相移滤波降噪方法,如奇异值降噪技术、小波降噪技术等,保留压力拐点的幅值与相位信息。

数字滤波、FFT滤波和平滑算法等信号预处理手段在噪声与信号特征频谱频率范围差异情况下,降噪效果明显。

但在负压波信号强度较弱且特征不明显,并掩埋于频谱分布广度较大的背景噪声下时,现代数字信号处理方法显得尤为重要。

如小波变换,自适应噪声抵消技术和奇异值分解降噪技术等。

（5）采用现代数字信号处理方法,提高对泄漏波形的识别和定位能力。

以奇异值分解降噪技术为例,它是从统计意义上找出系统能量的n个特征方向,以及表征其所包含能量的特征值。

考虑n个特征值的数值分布,若系统的动力学维数k小于n,将有n-k个特征方向上的能量分布为零。

一般来讲,负压波信号频率较低,属低维信号,而噪声信号一般都是高维信号,噪声的存在使得在各个特征方向上的能量分布均不为零。

因此,选取前k个较大的特征值及其所对应的特征方向,使得大部分能量分布在主要由负压波信号构成的低维子空间,并将原来的n维空间向量向该子空间投影,获得k维的新向量,经过反变换,就滤除了维数较高且能量较小的噪声信号。

国外在泄漏检测方面起步较早，已经形成了较为成熟的理论体系和专用技术，广泛使用在石油产品输送管道的泄漏检测中，而我国在这方面的起步较晚，所做的工作还非常有限。

20世纪80年代，国内的研究成果是在城市供水、煤气管道或者在实验室内搭设的等温、随机干扰少、介质状态（水、煤气等）稳定的小型管道上实验基础上得出的，没有涉及实际的原油、成品油或天然气的集输或长输管道的情况。

在实际工业管道的运行中存在大量复杂的问题，如工况的正常调节、输送介质形态随温降的连续变化等都是实验室中研究难以完全涵盖的。

虽然目前国际上已有多种检测管道泄漏的方法，有多家公司提供管道泄漏检测方面的软件包，如ATMOSPIPE、ATS、Logical等基于全线远程数据采集和监控（SCADA）系统的管道检测软件包，但这些系统的价格一般在数百万美元，由此可见其引进费用极其昂贵。

进入90年代以来，我国的一些科研小组在工业管道上进行了一定的研究工作，尤其针对于穿越沙漠、海底、沼泽等特殊环境下的输送管道，需要充分利用管道油品输送的流动特性，它是运用现代分析方法和控制理论，对所采集的管道运行数据进行处理，结合管道流体的流动规律，实现管道泄漏检测和定位，人们称这种方法为现代管道泄漏检测和定位技术。

随着经济的快速发展，我国必将成为一个世界管道大国，对管道泄漏检测系统的要求也日益迫切，因而利用自动检测技术，研制开发一种适合我国管道状况的泄漏检测与定位系统，对于我国经济发展、提高安全生产效率将有重要意义。

此后，人们还尝试了各种新的方法和手段，以提高泄漏检测的灵敏度和更加准确地判断泄漏点位置，逐步建立起了现代管道泄漏检测定位的理论体系，填补可这方面的空白。

通过研制和开发新型高效的管道泄漏检测系统来提高泄漏检测与定位的灵敏度、精确度和可靠性，管道泄漏检测技术有如下的发展趋势：

（1）泄漏检测系统和SCADA系统的结合。

SCADA系统不仅能为泄漏检测提供数据来源，而且能对管道的运行状况进行监控，是管道自动化的发展方向。

由于单一的泄漏检测系统并不经济，因此将它集成到SCADA系统中，充分利用SCADA系统的功能，成为SCADA系统不可或缺的一部分。

（2）多泄漏点、管网泄漏检测与定位的研究。

目前的管道泄漏检测和定位技术的研究多是事对单根官道上的单点泄漏进行的，而对于单点多泄漏、多管耦合的泄漏研究还少见。

该方面的研究对解决管道实际运行状况具有更直接的现实意义。

（3）基于负压波的检测适合我国管道的泄漏检测。

但是实际管道中的压力信号中混杂大量的噪声，主要来自于仪器仪表的测量噪音，输送过程中的随机噪声和外界干扰。

噪声和干扰信号的幅度甚至可以讲泄漏引发的有用信号淹没。

如果不能对原始压力信号进行有效的过滤，该泄漏检测方法将严重失效。

因此，有效地滤波技术也是检测系统研究的主要内容。

（4）分布式光纤传感器应用于管道检测。

光纤传感器是今年来发展的一个热点，它在实际物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性，它有着传统传感器所无法比拟的优势。

此外，随着各种分布式光纤传感器的发展，未来可以实现利用一根或多根光纤对油气管道内介质的温度、压力、流量、管壁应力进行分布式在线测量，这在管道监控系统中将极具应用潜力。

因此，江分布式的光纤传感器应用于管道检测有着良好的前景。

（5）应用以软件方法为主、硬件方法为辅的软硬结合的方法进行油气管道泄漏检测。

近年来，由于计算机技术、控制理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科的发展促进了以软件为主的油气管道实时泄漏检测技术的反战，这种方法能实现实时在线检测，及时给出报警信号，因此这方面的检测技术仍将是研究的热点和趋势，而且作为非线性时变参数的管道系统，自适应的思想在检测和定位算法中也将发挥越来越重要的作用。

但是基于硬件的而方法有很高的定位精度和较低的误报警率，因此基于硬件的方法和基于软件的方法实现互补可以满足管道泄漏检测系统的要求。

（6）提高泄漏检测与定位系统的自适应性、鲁棒性，解决检测灵敏度与误报率之间的矛盾，并对检测系统进行稳定性、灵敏度、鲁棒性等分析，是衡量一个检测系统好坏的标准。

（7）音波管道泄漏检测技术是近几年新发展的管道泄漏检测技术。

它利用泄漏点产生的次声波沿管道两壁传播的特点，开发出了配套的软硬件，较好的解决了目前管道泄漏检测领域存在的一些难点，具有反应灵敏，定位精度高，可靠性强等特点

流体输送管道泄漏检测的方法很多，分类也很多，到目前为止没有一个统一的分类方法。

根据近十几年来国内外相关资料，比较公认的分类方法大致有：

基于硬件和软件的方法、根据测量媒介分类、更具检测装置所处位置分类、根据检测对象分类、基于信号处理方式分类等等。

20世纪80年代以来，随着计算机、信号处理、模式识别等技术的迅速发展，基于SCADA系统的实时数据采集泄漏检测技术受到了人们越来越多的关注，并逐渐发展为检测技术的主流和趋势。

这类方法主要是对实时采集的温度、流量、压力信号进行实时分析和处理，以此来检测泄漏并定位。

1.3课题的研究目的及步骤

1.3.1研究步骤

首先利用组态王软件做出压力历史趋势画面，等到泄漏报警发生的时候，手动在压力波形图上确定首站与末站的压力计检测到的负压波下降沿的时间，然后两个时间作差（末站减去首站），求得时间差，接下来利用负压波检漏公式计算出泄漏点的位置，即泄漏点到首站的距离。

1.3.2研究目的

此课题目的是利用上述步骤确定泄漏点离首站（或末站）的距离，让负责管理管道的研究和维护人员能在第一时间检测到泄漏发生，并尽快维修管道，尽量把管道泄漏事故给国家和社会带来的损失降到最低。

负压波捡漏的方法在实际工程中的应用非常广泛，而且特别实用，用到的原理简单易懂，容易操作和分析，接下来介绍一下本课题所用到的基本原理。

2组态王软件简介

2.1组态王定义概述

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。

该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。

组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。

组态王kingview6.55提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。

组态王在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或KingHistorian为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。

此外，还可以实现值的行列统计功能。

组态王在web发布方面取得新的突破，全新版的Web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王Web的所有功能：

IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE客户端与Web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。

组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。

KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。

具有单个服务器支持高达100万点、256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过20000条记录的强大功能。

能够更好地满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。

本课题就可以利用组态王去仿真，操作简单、方便，组态王的监控工能在工程中运用的特别广泛，后面会用到。

2.2组态王系统的特点

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

尤其考虑三方面问题：

画面、数据、动画。

通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。

组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。

而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

本课题就利用了组态王监控这一层也完成了画面、数据、动画这些过程。

2.3制作一个工程的一般过程

建立新组态王工程的一般过程是：

（1）设计图形界面（定义画面）

（2）定义设备

（3）构造数据库（定义变量）

（4）建立动画连接

（5）运行和调试

需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进行的。

在用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：

图形：

用户希望怎样的图形画面？

也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

数据：

怎样用数据来描述工控对象的各种属性？

也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。

连接：

数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？

也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

因为本课题是利用模拟的数据来运行，所以不需要去连接设备，在上述过程中并没有用到定义设备这个过程，而其他的过程均用到了，在后面的制作过程中可以看到。

2.4组态王的主要亮点

（1）可视化操作界面

（2）自动建立I/O点

（3）分布式存储报警和历史数据

（4）设备集成能力强，可连接几乎所有设备和系统

本课题就利用到了上述“可视化操作界面”与“历史数据”这两个亮点，为课题的研究带来了方便。

2.5组态王的核心性能

（1）流程图监控功能

（2）完整的脚本编辑功能

（3）实时趋势监视功能

（4）全面报警功能

（5）历史数据管理功能

（6）报表展示功能

（7）历史数据查询功能

（8）历史趋势图纸

上述中的“实时趋势监视功能”与“历史数据管理功能”等功能在本课题中得到了广泛的应用，是本课题的核心功能。

2.6组态王软件总结

本课题利用历史趋势图的监视功能，实时监测压力波形的变化，一旦产生负压波，立即停止更新，滑动游标，用函数计算出时间间隔，然后带入负压波检漏公式计算，这样便能快速的对泄漏点进行定位，让维修人员以最快的速度赶到泄露处维修管道，尽力把该管道泄漏给国家和社会带来的危害和损失降到最低。

3负压波简介

3.1负压波技术的基本原理

水击在管道运行中是时有发生的一种特殊重要现象。

通常，管道在稳定状态下运行时，流体介质各个截面上的流速与压力平均值保持不变，或者变化很微小。

由于介质的流动性，具有“牵一发而动全身”的特点，所输介质的改变、局部管道输送条件的变化、运行参数的调整、泵站设备故障、介质泄漏等都会引起管道中流体介质的水力状态发生变化，尤其在突然启停泵、快速开关阀门时，管道中介质各个截面上的流速与压力将会发生急剧变化，管道运行的稳定状态遭到破坏。

在生产上，把这种管道压力突然发生瞬变，可能危及管道及设备安全的不稳定状态称之为水击。

水击会引起管道中的介质密度、管道压力及管道截面积同步发生周期性的起伏变化，这种周期性的变化容易造成管道振动，并可能带来严