摘" " 要：針對復(fù)雜海域較大變形海底管道精準(zhǔn)測量需求，設(shè)計了海底管道變形測量傳感采集系統(tǒng)，利用HMI和分布式遠(yuǎn)程IO進(jìn)行模塊化的測量傳感與數(shù)據(jù)采集，采用Modbus協(xié)議并建立星型拓?fù)涞耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)完成測量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實現(xiàn)了變形管道表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲??；該系統(tǒng)具有測量精度高、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，適用于各類型復(fù)雜海域；目前已應(yīng)用于某海底管道變形修復(fù)項目，現(xiàn)場測量結(jié)果準(zhǔn)確有效，保障了項目的順利實施。

關(guān)鍵詞：變形測量；傳感采集；三維坐標(biāo)；HMI；分布式遠(yuǎn)程IO；Modbus

Design and implementation of a sensor acquisition system for deformation measurement of submarine pipelines

DUAN Ruibin1， DING Yinshan2， NIU Huli1， WANG Kekuan1， WANG Laizhen1， HE Yazhang1

1. CNPC Engineering Technology Research Co.， Ltd.， Tianjin 300451， China

2. CNPC Offshore Engineering （Qingdao） Co.， Ltd.， Qingdao 266500， China

Abstract：To serve accurate measurement requirements of submarine pipelines with significant deformation in complex sea areas， a sensing and acquisition system was designed for deformation measurement of submarine pipelines， with HMI and distributed remote IO used for modular measurement sensing and data collection， and Modbus protocol adopted and a star topology communication network established to achieve reliable transmission of measurement data. In this way， 3D coordinate data on the surface of deformed pipelines were accurately acquired. Boasting high measurement accuracy， fast response speed， stable and reliable operation， this system is applicable to various types of complex sea areas， and has been applied to a submarine pipeline deformation repair project with accurate and effective on-site measurement results， ensuring the smooth implementation of the project.

Keywords：deformation measurement; sensing collection; 3D coordinates; HMI; distributed remote IO; Modbus

舟山海域某海底輸油管道變形缺陷修復(fù)整治項目需要對較大變形管道表面進(jìn)行精準(zhǔn)測量與三維繪圖，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)管卡的設(shè)計和安裝[1]。該海域潮流流速快并且水下能見度極差，日均有效潛水作業(yè)時間不足3 h[2]。針對現(xiàn)場惡劣海況以及測量精度要求，設(shè)計了基于三維機械打點方式的測量工裝進(jìn)行海底管道變形的自動精準(zhǔn)測量，實現(xiàn)了全天候24 h連續(xù)水下作業(yè)。

海底管道變形測量工裝主要由工裝框架、測量結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感采集系統(tǒng)等構(gòu)成，本文針對其中的傳感采集系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；該系統(tǒng)以人機界面（Human Machine Interface，HMI）為核心，利用分布式遠(yuǎn)程IO[3]和現(xiàn)場傳感器進(jìn)行模塊化的測量傳感與數(shù)據(jù)采集，采用Modbus作為系統(tǒng)通信協(xié)議，并通過星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)完成測量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實現(xiàn)了針對較大變形海底管道表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，具有測量精度高、測量響應(yīng)速度快、系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，滿足了項目的實際工程需求。

1" " 測量原理

將測量探頭與管道表面接觸位置等效為三維空間中的點，測量過程中該點將形成特定的測量運動軌跡；通過合理的測量路徑規(guī)劃，并對其測量軌跡進(jìn)行三維空間坐標(biāo)的取樣與計算，可以得到測量管道表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；進(jìn)一步利用測量數(shù)據(jù)可建立變形管段的精確三維數(shù)字化模型。以測量工裝初始狀態(tài)下測量探頭等效點的位置為原點O，建立空間直角坐標(biāo)系[4]，其原點位置及x、y、z三軸的方向如圖1所示。

測量作業(yè)時測量探頭在伸縮氣缸帶動下沿管道徑向做往復(fù)運動，測量探頭等效點M（x′，y′，z′）的三維坐標(biāo)計算方法如式（1）所示。

[x=（r+ρ）×sinθy=σz=（r+ρ）×cosθ-r]" " "（1）

式中：r為管道半徑，mm；ρ為探頭等效點M相對原點O的徑向位移，mm；θ為探頭和齒圈在旋轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動下沿管周方向旋轉(zhuǎn)時，M點相對原點O的旋轉(zhuǎn)角度，rad；σ為探頭和測量結(jié)構(gòu)在平移電機的驅(qū)動下沿管道軸向平移時，M點相對原點O的軸向位移，mm。

2" " 系統(tǒng)設(shè)計與硬件選型

海底管道變形測量傳感采集系統(tǒng)主要由測量傳感、采集處理和數(shù)據(jù)管理三大功能模塊組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.1" " 測量傳感

測量傳感模塊包含5種傳感器，表1列出了各傳感器的型號、接口、傳感精度等信息。

傳感采集系統(tǒng)利用上述傳感器完成針對軸向位移、徑向位移、旋轉(zhuǎn)角度等測量項的可靠傳感與精確采集，測量工裝中各傳感器布置如圖3所示。

1）磁致伸縮位移傳感器：原理上基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)[5]，具有傳感精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點；按照測量工裝設(shè)計，當(dāng)軸向位移量程和徑向位移量程分別為6 500 mm和600 mm時，傳感器的重復(fù)測量精度分別為 ±0.325 mm和±0.03 mm，滿足項目±1 mm的測量精度要求。

2）雙向轉(zhuǎn)速傳感器：內(nèi)置新型磁敏元件和信號放大電路，通過齒輪運動檢測，輸出A/B兩路具有相差的穩(wěn)幅方波信號[6]，可準(zhǔn)確表征齒輪轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向；實際應(yīng)用中兩個傳感器分別安裝于兩臺旋轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動齒輪處（如圖3所示），通過脈沖計數(shù)，并結(jié)合齒圈參數(shù)，可以計算得出測量探頭的旋轉(zhuǎn)角度。

3）接近傳感器：利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行金屬介質(zhì)的非接觸檢測[7]，具有靈敏度高、簡單可靠等優(yōu)點；該傳感器裝設(shè)于測量工裝旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的初始位置處，用以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)復(fù)位檢測。

4）雙軸傾角傳感器：把靜態(tài)重力場變化轉(zhuǎn)換為傾角變化[8]，并通過數(shù)字接口直接輸出水平傾角和垂直傾角的測量值，其最大定位誤差lt;14 mm，滿足測量工裝精確就位要求。

5）超聲測距傳感器：可實現(xiàn)渾濁海水介質(zhì)中±0.15 mm的測量精度，系統(tǒng)利用該傳感器的測量結(jié)果完成徑向位移測量校驗。

2.2" " 采集處理

采集處理模塊由HMI和分布式遠(yuǎn)程IO組成，其中遠(yuǎn)程IO連接各類傳感器，HMI則通過數(shù)據(jù)總線直接讀取遠(yuǎn)程IO的傳感采集值；該設(shè)計實現(xiàn)了HMI和遠(yuǎn)程IO的“主從配合”與“分工協(xié)作”，有效提高了多類型傳感的采集效率以及系統(tǒng)工作的可靠性。

1）分布式遠(yuǎn)程IO。該模塊采用單元模塊化設(shè)計，由網(wǎng)絡(luò)適配器單元和多個擴(kuò)展 IO單元組成，兩種形式的單元模塊通過內(nèi)部總線連接，其中網(wǎng)絡(luò)適配器單元通過RS-485總線與HMI通信，擴(kuò)展 IO單元通過功能選配實現(xiàn)與不同接口類型傳感器的連接。分布式遠(yuǎn)程IO具有邊緣計算能力，可完成積分變換、數(shù)字濾波等復(fù)雜數(shù)據(jù)處理任務(wù)，當(dāng)傳感數(shù)量或傳感類型較多時，可顯著降低系統(tǒng)主控運算資源的開銷。表2列出了分布式遠(yuǎn)程IO各單元模塊的基本參數(shù)。

2）HMI。HMI選用WEINVIEW的cMT-SVR-100，其運算能力強、通訊接口豐富、數(shù)據(jù)存儲空間大，相較PLC等傳統(tǒng)控制器具有三大優(yōu)勢：一是支持宏指令編程，內(nèi)建豐富完善的函數(shù)庫，簡化了復(fù)雜數(shù)學(xué)運算的實現(xiàn)過程；二是提供上百種通信驅(qū)動，支持多數(shù)控制器、遠(yuǎn)程IO的通信連接與數(shù)據(jù)交互；三是支持跨平臺的遠(yuǎn)程訪問與管理，可以通過建立以太網(wǎng)連接并運行cMT Viewer軟件實現(xiàn)PC端或移動端的實時監(jiān)控與遠(yuǎn)程操作。

HMI作為傳感采集系統(tǒng)的中心節(jié)點，建立了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，并通過RS-485總線或工業(yè)以太網(wǎng)與各功能模塊連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)中傳感數(shù)據(jù)到應(yīng)用數(shù)據(jù)的有序流動，在確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下提高了信息交互效率。

2.3" " 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊主要進(jìn)行系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的實時展示與管理應(yīng)用，模塊中各單元均為TCP/IP協(xié)議設(shè)備，其全部接入由工業(yè)無線路由器建立的現(xiàn)場局域網(wǎng)中；該局域網(wǎng)支持無線連接（WLAN），允許移動設(shè)備和便攜計算機的接入與訪問[9]，有效提升了系統(tǒng)管理及數(shù)據(jù)應(yīng)用的靈活性和便捷性。

數(shù)據(jù)管理模塊中工業(yè)無線路由器型號為USR-G802，其具備1個WAN接口和4個LAN接口，支持2.4 GHz頻段Wi-Fi，并具有故障自修復(fù)功能，可確?，F(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；實際應(yīng)用中HMI和測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別通過千兆網(wǎng)線（六類）與無線路由的LAN口連接，HMI數(shù)據(jù)展示與管理界面的PC端和移動端則分別采用有線及Wi-Fi方式接入現(xiàn)場局域網(wǎng)。

3" " 軟件設(shè)計

海底管道變形測量傳感采集系統(tǒng)軟件設(shè)計圍繞HMI開展，其主要工作分為通信接口設(shè)計、系統(tǒng)程序設(shè)計和系統(tǒng)界面開發(fā)三部分。

3.1" " 通信接口設(shè)計

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于現(xiàn)場控制器上最廣泛的一種通用協(xié)議，具有易用、可靠、開源和免費等優(yōu)點[10]。本設(shè)計選用Modbus協(xié)議作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下實現(xiàn)了通信過程的簡化及數(shù)據(jù)傳輸效率的提升。

Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，其提供了一種基于串行總線或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備間C/S通信機制[11]，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的不同，主要分為Modbus-RTU和Modbus-TCP兩種類型[12]。作為系統(tǒng)通信中樞，HMI與分布式遠(yuǎn)程IO、超聲測距傳感器通過RS-485總線連接，其通信報文類型為Modbus-RTU；HMI與測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，其通信報文類型為Modbus-TCP。

表3列出了HMI與各連接設(shè)備的Modbus通信參數(shù)。Modbus-RTU 通信中HMI作為主站（Master），其通過對從站（Slave）相關(guān)寄存器的實時讀取實現(xiàn)針對各測量傳感原始數(shù)據(jù)的可靠獲?。籑odbus-TCP通信中HMI和測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別作為服務(wù)端（Server）和客戶端（Client），服務(wù)端將當(dāng)前測量的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)實時更新至保持寄存器并允許客戶端訪問與讀取。

3.2" " 系統(tǒng)程序設(shè)計

傳感采集系統(tǒng)程序由HMI執(zhí)行，其編程環(huán)境為EasyBuilder宏指令編輯器[13]；系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計，主要由Modbus-RTU通信、旋轉(zhuǎn)角度計算、徑向位移測量校驗、三維測量坐標(biāo)計算等功能模塊組成，系統(tǒng)的主要工作流程如圖4所示。

旋轉(zhuǎn)角度計算首先需要判斷測量探頭所處的角度區(qū)間及其旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)角度區(qū)間選擇對應(yīng)的雙向轉(zhuǎn)速傳感器，然后基于該傳感器的脈沖計數(shù)值計算出旋轉(zhuǎn)角度，最后通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的復(fù)位檢測消除旋轉(zhuǎn)角度的多圈累計誤差，旋轉(zhuǎn)角度計算流程如圖5所示。

徑向位移測量校驗主要完成位移傳感和超聲測距兩種不同測量方式下測量結(jié)果的對比與處理，從而確保徑向位移測量值的有效性。管道表面三維測量坐標(biāo)的計算基于軸向位移、徑向位移和旋轉(zhuǎn)角度三個關(guān)鍵測量項的測量結(jié)果及其處理，并根據(jù)式（1）完成求解與運算。

3.3" " 系統(tǒng)界面開發(fā)

傳感采集系統(tǒng)用戶界面運行于HMI，并支持通過cMT Viewer（PC端或移動端）進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問與管理，具備測量展示、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和參數(shù)設(shè)置等功能，測量展示主界面如圖6所示。

測量展示主界面實時顯示軸向位移、徑向位移、旋轉(zhuǎn)角度等各測量項的當(dāng)前測量值，并給出相應(yīng)的動畫模擬，同時完成針對系統(tǒng)各關(guān)鍵狀態(tài)的指示；該界面簡潔、直觀、信息全面，可有效提升人機交互以及系統(tǒng)管理的效率。

4" " 測試與應(yīng)用

4.1" " 系統(tǒng)測試

完成傳感采集系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)后，首先開展系統(tǒng)測試試驗，驗證系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)，并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以確保在項目應(yīng)用中測量作業(yè)的順利實施。

1）耐壓測試。對各傳感器、線纜等水下部分進(jìn)行耐壓測試，測試壓力1MPa，測試時間8 h[14]，確保系統(tǒng)可穩(wěn)定工作于50 m水深工況（最大設(shè)計工作深度50 m，水壓0.5 MPa）。

2）功能測試。進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與功能驗證，確保系統(tǒng)傳感采集、數(shù)據(jù)處理、測量展示等各項設(shè)計功能的實現(xiàn)。

3）精度測試。利用標(biāo)準(zhǔn)管道（D762 mm）進(jìn)行模擬測量作業(yè)，測試軸向位移、徑向位移和旋轉(zhuǎn)角度等測量項的精度指標(biāo)，確保系統(tǒng)整體測量精度優(yōu)于±1 mm。

4）現(xiàn)場測試?；趯嶋H海況，進(jìn)行水下測試，測試水深由5 m逐漸增加至作業(yè)深度，驗證系統(tǒng)在實際工況下的應(yīng)用效果，為項目實踐奠定基礎(chǔ)。測量工裝及傳感采集系統(tǒng)現(xiàn)場測試如圖7所示。

4.2" " 工程應(yīng)用

依托測量工裝，把傳感采集系統(tǒng)應(yīng)用于某海底管道變形修復(fù)整治項目，累計測量作業(yè)48 h，測量變形管段長度6 m，輸出三維測量坐標(biāo)10 800組，利用測量數(shù)據(jù)建立的變形管段三維數(shù)字化模型如圖8所示?；跍y量數(shù)據(jù)設(shè)計加工的結(jié)構(gòu)管卡實現(xiàn)了水下一次安裝成功，表明傳感采集系統(tǒng)測量結(jié)果準(zhǔn)確有效，為本項目提供了關(guān)鍵支撐。

5" " 結(jié)束語

針對復(fù)雜海域較大變形的海底管道精準(zhǔn)測量需求，設(shè)計了海底管道變形測量傳感采集系統(tǒng)。

1）利用HMI和分布式遠(yuǎn)程IO進(jìn)行模塊化的測量傳感與數(shù)據(jù)采集，通過近傳感端執(zhí)行邊緣計算的設(shè)計，有效提高了多類型傳感的采集效率以及系統(tǒng)工作的可靠性。

2）采用Modbus協(xié)議并建立星型拓?fù)涞耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了系統(tǒng)中傳感數(shù)據(jù)到應(yīng)用數(shù)據(jù)的有序流動，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

3）測試表明，系統(tǒng)具有測量精度高、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，滿足項目實際工程需求。

4）已應(yīng)用于某海底管道變形修復(fù)整治項目，實現(xiàn)了針對較大變形海底管道表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，保障了項目的順利實施。

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作者簡介：

段瑞彬（1990—），男，河北衡水人，工程師，2015年畢業(yè)于西安石油大學(xué)控制工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事油氣管道特種裝備及其數(shù)智化技術(shù)的研究與開發(fā)工作。Email：duanrb@cnpc.com.cn

收稿日期：2023-12-28