白 浩，張夢娜，申曉紅，王海燕

(1. 湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司，廣東 湛江 524057；2. 西北工業(yè)大學航海學院，陜西 西安 710072)

深水隔水管水下監(jiān)測低功耗平臺設(shè)計

白 浩1，張夢娜2*，申曉紅2，王海燕2

(1. 湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司，廣東 湛江 524057；2. 西北工業(yè)大學航海學院，陜西 西安 710072)

水下信息處理平臺是隔水管疲勞監(jiān)測裝置的神經(jīng)中樞，控制疲勞參數(shù)檢測、信號處理、數(shù)據(jù)發(fā)射、監(jiān)測設(shè)備的休眠與啟動等一系列流程。低功耗水下信息處理平臺的硬件系統(tǒng)包括低功耗微處理機、高速數(shù)字信號處理器(DSP)、多種傳感器、信號調(diào)制與發(fā)送電路、電源及其他附件等。為了提高監(jiān)測設(shè)備的服役期限，對“十一五”期間的低功耗水下信息處理平臺進行優(yōu)化設(shè)計，增加了存儲模塊、優(yōu)化空間布局與程序流程，使得電路板面積大大縮小。優(yōu)化后，水下信息處理平臺的可靠性進一步增強，進而降低了隔水管監(jiān)測系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，提高了其便捷性和適用性。

海洋油氣管道；深水隔水管；疲勞；低功耗；水下信息處理平臺；優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

隔水管是深水油氣勘探開發(fā)的重要設(shè)備，是連接海面作業(yè)平臺與海底井口的要道，也是深水油氣開發(fā)技術(shù)上要求最高、最具挑戰(zhàn)性的一部分[1]。在水深超過1 000 m的深水，隔水管的直徑與長度比達到了細長柔彈性體的范圍，隔水管的運動表現(xiàn)為柔彈性運動而非剛體運動，導致隔水管的振幅會大幅增加，極易產(chǎn)生疲勞、斷裂、損傷和泄漏等一系列問題。隨著南海深水海域的油氣開發(fā)作業(yè)的逐步深入，隔水管用量急劇加大。若沒有一流的監(jiān)測技術(shù)作為保障，隔水管將面臨疲勞、失效乃至斷裂的風險,故對深水隔水管監(jiān)測系統(tǒng)的需求變得越來越迫切[2]。

根據(jù)供電和數(shù)據(jù)通信方式的區(qū)別，監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)有離線、有線和水聲三種監(jiān)測方法[3-5]?？紤]到安裝與操作的難度、實時性等因素，通過與離線、有線兩種方式的比較，選擇水聲監(jiān)測方法。而基于水聲的隔水管疲勞監(jiān)測設(shè)備，其性能嚴重依賴于所在區(qū)域的海洋環(huán)境，并且采用鋰電池為系統(tǒng)能源供電，故對系統(tǒng)功耗要求十分嚴格。因此，根據(jù)工程實際需求，基于深海遠距離水聲技術(shù)提出了一個具體的隔水管監(jiān)測低功耗平臺的設(shè)計方案。試驗結(jié)果表明此方案設(shè)計可以降低功耗，延長監(jiān)測設(shè)備的服役期限。

1 方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

已有的深水隔水管疲勞監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。此監(jiān)測系統(tǒng)具有防噴器(BOP)轉(zhuǎn)角、渦激振動(VIV)、海洋流速、應(yīng)變、偏移等參數(shù)的監(jiān)測能力，而且還有隔水管姿態(tài)報警功能。圖中1～n點為監(jiān)測節(jié)點。

圖1 深水隔水管疲勞監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Deepwater riser fatigue monitoring network

在每個監(jiān)測節(jié)點處，水下監(jiān)測平臺主要由4部分構(gòu)成：傳感器部分、信號處理部分、信號放大/功率放大部分、發(fā)射換能器部分，系統(tǒng)模塊框圖如圖2所示。

基于水聲的數(shù)據(jù)傳輸對功耗的要求十分嚴格。為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)硬件采用低功耗微控制器(MCU)作為控制核心，低功耗直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)作為高精度波形產(chǎn)生單元。系統(tǒng)軟件采用“中斷—喚醒—工作—休眠”的低功耗工作流程。

圖2 水下信息處理裝置的模塊框圖Fig.2 Block diagram of underwater information processing device

在硬件設(shè)計方面，考慮不同測點間定時同步和內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)的要求，通過鐵電存儲器緩存、外部低溫漂的實時時鐘(RTC)來實現(xiàn)要求的功能。采用主從機方式，主機MCU控制從機數(shù)字信號處理器(DSP)的工作，必要時掉電處理，大大節(jié)約了系統(tǒng)能量消耗。在軟件設(shè)計方面，通過構(gòu)建文件系統(tǒng)FAT32，即建立安全數(shù)字卡(SD卡)中的文件、寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)等操作，并設(shè)計數(shù)據(jù)存儲格式用以存儲數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)工作模式

為使處理裝置的功耗降低，系統(tǒng)運行模式為定時間斷工作模式：(1)平時處于低功耗休眠狀態(tài)，以節(jié)省電池能量；(2)當?shù)竭_預(yù)定工作時間時，由外部的RTC模塊喚醒MCU，系統(tǒng)進入激活狀態(tài)；(3)由MCU依次控制其他外圍模塊及傳感器上電啟動，并從相應(yīng)傳感器采集數(shù)據(jù)，之后，控制其掉電，使其進入低功耗模式；(4)由MCU控制DSP對采集數(shù)據(jù)進行處理，并完成結(jié)果編碼(包括7，4漢明編碼與差分編碼)，將編碼后的待發(fā)碼元存儲在MCU的內(nèi)置FLASH中，之后是DSP進入低功耗模式；(5)啟動DDS，將待發(fā)碼元傳送至DDS調(diào)制發(fā)送，發(fā)送完畢后，MCU給DDS模塊掉電，并自行進入低功耗計時模式，等待下一工作時間的到來。以上操作便構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)工作周期。系統(tǒng)通過周期性的工作，以最小耗能模式完成水下信息采集、處理與傳輸，保證了隔水管狀態(tài)長期監(jiān)測任務(wù)的實現(xiàn)[6]。

采用這種工作模式，可以大幅度降低系統(tǒng)功耗。以每24 h調(diào)制發(fā)送0.5 h這一工作模式為例，系統(tǒng)若按傳統(tǒng)的“工作—等待”工作流程工作，平均功耗約為46.2 mW。若按“中斷—喚醒—工作—休眠”的工作流程工作，系統(tǒng)的平均功耗可降至約3.6 mW。

1.3 FRAM緩存存儲器的設(shè)計

由于FM24V10鐵電存儲器具有非易失性、低功耗等優(yōu)點，且在斷電的情況下能對已經(jīng)讀寫的數(shù)據(jù)進行長期的保存，所以對于實驗中的重要數(shù)據(jù)可通過MSP430f5438的I2C程序，對FM24V10進行讀寫操作，進而達到保存數(shù)據(jù)的目的，如圖3所示。具體的設(shè)計步驟如下。

圖3 程序及要寫入FRAM的數(shù)據(jù)Fig.3 Program and the data to be written to FRAM

(1) 對MSP430f5438進行初始化，使芯片工作在I2C協(xié)議下。

(2) 向FM24V10寫入數(shù)據(jù)，此處應(yīng)該賦予不同組別的數(shù)據(jù)以不同的Slave address，方便單片機對于數(shù)據(jù)的讀操作，且要記住每組數(shù)據(jù)的Slave address。

(3) 寫操作結(jié)束后進行讀操作，編程使單片機工作在寫操作模式下，把FM24V10中的指針指向?qū)⒁獙?shù)據(jù)進行讀操作的相應(yīng)的Slave address。

(4) 編程使單片機工作在讀模式下，由于指針已經(jīng)指在相應(yīng)的第一個數(shù)據(jù)上，所以可以相應(yīng)地對數(shù)據(jù)進行讀操作。

(5) 重復(fù)前述步驟，完成不同組別數(shù)據(jù)的讀寫。

圖4是寫入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式，Head由2 Byte數(shù)據(jù)組成，其中前2 bit是寫入數(shù)據(jù)類型，二進制數(shù)據(jù)00表示流速數(shù)據(jù)，01表示VIV數(shù)據(jù)，10表示光纖應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。Head的最后10 bit數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)長度，最長可以表示1 024個數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)存儲格式Fig.4 Storage format of the data

1.4 外部RTC設(shè)計

DS3231是低成本、高精度I2C實時時鐘，具有集成的溫補晶體振蕩器(TCXO)和晶體。集成晶體振蕩器提高了器件的長期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。通過MSP430單片機由I2C向DS3231芯片寫入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)計時和鬧鐘功能，再通過觀察相應(yīng)寄存器內(nèi)的數(shù)值和指示燈證明功能實現(xiàn)，并將當前時間由DS3231讀入MSP430。圖5為RTC控制流程[7]。

圖5 RTC控制流程Fig.5 RTC control process

1.5 信號放大/功率放大平臺設(shè)計

根據(jù)發(fā)射功率放大平臺設(shè)計需求，本文對發(fā)射機的設(shè)計如圖6所示。

1.6 內(nèi)記數(shù)據(jù)存儲格式設(shè)計

用來作內(nèi)記的SD卡外部存儲器采用的是DSP的一個外設(shè)。為了降低DSP的工作時間，且為了避免頻繁啟動DSP工作造成的能量消耗，采用FRAM中轉(zhuǎn)的記錄方式。待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，將數(shù)據(jù)從FRAM中取出，此時啟動DSP，并寫入DSP外設(shè)SD卡中。數(shù)據(jù)流動方式如圖7所示。

圖6 發(fā)射機原理圖紙Fig.6 Principle drawing of the transmitter

圖7 數(shù)據(jù)流動方式Fig.7 Flow patterns of the data

2 試驗與結(jié)果分析

圖8和圖9為調(diào)試過程中FRAM緩存存儲器的相應(yīng)結(jié)果。

圖8 調(diào)試過程及要寫入FRAM的數(shù)據(jù)Fig.8 Debugging process and the data to be written to FRAM

圖9 讀出FRAM的數(shù)據(jù)Fig.9 Readout of the FRAM data

圖10(a)表示了計時器的初始時間，即2012年8月27日，星期一，12∶00∶00。圖10(b)表示設(shè)定的鬧鐘時間為12∶00∶30。

圖10 要寫入RTC的時間數(shù)據(jù)Fig.10 Time data to be written to RTC

對制成的電路板進行調(diào)試，結(jié)果如圖11所示，其中圖11(a)、(b)分別為未到達鬧鐘時間和到達鬧鐘時間的狀態(tài)。在鬧鐘時間到達后，讀出時間如圖12所示，2012年8月27日，星期一，12∶00∶30。

圖11 電路板狀態(tài)Fig.11 State of the circuit board

圖12 鬧鐘時間到讀出的數(shù)據(jù)Fig.12 Data read at the alarm time

3 結(jié) 語

本文針對深水隔水管疲勞監(jiān)測問題，提出了一種基于水聲的低功耗監(jiān)測方法。通過硬件與軟件的設(shè)計，其中包括FRAM緩存存儲器的設(shè)計、外部RTC設(shè)計、信號放大/功率放大平臺設(shè)計、內(nèi)機數(shù)據(jù)存儲的設(shè)計，以MCU作為控制核心，DDS作為波形產(chǎn)生單元，采用“中斷—喚醒—工作—休眠”的低功耗工作流程，對最后形成的水下信息處理裝置進行了原理圖重新設(shè)置，成功制板后，順利完成了電路板的調(diào)試工作。

水下監(jiān)測平臺采用電池組供電，在電池容量不變的情況下，系統(tǒng)通過周期性的工作，以最小耗能模式完成了水下信息采集、處理與傳輸，一切工作符合設(shè)計要求。該平臺實現(xiàn)了低功耗的工作模式，降低了監(jiān)測系統(tǒng)的能量消耗，拓寬了現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的生存期，保證了對隔水管狀態(tài)長期監(jiān)測任務(wù)的實現(xiàn)。

[1] Lim F, Howells H. Deepwater riser VIV, fatigue and monitoring[C]. Deepwater Pipeline & Riser Technology Conference, 2000.

[2] 孫友義,陳國明.超深水鉆井系統(tǒng)隔水管波致疲勞研究[J].石油學報，2009,30(3):460.

[3] Podskarbi M, Walters D. Review and evaluation of riser integrity monitoring systems and data processing methods[C]. DOT, 2006.

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[6] 李保軍,王海燕,申曉紅,等.一種隔水管渦激振動檢測新算法[J].計算機測量與控制，2011(6):1273.

[7] 暢元江.深水鉆井隔水管設(shè)計方法及其應(yīng)用研究[D].青島：中國石油大學(華東)，2008.

DesignofLow-PowerPlatformforDeepwaterRiserUnderwaterMonitoring

BAI Hao1, ZHANG Meng-na2, SHEN Xiao-hong2,WANG Hai-yan2

(1.ZhanjiangNanhaiWestOilSurvey&DesignCo.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong524057,China;2.CollegeofMarineEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi710072,China)

Underwater information processing platform is the nerve center of the riser fatigue monitoring device. It controls fatigue parameters detection, signal processing, data transmission, dormancy and initiation of the monitoring equipment and a series of processes. The hardware system of the low-power-consumption underwater information processing platform consists of low-power microprocessor, high-speed digital signal processor (DSP), a variety of sensors, signal modulation and transmission circuit, power supply and other accessories and so on. In order to improve the service period of the monitoring equipment, we optimize the design of the low-power underwater information processing platform during the “Eleventh Five-Year” period. We add storage modules and optimize spatial layout and program flow to greatly reduce the circuit board area. After optimization, the reliability of the underwater information processing platform is enhanced further. And then the volume and weight of the riser monitoring system are reduced and its convenience and applicability are improved.

marine oil and gas pipeline; deepwater riser; fatigue; low power consumption; underwater information processing platform; optimal design

TE53

A

2095-7297(2015)02-0133-05

2015-02-11

國家科技重大專項(2011ZX05026-001-06)

白浩(1986—)，男，工程師，主要從事石油機械工程方面的研究。

*通信作者。