陳奕龍，梁華慶，劉子婧，王聲輝

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)石油化工集團(tuán)中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng)457001）

管內(nèi)智能封堵器通信與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳奕龍1，梁華慶1，劉子婧2，王聲輝1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)石油化工集團(tuán)中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng)457001）

目前國(guó)內(nèi)用于輸送石油天然氣的管道鋪設(shè)長(zhǎng)度逐年增加，對(duì)于油氣輸送管道的維護(hù)維修需求愈發(fā)增加。管內(nèi)智能封堵技術(shù)相比傳統(tǒng)的封堵技術(shù)，在工程量，成本上擁有明顯的優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)工作環(huán)境的無(wú)線(xiàn)通信控制要求，在管內(nèi)智能封堵器中，通信與控制系統(tǒng)是核心技術(shù)。本系統(tǒng)采用基于低頻電磁波的雙向通信方法，地面控制單位發(fā)射帶有碼元信息的低頻電磁波，管內(nèi)作業(yè)單元接收到此電磁波，通過(guò)濾波、放大、解調(diào)得到相應(yīng)的碼元，從而根據(jù)碼元判斷所需要進(jìn)行的各項(xiàng)操作。并在作業(yè)的不同階段發(fā)送代表工作狀態(tài)的電磁波到地面控制單元。通過(guò)建立穩(wěn)定的雙向通信通道，完成地面控制器與管內(nèi)作業(yè)單元的同步工作，完成對(duì)管內(nèi)智能封堵器的控制，保證封堵作業(yè)順利進(jìn)行。

智能封堵器；無(wú)線(xiàn)通信；電磁波；控制

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)一直處于飛速發(fā)展階段，工業(yè)則是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱。隨著工業(yè)、工程項(xiàng)目數(shù)量不斷增加，規(guī)模不斷增大，石油和天然氣的消費(fèi)需求一直處于上漲的趨勢(shì)[1]。由于我國(guó)石油和天然氣的儲(chǔ)藏地點(diǎn)與實(shí)際其實(shí)際消費(fèi)地點(diǎn)之間往往間距甚遠(yuǎn)[2]，石油和天然氣的傳輸在石油天然氣行業(yè)中也越發(fā)重要。在各類(lèi)傳輸途徑中，管道運(yùn)輸則有著其獨(dú)一無(wú)二的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。所以，“十二五”規(guī)劃以來(lái)我國(guó)已經(jīng)建設(shè)形成多個(gè)油氣區(qū)域管網(wǎng)[3]。我國(guó)的已建成和在役官管網(wǎng)總長(zhǎng)度逐年增加，所以對(duì)管道網(wǎng)絡(luò)安全管理方式革新和維護(hù)技術(shù)提升的要求則愈發(fā)強(qiáng)烈。

目前，油氣輸送管道的維護(hù)維修技術(shù)主要分為以下幾種[4]。一、帶壓開(kāi)孔封堵技術(shù)，指在密閉狀態(tài)下，以機(jī)械切削方式在運(yùn)行管道上加工出圓形孔的一種作業(yè)技術(shù)。當(dāng)在役管線(xiàn)需要加裝支管時(shí)，采用管道帶壓開(kāi)孔施工，做到在不影響管線(xiàn)的正常輸送下進(jìn)行封堵操作。二、管內(nèi)高壓封堵技術(shù)，指20世界90年代發(fā)展起來(lái)的新型封堵技術(shù)。封堵器從清管器發(fā)射端進(jìn)入管道內(nèi)部，隨著運(yùn)輸介質(zhì)推動(dòng)，到達(dá)欲封堵管段時(shí)，實(shí)施封堵作業(yè)的技術(shù)[5]。相比廣泛運(yùn)用的帶壓開(kāi)孔技術(shù)，新型的管內(nèi)智能封堵技術(shù)有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。突破傳統(tǒng)封堵器的開(kāi)孔作業(yè)模式，縮小了施工的規(guī)模，降低了封堵作業(yè)本身的成本。工藝簡(jiǎn)單，損失減小，并且拓展了其在不用地質(zhì)條件的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。

管內(nèi)智能封堵系統(tǒng)由封堵機(jī)械機(jī)構(gòu)、應(yīng)急處理系統(tǒng)、通信與控制系統(tǒng)、微型液壓系統(tǒng)構(gòu)成[6]。通過(guò)超低頻電磁信號(hào)的發(fā)射和接收裝置以及信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)的理論與試驗(yàn)研究，達(dá)到能通過(guò)鋼質(zhì)管壁傳遞控制信號(hào)并有效控制微型液壓系統(tǒng)液壓泵的目的，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其信號(hào)傳輸及控制的有效性，是研發(fā)管內(nèi)高壓智能封堵的關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。

文中根據(jù)管內(nèi)智能封堵器的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種用于管內(nèi)智能封堵器的通信與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)可完成向管內(nèi)智能封堵器正確發(fā)送指令，同時(shí)將管內(nèi)封堵器的動(dòng)作狀態(tài)返回地面控制單元，實(shí)現(xiàn)控制單元和封堵器管內(nèi)作業(yè)單元雙向通信，完成對(duì)其各種動(dòng)作的控制，保證管內(nèi)智能封堵作業(yè)的準(zhǔn)確可靠。

1 系統(tǒng)總體原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由管內(nèi)單元和地面單元兩部分組成。管兩單元結(jié)構(gòu)基本相同，均由信號(hào)調(diào)制及發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊和狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制模塊構(gòu)成。管外單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)單元的控制指令發(fā)射，和對(duì)管內(nèi)單元工作狀態(tài)的監(jiān)視并根據(jù)其不同的工作狀態(tài)進(jìn)行下一步的判斷。管內(nèi)單元主要作用為，接收地面單元發(fā)送的指令碼，控制封堵器進(jìn)行封堵、解封堵等各項(xiàng)作業(yè)。同時(shí)自身工作狀態(tài)以狀態(tài)碼的形式發(fā)送給地面單元。地面和管內(nèi)單元實(shí)現(xiàn)雙向通信，最終完成對(duì)封堵器整體系統(tǒng)的控制。

本系統(tǒng)雙向通信采取發(fā)射和接收電磁信號(hào)的方式，關(guān)鍵在于地面和管內(nèi)單元的不同狀態(tài)切換。保證在二者中，一個(gè)處于發(fā)射狀態(tài)，而另一個(gè)接收狀態(tài)。同時(shí)，考慮到智能封堵器作業(yè)的特殊環(huán)境，需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和模擬選擇最可靠的發(fā)射和接收的載波頻率。以保證信號(hào)發(fā)射和接收的準(zhǔn)確，保證控制命令傳達(dá)有效和封堵作業(yè)的順利進(jìn)行。

2 系統(tǒng)各模塊方案及電路設(shè)計(jì)

由于管內(nèi)單元和地面單元的功能基本一致，出于成本控制考慮，設(shè)計(jì)成基本一樣的硬件結(jié)構(gòu)。采用一個(gè)主控芯片，其功能有以下：控制芯片外圍采集、傳輸?shù)入娐?，完成?shù)據(jù)處理算法；根據(jù)各單元不同的工作狀態(tài)，完成信號(hào)發(fā)射，或者信號(hào)接收處理功能。

2.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要求，主控芯片能控制系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊電路[8]，完成對(duì)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)工作，完成數(shù)字信號(hào)處理工作，根據(jù)以上的需求，本系統(tǒng)采用基于Cortex-M4處理器的微控制器（MCU）作為主控芯片。主控芯片電路如圖1所示。

2.2 發(fā)射與接收模塊

發(fā)射部分，由嵌入式系統(tǒng)編程產(chǎn)生碼元信號(hào)，經(jīng)三極管放大后，驅(qū)動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈發(fā)射對(duì)應(yīng)頻率的電磁波，實(shí)現(xiàn)發(fā)射不同頻率的電磁信號(hào)[9]。發(fā)射部分電路如圖2所示。

管內(nèi)單元通過(guò)接收線(xiàn)圈將接收到的電磁波實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。再通過(guò)A/D采樣轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)。再通過(guò)放大和濾波將干凈的波形送入MCU中。在MCU程序中寫(xiě)入快速傅里葉算法[10]，將數(shù)字信號(hào)中所包含的頻率信息提取出來(lái)，從而得到頻率對(duì)應(yīng)的碼元。信號(hào)接收電路如圖3所示。

本系統(tǒng)采用兩個(gè)不同的頻率代表不同的碼元。f1表示碼元“0”，f2表示碼元“1”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，選取20 Hz至30 Hz的頻段比較適用于智能封堵器作業(yè)環(huán)境[11]，達(dá)到相對(duì)大的發(fā)射功率，同時(shí)較好地避免了50 Hz的工頻干擾，故選取的參數(shù)如下：f1=20 Hz，代表碼元“0”；f2=30 Hz，代表碼元“1”。當(dāng)通過(guò)同步算法檢測(cè)到調(diào)制信號(hào)時(shí)，MCU實(shí)時(shí)對(duì)采集得到的數(shù)字信號(hào)做快速傅里葉變換（FFT），檢索到頻譜的最大峰值[12]，判斷最大峰值頻率是否對(duì)應(yīng)管外單元發(fā)射的兩個(gè)頻率20 Hz和30 Hz，根據(jù)調(diào)制時(shí)頻率f1和f2分別表示碼元“0”和“1”的規(guī)則，完成信號(hào)的解調(diào)，得到所傳輸?shù)耐ㄐ糯a信息[13]。

圖1 主控芯片電路圖

圖2 信號(hào)發(fā)射電路圖

2.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計(jì)的發(fā)射和接收模塊由同一個(gè)MCU進(jìn)行控制，所以在其工作中，要不斷的進(jìn)行發(fā)射和接收狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，將對(duì)應(yīng)的發(fā)射或者接收線(xiàn)圈接入電路中。當(dāng)MCU發(fā)射出或者接收到一個(gè)完整的控制信號(hào)后，就會(huì)輸出一個(gè)控制信號(hào)，帶動(dòng)繼電器切換接入的線(xiàn)圈。狀態(tài)裝換模塊電路如圖4所示。

3 封堵器控制實(shí)現(xiàn)方式

管內(nèi)高壓智能封堵器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由封隔圈、擠壓碗、鎖定滑塊、承壓頭、執(zhí)行器盤(pán)、液壓缸、支撐輪總成、彈簧及導(dǎo)向桿、球鉸鏈等零部件組成。同時(shí)內(nèi)置了本設(shè)計(jì)的管內(nèi)控制單元。管內(nèi)控制單元依照當(dāng)前的工作狀態(tài)及管外單元的指令通過(guò)切換繼電器的方式完成對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制[14]。

封堵器工作時(shí)：由清管器發(fā)球端進(jìn)入管道?？刂颇K及上位機(jī)將置于被封堵管段上方，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式進(jìn)行控制；封堵器運(yùn)行至需要封堵的管段，管外單元發(fā)射超低頻電磁脈沖信號(hào)，攜帶指令碼，管內(nèi)單元接收到電磁波通過(guò)內(nèi)置算法得到相應(yīng)的指令碼后，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

當(dāng)管內(nèi)單元接收到指令后，判斷本指令是否有效，得到有效指令后控制封堵器完成相應(yīng)的操作。隨后發(fā)射一個(gè)代表當(dāng)前工作狀態(tài)的狀態(tài)碼給地面單元；反之，則發(fā)射一個(gè)錯(cuò)誤的狀態(tài)碼。地面單元根據(jù)接收到來(lái)自于管內(nèi)單元的狀態(tài)碼的信息，判斷是否發(fā)送下一步指令或者重新發(fā)送前次指令[15]。

依照封堵器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和其工作流程，預(yù)設(shè)指令碼6個(gè)，由地面單元發(fā)送給管內(nèi)單元，同時(shí)預(yù)設(shè)管內(nèi)單元6個(gè)對(duì)應(yīng)狀態(tài)碼。本設(shè)計(jì)指令碼和狀態(tài)碼如圖5所示。

圖3 信號(hào)接收電路圖

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路圖

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了使用嵌入式芯片驅(qū)動(dòng)發(fā)送超低頻電磁波的方式，實(shí)現(xiàn)了智能封堵器的管外單元和管內(nèi)單元的雙向通信，通過(guò)使用自編的控制及狀態(tài)指令碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)封堵器封堵作業(yè)流程的控制。此系統(tǒng)通過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)，可以適用于大部分設(shè)備使用環(huán)境。具備優(yōu)良的通信性能，提升了設(shè)備控制的準(zhǔn)確性。并且使得智能封堵器使用更加簡(jiǎn)便。

目前本系統(tǒng)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。雙向通信的精確性和實(shí)時(shí)性有待進(jìn)一步的加強(qiáng)，這也是國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠商共同面對(duì)的難題。

我國(guó)對(duì)于管內(nèi)智能封堵器的研究仍處于起步階段，本設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)生產(chǎn)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管內(nèi)智能封堵器，并突破國(guó)外的技術(shù)封鎖有這一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 指令碼和狀態(tài)碼

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Design of communication and control system for oil-gas pipeline intelligent plugs

CHEN Yi-long1，LIANG Hua-qing1，LIU Zi-jing2，WANG Sheng-hui1
（1.College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China；2.Sinopec Zhongyuan Oilfield Research Institute of Petroleum Engineering，Puyang 457001，China）

At present，the length of pipeline laying for the oil and natural gas is increasing year by year，and the demand of maintenance and repair for oil and gas transmission pipeline is increasing.Compared with the traditional sealing technology，the intelligent sealing technology in the pipe has obvious advantages in the engineering quantity and cost.In order to achieve the requirements of wireless communication control according to the work environment of intelligent pipe plug，the communication and control system is the core technology.The system uses a two-way communication method based on low frequency electromagnetic wave，the control unit on the ground emission of low frequency electromagnetic wave with symbol information，operation unit in the tube receives the electromagnetic wave，obtain the corresponding symbols by amplifying，filtering and demodulation and then obtain the corresponding action.The operation unit emission different electromagnetic wave when it is in different working condition to the ground control unit.By establishing a stable bidirectional communication channel，we can make sure the controlling unit on the ground and the operation unit in the tube can work in tandem，and control the intelligent plus，to ensure the plugging operation.

wireless communication；electromagnetic wave；control

TN973

：A

：1674-6236（2017）02-0145-05

2016-01-21稿件編號(hào)：201601191

北京市城市油氣配輸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（BJ2013015）

陳奕龍（1990—），男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：信號(hào)檢測(cè)與處理。