海底石油管道缺陷檢測爬行器的運動控制

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海底石油管道缺陷檢測爬行器的運動控制

檢測爬行器的缺陷定位過程智能控制器的結構智能控制器的位置/速度控制電路增量式光電旋轉編碼器

2003年10月(1)

摘要   介紹了海底石油管道檢測系統的工作過程,詳細闡述了智能控制器的缺陷精確定位過程、硬件結構和位置控制算法。系統經仿真和試驗運行表明了該控制器的運動控制具有良好的正確性和可靠性。

關鍵詞   管道缺陷檢測    智能爬行器   智能控制器     精確定位    運動控制

0  引言

   石油管道經長期使用,管壁受沖刷和腐蝕以致減薄,常會發生泄漏事故,造成巨大的經濟損失,且污染環境影響生態,做好輸油管道的在線檢測工作,已成為能源部門的當務之急。

   由于采用傳統的檢測手段實施海底輸油管道的檢測非常困難,國內外已做了大量的研究開發工作[1~8],目前發達國家主要采用管道檢測爬行器進行檢測,其檢測主要采用漏磁檢測及超聲檢測等方法。管道檢測爬行器主要由電動機爬行器、智能控制器、數據存儲器、漏磁及電磁超聲檢測器、定位裝置、同位素射線發射器、動力源等組成。

   本檢測系統的工作步驟分為在檢測和精確大地定位兩個階段,首先進入在線檢測段,此階段借助于管內原油的壓差驅動通過漏磁及超聲檢測器檢測壁厚及缺陷,里程輪和旋轉編碼器測出行走距離,捷聯慣性導航(SINS)系統連續檢測爬行器運動的加速度、速度、位置及方位信號,這些信息經壓縮存儲到硬盤中。檢測完畢后,通過管道缺陷評價系統進行信息處理和安全評價,以確定管道是否需要維修,并大致確定漏點和缺陷的位置;接著進入缺陷的精確大地定位階段,潛水員從檢測船下水修復管道之前,還需抽空管道,并用檢測爬行器對管道進一步精確定位缺陷的具體位置。預先應在爬行器的智能控制模塊上設定前一在線檢測階段測出的缺陷初步位置信息,接著爬行器在電池動力源的驅動下帶動整個檢測系統在空管內行走,進行檢測對比,確認發現待修復缺陷后,自動精確停止在缺陷位置,管道爬行器上的放射性同位素跟蹤定位系統與海上維修船上的GPS系統相結合,實現缺陷和漏點的精確大地定位。

1  檢測爬行器的缺陷定位過程

   檢測起點爬行器自動啟動,在終點自動停止;爬行速度和檢測速度的自動轉換;精確定位時給出定位信號和相對距離,并判定定位情況;找正缺陷位置后發射同位素;精確定位后自動啟動爬行。

   檢測裝置的首要任務是找到缺陷處,精確定位,讓同位素發射源對正缺陷處,檢測裝置自動停止。這個任務要經歷的運動過程如圖1所示,它可分為幾個部分:首先,檢測裝置在爬行器的帶動下,從開始裝置A點按斜坡升速控制規律加速到B點最高速,并以此較高的爬行速度均速向前行進,通過編碼器反饋回來的位置信息,在預定降速位置C點按斜坡減速控制規律降至減速(D點),并以此較慢的檢測速度繼續行進,同時開始檢測缺陷信息;在E點檢測到缺陷后,位置控制系統采取PID控制方法將檢測裝置停在檢測位置允許的范圍內的F點處。而后,控制系統精確測量出放射裝置與缺陷中心間的相對距離,爬行器可再依靠編碼器的實際位置信息,低速調整至使放射裝置停在缺陷中心位置。

圖1  檢測裝置定位過程示意圖

2  智能控制器的結構

   考慮到本系統要求體積小、可靠性高、耗電省、編程容易等條件,選擇當前較為流行的PC104嵌入式工控機作為系統主機,圖2為智能控制器的硬件結構圖。該系統由LM628電路、D/A轉換器、功率放大器、直流電動機、增量編碼器等構成。

        圖2 智能控制器的位置/速度控制電路

2.1  直流電動機

采用稀土無刷直流永磁電動機,這種電動由稀土永磁同步電機、逆變控制器及轉子位置檢測器構成,它具有體積小、重量輕、效率高、慣性小、響應快和可靠性好等特點,同時還保留有類似直流電動機優良的控制特性,它有代替普通直流有刷電動機的趨勢。

2.2  增量式光電旋轉編碼器

常用位置傳感器有:電位器、光電旋轉編碼器、直線光電編碼器、絕對位置編碼器和旋轉變壓器等。本系統選用增量式光電旋轉編碼器,它由外殼、光源、碼盤(圓光柵)、擋板、光檢測器、電路板等組成。碼盤固聯在電機的軸上,與電機以相同的速度旋轉,而擋板是固定的。它的分辨率用碼盤旋轉一周在光電檢測部分可產生的脈沖數來表示。它的輸出信號有雙通道的光電脈沖輸出信號A和B,以及定位或零位信號index,其中兩信號A和B的占空比均為50%,如果朝一個方向旋轉時信號A相位領先于信號B90°,而反方向旋轉時,信號B在相位上領先于信號A90°,這兩個信號經處理電路可轉變為4倍頻計數信號和方向信號,信號A和B的頻率由電機的轉速決定;index信號用于產生回零或復位操作,電極每轉產生一個脈沖用來找出電機在初始狀態的絕對位置。

 

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