海底石油管道缺陷检测爬行器的运动控制

2003年10月（1）

摘要   介绍了海底石油管道检测系统的工作过程，详细阐述了智能控制器的缺陷精确定位过程、硬件结构和位置控制算法。系统经仿真和试验运行表明了该控制器的运动控制具有良好的正确性和可靠性。

关键词   管道缺陷检测    智能爬行器   智能控制器     精确定位    运动控制

0  引言

   石油管道经长期使用，管壁受冲刷和腐蚀以致减薄，常会发生泄漏事故，造成巨大的经济损失，且污染环境影响生态，做好输油管道的在线检测工作，已成为能源部门的当务之急。

   由于采用传统的检测手段实施海底输油管道的检测非常困难，国内外已做了大量的研究开发工作^[1~8]，目前发达国家主要采用管道检测爬行器进行检测，其检测主要采用漏磁检测及超声检测等方法。管道检测爬行器主要由电动机爬行器、智能控制器、数据存储器、漏磁及电磁超声检测器、定位装置、同位素射线发射器、动力源等组成。

   本检测系统的工作步骤分为在检测和精确大地定位两个阶段，首先进入在线检测段，此阶段借助于管内原油的压差驱动通过漏磁及超声检测器检测壁厚及缺陷，里程轮和旋转编码器测出行走距离，捷联惯性导航（SINS）系统连续检测爬行器运动的加速度、速度、位置及方位信号，这些信息经压缩存储到硬盘中。检测完毕后，通过管道缺陷评价系统进行信息处理和安全评价，以确定管道是否需要维修，并大致确定漏点和缺陷的位置；接着进入缺陷的精确大地定位阶段，潜水员从检测船下水修复管道之前，还需抽空管道，并用检测爬行器对管道进一步精确定位缺陷的具体位置。预先应在爬行器的智能控制模块上设定前一在线检测阶段测出的缺陷初步位置信息，接着爬行器在电池动力源的驱动下带动整个检测系统在空管内行走，进行检测对比，确认发现待修复缺陷后，自动精确停止在缺陷位置，管道爬行器上的放射性同位素跟踪定位系统与海上维修船上的GPS系统相结合，实现缺陷和漏点的精确大地定位。

1  检测爬行器的缺陷定位过程

   检测起点爬行器自动启动，在终点自动停止；爬行速度和检测速度的自动转换；精确定位时给出定位信号和相对距离，并判定定位情况；找正缺陷位置后发射同位素；精确定位后自动启动爬行。

   检测装置的首要任务是找到缺陷处，精确定位，让同位素发射源对正缺陷处，检测装置自动停止。这个任务要经历的运动过程如图1所示，它可分为几个部分：首先，检测装置在爬行器的带动下，从开始装置A点按斜坡升速控制规律加速到B点最高速，并以此较高的爬行速度均速向前行进，通过编码器反馈回来的位置信息，在预定降速位置C点按斜坡减速控制规律降至减速（D点），并以此较慢的检测速度继续行进，同时开始检测缺陷信息；在E点检测到缺陷后，位置控制系统采取PID控制方法将检测装置停在检测位置允许的范围内的F点处。而后，控制系统精确测量出放射装置与缺陷中心间的相对距离，爬行器可再依靠编码器的实际位置信息，低速调整至使放射装置停在缺陷中心位置。

图1  检测装置定位过程示意图

2  智能控制器的结构

   考虑到本系统要求体积小、可靠性高、耗电省、编程容易等条件，选择当前较为流行的PC104嵌入式工控机作为系统主机，图2为智能控制器的硬件结构图。该系统由LM628电路、D/A转换器、功率放大器、直流电动机、增量编码器等构成。

        图2 智能控制器的位置/速度控制电路

2.1  直流电动机

采用稀土无刷直流永磁电动机，这种电动由稀土永磁同步电机、逆变控制器及转子位置检测器构成，它具有体积小、重量轻、效率高、惯性小、响应快和可靠性好等特点，同时还保留有类似直流电动机优良的控制特性，它有代替普通直流有刷电动机的趋势。

2.2  增量式光电旋转编码器

常用位置传感器有：电位器、光电旋转编码器、直线光电编码器、绝对位置编码器和旋转变压器等。本系统选用增量式光电旋转编码器，它由外壳、光源、码盘（圆光柵）、挡板、光检测器、电路板等组成。码盘固联在电机的轴上，与电机以相同的速度旋转，而挡板是固定的。它的分辨率用码盘旋转一周在光电检测部分可产生的脉冲数来表示。它的输出信号有双通道的光电脉冲输出信号A和B，以及定位或零位信号index，其中两信号A和B的占空比均为50％，如果朝一个方向旋转时信号A相位领先于信号B90°，而反方向旋转时，信号B在相位上领先于信号A90°，这两个信号经处理电路可转变为4倍频计数信号和方向信号，信号A和B的频率由电机的转速决定；index信号用于产生回零或复位操作，电极每转产生一个脉冲用来找出电机在初始状态的绝对位置。