基于虚拟仪器平台的压力管道检测技术应用研究
| 金 彦 储昭武 (上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062； 上海市标准化研究院，上海 200031） 摘 要 简要的介绍了虚拟仪器技术的概念和特点．给出了利用虚拟仪器技术及LabVIEW 软件进行压力管道无损检测系统上位机平台开发研究的实例，是对于压力管道检测软件虚拟仪器化的一个有益的尝试．有助于提高检测工作的效率和有效性。 关键词 虚拟仪器 压力管道 LabVIEW １ 压力管道检验检测技术现状 压力管道是在一定温度和压力下，用于运输流体介质的特种设备，广泛应用于石油化工、冶金、电力等行业生产及城市燃气和供热系统等公众生活之中。随着工业生产的发展和城市燃气及热力管网的普及，各类管道的数量不断增加，特别是输送可燃气、易爆性及对人体和环境有害性介质的压力管道数量逐年递增，这也使发生事故的可能性增大。目前本市的大多数压力管道已经运行多年，进入维修期，而另一方面东海天然气、西气东输工程等长输管道又相继建设，据不完全统计，目前上海在用工业管道数量约为8000km，在用(建)公用管道数量约为1000km，合计9000km，对压力管道的检验检测已经成为十分紧迫的任务。但由于对压力管道进行监管还是近年才开始的工作，对管道的检验检测手段还十分缺乏，因为管道壁薄、曲率大、高空架设或埋地、交叉密集等特点，检验检测工作难度也很大，对在用管道检测和评定技术大致分为管道壁厚及其内部状态的检测技术、管道壁厚或流体污物含量监测技术和泄漏检测技术。采用常规方法需要拆换保温或开挖地面，时间长、费用高。目前，国外检测压力管道主要开发和应用智能清管器、声发射、磁泄漏、远红外等技术，而我国在这些检测技术方面还刚开始引进，本市基本上还是空白。  石油管道 2 虚拟仪器技术概述 仪器技术发展到今天也已经经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器及单台仪器、叠加式仪器系统、虚拟仪器系统这样两条发展主线。任何一台传统的仪器都无非有三大功能块组成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达和输出。这些功能都是以硬件的形式存在的，这就决定了传统仪器只能由仪器的生产厂家来定义、制造，用户无法改变的事实。 但是随着新技术的发展，仪器的精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好。而传统仪器基本上没有摆脱独立使用，手动操作的模式。对于较为复杂，测试参数较多的应用场合，使用不便，局限性明显。于是在计算机技术和微电子技术发展的带动下，人们将虚拟现实技术（Virtual Reality）引入到仪器设计中就产生了仪器仪表工业跨世纪的里程碑——虚拟仪器(Virtual Instrument)。虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件或硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统仪器。虚拟仪器与传统仪器相比，其特点见表1。正是鉴于虚拟仪器技术的以上优势，采用虚拟仪器平台进行压力管道检测技术手段的研究，大有意义。 表1 虚拟仪器与传统仪器的比较表  正是鉴于虚拟仪器技术的以上优势，采用虚拟仪器技术进行压力管道检测平台的上位机开发，具有方便灵活，经济高效的特点，虚拟仪器技术将成为管道检验检测平台中的一个有益尝试。 当今流行的虚拟仪器软件主要有美国国家仪器公司(National Instruments，NI)的I abVIEW 、Measurement Studio(包括了LabWindows／CVI)以及HP公司VEE等，本文将重点介绍采用NI公司软件的开发实现。 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument En—gineering Workbench，实验室虚拟仪器平台)是NI公司开发的图形化软件开发环境。它是一种“工程师和科学家的语言”，LabVIEW 采用把复杂繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法，通过选择功能(图形)，并用线系把把各个功能图标连接起来的方法进行图形化编程，在LabVIEw 中所编写的源程序，很接近程序流程图。LaBVIEW中还内置了便于应用TCP／IP、ActiveX等软件标准的库函数。 Measurement Studio 6．0是NI公司最新推出的为基于文本编程的程序员们提供的为数据采集、分析、处理及Internet等功能设计的面向测试和控制应用领域的标准开发软件包，包含了基于ANSIC的Lab Windows／CVI，专门为VB和VC++提供的ActiveX控件三个组成部分。通过Meas—urement Studio为Visual Basic准备的ActiveX控件以及为Visual C++提供的一组C++类库，可以实现完整的对IVI(Interchangeable virtual in—strumentation可互换虚拟仪器)类仪器的兼容性。同时利用ActiveX组件对象模型(COM)以及动态连接库(DLL)集成各应用程序以扩展测量系统的功能，或是在不同的编译语言之间共享应用方案还可以节省宝贵的开发时间又可以避免重复浪费。Labwindows／CVI则是面向仪器的交互式C语言开发平台，其将功能强大、使用灵活的C语言与用于数据获取、分析和显示的测控专业工具结合起来，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测试系统、数据采集系统等提供了理想的软件开发环境。 3 检测系统的虚拟仪器实现 本系统采用声发射技术作无损检测手段，以LabVIEW 作为开发工具进行了应用于压力管道无损检测的虚拟仪器上位机系统的研究工作，系统总体框图如图1所示。信号经由传感器、前置放大器、数据采集卡及I／O 接口进入计算机，在以I ab—VIEw 软件程序模拟的各种仪器控制面板下，利用计算机软件完成滤波、声发射计数及计数率、有效平均电压(RMS)和频域分析等各种各样的信号分析、处理，最后交由故障诊断系统给出处理结果。在虚拟仪器平台上进行的信号处理流程如图2所示。  图1 系统总体框图  图2 信号处理流程图 在LabVIEW 中用户可以看到两个窗口和三个浮动的图形化工具模板，分别为前面板窗口和框图程序窗口，工具模板、控件模板和功能模板。我们可以在前面板窗口通过控件模板设计所需要的仪器前面板，同时利用功能模板中提供的各个函数通过连线工具与各输入输出端相连来直观的编辑和实现程序流程图，这也就是LabVIEW 所要实现的程序代码。 虚拟仪器面板则是用户和仪器之间进行信息交流的纽带，在LabVIEW 虚拟仪器中，前面板即是其图形用户接口，用于人机交互，在此接口上集成了用户输入，并显示程序的输出。前面板包括有旋钮、按钮、图形和其他的控制与显示对象。首先用户的感觉从面板的显示元件感知反映仪器状态的信息，然后用户对其进行解释、分析、评价和判断，确认仪器所处状态，并将该状态与用户主观目标相比较，决定下一步操作序列。本系统所设计的虚拟仪器面板如图3所示，面板上大致分为左侧的控制操作区和右侧的图表显示区两个区域，在操作控制区中，可分别实现采集控制、文件操作、信号分析处理和滤波器选择及设置等不同功能。  仪器面板>罔3 系统虚拟仪器面板 由于压力管道检验检测过程通常都在现场条件下进行，往往和各种各样的机械装置、电子设备同时工作，因此不可避免的要受到种种噪声信号的干扰，故滤波操作在无损检测信号处理过程中占有重要的作用。我们下面就系统中的滤波模块为例，给出G代码来说明其图形化的编程特点。在LabVIEW 这个开发工具中，流程控制的各种结构也是由图形化的框图来实现的．系统中的滤波模块即采用了Case结构，以此实现在前面板中选择所要使用的滤波器种类，选通类型，设置滤波器等各项参数后实际使用滤波器的切换工作，大多数常用的滤波器函数，已由ＬabVIEW 开发工具预先封装在系统内，使用时只需调用并定义参数即可。至于数据流转过程的实现，我们只须根据其先后顺序，依次进行对功能模块的连线操作即可完成图形化的开发工作。G代码如图4所示。  图4 滤波模块程序代码 4 结论 (1)虚拟仪器技术的出现给压力管道检测工作提供了一种方便、快捷的解决方案，结合诸如超声波、声发射等压力管道检测技术手段，使用人员可以根据实际情况、不同习惯来开发适合自己具体应用的检测平台，可以提高压力管道的检测工作的效率 和有效性。 (2)系统用户界面友好、灵活，可按需定制，LabVIEW 采用图形化软件开发环境，它所面向的是没有编程经验的一般用户而不是专业编程人员。通过对功能模块的连线操作即可完成图形化的开发工作，上手使用最为方便、容易。 (3)系统功能主要依靠软件实现，可移植性和扩展性强，开发工具中已整合了诸如满足GPIB、VXI、PXI、RS一232和RS一485以及数据采集卡等硬件通信以及驱动的全部功能，有利于方便的实现软硬件的接口，便于系统开发。 (4)开发平台中通过函数库的形式提供了大量的用于信号处理的函数，如滤波器函数、窗函数、信号发生函数和频域函数，在实际应用中可以调用其来方便的实现各种信号处理功能。 （来源：《化工设备与管道》） |
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