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面向海洋平台的无线低功耗冰激振动监测系统

发布时间:2019-07-06 02:15:00 文章来源:工具之家    

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慕昆+马小雨+彭金柱

摘 要 bing激zhendongduihaiyangping台带来了潜在de危害duiqijinxing实时监ceduiyuhaiyangyou气de安quan生产至关zhong要zhendongjiasudude值可yi反映bing激zhen动de状态yihai洋ping台dezhen动jiasuduwei监测dui象基于MEMSjia速度chuanganqiADXL22超低功耗单pian机Atmega128Lhewu线射频CC100kai发了低功耗無线bing激zhen动监测jiedian使yong最大最小值法对加速度传ganqi进xing标ding对加速度shu据进xing后台存储和san维可shihua展shi在zhen动试验ping台上进行实际振动监测实验cong频域角度证明了时域实验数据de正确性对jiediandegongzuo及休眠功耗进行测量节dian可以在2 A[?]hdianchi下工作两年左右。

关键词 bing激振动; 加速度; 传感器wang络; wu线射频; 三维可视化; 实际振动监测

zhongtufenleihao: TN876?34; TP3 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X201801?0112?05

Abstract: The ice?induced vibration brings the potential hazards for offshore platform so its real?time monitoring is vital to production safety of offshore oil and gas. The vibration acceleration can reflect the state of ice?induced vibration. Taking vibration acceleration of offshore platform as the monitoring object a low?power consumption wireless monitoring node for ice?induced vibration was developed on the basis of MEMS acceleration sensor ADXL202 ultra?low power consumption microcontroller Atmega128L and radio frequency chip CC1000. The maximum?minimum value method is used to calibrate the acceleration sensor and realize the background storage and 3D visualization display for the acceleration data. The practical vibration monitoring experiments were carried out on vibration test platform which can verify the correctness of time?domain experiment data in the aspect of frequency domain. The working and sleeping power consumptions were measured. The node can work about two years by using the 2 A[?]h battery.

Keywords: ice?induced vibration; acceleration; sensor network; radio frequency; 3D visualization; practical vibration monitoring

0 引 yan

bohai湾chu于高纬度地qu导管架式钢质haiyangping台shiqi目前油气开发的主liping台。由于冬季时海面jie冰,海冰对海洋平台存在着严重的破坏作用,严重阻碍了油气生产安全。研究表明,海冰对海洋平台影响最大的是海冰静li推压作用下的挤压和冰激振动,其中冰激振动更是主要的焦点问题。

当海bingchi续作用于柔性的钢结构导管架平台时,可引起平台的振动,这就是所谓的冰激振动。当振动强烈时,将对平台设施直jie带来危害。1977年的冰激振动就曾将sihao油田的烽火台导管架推倒。冰激振动不仅对海洋平台有很大的影响,而且对管线安全也极其重要。由于海洋石油平台的上部有传shu管dao,其内部liu动着易ran易爆的原油和天然气,持续不断的冰激振动会使管道螺栓发生松动,将会导致高压油气泄露,容易发生爆炸和大火,对安全生产带来了极大的挑战。

对于冰激振动的物理根源[1],Peyton等人认为振动来zi于海冰ben身的频率te性,不shou到受迫ti结构的影响,这称为受迫振动模型。而Blenkarn等人认为冰激振动属于自激振动,振动yilai于冰与受迫体相对速度的函数,这称为自激振动模型。Xu等人则认为这两种模型各有一定的适用场景,在非“频率锁定”区,冰激振动以周期性激励为主,ci时可用受迫振动理论进行描shu;而在“频率锁定”区,冰激振动以自激性为主,此时可用自激振动理论描述[2]。

无论冰激振动的根源是什么,对于冰激振动监测系统来说,只需要监测冰激振动的外在表象——加速度xinxi即可。了解了加速度信息,就可以对当前的冰激振动信息有一定的掌握,进而genju人的经验进行人工维护,如进行人工破冰来消除振动。

图1是Tsuchiya等人对冰激振动的频率观测结果。在冰速小于2 cm/s时,振动频率并不大,而当冰速在26 cm/s时,此时结构的振动加速度基本保持在35 Hz之jian。实际观测发现:这种频率锁定现象是目前对海洋平台最主要的挑战,yin为它可以连续保持10 min以上的时间,给结构带来了很大的破坏li。yin此,对冰激振动现象的监测重点是要预警频率锁定现象,重点监控5 Hz以下的振动信息。

要da到预警的效果,首先必须要大量地记录数据,根据这些记录数据挖掘出有意义的发生频率锁定现象的xianzhao。这xian然必须通过自动记录系统来wan成。endprint

对冰激振动加速度信息进行自动记录已经很常见,他们基本都cai用测量低频的力平衡加速度传感器来进行测量,但它们并没有得到广fan的使用。究其根源,主要原因如下:

1) 由于功耗jiao大,因此系统的取电存在着一定的困难。

2) 由于防爆的需要,传感器及监控设备都需要进行隔爆,因此设备较为沉重。

3) 由于存在着布线的要qiu,因此给安装固定也带来了较大的麻烦。当然,目前软jian对冰激振动信息的显shi也不够直观,用户界面不够you好,这也影响了系统的推广。

设计完全依靠dianchi供电的、本安轻便的、超低功耗的、信息显示直观dewu线冰激振动监测系统,成为我国目前渤海湾的海上平台的急迫需求。

1 硬件设计

1.1 节点硬件设计

硬件部fen主要为设计加速度感知节点。节点的结构图如图2所示。

加速度感知节dianyou加速度感知、射频传输、主chu理器以及电源四部分组成。目前,常用的加速度传感器主要有机械传感器、MEMS加速度传感器、压电加速度传感器、力平衡加速度传感器、yingbian式加速度传感器等,对于加速度传感器的选择fang法,由于冰激振动加速度范围为0~10 Hz,而这种低频振动检测一般都属于弱信号检测范畴,因此对加速度传感器的低频特性和灵敏度要求都比较高。

MEMS加速度传感器具有较高的灵敏度、线性动态范围和稳定性。此外,MEMS加速度传感器体积小、功耗低,因此本系统cai用MEMS传感器作为低频振动信号的传感器。

ADXL202加速度传感器可以测量两轴加速度,正常工作时最大只有600 μA的电流,加速度测量范围为[-19,19] m/s2,输出非线性度只有满量程的0.2%,感知敏感度为312 mV/g,这些技术指标完全可以满zu冰激振动测量的需要[3]。由于其优异的低功耗特性,非常适he于设计本安型加速度传感器。

对于无线传输频点的选择需要仔细斟酌。由于海洋平台是钢架结构,对无线信号传输的不利影响很明显,并且信号频率越高,影响越显著。相对于2.4 GHz无线信号,433 MHz无线信号绕射neng力强,钢架结构对其传输的影响并不明显,非常适合海洋平台的特点。但是2.4 GHz频率的调制方式往往采用扩频通信与QAM数字调制方式,而433 MHz往往采用BPSK或FSK调制方式,因此,2.4 GHz在抗干扰和数据传输率上的性能相对更好[4]。结合已有的技术积累、海洋平台钢架结构的特点,以及实际监测频率的需要,最终选zeTI公司的CC1000芯片,并設置其工作频率为433 MHz。

显然,加速度感知节点必须要有一个处理器来控制加速度信息的采集与无线shou发。由于整体低功耗的设计要qiu因此,对于处理器的选择异常重要。首先,由于对冰激振动信息的采jishi间歇性的,因此处理器绝大部分时间都处于空xian状态。低功耗、具有合适休眠模式的处理器将会极大jiang低节点的功耗,降低对电池供电能力的要求;其次,针对冰激振动监测系统,并不要求系统有强的jisuan能力和存储容量,因此,一般的8位单片机即可满足要求。通过比较,选择Atmega128L单片机。

对电池的选择也是需要仔细考虑的因su:一方面,大容量的电池可以直接提高节点的寿ming另一方面也要保证节点在高温和振动环境下的安全性,考虑到海洋平台的温度和振动特点,最终选择了juan绕式铅酸电池。卷绕式铅酸电池最早应用于坦克之lei的军事设施中,抗震动和冲击力强是其最突出的特性,此外,它还具有非常好的高低温性能,可在-55~75 ℃温度范围内稳定工作,非常适合本文的应用场合。

对于防爆壳的设计,虽ranjie点本身是本安的,但由于存在着电池,以及海洋平台的yan雾腐蚀问题,因此,采用了隔爆方式。

1.2 通信协议

为增强传输kekao性,降低报文的丢失率,采用单跳传输方式。由于无xianzhi间传输的干扰,必须要采用一定的通信协议,MAC层采用CSMA/CA协议,即节点在准备发送传ganbao文前,首先对信道进行监听,当发现信道空闲时jijin行发送,否则,随机后退后再行侦听[5]。由于应用拓扑非常简单,无需进行任何路由,因此无需路youxie议[6]。

接收节点需要将接收到的无线数据发送给PC机duan,由于接收节点靠近PC机端,因此,采用以太网方式进行通信,并采用Socket标准接口以简化PC端软件的编程。

1.3 系统结构

根据应用需求,在海洋平台的四个角分别安装一个加速度监测节点,节点以固定的间隔进行加速度信息采yang,并将caiyang信息发送给位于平台中心的接收节点,接收节点具有网络接口,最终连接到一台PC机上,PC机上运行的软件将这些数据记录到后台数据库中,以三维可视化方式展示这些加速度数据,并且根据设计的报警阈值进行声音报警。

2 可视化软件设计

软件系统采用Socket方式从网口huo取四个节点发送来的加速度传感信息。首先将这些数据存储到后台数据库中,以备今后查验。随后以可视化方式显示加速度信息。

2.1 软件开发环境

为了增强上位机软件显示效果的直观性,基于VS2010,OpenScence?Graph简称OSG)设计了三维振动效果的立体显示。OSG使用OpenGL技术开发,其本质是一套基于C++平台的应用程序接口API),它使得程序员能够快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。

2.2 软件设计

软件的设计非常简单,当接收到传感器数据报文时,将根据报文中的传感器节点编号,首先将其传感数据保存到后台数据库中,其次,根据传感数值的大小,变换成节点的振动振fu,在界面上实时直观展示,数据通信流程如图3所示。

3 实 验

3.1 加速度传感器的校准

由于器件参shude差异,ADXL202芯片在相tong环境下所测得的加速duzhi有比较大的差异,此外,在实际生产过程中多种因su均会导致传感器初始位置的差异,因此,必须要对加速度传感器进行标定。文献[7]介绍了一种较为简单而且实用的标定方法,称为最大最小值法。具体方法如下:endprint

1) 将PCB板悬挂起来,使得其[X]轴正向与重力加速度方向重合,测量[X]轴输出值,然后缓慢调节PCB板的位置,当测量值达到最大值[Xmax]时,此时[X]轴正向与重力加速度方向相同,此时,[X]轴的加速度对应[1g]的输出;

2) 同样方法可以测量出[-1g]对应的输出值,记为[Xmin。]

由于ADXL202具有较好的线性度,当加速度为0时,对应的测量值应为[Xmax+Xmin2,]而加速度为[g]时对应的测量值为[Xmax-Xmin2]。即得到了两个点[0,Xmax+Xmin2,][g,Xmax-Xmin2]。由这两点拟合出一条校准直线,以后每得到一个测量值dai入gai直线方程中,就可以获得实际的加速度值。

基于同样的原理,对[Y]轴也可以进行标定。标定后的参数可直接保存在Atmega128L芯片的内部E2PROM中。

3.2 振动测量实验

在WS?Z30?50小型精密振动台系统对节点进行实验[8]。WS?Z30?50小型精密振动台系统可以工作在水平工作方式下,并且可以产生加速度范围为[0~2g,]振幅为8 mm的稳定的水平简谐振动,这足以满足加速度校准信息。

把节点绑定在水平振动台上,节点采样加速度信息,并将该数据无线发送出去,在振动平台外有一个接收节点,接收gaiwu线数据,并将数据发送到PC机上保存起来进行事后处理。

选取0.1 Hz,0.2 Hz,0.5 Hz,振幅为3 mm的水平振动来模nibing激振动对平台的影响[9]。节点以100 Hz的采样率进行振动加速度采样。每次实验重复1 min。事后对实验数据进行Matlab处理,图4~图6分别为0.1 Hz,0.2 Hz和0.5 Hz的时域和频域比较图。

从图中可以看出,根据时域的加速度采样信息,经过FFT变换以后得到的频域信息与振动系统的振动频率完全吻合。这充分说明了系统的准确性。

3.3 低功耗性能

对节点在不同状态下的功耗进行测量,节点在工作状态下,消耗电流为14.2 mA,而在完全休眠状态下,消耗电流为0.1 mA。由于在硬件上,ADXL202的采样时间非常长,达到5 ms,再加上处理器要进行采样值判断、无线收发等,如果采用100 Hz的采样率,则基本上节点一直处于工作状态,如果电池为2 000 mA[?]h,则大概只能保证10tiande工作时间,这使得系統根本不具有实用性。

然而,根据实际工作的特点,只有在发现加速度数值超标时,才需要提高采样速率到100 Hz。而对于平时绝大多数时间,只需要1 Hz的采样速率即可,即大约可以具有[1100]的工作时间,由此推算,可以工作两年左右的时间。完全能够达到1年持续运行期的要求。

4 结 论

本文针对海洋油气生产中的实际应用需求,基于无线传感器网络技术,设计了低功耗的冰激振动监测系统。实验验证了该监测系统应用于海洋平台结构检测中的可行性,所开发的冰激振动加速度监测节点具有低功耗、无需布线、本安防爆等优点,为保障海洋平台的安全生产提供了新的技术保障。

在下一步的工作中,将把系统安装到渤海湾海洋平台上实际运行,通过分析其整年的加速度采样数据,为其建立冰激振动预警的准确模型,为合理科学预警和系统的进一步深入推广奠定理论和技术jichu。

参考文献

[1] 王翎羽,徐继祖.冰与结构动力相互作用的理论分析模型[J].海洋学报,1993,15(3):140?146.

WANG Lingyu, XU Jizu. Theoretical analysis model of interaction between ice and structural dynamics [J]. Journal of oceanography, 1993, 15(3): 140?146.

[2] TSUCHIYA M, KANIE S, IKEJIRI K, et al. An experimental study on ice?structure interaction [C]// Proceeding of the 17th Offshore Technology Conference. Houston, USA: IEEE, 1985: 321?327.

[3] Analog Devices. ADXL202 datasheet [EB/OL]. [1999?01?23]. http://www.analog.com/static/imported?files/data_sheets/ADXL? 202_210.pdf.

[4] 代万宝,张传杰,喻言,等.应用于海洋平台振动检测的无线传感器系统技术研究[J].wulian网技术,2013,3(1):25?29.

DAI Wanbao, ZHANG Chuanjie, YU Yan, et al. Technology of wireless sensor system applied to vibration detection of ocean platform [J]. Internet of Things technologies, 2013, 3(1): 25?29.

[5] 古连华,程liang伦,Zhu Quan?Min,等.Aμ?MAC:一种自适应的无线传感器网络MAC协议[J].自动化学报,2010,36(1):54?59.

GU Lianhua, CHENG Lianglun, ZHU Quanmin, et al. Aμ?MAC: a self?adaptive wireless sensor network MAC protocol [J]. Automated journal, 2010, 36(1): 54?59.endprint

[6] 周华,徐华,朱均.ADXL202加速度计在振动测试中的应用[J].传感器技术,2003,22(3):36?38.

ZHOU Hua, XU Hua, ZHU Jun. ADXL202 accelerometer application in vibration test [J]. Sensor technology, 2003, 22(3): 36?38.

[7] 喻言,欧进萍.海洋平台结构振动监测的无线传感实验研究[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(2):187?190.

YU Yan, OU Jinping. Research on wireless sensing of vibration monitoring of offshore platform structures [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(2): 187?190.

[8] 苏均yu曾子维.基于定向扩散路由协议的改进[J].计算机工程与设计,2007,28(1):90?93.

SU Junyu, ZENG Ziwei. Improvement based on directional diffusion routing protocol [J]. Computer engineering and design, 2007, 28(1): 90?93.

[9] 周雷,喻言,李志瑞,等.海洋平台振动采集的超低频无线传感器设计[J].南京大学学报,2011,47(4):414?419.

ZHOU Lei, YU Yan, LI Zhirui, et al. Design of ultra?low frequency wireless sensor for vibration collection of ocean platform [J]. Journal of Nanjing University, 2011, 47(4): 414?419.

[10] 张纪刚,吴斌,欧进萍.海洋平台结构SMAzu尼隔振振动台实验与分析[J].地震工程与工程振动,2007(6):241?247.

ZHANG Jigang, WU Bin, OU Jinping. Experimental and analysis of vibration isolation vibration isolation of structural SMA damping vibration of offshore platform [J]. Earthquake engineering and engineering vibration, 2007(6): 241?247.endprint

现代电ziji术 2018年1期

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