CN112228687B - 一种油气管道智能封堵机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气管道技术领域，公开了一种油气管道智能封堵机器人控制系统，包括地面控制平台、管道智能封堵机器人、管内通讯平台、微型液压控制系统和液压执行器。本发明满足了管道智能封堵作业工艺需要，通过地面控制平台的超低频电磁波双向无线通讯模块将控制信号传输到管内通讯模块，管内控制模块根据控制指令再实现对微型液压控制系统和液压执行器的驱动，有效地实现了管道智能封堵机器人减速、锚定、封堵和解封的动作。同时，本发明可实时地监测管道智能封堵机器人的运行参数和管内工况参数，并且实现了对管道智能封堵机器人在封堵作业中微调、试压、泄露报警及失效解封等多种应急功能，有效地提高了其整体的可靠性与稳定性。

Description

一种油气管道智能封堵机器人控制系统

技术领域

本发明设计用于油气管道封堵技术领域，具体涉及一种油气管道智能封堵机器人控制系统。

背景技术

油气能源是国家战略性能源储备的必要能源之一，其在人们日常生活及工业生产中的重要性不言而喻。由于我国石油和天然气的储备地点与实际的消费地点之间相距很远，因此油气的运输在油气行业中也越发的重要，目前对油气的运输运用最广泛的便是管道运输，而面对管道长时间处于地下环境或其他不确定因素导致的破损失效问题，管道的维修与保养至关重要。

针对油气运输管道维修与保养，在处理受损管道段，首先要对油气管道的受损位置进行封堵。目前，油气管道维修与保养的封堵装置主要分为以下两种。一、带压开孔封堵装置，二、管道机器人封堵装置。相比于传统的带压开孔封堵装置，管道机器人封堵装置有着明显的优势，不需要开孔作业，缩小了施工规模，降低成本，对管道的损坏小。管道机器人封堵装置工作原理为从管口进入管道内部，进一步的管道智能封堵机器人在清管动力模块的带动下随着介质推动，能到达需要封堵的管段，挤压胶筒实现封堵作业。

所提出的油气管道智能封堵机器人控制系统需满足以下需求：

1.受管道空间限制，需要一种高度集成的管道智能封堵机器人控制系统。

2.受现场工况的影响，需要一种能实现双向无线通讯、实时监测管道智能封堵机器人工作参数的控制系统。

3.管道智能封堵机器人在封堵完成后应具有试压检测功能。

4.油气管道智能封堵机器人控制系统需控制管道智能封堵机器人在封堵管段进行微调，以保证封堵位置的精确性。

5.若出现压力泄露、主电源失效和管道智能封堵机器人卡死等问题时，能自动报警并启动备选控制方案，实现快速撤离。

发明内容

本发明的目的在于：针对国内油气管道智能封堵机器人控制系统所需要满足的工作需求，提供一种油气管道智能封堵机器人控制系统，超低频电磁波双向无线通讯及微型液压控制系统实现了管道智能封堵机器人在管道中较为精确的定位及实时可靠的双向无线通讯；伸缩模块能够控制管道智能封堵机器人在准确位置进行封堵作业；试压系统与泄露报警装置有效地提高了封堵机器人封堵的可靠性与稳定性。

本发明采用如下技术方案：

1.一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于，包括：地面控制平台（0-1）、管道智能封堵机器人（0-2）、管内通讯平台（0-3）、微型液压控制系统（0-4）和液压执行器（0-5），所述的地面控制平台（0-1）包括上位机（1）、串口通信电路（2）、第一信号接收平台（3）、第一状态转换平台（4）、第一信号发射平台（5）、第一供电平台（6）和人机交互界面（25），所述的管道智能封堵机器人（0-2）包括清管模块（7）、前封堵模块（8）、伸缩模块（9）和后封堵模块（10），所述的管内通讯平台（0-3）包括下位机（11）、传感器（12）、第二信号发射平台（13）、第二状态转换平台（14）、第二信号接收平台（15）和第二供电平台（16），所述的微型液压控制系统（0-4）包括调压回路（17）、调速回路（18）、锁紧回路（19）和试压系统（20），所述的液压执行器（0-5）包括前封堵液压缸（21）、伸缩液压缸（22）、后封堵液压缸（23）和试压压力传感器（24）。

所述的第一信号接收平台（3）包括第一接收线圈（3-1）、第一前置放大电路（3-2）、第一滤波放大电路（3-3）、第一模数转换电路（3-4）和第一微控制器（3-5）。

所述第一信号发射平台（5）包括第一频率调制器（5-1）和第一超低频电磁信号发生器（5-2）。

所述第一供电平台（6）包括第一+12V电源（6-1）、第一+5V电源（6-2）和第一+3.3V电源（6-3）。

所述第二信号发射平台（13）包括第二频率调制器（13-1）和第二超低频电磁信号发生器（13-2）。

所述第二信号接收平台（15）包括第二接收线圈（15-1）、第二前置放大电路（15-2）、第二滤波放大电路（15-3）、第二模数转换电路（15-4）和第二微控制器（15-5）。

所述第二供电平台包括第二+48V电源（16-1）、第二+5V电源（16-2）和第二+3.3V电源（16-3）。

所述微型液压控制系统（0-4）包括油箱（401）、第一电机（402）、补油泵（403）、第二电机（404）、柱塞泵（405）、第一直动溢流阀（406）、第二直动溢流阀（407）、第一三位四通电磁换向阀（408）、第三直动溢流阀（409）、蓄能器（410）、减压阀（411）、第一调速阀（412）、第二调速阀（413）、第三调速阀（414）、第一插装阀（415）、第二插装阀（416）、第三插装阀（417）、第四插装阀（418）、第五插装阀（419）、第六插装阀（420）、第一双向液压锁（421）、第二双向液压锁（422）、第三双向液压锁（423）、前封堵液压缸（21）、伸缩液压缸（22）、后封堵液压缸（23）、前封堵模块位移传感器（424）、伸缩模块位移传感器（425）、后封堵模块位移传感器（426）、回油路（427）、安全阀（428）、储气瓶（429）、第二三位四通电磁换向阀（430）、液控单向阀（431）、节流阀（432）、应急回路（433）、单向阀（434）和二位二通电磁换向阀（435）、试压压力传感器（24）。

其中人机交互界面（25）和上位机（1）有线电连接，地面控制平台（0-1）与管内通讯平台（0-3）和管道智能封堵机器人（0-2）电磁波双向无线连接，管内通讯平台（0-3）与微型液压控制系统（0-4）电连接，微型液压控制系统（0-4）与前封堵液压缸（21）、伸缩液压缸（22）和后封堵液压缸（23）管道连接，调压回路（17）与调速回路（18）管道连接，调速回路（18）与锁紧回路（19）管道连接，微型液压控制系统（0-4）与试压压力传感器（24）电连接。

2.进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的地面控制平台（0-1）与管内通讯平台（0-3）采用超低频电磁波双向无线通讯，所述的超低频电磁波双向无线通讯器包括上位机（1）、超低频电磁波信号发生器（101）、功率放大电路（102）、发射天线（103）、接收天线（109）、信号处理电路（110）、下位机（11）、管内接收天线（104）、管内信号处理电路（105）、管内超低频电磁波信号发生器（106）、管内功率放大电路（107）和管内发射天线（108），其中控制信号经发射天线（103）、管内发射天线（108）以管壁为传输介质分别与管内接收天线（104）、接收天线（109）通讯实现信息交换，再经上位机（1）和下位机（11）处理，从而控制管道封堵机器人实现管内定位封堵，所述的管内通讯平台（0-3）、主电源和备用电源环形布置在清管模块（7）骨架腔室内。

进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的超低频电磁波双向无线通讯的硬件电路包括主控电路、信号发射电路、信号接收电路、信号发射与接收模式切换电路和串口通信电路。

进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的微型液压控制系统（0-4）为闭式液压系统，其中在回油路上设有第二个回油路（427）使一部分液压油直接回到柱塞泵（405），设有第二个液压泵并视为补油泵（403），在闭式回路中设有安全阀（428）；能够保证执行机构安全平稳运转。所述的微型液压控制系统（0-4）的方向控制阀包括第一插装阀（415）、第二插装阀（416）、第三插装阀（417）、第四插装阀（418）、第五插装阀（419）和第六插装阀（420），整体上将液压元器件封装在伸缩模块（9）中，并且将液压泵、电磁阀、蓄能器（410）和储气瓶（429）置于油箱（401）中，其中第一插装阀（415）、第二插装阀（416）、第三插装阀（417）、第四插装阀（418）、第五插装阀（419）和第六插装阀（420）通过油路块和螺栓安装在油箱（401）中，蓄能器（410）、储气瓶（429）、补油泵（403）和柱塞泵（405）通过螺栓和连接架（26）环形安装在伸缩液压缸（22）周围，第一电机（402）与补油泵（403）相连，第二电机（404）与柱塞泵（405）相连。

进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人微型液压控制系统，其特征在于：所述的调压回路（17）为三级调压包括第一直动溢流阀（406）、第二直动溢流阀（407）、第一三位四通电磁换向阀（408）和第三直动溢流阀（409），能给前封堵模块（8）、伸缩模块（9）和后封堵模块（10）提供不同的系统压力。

进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的试压系统（20）包括储气瓶（429）、第二三位四通电磁换向阀（430）、液控单向阀（431）、节流阀（432）和试压压力传感器（24），在管道智能封堵机器人（0-2）完成封堵工作后具有试压检测功能。

进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：其控制流程可分为下放定位阶段、减速阶段、锚定阶段、伸缩微调阶段和封堵阶段，下放定位阶段为从管道入口放入管道智能封堵机器人（0-2），即将到达封堵管段时第二信号发射平台（13）将调制完成的超低频电磁波信号经管壁传给第一信号接收平台（3），经信号处理电路（110）转换处理后传给上位机（1）；减速阶段为上位机（1）立刻下达减速指令控制前封堵液压缸（21）和后封堵模块（23）的液压缸活塞运动，带动卡瓦作用于管道内壁完成减速；锚定阶段为上位机（1）下达锚定指令控制调压回路（17）输出更大的压力，使前封堵液压缸（21）和后封堵液压缸（23）输出更大的推力，带动卡瓦作用于管道内壁完成锚定；伸缩微调阶段为位移传感器检测到封堵机器人未锚定到指定位置，上位机（1）下达伸缩指令先控制前封堵液压缸（21）活塞收回，前封堵模块（8）解除锚定状态，伸缩液压缸（22）活塞向前封堵模块（8）伸出，再控制前封堵模块（8）完成锚定，后封堵模块（10）的伸缩微调程序和前封堵模块（8）相同；封堵阶段为上位机（1）下达封堵指令控制前封堵液压缸（21）和后封堵液压缸（23）继续伸出，带动挤压胶筒作用于管道内壁完成密封动作。

进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的第一供电平台（6）与第二供电平台（16）为锂电池供电，并将它们分为主电源与备用电源，系统的MCU采用﹢3.3V电压供电，信号放大、滤波及模数转换电路采用﹢5V电压供电，液压电机采用﹢48V电压供电。

进一步地，所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的传感器（12）包括试压压力传感器（24）、前封堵模块位移传感器（424）、伸缩模块位移传感器（425）、后封堵模块位移传感器（426）和温度传感器。用于采集机器人数据信息。所述机器人数据信息包括压力数据、温度数据和工具执行机构的工作状态，在检测到管道智能封堵机器人工作异常时，二位二通电磁阀（435）得电，应急回路（433）工作，收回封堵液压缸活塞杆，管道智能封堵机器人（0-2）解封，回到管口。

采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：

1.采用超低频电磁波无线通讯方式，能实时通讯并监测管道智能封堵机器人的运行参数，微型液压系统具有高度集成，可应用于复杂工况的功能。

2.管道智能封堵机器人控制系统在封堵油气管道完成后具有试压检测功能，有效地提高了其封堵作业的可靠性。

3.控制系统具有微调功能，可控制管道智能封堵机器人在管内自主运动，。实现了管道的精确封堵。

4.具有泄露报警、应急解脱功能，提高了管道智能封堵机器人封堵作业中的安全性。

附图说明

图1为本发明控制系统结构示意图；

图2为本发明管内外双向无线通讯实现原理图；

图3为本发明液压控制系统原理图；

图4为本发明液压元器件布置方案图；

图5为本发明试压系统原理图；

图6为本发明控制流程图；

图中，0-1为地面控制平台，0-2为管道智能封堵机器人，0-3为管内通讯平台，0-4为微型液压控制系统，0-5为液压执行器；1-上位机，2-串口通信电路，3-第一信号接收平台，4-第一状态转换平台，5-第一信号发射平台，6-第一供电平台，7-清管模块，8-第一封堵模块，9-伸缩模块，10-第二封堵模块，11-下位机，12-传感器，13-第二信号发射平台，14-第二状态转换平台，15-第二信号接收平台，16-第二供电平台，17-调压回路，18-调速回路，19-锁紧回路，20-试压系统，21-前封堵液压缸，22-伸缩液压缸，23-后封堵液压缸，24-试压压力传感器,25-人机交互界面，

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：

如图1、图2和图6所示，一种管道智能封堵机器人控制系统，包括地面控制平台0-1、管道机器人0-2、管内通讯平台0-3、微型液压控制系统0-4和液压执行器0-5。

进一步地，当管道智能封堵机器人进入管道中并随着油气一起运动后，管内通讯平台0-3中的第二信号发射平台13能持续的发射超低频电磁波信号，超低频电磁波信号沿着管道管壁到达第一信号接收平台3，电磁波信号经第一接收线圈3-1转化为低频微弱电信号，低频微弱电信号经信号处理电路110中的前置放大电路、滤波放大电路转化为模数转换电路能测量的电信号，模数转换电路再将模拟电信号转换为数字信号，最终通过有线传输传给上位机1，根据实时传回的监测数据能够确定管道智能封堵机器人的位置及其工作状态，当管道智能封堵机器人到达指定的位置时，通过上位机1下达工作指令，数字信号通过有线传输传给第一信号发射平台5，再经第一超低频电磁信号发生器5-2将超低频电磁波信号通过地面及管壁发送给第二信号接收平台15，电磁波信号经第二接收线圈15-1转化为低频微弱电信号，低频微弱电信号经管内信号处理电路105中的前置放大电路、滤波放大电路放大为模数转换电路能测量的电信号，模数转换电路再将模拟电信号转换为数字信号，最终通过有线传输传给下位机11，第二微控制器15-5再控制管道智能封堵机器人进行减速、锚定、伸缩、锚定、封堵、撤离等工作。

如图3、图4、图5和图6所示，一种管道智能封堵机器人液压控制系统，包括调压回路17、调速回路18、锁紧回路19、试压系统20和闭式液压回路。

进一步地，管道智能封堵机器人封堵管道时可分为以下五个阶段：

减速阶段：电磁阀YA1得电，系统压力由溢流阀406调定，蓄能器此时作为辅助油源，第一插装阀415得电，前封堵模块液压缸21动作，挤压卡瓦实现减速，此时进油路：补油泵403→柱塞泵405→第一调速阀412→第一插装阀415→第一双向液压锁421→前封堵模块液压缸21无杆腔；回油路：前封堵模块液压缸21有杆腔→第一双向液压锁421（柱塞泵405）→第一插装阀415→油箱，后封堵模块减速阶段同时也进入减速阶段，其进油路、回油路与上类似。

锚定阶段：电磁阀YA2得电，系统压力增加，由溢流阀407调定，蓄能器此时作为辅助油源，继续挤压卡瓦直至实现锚定，此时进油路：补油泵403→柱塞泵405→第一调速阀412→第一插装阀415→第一双向液压锁421→前封堵模块液压缸21无杆腔；回油路：前封堵模块液压缸21有杆腔→第一双向液压锁421（柱塞泵405）→第一插装阀415→油箱，后封堵模块锚定阶段同时也进入锚定阶段，其进油路、回油路与上类似。

伸缩阶段：电磁阀YA2继续得电，此时系统压力由溢流阀407调定，第二插装阀416得电，前封堵模块液压缸21活塞杆收回，前封堵模块卡瓦收回解除锚定，第三插装阀417再得电，伸缩模块液压缸22伸出，管道智能封堵机器人向前封堵模块能移动一段距离，第一插装阀415得电，前封堵模块液压缸21伸出，挤出卡瓦形成锚定；第六插装阀420得电，后封堵模块液压缸23缩回，收回卡瓦解除锚定，第四插装阀418得电，伸缩模块液压缸22缩回，带动后封堵模块向前封堵模块移动一段距离（距离补偿），第五插装阀419得电，后封堵模块液压缸伸出，挤出卡瓦形成锚定。

封堵阶段：电磁阀YA1、电磁阀YA2均不得电，第一三位四通电磁换向阀408处于中位，系统压力由溢流阀409调定，此时系统压力增加，第一插装阀415得电，前封堵模块液压缸21动作，由于前封堵模块已经被锚定住了，所以封堵液压缸只能挤压胶筒，胶筒变形实现封堵，此时进油路：补油泵403→柱塞泵405→第一调速阀412→第一插装阀415左位→第一双向液压锁421→前封堵模块液压缸21无杆腔；回油路：前封堵模块液压缸21有杆腔→第一双向液压锁421（柱塞泵405）→第一插装阀415→油箱，后封堵模块封堵阶段同时也进入封堵阶段，其进油路、回油路与上类似。

试压阶段：封堵完成后，上位机1下达试压指令控制第二三位四通电磁换向阀430左位工作，储气瓶429存储的的氮气经阀430、431、432进入试压通道，经过设定的时间后关闭第二三位四通电磁换向阀430，采集试压压力传感器24压力，在一段时间内压力保持在某个偏差值范围即可认为封堵完成，完成测试后，第二三位四通电磁换向阀430右位工作，排放气体到管道，根据情况可反复上述工作2~3次，完成试压系统密封性能测试。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于，包括：地面控制平台(0-1)、管道智能封堵机器人(0-2)、管内通讯平台(0-3)、微型液压控制系统(0-4)和液压执行器(0-5)，所述的地面控制平台(0-1)包括上位机(1)、串口通信电路(2)、第一信号接收平台(3)、第一状态转换平台(4)、第一信号发射平台(5)、第一供电平台(6)和人机交互界面(25)，所述的管道智能封堵机器人(0-2)包括清管模块(7)、前封堵模块(8)、伸缩模块(9)和后封堵模块(10)，所述的管内通讯平台(0-3)包括下位机(11)、传感器(12)、第二信号发射平台(13)、第二状态转换平台(14)、第二信号接收平台(15)和第二供电平台(16)，所述的微型液压控制系统(0-4)包括调压回路(17)、调速回路(18)、锁紧回路(19)和试压系统(20)，所述的液压执行器(0-5)包括前封堵液压缸(21)、伸缩液压缸(22)、后封堵液压缸(23)和试压压力传感器(24)，其中人机交互界面(25)和上位机(1)有线电连接，地面控制平台(0-1)与管内通讯平台(0-3)和管道智能封堵机器人(0-2)电磁波双向无线连接，管内通讯平台(0-3)与微型液压控制系统(0-4)电连接，微型液压控制系统(0-4)与液压执行器(0-5)管道连接，调压回路(17)与调速回路(18)管道连接，调速回路(18)与锁紧回路(19)管道连接，微型液压控制系统(0-4)与前封堵液压缸(21)、伸缩液压缸(22)和后封堵液压缸(23)管道连接，微型液压控制系统(0-4)与试压压力传感器(24)电连接；

所述的试压系统(20)包括储气瓶(429)、第二三位四通电磁换向阀(430)、液控单向阀(431)、节流阀(432)和试压压力传感器(24)，在管道智能封堵机器人(0-2)完成封堵作业后具有试压检测功能。

2.根据权利要求1所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的地面控制平台(0-1)与管内通讯平台(0-3)采用超低频电磁波双向无线通讯，所述的超低频电磁波双向无线通讯器包括上位机(1)、超低频电磁波信号发生器(101)、功率放大电路(102)、发射天线(103)、接收天线(109)、信号处理电路(110)、下位机(11)、管内接收天线(104)、管内信号处理电路(105)、管内超低频电磁波信号发生器(106)、管内功率放大电路(107)和管内发射天线(108)，其中控制信号经发射天线(103)、管内发射天线(108)以管壁为传输介质分别与管内接收天线(104)、接收天线(109)电磁波无线通讯实现信息交换，再经上位机(1)和下位机(11)处理，从而控制管道智能封堵机器人(0-2)实现管内定位封堵，所述的管内通讯平台(0-3)、主电源和备用电源环形布置在清管模块(7)骨架腔室内。

3.根据权利要求1所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：所述的微型液压控制系统(0-4)为闭式液压系统，其中在回油路上设有第二个回油路(427)使一部分液压油直接回到柱塞泵(405)，设有第二个液压泵并视为补油泵(403)，在闭式回路中设有安全阀(428)；所述的微型液压控制系统(0-4)的方向控制阀包括第一插装阀(415)、第二插装阀(416)、第三插装阀(417)、第四插装阀(418)、第五插装阀(419)和第六插装阀(420)，整体上将液压元器件封装在伸缩模块(9)中，并且将液压泵、电磁阀、蓄能器(410)和储气瓶(429)置于油箱(401)中，其中第一插装阀(415)、第二插装阀(416)、第三插装阀(417)、第四插装阀(418)、第五插装阀(419)和第六插装阀(420)通过油路块和螺栓安装在油箱(401)中，蓄能器(410)、储气瓶(429)、补油泵(403)和柱塞泵(405)通过螺栓和连接架(26)环形安装在伸缩液压缸(22)周围，第一电机(402)与补油泵(403)相连，第二电机(404)与柱塞泵(405)相连。

4.根据权利要求1所述的一种油气管道智能封堵机器人控制系统，其特征在于：其控制流程可分为下放定位阶段、减速阶段、锚定阶段、伸缩微调阶段和封堵阶段，下放定位阶段为从管道入口放入管道智能封堵机器人(0-2)，管道智能封堵机器人(0-2)即将到达封堵管段时第二信号发射平台(13)将调制完成的超低频电磁波信号经管壁传给第一信号接收平台(3)，经信号处理电路(110)转换处理后传给上位机(1)；减速阶段为上位机(1)立刻下达减速指令控制前封堵液压缸(21)和后封堵液压缸(23)的液压缸活塞运动，带动卡瓦作用于管道内壁完成减速；锚定阶段为上位机(1)下达锚定指令控制调压回路(17)输出更大的压力，使前封堵液压缸(21)和后封堵液压缸(23)输出更大的推力，带动卡瓦作用于管道内壁完成锚定；伸缩微调阶段为位移传感器检测到封堵机器人未锚定到指定位置，上位机(1)下达伸缩指令先控制前封堵液压缸(21)活塞收回，前封堵模块(8)解除锚定状态，伸缩液压缸(22)活塞向前封堵模块(8)伸出，再控制前封堵模块(8)完成锚定，后封堵模块(10)的伸缩微调程序和前封堵模块(8)相同；封堵阶段为上位机(1)下达封堵指令控制前封堵液压缸(21)和后封堵液压缸(23)继续伸出，带动挤压胶筒作用于管道内壁完成密封动作。

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