深水隔水管水下监测低功耗平台设计

白 浩，张梦娜，申晓红，王海燕

(1. 湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057；2. 西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072)

深水隔水管水下监测低功耗平台设计

白 浩1，张梦娜2*，申晓红2，王海燕2

(1. 湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057；2. 西北工业大学航海学院，陕西 西安 710072)

水下信息处理平台是隔水管疲劳监测装置的神经中枢，控制疲劳参数检测、信号处理、数据发射、监测设备的休眠与启动等一系列流程。低功耗水下信息处理平台的硬件系统包括低功耗微处理机、高速数字信号处理器(DSP)、多种传感器、信号调制与发送电路、电源及其他附件等。为了提高监测设备的服役期限，对“十一五”期间的低功耗水下信息处理平台进行优化设计，增加了存储模块、优化空间布局与程序流程，使得电路板面积大大缩小。优化后，水下信息处理平台的可靠性进一步增强，进而降低了隔水管监测系统的体积和质量，提高了其便捷性和适用性。

海洋油气管道；深水隔水管；疲劳；低功耗；水下信息处理平台；优化设计

0 引 言

隔水管是深水油气勘探开发的重要设备，是连接海面作业平台与海底井口的要道，也是深水油气开发技术上要求最高、最具挑战性的一部分[1]。在水深超过1 000 m的深水，隔水管的直径与长度比达到了细长柔弹性体的范围，隔水管的运动表现为柔弹性运动而非刚体运动，导致隔水管的振幅会大幅增加，极易产生疲劳、断裂、损伤和泄漏等一系列问题。随着南海深水海域的油气开发作业的逐步深入，隔水管用量急剧加大。若没有一流的监测技术作为保障，隔水管将面临疲劳、失效乃至断裂的风险,故对深水隔水管监测系统的需求变得越来越迫切[2]。

根据供电和数据通信方式的区别，监测设备的数据传输现有离线、有线和水声三种监测方法[3-5]。考虑到安装与操作的难度、实时性等因素，通过与离线、有线两种方式的比较，选择水声监测方法。而基于水声的隔水管疲劳监测设备，其性能严重依赖于所在区域的海洋环境，并且采用锂电池为系统能源供电，故对系统功耗要求十分严格。因此，根据工程实际需求，基于深海远距离水声技术提出了一个具体的隔水管监测低功耗平台的设计方案。试验结果表明此方案设计可以降低功耗，延长监测设备的服役期限。

1 方案设计

1.1 系统总体结构

已有的深水隔水管疲劳监测网络如图1所示。此监测系统具有防喷器(BOP)转角、涡激振动(VIV)、海洋流速、应变、偏移等参数的监测能力，而且还有隔水管姿态报警功能。图中1～n点为监测节点。

图1 深水隔水管疲劳监测网络Fig.1 Deepwater riser fatigue monitoring network

在每个监测节点处，水下监测平台主要由4部分构成：传感器部分、信号处理部分、信号放大/功率放大部分、发射换能器部分，系统模块框图如图2所示。

基于水声的数据传输对功耗的要求十分严格。为降低系统功耗，系统硬件采用低功耗微控制器(MCU)作为控制核心，低功耗直接数字式频率合成器(DDS)作为高精度波形产生单元。系统软件采用“中断—唤醒—工作—休眠”的低功耗工作流程。

图2 水下信息处理装置的模块框图Fig.2 Block diagram of underwater information processing device

在硬件设计方面，考虑不同测点间定时同步和内部记录数据的要求，通过铁电存储器缓存、外部低温漂的实时时钟(RTC)来实现要求的功能。采用主从机方式，主机MCU控制从机数字信号处理器(DSP)的工作，必要时掉电处理，大大节约了系统能量消耗。在软件设计方面，通过构建文件系统FAT32，即建立安全数字卡(SD卡)中的文件、写入数据、读取数据等操作，并设计数据存储格式用以存储数据。

1.2 系统工作模式

为使处理装置的功耗降低，系统运行模式为定时间断工作模式：(1)平时处于低功耗休眠状态，以节省电池能量；(2)当到达预定工作时间时，由外部的RTC模块唤醒MCU，系统进入激活状态；(3)由MCU依次控制其他外围模块及传感器上电启动，并从相应传感器采集数据，之后，控制其掉电，使其进入低功耗模式；(4)由MCU控制DSP对采集数据进行处理，并完成结果编码(包括7，4汉明编码与差分编码)，将编码后的待发码元存储在MCU的内置FLASH中，之后是DSP进入低功耗模式；(5)启动DDS，将待发码元传送至DDS调制发送，发送完毕后，MCU给DDS模块掉电，并自行进入低功耗计时模式，等待下一工作时间的到来。以上操作便构成一个完整的系统工作周期。系统通过周期性的工作，以最小耗能模式完成水下信息采集、处理与传输，保证了隔水管状态长期监测任务的实现[6]。

采用这种工作模式，可以大幅度降低系统功耗。以每24 h调制发送0.5 h这一工作模式为例，系统若按传统的“工作—等待”工作流程工作，平均功耗约为46.2 mW。若按“中断—唤醒—工作—休眠”的工作流程工作，系统的平均功耗可降至约3.6 mW。

1.3 FRAM缓存存储器的设计

由于FM24V10铁电存储器具有非易失性、低功耗等优点，且在断电的情况下能对已经读写的数据进行长期的保存，所以对于实验中的重要数据可通过MSP430f5438的I2C程序，对FM24V10进行读写操作，进而达到保存数据的目的，如图3所示。具体的设计步骤如下。

图3 程序及要写入FRAM的数据Fig.3 Program and the data to be written to FRAM

(1) 对MSP430f5438进行初始化，使芯片工作在I2C协议下。

(2) 向FM24V10写入数据，此处应该赋予不同组别的数据以不同的Slave address，方便单片机对于数据的读操作，且要记住每组数据的Slave address。

(3) 写操作结束后进行读操作，编程使单片机工作在写操作模式下，把FM24V10中的指针指向将要对数据进行读操作的相应的Slave address。

(4) 编程使单片机工作在读模式下，由于指针已经指在相应的第一个数据上，所以可以相应地对数据进行读操作。

(5) 重复前述步骤，完成不同组别数据的读写。

图4是写入数据数据格式，Head由2 Byte数据组成，其中前2 bit是写入数据类型，二进制数据00表示流速数据，01表示VIV数据，10表示光纤应力应变数据。Head的最后10 bit数据表示数据长度，最长可以表示1 024个数据。

图4 数据存储格式Fig.4 Storage format of the data

1.4 外部RTC设计

DS3231是低成本、高精度I2C实时时钟，具有集成的温补晶体振荡器(TCXO)和晶体。集成晶体振荡器提高了器件的长期精确度，并减少了生产线的元件数量。通过MSP430单片机由I2C向DS3231芯片写入数据，实现计时和闹钟功能，再通过观察相应寄存器内的数值和指示灯证明功能实现，并将当前时间由DS3231读入MSP430。图5为RTC控制流程[7]。

图5 RTC控制流程Fig.5 RTC control process

1.5 信号放大/功率放大平台设计

根据发射功率放大平台设计需求，本文对发射机的设计如图6所示。

1.6 内记数据存储格式设计

用来作内记的SD卡外部存储器采用的是DSP的一个外设。为了降低DSP的工作时间，且为了避免频繁启动DSP工作造成的能量消耗，采用FRAM中转的记录方式。待数据发送完毕后，将数据从FRAM中取出，此时启动DSP，并写入DSP外设SD卡中。数据流动方式如图7所示。

图6 发射机原理图纸Fig.6 Principle drawing of the transmitter

图7 数据流动方式Fig.7 Flow patterns of the data

2 试验与结果分析

图8和图9为调试过程中FRAM缓存存储器的相应结果。

图8 调试过程及要写入FRAM的数据Fig.8 Debugging process and the data to be written to FRAM

图9 读出FRAM的数据Fig.9 Readout of the FRAM data

图10(a)表示了计时器的初始时间，即2012年8月27日，星期一，12∶00∶00。图10(b)表示设定的闹钟时间为12∶00∶30。

图10 要写入RTC的时间数据Fig.10 Time data to be written to RTC

对制成的电路板进行调试，结果如图11所示，其中图11(a)、(b)分别为未到达闹钟时间和到达闹钟时间的状态。在闹钟时间到达后，读出时间如图12所示，2012年8月27日，星期一，12∶00∶30。

图11 电路板状态Fig.11 State of the circuit board

图12 闹钟时间到读出的数据Fig.12 Data read at the alarm time

3 结 语

本文针对深水隔水管疲劳监测问题，提出了一种基于水声的低功耗监测方法。通过硬件与软件的设计，其中包括FRAM缓存存储器的设计、外部RTC设计、信号放大/功率放大平台设计、内机数据存储的设计，以MCU作为控制核心，DDS作为波形产生单元，采用“中断—唤醒—工作—休眠”的低功耗工作流程，对最后形成的水下信息处理装置进行了原理图重新设置，成功制板后，顺利完成了电路板的调试工作。

水下监测平台采用电池组供电，在电池容量不变的情况下，系统通过周期性的工作，以最小耗能模式完成了水下信息采集、处理与传输，一切工作符合设计要求。该平台实现了低功耗的工作模式，降低了监测系统的能量消耗，拓宽了现有监测系统的生存期，保证了对隔水管状态长期监测任务的实现。

[1] Lim F, Howells H. Deepwater riser VIV, fatigue and monitoring[C]. Deepwater Pipeline & Riser Technology Conference, 2000.

[2] 孙友义,陈国明.超深水钻井系统隔水管波致疲劳研究[J].石油学报，2009,30(3):460.

[3] Podskarbi M, Walters D. Review and evaluation of riser integrity monitoring systems and data processing methods[C]. DOT, 2006.

[4] Podskarbi M, Walters D. Integrated approach to riser design and integrity monitoring[C]. IOPF, 2006: 004.

[5] Vaclavik R. Deepwater GoM challenges span full well process [J]. E&P, 2009(5): 24.

[6] 李保军,王海燕,申晓红,等.一种隔水管涡激振动检测新算法[J].计算机测量与控制，2011(6):1273.

[7] 畅元江.深水钻井隔水管设计方法及其应用研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2008.

DesignofLow-PowerPlatformforDeepwaterRiserUnderwaterMonitoring

BAI Hao1, ZHANG Meng-na2, SHEN Xiao-hong2,WANG Hai-yan2

(1.ZhanjiangNanhaiWestOilSurvey&DesignCo.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong524057,China;2.CollegeofMarineEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi710072,China)

Underwater information processing platform is the nerve center of the riser fatigue monitoring device. It controls fatigue parameters detection, signal processing, data transmission, dormancy and initiation of the monitoring equipment and a series of processes. The hardware system of the low-power-consumption underwater information processing platform consists of low-power microprocessor, high-speed digital signal processor (DSP), a variety of sensors, signal modulation and transmission circuit, power supply and other accessories and so on. In order to improve the service period of the monitoring equipment, we optimize the design of the low-power underwater information processing platform during the “Eleventh Five-Year” period. We add storage modules and optimize spatial layout and program flow to greatly reduce the circuit board area. After optimization, the reliability of the underwater information processing platform is enhanced further. And then the volume and weight of the riser monitoring system are reduced and its convenience and applicability are improved.

marine oil and gas pipeline; deepwater riser; fatigue; low power consumption; underwater information processing platform; optimal design

TE53

A

2095-7297(2015)02-0133-05

2015-02-11

国家科技重大专项(2011ZX05026-001-06)

白浩(1986—)，男，工程师，主要从事石油机械工程方面的研究。

*通信作者。