於歐洲北海的 Ormen Lange 天然氣田佈署 LabVIEW 以監控輸送管線

Author(s):
Marco Schmid - Schmid Engineering

Industry:
Energy/Power, Oil and Gas/ Refining/ Chemicals

Products:
LabVIEW, Embedded Module for Blackfin Processors

The Challenge:
開發並安裝長期監控系統，並用於挪威海岸之下 120 公里長的輸送管線。

The Solution:
以 LabVIEW 開發彈性的客制化系統，並以適用於 Blackfin 處理器的 LabVIEW 嵌入式模組為架構，佈署 Schmid Engineering ZMobile™ 硬體佈署平台。

Ormen Lange 為挪威沿海暗礁開發中的最大天然氣田。其傳輸管線橫越挪威海岸的 Storegga (挪威語，意為巨大的邊緣) 岩層滑動區。

嚴峻多變的環境條件需要新解決方案

由於數千年來不斷沉積大量碎石，因此放置天然氣管線的海床格外崎嶇。海底管線的即時振動監控系統，必須要能夠預測可能的損害狀況，並快速做出回應。

的 Bjørge AS 為挪威的高科技公司，專精智慧型水下儀器控制與狀態監控作業。該公司針對 Ormen Lange 天然氣田，完全以 LabVIEW 開發了長期監控系統。

Schmid Engineering 公司則為瑞士的系統整合商，則針對機電整合應用與嵌入式系統提供相關解決方案。此公司則透過 Schmid Engineerig Zbrain™ 硬體佈署系統進行監控系統的佈署作業。

北海需要海底管線監控系統

監控系統必須能夠承受嚴苛的海底條件，包含強大的海底水流、低可見度、受限的電力、墨西哥灣流、崎嶇海床所形成的亂流，與管線內部的流動壓力變化。

除了這些嚴苛條件之外，此開發專案的研發時間亦極為急迫；且必須以極低功率的現成硬體開發平台，研發出內建記錄功能的高可靠性系統。

以 LabVIEW 的 C-code 產生功能配合開發時程

透過適用於 Blackfin 處理器的 LabVIEW Embedded Module，僅 1 名工程師即可在 1 年之內，使用 LabVIEW 圖形化環境產生超過 50,000 組 C 程式碼。

圖形化程式碼與產生的 C 程式碼則包含 8 組非同步執行緒，其中 4 組執行緒需要執行緒交互通訊 (ITC) 作業。依 Bjørge 公司的調查來看，共有 77 % 的受訪者認為：嵌入式應用的工程師平均每個月可產生 1,000 組 C 程式碼，而除錯的產能則更低。透過直覺式的 LabVIEW 圖形化程式設計，工程師甚至可提升該產能達 4 ~ 6 倍之譜。

佈署現成的嵌入式硬體

Bjørge 整合 LabVIEW 軟體與嵌入式 Analog Devices Inc. (ADI) Blackfin 數位訊號處理 (DSP) 晶片，達到軟體的解決方案。

Bjørge-NAXYS 使用圖形化程式設計技術與 LabVIEW Embedded Module 中的軟體工具，所建立的應用不僅可編譯 C 程式碼，並可使用現成的 ADI 嵌入式 ADSP-533 Blackfin 處理器。Schmid Engineering 公司亦以 ADI Blackfin 處理器為架構，建立了 ZMobile OEM 核心模組。在透過 Schmid Engineering 公司的嵌入式專業知識，我們更將此技術整合內建的非揮發式可移除記憶體、電源工具、類比 I/O、數位 I/O，與通訊 I/O。

內建記錄功能的低電力耗損電池操作系統

其實是由挪威政府直接要求必須監控管線的振動情況。

為了記錄所有 3 度空間的振動，則必須將稱為箝夾式感測器套件 (Clamp sensor packages，CSP) 的同步化量測點，以固定間距附加至管線上。並於海床上安裝固定式主要感測器套件 (Master sensor package，MSP)，以控制所有的 CSP。此 MSP 亦將記錄水流、鹽度、溫度，與壓力的完整環境特性。CSP 與 MSP 之間則使用聲學調變器 (Acoustic modem) 進行無線連結。監控系統提供 3 種基礎操作模式。  

1. 長期資料記錄：MSP 將於可設定的時間間隔啟動，預設為每 3 個小時進行作業 1 次。首先將量測各組 CSP 的距離，以進行相關補償 (Compensation) 作業。接著 MSP 將以 10 ~ 20 Hz 的頻率，對所有 CSP 節點傳送訊號，並初始化所記錄的分散式類比資料；持續 10 ~ 30 分鐘。MSP 下一步則透過序列介面，開始讀取水流、鹽度、溫度，與壓力。當完成記錄作業，MSP 將處理資料並儲存至記憶體中。在下一次啟動時間之前，MSP 與 CSP 均將進入休眠狀態，再接著重複所有程序。
2. 事件監控：在進行資料監控作業的同時，低耗電的智慧型混合訊號電路，將持續監控所有振動與海流強度。若有任何 1 組 CSP 於休眠期間偵測高加速度，則會立刻啟動並傳送訊號回 MSP 以初始化記錄作業。同樣的，MSP 若於休眠期間偵測到高強度的海流，亦將初始化該記錄作業。
3. ROV 會合作業：水下無人載具 (ROV) 將一併安裝監控系統，並進行維護作業。透過 ROV 的聲納通訊或頂端數據機，工程師將可於作業時間內變更所有必要參數，並於限制時間內上傳取樣資料或傅利葉分析資料。ROV 可依目前的作業模式，隨時從 CSP 或 MSP 取得資料。此通訊介面為嵌入式硬體與軟體的關鍵功能。

內建冗餘(Redundancy) 備份功能

冗餘功能為此系統的極大挑戰。每個動作均受到監控。若發生錯誤，節點將執行自我更正作業，並傳送該狀況的相關訊息。所有的節點將進行溝通，以判斷此錯誤僅限於該節點，或有其他節點發生相同情況。若確為 MSP 發生錯誤，任何 1 組 CSP 均可成為新的 MSP 以維持整體作業。管線監控系統的作業時間可長達數年，而且單次安裝作業之後必須維持至少 6 個月；因此需要極高可靠性的軟/硬體、於程式中修正錯誤，並能有效管理電力。

由於 Ormen Lange 天然氣田的規模與嚴苛環境，我們必須開發創新且具時效性的方式，以解決多種設計挑戰。Bjørge 公司可重複使用 ADI Blackfin Processor 架構的現成硬體，並套用圖形化程式設計，以產生佈署作業所需的程式碼。透過適用於 Blackfin 處理器的 LabVIEW Embedded Module，我們的工程師即可在 1 年之內，使用 LabVIEW 圖形化環境產生超過 50,000 組 C 程式碼。

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Marco Schmid
Schmid Engineering
marco@schmid-engineering.ch

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