基于NI PXI Express平臺的石油管復合擠毀試驗機控制與數據采集系統搭建

2013年03月27日10:10:16 本網站我要評論(2)字號：T | T | T

張廣路

中國石油集團石油管工程技術研究院

應用領域：石油工業、石油管工程、重型試驗機、集中式控制與數據采集

挑戰：石油管復合擠毀試驗機用于對油管和套管施加軸向載荷（拉伸或壓縮）、側向彎曲、外壓及內壓，模擬石油管柱在井下所受復合載荷工況。該設備載荷大、壓力高，試驗危險性強；而且試驗中需要同時控制多個子系統，完成多物理量閉環控制和數據同步采集。這二者對控制與數據采集系統整體穩定性、硬件功能及軟件并行處理能力提出了嚴峻挑戰。

應用方案：在控制與數據采集系統搭建中，采用NI X系列多功能卡和集傳感器供橋、信號調理與采集功能一體的同步數據采集卡，配以工業數字I/O卡，插入8槽PXI-E機箱滿足控制與數據采集通道要求。軟件方面，利用LabVIEW 2011 軟件開發平臺的并行處理特長，完成多物理量并行閉環控制和數據同步采集。

使用的產品：

LabVIEW 2011 軟件開發平臺

PXIe-1082 8槽3U PXI-E機箱

PXIe-6363 X系列多功能卡

PXI-6515 工業數字I/O卡

PXIe-4330 應變與橋路傳感器數據采集卡

PXIe-4353 熱電偶數據采集卡

PXIe-8375x4 MXI光纖通訊卡

PCIe-8375x4 MXI光纖通訊卡

正文：

引言

套管、油管及鉆柱構件（鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等）統稱油井管。油井管是石油工業的基礎。據統計數據顯示，油井每鉆進1米，約需油井管62千克，其中套管48千克，油管10千克，鉆桿3千克，鉆鋌0.5千克。油田裝備資產中，油井管約占60%。而油井管在井下的服役條件極端惡劣。油管和套管管柱經常要承受上千個大氣壓的內壓或外壓，幾百噸的拉伸或壓縮載荷，還有高溫及腐蝕介質侵蝕。油井管一旦在井下發生斷裂掉井事故，會造成巨大的損失，甚至直接導致油井報廢。油井管的質量和壽命直接決定了油井乃至油田的壽命。

油井管下井前必須經過一系列嚴格的檢測試驗以評估其性能，而石油管復合擠毀試驗機則是這些試驗的核心設備。復合擠毀試驗機能夠對油管和套管整管施加拉伸、壓縮、彎曲、外壓、內壓、加熱等多種載荷，模擬管柱在井下的實際工況。無論是按照標準評價油管和套管螺紋連接性能，還是在對特殊螺紋密封性、油井管在苛刻工況下力學行為的研究中，該試驗機均發揮著不可替代的作用。

圖1 石油管復合擠毀試驗機

載荷框架主要包括軸向載荷臺架和兩個外壓擠毀缸，起容納試樣功能。液壓油源為軸向載荷和側向彎曲液壓缸提供動力。高壓水加壓泵站為外壓擠毀缸注入高壓水，使試樣承受外壓。高壓氣加壓泵站為試樣內部注入高壓氣體，使試樣承受內壓。控制與數據采集系統調配上述四部分工作，同時采集試驗過程中的多物理量數據反饋。

控制與數據采集系統功能與硬件搭建

控制與數據采集系統需要監視液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站三者的工作狀態，控制試樣所受軸向載荷、側向彎曲、內壓及外壓的大小和加載速率。系統需要控制的子系統和部件如圖2所示。

液壓油源中的電機帶動柱塞泵或齒輪泵提供動力。換向閥起通斷開關作用。溢流閥調節系統壓力，安全溢流。伺服閥控制軸向載荷大液壓缸和兩個側向彎曲小液壓缸。伺服閥通過調節液壓缸兩腔壓力，實現載荷或位移閉環控制，為試樣施加軸向載荷及側向彎曲載荷。同時，油源上還裝有油箱液位傳感器、溫度傳感器。大液壓缸兩腔裝有高精度壓力傳感器。所有管路連接油箱的吸油、回油口都裝有帶數字信號反饋的油濾。

高壓水加壓泵站與高壓氣加壓泵站類似。兩個電控調壓閥分別調節泵頭入口壓縮空氣壓力和卸壓閥壓力，從而控制試樣內壓和外壓的升降。多個電磁閥分別控制泵的開關與保壓氣控閥通斷。監控傳感器反饋入口壓縮空氣壓力和管路內壓力，保證泵站安全。

除去控制上述執行元件外，系統還需要采集試驗過程中試樣的壓力、力、位移、應變、溫度等傳感器反饋信號。

如上所述，控制與數據采集系統需要同時具備模擬量輸入和輸出（AI和AO）、數字量輸入和輸出（DI和DO）以及多物理量數據采集通道。復合擠毀試驗載荷大、壓力高，試驗危險性強，要求控制與數據采集系統安裝位置盡量遠離危險源且工作穩定性高。

考慮到上述因素，在系統搭建中采用基于NI PXI-E平臺的集中式控制與數據采集方式。將控制與數據采集系統的所有硬件安裝在一臺現場主控制柜中。控制柜位于試驗地坑角落中，距離試樣8米左右。主控制柜中的PXIe-1082 8槽3U機箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控制室內的工業控制計算機通訊，實現遠程操控。這種架構方式有以下三個優點：

（1）試驗過程中人員安全性高。試驗中操作人員處于控制室中，與試樣直線距離超過20米。

（2）保證系統硬件安全。控制與數據采集系統的所有硬件安裝在現場主控制柜中。與分布式控制與數據采集方式相比，雖然增加了主控制柜內接線工作量，但減少了軟件接口，同時降低了因執行機構失控造成系統硬件損壞的概率。

（3）數據穩定性提高。試驗中多數傳感器安裝在試樣上，如果數據采集系統距離試樣太遠，傳感器連接導線過長，干擾和噪音會影響信號質量。特別是試驗機液壓油源中配有大功率電機和變頻器，多個傳感器反饋信號為毫伏級電壓，更會加劇長導線的影響。因此，主控制柜必須放置在試驗地坑中而不是控制室內。而主控制柜中的PXIe機箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內的工業控制計算機連接，數據傳輸速度快且穩定性高。

除去上述優點，這種架構方式唯一需要注意的是MIX通訊卡與工業控制計算機的兼容性。

板卡選擇中，僅選用以下4種6塊板卡即可滿足系統控制和數據采集通道需求：

PXIe-6363 X系列多功能卡1塊。這塊板卡功能強大，帶有32路正負10 伏模擬輸入，4路正負10伏模擬輸出，48路5伏數字I/O和4路32位計數器。系統中使用正負10伏模擬輸入功能接入所有執行子系統監控傳感器信號，使用正負10伏模擬輸出控制液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站中的氣控調壓閥等執行元件。5伏數字I/O和32位計數器功能未使用。

PXI-6515數字I/O卡1塊。這是一塊32通道24伏工業數字I/O卡，它的數字輸出功能用來控制所有中間繼電器通斷，根據試驗步驟開啟或關閉電機、泵及所有閥件；數字輸入功能收集油濾、緊急停止按鈕的狀態信號。

PXIe-4330應變與橋路傳感器數據采集卡3塊。該數據采集卡集傳感器供電與信號調理、采集于一體，能為傳感器提供0.625伏到10伏的供電。這一供電范圍涵蓋了應變采集常用的2伏和3.3伏以及高精度壓力傳感器常用的10伏，使系統無須再為傳感器另配線性電源。3塊采集卡中的1塊8個通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內壓及外壓，同時為外接位移傳感器和力傳感器預留通道。剩余2塊采集卡實現16通道1/4橋應變高速同步采集（采樣頻率較高達25kHz）。

PXIe-4353熱電偶數據采集卡1塊。這塊采集卡含有32個采集通道，其中8個通道內置冷端補償。采集卡支持J、K、T、E、N、B、R和S共8個類型的熱電偶，涵蓋了石油管試驗中常用的J、K兩種類型熱電偶。試驗中試樣溫度變化較慢，因此較高90Hz的采樣頻率也足以滿足使用需求。

軟件實現與現場成果

軟件編寫中，充分利用了LabVIEW 2011 軟件開發平臺的并行處理特長，令以下三個循環同時運行：

（1）液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站控制與多物理量數據采集循環；

（2）前面板操作響應循環；

（3）界面顯示與刷新循環；

軟件源代碼如圖3所示。

圖3 LabVIEW軟件源代碼

其中，液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站的控制程序同樣并行運行，保證執行機構能夠同時給試樣施加軸向載荷、側向彎曲以及內壓和外壓。

軟件主界面如圖4所示。進入軟件主界面后，系統自動檢測板卡狀態。這部分功能利用板卡驅動編寫。如果板卡狀態異常則鎖定界面，使后續操作無法完成，保證試驗安全。

圖4 軟件主界面

其后開始試驗參數配置。配置過程包括輸入試樣信息、傳感器配置、載荷步驟設置（如圖5）、應變與熱電偶采集配置等。每完成一步配置，點擊下一步，直到配置完成。這種鎖定的順序過程可以避免因某步信息未輸入而默認使用上次試驗配置的情況。

圖5 載荷步驟設置

試驗參數配置完成后，點擊軟件主界面上的“開始”按鈕，此時彈出窗口，要求操作人員輸入存盤路徑和文件名，保存數據文件和配置文件，便于數據回放和下次調用。開始試驗后，彈出液壓系統、高壓水加壓系統、高壓氣加壓系統監控界面，如圖6至圖8所示。界面上包含所有執行元件的啟停開關與工作狀態，以及監控傳感器的反饋值，替代了硬件指示燈、按鈕以及傳統的二次儀表。