与数据采集系统搭建

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1、基于基于 NI PXI Express 平台的石油管复合挤毁试验机控制平台的石油管复合挤毁试验机控制 与数据采集系统搭建与数据采集系统搭建 张广路 中国石油集团石油管工程技术研究院 应用领域：应用领域：石油工业、石油管工程、重型试验机、集中式控制与数据采集 挑战：挑战：石油管复合挤毁试验机用于对油管和套管施加轴向载荷（拉伸或压缩） 、侧向弯曲、 外压及内压，模拟石油管柱在井下所受复合载荷工况。该设备载荷大、压力高，试验危险性 强；而且试验中需要同时控制多个子系统，完成多物理量闭环控制和数据同步采集。这二者 对控制与数据采集系统整体稳定性、硬件功能及软件并行处理能力提出了严峻挑战。 应用方案：应

2、用方案：在控制与数据采集系统搭建中，采用 NI X 系列多功能卡和集传感器供桥、信号 调理与采集功能一体的同步数据采集卡，配以工业数字 I/O 卡，插入 8 槽 PXI-E 机箱满足控 制与数据采集通道要求。软件方面，利用 LabVIEW 2011 软件开发平台的并行处理特长，完 成多物理量并行闭环控制和数据同步采集。 使用的产品：使用的产品： LabVIEW 2011 软件开发平台 PXIe-1082 8 槽 3U PXI-E 机箱 PXIe-6363 X 系列多功能卡 PXI-6515 工业数字 I/O 卡 PXIe-4330 应变与桥路传感器数据采集卡 PXIe-4353 热电偶数据采集

3、卡 PXIe-8375x4 MXI 光纤通讯卡 PCIe-8375x4 MXI 光纤通讯卡 正文：正文： 一、引言一、引言 套管、油管及钻柱构件（钻杆、钻铤、方钻杆等）统称油井管。油井管是石油工业的 基础。据统计数据显示，油井每钻进 1 米，约需油井管 62 千克，其中套管 48 千克，油管 10 千克，钻杆 3 千克，钻铤 0.5 千克。油田装备资产中，油井管约占 60%。而油井管在井下 的服役条件极端恶劣。 油管和套管管柱经常要承受上千个大气压的内压或外压， 几百吨的拉 伸或压缩载荷，还有高温及腐蚀介质侵蚀。油井管一旦在井下发生断裂掉井事故，会造成巨 大的损失，甚至直接导致油井报废。油井管

4、的质量和寿命直接决定了油井乃至油田的寿命。 油井管下井前必须经过一系列严格的检测试验以评估其性能，而石油管复合挤毁试验 机则是这些试验的核心设备。 复合挤毁试验机能够对油管和套管整管施加拉伸、 压缩、 弯曲、 外压、内压、加热等多种载荷，模拟管柱在井下的实际工况。无论是按照标准评价油管和套 管螺纹连接性能，还是在对特殊螺纹密封性、油井管在苛刻工况下力学行为的研究中，该试 验机均发挥着不可替代的作用。 二、二、试验试验机机组成与设计原则组成与设计原则 石油管复合挤毁试验机的外观如图 1 所示。它的组成包括载荷框架、液压油源、高压 水加压泵站、高压气加压泵站和控制与数据采集系统五个部分。 图 1

5、石油管复合挤毁试验机 载荷框架主要包括轴向载荷台架和两个外压挤毁缸，起容纳试样功能。液压油源为轴 向载荷和侧向弯曲液压缸提供动力。 高压水加压泵站为外压挤毁缸注入高压水， 使试样承受 外压。高压气加压泵站为试样内部注入高压气体，使试样承受内压。控制与数据采集系统调 配上述四部分工作，同时采集试验过程中的多物理量数据反馈。 三、控制与数据采集系统功能与硬件搭建三、控制与数据采集系统功能与硬件搭建 控制与数据采集系统需要监视液压油源、高压水加压泵站和高压气加压泵站三者的工 作状态，控制试样所受轴向载荷、侧向弯曲、内压及外压的大小和加载速率。系统需要控制 的子系统和部件如图 2 所示。 液压油源中的

6、电机带动柱塞泵或齿轮泵提供动力。换向阀起通断开关作用。溢流阀调 节系统压力，安全溢流。伺服阀控制轴向载荷大液压缸和两个侧向弯曲小液压缸。伺服阀通 过调节液压缸两腔压力，实现载荷或位移闭环控制，为试样施加轴向载荷及侧向弯曲载荷。 同时，油源上还装有油箱液位传感器、温度传感器。大液压缸两腔装有高精度压力传感器。 所有管路连接油箱的吸油、回油口都装有带数字信号反馈的油滤。 高压水加压泵站与高压气加压泵站类似。两个电控调压阀分别调节泵头入口压缩空气 压力和卸压阀压力， 从而控制试样内压和外压的升降。 多个电磁阀分别控制泵的开关与保压 气控阀通断。监控传感器反馈入口压缩空气压力和管路内压力，保证泵站安全

7、。 除去控制上述执行元件外，系统还需要采集试验过程中试样的压力、力、位移、应变、 温度等传感器反馈信号。 图 2 控制子系统与部件图 如上所述，控制与数据采集系统需要同时具备模拟量输入和输出（AI 和 AO） 、数字量 输入和输出（DI 和 DO）以及多物理量数据采集通道。复合挤毁试验载荷大、压力高，试验 危险性强，要求控制与数据采集系统安装位置尽量远离危险源且工作稳定性高。 考虑到上述因素，在系统搭建中采用基于 NI PXI-E 平台的集中式控制与数据采集方式。 将控制与数据采集系统的所有硬件安装在一台现场主控制柜中。控制柜位于试验地坑角落 中， 距离试样 8 米左右。 主控制柜中的 PXI

8、e-1082 8 槽 3U 机箱通过 PXIe-8375x4 和 PCIe-8375x4 MIX 卡连接 30 米光纤与控制室内的工业控制计算机通讯，实现远程操控。这种架构方式有 以下三个优点： （1）试验过程中人员安全性高。试验中操作人员处于控制室中，与试样直线距离超过 20 米。 （2）保证系统硬件安全。控制与数据采集系统的所有硬件安装在现场主控制柜中。与 分布式控制与数据采集方式相比，虽然增加了主控制柜内接线工作量，但减少了软件接口， 同时降低了因执行机构失控造成系统硬件损坏的概率。 （3）数据稳定性提高。试验中多数传感器安装在试样上，如果数据采集系统距离试样 太远，传感器连接导线过长，

9、干扰和噪音会影响信号质量。特别是试验机液压油源中配有大 功率电机和变频器，多个传感器反馈信号为毫伏级电压，更会加剧长导线的影响。因此，主 控制柜必须放置在试验地坑中而不是控制室内。而主控制柜中的 PXIe 机箱通过 MIX 通讯卡 和光纤与控制室内的工业控制计算机连接，数据传输速度快且稳定性高。 除去上述优点，这种架构方式唯一需要注意的是 MIX 通讯卡与工业控制计算机的兼容 性。 板卡选择中，仅选用以下 4 种 6 块板卡即可满足系统控制和数据采集通道需求： PXIe-6363 X 系列多功能卡 1 块。这块板卡功能强大，带有 32 路正负 10 伏模拟输入， 4 路正负 10 伏模拟输出，

10、48 路 5 伏数字 I/O 和 4 路 32 位计数器。系统中使用正负 10 伏模 拟输入功能接入所有执行子系统监控传感器信号，使用正负 10 伏模拟输出控制液压油源、 高压水加压泵站和高压气加压泵站中的气控调压阀等执行元件。5 伏数字 I/O 和 32 位计数 器功能未使用。 PXI-6515 数字 I/O 卡 1 块。这是一块 32 通道 24 伏工业数字 I/O 卡，它的数字输出功能 用来控制所有中间继电器通断，根据试验步骤开启或关闭电机、泵及所有阀件；数字输入功 能收集油滤、紧急停止按钮的状态信号。 PXIe-4330 应变与桥路传感器数据采集卡 3 块。 该数据采集卡集传感器供电与

11、信号调理、控制与数据采集系统 高压气加压泵站 气 控 调 压 阀电 磁 阀监 控 传 感 器高压水加压泵站 气 控 调 压 阀电 磁 阀监 控 传 感 器电机伺 服 阀换 向 阀伺 服 阀溢 流 阀监 控 传 感 器压 力 传 感 器液压油源 采集于一体，能为传感器提供 0.625 伏到 10 伏的供电。这一供电范围涵盖了应变采集常用 的 2 伏和 3.3 伏以及高精度压力传感器常用的 10 伏， 使系统无须再为传感器另配线性电源。 3 块采集卡中的 1 块 8 个通道用来采集液压缸两腔压力和试样内压及外压， 同时为外接位移 传感器和力传感器预留通道。剩余 2 块采集卡实现 16 通道 1/4

12、 桥应变高速同步采集（采样 频率最高达 25kHz） 。 PXIe-4353 热电偶数据采集卡 1 块。这块采集卡含有 32 个采集通道，其中 8 个通道内置 冷端补偿。采集卡支持 J、K、T、E、N、B、R 和 S 共 8 个类型的热电偶，涵盖了石油管试验 中常用的 J、K 两种类型热电偶。试验中试样温度变化较慢，因此最高 90Hz 的采样频率也足 以满足使用需求。 四、软件实现与现场成果四、软件实现与现场成果 软件编写中，充分利用了 LabVIEW 2011 软件开发平台的并行处理特长，令以下三个循 环同时运行： （1）液压油源、高压水加压泵站、高压气加压泵站控制与多物理量数据采集循环；

13、（2）前面板操作响应循环； （3）界面显示与刷新循环； 软件源代码如图 3 所示。 图 3 LabVIEW 软件源代码 其中，液压油源、高压水加压泵站、高压气加压泵站的控制程序同样并行运行，保证 执行机构能够同时给试样施加轴向载荷、侧向弯曲以及内压和外压。 软件主界面如图 4 所示。进入软件主界面后，系统自动检测板卡状态。这部分功能利 用板卡驱动编写。如果板卡状态异常则锁定界面，使后续操作无法完成，保证试验安全。 图 4 软件主界面 其后开始试验参数配置。配置过程包括输入试样信息、传感器配置、载荷步骤设置（如 图 5） 、应变与热电偶采集配置等。每完成一步配置，点击下一步，直到配置完成。这种锁

14、 定的顺序过程可以避免因某步信息未输入而默认使用上次试验配置的情况。 图 5 载荷步骤设置 试验参数配置完成后，点击软件主界面上的“开始”按钮，此时弹出窗口，要求操作 人员输入存盘路径和文件名，保存数据文件和配置文件，便于数据回放和下次调用。开始试 验后，弹出液压系统、高压水加压系统、高压气加压系统监控界面，如图 6 至图 8 所示。界 面上包含所有执行元件的启停开关与工作状态， 以及监控传感器的反馈值， 替代了硬件指示灯、按钮以及传统的二次仪表。 图 6 液压系统监控界面 图 7 高压水加压系统监控界面 图 8 高压气加压系统监控界面 试验结束后进入数据回放界面（图 9） ，能够查看试验数据

15、并完成简单的数据分析和导 出。 图 9 数据回放界面 PXIe-1082 8 槽 3U 机箱在现场主控制柜内的安装如图 10 和图 11 所示。 考虑到机箱发热 较大，将其安装在主控制柜顶部，并且在控制柜侧板安装外挂式空调。 图 10 现场主控制柜实拍图片 图 11 PXIe-1082 机箱在主控制柜内安装图 五、总结五、总结 使用 NI PXI-E 平台完成了石油管复合挤毁试验机的控制与数据采集系统搭建。 硬件方面 充分利用 NI 板卡的多种功能，用尽可能少的板卡搭建集中式控制与数据采集系统，满足系 统整体稳定性要求。软件方面，利用 LabVIEW 2011 软件开发平台的并行处理特长，完成多 物理量并行闭环控制和数据同步采集。 这一基于 NI PXI-E 平台的集中式控制与数据采集系统作为试验机的心脏， 强有力的支撑 着石油管复合挤毁试验机稳定、高效运转。同时，这一应用方案在石油装备领域具有示范意 义，有助于 NI PXI-E 平台在石油行业的推广。