時(shí)間:2013-03-27 10:18:16來源:張廣路
應(yīng)用領(lǐng)域:石油工業(yè)、石油管工程、重型試驗(yàn)機(jī)、集中式控制與數(shù)據(jù)采集
挑戰(zhàn):石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)用于對(duì)油管和套管施加軸向載荷(拉伸或壓縮)、側(cè)向彎曲、外壓及內(nèi)壓,模擬石油管柱在井下所受復(fù)合載荷工況。該設(shè)備載荷大、壓力高,試驗(yàn)危險(xiǎn)性強(qiáng);而且試驗(yàn)中需要同時(shí)控制多個(gè)子系統(tǒng),完成多物理量閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)同步采集。這二者對(duì)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、硬件功能及軟件并行處理能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
應(yīng)用方案:在控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建中,采用NI X系列多功能卡和集傳感器供橋、信號(hào)調(diào)理與采集功能一體的同步數(shù)據(jù)采集卡,配以工業(yè)數(shù)字I/O卡,插入8槽PXI-E機(jī)箱滿足控制與數(shù)據(jù)采集通道要求。軟件方面,利用LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺(tái)的并行處理特長(zhǎng),完成多物理量并行閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)同步采集。
使用的產(chǎn)品:
LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺(tái)
PXIe-1082 8槽3U PXI-E機(jī)箱
PXIe-6363 X系列多功能卡
PXI-6515 工業(yè)數(shù)字I/O卡
PXIe-4330 應(yīng)變與橋路傳感器數(shù)據(jù)采集卡
PXIe-4353 熱電偶數(shù)據(jù)采集卡
PXIe-8375x4 MXI光纖通訊卡
PCIe-8375x4 MXI光纖通訊卡
正文:
一、引言
套管、油管及鉆柱構(gòu)件(鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等)統(tǒng)稱油井管。油井管是石油工業(yè)的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,油井每鉆進(jìn)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(chǎn)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(jīng)常要承受上千個(gè)大氣壓的內(nèi)壓或外壓,幾百噸的拉伸或壓縮載荷,還有高溫及腐蝕介質(zhì)侵蝕。油井管一旦在井下發(fā)生斷裂掉井事故,會(huì)造成巨大的損失,甚至直接導(dǎo)致油井報(bào)廢。油井管的質(zhì)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(jīng)過一系列嚴(yán)格的檢測(cè)試驗(yàn)以評(píng)估其性能,而石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)則是這些試驗(yàn)的核心設(shè)備。復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)能夠?qū)τ凸芎吞坠苷苁┘永?、壓縮、彎曲、外壓、內(nèi)壓、加熱等多種載荷,模擬管柱在井下的實(shí)際工況。無論是按照標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)油管和套管螺紋連接性能,還是在對(duì)特殊螺紋密封性、油井管在苛刻工況下力學(xué)行為的研究中,該試驗(yàn)機(jī)均發(fā)揮著不可替代的作用。
圖1 石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)
載荷框架主要包括軸向載荷臺(tái)架和兩個(gè)外壓擠毀缸,起容納試樣功能。液壓油源為軸向載荷和側(cè)向彎曲液壓缸提供動(dòng)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(nèi)部注入高壓氣體,使試樣承受內(nèi)壓。控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)配上述四部分工作,同時(shí)采集試驗(yàn)過程中的多物理量數(shù)據(jù)反饋。
三、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能與硬件搭建
控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要監(jiān)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(tài),控制試樣所受軸向載荷、側(cè)向彎曲、內(nèi)壓及外壓的大小和加載速率。系統(tǒng)需要控制的子系統(tǒng)和部件如圖2所示。
液壓油源中的電機(jī)帶動(dòng)柱塞泵或齒輪泵提供動(dòng)力。換向閥起通斷開關(guān)作用。溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力,安全溢流。伺服閥控制軸向載荷大液壓缸和兩個(gè)側(cè)向彎曲小液壓缸。伺服閥通過調(diào)節(jié)液壓缸兩腔壓力,實(shí)現(xiàn)載荷或位移閉環(huán)控制,為試樣施加軸向載荷及側(cè)向彎曲載荷。同時(shí),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(shù)字信號(hào)反饋的油濾。
高壓水加壓泵站與高壓氣加壓泵站類似。兩個(gè)電控調(diào)壓閥分別調(diào)節(jié)泵頭入口壓縮空氣壓力和卸壓閥壓力,從而控制試樣內(nèi)壓和外壓的升降。多個(gè)電磁閥分別控制泵的開關(guān)與保壓氣控閥通斷。監(jiān)控傳感器反饋入口壓縮空氣壓力和管路內(nèi)壓力,保證泵站安全。
除去控制上述執(zhí)行元件外,系統(tǒng)還需要采集試驗(yàn)過程中試樣的壓力、力、位移、應(yīng)變、溫度等傳感器反饋信號(hào)。
二、試驗(yàn)機(jī)組成與設(shè)計(jì)原則
石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)的外觀如圖1所示。它的組成包括載荷框架、液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五個(gè)部分。
圖2 控制子系統(tǒng)與部件圖
如上所述,控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時(shí)具備模擬量輸入和輸出(AI和AO)、數(shù)字量輸入和輸出(DI和DO)以及多物理量數(shù)據(jù)采集通道。復(fù)合擠毀試驗(yàn)載荷大、壓力高,試驗(yàn)危險(xiǎn)性強(qiáng),要求控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝位置盡量遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源且工作穩(wěn)定性高。
考慮到上述因素,在系統(tǒng)搭建中采用基于NI PXI-E平臺(tái)的集中式控制與數(shù)據(jù)采集方式。將控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)主控制柜中??刂乒裎挥谠囼?yàn)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(jī)箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通訊,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。這種架構(gòu)方式有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn):
(1)試驗(yàn)過程中人員安全性高。試驗(yàn)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(tǒng)硬件安全??刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在現(xiàn)場(chǎng)主控制柜中。與分布式控制與數(shù)據(jù)采集方式相比,雖然增加了主控制柜內(nèi)接線工作量,但減少了軟件接口,同時(shí)降低了因執(zhí)行機(jī)構(gòu)失控造成系統(tǒng)硬件損壞的概率。
(3)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性提高。試驗(yàn)中多數(shù)傳感器安裝在試樣上,如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)距離試樣太遠(yuǎn),傳感器連接導(dǎo)線過長(zhǎng),干擾和噪音會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。特別是試驗(yàn)機(jī)液壓油源中配有大功率電機(jī)和變頻器,多個(gè)傳感器反饋信號(hào)為毫伏級(jí)電壓,更會(huì)加劇長(zhǎng)導(dǎo)線的影響。因此,主控制柜必須放置在試驗(yàn)地坑中而不是控制室內(nèi)。而主控制柜中的PXIe機(jī)箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接,數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定性高。
除去上述優(yōu)點(diǎn),這種架構(gòu)方式唯一需要注意的是MIX通訊卡與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集通道需求:
PXIe-6363 X系列多功能卡1塊。這塊板卡功能強(qiáng)大,帶有32路正負(fù)10 伏模擬輸入,4路正負(fù)10伏模擬輸出,48路5伏數(shù)字I/O和4路32位計(jì)數(shù)器。系統(tǒng)中使用正負(fù)10伏模擬輸入功能接入所有執(zhí)行子系統(tǒng)監(jiān)控傳感器信號(hào),使用正負(fù)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(diào)壓閥等執(zhí)行元件。5伏數(shù)字I/O和32位計(jì)數(shù)器功能未使用。
PXI-6515數(shù)字I/O卡1塊。這是一塊32通道24伏工業(yè)數(shù)字I/O卡,它的數(shù)字輸出功能用來控制所有中間繼電器通斷,根據(jù)試驗(yàn)步驟開啟或關(guān)閉電機(jī)、泵及所有閥件;數(shù)字輸入功能收集油濾、緊急停止按鈕的狀態(tài)信號(hào)。
PXIe-4330應(yīng)變與橋路傳感器數(shù)據(jù)采集卡3塊。該數(shù)據(jù)采集卡集傳感器供電與信號(hào)調(diào)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(yīng)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(tǒng)無須再為傳感器另配線性電源。3塊采集卡中的1塊8個(gè)通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內(nèi)壓及外壓,同時(shí)為外接位移傳感器和力傳感器預(yù)留通道。剩余2塊采集卡實(shí)現(xiàn)16通道1/4橋應(yīng)變高速同步采集(采樣頻率最高達(dá)25kHz)。
PXIe-4353熱電偶數(shù)據(jù)采集卡1塊。這塊采集卡含有32個(gè)采集通道,其中8個(gè)通道內(nèi)置冷端補(bǔ)償。采集卡支持J、K、T、E、N、B、R和S共8個(gè)類型的熱電偶,涵蓋了石油管試驗(yàn)中常用的J、K兩種類型熱電偶。試驗(yàn)中試樣溫度變化較慢,因此最高90Hz的采樣頻率也足以滿足使用需求。
四、軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)成果
軟件編寫中,充分利用了LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺(tái)的并行處理特長(zhǎng),令以下三個(gè)循環(huán)同時(shí)運(yùn)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(shù)據(jù)采集循環(huán);
(2)前面板操作響應(yīng)循環(huán);
(3)界面顯示與刷新循環(huán);
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(yùn)行,保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)給試樣施加軸向載荷、側(cè)向彎曲以及內(nèi)壓和外壓。
軟件主界面如圖4所示。進(jìn)入軟件主界面后,系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)板卡狀態(tài)。這部分功能利用板卡驅(qū)動(dòng)編寫。如果板卡狀態(tài)異常則鎖定界面,使后續(xù)操作無法完成,保證試驗(yàn)安全。
圖4 軟件主界面
其后開始試驗(yàn)參數(shù)配置。配置過程包括輸入試樣信息、傳感器配置、載荷步驟設(shè)置(如圖5)、應(yīng)變與熱電偶采集配置等。每完成一步配置,點(diǎn)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(rèn)使用上次試驗(yàn)配置的情況。
圖5 載荷步驟設(shè)置
試驗(yàn)參數(shù)配置完成后,點(diǎn)擊軟件主界面上的“開始”按鈕,此時(shí)彈出窗口,要求操作人員輸入存盤路徑和文件名,保存數(shù)據(jù)文件和配置文件,便于數(shù)據(jù)回放和下次調(diào)用。開始試驗(yàn)后,彈出液壓系統(tǒng)、高壓水加壓系統(tǒng)、高壓氣加壓系統(tǒng)監(jiān)控界面,如圖6至圖8所示。界面上包含所有執(zhí)行元件的啟停開關(guān)與工作狀態(tài),以及監(jiān)控傳感器的反饋值,替代了硬件指示燈、按鈕以及傳統(tǒng)的二次儀表。
圖8 高壓氣加壓系統(tǒng)監(jiān)控界面
試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)入數(shù)據(jù)回放界面(圖9),能夠查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析和導(dǎo)出。
圖9 數(shù)據(jù)回放界面
PXIe-1082 8槽3U機(jī)箱在現(xiàn)場(chǎng)主控制柜內(nèi)的安裝如圖10和圖11所示。考慮到機(jī)箱發(fā)熱較大,將其安裝在主控制柜頂部,并且在控制柜側(cè)板安裝外掛式空調(diào)。
圖11 PXIe-1082機(jī)箱在主控制柜內(nèi)安裝圖
五、總結(jié)
使用NI PXI-E平臺(tái)完成了石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)的控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建。硬件方面充分利用NI板卡的多種功能,用盡可能少的板卡搭建集中式控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),滿足系統(tǒng)整體穩(wěn)定性要求。軟件方面,利用LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺(tái)的并行處理特長(zhǎng),完成多物理量并行閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)同步采集。
這一基于NI PXI-E平臺(tái)的集中式控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為試驗(yàn)機(jī)的心臟,強(qiáng)有力的支撐著石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),這一應(yīng)用方案在石油裝備領(lǐng)域具有示范意義,有助于NI PXI-E平臺(tái)在石油行業(yè)的推廣。
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