基于NI PXI Express平臺(tái)的石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)控制

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

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。

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?？刂婆c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)。

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6 液壓系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖7 高壓水加壓系統(tǒng)監(jiān)控界面

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10 現(xiàn)場(chǎng)主控制柜實(shí)拍圖片

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。