應用領域：

石油工業(yè)、石油管工程、重型試驗機、集中式控制與數(shù)據(jù)采集

挑戰(zhàn)：

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(nèi)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(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峻挑戰(zhàn)。

應用方案：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)平臺的并行處理特長，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

PXIe-1082 8槽3U PXI-E機箱

PXIe-6363 X系列多功能卡

PXI-6515 工業(yè)數(shù)字I/O卡

PXIe-4330 應變與橋路傳感器數(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。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(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侵蝕。油井管一旦在井下發(fā)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(jīng)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(nèi)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(fā)揮著不可替代的作用。

二、試驗機組成與設計原則

石油管復合擠毀試驗機的外觀如圖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)五個部分。

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(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，同時采集試驗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(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側向彎曲小液壓缸。伺服閥通過調(diào)節(jié)液壓缸兩腔壓力，實現(xiàn)載荷或位移閉環(huán)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(shù)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(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。多個電磁閥分別控制泵的開關與保壓氣控閥通斷。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)還需要采集試驗過程中試樣的壓力、力、位移、應變、溫度等傳感器反饋信號。

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。復合擠毀試驗載荷大、壓力高，試驗危險性強，要求控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝位置盡量遠離危險源且工作穩(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現(xiàn)場主控制柜中?？刂乒裎挥谠囼灥乜咏锹渲?，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(nèi)的工業(yè)控制計算機通訊，實現(xiàn)遠程操控。這種架構方式有以下三個優(yōu)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(tǒng)硬件安全。控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在現(xiàn)場主控制柜中。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，同時降低了因執(zhí)行機構失控造成系統(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，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(nèi)。而主控制柜中的PXIe機箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計算機連接，數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定性高。

除去上述優(yōu)點，這種架構方式唯一需要注意的是MIX通訊卡與工業(yè)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(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(shù)字I/O和4路32位計數(shù)器。系統(tǒng)中使用正負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，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(diào)壓閥等執(zhí)行元件。5伏數(shù)字I/O和32位計數(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)試驗步驟開啟或關閉電機、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。

PXIe-4330應變與橋路傳感器數(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個通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內(nèi)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(xiàn)16通道1/4橋應變高速同步采集(采樣頻率最高達25kHz)。

PXIe-4353熱電偶數(shù)據(jù)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(nèi)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，因此最高90Hz的采樣頻率也足以滿足使用需求。

四、軟件實現(xiàn)與現(xiàn)場成果

軟件編寫中，充分利用了LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺的并行處理特長，令以下三個循環(huán)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(shù)據(jù)采集循環(huán);

(2)前面板操作響應循環(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行，保證執(zhí)行機構能夠同時給試樣施加軸向載荷、側向彎曲以及內(nèi)壓和外壓。

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

圖4 軟件主界面

其后開始試驗參數(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(shù)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(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

試驗結束后進入數(shù)據(jù)回放界面(圖9)，能夠查看試驗數(shù)據(jù)并完成簡單的數(shù)據(jù)分析和導出。

圖9 數(shù)據(jù)回放界面

PXIe-1082 8槽3U機箱在現(xiàn)場主控制柜內(nèi)的安裝如圖10和圖11所示?？紤]到機箱發(fā)熱較大，將其安裝在主控制柜頂部，并且在控制柜側板安裝外掛式空調(diào)。

圖10 現(xiàn)場主控制柜實拍圖片

圖11 PXIe-1082機箱在主控制柜內(nèi)安裝圖

五、總結

使用NI PXI-E平臺完成了石油管復合擠毀試驗機的控制與數(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)平臺的并行處理特長，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平臺的集中式控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為試驗機的心臟，強有力的支撐著石油管復合擠毀試驗機穩(wěn)定、高效運轉。同時，這一應用方案在石油裝備領域具有示范意義，有助于NI PXI-E平臺在石油行業(yè)的推廣。