基于​NI PXI-​E​平台​的​石油​管​复合​挤​毁​试验​机​控制​与​数据​采集​系统​搭建

张 广​路, 中国​石油​集团

"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。"

- 张 广​路, 中国​石油​集团

The Challenge:

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;​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。

The Solution:

在​控制​与​数据​采集​系统​硬件​搭建​中,​采用​NI​新​推出​的​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​即​满足​控制​与​数据​采集​通道​要求。​软件​方面,​利用​LabVIEW 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。

 

1  引言

复合​挤​毁​试验​机​可以​对​油管​和​套​管​施加​拉伸、​压缩、​弯曲、​外​压、​内​压、​加热​等​多种​载​荷,​模拟​油田​实际​工​况。​在​按照​标准​评价​油管​和​套​管​螺​纹​连接​性能​[1, 2],​以及​对​特殊​螺​纹​密封​性、​油井​管​在​苛刻​工​况​下​力学​行为​等​研究​中,​复合​挤​毁​试验​机​均​发挥​着​不可​替代​的​作用。

 

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。

 

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,​是​整个​试验​机​的​核心。

 

本文​首先​说明​试验​机​对​控制​与​数据​采集​系统​的​具体​功能;​其次​研究​系统​硬件​配置​与​软件​建构,​完成​试验​机​控制​与​数据​采集​系统​搭建;​最终​通过​实验​数据​评定​系统​各​项​性能​指标。

 

 

2 控制​与​数据​采集​系统​功能

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​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。​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。

 

如上所述,​控制​与​数据​采集​系统​硬件​需要​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。​同时,​复合​挤​毁​试验​载​荷​大、​压力​高,​试验​危险​性​强,​系统​硬件​安装​位置​应​尽量​远离​危险​源​且​工作​稳定​性​高。​系统​软件​需要​同时​完成​多​物理​量​闭​环​控制​和​实​时​数据​采集。​软件​界面​友好,​能够​改变​载​荷​步骤,​完成​多种​定制​实验。

 

 

3 控制​与​数据​采集​系统​硬件​配置

根据​上述​需求,​系统​硬件​配置​采用​基于​NI PXI-​E​平台​的​集中​式​控制​与​数据​采集​方式。​NI PXI-​E​总​线​平台​与​传统​PCI​总​线​相比,​其​机械、​电气、​软件​功能​均​更​为​强大​[3]。​该​平台​已​被​广泛​应用​于​航空​航天​[4]、​电子​[5]​等​多个​领域。​基于​NI PXI-​E​平台​的​集中​式​硬件​配置​方案​中,​控制​与​数据​采集​系统​的​所有​硬件​被​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PXIe-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,​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​配置​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​问题。

 

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,​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​信号​调理、​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​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​热电​偶​类型。​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。

 

上述​6​张​板​卡​安装​在​主​控制​柜​中的PXIe-1082 8​槽​3U​机​箱​中。​机​箱​在​现场​主​控制​柜​内的​安装​如​图​3​和​图​4​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。

 

 

4 控制​与​数据​采集​系统​软件​架构

软件​内​核​需要​完成​轴​向​载​荷、​侧向​弯曲、​内​压、​外​压​的​闭​环​控制​和​多​通道​实​时​数据​采集,​同时​还​要​兼顾​界面​刷新、​数据​显示​和​存储​等​常规​功能。​软件​架构​中​采用NI LabVIEW软件​并​充分利用​其​并行​处理​特长​[6],​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;

    (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​5​所​示。

 

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​6​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。

 

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​7)、​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。

 

 

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​8​至​图​10​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。

 

试验​结束​后​进入​数据​回​放​界面​(图​11),​能够​查看​试验​数据​并​完成​简单​的​数据​分析​和​导出。

 

 

5 实验​与​结果

使用​上述​方案​完成​复合​挤​毁​试验​机​控制​与​数据​采集​系统​搭建,​并​对​标定​试样​施加​一​组​复合​载​荷​以​测试​系统​性能。​设定​载​荷​步骤​如​表​1​所​示。

表​1  复合​加​载​测试​设定​步骤

 

上述​复合​载​荷​实验​中,​轴​向​载​荷​闭​环​控制​效果​好,​加​载​平稳。​首次​达到​设定​值​后​上​冲​小​于​设定​载​荷​的​1%;​稳​载​过程​中轴​向​载​荷​波动​小​于​0.5%,​优于​标准​规定​的​1%[1]。​轴​向​载​荷​加​载​曲线​如​图​12​所​示。

 

压力​采用​开​环​控制,​稳​载​过程​中​载​荷​波动​同样​小​于​1%。​试样​压力​加​载​曲线​如​图​13​所​示。

 

复合​载​荷​试验​过程​中​同时​采集​试样​表面​应变​和​温度​信息。​图​14​所​示​为​试验​过程​中​试样​表面​轴​向​应变​片​数据​曲线,​其​与​轴​向​载​荷​曲线​趋势​高度​一致。

 

系统​径​向​位移​控制​与​热电​偶​温度​采集​功能​同样​运行​稳定,​满足​使用​需要,​限于​篇幅​不再​附​图。

 

 

6 结论

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​配置​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​架构​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​实​时​采集。

 

    该​试验​机​目前​已​在​实验​室​稳定​运行。​对​标定​试样​的​复合​载​荷​试验​数据​显示:

(1)​系统​能够​完成​采样​频率​20 kHz​的​实​时​数据​采集;

(2)​稳​载​阶段​轴​向​载​荷​与​压力​波动​小​于​千分之​五,​优于​标准​规定​的​百分​之一​[1]。

 

综​上​所述,​依照​上述​方案​搭建​的​控制​与​数据​采集​系统​能够​满足​石油​管​复合​载​荷​试验​需求。

 

Author Information:

张 广路
​中国​石油​集团

图​1 ​ ​石油​管​复合​挤​毁​试验​机 ​
图​2 ​ ​控制​子​系统​与​部件​图 ​
图​3 ​ ​现场​主​控制​柜​实​拍​图片 ​
​ 图​4 PXIe-1082​机​箱​在​主​控制​柜​内​安装​图 ​
​ ​图​5 LabVIEW​软件​源​代码 ​
​ ​图​6 软件​主​界面 ​
​ ​图​7 载​荷​步骤​设置 ​
​ ​图​8 液压​系统​监​控​界面 ​
​ ​图​9 高压​水​加​压​系统​监​控​界面 ​
​ 图​10 高压​气​加​压​系统​监​控​界面 ​
​ ​图​11 数据​回​放​界面 ​
​ 图​12 复合​载​荷​试验​中轴​向​载​荷​曲线 ​
​ ​图​13 复合​载​荷​试验​中​压力​曲线 ​