数据采集系统搭建与基于NIPXI-E平台的石油管复合挤毁试验机控制

美国国家仪器（NI）有限公司数据采集系统搭建与基于NIPXI-E平台的石油管复合挤毁试验机控制基于NIPXI-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。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;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。解决方案: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。参阅完整案例分析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。图1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，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。图2控制子系统与部件图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NIPXI-E平台的集中式控制与数据采集方式。NIPXI-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NIPXI-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-10828槽3U机箱通过PXIe-8375x4和PCIe-8375x4MIX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-6363X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-10828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。图3现场主控制柜实拍图片图4PXIe-1082机箱在主控制柜内安装图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NILabVIEW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。图5LabVIEW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。图6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。图7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。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。图11数据回放界面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Figure1Combinedloadteststeps编号轴向载荷(千磅)径向位移(英寸)水压力(PSI)保持时间(分钟)10002250034000231000680002414008120002510006800026500340002700028-5004500029-1000810000210-500450002110002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。图12复合载荷试验中轴向载荷曲线压力采用开环控制，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。图13复合载荷试验中压力曲线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。图14应变采集数据曲线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NIPXI-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LabVIEW2011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20kHz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。