基于虛擬儀器的鉆井工程無線監(jiān)控系統(tǒng)

許 萬，徐 誠，周 晶

（1湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068；2湖北省機電研究設(shè)計院，湖北 武漢430070）

在油氣田的開采過程中，鉆井作業(yè)是最為危險的工程環(huán)節(jié)之一.在鉆井的過程中可能遇到如井漏、溢流和卡鉆等很多意想不到的問題，如果處理不及時或處理不當都會造成嚴重的后果和不必要的損失［1－2］.因此，開展鉆井井場實時監(jiān)測，對保障石油天然氣開采的安全作業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義.目前鉆井現(xiàn)場的實時監(jiān)測一般采用各種傳感器進行數(shù)據(jù)采集，通過有線電纜將各傳感器采集的信號傳輸?shù)娇刂浦行奶幚?

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）以其自組織性好、靈活性強、體積小、成本低等優(yōu)點，在軍事、環(huán)境科學、醫(yī)療健康、空間探索、工農(nóng)業(yè)自動化等許多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景［3－7］.本文采用基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于Labview的虛擬儀器，為油氣田鉆井作業(yè)提供了一種新的信息獲取方法及統(tǒng)一的信息平臺.運用這些信息，不但可對鉆井作業(yè)工況及有關(guān)參數(shù)進行實時監(jiān)測，而且通過后期信息處理還可及時預報可能出現(xiàn)的復雜情況和鉆井事故，為工程技術(shù)人員的現(xiàn)場決策提供可靠的實時資料，提高了鉆井作業(yè)的安全性.

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)采用無線節(jié)點對鉆井現(xiàn)場進行監(jiān)控.根據(jù)系統(tǒng)功能需要，系統(tǒng)中模擬量傳感器有超聲波液位傳感器、立管壓力傳感器、大鉤負荷傳感器、出口流量傳感器和硫化氫濃度傳感器；數(shù)字量傳感器有絞車傳感器和泵沖次傳感器，輸出控制對象有聲光報警燈和灌漿電機.節(jié)點布置如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)節(jié)點布置圖

系統(tǒng)節(jié)點由NI WSN－3202模擬量輸入測量節(jié)點、NI WSN－3212熱電偶測量節(jié)點、及基于IEEE 802.15.4協(xié)議的以太網(wǎng)關(guān)NI WSN－9791組成.

在軟件設(shè)計上，采用LabVIEW2010設(shè)計現(xiàn)場客戶端.利用MAX設(shè)置網(wǎng)關(guān)及節(jié)點，采集的數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳到計算機，通過LabVIEW美觀的儀器界面和多樣的數(shù)據(jù)顯示方式把采集到的數(shù)據(jù)顯示到虛擬儀表和實時曲線，并運用Labsql將采集數(shù)據(jù)保存到Access數(shù)據(jù)庫.軟件采用注冊用戶事件結(jié)構(gòu)對超限數(shù)據(jù)進行報警.系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 以太網(wǎng)關(guān)及節(jié)點

硬件系統(tǒng)特點是運用NI WSN系統(tǒng)，使得布線簡單，方便靈活，可靠性高，極其適合油田工程使用.NI WSN系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)就相當于一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員，負責管理節(jié)點認證、消息緩沖，以及在IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)和有線以太網(wǎng)絡(luò)之間建立橋梁，在以太網(wǎng)絡(luò)中，可以使用各種NI軟件對測量數(shù)據(jù)進行采集、加工、分析和顯示.NI WSN－9791以太網(wǎng)關(guān)是一個傳遞設(shè)備，不提供板載存儲功能和編程功能，主要用以協(xié)調(diào)分布式測量節(jié)點 WSN－32xx與主控制器之間的通信.該網(wǎng)關(guān)采用2.4GHz、IEEE 802.15.4協(xié)議從10／100Mb·s－1以太網(wǎng)端口獲取測量數(shù)據(jù)，可靈活連接Windows或LabVIEW實時主控制器（圖3）.

NI WSN測量節(jié)點的特點是傳感器直連，通信可靠，工業(yè)評級標準.測量節(jié)點可由5號電池供電，可以持續(xù)工作3a.通過使用 WSN設(shè)備的Lab－VIEW驅(qū)動來添加網(wǎng)關(guān)節(jié)點到測量系統(tǒng)，通過Lab－VIEW WSN模塊的圖形化編程環(huán)境定制節(jié)點的行為.NI WSN－3202模擬量輸入測量節(jié)點提供4路±10V模擬量輸入通道和4路雙向數(shù)字通道，設(shè)備提供的12V、20mA的電源輸出可以直接驅(qū)動需要外部電源供電的傳感器.NI WSN－3212熱電偶測量節(jié)點提供4路24位熱電偶輸入通道和4路雙向數(shù)字通道，可以直接連接J、K、R、S等熱電偶.

圖3 NI WSN系統(tǒng)

2.2 WSN網(wǎng)絡(luò)配置

通過 Measurement ＆ Automation（MAX）進行NI WSN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置.配置過程如下：

運行MAX，刷新遠程系統(tǒng)，找到無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點NI－WSN9791－0148AA02系統(tǒng)設(shè)置，進行系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置，可以設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點名稱等，一般不作修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，配置網(wǎng)關(guān)節(jié)點的IP，網(wǎng)關(guān)等，以便通過以太網(wǎng)與PC機通信WSN Nodes，用來添加和刪除無線子節(jié)點，需要輸入節(jié)點的類型和ID.也可以更新內(nèi)部固件來設(shè)置節(jié)點為終端節(jié)點或路由節(jié)點Gateway Firmware，用來更新無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點內(nèi)部固件配置完成在WSN Nodes點擊刷新就能看到配置好的無線節(jié)點.

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW2010設(shè)計的.系統(tǒng)充分利用的LabVIEW的靈活多樣的數(shù)據(jù)表達形式對采集的數(shù)據(jù)進行了直觀的顯示，同時也利用了Access數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進行存儲.軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 用戶管理

用戶管理模塊包括添加用戶、查看用戶、修改用戶和刪除用戶.它的主要優(yōu)點是有效保護私有數(shù)據(jù)和保護程序本身［8］.用戶管理模塊采用Access數(shù)據(jù)庫保存用戶權(quán)限，最后登錄時間，用戶名稱及用戶密碼（圖5）.該模塊的特點在于增加了用戶權(quán)限和最后登錄時間.只有管理員能添加用戶，并能查看所用用戶信息，普通用戶只能查看本用戶信息；管理員能修改用戶的權(quán)限，普通用戶只能修改本用戶的密碼；管理員能刪除其他用戶，普通用戶只能刪除本身.在未登錄時，選項卡標簽隱藏，選項卡和其他按鈕都處于禁用狀態(tài).

圖5 用戶管理數(shù)據(jù)表

3.2 無線節(jié)點I／O數(shù)據(jù)獲取

無線節(jié)點配置完成之后，在工程里面可以看到配置好的節(jié)點.本系統(tǒng)采用的NI WSN3202有15個IO，要想獲得其中任何一個IO的數(shù)據(jù)只需要將工程里節(jié)點下面的IO變量直接拖到VI里面，數(shù)據(jù)獲取框圖見圖6.

圖6 無線節(jié)點數(shù)據(jù)獲取

3.3 實時數(shù)據(jù)顯示及保存

根據(jù)需要將實時采集的數(shù)據(jù)繪制成波形圖，并且保存數(shù)據(jù)到Access數(shù)據(jù)庫.該模塊類似波形記錄儀，可以實時反映模擬量的變化趨勢，還具有數(shù)據(jù)存盤功能.在波形顯示中，要想做到實時流動顯示模擬量波形，采用波形圖表控件，在波形圖表屬性里設(shè)置其刷新模式為示波器圖表.設(shè)置X軸的標尺為系統(tǒng)格式的絕對時間［9］，并在波形圖表的屬性節(jié)點中設(shè)置X標尺偏移量（XScale.offset）為當前時間，這樣X軸便與當前時間同步，波形圖表實時刷新顯示當前采集數(shù)據(jù)的波形（圖7）.而當系統(tǒng)停止并重新啟動時，需要擦除上次運行的數(shù)據(jù)波形，這樣就需要對波形圖表進行初始化，即把波形圖表的屬性節(jié)點中的歷史數(shù)據(jù)用空數(shù)組初始化.

數(shù)據(jù)的保存運用的是Labsql工具包對Access數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)修改操作.保存的數(shù)據(jù)包括序號、時間、液位、硫化氫濃度等.用SQL語句INSERT將采集的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，在保存數(shù)據(jù)的同時考慮到有效利用PC機的存儲空間，本系統(tǒng)只保存最新48h的數(shù)據(jù).當數(shù)據(jù)超過容量，用DELETE刪除第一條數(shù)據(jù)和UPDATE更新最后一條數(shù)據(jù).

圖7 實時數(shù)據(jù)波形

3.4 數(shù)據(jù)查詢

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢采用時間查詢，查詢的數(shù)據(jù)顯示到表格并且繪制歷史數(shù)據(jù)曲線.點擊數(shù)據(jù)查詢按鈕彈出對話框，提示按一定格式輸入查詢時間（圖8）.由于數(shù)據(jù)庫中時間的存儲格式為 2011－04－22 00：49：00，為了方便用戶使用簡單的輸入時間進行數(shù)據(jù)查詢，涉及時間格式的轉(zhuǎn)換.

圖8 時間格式轉(zhuǎn)換

3.5 數(shù)據(jù)報警

報警子系統(tǒng)是各種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測監(jiān)控、虛擬儀器系統(tǒng)的重要組成部分，功能完善的報警子系統(tǒng)有利于用戶及時發(fā)現(xiàn)故障、及時分析處理［10］.報警子系統(tǒng)運用注冊事件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，一旦采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的上下限就產(chǎn)生用戶事件，然后數(shù)據(jù)報警燈開始閃爍.報警燈閃爍實際上是布爾顯示控件的閃爍前景與TURE顏色的切換，在工具—選項—環(huán)境中修改閃爍前景為紅色.在工具—選項—前面板中修改閃爍延遲為100ms， 這樣報警燈在出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)時就以100ms的頻率閃爍.點擊閃爍的報警燈就能看到報警數(shù)據(jù)記錄表格，表格中記錄超限數(shù)據(jù)以及超限數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間.點擊清除報警數(shù)據(jù)，報警記錄表格清空.系統(tǒng)運行界面由圖9所示.

圖9 系統(tǒng)運行界面

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對油田現(xiàn)場鉆井工程的特殊環(huán)境，采用基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于Labview的虛擬儀器，實現(xiàn)鉆井工程數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測.測試表明，系統(tǒng)以1次／s的速率保存數(shù)據(jù)，最多可以保存172 800條數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)查詢可以查詢最近48h內(nèi)任何時間段的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)報警能及時報警并記錄超限數(shù)據(jù).本系統(tǒng)可滿足鉆井隊在作業(yè)現(xiàn)場復雜、頻繁移動的狀態(tài)下對鉆井工程參數(shù)的無線數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)囊?，保障鉆井作業(yè)安全.

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