基于LabVIEW的連續(xù)油管隨鉆測量監(jiān)控軟件設(shè)計

陳文輝，雙 凱

（中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249）

隨鉆測量是在鉆井過程中進(jìn)行井下信息實時測量和上傳的技術(shù)的簡稱。連續(xù)油管隨鉆采用電纜傳輸井底信號，能及時的把地下所測得的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，供地面人員分析使用。目前國內(nèi)大多數(shù)仍采用泥漿脈沖隨鉆測量，相應(yīng)的地面監(jiān)控軟件一般采用VC或VB開發(fā)，地面硬件系統(tǒng)一般采用數(shù)據(jù)采集卡、防爆箱以及信號調(diào)理電路等構(gòu)成，通過USB或串口的方式與PC機(jī)通信[1]，有關(guān)連續(xù)油管隨鉆測量監(jiān)控軟件的研究則很少。LabVIEW作為美國國家半導(dǎo)體公司推出的基于圖形程序的虛擬儀器儀表開發(fā)平臺，采用數(shù)據(jù)流的編程方式，內(nèi)部包含了眾多用于測試測量、控制仿真、信號處理等領(lǐng)域的函數(shù)工具包，以及友好美觀的儀器儀表外觀界面，采用LabVIEW進(jìn)行原理研究，設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時能夠縮短開發(fā)時間，大大提高工作效率。在該背景下，本文提出了一種基于LabVIEW的連續(xù)油管隨鉆測量監(jiān)控軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，并通過Altera公司的DE2-115開發(fā)板作為硬件測試平臺對該軟件的應(yīng)用效果進(jìn)行了測試。

1 整體設(shè)計

該監(jiān)控軟件采用模塊化的方式實現(xiàn)，包括通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊以及隨鉆測量模塊，各個模塊的結(jié)構(gòu)和所包含的功能如圖1所示。

圖1 軟件整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the software system

隨鉆測量模塊是該監(jiān)控軟件最主要的模塊，用于隨鉆測量數(shù)據(jù)接收、顯示和儲存的模塊，進(jìn)入該模塊后需要先登陸數(shù)據(jù)庫服務(wù)器并選擇用于存儲的數(shù)據(jù)庫，然后需要輸入上位機(jī)IP地址和端口號將監(jiān)控軟件和上位機(jī)建立連接，正確連接后即可看到顯示界面。在該隨鉆測量顯示界面，操作人員在控制命令發(fā)送區(qū)寫入命令字符串并點擊發(fā)送按鈕，上位機(jī)接收到命令后返回井下儀器狀態(tài)或隨鉆數(shù)據(jù)，這些狀態(tài)和數(shù)據(jù)將在顯示界面上實時顯示，同時還可以觀看歷史數(shù)據(jù)以及歷史曲線等信息，與此同時，這些隨鉆數(shù)據(jù)信息被保存在指定數(shù)據(jù)庫中。

在該監(jiān)控軟件設(shè)計過程中，主要采用了基于XControl的隨鉆度盤設(shè)計、基于Winsock的中斷式以太網(wǎng)通信設(shè)計以及基于LabSQL的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。

2 基于XControl的隨鉆度盤設(shè)計

隨鉆度盤是一種用于顯示隨鉆井斜、方位和工具面參數(shù)數(shù)值的儀表盤，通常度盤除了顯示井斜、方位和當(dāng)前工具面值以外還可以顯示4個歷史工具面值，工具面分重力工具面和磁力工具面，分別用兩種不同顏色的指針區(qū)分，5個工具面值中最外層是最新的值，最內(nèi)層的是最老的值。

由于LabVIEW中沒有具有隨鉆度盤功能的顯示控件，本文采用LabVIEW的XControl技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)隨鉆度盤。XControl是 NI公司在LABVIEW 8.X新推出的一種特殊控件結(jié)構(gòu)，XControl擴(kuò)展了自定義控件的功能，允許用戶以自定義控件的形式定義控件的功能，它不但可以定義控件的外觀，還可以定義控件的行為，實現(xiàn)具有特殊功能的儀表控件。XControl控件由4部分組成[2]：

1）數(shù)據(jù).ctl，定義 XControl的數(shù)據(jù)類型，即 XControl控件能接收的數(shù)據(jù)類型。

2）狀態(tài).ctl，定義 XControl的狀態(tài)，記錄 XControol內(nèi)部數(shù)據(jù)狀態(tài)變化。

3）外觀.vi，定義XControl的外觀和功能，前面板定義外觀，程序面板編程實現(xiàn)功能。

4）初始化.vi，定義 XControl的初始狀態(tài)。

設(shè)計隨鉆度盤時，主要設(shè)計狀態(tài).ctl和外觀.vi。狀態(tài)用于保存4個歷史工具面的狀態(tài)，共采用9個變量，其中8個用來表征4個歷史工具面的數(shù)值和類型，最后一個變量記錄接收數(shù)據(jù)的次數(shù)。外觀是在LabVIEW自帶的量表基礎(chǔ)上，通過自定義控件實現(xiàn)，隨鉆度盤的外觀.vi對應(yīng)的程序流程圖如圖2所示。

外觀.vi的前面板設(shè)計使用了11個自定義量表，將他們依次疊加放在一起，這樣11個量表看起來就是一個隨鉆度盤。每次有新數(shù)據(jù)到來時，后面板程序讀取出當(dāng)前井斜、方位和工具面值并通過對應(yīng)3個量表顯示出來，然后程序通過查詢歷史工具面的狀態(tài)值，確定歷史工具面的數(shù)值以及是重力還是磁力工具面，控制其余量表進(jìn)行顯示。

圖2 隨鉆度盤程序設(shè)計流程圖Fig.2 Program flow diagram of the MWD gauge

3 基于Winsock的中斷式以太網(wǎng)通信實現(xiàn)

LabVIEW自身帶有TCP和UDP通信功能的Vi，但是它們都是基于輪詢機(jī)制而不是事件機(jī)制，本文考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性采用基于事件中斷方式的Winsock控件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

WinSock控件是一個專門用于Windows網(wǎng)絡(luò)編程的ActiveX控件。它提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。它可以作為服務(wù)器被其他客戶端軟件調(diào)用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程。用WinSock控件編寫網(wǎng)絡(luò)通信程序，不需要了解TCP/IP的具體細(xì)節(jié)或調(diào)用底層Winsock API，通過設(shè)置WinSock控件的屬性、配置事件中斷服務(wù)、調(diào)用該控件的方法，可容易的連接到遠(yuǎn)程計算機(jī)并進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換[3-4]。

由于LabVIEW自身不帶有Winsock控件，要在LabVIEW中正常調(diào)用Winsock控件，需要先注冊MSWinsock.ocx文件，并將對應(yīng)的License key導(dǎo)入注冊表。本文設(shè)計的隨鉆測量監(jiān)控軟件以客戶端的模式工作，主要用到了Winsock的Connect方法、SendData方法、Close方法以及DataArrival事件，采用Winsock進(jìn)行中斷式網(wǎng)絡(luò)通信的程序如圖3所示。

在該程序中，先通過Close方法關(guān)閉Winsock以防止其在上次應(yīng)用完畢后沒有關(guān)閉導(dǎo)致錯誤發(fā)生，再調(diào)用Connect方法重新打開Winsock，通過輸入遠(yuǎn)程服務(wù)器IP地址和端口號與服務(wù)器進(jìn)行連接，連接成功后即注冊一個中斷服務(wù)程序，該中斷服務(wù)程序在有網(wǎng)口有數(shù)據(jù)到來時將數(shù)據(jù)接收存放在名為“收到的字符串”的隊列中。圖中的小while循環(huán)在隊列有數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)取出并顯示在“收到的字符串”控件中，帶有事件結(jié)構(gòu)的while循環(huán)檢測前面板按鍵，當(dāng)前面板“發(fā)送”按鍵按下時即把“發(fā)送字符串”中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；當(dāng)前面板“斷開連接”按鍵按下時即關(guān)閉Winsock、取消注冊事件并釋放隊列引用，從而控制整個程序停止運行。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

圖3 中斷式網(wǎng)絡(luò)通信程序圖Fig.3 Program code of Ethernet communication in the interruption way

隨鉆測量參數(shù)多樣、數(shù)據(jù)量大，為了有效的對隨鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，本文采用數(shù)據(jù)庫SQL Server記錄隨鉆數(shù)據(jù)?？紤]到實際隨鉆測量所需存儲的參數(shù)類型和其他相關(guān)信息，采用Power Designer設(shè)計了該連續(xù)油管隨鉆測量數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)計概念數(shù)據(jù)模型，生成物理數(shù)據(jù)模型，最后在SQL Server 2008中生成設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫。連續(xù)油管隨鉆數(shù)據(jù)庫E-R圖如圖4所示。

圖4 連續(xù)油管隨鉆測量數(shù)據(jù)庫E-R圖Fig.4 E-R diagram of the MWCTD database

在該連續(xù)油管隨鉆數(shù)據(jù)庫中，主要設(shè)計了工程、井、鉆次、專家、測量工程師、井隊、測斜數(shù)據(jù)、伽馬、電阻率、工具面和井深共11個實體。其中一個工程對應(yīng)多口井，一口井對應(yīng)多個鉆次，而在每個鉆次中主要記錄的測量數(shù)據(jù)有定向數(shù)據(jù)、鉆井參數(shù)和地層特性，對于本課題測量數(shù)據(jù)簡化考慮只有測斜數(shù)據(jù)、伽馬、電阻率、工具面和井深，此外，對應(yīng)每一個鉆次都有多個專家、測量工程師和井隊負(fù)責(zé)[1]。

5 LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫

實現(xiàn)LabVIEW對數(shù)據(jù)庫的操作主要可采用的方法有：LabVIEW SQL Toolkit、LabVIEW ActiveX、LabSQL 和 調(diào) 用 動態(tài)鏈接庫DLL。由于LabVIEW SQL Toolkit工具包需購買且價格昂貴，采用ActiveX和DLL方式訪問數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)行復(fù)雜的編程，對程序員要求較高，而LabSQL是一個免費的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺的數(shù)據(jù)庫訪問工具包，所以本文采用LabSQL工具包開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。

ODBC（Open Database Connectivity）即開放數(shù)據(jù)庫連接，是一種強(qiáng)大而靈活的數(shù)據(jù)庫訪問標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以通過ODBC實現(xiàn)對不同操作系統(tǒng)下不同數(shù)據(jù)庫軟件的訪問。而一般訪問ODBC數(shù)據(jù)源接口采用ADO （ActiveX Data Objects）方式，LabSQL正是將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs，通過這些VI訪問ODBC數(shù)據(jù)源從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問[5-6]。

如圖5所示是LabSQL編程訪問數(shù)據(jù)庫的一般過程，先通過ADO Create Conn.vi建立一個自動化連接，再通過向ADO Open Conn.vi輸入正確的連接字符串即可與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或指定數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)連接，然后就可以通過SQL Execute.vi執(zhí)行SQL語句并返回查詢結(jié)果，最后通過Close Conn.vi和Destroy Conn.vi關(guān)閉并銷毀連接。

圖5 LabSQL以Windows身份驗證方式登錄訪問數(shù)據(jù)庫程序流程Fig.5 Program code of LabSQL accessing database by Windows user authentication

連接字符串的內(nèi)容根據(jù)連接方式的不同而不同，圖5中所示連接字符串通過Windows身份驗證的方式連接到連續(xù)油管隨鉆數(shù)據(jù)庫，將表格 “工程”中的數(shù)據(jù)讀出顯示在Data控件中，而不需要輸入用戶名密碼進(jìn)行驗證。當(dāng)通過SQL Server身份認(rèn)證的方式登錄連續(xù)油管隨鉆數(shù)據(jù)庫時，則應(yīng)當(dāng)在連接字符串中加入用戶名和密碼信息。連接字符串可以通過以下方法獲?。盒陆ㄒ粋€文本文檔，重命名為xxx.udl，然后在打開方式中選擇OLE DB Core Services，打開后將出現(xiàn)一個配置窗口，在“提供程序”里選擇數(shù)據(jù)庫，然后在“連接”里進(jìn)行其他相關(guān)設(shè)置，最后點擊確定。這時候再打開該udl文件即可看到生成的連接字符串，該字符串可用作與數(shù)據(jù)庫的連接。

6 軟件測試

為了測試該隨鉆測量監(jiān)控軟件，采用ALTERA公司的DE2-115開發(fā)板作為硬件測試平臺，向該FPGA開發(fā)板移植嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，并采用NicheStack TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議棧和Socket套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，最終開發(fā)了和監(jiān)控軟件進(jìn)行以太網(wǎng)通信的上位機(jī)程序。系統(tǒng)測試結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 軟件測試結(jié)果Fig.6 Test result of the software system

圖7 數(shù)據(jù)存儲測試結(jié)果Fig.7 Test result of data storage

測試中，DE2-115每隔一秒鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送的井斜、方位和工具面值為定值，伽馬和電阻率在一定范圍內(nèi)是隨機(jī)值。從圖中可以看到監(jiān)控軟件能正確顯示各隨鉆數(shù)據(jù)，同時這些數(shù)據(jù)被寫入數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)表格中。

7 結(jié) 論

本文開發(fā)了基于LabVIEW的連續(xù)油管隨鉆測量監(jiān)控軟件，經(jīng)測試，該軟件能夠?qū)崟r地接收、顯示和存儲上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，采用DE2-115硬件平臺以及LabVIEW軟件開發(fā)平臺，節(jié)約了開發(fā)時間，收到了良好的實際效果。

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