基于虛擬儀器的測(cè)井地面測(cè)控系統(tǒng)研究

王 衛(wèi)，倪衛(wèi)寧，吳 非

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京100101）

基于虛擬儀器的測(cè)井地面測(cè)控系統(tǒng)研究

王 衛(wèi)，倪衛(wèi)寧，吳 非

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京100101）

基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)井地面控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、電源、ADSL模塊、數(shù)字控制與數(shù)據(jù)采集模塊、硬件驅(qū)動(dòng)程序和控制軟件和信號(hào)隔離調(diào)理接線板構(gòu)成。通過采用"框架平臺(tái)+儀器驅(qū)動(dòng)庫+通用通訊接口"軟件開發(fā)方式，測(cè)井地面測(cè)控系統(tǒng)具有較好的開放性和擴(kuò)展性。成熟的ADSL技術(shù)和數(shù)據(jù)采集模塊的應(yīng)用，為硬件平臺(tái)的高效率和高可靠提供了保障。標(biāo)準(zhǔn)化儀器驅(qū)動(dòng)模塊庫有效地連接軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、體積小、穩(wěn)定性好、通訊速度高、擴(kuò)展性好。

虛擬儀器；測(cè)井平臺(tái)；操作面板；ADSL

王大珩院士指出儀器的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化是測(cè)試技術(shù)發(fā)展的必然道路[1]。將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的完美組合[2-4]，為虛擬儀器的設(shè)計(jì)提供的基本構(gòu)架。該技術(shù)的核心就是利用高性能的模塊化數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字控制模塊、高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)再結(jié)合高性能計(jì)算機(jī)中的靈活高效算法和圖形軟件來替換傳統(tǒng)的儀器儀表完成各種測(cè)試和控制測(cè)井設(shè)備是石油工業(yè)測(cè)井中的重要設(shè)備[5-8]，用于測(cè)量地層中與石油相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，從而為石油能源的開采、施工等提供依據(jù)。測(cè)井設(shè)備由地面?zhèn)鬏斂刂苾x器和井下采集儀器組成。由于傳統(tǒng)的地面?zhèn)鬏斂刂苾x器研制工藝復(fù)雜，成本高，新型測(cè)井設(shè)備已開始轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)化快速平臺(tái)發(fā)展。而基于虛擬儀器技術(shù)[9]可以將地面系統(tǒng)中的控制采集柜設(shè)計(jì)成：軟操作面板+高速采集模塊+數(shù)字控制接口驅(qū)動(dòng)模塊。上述結(jié)構(gòu)能夠保證地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性好、通訊速度高、擴(kuò)展性好。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)井地面控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、直流電源、數(shù)字控制與數(shù)據(jù)采集模塊、硬件驅(qū)動(dòng)程序和地面控制軟件構(gòu)成。這些組成部分可以分為3層結(jié)構(gòu)：最底層為硬件層，用于計(jì)算機(jī)與井下儀器間通訊、數(shù)據(jù)采集和控制接口，高速數(shù)據(jù)采集與發(fā)射、模擬信號(hào)隔離調(diào)理、驅(qū)動(dòng)放大等；中間是軟件功能層，用于通訊的攔截、驅(qū)動(dòng)的加載和操作的實(shí)施等；最頂層為展示層，用于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)展示、操作和資料處理。這些計(jì)算機(jī)及其硬件驅(qū)動(dòng)程序和開發(fā)地面控制軟件替換了傳統(tǒng)的地面操作面板，由計(jì)算機(jī)的觸摸式顯示器承擔(dān)相應(yīng)功能。當(dāng)用戶需要發(fā)送操作指令時(shí)進(jìn)入操作界面執(zhí)行操作，并向井下儀器發(fā)送指令，井下儀器在收到指令后依據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)井下儀器上傳數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)解碼接口自動(dòng)獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了確保該測(cè)井地面控制具有較好的開放性和擴(kuò)展性，支持未來新型井下儀器的掛接，通過采用“框架平臺(tái)+儀器驅(qū)動(dòng)庫+通用通訊接口”方式開發(fā)（見圖1）?？蚣芷脚_(tái)負(fù)責(zé)平臺(tái)模塊的組織、管理、驅(qū)動(dòng)加載、信息顯示、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等通用功能。驅(qū)動(dòng)模塊采用動(dòng)態(tài)加載模式，依據(jù)井下儀器串情況由平臺(tái)框架自動(dòng)加載，實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面功能：數(shù)據(jù)獲取、儀器軟控制面板構(gòu)建和命令發(fā)送，而儀器控制軟面板則是儀器操作界面的呈現(xiàn)和命令發(fā)送的執(zhí)行者。

圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)來地面?zhèn)鬏斂刂苾x器，盡管可以實(shí)現(xiàn)以“軟”代“硬”，但并不是完全替代，它仍需一定的硬件作為基礎(chǔ)?，F(xiàn)成的采集模塊難以完全滿足本系統(tǒng)的數(shù)字控制與數(shù)據(jù)采集模塊需要。因此針對(duì)應(yīng)用需求，首先需要集成測(cè)井地面?zhèn)鬏斂刂苾x器與井下儀器的數(shù)據(jù)傳輸功能。測(cè)井地面?zhèn)鬏斂刂苾x器與井下儀器的數(shù)據(jù)傳輸需要通過長(zhǎng)達(dá)7 000米的電纜，其傳輸速度基本限制在200 Kbits/s以內(nèi)[10-11]。

隨著鉆井深度的不斷加深，傳輸速度迅速下降，難以滿足井下各類成像儀器的大數(shù)量傳輸要求。采用互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域非常成熟的ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技術(shù)，特別適合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸要求[12-13]。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)之一，雙向不對(duì)稱，從井底上傳的數(shù)據(jù)速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于向井底傳輸速率[14]。這主要是因?yàn)?，井底上傳的是大量采集的成像?shù)據(jù)，而地面下傳的主要是一些指令，數(shù)據(jù)量很小。ADSL對(duì)于電纜長(zhǎng)度達(dá)到7 000米以上的測(cè)井來說十分理想，其傳輸速度可以達(dá)到1 Mbits/s。而且ADSL本身非常成熟，本系統(tǒng)采用深圳恩柏康科技有限責(zé)任公司的嵌入式工業(yè)ADSL模塊EC8611，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口：10/100 BaseT Ethernet LAN，電纜線路接口：ADSL2+。

數(shù)字控制與數(shù)據(jù)采集模塊集成了采用基于ADSL技術(shù)的通訊控制功能來實(shí)現(xiàn)模塊與井下儀器的數(shù)據(jù)控制與傳輸。數(shù)字控制與數(shù)據(jù)采集模塊還集成了地面的井深、電纜張力等信號(hào)的采集[15]，這些信號(hào)的采集通過標(biāo)準(zhǔn)采樣模塊完成，本系統(tǒng)選用美國(guó)國(guó)家儀器公司 （National Instruments）提供的PCIMIO-16E-4的數(shù)據(jù)采集卡，這是一種性能優(yōu)良、適合計(jì)算機(jī)的高性能采集卡，可以完成信號(hào)采集、數(shù)字控制輸出、模擬控制輸出以及定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)

儀器驅(qū)動(dòng)模塊庫是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的作用主要是完成虛擬儀器的軟件與硬件接口，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的成功與否關(guān)系著該儀器能否正常工作。

LoggingFrame平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)模塊采用統(tǒng)一的接口規(guī)范開發(fā)，每種儀器都具有自己特定驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)只與該設(shè)備有關(guān)，由井下測(cè)量?jī)x器廠家提供。

驅(qū)動(dòng)包括3個(gè)方面的工作：軟控制面板、數(shù)據(jù)獲取和命令發(fā)送，因此，在驅(qū)動(dòng)開發(fā)上就需要提供這3方面的接口：

BoolGetData（char*Data，intlength）獲取儀器測(cè)量記錄數(shù)據(jù)；

Bool SetCMD（char*Cmd）向儀器發(fā)送命令；

XML GetPane（）獲取儀器軟面板，包括界面布局、控制命令等。

此外，為了更有效的獲得井下測(cè)量?jī)x器廠商的相關(guān)信息，驅(qū)動(dòng)中也需要提供儀器廠商的信息接口：

Bool GetMessage（Struct Message）提取儀器信息。

通過上述4個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)，虛擬儀器系統(tǒng)就能夠很好的與井下儀器件建立有效的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)測(cè)井信息的采集。

采用上述儀器驅(qū)動(dòng)模式開發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)，能夠保證儀器類型任意配置。對(duì)于任意一個(gè)愿意為該系統(tǒng)配備儀器的廠商，只要為其設(shè)備開發(fā)好軟面板和數(shù)據(jù)采集接口模塊，就可以掛接在該平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)該儀器的測(cè)井任務(wù)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)

圖3是虛擬儀器界面，圖中的數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)。該界面采用二區(qū)分離設(shè)計(jì)：左半邊為軟面板區(qū)，右邊為測(cè)井過程檢測(cè)與信息顯示區(qū)。用戶通過左邊的軟面板控制井下儀器的動(dòng)作。其中左邊區(qū)域?qū)?yīng)于儀器廠商所提供的驅(qū)動(dòng)程序中之軟界面接口，右邊則依據(jù)需要由系統(tǒng)中圖件顯示模板提供。

圖3 虛擬儀器界面

6 結(jié) 論

文中對(duì)新型基于虛擬儀器的測(cè)井地面控制系統(tǒng)的研制進(jìn)行了探討，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與試驗(yàn)。結(jié)果表明基于虛擬儀器的測(cè)井地面控制系統(tǒng)研制工藝簡(jiǎn)單，成本低，能夠改變傳統(tǒng)測(cè)井設(shè)備研制難度大、周期長(zhǎng)的狀況，再借助于嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，未來必然會(huì)成為測(cè)井設(shè)備發(fā)展的方向。

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Research on logging-platform system based on virtual instrument

WANG Wei，NI Wei-ning，WU Fei
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology，SINOPEC，Beijing 100101，China）

The logging-platform system based on virtual instrument includes computer，power supply，ADSL module，digital control and data acquisition module，hardware drivers，control software and signal isolation conditioning wiring board.The system is provided with very good openness and scalability.The mature ADSL technology and the data acquisition module ensure that the hardware platform is very high efficient and high reliable.The standardized instrument driver module library is used as an effectively hub between the hardware and the software.The whole system is very concise，small，good stability and scalability，high-speed communication.

virtual instrument；logging-platform；operation panel；ADSL

TN911

A

1674－6236（2016）23-0125-02

2015-12-30稿件編號(hào)：201512310

王 衛(wèi)（1965—），男，河南淅川人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：測(cè)井方法研究與軟件研發(fā)。