基于LabVIEW的深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

蔡寶平, 劉永紅, 郭曉曉, 劉增凱, 紀(jì)仁杰, 李小朋, 張 辛

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580；2. 香港城市大學(xué) 系統(tǒng)工程與工程管理系, 中國(guó)香港 999077)

基于LabVIEW的深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

蔡寶平1,2, 劉永紅1, 郭曉曉1, 劉增凱1, 紀(jì)仁杰1, 李小朋1, 張 辛1

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580；2. 香港城市大學(xué) 系統(tǒng)工程與工程管理系, 中國(guó)香港 999077)

開發(fā)了基于LabVIEW的深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器、NI數(shù)據(jù)采集和控制等模塊組成,基于模塊化編程,實(shí)現(xiàn)了防噴器和蓄能器控制,液壓油溫度、回路壓力、流量、環(huán)境溫度、防噴器閘板位移等信息的采集,數(shù)據(jù)保存與查詢,報(bào)表生成,動(dòng)畫模擬,錯(cuò)誤處理,網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,硬件工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。該系統(tǒng)展示了防噴器的防噴控制過程,有助于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

深水防噴器； 監(jiān)控系統(tǒng)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)； LabVIEW

中國(guó)石油大學(xué)(華東)深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)原是由cimplicity軟件開發(fā)[1]。為提升人機(jī)交互效果、提高測(cè)量與控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性,采用LabVIEW軟件重新開發(fā)了其監(jiān)控系統(tǒng)。新的深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)最主要的特色是用軟件代替硬件,使一套虛擬儀器硬件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的多種功能。該監(jiān)控系統(tǒng)不僅充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的性能,還可以通過對(duì)軟件的定制或更新來(lái)快速、靈活地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行變更或擴(kuò)展。

1 深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

深水防噴器是保證海洋鉆井作業(yè)安全的關(guān)鍵設(shè)備,在深水鉆井和完井作業(yè)中起到保護(hù)作業(yè)人員人身安全、海洋環(huán)境、鉆井裝備安全的作用。目前,我國(guó)所使用的深水防噴器系統(tǒng)全部從國(guó)外引進(jìn),不利于我國(guó)海洋油氣資源的自主勘探開發(fā)[2-6]。為此,中國(guó)石油大學(xué)(華東)研制了一套等比例縮小的深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及其監(jiān)控系統(tǒng),用以開展深水防噴器的實(shí)驗(yàn)、研發(fā)工作以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

圖2 深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)物圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件開發(fā)

深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由上位機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電磁閥和電液閥等組成。深水防噴器監(jiān)控系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)方案如圖3所示[7-8]。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案

在監(jiān)控系統(tǒng)硬件中,cDAQ9188機(jī)箱可以安裝8個(gè)模塊,通過以太網(wǎng)與上位機(jī)通信,可以兼容多種C系列模塊。NI 9203模塊可以采集PT100溫度傳感器和電流互感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)；NI 9205模塊可以采集壓力傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)；NI 9403模塊可以采集流量傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)；NI 9477模塊可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)、電磁閥和電液閥的控制[9-10]；利用單片機(jī)和位移傳感器可以采集防噴器閘板的移動(dòng)距離；利用單片機(jī)和環(huán)境溫度測(cè)量模塊可以采集環(huán)境溫度。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式

LabVIEW提供了多種軟件設(shè)計(jì)模式,支持多任務(wù)、多線程、多處理應(yīng)用。使用多任務(wù)、多線程、多處理可以更高效地使用CPU、充分發(fā)揮多核計(jì)算機(jī)的性能,確保程序的可靠性。多任務(wù)、多線程、多處理在LabVIEW程序中表現(xiàn)為多循環(huán)。根據(jù)不同循環(huán)之間的邏輯關(guān)系,多循環(huán)框架大致可以分為并行結(jié)構(gòu)、主-從結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)-消費(fèi)結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)主要采用生產(chǎn)-消費(fèi)結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)-消費(fèi)結(jié)構(gòu)主要用來(lái)處理控制和數(shù)據(jù)采集等任務(wù)；并行結(jié)構(gòu)主要用來(lái)同時(shí)處理多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)。

由于監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)的功能較多,如果將所有的代碼都放在一個(gè)程序中,會(huì)造成代碼的混亂和難以修改,并且會(huì)有大量的重復(fù)代碼造成程序運(yùn)行效率降低。為了解決上述問題,將軟件進(jìn)行了模塊化編程[11-14]。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面功能

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和要求,設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的功能如圖4所示。將這些功能放在不同的界面中以便用戶進(jìn)行操作。

4.1 蓄能器控制界面

蓄能器控制界面如圖5所示。蓄能器控制界面用以控制蓄能器充壓和蓄能器卸壓、實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)。程序運(yùn)行后首先點(diǎn)擊“電機(jī)啟動(dòng)”按鈕,電機(jī)得電后帶動(dòng)液壓泵工作。點(diǎn)擊“蓄能器充壓”按鈕,液壓油進(jìn)入蓄能器。在充壓的過程中,充壓壓力和充壓流量?jī)x表實(shí)時(shí)顯示充壓壓力和充壓流量。點(diǎn)擊“蓄能器1放壓”按鈕,1號(hào)蓄能器里的高壓液體進(jìn)入相應(yīng)管路，推動(dòng)上防噴器閘板的關(guān)閉；點(diǎn)擊“蓄能器2放壓”按鈕,2號(hào)蓄能器里的高壓液體進(jìn)入相應(yīng)管路，推動(dòng)下防噴器閘板的關(guān)閉。這些按鈕在按下后變?yōu)榉裰?例如“電機(jī)啟動(dòng)”按下后該按鈕變?yōu)椤半姍C(jī)停轉(zhuǎn)”按鈕,點(diǎn)擊“電機(jī)停轉(zhuǎn)”按鈕可以使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這些功能操作簡(jiǎn)便,簡(jiǎn)單易懂,提高了教學(xué)效率。

圖4 監(jiān)控軟件功能框圖

圖5 蓄能器控制界面

4.2 防噴器控制界面

防噴器控制界面如圖6所示。要實(shí)現(xiàn)防噴器的控制,首先要啟動(dòng)電機(jī),電機(jī)得電帶動(dòng)液壓泵工作。如果電機(jī)處于工作狀態(tài),則直接點(diǎn)擊防噴器控制按鈕即可。為了避免誤操作,只要有一個(gè)控制按鈕被按下,所有開關(guān)都禁用(變?yōu)榛疑?。當(dāng)需要選擇另一個(gè)按鈕時(shí),需先點(diǎn)擊“重新選擇”按鈕。防噴器控制按鈕按下后立即復(fù)原,按鈕邊上的指示燈顯示出哪個(gè)控制按鈕被執(zhí)行。

圖6 防噴器控制界面

4.3 數(shù)據(jù)采集與顯示界面

通過該面板可以設(shè)定是否保存數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)保存位置、采樣率、最大值、最小值。必須設(shè)定好采集參數(shù)后才能“開始采集”；如需保存數(shù)據(jù)，還要設(shè)定好路徑及數(shù)據(jù)文件名稱。當(dāng)這些參數(shù)選定好后,點(diǎn)擊“開始采集”按鈕就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在采集的過程中可以更改采樣率、最大值、最小值。點(diǎn)擊“開始采集”后，該按鈕的值變?yōu)椤巴Ｖ共杉?；點(diǎn)擊“停止采集”按鈕，則停止采集。管路壓力和流量值的顯示采用兩種方式:一種是波形圖方式,可以顯示數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)；另一種是指針顯示方式,指針上的顏色刻度可以起到警示作用。兩種顯示方式各有優(yōu)缺點(diǎn),用戶可以進(jìn)行切換，以便更好地觀察所測(cè)數(shù)據(jù)。通過該模塊,可以實(shí)時(shí)采集深水防噴器各項(xiàng)參數(shù),直觀地顯示防噴器的運(yùn)行狀態(tài)。

4.4 動(dòng)畫模擬界面

動(dòng)畫模擬界面的上半部分能動(dòng)畫演示閘板防噴器的工作原理。界面下半部分能實(shí)時(shí)模擬防噴器閘板的移動(dòng),便于操作者了解防噴器閘板的移動(dòng)情況。生動(dòng)的動(dòng)畫模擬可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增進(jìn)他們對(duì)深水防噴器的了解和認(rèn)識(shí)。

4.5 硬件狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面

監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能可以監(jiān)測(cè)電機(jī)、電源模塊、電磁閥和壓力傳感器的工作是否正常。當(dāng)上述硬件正常工作時(shí),對(duì)應(yīng)的綠色指示燈亮；當(dāng)硬件出現(xiàn)故障時(shí),對(duì)應(yīng)的紅色指示燈亮。如果操作者選擇了“出現(xiàn)故障自動(dòng)切換控制箱”選項(xiàng),則被檢測(cè)硬件一旦出現(xiàn)故障,系統(tǒng)將自動(dòng)切換到備用控制箱。如果沒有設(shè)置“出現(xiàn)故障自動(dòng)切換控制箱”選項(xiàng),則被檢測(cè)硬件出現(xiàn)故障時(shí),界面中系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈會(huì)顯示紅色并閃爍。此時(shí),操作者可以根據(jù)指示燈對(duì)應(yīng)的控制開關(guān)定位故障部件的位置,也可以點(diǎn)擊“切換到藍(lán)箱”按鈕將控制系統(tǒng)切換到藍(lán)箱(如果當(dāng)前控制箱為藍(lán)箱,則點(diǎn)擊按鈕切換到黃箱)。

4.6 數(shù)據(jù)查詢界面

監(jiān)控系統(tǒng)按照設(shè)定好的目錄將采集的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,當(dāng)需要時(shí)可以從數(shù)據(jù)庫(kù)提取數(shù)據(jù)。用戶可以在數(shù)據(jù)查詢界面上對(duì)數(shù)據(jù)操作,也可以點(diǎn)擊“打開數(shù)據(jù)庫(kù)”按鈕直接進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。當(dāng)用戶在該界面上對(duì)數(shù)據(jù)操作時(shí),需要選擇數(shù)據(jù)庫(kù)UDL、選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的表和選擇數(shù)據(jù)的顯示方式。該種數(shù)據(jù)查詢方式簡(jiǎn)單可靠,工作效率高。

4.7 生成報(bào)表界面和幫助界面

用深水防噴器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以以報(bào)表的形式輸出。當(dāng)把報(bào)告的標(biāo)題、日期、報(bào)告概述等填寫完成后,選擇保存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù),然后選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中的表。用戶可以選擇html、word、Excel等3種報(bào)表類型,可以設(shè)置字體,可以將報(bào)表保存至設(shè)定的路徑,也可以進(jìn)行打印。程序能按照用戶的設(shè)定生成報(bào)表。

幫助界面包含了深水防噴器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)介紹、液壓控制系統(tǒng)的介紹以及監(jiān)控系統(tǒng)的介紹。

5 結(jié)語(yǔ)

將監(jiān)控系統(tǒng)的硬件搭建完成并使其與監(jiān)控軟件成功連接后,對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和要求,完成監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試,測(cè)試效果良好。該控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,界面美觀大方,學(xué)生反映教學(xué)效果良好。

基于LabVIEW開發(fā)的深水防噴器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)防噴器的控制和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè),可以向?qū)W生展示防噴器及其控制系統(tǒng)的工作原理和工作過程,能有效地加深學(xué)生對(duì)海洋石油裝備和LabVIEW軟件的認(rèn)識(shí)和理解,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用的結(jié)合。

References)

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Development of monitoring system of subsea BOP experimental teaching platform based on LabVIEW

Cai Baoping1,2, Liu Yonghong1, Guo Xiaoxiao1, Liu Zengkai1, Ji Renjie1, Li Xiaopeng1, Zhang Xin1

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. Department of Systems Engineering and Engineering Management, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)

An experimental teaching monitoring system of subsea blowout preventer (BOP) is developed based on LabVIEW. This system includes sensors, NI data acquisition and control modules. Based on the modular programming scheme, the functions including the control of BOP and accumulator, data acquisition of hydraulic oil temperature, pressure, flow rate, ambient temperature and BOP ram displacement acquisition, data storage and query, report generation, animation, error handling, Web publishing, hardware working status monitoring are developed. This system shows the control process of blowout preventer, which can improve the abilities of analyzing and solving problems of students.

subsea blowout preventer; monitoring system; experimental teaching platform; LabVIEW

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.036

2016-09-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309240)；國(guó)家863計(jì)劃重大項(xiàng)目(2013AA09A220)；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20130133120007)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(SY-B201406)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)青年教師教學(xué)改革項(xiàng)目(QN201513)

蔡寶平(1982—),男,河北涿州,博士,副教授,機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副主任,主要研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備自動(dòng)化控制及故障診斷理論.

E-mail：caibaoping@upc.edu.cn

TE95

A

1002-4956(2017)3-0143-04