基于虛擬儀器軟件LabVIEW的FPSO狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

李 彤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司 天津 300457)

0 引 言

FPSO(Floating Production Storage and Offloading)是海上油田井液、伴生氣和生產(chǎn)水的處理、存儲和外輸?shù)年P鍵生產(chǎn)設施，是全海式油田開發(fā)方案的主要裝備之一。該裝備具有集成化高、投資大、技術復雜、建造工期長等特點，確保其狀態(tài)良好是保障海上油田持續(xù)生產(chǎn)的核心工作。單點系泊系統(tǒng)是FPSO定位在海上油田指定區(qū)域的核心部件，我國渤海油田和南海東部油田FPSO單點系泊系統(tǒng)曾經(jīng)出現(xiàn)過一些異常和故障，并產(chǎn)生了一定的安全隱患。通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)掌握FPSO的運動狀態(tài)、位置狀態(tài)和單點系泊系統(tǒng)受力狀態(tài)非常必要，開發(fā)設計專門的監(jiān)測系統(tǒng)對海上油田持續(xù)安全生產(chǎn)具有重大意義。

基于LabVIEW虛擬軟件設計了FPSO運動位置、單點系統(tǒng)結構振動和受力狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)。本文首先介紹軟件開發(fā)平臺的主要功能，其次描述了監(jiān)測系統(tǒng)的原理及整體架構，通過LabVIEW開發(fā)集成監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的人機交互，起到了實時監(jiān)測的功能。

1 LabVIEW開發(fā)軟件簡介

隨著計算機和虛擬現(xiàn)實等技術的發(fā)展，計算機軟件和測量技術相結合產(chǎn)生了虛擬儀器開發(fā)軟件。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器避免了傳統(tǒng)儀器功能固化在硬件中難以修改的問題，其通用性、可修改性和可移植性有了很大改善，在成本上也比傳統(tǒng)儀器降低了許多[1]。目前在自動化和監(jiān)測行業(yè)中應用較多的是美國National Instrument公司的LabVIEW軟件。

LabVIEW是一種包含監(jiān)測、自動控制和通信等功能的集成開發(fā)環(huán)境，使用圖形化編程G語言來開發(fā)程序、生成框圖類程序，專業(yè)控件較多，開發(fā)效率較高。由于內置了豐富的硬件接口模塊，它可用于與GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485接口及數(shù)據(jù)采集板卡等硬件進行通信，也可支持TCP/IP網(wǎng)絡和ActiveX等標準協(xié)議和接口。

2 基于LabVIEW的FPSO狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

FPSO狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括對FPSO的運動、位置和單點系統(tǒng)的結構振動進行測量，通過傳感器和多通道集采系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集和串口通信、工業(yè)以太網(wǎng)與工控機進行通信，利用LabVIEW開發(fā)軟件 監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)人機接口并對數(shù)據(jù)進行記錄、分析和 存儲。

2.1 FPSO運動監(jiān)測原理

FPSO船體運動測量對與其連接的立管、系泊系統(tǒng)的運動和受力監(jiān)測有重要作用，在風、浪、流等海洋環(huán)境荷載作用下，F(xiàn)PSO將產(chǎn)生六自由度運動，即橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。目前海洋工程領域常用的浮體運動位置測量主要包括慣性測量技術、GPS定位測量系統(tǒng)和水聲定位系統(tǒng)。其中，慣性測量技術不受外界干擾，可實現(xiàn)高精度測量，而衛(wèi)星導航或水聲定位系統(tǒng)測量精度易受外界影響。由于慣性測量技術存在累計誤差不適用長期測量，目前在實際應用中通常采用2種以上技術組合的形式，即GPS/IMU或GPS/INS測量系統(tǒng)[2]。在FPSO生活樓頂端開闊、無遮擋的位置可安裝組合測量的GPS天 線，一般要求與船體的中軸線平行。測量數(shù)據(jù)由專用的工業(yè)控制計算機進行處理和可視化顯示。

2.2 FPSO位置監(jiān)測

FPSO固定在遠離陸地的海上油田，可采用水聲定位技術或衛(wèi)星導航技術對其位置信息進行測量。水聲定位技術精度相對較低，而衛(wèi)星導航技術具有高精度和相對低成本的特點，通常采用該技術來進行位置測量，見圖1。按照GPS天線的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位；按時效性來區(qū)分可分為實時定位和事后定位。本文對FPSO位置測量采用實時動態(tài)定位的方式。GPS動態(tài)定位利用GPS信號測定用戶天線三維坐標、三維速度和時間7個狀態(tài)參數(shù)。采用載波相位實時動態(tài)差分RTK技術來測量FPSO和單點位置。GPS測量系統(tǒng)主要包括基準站和移動站，移動站安裝在風向標運動FPSO生活樓頂部，基準站安裝在不發(fā)生位置變化的導管架平臺頂端，通過電臺天線完成數(shù)據(jù)傳送?；鶞收窘邮盏膶崟r衛(wèi)星數(shù)據(jù)從廣播形式發(fā)送到移動站，移動站接收移動站數(shù)據(jù)和衛(wèi)星信號，通過差分運算獲得FPSO準確的位置信息。

圖1 FPSO 位置測量系統(tǒng)組成示意圖 Fig.1 Composition diagram of FPSO position measurement system

2.3 單點振動數(shù)據(jù)監(jiān)測

塔架式軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的承載結構主要包括轉動和非轉動結構。FPSO運動載荷通過船艏系泊鏈傳遞到單點旋轉結構上，井液、電力和信號通過單點的液滑環(huán)、電滑環(huán)和光纖滑環(huán)雙向傳輸?，F(xiàn)有振動監(jiān)測系統(tǒng)主要對單點的滑環(huán)、固定結構和軸承的振動情況進行檢測，布置位置如表1所示。

表1 加速度傳感器位置 Tab.1 Position of acceleration sensor

結構振動測量系統(tǒng)的加速度傳感器通過電纜傳遞電信號至多通道信號調理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理后通過光電轉化器將串行通信數(shù)字信號轉換為光信號，并通過光纖滑環(huán)傳輸?shù)紽PSO的光電轉換器上，最后轉換成電信號接入油田工業(yè)以太網(wǎng)與工控機完成通信。結構振動測量系統(tǒng)集成圖如圖2所示。

圖2 結構振動測量系統(tǒng)集成圖 Fig.2 Integration diagram of structural vibration measurement system

3 LabVIEW系統(tǒng)設計

3.1 通信網(wǎng)絡模式的選擇

監(jiān)測系統(tǒng)多采用C/S通信結構，服務器充當數(shù)據(jù)庫角色，多客戶端進行數(shù)據(jù)采集。C/S組網(wǎng)模式由現(xiàn)場儀表、工控機和服務器組成，采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?？紤]現(xiàn)場端儀表的工作特點，使用LabVIEW中的TCP/IP模塊實現(xiàn)通信[3]。C/S拓撲結構如圖3所示。

圖3 C/S拓撲結構 Fig.3 C/S topology

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建服務器框圖程序，指定網(wǎng)絡端口，在TCP節(jié)點建立TCP偵聽器，等待客戶機的連接請求。程序設計要考慮客戶端采集和遠程數(shù)據(jù)發(fā)送2個方面，服務器框圖程序和客戶機端口保持一致才能正確通信。TCP服務器程序和客戶機程序框圖如圖4～5所示。

圖4 TCP服務器程序框圖 Fig.4 Program block diagram of TCP server

3.2 LabVIEW串口通信模塊的設計

LabVIEW支持計算機串口通訊，文章采用VISA方式，通過安裝LabVIEW的VISA驅動包配置計算機的串口，以此來完成串口號，并利用波特率2個參數(shù)實現(xiàn)與傳感器設備的通信。VISA模塊中的visa read作用是從串口讀取數(shù)據(jù)，visa write是向串口寫入數(shù)據(jù)，visa close是讀完數(shù)據(jù)釋放串口資源。程序界面和框圖如圖6～7所示。

圖5 TCP客戶機程序框圖 Fig.5 Program block diagram of TCP client

圖6 LabVIEW控制界面圖 Fig.6 LabVIEW control interface

圖7 LabVIEW串口讀寫程序流程圖 Fig.7 LabVIEW serial port reading and writing program flow chart

3.3 人機界面設計

人機交互界面實現(xiàn)了FPSO運動位置和單點結構振動數(shù)據(jù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和報表生成的功能，主界面如圖8所示。

圖8 LabVIEW主系統(tǒng)界面 Fig.8 LabVIEW main system interface

調用位置測量系統(tǒng)實時測得的FPSO運動姿態(tài)和編譯好的水動力方程動態(tài)鏈接庫文件，通過工控機實現(xiàn)運動位置的計算生成，見圖9。

圖9 FPSO運動監(jiān)測系統(tǒng)界面 Fig.9 FPSO motion monitoring system interface

4 結 語

相對于非虛擬儀器的開發(fā)方案，LabVIEW可提供豐富的硬件設備驅動程序、完善的模塊化通信包和常用的計算、分析軟件接口，從而降低了用戶硬件和軟件開發(fā)的工作量，縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本。本文通過LabVIEW開發(fā)集成監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對FPSO運動位置、單點系泊系統(tǒng)的結構振動和受力狀態(tài)的實時監(jiān)測，為海上油田持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)提供了一定支持?！?/p>