基于NI PXI Express平台的石油管复合挤毁试验机控制 与数据采集系统搭建

应用领域：石油工业、石油管工程、重型试验机、集中式控制与数据采集

挑战：石油管复合挤毁试验机用于对油管和套管施加轴向载荷（拉伸或压缩）、侧向弯曲、外压及内压，模拟石油管柱在井下所受复合载荷工况。该设备载荷大、压力高，试验危险性强；而且试验中需要同时控制多个子系统，完成多物理量闭环控制和数据同步采集。这二者对控制与数据采集系统整体稳定性、硬件功能及软件并行处理能力提出了严峻挑战。

应用方案：在控制与数据采集系统搭建中，采用NI X系列多功能卡和集传感器供桥、信号调理与采集功能一体的同步数据采集卡，配以工业数字I/O卡，插入8槽PXI-E机箱满足控制与数据采集通道要求。软件方面，利用LabVIEW 2011 软件开发平台的并行处理特长，完成多物理量并行闭环控制和数据同步采集。

使用的产品：

LabVIEW 2011 软件开发平台

PXIe-1082 8槽3U PXI-E机箱

PXIe-6363 X系列多功能卡

PXI-6515 工业数字I/O卡

PXIe-4330 应变与桥路传感器数据采集卡

PXIe-4353 热电偶数据采集卡

PXIe-8375x4 MXI光纤通讯卡

PCIe-8375x4 MXI光纤通讯卡

正文：

一、引言

套管、油管及钻柱构件（钻杆、钻铤、方钻杆等）统称油井管。油井管是石油工业的基础。据统计数据显示，油井每钻进1米，约需油井管62千克，其中套管48千克，油管10千克，钻杆3千克，钻铤0.5千克。油田装备资产中，油井管约占60%。而油井管在井下的服役条件极端恶劣。油管和套管管柱经常要承受上千个大气压的内压或外压，几百吨的拉伸或压缩载荷，还有高温及腐蚀介质侵蚀。油井管一旦在井下发生断裂掉井事故，会造成巨大的损失，甚至直接导致油井报废。油井管的质量和寿命直接决定了油井乃至油田的寿命。

油井管下井前必须经过一系列严格的检测试验以评估其性能，而石油管复合挤毁试验机则是这些试验的核心设备。复合挤毁试验机能够对油管和套管整管施加拉伸、压缩、弯曲、外压、内压、加热等多种载荷，模拟管柱在井下的实际工况。无论是按照标准评价油管和套管螺纹连接性能，还是在对特殊螺纹密封性、油井管在苛刻工况下力学行为的研究中，该试验机均发挥着不可替代的作用。

二、试验机组成与设计原则

石油管复合挤毁试验机的外观如图1所示。它的组成包括载荷框架、液压油源、高压水加压泵站、高压气加压泵站和控制与数据采集系统五个部分。

图1 石油管复合挤毁试验机

载荷框架主要包括轴向载荷台架和两个外压挤毁缸，起容纳试样功能。液压油源为轴向载荷和侧向弯曲液压缸提供动力。高压水加压泵站为外压挤毁缸注入高压水，使试样承受外压。高压气加压泵站为试样内部注入高压气体，使试样承受内压。控制与数据采集系统调配上述四部分工作，同时采集试验过程中的多物理量数据反馈。

三、控制与数据采集系统功能与硬件搭建

控制与数据采集系统需要监视液压油源、高压水加压泵站和高压气加压泵站三者的工作状态，控制试样所受轴向载荷、侧向弯曲、内压及外压的大小和加载速率。系统需要控制的子系统和部件如图2所示。

液压油源中的电机带动柱塞泵或齿轮泵提供动力。换向阀起通断开关作用。溢流阀调节系统压力，安全溢流。伺服阀控制轴向载荷大液压缸和两个侧向弯曲小液压缸。伺服阀通过调节液压缸两腔压力，实现载荷或位移闭环控制，为试样施加轴向载荷及侧向弯曲载荷。同时，油源上还装有油箱液位传感器、温度传感器。大液压缸两腔装有高精度压力传感器。所有管路连接油箱的吸油、回油口都装有带数字信号反馈的油滤。

高压水加压泵站与高压气加压泵站类似。两个电控调压阀分别调节泵头入口压缩空气压力和卸压阀压力，从而控制试样内压和外压的升降。多个电磁阀分别控制泵的开关与保压气控阀通断。监控传感器反馈入口压缩空气压力和管路内压力，保证泵站安全。

除去控制上述执行元件外，系统还需要采集试验过程中试样的压力、力、位移、应变、温度等传感器反馈信号。

图2 控制子系统与部件图

如上所述，控制与数据采集系统需要同时具备模拟量输入和输出（AI和AO）、数字量输入和输出（DI和DO）以及多物理量数据采集通道。复合挤毁试验载荷大、压力高，试验危险性强，要求控制与数据采集系统安装位置尽量远离危险源且工作稳定性高。

考虑到上述因素，在系统搭建中采用基于NI PXI-E平台的集中式控制与数据采集方式。将控制与数据采集系统的所有硬件安装在一台现场主控制柜中。控制柜位于试验地坑角落中，距离试样8米左右。主控制柜中的PXIe-1082 8槽3U机箱通过PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡连接30米光纤与控制室内的工业控制计算机通讯，实现远程操控。这种架构方式有以下三个优点：

（1）试验过程中人员安全性高。试验中操作人员处于控制室中，与试样直线距离超过20米。

（2）保证系统硬件安全。控制与数据采集系统的所有硬件安装在现场主控制柜中。与分布式控制与数据采集方式相比，虽然增加了主控制柜内接线工作量，但减少了软件接口，同时降低了因执行机构失控造成系统硬件损坏的概率。

（3）数据稳定性提高。试验中多数传感器安装在试样上，如果数据采集系统距离试样太远，传感器连接导线过长，干扰和噪音会影响信号质量。特别是试验机液压油源中配有大功率电机和变频器，多个传感器反馈信号为毫伏级电压，更会加剧长导线的影响。因此，主控制柜必须放置在试验地坑中而不是控制室内。而主控制柜中的PXIe机箱通过MIX通讯卡和光纤与控制室内的工业控制计算机连接，数据传输速度快且稳定性高。

除去上述优点，这种架构方式唯一需要注意的是MIX通讯卡与工业控制计算机的兼容性。

板卡选择中，仅选用以下4种6块板卡即可满足系统控制和数据采集通道需求：

PXIe-6363 X系列多功能卡1块。这块板卡功能强大，带有32路正负10 伏模拟输入，4路正负10伏模拟输出，48路5伏数字I/O和4路32位计数器。系统中使用正负10伏模拟输入功能接入所有执行子系统监控传感器信号，使用正负10伏模拟输出控制液压油源、高压水加压泵站和高压气加压泵站中的气控调压阀等执行元件。5伏数字I/O和32位计数器功能未使用。

PXI-6515数字I/O卡1块。这是一块32通道24伏工业数字I/O卡，它的数字输出功能用来控制所有中间继电器通断，根据试验步骤开启或关闭电机、泵及所有阀件；数字输入功能收集油滤、紧急停止按钮的状态信号。

PXIe-4330应变与桥路传感器数据采集卡3块。该数据采集卡集传感器供电与信号调理、采集于一体，能为传感器提供0.625伏到10伏的供电。这一供电范围涵盖了应变采集常用的2伏和3.3伏以及高精度压力传感器常用的10伏，使系统无须再为传感器另配线性电源。3块采集卡中的1块8个通道用来采集液压缸两腔压力和试样内压及外压，同时为外接位移传感器和力传感器预留通道。剩余2块采集卡实现16通道1/4桥应变高速同步采集（采样频率最高达25kHz）。

PXIe-4353热电偶数据采集卡1块。这块采集卡含有32个采集通道，其中8个通道内置冷端补偿。采集卡支持J、K、T、E、N、B、R和S共8个类型的热电偶，涵盖了石油管试验中常用的J、K两种类型热电偶。试验中试样温度变化较慢，因此最高90Hz的采样频率也足以满足使用需求。