基于LabVIEW的深水防喷器实验教学平台监控系统开发

蔡宝平, 刘永红, 郭晓晓, 刘增凯, 纪仁杰, 李小朋, 张 辛

(1. 中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580；2. 香港城市大学 系统工程与工程管理系, 中国香港 999077)

基于LabVIEW的深水防喷器实验教学平台监控系统开发

蔡宝平1,2, 刘永红1, 郭晓晓1, 刘增凯1, 纪仁杰1, 李小朋1, 张 辛1

(1. 中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580；2. 香港城市大学 系统工程与工程管理系, 中国香港 999077)

开发了基于LabVIEW的深水防喷器实验教学平台监控系统。该系统主要由传感器、NI数据采集和控制等模块组成,基于模块化编程,实现了防喷器和蓄能器控制,液压油温度、回路压力、流量、环境温度、防喷器闸板位移等信息的采集,数据保存与查询,报表生成,动画模拟,错误处理,网络发布,硬件工作状态监测等功能。该系统展示了防喷器的防喷控制过程,有助于提高学生分析问题和解决问题的能力。

深水防喷器； 监控系统； 实验教学平台； LabVIEW

中国石油大学(华东)深水防喷器实验教学平台的监控系统原是由cimplicity软件开发[1]。为提升人机交互效果、提高测量与控制精度和系统稳定性,采用LabVIEW软件重新开发了其监控系统。新的深水防喷器实验教学平台监控系统最主要的特色是用软件代替硬件,使一套虚拟仪器硬件实现监控系统的多种功能。该监控系统不仅充分发挥了计算机的性能,还可以通过对软件的定制或更新来快速、灵活地对系统进行变更或扩展。

1 深水防喷器实验教学平台的基本结构

深水防喷器是保证海洋钻井作业安全的关键设备,在深水钻井和完井作业中起到保护作业人员人身安全、海洋环境、钻井装备安全的作用。目前,我国所使用的深水防喷器系统全部从国外引进,不利于我国海洋油气资源的自主勘探开发[2-6]。为此,中国石油大学(华东)研制了一套等比例缩小的深水防喷器实验教学平台及其监控系统,用以开展深水防喷器的实验、研发工作以及相关实验教学工作。

深水防喷器实验教学平台主要由机械结构、液压系统和监控系统3部分组成,其结构框图如图1所示。深水防喷器实验教学平台实物图如图2所示。

图1 深水防喷器实验教学平台整体结构

图2 深水防喷器实验教学平台实物图

2 监控系统硬件开发

深水防喷器实验教学平台监控系统的硬件主要由上位机、传感器、数据采集模块、控制模块、电磁阀和电液阀等组成。深水防喷器监控系统硬件整体设计方案如图3所示[7-8]。

图3 监控系统硬件方案

在监控系统硬件中,cDAQ9188机箱可以安装8个模块,通过以太网与上位机通信,可以兼容多种C系列模块。NI 9203模块可以采集PT100温度传感器和电流互感器产生的模拟信号；NI 9205模块可以采集压力传感器产生的模拟信号；NI 9403模块可以采集流量传感器产生的数字信号；NI 9477模块可以实现电机、电磁阀和电液阀的控制[9-10]；利用单片机和位移传感器可以采集防喷器闸板的移动距离；利用单片机和环境温度测量模块可以采集环境温度。

3 监控系统软件设计模式

LabVIEW提供了多种软件设计模式,支持多任务、多线程、多处理应用。使用多任务、多线程、多处理可以更高效地使用CPU、充分发挥多核计算机的性能,确保程序的可靠性。多任务、多线程、多处理在LabVIEW程序中表现为多循环。根据不同循环之间的逻辑关系,多循环框架大致可以分为并行结构、主-从结构、生产-消费结构。监控系统软件的开发主要采用生产-消费结构和并行结构。生产-消费结构主要用来处理控制和数据采集等任务；并行结构主要用来同时处理多个独立的任务。

由于监控软件实现的功能较多,如果将所有的代码都放在一个程序中,会造成代码的混乱和难以修改,并且会有大量的重复代码造成程序运行效率降低。为了解决上述问题,将软件进行了模块化编程[11-14]。

4 监控系统软件界面功能

根据监控系统的功能和要求,设计监控系统软件的功能如图4所示。将这些功能放在不同的界面中以便用户进行操作。

4.1 蓄能器控制界面

蓄能器控制界面如图5所示。蓄能器控制界面用以控制蓄能器充压和蓄能器卸压、实时显示压力数据和流量数据。程序运行后首先点击“电机启动”按钮,电机得电后带动液压泵工作。点击“蓄能器充压”按钮,液压油进入蓄能器。在充压的过程中,充压压力和充压流量仪表实时显示充压压力和充压流量。点击“蓄能器1放压”按钮,1号蓄能器里的高压液体进入相应管路，推动上防喷器闸板的关闭；点击“蓄能器2放压”按钮,2号蓄能器里的高压液体进入相应管路，推动下防喷器闸板的关闭。这些按钮在按下后变为否值,例如“电机启动”按下后该按钮变为“电机停转”按钮,点击“电机停转”按钮可以使电机停止转动。这些功能操作简便,简单易懂,提高了教学效率。

图4 监控软件功能框图

图5 蓄能器控制界面

4.2 防喷器控制界面

防喷器控制界面如图6所示。要实现防喷器的控制,首先要启动电机,电机得电带动液压泵工作。如果电机处于工作状态,则直接点击防喷器控制按钮即可。为了避免误操作,只要有一个控制按钮被按下,所有开关都禁用(变为灰色)。当需要选择另一个按钮时,需先点击“重新选择”按钮。防喷器控制按钮按下后立即复原,按钮边上的指示灯显示出哪个控制按钮被执行。

图6 防喷器控制界面

4.3 数据采集与显示界面

通过该面板可以设定是否保存数据、数据保存位置、采样率、最大值、最小值。必须设定好采集参数后才能“开始采集”；如需保存数据，还要设定好路径及数据文件名称。当这些参数选定好后,点击“开始采集”按钮就可以进行数据采集。在采集的过程中可以更改采样率、最大值、最小值。点击“开始采集”后，该按钮的值变为“停止采集”；点击“停止采集”按钮，则停止采集。管路压力和流量值的显示采用两种方式:一种是波形图方式,可以显示数据的变化趋势；另一种是指针显示方式,指针上的颜色刻度可以起到警示作用。两种显示方式各有优缺点,用户可以进行切换，以便更好地观察所测数据。通过该模块,可以实时采集深水防喷器各项参数,直观地显示防喷器的运行状态。

4.4 动画模拟界面

动画模拟界面的上半部分能动画演示闸板防喷器的工作原理。界面下半部分能实时模拟防喷器闸板的移动,便于操作者了解防喷器闸板的移动情况。生动的动画模拟可以提高学生的学习兴趣,增进他们对深水防喷器的了解和认识。

4.5 硬件状态监测界面

监控系统的状态监测功能可以监测电机、电源模块、电磁阀和压力传感器的工作是否正常。当上述硬件正常工作时,对应的绿色指示灯亮；当硬件出现故障时,对应的红色指示灯亮。如果操作者选择了“出现故障自动切换控制箱”选项,则被检测硬件一旦出现故障,系统将自动切换到备用控制箱。如果没有设置“出现故障自动切换控制箱”选项,则被检测硬件出现故障时,界面中系统运行状态指示灯会显示红色并闪烁。此时,操作者可以根据指示灯对应的控制开关定位故障部件的位置,也可以点击“切换到蓝箱”按钮将控制系统切换到蓝箱(如果当前控制箱为蓝箱,则点击按钮切换到黄箱)。

4.6 数据查询界面

监控系统按照设定好的目录将采集的数据保存到数据库中,当需要时可以从数据库提取数据。用户可以在数据查询界面上对数据操作,也可以点击“打开数据库”按钮直接进行数据操作。当用户在该界面上对数据操作时,需要选择数据库UDL、选择数据库中的表和选择数据的显示方式。该种数据查询方式简单可靠,工作效率高。

4.7 生成报表界面和帮助界面

用深水防喷器实验样机进行实验时,实验数据可以以报表的形式输出。当把报告的标题、日期、报告概述等填写完成后,选择保存数据的数据库,然后选择数据库中的表。用户可以选择html、word、Excel等3种报表类型,可以设置字体,可以将报表保存至设定的路径,也可以进行打印。程序能按照用户的设定生成报表。

帮助界面包含了深水防喷器实验样机结构介绍、液压控制系统的介绍以及监控系统的介绍。

5 结语

将监控系统的硬件搭建完成并使其与监控软件成功连接后,对监控系统进行了测试。根据监控系统的功能和要求,完成监控系统的测试,测试效果良好。该控制系统操作简单,运行稳定可靠,界面美观大方,学生反映教学效果良好。

基于LabVIEW开发的深水防喷器实验教学平台监控系统可以实现防喷器的控制和运行状态的监测,可以向学生展示防喷器及其控制系统的工作原理和工作过程,能有效地加深学生对海洋石油装备和LabVIEW软件的认识和理解,实现了实验教学与工程应用的结合。

References)

[1] 蔡宝平,刘永红,艾白布·阿不力米提,等.深水防喷器组及控制系统实验教学平台研制[J].实验技术与管理,2014,31(8):82-86.

[2] 任钢峰,王定亚,毋永锋,等.深水钻井防喷器系统关键设备技术研究[J].石油矿场机械,2014(12):95-98.

[3] 王存新,李嗣贵,王增国.深水钻井水下防喷器组配置选型研究[J].石油矿场机械,2009(2):72-75.

[4] 孙巍.深海石油工程装备技术发展现状及展望[J].中外能源,2012(9):9-14.

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[7] 刘翔.3000m深水下防喷器组可靠性研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2010.

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[10] 费莉,王博,刘述喜.基于LabVIEW的数据采集及测试系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2012(10):38-41.

[11] 陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.

[12] 杨高科.LabVIEW虚拟仪器项目开发与管理[M].北京:机械工业出版社,2012.

[13] 阮奇桢.我和LabVIEW:一个NI工程师的十年编程经验[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012.

[14] Cai Baoping, Liu Yonghong, Liu Zengkai.Development of an automatic subsea blowout preventer stack control system using PLC based SCADA[J].ISA Transactions,2011,51(1):198-207.

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

国家自然科学基金项目(51309240)；国家863计划重大项目(2013AA09A220)；教育部博士点基金项目(20130133120007)；中国石油大学(华东)教学改革项目(SY-B201406)；中国石油大学(华东)青年教师教学改革项目(QN201513)

蔡宝平(1982—),男,河北涿州,博士,副教授,机械工程实验教学中心副主任,主要研究方向为海洋石油装备自动化控制及故障诊断理论.

E-mail：caibaoping@upc.edu.cn

TE95

A

1002-4956(2017)3-0143-04