基于虛擬儀器的鉆井工程無線監控系統

許 萬，徐 誠，周 晶

（1湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068；2湖北省機電研究設計院，湖北 武漢430070）

在油氣田的開采過程中，鉆井作業是最為危險的工程環節之一.在鉆井的過程中可能遇到如井漏、溢流和卡鉆等很多意想不到的問題，如果處理不及時或處理不當都會造成嚴重的后果和不必要的損失［1－2］.因此，開展鉆井井場實時監測，對保障石油天然氣開采的安全作業具有重要的現實意義.目前鉆井現場的實時監測一般采用各種傳感器進行數據采集，通過有線電纜將各傳感器采集的信號傳輸到控制中心處理.

無線傳感器網絡（WSN）以其自組織性好、靈活性強、體積小、成本低等優點，在軍事、環境科學、醫療健康、空間探索、工農業自動化等許多領域有著非常廣泛的應用前景［3－7］.本文采用基于Zigbee的無線傳感器網絡和基于Labview的虛擬儀器，為油氣田鉆井作業提供了一種新的信息獲取方法及統一的信息平臺.運用這些信息，不但可對鉆井作業工況及有關參數進行實時監測，而且通過后期信息處理還可及時預報可能出現的復雜情況和鉆井事故，為工程技術人員的現場決策提供可靠的實時資料，提高了鉆井作業的安全性.

1 系統概述

本系統采用無線節點對鉆井現場進行監控.根據系統功能需要，系統中模擬量傳感器有超聲波液位傳感器、立管壓力傳感器、大鉤負荷傳感器、出口流量傳感器和硫化氫濃度傳感器；數字量傳感器有絞車傳感器和泵沖次傳感器，輸出控制對象有聲光報警燈和灌漿電機.節點布置如圖1所示.

圖1 系統節點布置圖

系統節點由NI WSN－3202模擬量輸入測量節點、NI WSN－3212熱電偶測量節點、及基于IEEE 802.15.4協議的以太網關NI WSN－9791組成.

在軟件設計上，采用LabVIEW2010設計現場客戶端.利用MAX設置網關及節點，采集的數據由以太網傳到計算機，通過LabVIEW美觀的儀器界面和多樣的數據顯示方式把采集到的數據顯示到虛擬儀表和實時曲線，并運用Labsql將采集數據保存到Access數據庫.軟件采用注冊用戶事件結構對超限數據進行報警.系統整體架構如圖2所示.

圖2 系統結構

2 硬件系統設計

2.1 以太網關及節點

硬件系統特點是運用NI WSN系統，使得布線簡單，方便靈活，可靠性高，極其適合油田工程使用.NI WSN系統中，網關就相當于一個網絡協調員，負責管理節點認證、消息緩沖，以及在IEEE 802.15.4無線網絡和有線以太網絡之間建立橋梁，在以太網絡中，可以使用各種NI軟件對測量數據進行采集、加工、分析和顯示.NI WSN－9791以太網關是一個傳遞設備，不提供板載存儲功能和編程功能，主要用以協調分布式測量節點 WSN－32xx與主控制器之間的通信.該網關采用2.4GHz、IEEE 802.15.4協議從10／100Mb·s－1以太網端口獲取測量數據，可靈活連接Windows或LabVIEW實時主控制器（圖3）.

NI WSN測量節點的特點是傳感器直連，通信可靠，工業評級標準.測量節點可由5號電池供電，可以持續工作3a.通過使用 WSN設備的Lab－VIEW驅動來添加網關節點到測量系統，通過Lab－VIEW WSN模塊的圖形化編程環境定制節點的行為.NI WSN－3202模擬量輸入測量節點提供4路±10V模擬量輸入通道和4路雙向數字通道，設備提供的12V、20mA的電源輸出可以直接驅動需要外部電源供電的傳感器.NI WSN－3212熱電偶測量節點提供4路24位熱電偶輸入通道和4路雙向數字通道，可以直接連接J、K、R、S等熱電偶.

圖3 NI WSN系統

2.2 WSN網絡配置

通過 Measurement ＆ Automation（MAX）進行NI WSN系統網絡配置.配置過程如下：

運行MAX，刷新遠程系統，找到無線網關節點NI－WSN9791－0148AA02系統設置，進行系統常規設置，可以設置網關節點名稱等，一般不作修改網絡設置，配置網關節點的IP，網關等，以便通過以太網與PC機通信WSN Nodes，用來添加和刪除無線子節點，需要輸入節點的類型和ID.也可以更新內部固件來設置節點為終端節點或路由節點Gateway Firmware，用來更新無線網關節點內部固件配置完成在WSN Nodes點擊刷新就能看到配置好的無線節點.

3 軟件系統設計

系統軟件是基于LabVIEW2010設計的.系統充分利用的LabVIEW的靈活多樣的數據表達形式對采集的數據進行了直觀的顯示，同時也利用了Access數據庫對采集的數據進行存儲.軟件系統結構如圖4所示.

圖4 軟件系統結構圖

3.1 用戶管理

用戶管理模塊包括添加用戶、查看用戶、修改用戶和刪除用戶.它的主要優點是有效保護私有數據和保護程序本身［8］.用戶管理模塊采用Access數據庫保存用戶權限，最后登錄時間，用戶名稱及用戶密碼（圖5）.該模塊的特點在于增加了用戶權限和最后登錄時間.只有管理員能添加用戶，并能查看所用用戶信息，普通用戶只能查看本用戶信息；管理員能修改用戶的權限，普通用戶只能修改本用戶的密碼；管理員能刪除其他用戶，普通用戶只能刪除本身.在未登錄時，選項卡標簽隱藏，選項卡和其他按鈕都處于禁用狀態.

圖5 用戶管理數據表

3.2 無線節點I／O數據獲取

無線節點配置完成之后，在工程里面可以看到配置好的節點.本系統采用的NI WSN3202有15個IO，要想獲得其中任何一個IO的數據只需要將工程里節點下面的IO變量直接拖到VI里面，數據獲取框圖見圖6.

圖6 無線節點數據獲取

3.3 實時數據顯示及保存

根據需要將實時采集的數據繪制成波形圖，并且保存數據到Access數據庫.該模塊類似波形記錄儀，可以實時反映模擬量的變化趨勢，還具有數據存盤功能.在波形顯示中，要想做到實時流動顯示模擬量波形，采用波形圖表控件，在波形圖表屬性里設置其刷新模式為示波器圖表.設置X軸的標尺為系統格式的絕對時間［9］，并在波形圖表的屬性節點中設置X標尺偏移量（XScale.offset）為當前時間，這樣X軸便與當前時間同步，波形圖表實時刷新顯示當前采集數據的波形（圖7）.而當系統停止并重新啟動時，需要擦除上次運行的數據波形，這樣就需要對波形圖表進行初始化，即把波形圖表的屬性節點中的歷史數據用空數組初始化.

數據的保存運用的是Labsql工具包對Access數據庫進行數據插入和數據修改操作.保存的數據包括序號、時間、液位、硫化氫濃度等.用SQL語句INSERT將采集的數據保存到數據庫，在保存數據的同時考慮到有效利用PC機的存儲空間，本系統只保存最新48h的數據.當數據超過容量，用DELETE刪除第一條數據和UPDATE更新最后一條數據.

圖7 實時數據波形

3.4 數據查詢

本系統的數據查詢采用時間查詢，查詢的數據顯示到表格并且繪制歷史數據曲線.點擊數據查詢按鈕彈出對話框，提示按一定格式輸入查詢時間（圖8）.由于數據庫中時間的存儲格式為 2011－04－22 00：49：00，為了方便用戶使用簡單的輸入時間進行數據查詢，涉及時間格式的轉換.

圖8 時間格式轉換

3.5 數據報警

報警子系統是各種數據采集、監測監控、虛擬儀器系統的重要組成部分，功能完善的報警子系統有利于用戶及時發現故障、及時分析處理［10］.報警子系統運用注冊事件結構實現，一旦采集的數據超過設定的上下限就產生用戶事件，然后數據報警燈開始閃爍.報警燈閃爍實際上是布爾顯示控件的閃爍前景與TURE顏色的切換，在工具—選項—環境中修改閃爍前景為紅色.在工具—選項—前面板中修改閃爍延遲為100ms， 這樣報警燈在出現超限數據時就以100ms的頻率閃爍.點擊閃爍的報警燈就能看到報警數據記錄表格，表格中記錄超限數據以及超限數據產生時間.點擊清除報警數據，報警記錄表格清空.系統運行界面由圖9所示.

圖9 系統運行界面

4 結束語

本系統針對油田現場鉆井工程的特殊環境，采用基于Zigbee的無線傳感器網絡和基于Labview的虛擬儀器，實現鉆井工程數據的采集和監測.測試表明，系統以1次／s的速率保存數據，最多可以保存172 800條數據.數據查詢可以查詢最近48h內任何時間段的數據.數據報警能及時報警并記錄超限數據.本系統可滿足鉆井隊在作業現場復雜、頻繁移動的狀態下對鉆井工程參數的無線數據采集及傳輸的要求，保障鉆井作業安全.

［1］張耀明，程德祥.塔里木油田歷年井噴事故匯編［Z］.塔里木油田公司，2007.

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