基于虛擬儀器的測井地面測控系統研究

王 衛，倪衛寧，吳 非

（中國石化石油工程技術研究院 北京100101）

基于虛擬儀器的測井地面測控系統研究

王 衛，倪衛寧，吳 非

（中國石化石油工程技術研究院 北京100101）

基于虛擬儀器技術的測井地面控制系統由計算機、電源、ADSL模塊、數字控制與數據采集模塊、硬件驅動程序和控制軟件和信號隔離調理接線板構成。通過采用"框架平臺+儀器驅動庫+通用通訊接口"軟件開發方式，測井地面測控系統具有較好的開放性和擴展性。成熟的ADSL技術和數據采集模塊的應用，為硬件平臺的高效率和高可靠提供了保障。標準化儀器驅動模塊庫有效地連接軟件平臺和硬件平臺。整個系統設計簡潔、體積小、穩定性好、通訊速度高、擴展性好。

虛擬儀器；測井平臺；操作面板；ADSL

王大珩院士指出儀器的虛擬化、網絡化是測試技術發展的必然道路[1]。將計算機技術和測試技術的完美組合[2-4]，為虛擬儀器的設計提供的基本構架。該技術的核心就是利用高性能的模塊化數據采集模塊、數字控制模塊、高速數據傳輸技術再結合高性能計算機中的靈活高效算法和圖形軟件來替換傳統的儀器儀表完成各種測試和控制測井設備是石油工業測井中的重要設備[5-8]，用于測量地層中與石油相關的信息數據，從而為石油能源的開采、施工等提供依據。測井設備由地面傳輸控制儀器和井下采集儀器組成。由于傳統的地面傳輸控制儀器研制工藝復雜，成本高，新型測井設備已開始轉向簡化快速平臺發展。而基于虛擬儀器技術[9]可以將地面系統中的控制采集柜設計成：軟操作面板+高速采集模塊+數字控制接口驅動模塊。上述結構能夠保證地面系統設計簡單、體積小、穩定性好、通訊速度高、擴展性好。

1 系統總體結構

基于虛擬儀器技術的測井地面控制系統由計算機、直流電源、數字控制與數據采集模塊、硬件驅動程序和地面控制軟件構成。這些組成部分可以分為3層結構：最底層為硬件層，用于計算機與井下儀器間通訊、數據采集和控制接口，高速數據采集與發射、模擬信號隔離調理、驅動放大等；中間是軟件功能層，用于通訊的攔截、驅動的加載和操作的實施等；最頂層為展示層，用于測井數據展示、操作和資料處理。這些計算機及其硬件驅動程序和開發地面控制軟件替換了傳統的地面操作面板，由計算機的觸摸式顯示器承擔相應功能。當用戶需要發送操作指令時進入操作界面執行操作，并向井下儀器發送指令，井下儀器在收到指令后依據指令執行相應動作。當井下儀器上傳數據時，數據解碼接口自動獲取目標數據。

2 軟件系統設計

為了確保該測井地面控制具有較好的開放性和擴展性，支持未來新型井下儀器的掛接，通過采用“框架平臺+儀器驅動庫+通用通訊接口”方式開發（見圖1）。框架平臺負責平臺模塊的組織、管理、驅動加載、信息顯示、命令發送、數據存儲等通用功能。驅動模塊采用動態加載模式，依據井下儀器串情況由平臺框架自動加載，實現3個方面功能：數據獲取、儀器軟控制面板構建和命令發送，而儀器控制軟面板則是儀器操作界面的呈現和命令發送的執行者。

圖1 軟件系統結構框圖

3 硬件系統設計

應用虛擬儀器技術來地面傳輸控制儀器，盡管可以實現以“軟”代“硬”，但并不是完全替代，它仍需一定的硬件作為基礎。現成的采集模塊難以完全滿足本系統的數字控制與數據采集模塊需要。因此針對應用需求，首先需要集成測井地面傳輸控制儀器與井下儀器的數據傳輸功能。測井地面傳輸控制儀器與井下儀器的數據傳輸需要通過長達7 000米的電纜，其傳輸速度基本限制在200 Kbits/s以內[10-11]。

隨著鉆井深度的不斷加深，傳輸速度迅速下降，難以滿足井下各類成像儀器的大數量傳輸要求。采用互聯網領域非常成熟的ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技術，特別適合測井數據傳輸要求[12-13]。測井數據傳輸的特點之一，雙向不對稱，從井底上傳的數據速率要遠遠高于向井底傳輸速率[14]。這主要是因為，井底上傳的是大量采集的成像數據，而地面下傳的主要是一些指令，數據量很小。ADSL對于電纜長度達到7 000米以上的測井來說十分理想，其傳輸速度可以達到1 Mbits/s。而且ADSL本身非常成熟，本系統采用深圳恩柏康科技有限責任公司的嵌入式工業ADSL模塊EC8611，計算機數據接口：10/100 BaseT Ethernet LAN，電纜線路接口：ADSL2+。

數字控制與數據采集模塊集成了采用基于ADSL技術的通訊控制功能來實現模塊與井下儀器的數據控制與傳輸。數字控制與數據采集模塊還集成了地面的井深、電纜張力等信號的采集[15]，這些信號的采集通過標準采樣模塊完成，本系統選用美國國家儀器公司 （National Instruments）提供的PCIMIO-16E-4的數據采集卡，這是一種性能優良、適合計算機的高性能采集卡，可以完成信號采集、數字控制輸出、模擬控制輸出以及定時/計數功能。

圖2 系統硬件結構圖

4 驅動接口設計

儀器驅動模塊庫是該系統設計的關鍵，它的作用主要是完成虛擬儀器的軟件與硬件接口，驅動設計的成功與否關系著該儀器能否正常工作。

LoggingFrame平臺的驅動模塊采用統一的接口規范開發，每種儀器都具有自己特定驅動，該驅動只與該設備有關，由井下測量儀器廠家提供。

驅動包括3個方面的工作：軟控制面板、數據獲取和命令發送，因此，在驅動開發上就需要提供這3方面的接口：

BoolGetData（char*Data，intlength）獲取儀器測量記錄數據；

Bool SetCMD（char*Cmd）向儀器發送命令；

XML GetPane（）獲取儀器軟面板，包括界面布局、控制命令等。

此外，為了更有效的獲得井下測量儀器廠商的相關信息，驅動中也需要提供儀器廠商的信息接口：

Bool GetMessage（Struct Message）提取儀器信息。

通過上述4個接口的實現，虛擬儀器系統就能夠很好的與井下儀器件建立有效的連接關系，實現測井信息的采集。

采用上述儀器驅動模式開發的虛擬儀器系統，能夠保證儀器類型任意配置。對于任意一個愿意為該系統配備儀器的廠商，只要為其設備開發好軟面板和數據采集接口模塊，就可以掛接在該平臺下實現該儀器的測井任務。

5 系統實現與實驗

圖3是虛擬儀器界面，圖中的數據為實驗采集的數據。該界面采用二區分離設計：左半邊為軟面板區，右邊為測井過程檢測與信息顯示區。用戶通過左邊的軟面板控制井下儀器的動作。其中左邊區域對應于儀器廠商所提供的驅動程序中之軟界面接口，右邊則依據需要由系統中圖件顯示模板提供。

圖3 虛擬儀器界面

6 結 論

文中對新型基于虛擬儀器的測井地面控制系統的研制進行了探討，對其關鍵技術進行了研究與試驗。結果表明基于虛擬儀器的測井地面控制系統研制工藝簡單，成本低，能夠改變傳統測井設備研制難度大、周期長的狀況，再借助于嵌入式網絡技術，未來必然會成為測井設備發展的方向。

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Research on logging-platform system based on virtual instrument

WANG Wei，NI Wei-ning，WU Fei
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology，SINOPEC，Beijing 100101，China）

The logging-platform system based on virtual instrument includes computer，power supply，ADSL module，digital control and data acquisition module，hardware drivers，control software and signal isolation conditioning wiring board.The system is provided with very good openness and scalability.The mature ADSL technology and the data acquisition module ensure that the hardware platform is very high efficient and high reliable.The standardized instrument driver module library is used as an effectively hub between the hardware and the software.The whole system is very concise，small，good stability and scalability，high-speed communication.

virtual instrument；logging-platform；operation panel；ADSL

TN911

A

1674－6236（2016）23-0125-02

2015-12-30稿件編號：201512310

王 衛（1965—），男，河南淅川人，碩士，高級工程師。研究方向：測井方法研究與軟件研發。