基于虛擬儀器軟件LabVIEW的FPSO狀態監測系統設計

李 彤

(中海油能源發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、伴生氣和生產水的處理、存儲和外輸的關鍵生產設施，是全海式油田開發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，確保其狀態良好是保障海上油田持續生產的核心工作。單點系泊系統是FPSO定位在海上油田指定區域的核心部件，我國渤海油田和南海東部油田FPSO單點系泊系統曾經出現過一些異常和故障，并產生了一定的安全隱患。通過狀態監測系統掌握FPSO的運動狀態、位置狀態和單點系泊系統受力狀態非常必要，開發設計專門的監測系統對海上油田持續安全生產具有重大意義。

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

1 LabVIEW開發軟件簡介

隨著計算機和虛擬現實等技術的發展，計算機軟件和測量技術相結合產生了虛擬儀器開發軟件。與傳統儀器相比，虛擬儀器避免了傳統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，在成本上也比傳統儀器降低了許多[1]。目前在自動化和監測行業中應用較多的是美國National Instrument公司的LabVIEW軟件。

LabVIEW是一種包含監測、自動控制和通信等功能的集成開發環境，使用圖形化編程G語言來開發程序、生成框圖類程序，專業控件較多，開發效率較高。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接口及數據采集板卡等硬件進行通信，也可支持TCP/IP網絡和ActiveX等標準協議和接口。

2 基于LabVIEW的FPSO狀態監測系統

FPSO狀態監測系統主要包括對FPSO的運動、位置和單點系統的結構振動進行測量，通過傳感器和多通道集采系統對數據進行采集和串口通信、工業以太網與工控機進行通信，利用LabVIEW開發軟件 監測系統實現人機接口并對數據進行記錄、分析和 存儲。

2.1 FPSO運動監測原理

FPSO船體運動測量對與其連接的立管、系泊系統的運動和受力監測有重要作用，在風、浪、流等海洋環境荷載作用下，FPSO將產生六自由度運動，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定位測量系統和水聲定位系統。其中，慣性測量技術不受外界干擾，可實現高精度測量，而衛星導航或水聲定位系統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[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。測量數據由專用的工業控制計算機進行處理和可視化顯示。

2.2 FPSO位置監測

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天線的運動狀態可分為靜態定位和動態定位；按時效性來區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定位的方式。GPS動態定位利用GPS信號測定用戶天線三維坐標、三維速度和時間7個狀態參數。采用載波相位實時動態差分RTK技術來測量FPSO和單點位置。GPS測量系統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，基準站安裝在不發生位置變化的導管架平臺頂端，通過電臺天線完成數據傳送。基準站接收的實時衛星數據從廣播形式發送到移動站，移動站接收移動站數據和衛星信號，通過差分運算獲得FPSO準確的位置信息。

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

2.3 單點振動數據監測

塔架式軟剛臂單點系泊系統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、電滑環和光纖滑環雙向傳輸。現有振動監測系統主要對單點的滑環、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據采集系統，數據處理后通過光電轉化器將串行通信數字信號轉換為光信號，并通過光纖滑環傳輸到FPSO的光電轉換器上，最后轉換成電信號接入油田工業以太網與工控機完成通信。結構振動測量系統集成圖如圖2所示。

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

3 LabVIEW系統設計

3.1 通信網絡模式的選擇

監測系統多采用C/S通信結構，服務器充當數據庫角色，多客戶端進行數據采集。C/S組網模式由現場儀表、工控機和服務器組成，采用TCP/IP協議進行數據傳輸。考慮現場端儀表的工作特點，使用LabVIEW中的TCP/IP模塊實現通信[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開發環境中創建服務器框圖程序，指定網絡端口，在TCP節點建立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據發送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個參數實現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據，visa write是向串口寫入數據，visa close是讀完數據釋放串口資源。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

人機交互界面實現了FPSO運動位置和單點結構振動數據實時顯示、歷史數據查詢和報表生成的功能，主界面如圖8所示。

圖8 LabVIEW主系統界面 Fig.8 LabVIEW main system interface

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

圖9 FPSO運動監測系統界面 Fig.9 FPSO motion monitoring system interface

4 結 語

相對于非虛擬儀器的開發方案，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的工作量，縮短了開發周期，提高了開發效率，降低了開發成本。本文通過LabVIEW開發集成監測系統實現了對FPSO運動位置、單點系泊系統的結構振動和受力狀態的實時監測，為海上油田持續穩定生產提供了一定支持。■