虛擬儀器技術(shù)在石化科研裝備開發(fā)中的應(yīng)用

摘 要：本文從虛擬儀器的特點入手，結(jié)合石化科研裝備開發(fā)的特點，闡述了在石化科研裝備開發(fā)中應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的可行性和可發(fā)展性，并結(jié)合實例介紹了如何在石化科研裝備開發(fā)中應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 科研裝備 孔隙度儀

一、概述

　　虛擬儀器（Virtual Instruments）可理解為利用現(xiàn)有的計算機(jī)、配以特殊設(shè)計的儀器硬件和專用軟件，由用戶根據(jù)自己的需求設(shè)計的既有普通儀器的基本功能，又與傳統(tǒng)儀器有著本質(zhì)區(qū)別的新型儀器系統(tǒng)。傳統(tǒng)儀器一般由儀器生產(chǎn)廠家將信號的采集與控制、信號的分析處理、結(jié)果的輸出這三大功能模塊全部以硬件（或固化的軟件）加以固定，用戶只能獨立操作，使用儀器單一的功能。而對于測試參數(shù)多，測試參數(shù)不斷變化的面向應(yīng)用的系統(tǒng)，則虛擬儀器系統(tǒng)可滿足其多種多樣的應(yīng)用需求。虛擬儀器的核心技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)，它把儀器的各個功能模塊全部放在計算機(jī)中實現(xiàn)，在計算機(jī)中插上數(shù)據(jù)采集與控制接口卡，用軟件在計算機(jī)屏幕上生成儀器面板，用軟件來進(jìn)行信號的分析和處理，用計算機(jī)屏幕顯示輸出結(jié)果。總之，虛擬儀器打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式，它利用計算機(jī)豐富的軟硬件資源大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、操作、顯示和儲存等方面的限制，有著其獨到的特點，主要表現(xiàn)在：

　　（1）虛擬儀器克服了傳統(tǒng)儀器只能完成對某個量的獨立測量，它可以使各個測量值互相通信，實現(xiàn)信息共享，從而對被測各系統(tǒng)的綜合分析、評估，得出準(zhǔn)確判斷。

　　（2）虛擬儀器系統(tǒng)可以面對復(fù)雜的被測系統(tǒng)而不必購買各種測試儀器，解決了傳統(tǒng)儀器的硬件冗余、使用頻率和效率低的狀況。

　　（3）節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)和組建時間，虛擬儀器的硬件采用的是通用的硬件平臺，對于新的系統(tǒng)及新的測試需求時，只需增加軟件或增加一個通用模塊即可實現(xiàn)。

　　（4）由于采用了通用模塊和計算機(jī)軟件來實現(xiàn)測量、處理，虛擬儀器系統(tǒng)具有更好的測量精度和抗干擾能力。

二、石化科研裝備開發(fā)的特點

　　1、石化科研裝備的應(yīng)用領(lǐng)域

　　隨著我國加入WTO，石油工業(yè)也步入了知識經(jīng)濟(jì)的新時代，我國也正積極地采用高新技術(shù)，合理地開發(fā)油氣資源。石化科研裝備的開發(fā)正是為了科學(xué)地認(rèn)識油藏、了解油藏特性、進(jìn)行定量化描述，并通過油藏的評價和油藏開發(fā)的可行性研究優(yōu)化油藏開發(fā)方案的一種有效手段，它包含了對油層物理的基本物理性質(zhì)測試，專項分析測試以及地層流體高壓物性分析測試。

　　2、石化科研裝備開發(fā)的特點

　　早期，石化科研裝備都是手工操作，人工計量，指針讀數(shù)，只能進(jìn)行單項測試，隨著六、七十年代電子工業(yè)的迅速發(fā)展，各種電子器件、傳感器相繼問世，促進(jìn)了石化科研裝備的自動化、計算機(jī)化、測試精度不斷提高、模擬條件進(jìn)一步深化，整個裝備向高溫、高壓、模塊化、多功能化發(fā)展。但是，由于石化科研裝備的生產(chǎn)批量小，又經(jīng)常要根據(jù)用戶及特殊區(qū)域的具體要求進(jìn)行設(shè)計，因此造成我國在石化科研裝備的開發(fā)上仍與國外有較大的差距。

　　3、目前石化科研裝備開發(fā)的模式及弊端

　　目前，我國石化科研裝備的開發(fā)雖然擺脫了六、七十年代完全依賴進(jìn)口的局面，正在積極進(jìn)向國產(chǎn)化推進(jìn)，隨著國內(nèi)科技人員對傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的逐步深入和研究，特別是進(jìn)口儀器成本高、維修及配件困難，而且在操作方法和技術(shù)方面也不完全適合于我國的具體情況，因此廣大的石化開發(fā)人員和石化工程技術(shù)人員正在積極并已經(jīng)開發(fā)出了大量的石化科研裝備來指導(dǎo)科研和生產(chǎn)，一般遵循如下模式：

　　首先由現(xiàn)場及試驗人員提出試驗需求，根據(jù)生產(chǎn)和科研的需要提出待測參數(shù)。

　　其次由產(chǎn)品開發(fā)人員與試驗人員共同商討試驗項目的可行性，根據(jù)國內(nèi)相關(guān)技術(shù)拿出開發(fā)方案。

　　最后產(chǎn)品開發(fā)人員設(shè)計整個裝置的試驗流程、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)以及試驗結(jié)果的表達(dá)。

　　鑒于以上模式，產(chǎn)品開發(fā)中不可避免存在以下弊端：（1）每一個產(chǎn)品的開發(fā)都必須遵循以上模式，哪怕不同區(qū)域不同用戶的需求只有微小的差別;（2）每種產(chǎn)品具有大量的相同（相似）之處，導(dǎo)致了大量的重復(fù)性勞動;（3）用戶完成某種測試后，需進(jìn)行一些新的項目試驗，用戶無法更改，只能重新訂制儀器和裝備，造成大量的資金浪費，投入的大量的人力、物力、財力無法充分利用。

三、虛擬儀器技術(shù)在石化科研裝備中的應(yīng)用

　　1、可行性及可發(fā)展性

　　近年來虛擬儀器技術(shù)在石化行業(yè)，特別是在石化科研裝備開發(fā)上的應(yīng)用發(fā)展非常快，自1995年以來我國引進(jìn)的石化科研裝備基本上都采用了虛擬儀器技術(shù)，但由于我國對該技術(shù)還不太了解，因而只感覺到國外的儀器軟件美觀，使用變得更加方便，而沒有覺察到它在測控技術(shù)上的變化。特別是目前我國正處于競爭激烈的市場經(jīng)濟(jì)潮流中，作為科研部門，需要利用最新的技術(shù)，最好的手段，最低的成本多出成果，出好成果;作為生產(chǎn)、制造部門，需要盡快開發(fā)出新產(chǎn)品，利用最低的成本，最高的效率，盡快把新產(chǎn)品推向市場。同時，一個好的開發(fā)工具，一種高效的開發(fā)手段是必不可少的。無論是科研開發(fā)，還是產(chǎn)品檢測，產(chǎn)品質(zhì)量控制都離不開有效的檢測手段。虛擬儀器技術(shù)可以有效的達(dá)到以上要求，具有可行性和可發(fā)展性。

　　2、如何在石化科研裝備中應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)

　　根據(jù)我們多年從事石化科研裝備開發(fā)的經(jīng)驗和對虛擬儀器技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，我們認(rèn)為，要想科學(xué)、有效地利用好虛擬儀器這門技術(shù)，必須解決好以下三個方面的問題：

　　（一）模塊化問題

　　目前，我國石化科研裝備絕大部分屬于非標(biāo)產(chǎn)品，產(chǎn)品的通用性和互換性較差，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化為時尚早，要想充分利用虛擬儀器技術(shù)，解決傳統(tǒng)模式中存在的問題，因此首先要模塊化，就是將各個不同的單元盡量獨立，使之能夠應(yīng)用于不同的場合，例如石化科研裝備中的動力驅(qū)動模塊、模擬油藏環(huán)境模塊、參數(shù)測量與控制模塊、數(shù)據(jù)采集與控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。因此，采用模塊化獨立設(shè)計，模塊耦合設(shè)計是虛擬儀器應(yīng)用的基礎(chǔ)。

　　（二）硬件問題

　　前面提到，任何儀器都是由三大功能模塊構(gòu)成的，作為數(shù)據(jù)采集與控制部分，按目前石化科研裝備開發(fā)的應(yīng)用形式，可以總結(jié)為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1：

　　對于一般的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，一般按如下框圖實現(xiàn)，如圖2

　　目前，由于集成電路技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得不斷更新的數(shù)據(jù)采集板卡能夠有效保證石化科研裝備的性能、精度及可靠性，并為廣大科研和工程技術(shù)人員建立功能靈活，性能價格比高的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)提供了良好的解決方案。

　　（三）軟件開發(fā)平臺

　　可以設(shè)想，如果把計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合起來，將儀器三大功能塊的后面兩塊，即信號的分析處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出放到計算機(jī)上實現(xiàn)。用計算機(jī)屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器的面板，以各種形式（屏幕、打印機(jī)、繪圖儀等）輸出試驗結(jié)果;用計算機(jī)軟件可以實現(xiàn)各種各樣的信號分析、處理，完成多種多樣的測試功能，如巡檢、存儲、變換，誤差校正、狀態(tài)選擇、數(shù)碼顯示，以及PID調(diào)節(jié)功能，所以虛擬儀器有自己的口號“The Software is the Instrument（軟件就是儀器）。

　　通常在編制虛擬儀器的應(yīng)用軟件時可以采用兩種編程方法，一種是傳統(tǒng)的編程方法，采用高級語言，如VC++，VB，Delph等編程;另一種是采用現(xiàn)在流行的圖形化編程方法，如用NI公司的Lab View或HP公司的VEE等編程。采用圖形化編程的優(yōu)勢是軟件開發(fā)周期短、編程容易，特別適合不具有專業(yè)編程水平的工程技術(shù)人員使用，在石化科研裝備軟件開發(fā)中具備較好的前景。

　　3、一個具體的實例

　　孔隙度測量是巖心常規(guī)分析的一項重要任務(wù)，以往的孔隙度測量儀（氣體法）是在正壓下通過玻意耳-馬略特定律的應(yīng)用來進(jìn)行測量的，存在著對巖樣形狀要求嚴(yán)格、誤差大等諸多缺點。我們利用虛擬儀器技術(shù)研制的NAP-I型孔隙度測量儀是在負(fù)壓下對規(guī)則及不規(guī)則巖樣自動進(jìn)行孔隙度測量。圖3是該儀器的工作流程示意圖。

　　測孔隙體積時，開1，2，5，6電磁閥，然后抽空至一定壓力關(guān)閥6，由于大氣壓力的作用，乳膠套將緊緊地包在巖心外表面上，待壓力平衡后，測出并記錄下此時的壓力P1，然后打開閥4，等壓力平衡后，測出并記錄下此時壓力P2，由P1和P2值以及其它已知參數(shù)便可計算出巖樣的孔隙體積來。

　　測顆粒體積時，開3，5，6電磁閥，然后開真空泵抽真空至一定壓力，關(guān)閉閥6，此時乳膠套處在自由狀態(tài)，待壓力平衡后，測出并記錄下此時壓力為P3，再打開閥2，4，壓力平衡后，測出并記錄下此時壓力P4，由P3，P4值及其它已知參數(shù)便可計算出顆粒體積，由顆粒體積、孔隙體積便可計算出巖樣的孔隙度。

　　該儀器由主體流程模塊、動力源模塊、數(shù)據(jù)采集與控制模塊、數(shù)據(jù)處理四大模塊組成，各模塊相互獨立，軟件采用VB6.0 開發(fā)，所有操作均通過計算機(jī)屏幕指示，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作，系統(tǒng)操作界面如圖4所示：

　　通過采用虛擬儀器技術(shù)，明顯地可以看出該儀器的優(yōu)點：

　　1、由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，通用性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，開發(fā)周期大大地縮短。

　　2、所有測量均自動完成，無需人工操作，減少了測試過程中的人為誤差，測試精度高。

　　3、軟件界面形象豐富，操作方便，編程周期短，給人的感覺就象在操作儀器一樣。

四、結(jié)束語

　　虛擬儀器技術(shù)作為一門新興的技術(shù)必然會隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地被人們所重視，同時越來越多的廠商也會看中虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域這一巨大的潛在市場，加入到虛擬儀器技術(shù)軟硬件產(chǎn)品的開發(fā)行列，可以預(yù)見，虛擬儀器技術(shù)也必將在石化科研裝備的開發(fā)和應(yīng)用上得到更為廣泛的普及和應(yīng)用。

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