技術(shù)頻道

      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:


      圖1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)構(gòu)成

        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


      圖2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)框圖

        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。


      圖3 NAP—I型自動孔隙度儀流程

        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:


      圖4 NAP-I型自動孔隙度儀測試界面

        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。

      參考文獻(xiàn):

        [1] 李曉東:我國巖心分析儀器的發(fā)展與展望,石油儀器,第15卷,第4期,2001年。

        [2] 胡生清等:未來的儀器儀表—虛擬儀器,自動化與儀表,第15卷,第4期 ,1999年。

        [3] 王為民等:淺談虛擬儀器技術(shù)及其在石油科學(xué)儀器中的應(yīng)用,石油儀器,第15卷,第4期,2001年。

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