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作者：賈宏宇
職務(wù)：項目經(jīng)理
公司：大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司
應(yīng)用領(lǐng)域：
研究和開發(fā)
使用的產(chǎn)品：
PCI-6070E； PCI-6024E； PCI-6534； PCI-6533； PCI-6602； PCI-6601； Measurement Studio
6.0；
挑戰(zhàn)：
使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品設(shè)計并開發(fā)石油測井行業(yè)特有的以等深度（位移）間隔觸發(fā)和控制為核心的對直流信號、脈沖信號、數(shù)字信號等多種信號進(jìn)行同步、高速和實時數(shù)據(jù)采集與控制的測井?dāng)?shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。
應(yīng)用方案：
深度開發(fā) NI PCI-6602，產(chǎn)生控制系統(tǒng)采集的等距和定時觸發(fā)信號，并實現(xiàn)系統(tǒng)深度的高精度測
量；充分開發(fā)和利用 NI 數(shù)據(jù)采集卡的 RTSI 功能并結(jié)合其 DMA 傳輸模式，實現(xiàn) Windows 環(huán)境下的直流、脈沖、數(shù)字信號的高速、實時、同步采集和處理。
介紹：
測井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是用于對各種置于地層中的井下儀器產(chǎn)生的信號進(jìn)行采集、處理并對井下儀器進(jìn)行控制的油田基礎(chǔ)測控設(shè)備。由于專業(yè)性極強，以往系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集及控制單元通常是以自我設(shè)計為主，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的開發(fā)周期長、成本高、穩(wěn)定性較差�，F(xiàn)在，我們硬件使用National Instruments 公司的數(shù)據(jù)采集卡，軟件使用 VC++結(jié)合 Measurement Studio 軟件包，實現(xiàn)了測井?dāng)?shù)據(jù)采集和控制單元的基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，大幅度的降低了系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前這套系統(tǒng)已制造 20 余套，成功應(yīng)用于全國各大油田，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
系統(tǒng)原理
測井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要由工控機、NI通用數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理模塊、繪圖儀、綜合控制箱、直流電源、交流電源、UPS電源、示波器等構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖 1。
圖 1 系統(tǒng)原理圖
主機 1 主要用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和控制。繪圖儀用于測井曲線實時出圖。深度信號調(diào)理模塊對光電編碼器信號及其它井口信號進(jìn)行調(diào)理，并控制深度顯示；數(shù)字信號調(diào)理模塊用于配接各類編碼（例如，曼徹斯特編碼）傳輸?shù)木聝x器，如雙源距 C/O 能譜測井儀、脈沖中子氧化化測井儀等；脈沖信號調(diào)理模塊主要配接采用脈沖、周期信號傳輸?shù)木聝x器以及各種脈沖編碼類型的儀器。如：井壁超聲成像測井儀等；直流信號調(diào)理模塊主要配接采用直流量、低頻模擬信號傳輸?shù)木聝x器。直流電源為井下儀器提供直流供電、交流電源為井下儀器提供交流、泵、閥、繼電器和釋放器的供電。綜合控制箱負(fù)責(zé)完成纜芯切換、供電控制。UPS 電源用以保證在停電或外部供電不正常時，維持一段時間的供電，以免測井?dāng)?shù)據(jù)因得不到及時存儲而丟失。以上各單元統(tǒng)一安裝到兩組19英寸標(biāo)準(zhǔn)機柜中。關(guān)于信號的流程，從圖 1 中可以看出。我們把進(jìn)入數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的信號歸結(jié)為兩類：井口信號和井下信號。井口信號來自井口和電纜絞車，它包括電纜張力信號、電纜磁記號和深度系統(tǒng)的光電編碼信號。井下信號是指來自井下儀器的信號。來自井下儀器的感應(yīng)型或脈沖型信號、深度系統(tǒng)的兩路光電編碼信號、井口的張力信號及電纜磁記號，通過電纜線進(jìn)入采集箱內(nèi)的深度調(diào)理模塊、脈沖信號調(diào)理模塊或直流信號調(diào)理模塊，經(jīng)過調(diào)理后，輸出到NI數(shù)據(jù)采集卡。井下儀器編碼信號經(jīng)過綜合控制電路的分離及預(yù)處理后通過電纜線進(jìn)入到數(shù)字信號調(diào)理模塊，進(jìn)行信號調(diào)理、解碼。解碼后的信號同樣輸出到NI數(shù)據(jù)采集卡。NI數(shù)據(jù)采集卡控制數(shù)據(jù)采集的方式、采樣的間隔，同時實現(xiàn)對脈沖信號、直流信號和數(shù)字信號的實時采集，采集到的數(shù)據(jù)以 DMA方式傳給主機內(nèi)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由系統(tǒng)軟件按不同的采樣方式控制數(shù)據(jù)的顯示、處理、打印和存盤。
數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計
測井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計的核心是其數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計。數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計主要由系統(tǒng)深度數(shù)據(jù)采集和深度中斷管理方案設(shè)計；多路復(fù)合信號實時同步采集方案設(shè)計；復(fù)雜編碼格式數(shù)字信號高速傳輸與采集模式設(shè)計；直流信號高精度采集方案設(shè)計；系統(tǒng)狀態(tài)及井下儀器控制方案設(shè)計等構(gòu)成。由于專業(yè)性極強，以往系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集及控制單元通常是以自我設(shè)計為主，因此系統(tǒng)的開發(fā)周期長、成本高、而且穩(wěn)定性較差，并經(jīng)常導(dǎo)致使用過程中，系統(tǒng)死機、深度測量不準(zhǔn)等問題的出現(xiàn)，使系統(tǒng)的維護(hù)成本成倍增長，同時由于技術(shù)水平的限制，自己開發(fā)的系統(tǒng)只能配接一些信號類型簡單和傳輸速率低的井下儀器，不具備多路信號實時同步采集以及高速傳輸?shù)臄?shù)字信號采集和處理能力。為了克服現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷，我們在充分調(diào)研和試用各大公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，選擇了 NI 公司生產(chǎn)的系列數(shù)據(jù)采集卡和Measurement Studio 軟件開發(fā)包，經(jīng)過對 NI各個采集卡的仔細(xì)研究和深度開發(fā)，我們僅用了３個月的時間就完成了過去需要２年以上的系統(tǒng)核心設(shè)計，并在業(yè)界首次實現(xiàn)了全部基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的測井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計，同時使系統(tǒng)在采樣精度，深度控制，采集速度等主要技術(shù)指標(biāo)上得到了全面的大幅度的提升。
（1）系統(tǒng)深度數(shù)據(jù)采集和深度中斷管理方案設(shè)計：
系統(tǒng)深度模塊是該系統(tǒng)中行業(yè)性最強的一個模塊，它需要對正交光電編碼器信號進(jìn)行測量，得到系統(tǒng)當(dāng)前的深度數(shù)據(jù)，同時它還要根據(jù)當(dāng)前的深度數(shù)據(jù)生成用于同步各信號采集的深度等距觸發(fā)信號。例如，在光電編碼器順時針轉(zhuǎn)動時，每隔固定位移間隔（例如 5 cm） 產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，這個觸發(fā)信號通知系統(tǒng)對所有測量信號進(jìn)行采集，如果系統(tǒng)光電編碼器突然反方向轉(zhuǎn)動，則不產(chǎn)生觸發(fā)信號，系統(tǒng)不做任何采集，從而使系統(tǒng)只按照單方向等位移的狀態(tài)采集數(shù)據(jù)。此外，該模塊還要具備對正交光電編碼信號防抖動，防滑動處理的功能。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，我們發(fā)現(xiàn) NI PCI-660X 系列產(chǎn)品的用戶手冊上沒有實現(xiàn)該工作模式的基本功能。為了實現(xiàn)該功能，我們經(jīng)過深入研究和開發(fā)，通過利用 PCI-6602 處理光電編碼器信號的計數(shù)器通道所能生成的某種特殊狀態(tài)信號，同時結(jié)合其它計數(shù)器通道的脈沖生成功能，最終生成了我們所需要的連續(xù)的深度等距觸發(fā)信號。在最終的產(chǎn)品設(shè)計中我們利用 PCI-6602的 5個計數(shù)器通道通過程序初始化控制實現(xiàn)了這個功能。這是我們首次通過使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)深度數(shù)據(jù)的精確讀取和觸發(fā)信號的定距輸出，它為整個系統(tǒng)得成功研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。
（2）多路復(fù)合信號實時同步采集方案設(shè)計：
測井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常需要根據(jù)定距或定時觸發(fā)信號對多路直流信號、脈沖信號和數(shù)字信號進(jìn)行實時同步測量。這就需要系統(tǒng)保證對多個采集卡間以及同一采集卡內(nèi)部的多個測量通道間的數(shù)據(jù)采集的同一性和實時性，否則得到的數(shù)據(jù)就不能反映井下儀器在地層中真實狀況。我們采用具有RTSI（實時同步接口）總線的 NI 6070E 或 NI6024E 用于直流信號的測量，PCI-6602 或 PCI-6601 用于脈沖信號和深度信號的測量，PCI-6534 或 PCI-6533 用于數(shù)字信號的測量。系統(tǒng)中任何一塊卡都可以根據(jù)工作模式的不同作為主卡來生成同步觸發(fā)信號或用作從卡來接收同步觸發(fā)信號。我們把主卡產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號加載到RTSI 總線上，由RTSI來同步其它從卡上的各個測量通道的數(shù)據(jù)采集，各塊采集卡采集到的數(shù)據(jù)都以 DMA 方式傳給主機內(nèi)各自的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于整個觸發(fā)和采集過程都是由系統(tǒng)硬件獨立控制完成的，使得各個測量通道的采集延時可以控制在納秒級。所有采集卡都采用DMA模式傳輸數(shù)據(jù)，這與以往系統(tǒng)多采用中斷模式相比，極大的提高了系統(tǒng)工作效率。 通過 RTSI 總線我們把原來需要通過系統(tǒng)軟件輪詢依次讀取各通道數(shù)據(jù)的工作方式轉(zhuǎn)變成通過初始化各個采集卡的工作狀態(tài)，然后由各采集卡（即系統(tǒng)硬件）的RTSI來控制采集的同步。這種工作方式的轉(zhuǎn)變，不但降低了系統(tǒng)負(fù)荷，而且使系統(tǒng)測量的同步性和實時性得到了顯著提高。這也是我們選用 NI 公司數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的一個重要原因。
（３）復(fù)雜編碼格式數(shù)字信號高速傳輸與采集模式設(shè)計：
由于測井儀器種類繁多，一個設(shè)計合理的測井系統(tǒng)，必須考慮能與不同編碼格式的井下儀器配接使用。 由于 PCI-6534 通常情況下具有 40MS/s 的采樣率， 我們在系統(tǒng)設(shè)計中，充分開發(fā) PCI-6534的 Pattern I/O 功能，實現(xiàn)了復(fù)雜高速傳輸?shù)臄?shù)字的采集和解碼，同時根據(jù)井下儀器的特點，可以把調(diào)理模塊觸發(fā)PCI-6534 的信號加載到 RTSI 總線上，以同步系統(tǒng)深度和其它數(shù)據(jù)的采集，也可以通過 RTSI 總線把定距或定時觸發(fā)信號加載到 PCI-6534 上，以控制數(shù)字信號的采集模式。PCI-6534 與系統(tǒng)前端數(shù)字信號調(diào)理模塊配合使用，使系統(tǒng)具備了配接各種傳輸速率高、編碼協(xié)議復(fù)雜的測井井下儀器的能力。
（４）直流信號高精度采集方案設(shè)計：
有些測井儀器上傳的信號中，既有直流量也有脈沖量還有數(shù)字量，而且其直流量的采樣頻率一般要求達(dá)到1MS/ s。采集系統(tǒng)除了要完成井下儀器直流信號的高速采集外還要以定時或定距的模式和較低的采樣率采集其它直流信號和脈沖信號。我們在設(shè)計中，通過對NI 6070E、 PCI-6024E、 PCI-6602、 PCI-6534這四塊卡綜合編程控制，采用多通道多次復(fù)合同步觸發(fā)技術(shù)，同時充分開發(fā) PCI-6534的數(shù)字信號模式觸發(fā)控制技術(shù)，實現(xiàn)了定時或定距觸發(fā)條件下以高采樣率采集井下儀器的直流信號，同時以低采樣率采集井下儀器的脈沖信號、井口的直流信號和數(shù)字信號的工作模式。這是整個測井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的難點。
（５）系統(tǒng)狀態(tài)及井下儀器控制方案設(shè)計：
在系統(tǒng)調(diào)理模塊和井下儀器狀態(tài)控制設(shè)計中，我們選用 PCI-6601, 利用它的 Digital I/O 功能，建立起了一套控制能力強大的 32 位命令輸出體系。選用 PCI-6601,主要是為了降低系統(tǒng)的總成本，根據(jù)需要也可以選擇專門的數(shù)字 I/O 卡，或其它多功能卡。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
測井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)軟件主要由現(xiàn)場測控及數(shù)據(jù)采集軟件和測后數(shù)據(jù)分析處理軟件構(gòu)成，在軟件開發(fā)上，我們選擇使用 VC++ 與 NI 公司 Measurement Studio 軟件包相結(jié)合的開發(fā)方式，用 VC++開發(fā)與操作系統(tǒng)底層相關(guān)的程序和曲線打印輸出程序，使用 Measurement Studio 和CVI提供的類庫開發(fā)與數(shù)據(jù)實時采集和曲線顯示相關(guān)的程序。這種開發(fā)方案不但可以對操作系統(tǒng)進(jìn)行靈活的控制而且充分利用了 NI 公司提供的開發(fā)工具，從而極大的縮短了系統(tǒng)軟件的開發(fā)時間。我們僅用了三個月的時間就完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計，開發(fā)和測試工作。圖 2為系統(tǒng)軟件中的脈沖中子氧活化測井及解釋軟件序界面。
圖 3為系統(tǒng)軟件總體框圖。
圖 3 系統(tǒng)軟件總體框圖
結(jié)論
我們使用 NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡和軟件開發(fā)工具實現(xiàn)了測井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)。大幅度地降低了系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，我們可以根據(jù)用戶的需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行多種組合或把系統(tǒng)更新為 PXI總線系統(tǒng)，實現(xiàn)功能各有側(cè)重的測井?dāng)?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。目前這套系統(tǒng)已生產(chǎn) 20 余套，成功應(yīng)用于大慶油田和全國其它油田，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。
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