（控制科学与工程专业论文）稠油多功能驱替装置的研制.pdf

摘要 油水相对渗透率和油气相对渗透率是油气田工程中和油藏工程必不可少的基础数 据，它对于提高原油采收率具有很好的现实指导意义。稠油多功能驱替装置就是一套在 高温高压环境下测定蒸汽氮气一稠油相渗的装置。该装置是通过模拟油气藏的温度、 上覆压力、地层压力、流动状况等地层参数，并通过精密测量对驱替过程进行记录和数 据处理，从而为实际生产提供指导。本文主要是完成了稠油多功能驱替装置的研制并在 此基础上对系统进行建模及控制。 本文首先根据胜利油田地质院的要求设计系统的流程，然后具体选择需要的硬件设 备组建基于虚拟仪器技术的稠油多功能驱替装置系统。系统硬件部分选用p c i - 6 2 2 9 数 据采集卡和串口电子天平完成数据采集工作，软件部分采用l a b v i e w 开发软件完成测控 系统的编写。该设计最终实现了流程图的绘制、数据波形显示、多路数据记录、图表打 印、数据分析控制等多项功能。 本文的另一个内容就是对稠油多功能驱替装置系统进行建模并控制。由于系统模型 结构未知，所以我们采用系统辨识的方法。在基本粒子群算法的基础上，用了一种改进 的混合粒子群算法并把该算法应用于辨识多输入单输出w i e n e r - h a m m e r s t e i n 和 l s s v m 稠油多功能驱替装置模型上。同时通过仿真实验研究表明该优化算法与基本 p s o 算法相比，精度有所提高，为稠油多功能驱替装置驱油速率的软测量提供了有效途 径。在建立稠油多功能驱替系统的预测模型基础上，对系统采用了一种基于最小二乘支 持向量机的模型预测控制方法，通过模型的仿真实例应用，比较得到该方法与动态矩阵 控制( d m c ) 相比，可以减小超调量，缩短调节时间，提高响应速度，该方法具有一定的 实际应用价值。 该装置已经在现场运行半年之久，通过现场运行结果表明，系统操作方便、运行稳 定、报警及时可靠，可以应用于实际的测控领域，并且有很强的推广价值。 关键词：稠油多功能驱替；数据采集；粒子群算法；最小二乘支持向量机： w i e n e r h a m m m e r s t e i n 模型 d e v e l o p m e n t o ft h ed e n s eo i lp r o p e l l e dm u l t i f u n c t i o n s y s t e m y a n gq u a n ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl is h u r o n g a b s t r a c t r e l a t i v ep e r m e a b i l i t yo ft h ep e t r o l e u ma n dw a t e r ( g a s ) i saf o u n d a t i o nd a t ao ft h eo i la n d g a sf i e l d ，i th a sap r a c t i c a lg u i d ef o ri n c r e a s i n go i le x t r a c t i o n t h ed e n s eo i lp r o p e l l e d m u l t i f u n c t i o ns y s t e mi sas e to fm e a s u r e dr e l a t i v ep e r m e a b i l i t yi nh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r es u r r o u n d i n g t h e w o r kf i e l d s s u r r o u n d i n g s u c ha sr e s e r v o i rt e m p e r a t u r e ， o v e r b u r d e np r e s s u r e ，f o r m a t i o np r e s s u r e ，f l o wc o n d i t i o n sa n do t h e rf o r m a t i o np a r a m e t e r sc a n b ei m i t a t e db yt h i ss y s t e m ，b e s i d e st h a ti tc a l lm e a s u r ea n dr e c o r dt h ed a t a , s oa st op r o v i d e g u i d ef o rt h ei n d u s t r y t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri sm a d et h ed i s p l a c e m e n to fd e n s eo i l p r o p e l l e dm u l t i - f u n c t i o ns y s t e mc o m p l e t e da n db a s e do ni tm o d e la n d c o n t r o lt h es y s t e m f i r s t l y , w ed e s i g nt h ep r o c e s so ft h es y s t e m ，a n dt h e ns e l e c tt h es p e c i f i ch a r d w a r et os e t u pt h ed e n s eo i lp r o p e l l e dm u l t i - f u n c t i o ns y s t e m i nt h es y s t e m ，p c i 一6 2 2 9d a t aa c q u i r i n gc a r d a n ds e r i a le l e c t r o n i c sw e i g h i n gs c a l e sa r eu s e dt oc o m p l e t ed a t ac o l l e c t i o na n dl a b v i e wi s s e l e c t e dt oa c c o m p l i s hp r o g r a m m i n g t h ed e s i g nu l t i m a t e l yi m p l e m e n t ss o m ef u n c t i o n s ，s u c h a saf l o wc h a r to ft h ed r a w i n g ，t h ed i s p l a yo fd a t aa n dw a v e f o r m s ，t h er e c o r d i n gd a t ao fm a n y c h a n n e l s ，t h ep r i n t i n gc h a r t ，d a t aa n a l y s i sa n dc o n t r o la n ds oo n a n o t h e re l e m e n to ft h i sp a p e ri so nt h ed e n s eo i lp r o p e l l e dm u l t i f u n c t i o ns y s t e mm o d e l a n dc o n t r o lt h es y s t e m w eu s es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d st om o d e lb e c a u s et h es y s t e m s s t r u c t u r ei su l l k n o w n b a s e do nt h ep s oa l g o r i t h m ，w eu s et h em o d i f yh p s oa l g o r i t h ma n d p u ti tt oi d e n t i f ym i s ow i e n e r - h a m m e r s t e i na n dl s s v mm o d e lo ft h ed e n s e o i lp r o p e l l e d m u l t i f i j _ n c t i o ns y s t e m t h r o u g ht h es i m u l a t i o ni td e m o n s t r a t e st h a tt h eh p s oo p t i m a l i z e a l g o r i t h mc a np r o v i d e a ne f f e c t i v e p a t h f o rt h em e a s u r i n gt h ed e n s eo i lp r o p e l l e d m u l t i f u n c t i o ns y s t e m t oc o m p e t ew i t hp s oa l g o r i t h mi th a sh i g ha c c u r a c y b a s e do nt h e d e n s eo i lp r o p e l l e dm u l t i - f u n c t i o ns y s t e m sm o d e l ，w eu s et h el s - s v mm o d e lc o n t r o l m e t h o d t h r o u g ht h em o d e l ss i m u l a t i o n ，c o m p a r ed m c t h i sm e t h o dc a nd e c r e a s eo v e r s h o o t ， s h o r t e na d j u s tt i m e ，i n c r e a s er e s p o n dv e l o c i t y , s oi th a sp r a c t i c a lu s i n gv a l u e t h es y s t e mh a sb e e nr u n n i n gs i xm o n t h si nt h ef i e l d ，t h r o u g ht h er e s u l to ff i e l do p e r a t i o n ， t h es y s t e mc a nb eu s e dt ot h er e a l i s t i cm e a s _ u r ea n dc o n t r o lf i e l db e c a u s eo ft h ec o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，a l a r m i n gt i m e l ya n dr t m n i n gs t e a d y , a n d i th a v es t r o n gv a l u et op o p u l a r i z e k e yw o r d s ：t h ed e n s eo i lp r o p e l l e dm u l t i - f u n c t i o n ；a c q u i r i n gd a t a ；p s oa l g o r i t h m ； l s s v m ；w i e n e r - h a m m m e r s t e i nm o d e l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：扬塞。日期：z 。口年钼多日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：2 , 1 。年厂月厂日 日期：了岭厶年6 月舌日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第1 章前言 油水相对渗透率和油气相对渗透率是油藏工程和油气田工程中所必需的重要基础 数据，它对于提高原油采收率来说具有很好的现实指导意义i l j 。稠油多功能驱替装置就 是一套在高温高压条件下测定蒸汽氮气一稠油相渗的基础实验装置。该装置是通过模 拟地下油气藏的压力、温度、流动状况等参数，利用精密的测量方法对驱替所产生的变 化进行记录和数据处理，进而为实际生产提供施工指导j 。因此测试过程中的安全性、 可靠性和采集数据的准确性显得尤为重要。 课题是根据胜利油田地质院的要求，设计开发并研究稠油多功能驱替装置系统，软 件测控部分采用虚拟仪器来实现。虚拟仪器测控技术的产生是建立在计算机技术、传感 器技术和通信技术的发展和结合的基础上的【j j 。它把计算机、仪器硬件部分、数字信号 处理技术等结合在一起，使p c 机成为仪器的一部分【o j 。虚拟仪器在组建和改变仪器功 能和技术方面相比于传统仪器来说更为灵活、经济，这些特点导致了虚拟仪器更能适应 当代科技对测量技术和仪器提出的智能化、多功能等一系列要求【8 1 。虚拟仪器不仅可 以利用计算机组成灵活的测量仪器还可以利用各种接口总线组建各种规模的自动化测 试系统。可以说虚拟仪器的出现标志着仪器发展的新方向，对科技发展和工业生产都会 产生重要影响【1 0 ，12 1 。 在人们的生产和生活过程中，大部分的系统都是非线性系统，随着科技的发展，研 究者们开始广泛关注各种类型的非线性系统，稠油多功能驱替装置系统的模型本身就是 一个多入单出的非线性的系统。目前，线性系统理论的研究已经成熟，但对于非线性理 论的研究正处于发展阶段，而对非线性系统建立数学模型是研究非线性问题的基础【”】。 事实上，我们研究的大部分线性系统模型是将某些非线性环节忽略并用线性关系代替后 得到的近似的数学描述。随着科技的迅猛发展，工业过程越来越复杂以及对控制精度的 要求越来越高，复杂非线性系统再用简单的线性模型来近似则满足不了用户要求，所以 第1 章前言 研究非线性系统辨识理论有着很重要的实际意义【1 8 ，1 9 1 。 稠油多功能驱替装置系统是结合l a b v i e w 的一套测取岩心相渗特性的实验装置。 驱替的主要机理就是向油层中注入高干度蒸汽或氮气，随着油层温度的增加，原油粘度 下降，所以流动能力增强，可以明显改善驱油效率。同时，原油受热体积膨胀的驱油作 用、蒸汽轻质组分气化的蒸馏作用、蒸汽剥离岩石表面油膜的脱油作用、改善原油渗透 率的分异等作用都是稠油油藏驱替开发的重要原理弘】。 要研究该系统，就必须对该非线性系统进行建模，进而分析系统的其它性能。建模 首先要明确的一个问题弄清使用模型的目的，然后再进行模型结构( 模型类) 、输入信 号和等价准则的选择【2 0 1 。通常进行辨识从而建立数学模型的目的如下： 第一、对某些特定物理意义的参数进行估计。在日常生活中有很多可以表征系统行 为的参数并不能通过测量的手段来获得，如在环境、生理、经济等系统。我们就利用能 观测到的输入输出数据，用辨识的方法去估计预测那些参数，从而进步分析整个系统。 第二、对系统进行仿真。建立一个能模仿真实系统行为的模型是仿真的核心内容。仿真 模型分为两种，一种用于系统分析它要求能真实反映系统的特性，另一种则用于系统设 计它要求设计参数能正确地符合它本身的物理意义。第三、对未来进行预测。这是建 立数学模型的另一个重要应用方面，它就是通过建立的模型来求解未来时刻的输出。第 四、对系统进行控制。在设计控制系统之前我们必须要知道描述系统动态特性的数学模 型，根据具体的模型来具体设计控制器。对模型辨识必须要遵循一定的等价原则，一般 是使预测误差平方和最小，只要预测误差小就是好的预测模型，对模型的结构及参数则 很少有其他要求。这时辨识的准则和模型应用的目的是一致的，因此可以得到较好的预 测模型。 1 2 国内外发展状况 如今，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 、r a c a l 和惠普公司( h e w l e t p a c k a r d ) 等公司都先后应用虚拟仪器在测控领域中展现出强大的功能。随着虚拟仪器的 发展，各种相应的虚拟仪器开发平台软件也被开发出来，这样使用者就能利用开发平台 软件来组建虚拟仪器或测试系统从而满足自己要求，并编制相应的测试软件。n i 公司 的l a b v l e w 和l a b w i n d o w s c v i 是两个最具影响力的开发软件，虚拟仪器的系统开发采 用的总线包括传统的r s 2 3 2 总线、g p i b 总线、v x i 总线、u s b 通用串行总线及i e e e1 3 9 4 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 总线。1 9 9 7 年，n i 公司推出了模块化仪器的主流平台p x i ，该平台是与c o m p a c tp c i 完全兼容的系统。它的传输速度可以达到1 3 3 m b s ，在目前己经发布的各种计算机测试 总线标准里，它传输速度最高【2 8 2 9 ，3 0 1 。国内，上海交通大学、清华大学、四川大学、 复旦大学等知名高校已经把虚拟仪器引入到了实验室。近年来，在原有的基础上，这些 学校又相继开发了一些新的虚拟仪器系统用于科研和教学。其中，清华大学汽车系组建 了汽车发动机测试系统，该系统主要通过检测发动机的功率特性、负荷特性等来对汽车 发动机进行出厂检验。此外，国内己有多家企业也在研制虚拟仪器，哈工大仪器王电子 有限责任公司就是其中之一，数字存储示波器、任意波形发生器、多通道大容量波形记 录仪等都是该公司的产品。国内很多专家预测在未来的几年内，我国将会有一半以上的 仪器为虚拟仪器，将会有大量的虚拟仪器被厂家应用于对生产运行状况的实时检测。随 着计算机技术的发展，传统的测试仪器将会被虚拟仪器取代而成为测试仪器的主流技 术。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试技术与测量仪器技术发展 的一个重要方向【3 1 3 2 , 3 3 1 。 系统辨识技术是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一门技术，它是现代控制理论和系统理 论的重要分支，作为各门学科数学建模的现代工程方法，它已被广泛应用于系统分析、 设计、仿真、预报、控制和决策等多个方面。对于复杂的非线性系统、自适应控制及分 散控制等，系统辨识更能展现出其优越所在。故障诊断是一门应用型的边缘学科，它涉 及到现代控制理论、数理统计、计算机工程、模式识别、人工智能、信号处理及相应的 应用学科【3 6 3 引。近年来国际自动控制界高度重视故障监测与诊断技术，它现已成为自 动控制的一个重要分支。美国的控制会议、i f a c 都把故障诊断与容错控制列为重要的 讨论专题之一。 1 9 7 8 年r i c h a l e t 等人提出了预测控制的基本原理，经过了近3 0 多年的深入研究和 发展，预测控制的理论知识和方法基本完善，并且在实际工程中也取得了广泛应用。各 种预测控制算法中，应用最广泛的是动态矩阵控制( d m c ，c u l t e r ，1 9 8 0 ) 、模型算法控 s o ( m a c ，r o u h a n i ，1 9 8 2 ) 】、广义预测控$ 1 j ( g p c ，c l a r k e ，1 9 8 7 ) 和连续时间广义预测 控$ 1 j ( c g p c ，d e m i r c i o g l u ，1 9 9 1 ) 等。这些都是在预测控制基本原理的基础上发展起来 的，并且各自具有其优缺点和具体的应用场合【3 9 4 1 , 4 2 】。非线性系统的控制一直是控制 理论界的难题，对于弱非线性系统而言，基于线性动态模型的预测控制算法可取得较好 的控制效果。然而，对于强非线性系统时，为了确保系统的鲁棒性，通常需要建立高阶 第1 章前言 线性近似模型或者分段线性模型，这就增加算法的复杂性。解决非线性系统控制的另一 种比较有效的方法是采用人工神经网络模型，神经网络模型的本质就是一种非线性数学 模型，在解决具有高度非线性和严重不确定性的复杂系统的控制方面，具有巨大的潜力 和吸引力。具体到预测控制的应用方面，主要有两种形式：一是利用神经网络高精度的 非线性映射能力和固有的学习能力，为非线性系统提供非线性数学模型，进而可作为映 射复杂非线性控制律的控制器；二是利用神经网络的分布式存储、处理结构和并行计算 实时性好等优点，实现容错能力强、鲁棒性强的预测控制器。除此，基于模糊模的预测 控制也是实现非线性系统控制的有效途径。与神经网络模型相比，模糊模型更适用于表 达关于系统的先验信息。一般这类不精确的先验信息首先是以模糊规则的形式出现在系 统的初始模型中，然后在控制过程中得到进一步完善【4 3 ，4 4 , 4 6 1 。近些年将神经网络与模 糊模型相结合构成所谓的模糊神经元网络模型，在广义预测控制算法中也已经开始得到 应用。 1 3 课题研究内容及研究方法 本文是按照胜利油f f l 地质院的要求，研究开发了稠油多功能驱替装置系统。整个系 统实现计算机自动化管理，运行调节达到最佳效果，数据集中显示，故障报警及时稳定、 安全运行。论文主要工作及研究方法如下： 1 3 1 课题的研究内容 1 ) 设计稠油多功能驱替装置整体方案 对系统做出详细的设计方案，包括具体的模块化分、各模块实现的功能以及在在此 基础上确定测量方案、控制策略和需要测量控制的参数等。 2 ) 测控软件的编写与硬件搭建 根据胜利油田地质院的要求，依照稠油蒸汽( 或氮气) 相渗测试方法和流程设计 要求，使整体装簧中温控系统、压力系统、动力系统、安全报警系统和实时检测系统有 机结合，精选相关硬件，合理设计和组装并利用l a b v i e w 软件设计测控系统软件，具 体安装调试系统，实现稠油相渗测试装置的高度自动控制及测试的稳定性和准确性。 3 ) 建立系统的数学模型 对搭建好的测控系统进行数据采集，根据实际采集到的压差、温度、质量数据运用 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 粒子群优化方法进行动态非线性系统的模型辨识。分别采用多入单出的w i e n e r - h a m m m e r s t e i n 模型与l s l v m 预测模型来代替系统模型，用计算机仿真的方法验证所 建立的测控系统的数学模型，分析并比较验证辨识结果。 4 ) 系统的预测控制 对系统采用基于l s s v m 预测模型的控制，该方法同样是先利用最小二乘支持向 量机对建立稠油多功能驱替系统的预测模型；然后再用p s o 优化算法进行系统预测控 制的滚动优化。仿真验证算法的可行性，并与传统的动态矩阵控制( d m c ) 比较，分 析实验结果。 1 3 2 课题的研究方法 1 ) 前期的工作主要是了解整个系统，根据要求来设计系统的软件部分及购买相应 的硬件。其中d a q 卡是采用美国n i 公司的p c i 6 2 2 9 型号、电子天平是德国赛德利斯 公司的l p6 2 0 s 型号、软件采用n i 公司的l a b v i e w 。了解采集卡、电子天平的详细 参数，熟悉掌握l a b v i e w 编程。 2 ) 具体了解系统的流程并且对各模块实现的功能及所测量的信号进行设计。建立 信号通道，利用n i 数据采集卡加上信号调理模块，实现外界与计算机之间的连接。连 接串口通信设备，实现电子天平与计算机之间的数据传输。运用计算机的信号处理和 控制功能，对输入、输出信号进行显示分析处理和程序控制。最终完成计算机与用户之 间图形交互界面程序的编写。 3 ) 实际管线安装以及硬件连接调试，采用罗斯蒙特的高精度压差传感器以及厂家 订做的油浴循环器和恒温箱，根据设计的控制流程完成管线各个部件及计算机的连接。 调试软件部分并纠正设计过程中因考虑不周所产生的错误，保证各个模块正常工作，完 成基本的测控功能。 4 ) 对调试好的系统进行多次试验，保证能正常工作。进而进行数据采集，主要采 集的信号有岩心入口与出口压力、恒温箱温度、岩心两端压差等，并根据对这些数据进 行下一步的模型辨识。至此，该系统的基本功能已完成。 5 ) 研究各种非线性系统的辨识方法，如粒子群优化算法、混合粒子群优化算法， 并分别应用于多入单出的h a m m m e r s t e i n w i e n e r 模型与l s l v m 预测模型，编制相应 的算法进行非线性系统的辨识并仿真试验从而比较验证各自的优缺点。 6 ) 对系统进行预测控制，根据建立好的数学模型，再用p s o 优化算法进行系统预 第1 章前言 测控制的滚动优化。通过结果分析算法的性能及可行性，并与d m c 算法进行比较，分 析基于l s s v m 预测模型的控制算法的优缺点。 7 ) 根据实际，完善系统的各项功能，对测控系统存在的不足进行进一步的优化改 进。保证能以最优方式完成各项功能。 6 中国石油太学( 华东) 硕士学位论文 第2 章稠油多功能驱替装置的流程设计 21 稠油多功能驱替装置的组成及模块划分 为了可以保证稠油多功能驱替实验项目的安全、高效实施，便于系统扩展我们对 实验装置流程实现模块化设计。系统流程如图2 - 1 所示，将整个装置划分为五个子系统， 并对各个子系统功能划分。 图2 - 1 系统装置流程圈 f i g2 - 1p r o c e s s o f t h es y s t e r m l 、温度控制系统 系统中有两处温度测量和控制环节，分别是： 1 ) 高温油浴循环器的温度闭环控制 高温油浴循环器自身带有p i d 闭环温度控制系统，以控制釜内温度，达到稳定出口 蒸汽温度和压力的目的。高温油浴循环器最高工作温度3 0 0 c ，温度控制精度1 ，不 过冲。 2 ) 恒温箱内的温度测量与控制 恒温箱为试验提供了一个恒温环境，以模拟油藏实际情况。恒温箱工作温度最高 3 0 0 c ，自身带有闭环的温度控制系统。为了提高温度控制的精度和设备运行的安全性。 第2 章稠油多功能驱替装置的流程设计 我们在恒温箱内再加装多个热电偶测定试验环境温度。 加装热电偶最高测量温度3 0 0 ，绝对误差l 。温度控制系统设置温度上限和 温度下限，越限时进行声音报警。温度传感器的数据参与系统故障自动检测，以保障系 统运行的安全性。 2 、压力控制系统 高压环境也是模拟油藏的重要因素，加压及压控系统存在两个难度：一个是高压来 源，在此我们采用高温油浴循环器来提供；二是安全问题，我们同样采用越限报警的方 法保证实验环境的安全可靠。 在系统中有多个压力测量和控制环节，分别是： 1 ) 高温油浴循环器的压力控制。 高温油浴循环器的出口蒸汽压力实际上是通过高温油浴循环器的温度控制系统来 实现的，出口蒸汽压力最高3 2 m p a ( 蒸汽温度3 2 0 c 时) 。由于采用连续p i d 控制器，可 以保证压力波动范围在1 以内。 2 ) 模型管两端差压测量 为了精确测量模型管两端的差压，我们配置三组量程不一样的差压传感器，并根据 当前差压值的大小自动选择合适量程的差压传感器。采用高静压的差压传感器( 最高耐 静压3 1 m p a ) ，测量精度0 1 ，根据差压范围设置三个量程范围：o 1 1 0 k p a ，1 0 0 - - 51 0 k p a ，5 0 0 - - 1 0 0 0 k p a 。差压传感器两端配置启动阀，通过控制系统输出的数字信号控 制故态继电器来选择气动阀的开或关。 3 ) 模型管围压跟踪控制 采用成套的围压跟踪控制系统，系统自带压力传感器和闭环控制系统。最高工作压 力3 5 m p a ，流速范围o 0 5 1 5 m l m i n ，可在恒压、恒速或不同压力、不同速度的状态下 进行输送或抽吸流体，可双向流动。 3 、动力控制系统 动力系统主要完成动力的供给和流量控制，由高精度注塞泵来实现。动力控制系统 主要为气泵控制，气泵为围压跟踪系统、回压阀、气动阀、活塞容器等提供稳定的驱动 气压。气泵采用空气压缩机，并采用串级控制实现恒压控制，使控制精度达到l 。 4 、蒸汽干度控制系统设计 通过高温油浴循环器提供高温高压过热蒸汽和热水，在设定测试温度下的蒸汽饱和 压力下通过控制压力和温度的方法，来实现对蒸汽不同干度的控制。蒸汽干度控制范围 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 0 8 0 ，控制精度l 。 5 、出口回压跟踪设计 采用高精度耐压回压阀和压力跟踪系统实现出口回压的灵敏控制，避免由于驱替系 统蒸汽相态的瞬时变化以及因稠油的高粘度而引起的回压控制失灵现象，通过自动回压 跟踪确保了回压与系统流压之间的设定压差而保证岩心内部流体相态的稳定性。 回压阀性能要求死体积 3 0 0 m m ) ；精度等级为士1 ；连接方式为法兰夹装、法兰连接；可测的介质 温度为4 0 0 , - - , 3 5 0 。c ；公称压力为2 5 m p a ( 2 5m p a ) ；脉冲输出4 - 2 0 m a 标准信号；2 4 v 供电电源；传输距离从传感器至显示仪距离可达1 0 0 0 m ；结构简单牢固、安装方便、无 可动部件、可靠性高；输出为脉冲信号，无零漂且输出脉冲与体积流量成正比，不受流 体压力、温度、密度的影响；可测量气体、液体、蒸汽。 热电偶 该系统采用w r 铠装热电偶。具体型号为w r c k 型，铜铜镍( t ) ；量程为0 - - 3 5 0 ；连接方式为固定卡套法兰。 2 、数显模块 数显模块同样采用上海天沐的五位标准信号专用表n s y b 0 5 c b ，其特点：传感器 输入信号：0 - 5 v ，0 1 0 v ，o 5 v ，4 - 2 0 m a 输入；显示范围：1 9 9 9 9 - - + 9 9 9 9 9 1 采样速度为4 1 2 次秒；有普通方式、触发方式、自动方式三种清零方式；支持 r s 4 8 5 r s 2 3 2 通讯数据采集( 可选) ；d c 2 4 v 电源供电；仪表自带2 4 v d c 5 v d c 馈 电电源供给传感器工作。 3 、高温油浴循环器( 夹套) 高温油浴循环器是产生高温蒸汽的设备，系统采用上海比郎公司的g x 系列高温循 环器。它适用于央套反应釜，化工中试反应，高温蒸馏，半导体工业等。g x 系列高温 循环器弥补了国内同类产品的不足之处，价格又极大的低于进口产品，是理想的选择。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 它具有微机智能控制系统，升温迅速，温度稳定，操作简便，水油两用。最高温可达3 0 0 。l e d 双窗口分别数显温度测量值及温度设定值，触摸按键操作方便。外循环泵流 量大，可达1 5 l m i n 。可选配冷水循环装置，通入自来水实现体系内部快速降温，适合 于高温下放热反应的温度控制。 4 、数据采集卡 数据采集卡选用美国n i 公司的p c i 6 2 2 9 。其性能指标：3 2 通道模拟输入；2 5 0k s s 采样率；1 6 b i t s 分辨率：最大电压范围1 0 v 一1 0 v ；精度范围为31 0 0g v ；4 8 d i o 数字 通道；逻辑电平为t t l ；数字触发。 在选用数据采集卡的同时，必须选用配套的接线板与线缆。本系统同样用n i 公司 的n is h c 6 8 6 8 。e p m 和n is c b 6 8 。n is h c 6 8 6 8 e p m 是按专门设计，可搭配n i 的x 系列和m 系列数据采集( d a q ) 设备。该线缆包含：独立的数字和模拟部分，用于模拟 输入的单独屏蔽双绞线、单独屏蔽的模拟输出，以及用于关键数字i o 的双绞线。它具 有6 8 针0 0 5 0 系列d 型连接器至6 8 针v h d c i 连接器，令您能够将m 系列设备连至标 准6 8 针附件。n is c b 6 8 是一款屏蔽式i o 接线盒，可将i o 信号连往配有6 8 针连接 端口的插入式数据采集( d a q ) 设备。结合屏蔽式电缆时，s c b 6 8 可提供坚固且噪音极 低的信号终端。它兼容配有6 8 针连接器的单连接器和双连接器n ix 系列和m 系列设 备。接线盒还兼容绝大多数n ie 系列、b 系列、s 系列和r 系列d a q 设备。 5 、电子天平l a 6 2 0 s 特点：内置全自动校准和调整功能i s o c a l ，确保称重的高精度；配置重复性自测 试功能r e p r o t t e s t ，对重复性自动检测；称重记录符合i s o g l p 要求；配置多种应用 程序，满足专业人员称量要求；防静电涂层玻璃防风罩，能有效地屏蔽外界静电荷的干 扰；4 0 m 超高速微处理器；m c l 技术参数：量程6 2 0 9 、精度0 0 0 1 9 、尺盘尺寸 q b l3 0 m m 。 6 、p c 机设置 采用研华工控机i p c 6 1 0 l ，有足够内存和存储容量，c p u 采用p 43 0 g ，内存l g 硬 盘8 0 g ，1 2 8 m 独立显卡，4 p c i 槽，并配备声卡、光驱和软驱以及必要的串行口和并行 口。配备液晶显示器、键盘、鼠标。 7 、控制柜的设计 控制柜的设计对于该系统而言也是非常重要的，它主要完成各个测量参数的集中显 示与控制等功能。所以设计时必须要按照行业规范，一个质量较高的控制柜，要从设计、 1 5 第3 章稠油多功能驱替装置的硬件及软件设计 制造、工艺、运输、包装等各个环节都有高质量的保证。 该系统控制柜设计尺寸采用2 0 0 * 6 0 规格；合理美观的设计了控制柜的前面板：能 良好的保持通风散气：并且合理的根据输入输出信号安排布线；对控制信号采取了隔离 措施，避免了信号发生混乱；系统所用的强电电缆均采用屏蔽线；除此之外，控制柜还 具有接地端。总之，该控制柜可以很好的完成地质院对系统参数的监测与控制功能。 3 1 2 模拟通道及其选择 在信号采集过程中，传感器器输出的是4 - 2 0 m a 的电流模拟信号，要想通过数据采 集卡采集，必须转换成模拟电压信号，直接与n i p c i 6 2 2 9 多功能数据采集卡的模拟通 道相接，在n i p c i 6 2 2 9 多功能数据采集卡的模拟通道中，有a 1 0 - a 1 31 共计3 2 路单端 或1 6 路差分模拟输入通道。单端输入时，每个通道的输入只有一根信号线，输入端与 公共地a i g n d 之间的电压即测量的信号电压。差分输入时，是通过两个模拟输入端输 入信号，测量两个信号输入端间的压差。单端输入、差分输入的连接原理如图3 2 和3 3 所示。通常有两种设置模拟通道的方法，一者是通过n i 提供的数据采集驱动程序提供 的硬件配置信息来设置，该驱动程序相当于用户和硬件之间的桥梁，通过它可以添加数 据通道、选择和访问硬件设备及添加操作面板等。二者是通过软件进行编程，直接在用 户编写的程序中设置。在该系统中，采用驱动程序配置硬件、单端输入，即信号的正极 和a i 模拟通道相接，信号的负极与公共地a i g n d 相接。 图3 - 2 单端输入示意图 f i g 3 - 2s i n g l ee n d e di n p u tc h a n e lc o n n e c t i o n 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 1 3 系统抗干扰措施 图3 - 3 差分输入示意图 f i g 3 - 3 d i f f i e n t i a li n p u tc h a n e ic o n n e c t i o n 在实际生产过程中，现场的环境复杂，干扰是普遍存在，干扰就是在测量中来自于 测量系统内部和外部、影响到测量装置或传输环节的各种因素的总和。各种干扰的存在 会严重影响系统的正常运行，因此，必须考虑该装置的防干扰措施。 根据现场的实际情况，该装置系统的抗干扰措施主要包括以下几条： 1 ) 现场所有的信号均采用屏蔽电缆进行传输。 2 ) 将信号电缆和高压电缆采用隔离线束分开铺设，同时信号电缆要尽可能接近于 地表面附近。 3 ) 数字信号与模拟信号的电缆要分开传输，信号线的长度要尽可能缩短，采用双 芯屏蔽线作为系统的信号线。 4 ) 采用的多芯电缆中的备用芯线要接地，不仅为了扩大屏蔽作用同时可以抑制外 部干扰和信号串扰。 5 ) 软件编程过程中，要加入信号滤波、设置自检程序等来提高系统的抗干扰能力， 保证系统的正常运行。 1 7 第3 章稠油多功能驱替装置的硬件及软件设计 3 2 系统的软件设计 3 2 i 系统软件结构 因为虚拟仪器测控系统是以测控软件为核心的，所以软件的设计对系统开发起着至 关重要的作用。通常由应用软件和设备驱动程序两部分构成一个基本的虚拟仪器测控软 件。设备驱动程序是基础，是应用程序与硬件设备接口的桥梁和纽带“1 2 4 1 。在该测 控软件中，选用的是n i 的p c i - 6 2 2 9 多功能数据采集卡，驱动程序是由n i 公司开发的 d a q 。应用软件采用图形化编程语言l a b v l e w 。一般测控系统软件通常可以分为以下四 个层次，如图3 4 所示。 测控管理层 应用开发层 仪器仪表驱动程序 仪器甄司 一 tt i e e e 4 8 8 2 串口驱动d a q 驱动i o 接 层 层 仪器 图3 4 测控系统软件组成 f i g 3 - 4s o f t w a r ec o m p o s i t i o no f t e s ta n dc o n t r o ls y s t e r m 测控管理层：整个系统的核心部分，一般是由厂家提供的或用户自己开发的测控应 用程序。应用开发层：提供给用户用来开发应用程序的开发平台，常用的有l a b v i e w 、 v i s u a lc + + 、l a b w i n d o w s c a i 、v i s u a lb a s i c 和d e l p h i 等，本系统选用的是l a b v l e w 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 开发平台。仪器驱动层：该层包括仪器自身带的仪器驱动程序库以及用户根据要求针对 仪器编写的特定驱动程序。接口层：就是用相同总线标准将不同总线的仪器连接起来， 从而形成一个功能完善的虚拟仪器测控系统u “”。 为了方便用户使用，本测控系统软件需要设计成交互式流程，这样既从外观上看起 来比较简洁美观，使用起来也非常方便。设计各部分的子函数，利用子函数的调用很容 易实现交互式的流程画面，具体的流程画面结构如图3 - 5 所示： 图3 - 5 程序框架 f ig3 - 5 t h ef r a m eo fp r o g r a m 登陆主程序是测控系统的主程序，它主要是由一个登陆界面和一系列打开功能子程 序的按钮组成。在登陆界面中，我们设置了密码保护程序，同时退出也需要身份验证， 这样就使整个程序的操作运行更加安全。 在主程序里面，还有一系列的功能子程序，我们通过打开文件的方式使主程序与子 程序进行衔接，这样就能很方便的在主程序里通过控制按钮直接转到我们需要的功能子 程序界面。这里主要介绍主流程图和控制面板两部分：主流程图是本测控系统的核心部 分，它首先采集各传感器信号和电子天平的串口信号，然后通过滤波，数值分析计算处 理，最后以物理量的形式出现在流程图中，以比较直观的形式展现在用户面前。在此过 程中，若要改变系统运行的一些参数，则需要调用控制面板子函数，通过改变控制面板 上的参数值从而反馈到主流程中，其中打开控制面板的方式也是通过调用文件的方式来 完成的。图3 - 6 是该部分的大致控制流程， 1 9 囤囤图 卜 ， 第3 章稠油多功能驱替装置的硬件厦软件设计 锤赫 图3 - 6 主控制流程图 f i g3 _ 6 p p e a r a n e eo f t h em a i nc o n t r o l 眦e s s 3 2 2 系统的信号采集设计 数据采集系统的主要任务就是测量和生成信号。它通常包括传感器、转换器、信号 调理及一套可以处理、分析、显示、存储等功能的软件组成吣1 。通过传感器采集信号， 经过信号调理利用上位机接收并处理数据。上位机软件对采集的这些原始数据显示，并 对数据进行处理，使数据以图形、表格或文件的形式展现在用户眼前，同时软件也对整 个测量系统进行控制，告知测量设备应何时采集数据以及从第几通道采集或生成数据。 霎 令，窝国囱。囱囱童 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图3 - 7 是利用l a b v i e w 软件和n i 的数据采集卡组成的数据采集系统，在数据采集前必 须要对采集卡进行初始化1 4 1 引。 图3 - 7 数据采集模块结构组成 f i g 3 7c o m p o s i t i o no fd a t aa c q u i r e 信号的类型可分为模拟信号和数字信号两种，在进行信号调节和使用d a q 硬件之 前，需要将物理信号转换成电信号( 电流或电压) ，一般由转换器完成这个功能，在本 系统中是由所用的压力变送器、压差传感器、热电偶等完成的。当测量的物理信号被转 换成电信号后，就可以采集并提取有用信息并进行处理分析，最后再通过相应的软件把 电信号转换为原来的物理信号并加以显示处理和分析。 一般由测量