應用領域：石油工業、石油管工程、重型試驗機、集中式控制與數據采集

　　挑戰：石油管復合擠毀試驗機用于對油管和套管施加軸向載荷（拉伸或壓縮）、側向彎曲、外壓及內壓，模擬石油管柱在井下所受復合載荷工況。該設備載荷大、壓力高，試驗危險性強；而且試驗中需要同時控制多個子系統，完成多物理量閉環控制和數據同步采集。這二者對控制與數據采集系統整體穩定性、硬件功能及軟件并行處理能力提出了嚴峻挑戰。

　　應用方案：在控制與數據采集系統搭建中，采用NI X系列多功能卡和集傳感器供橋、信號調理與采集功能一體的同步數據采集卡，配以工業數字I/O卡，插入8槽PXI-E機箱滿足控制與數據采集通道要求。軟件方面，利用LabVIEW 2011 軟件開發平臺的并行處理特長，完成多物理量并行閉環控制和數據同步采集。

　　使用的產品：

　　LabVIEW 2011 軟件開發平臺

　　PXIe-1082 8槽3U PXI-E機箱

　　PXIe-6363 X系列多功能卡

　　PXI-6515 工業數字I/O卡

　　PXIe-4330 應變與橋路傳感器數據采集卡

　　PXIe-4353 熱電偶數據采集卡

　　PXIe-8375x4 MXI光纖通訊卡

　　PCIe-8375x4 MXI光纖通訊卡

　　正文：

　　一、引言

　　套管、油管及鉆柱構件（鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等）統稱油井管。油井管是石油工業的基礎。據統計數據顯示，油井每鉆進1米，約需油井管62千克，其中套管48千克，油管10千克，鉆桿3千克，鉆鋌0.5千克。油田裝備資產中，油井管約占60%。而油井管在井下的服役條件極端惡劣。油管和套管管柱經常要承受上千個大氣壓的內壓或外壓，幾百噸的拉伸或壓縮載荷，還有高溫及腐蝕介質侵蝕。油井管一旦在井下發生斷裂掉井事故，會造成巨大的損失，甚至直接導致油井報廢。油井管的質量和壽命直接決定了油井乃至油田的壽命。

　　油井管下井前必須經過一系列嚴格的檢測試驗以評估其性能，而石油管復合擠毀試驗機則是這些試驗的核心設備。復合擠毀試驗機能夠對油管和套管整管施加拉伸、壓縮、彎曲、外壓、內壓、加熱等多種載荷，模擬管柱在井下的實際工況。無論是按照標準評價油管和套管螺紋連接性能，還是在對特殊螺紋密封性、油井管在苛刻工況下力學行為的研究中，該試驗機均發揮著不可替代的作用。

　　二、試驗機組成與設計原則

　　石油管復合擠毀試驗機的外觀如圖1所示。它的組成包括載荷框架、液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站和控制與數據采集系統五個部分。

　　圖1 石油管復合擠毀試驗機

　　載荷框架主要包括軸向載荷臺架和兩個外壓擠毀缸，起容納試樣功能。液壓油源為軸向載荷和側向彎曲液壓缸提供動力。高壓水加壓泵站為外壓擠毀缸注入高壓水，使試樣承受外壓。高壓氣加壓泵站為試樣內部注入高壓氣體，使試樣承受內壓。控制與數據采集系統調配上述四部分工作，同時采集試驗過程中的多物理量數據反饋。

　　三、控制與數據采集系統功能與硬件搭建

　　控制與數據采集系統需要監視液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站三者的工作狀態，控制試樣所受軸向載荷、側向彎曲、內壓及外壓的大小和加載速率。系統需要控制的子系統和部件如圖2所示。

　　液壓油源中的電機帶動柱塞泵或齒輪泵提供動力。換向閥起通斷開關作用。溢流閥調節系統壓力，安全溢流。伺服閥控制軸向載荷大液壓缸和兩個側向彎曲小液壓缸。伺服閥通過調節液壓缸兩腔壓力，實現載荷或位移閉環控制，為試樣施加軸向載荷及側向彎曲載荷。同時，油源上還裝有油箱液位傳感器、溫度傳感器。大液壓缸兩腔裝有高精度壓力傳感器。所有管路連接油箱的吸油、回油口都裝有帶數字信號反饋的油濾。

　　高壓水加壓泵站與高壓氣加壓泵站類似。兩個電控調壓閥分別調節泵頭入口壓縮空氣壓力和卸壓閥壓力，從而控制試樣內壓和外壓的升降。多個電磁閥分別控制泵的開關與保壓氣控閥通斷。監控傳感器反饋入口壓縮空氣壓力和管路內壓力，保證泵站安全。

　　除去控制上述執行元件外，系統還需要采集試驗過程中試樣的壓力、力、位移、應變、溫度等傳感器反饋信號。

　　圖2 控制子系統與部件圖

　　如上所述，控制與數據采集系統需要同時具備模擬量輸入和輸出（AI和AO）、數字量輸入和輸出（DI和DO）以及多物理量數據采集通道。復合擠毀試驗載荷大、壓力高，試驗危險性強，要求控制與數據采集系統安裝位置盡量遠離危險源且工作穩定性高。

　　考慮到上述因素，在系統搭建中采用基于NI PXI-E平臺的集中式控制與數據采集方式。將控制與數據采集系統的所有硬件安裝在一臺現場主控制柜中。控制柜位于試驗地坑角落中，距離試樣8米左右。主控制柜中的PXIe-1082 8槽3U機箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控制室內的工業控制計算機通訊，實現遠程操控。這種架構方式有以下三個優點：

　　（1）試驗過程中人員安全性高。試驗中操作人員處于控制室中，與試樣直線距離超過20米。

　　（2）保證系統硬件安全。控制與數據采集系統的所有硬件安裝在現場主控制柜中。與分布式控制與數據采集方式相比，雖然增加了主控制柜內接線工作量，但減少了軟件接口，同時降低了因執行機構失控造成系統硬件損壞的概率。

　　（3）數據穩定性提高。試驗中多數傳感器安裝在試樣上，如果數據采集系統距離試樣太遠，傳感器連接導線過長，干擾和噪音會影響信號質量。特別是試驗機液壓油源中配有大功率電機和變頻器，多個傳感器反饋信號為毫伏級電壓，更會加劇長導線的影響。因此，主控制柜必須放置在試驗地坑中而不是控制室內。而主控制柜中的PXIe機箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內的工業控制計算機連接，數據傳輸速度快且穩定性高。

　　除去上述優點，這種架構方式唯一需要注意的是MIX通訊卡與工業控制計算機的兼容性。

　　板卡選擇中，僅選用以下4種6塊板卡即可滿足系統控制和數據采集通道需求：

　　PXIe-6363 X系列多功能卡1塊。這塊板卡功能強大，帶有32路正負10 伏模擬輸入，4路正負10伏模擬輸出，48路5伏數字I/O和4路32位計數器。系統中使用正負10伏模擬輸入功能接入所有執行子系統監控傳感器信號，使用正負10伏模擬輸出控制液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站中的氣控調壓閥等執行元件。5伏數字I/O和32位計數器功能未使用。

　　PXI-6515數字I/O卡1塊。這是一塊32通道24伏工業數字I/O卡，它的數字輸出功能用來控制所有中間繼電器通斷，根據試驗步驟開啟或關閉電機、泵及所有閥件；數字輸入功能收集油濾、緊急停止按鈕的狀態信號。

　　PXIe-4330應變與橋路傳感器數據采集卡3塊。該數據采集卡集傳感器供電與信號調理、采集于一體，能為傳感器提供0.625伏到10伏的供電。這一供電范圍涵蓋了應變采集常用的2伏和3.3伏以及高精度壓力傳感器常用的10伏，使系統無須再為傳感器另配線性電源。3塊采集卡中的1塊8個通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內壓及外壓，同時為外接位移傳感器和力傳感器預留通道。剩余2塊采集卡實現16通道1/4橋應變高速同步采集（采樣頻率最高達25kHz）。

　　PXIe-4353熱電偶數據采集卡1塊。這塊采集卡含有32個采集通道，其中8個通道內置冷端補償。采集卡支持J、K、T、E、N、B、R和S共8個類型的熱電偶，涵蓋了石油管試驗中常用的J、K兩種類型熱電偶。試驗中試樣溫度變化較慢，因此最高90Hz的采樣頻率也足以滿足使用需求。