基于虚拟仪器的钻井工程无线监控系统

许 万，徐 诚，周 晶

（1湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068；2湖北省机电研究设计院，湖北 武汉430070）

在油气田的开采过程中，钻井作业是最为危险的工程环节之一.在钻井的过程中可能遇到如井漏、溢流和卡钻等很多意想不到的问题，如果处理不及时或处理不当都会造成严重的后果和不必要的损失［1－2］.因此，开展钻井井场实时监测，对保障石油天然气开采的安全作业具有重要的现实意义.目前钻井现场的实时监测一般采用各种传感器进行数据采集，通过有线电缆将各传感器采集的信号传输到控制中心处理.

无线传感器网络（WSN）以其自组织性好、灵活性强、体积小、成本低等优点，在军事、环境科学、医疗健康、空间探索、工农业自动化等许多领域有着非常广泛的应用前景［3－7］.本文采用基于Zigbee的无线传感器网络和基于Labview的虚拟仪器，为油气田钻井作业提供了一种新的信息获取方法及统一的信息平台.运用这些信息，不但可对钻井作业工况及有关参数进行实时监测，而且通过后期信息处理还可及时预报可能出现的复杂情况和钻井事故，为工程技术人员的现场决策提供可靠的实时资料，提高了钻井作业的安全性.

1 系统概述

本系统采用无线节点对钻井现场进行监控.根据系统功能需要，系统中模拟量传感器有超声波液位传感器、立管压力传感器、大钩负荷传感器、出口流量传感器和硫化氢浓度传感器；数字量传感器有绞车传感器和泵冲次传感器，输出控制对象有声光报警灯和灌浆电机.节点布置如图1所示.

图1 系统节点布置图

系统节点由NI WSN－3202模拟量输入测量节点、NI WSN－3212热电偶测量节点、及基于IEEE 802.15.4协议的以太网关NI WSN－9791组成.

在软件设计上，采用LabVIEW2010设计现场客户端.利用MAX设置网关及节点，采集的数据由以太网传到计算机，通过LabVIEW美观的仪器界面和多样的数据显示方式把采集到的数据显示到虚拟仪表和实时曲线，并运用Labsql将采集数据保存到Access数据库.软件采用注册用户事件结构对超限数据进行报警.系统整体架构如图2所示.

图2 系统结构

2 硬件系统设计

2.1 以太网关及节点

硬件系统特点是运用NI WSN系统，使得布线简单，方便灵活，可靠性高，极其适合油田工程使用.NI WSN系统中，网关就相当于一个网络协调员，负责管理节点认证、消息缓冲，以及在IEEE 802.15.4无线网络和有线以太网络之间建立桥梁，在以太网络中，可以使用各种NI软件对测量数据进行采集、加工、分析和显示.NI WSN－9791以太网关是一个传递设备，不提供板载存储功能和编程功能，主要用以协调分布式测量节点 WSN－32xx与主控制器之间的通信.该网关采用2.4GHz、IEEE 802.15.4协议从10／100Mb·s－1以太网端口获取测量数据，可灵活连接Windows或LabVIEW实时主控制器（图3）.

NI WSN测量节点的特点是传感器直连，通信可靠，工业评级标准.测量节点可由5号电池供电，可以持续工作3a.通过使用 WSN设备的Lab－VIEW驱动来添加网关节点到测量系统，通过Lab－VIEW WSN模块的图形化编程环境定制节点的行为.NI WSN－3202模拟量输入测量节点提供4路±10V模拟量输入通道和4路双向数字通道，设备提供的12V、20mA的电源输出可以直接驱动需要外部电源供电的传感器.NI WSN－3212热电偶测量节点提供4路24位热电偶输入通道和4路双向数字通道，可以直接连接J、K、R、S等热电偶.

图3 NI WSN系统

2.2 WSN网络配置

通过 Measurement ＆ Automation（MAX）进行NI WSN系统网络配置.配置过程如下：

运行MAX，刷新远程系统，找到无线网关节点NI－WSN9791－0148AA02系统设置，进行系统常规设置，可以设置网关节点名称等，一般不作修改网络设置，配置网关节点的IP，网关等，以便通过以太网与PC机通信WSN Nodes，用来添加和删除无线子节点，需要输入节点的类型和ID.也可以更新内部固件来设置节点为终端节点或路由节点Gateway Firmware，用来更新无线网关节点内部固件配置完成在WSN Nodes点击刷新就能看到配置好的无线节点.

3 软件系统设计

系统软件是基于LabVIEW2010设计的.系统充分利用的LabVIEW的灵活多样的数据表达形式对采集的数据进行了直观的显示，同时也利用了Access数据库对采集的数据进行存储.软件系统结构如图4所示.

图4 软件系统结构图

3.1 用户管理

用户管理模块包括添加用户、查看用户、修改用户和删除用户.它的主要优点是有效保护私有数据和保护程序本身［8］.用户管理模块采用Access数据库保存用户权限，最后登录时间，用户名称及用户密码（图5）.该模块的特点在于增加了用户权限和最后登录时间.只有管理员能添加用户，并能查看所用用户信息，普通用户只能查看本用户信息；管理员能修改用户的权限，普通用户只能修改本用户的密码；管理员能删除其他用户，普通用户只能删除本身.在未登录时，选项卡标签隐藏，选项卡和其他按钮都处于禁用状态.

图5 用户管理数据表

3.2 无线节点I／O数据获取

无线节点配置完成之后，在工程里面可以看到配置好的节点.本系统采用的NI WSN3202有15个IO，要想获得其中任何一个IO的数据只需要将工程里节点下面的IO变量直接拖到VI里面，数据获取框图见图6.

图6 无线节点数据获取

3.3 实时数据显示及保存

根据需要将实时采集的数据绘制成波形图，并且保存数据到Access数据库.该模块类似波形记录仪，可以实时反映模拟量的变化趋势，还具有数据存盘功能.在波形显示中，要想做到实时流动显示模拟量波形，采用波形图表控件，在波形图表属性里设置其刷新模式为示波器图表.设置X轴的标尺为系统格式的绝对时间［9］，并在波形图表的属性节点中设置X标尺偏移量（XScale.offset）为当前时间，这样X轴便与当前时间同步，波形图表实时刷新显示当前采集数据的波形（图7）.而当系统停止并重新启动时，需要擦除上次运行的数据波形，这样就需要对波形图表进行初始化，即把波形图表的属性节点中的历史数据用空数组初始化.

数据的保存运用的是Labsql工具包对Access数据库进行数据插入和数据修改操作.保存的数据包括序号、时间、液位、硫化氢浓度等.用SQL语句INSERT将采集的数据保存到数据库，在保存数据的同时考虑到有效利用PC机的存储空间，本系统只保存最新48h的数据.当数据超过容量，用DELETE删除第一条数据和UPDATE更新最后一条数据.

图7 实时数据波形

3.4 数据查询

本系统的数据查询采用时间查询，查询的数据显示到表格并且绘制历史数据曲线.点击数据查询按钮弹出对话框，提示按一定格式输入查询时间（图8）.由于数据库中时间的存储格式为 2011－04－22 00：49：00，为了方便用户使用简单的输入时间进行数据查询，涉及时间格式的转换.

图8 时间格式转换

3.5 数据报警

报警子系统是各种数据采集、监测监控、虚拟仪器系统的重要组成部分，功能完善的报警子系统有利于用户及时发现故障、及时分析处理［10］.报警子系统运用注册事件结构实现，一旦采集的数据超过设定的上下限就产生用户事件，然后数据报警灯开始闪烁.报警灯闪烁实际上是布尔显示控件的闪烁前景与TURE颜色的切换，在工具—选项—环境中修改闪烁前景为红色.在工具—选项—前面板中修改闪烁延迟为100ms， 这样报警灯在出现超限数据时就以100ms的频率闪烁.点击闪烁的报警灯就能看到报警数据记录表格，表格中记录超限数据以及超限数据产生时间.点击清除报警数据，报警记录表格清空.系统运行界面由图9所示.

图9 系统运行界面

4 结束语

本系统针对油田现场钻井工程的特殊环境，采用基于Zigbee的无线传感器网络和基于Labview的虚拟仪器，实现钻井工程数据的采集和监测.测试表明，系统以1次／s的速率保存数据，最多可以保存172 800条数据.数据查询可以查询最近48h内任何时间段的数据.数据报警能及时报警并记录超限数据.本系统可满足钻井队在作业现场复杂、频繁移动的状态下对钻井工程参数的无线数据采集及传输的要求，保障钻井作业安全.

［1］张耀明，程德祥.塔里木油田历年井喷事故汇编［Z］.塔里木油田公司，2007.

［2］蒋希文.钻井事故与复杂问题（第二版）［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［3］于海斌，曾 鹏.智能无线传感器网络系统［M］.北京：科学出版社，2006.

［4］任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络.［J］.软件学报，2003，14（7）：1 282－1 291.

［5］XUE G，HASSANEIN H.On current areas of interest in wireless sensor networks designs［J］.Computer Communication，2006，29（4）：409－412.

［6］Akyildiz F，Su W Y.Sankarasubramaniam，and E.Cayirci.Wireless sensor networks：A survey［J］.Computer Networks Journal，2002，38（4）：393－422.

［7］Gehrke J，Liu L.Sensor－network applications［J］.IEEE Internet Computing，2006，10（2）：－.

［8］王鲁涛，罗马吉.LabVIEW 用户登录系统设计［J］.软件导刊，2009（6）：86－87.

［9］魏 利.实时采集数据绘图及多种数据保存方式程序设计［J］.电子测试，2008（5）：46－48.

［10］秦永平，孙 庆，李 哲.基于LabVIEW的数据采集报警子系统的设计［J］.软件设计开发，2009（9）：7 674－7 675.