向 軍 馬雪莉

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠 山東 東營(yíng) 257061;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院 山東 青島 266555)

?

·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

基于組態(tài)技術(shù)的天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

向 軍1馬雪莉2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠 山東 東營(yíng) 257061;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院 山東 青島 266555)

文章根據(jù)凍土區(qū)天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置流程及其功能，設(shè)計(jì)了基于組態(tài)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用泓格模塊和RS-485通訊構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件，上位機(jī)使用力控組態(tài)軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠有效、準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)并在上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控各點(diǎn)參數(shù)，功能齊全且人機(jī)界面友好。

泓格模塊；力控組態(tài)軟件；數(shù)據(jù)采集

0 引 言

天然氣水合物(Natural Gas Hydrate)是由天然氣和水在高壓低溫條件下生成的類(lèi)冰狀的結(jié)晶物質(zhì)，主要分布于深海沉積物及陸地的永久凍土中。一方面天然氣水合物是一種具有重要開(kāi)發(fā)價(jià)值的新能源并且其在地球上的儲(chǔ)量極為豐富，另一方面存在于自然界中的甲烷氣體是一種溫室氣體，將甲烷氣體轉(zhuǎn)化為天然氣水合物對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化也起著關(guān)鍵性的作用[1]。通過(guò)天然氣水合物的實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)ζ淇碧介_(kāi)發(fā)前的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究分析，從而為天然氣水合物工業(yè)開(kāi)發(fā)提供理論與技術(shù)支撐。本文針對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了一套基于泓格模塊和力控組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與處理功能，從而為天然氣水合物的研究提供基礎(chǔ)。

1 凍土區(qū)天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置

目前，多孔介質(zhì)合成天然氣水合物的方法多為直接合成水合物法，開(kāi)采天然氣水合物的主要方法有熱激發(fā)開(kāi)采法、減壓開(kāi)采法、注入化學(xué)試劑開(kāi)采法和CO2置換法等。本套凍土區(qū)天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置用于模擬凍土區(qū)裂隙介質(zhì)中的水合物生成和開(kāi)采，主要針對(duì)CO2/N2置換開(kāi)采進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，也可進(jìn)行降壓開(kāi)采和注熱開(kāi)采實(shí)驗(yàn)研究等。實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1甲烷氣瓶;2二氧化碳?xì)馄?3氮?dú)鈿馄?4減壓閥;5二氧化碳質(zhì)量流量控制器;6氮?dú)鈿怏w質(zhì)量流量控制器;7混合罐;8增壓泵;9截止閥;11壓力表;13液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)罐;15加熱帶;17平流泵;18制冷機(jī);19中間容器;20安全閥;21預(yù)熱罐;22壓力傳感器;23;盤(pán)管;24實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?25片狀電極;26壓力傳感器;27溫度傳感器;28多通道切換裝置;29回壓器;30氣液分離器;31干燥筒;32流量計(jì);33信號(hào)采集模塊;34計(jì)算機(jī);35氣相色譜儀;36真空泵;37手動(dòng)圍壓泵

系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛦卧獮楹诵脑?，放置于溫度模擬系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕戏謩e布置5組電阻率測(cè)量片狀電極、5個(gè)溫度傳感器和5個(gè)壓力傳感器。在設(shè)定溫度下，由穩(wěn)壓供氣單元向模型內(nèi)注入實(shí)驗(yàn)氣體，穩(wěn)壓供液?jiǎn)卧蚰Ｐ蛢?nèi)注入液體，從而進(jìn)行水合物的生成及分解實(shí)驗(yàn)。氣體和液體均可以進(jìn)行精確定量地注入，并在整個(gè)過(guò)程檢測(cè)溫度、壓力和電阻率的變化，從而可以定量地分析水合物生成和分解的情況。

2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的功能及要求，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：一是采集實(shí)驗(yàn)所需模擬量，二是為了避免實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系奈褰M片狀電極之間相互干擾，需要對(duì)片狀電極通路進(jìn)行控制，從而保證在同一時(shí)間只有一組片狀電極工作。

2.2 硬件選型

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能，選用泓格I-7000系列模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。泓格模塊為臺(tái)灣泓格科技公司開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制產(chǎn)品。泓格模塊采用的通訊方式為RS-485通訊，能夠遠(yuǎn)距離傳輸。所有的模塊僅需一根數(shù)據(jù)線(xiàn)即可連接起來(lái)。模塊具有較高的通信速率，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。泓格模塊還具有智能化、強(qiáng)抗干擾性和雙看門(mén)狗安全設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)。用戶(hù)只需設(shè)定所用模塊的地址即能在軟件中讀出數(shù)據(jù)，這樣的設(shè)計(jì)使軟件設(shè)計(jì)變得更加容易[2、3]。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。泓格I-7017模塊是8通道模擬量輸入模塊，16位分辨率，主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或其他分布式數(shù)據(jù)采集。在本系統(tǒng)中，共采集包括壓力、溫度、流量、電壓和電流在內(nèi)的20個(gè)模擬量。泓格I-7067模塊是7通道繼電器輸出模塊，繼電器吸合時(shí)間為5 ms。在本系統(tǒng)中，泓格I-7067模塊用于控制5組片狀電極通路的通斷，每組片狀電極使用兩個(gè)通道控制。泓格I-7045模塊為16路隔離OS門(mén)輸出模塊。此模塊的作用是通過(guò)控制電磁閥的通斷從而控制氣驅(qū)增壓泵的輸出壓力。以上模塊均為RS-485通訊。泓格I-7520RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換模塊將上述RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)傳給工控PC機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示與處理功能。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：一是實(shí)時(shí)顯示各點(diǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)；二是實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，完成數(shù)據(jù)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖顯示，同時(shí)生成數(shù)據(jù)庫(kù)格式文件，以便后期查詢(xún)。

本文采用力控組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。力控監(jiān)控組態(tài)軟件是一款采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并對(duì)其中某些過(guò)程加以控制的工業(yè)專(zhuān)用組態(tài)軟件，它為用戶(hù)提供了良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境和簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)方法，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與國(guó)內(nèi)外大部分的工業(yè)控制設(shè)備進(jìn)行通訊，通過(guò)與工控機(jī)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高度結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和集中管理的功能[4]。

3.1 組態(tài)界面

按照組態(tài)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能，共創(chuàng)建八個(gè)界面，分別為：主界面、傳感器校零、實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)、重名提示、實(shí)驗(yàn)界面、流程圖、存儲(chǔ)設(shè)置及數(shù)據(jù)報(bào)表界面，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

由于傳感器的零點(diǎn)漂移會(huì)被誤認(rèn)為是真實(shí)的采集信號(hào)，直接進(jìn)行采集會(huì)影響數(shù)據(jù)的精確性以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理[5]。 傳感器校零界面對(duì)壓力、溫度、電壓、電流傳感器進(jìn)行零點(diǎn)校正。

實(shí)驗(yàn)界面如圖4所示。在實(shí)驗(yàn)界面上實(shí)現(xiàn)了各傳感器的采集數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及基本實(shí)驗(yàn)操作的功能。在存儲(chǔ)設(shè)置界面，可以對(duì)電阻率、溫度、壓力的存儲(chǔ)時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)置。

圖4 實(shí)驗(yàn)界面

數(shù)據(jù)報(bào)表界面如圖5所示。在此界面，可以對(duì)電阻率、溫度、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)。

圖5 數(shù)據(jù)報(bào)表界面

3.2 I/O設(shè)備組態(tài)

在力控組態(tài)軟件中，當(dāng)需要用到某些智能儀表或智能模塊與力控組態(tài)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能時(shí)，就需要把這些設(shè)備作為I/O設(shè)備。只有完成了I/O設(shè)備定義后，力控組態(tài)軟件才能夠?qū)崿F(xiàn)與這些I/O設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。這些I/O設(shè)備一般是通過(guò)串口方式與上位機(jī)完成數(shù)據(jù)交換，也可通過(guò)以太網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖6所示為本系統(tǒng)的I/O設(shè)備組態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)

在I/O組態(tài)完成之后，創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)DB是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的核心。數(shù)據(jù)庫(kù)提供的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)類(lèi)型主要包括數(shù)字量I/O點(diǎn)、模擬量I/O點(diǎn)、控制點(diǎn)、累計(jì)點(diǎn)以及各運(yùn)算點(diǎn)等。模擬量I/O點(diǎn)的輸入輸出參數(shù)為模擬量，數(shù)字量I/O點(diǎn)輸入輸出值為數(shù)字量，數(shù)字量不僅可以作為參數(shù)，還可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)檢查。根據(jù)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的要求，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)模擬量I/O點(diǎn)和數(shù)字量I/O點(diǎn)。隨后把這些點(diǎn)與之前創(chuàng)建的I/O設(shè)備中的數(shù)據(jù)項(xiàng)聯(lián)系起來(lái)，以使這些點(diǎn)的PV參數(shù)值能夠顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)值。

圖6 I/O設(shè)備組態(tài)

3.4 動(dòng)作腳本

應(yīng)用程序動(dòng)作腳本是與整個(gè)應(yīng)用程序連接，它作用的范圍是整個(gè)應(yīng)用程序，在這種腳本內(nèi)可以調(diào)用其他的應(yīng)用程序以及完成數(shù)值的計(jì)算等。應(yīng)用程序動(dòng)作腳本有三個(gè)觸發(fā)條件類(lèi)別：一是在進(jìn)入程序時(shí)執(zhí)行一次；二是在應(yīng)用程序運(yùn)行期間做周期性的執(zhí)行，這個(gè)周期可以由用戶(hù)自己指定；三是在退出應(yīng)用程序的時(shí)候執(zhí)行一次。

圖7 程序流程圖

在本系統(tǒng)中，進(jìn)入程序時(shí)首先將傳感器校零時(shí)各參數(shù)的零點(diǎn)值讀出，其次將控制片狀電極通路通斷的數(shù)字I/O點(diǎn)置零，最后再將力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與Access數(shù)據(jù)庫(kù)連接。程序運(yùn)行周期內(nèi)，進(jìn)行零點(diǎn)校正、控制片狀電極通路分時(shí)工作、計(jì)算電阻率值以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工作。退出程序時(shí)將數(shù)據(jù)庫(kù)的連接關(guān)閉，并將數(shù)字I/O點(diǎn)再次置零。程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié) 論

本套天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試、運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)其預(yù)期功能，證明了其有效性和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本套數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)硬件采用泓格模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、軟件采用力控組態(tài)軟件編寫(xiě)。如果模塊發(fā)生損壞，只需更換損壞模塊即可，不需要更改接線(xiàn)及其他線(xiàn)路，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及編程的難度，并且人機(jī)界面友好，操作方便。

[1] 吳青柏，程國(guó)棟.多年凍土區(qū)天然氣水合物研究綜述[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2008，23(2):111-118.

[2] 王啟立，胡亞非，何敏等.泓格Ⅰ-7000系列模塊在風(fēng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2005,31(3):46-48.

[3] 張英豪，楊 柱.泓格I-7000系列采集模塊在礦井風(fēng)機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].礦山機(jī)械,2006，(11)

[4] 谷紅巖,李文哲.基于 PLC 和力控組態(tài)軟件的沼氣生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(1): 199-202.

[5] Li X,Bilgutay N M,Murthy R.Spectral histogram using the minimization algorithm-Theory and applications to flaw detection[J].Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,IEEE Transactions on,1992,39(2): 279-284.

Data Acquisition and Processing System of Natural Gas Hydrate Experiment Based on Configuration Technology

XIANG Jun1MA Xueli2

(1.PetroleumIndustryTrainingCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying，Shandong257061,China;

2.CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao，Shandong266555,China)

According to the process and function of experiment device of natural gas hydrates in permafrost zones,a data acquisition and processing system based on configuration technology is designed in this paper.It uses ICP DAS modules and RS-485 communication to build hardware of the data acquisition system,and upper processor uses force control configuration to real-time monitor and process the data.The experiment shows that the system can collect data effectively and accurately and monitor parameters in the upper processor in real-time.It has abundant functions and kind interface.

ICP DAS modules, force control configuration, data acquisition

向 軍，男，1972年生，碩士，工程師，1994年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)，現(xiàn)在中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠工作,研究方向?yàn)閹r心物性分析儀器研制和新能源(天然氣水合物、煤層氣)開(kāi)發(fā)工藝及設(shè)備研制。E-mail：xiangjunupc@163.com

TP274+.2

A

2096-0077(2015)02-0065-04

2014-09-16 編輯：韓德林)