虛擬儀器技術(shù)在石化科研裝備開發(fā)中的應(yīng)用

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摘要：本文從虛擬儀器的特點入手，結(jié)合石化科研裝備開發(fā)的特點，闡述了在石化科研裝備開發(fā)中應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的可行性和可發(fā)展性，并結(jié)合實例介紹了如何在石化科研裝備開發(fā)中應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)些椒。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器科研裝備孔隙度儀
一、概述
　　虛擬儀器（Virtual Instruments）可理解為利用現(xiàn)有的計算機掸刊、配以特殊設(shè)計的儀器硬件和專用軟件免糕，由用戶根據(jù)自己的需求設(shè)計的既有普通儀器的基本功能，又與傳統(tǒng)儀器有著本質(zhì)區(qū)別的新型儀器系統(tǒng)痒给。傳統(tǒng)儀器一般由儀器生產(chǎn)廠家將信號的采集與控制用六、信號的分析處理、結(jié)果的輸出這三大功能模塊全部以硬件（或固化的軟件）加以固定红狗，用戶只能獨立操作烂锤，使用儀器單一的功能。而對于測試參數(shù)多暂呈，測試參數(shù)不斷變化的面向應(yīng)用的系統(tǒng)架暗，則虛擬儀器系統(tǒng)可滿足其多種多樣的應(yīng)用需求。虛擬儀器的核心技術(shù)是計算機技術(shù)辜辰，它把儀器的各個功能模塊全部放在計算機中實現(xiàn)约粒，在計算機中插上數(shù)據(jù)采集與控制接口卡，用軟件在計算機屏幕上生成儀器面板束敦，用軟件來進行信號的分析和處理侨直，用計算機屏幕顯示輸出結(jié)果∝野辏總之靠婴，虛擬儀器打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式袱耽，它利用計算機豐富的軟硬件資源大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理杀餐、表達干发、傳送、操作史翘、顯示和儲存等方面的限制枉长，有著其獨到的特點，主要表現(xiàn)在：
　∏矸怼（1）虛擬儀器克服了傳統(tǒng)儀器只能完成對某個量的獨立測量必峰，它可以使各個測量值互相通信，實現(xiàn)信息共享钻蹬，從而對被測各系統(tǒng)的綜合分析自点、評估，得出準確判斷脉让。
　　（2）虛擬儀器系統(tǒng)可以面對復(fù)雜的被測系統(tǒng)而不必購買各種測試儀器功炮，解決了傳統(tǒng)儀器的硬件冗余溅潜、使用頻率和效率低的狀況。
　⌒椒（3）節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)和組建時間墅瑟，虛擬儀器的硬件采用的是通用的硬件平臺，對于新的系統(tǒng)及新的測試需求時疯蓄，只需增加軟件或增加一個通用模塊即可實現(xiàn)枪素。
　　（4）由于采用了通用模塊和計算機軟件來實現(xiàn)測量猩镰、處理芹倔，虛擬儀器系統(tǒng)具有更好的測量精度和抗干擾能力。
二氨鹤、石化科研裝備開發(fā)的特點
　　1威脯、石化科研裝備的應(yīng)用領(lǐng)域
　　隨著我國加入WTO，石油工業(yè)也步入了知識經(jīng)濟的新時代何煞，我國也正積極地采用高新技術(shù)跨略，合理地開發(fā)油氣資源。石化科研裝備的開發(fā)正是為了科學(xué)地認識油藏柿患、了解油藏特性烁犀、進行定量化描述，并通過油藏的評價和油藏開發(fā)的可行性研究優(yōu)化油藏開發(fā)方案的一種有效手段森枪，它包含了對油層物理的基本物理性質(zhì)測試视搏，專項分析測試以及地層流體高壓物性分析測試。
　　2疲恢、石化科研裝備開發(fā)的特點
　　早期凶朗，石化科研裝備都是手工操作瓷胧，人工計量，指針讀數(shù)棚愤，只能進行單項測試搓萧，隨著六、七十年代電子工業(yè)的迅速發(fā)展宛畦，各種電子器件瘸洛、傳感器相繼問世，促進了石化科研裝備的自動化次和、計算機化反肋、測試精度不斷提高、模擬條件進一步深化踏施，整個裝備向高溫石蔗、高壓、模塊化徒锄、多功能化發(fā)展轮拼。但是，由于石化科研裝備的生產(chǎn)批量小安芋，又經(jīng)常要根據(jù)用戶及特殊區(qū)域的具體要求進行設(shè)計才延，因此造成我國在石化科研裝備的開發(fā)上仍與國外有較大的差距。
　　3售芳、目前石化科研裝備開發(fā)的模式及弊端
　　目前陈园，我國石化科研裝備的開發(fā)雖然擺脫了六、七十年代完全依賴進口的局面肿犁，正在積極進向國產(chǎn)化推進湘志，隨著國內(nèi)科技人員對傳感器技術(shù)、電子技術(shù)整空、計算機技術(shù)的逐步深入和研究脐炼，特別是進口儀器成本高、維修及配件困難拢掷，而且在操作方法和技術(shù)方面也不完全適合于我國的具體情況丁恭，因此廣大的石化開發(fā)人員和石化工程技術(shù)人員正在積極并已經(jīng)開發(fā)出了大量的石化科研裝備來指導(dǎo)科研和生產(chǎn)，一般遵循如下模式：
　　首先由現(xiàn)場及試驗人員提出試驗需求斋日，根據(jù)生產(chǎn)和科研的需要提出待測參數(shù)牲览。
　　其次由產(chǎn)品開發(fā)人員與試驗人員共同商討試驗項目的可行性，根據(jù)國內(nèi)相關(guān)技術(shù)拿出開發(fā)方案恶守。
　　最后產(chǎn)品開發(fā)人員設(shè)計整個裝置的試驗流程第献、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)以及試驗結(jié)果的表達兔港。
　　鑒于以上模式庸毫，產(chǎn)品開發(fā)中不可避免存在以下弊端：（1）每一個產(chǎn)品的開發(fā)都必須遵循以上模式仔拟，哪怕不同區(qū)域不同用戶的需求只有微小的差別;（2）每種產(chǎn)品具有大量的相同（相似）之處，導(dǎo)致了大量的重復(fù)性勞動;（3）用戶完成某種測試后飒赃，需進行一些新的項目試驗利花，用戶無法更改，只能重新訂制儀器和裝備载佳，造成大量的資金浪費炒事，投入的大量的人力、物力蔫慧、財力無法充分利用仁吟。
三、虛擬儀器技術(shù)在石化科研裝備中的應(yīng)用
　　1脯阔、可行性及可發(fā)展性
　　近年來虛擬儀器技術(shù)在石化行業(yè)夏捣，特別是在石化科研裝備開發(fā)上的應(yīng)用發(fā)展非常快摇值，自1995年以來我國引進的石化科研裝備基本上都采用了虛擬儀器技術(shù)殊储，但由于我國對該技術(shù)還不太了解，因而只感覺到國外的儀器軟件美觀胳雁，使用變得更加方便，而沒有覺察到它在測控技術(shù)上的變化伞让。特別是目前我國正處于競爭激烈的市場經(jīng)濟潮流中康逝，作為科研部門，需要利用最新的技術(shù)停濒，最好的手段菲恢，最低的成本多出成果，出好成果;作為生產(chǎn)衣右、制造部門锁孟，需要盡快開發(fā)出新產(chǎn)品，利用最低的成本茁瘦，最高的效率品抽，盡快把新產(chǎn)品推向市場。同時甜熔，一個好的開發(fā)工具圆恤，一種高效的開發(fā)手段是必不可少的。無論是科研開發(fā)腔稀，還是產(chǎn)品檢測盆昙，產(chǎn)品質(zhì)量控制都離不開有效的檢測手段。虛擬儀器技術(shù)可以有效的達到以上要求焊虏，具有可行性和可發(fā)展性淡喜。
　　2秕磷、如何在石化科研裝備中應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)
　　根據(jù)我們多年從事石化科研裝備開發(fā)的經(jīng)驗和對虛擬儀器技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，我們認為炼团，要想科學(xué)澎嚣、有效地利用好虛擬儀器這門技術(shù)，必須解決好以下三個方面的問題：
　∫赌巍（一）模塊化問題
　　目前湃儒，我國石化科研裝備絕大部分屬于非標(biāo)產(chǎn)品，產(chǎn)品的通用性和互換性較差尸惭，產(chǎn)品的標(biāo)準化為時尚早氯摆，要想充分利用虛擬儀器技術(shù)，解決傳統(tǒng)模式中存在的問題男磅，因此首先要模塊化峡冻，就是將各個不同的單元盡量獨立，使之能夠應(yīng)用于不同的場合蜂澄，例如石化科研裝備中的動力驅(qū)動模塊最奸、模擬油藏環(huán)境模塊、參數(shù)測量與控制模塊墨攻、數(shù)據(jù)采集與控制模塊拜殊、數(shù)據(jù)處理模塊等。因此汹魁，采用模塊化獨立設(shè)計匿党，模塊耦合設(shè)計是虛擬儀器應(yīng)用的基礎(chǔ)。
　≡⒙洹（二）硬件問題
　　前面提到括丁，任何儀器都是由三大功能模塊構(gòu)成的，作為數(shù)據(jù)采集與控制部分伶选，按目前石化科研裝備開發(fā)的應(yīng)用形式史飞，可以總結(jié)為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1：

圖1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)構(gòu)成
　　對于一般的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，一般按如下框圖實現(xiàn)仰税，如圖2

圖2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)框圖
　　目前构资，由于集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)的迅速發(fā)展陨簇，使得不斷更新的數(shù)據(jù)采集板卡能夠有效保證石化科研裝備的性能蚯窥、精度及可靠性，并為廣大科研和工程技術(shù)人員建立功能靈活塞帐，性能價格比高的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)提供了良好的解決方案拦赠。
　　（三）軟件開發(fā)平臺
　　可以設(shè)想，如果把計算機技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合起來荷鼠，將儀器三大功能塊的后面兩塊句携，即信號的分析處理、結(jié)果的表達與輸出放到計算機上實現(xiàn)逛指。用計算機屏幕可以形象宴亦、方便地模擬各種儀器的面板，以各種形式（屏幕骤转、打印機啥闪、繪圖儀等）輸出試驗結(jié)果;用計算機軟件可以實現(xiàn)各種各樣的信號分析、處理锚蛀，完成多種多樣的測試功能曙悠，如巡檢、存儲核宿、變換烘韩，誤差校正、狀態(tài)選擇顾篡、數(shù)碼顯示室用，以及PID調(diào)節(jié)功能，所以虛擬儀器有自己的口號“The Software is the Instrument（軟件就是儀器）在竹。
　　通常在編制虛擬儀器的應(yīng)用軟件時可以采用兩種編程方法添瓷，一種是傳統(tǒng)的編程方法，采用高級語言值纱，如VC++鳞贷，VB，Delph等編程;另一種是采用現(xiàn)在流行的圖形化編程方法计雌，如用NI公司的Lab View或HP公司的VEE等編程。采用圖形化編程的優(yōu)勢是軟件開發(fā)周期短玫霎、編程容易凿滤，特別適合不具有專業(yè)編程水平的工程技術(shù)人員使用，在石化科研裝備軟件開發(fā)中具備較好的前景庶近。
　　3翁脆、一個具體的實例
　　孔隙度測量是巖心常規(guī)分析的一項重要任務(wù)，以往的孔隙度測量儀（氣體法）是在正壓下通過玻意耳-馬略特定律的應(yīng)用來進行測量的鼻种，存在著對巖樣形狀要求嚴格反番、誤差大等諸多缺點。我們利用虛擬儀器技術(shù)研制的NAP-I型孔隙度測量儀是在負壓下對規(guī)則及不規(guī)則巖樣自動進行孔隙度測量叉钥。圖3是該儀器的工作流程示意圖罢缸。

圖3 NAP—I型自動孔隙度儀流程
　　測孔隙體積時，開1码累，2譬椰，5踏蚓，6電磁閥，然后抽空至一定壓力關(guān)閥6姚不，由于大氣壓力的作用惫投，乳膠套將緊緊地包在巖心外表面上，待壓力平衡后衷玩，測出并記錄下此時的壓力P1蹬谁，然后打開閥4，等壓力平衡后盾倍，測出并記錄下此時壓力P2癞烈，由P1和P2值以及其它已知參數(shù)便可計算出巖樣的孔隙體積來。
　　測顆粒體積時炸诚，開3递市，5，6電磁閥碗屏，然后開真空泵抽真空至一定壓力唁情，關(guān)閉閥6，此時乳膠套處在自由狀態(tài)甫匹，待壓力平衡后甸鸟，測出并記錄下此時壓力為P3，再打開閥2兵迅，4抢韭，壓力平衡后，測出并記錄下此時壓力P4恍箭，由P3刻恭，P4值及其它已知參數(shù)便可計算出顆粒體積，由顆粒體積扯夭、孔隙體積便可計算出巖樣的孔隙度鳍贾。
　　該儀器由主體流程模塊、動力源模塊交洗、數(shù)據(jù)采集與控制模塊骑科、數(shù)據(jù)處理四大模塊組成，各模塊相互獨立构拳，軟件采用VB6.0 開發(fā)账菊，所有操作均通過計算機屏幕指示，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作耀奠，系統(tǒng)操作界面如圖4所示：

圖4 NAP-I型自動孔隙度儀測試界面
　　通過采用虛擬儀器技術(shù)册吹，明顯地可以看出該儀器的優(yōu)點：
　　1、由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，通用性強肢箕，穩(wěn)定性高诸恤，開發(fā)周期大大地縮短。
　　2牲支、所有測量均自動完成微惦，無需人工操作，減少了測試過程中的人為誤差窥血，測試精度高婶耕。
　　3、軟件界面形象豐富牢辣，操作方便赖厅，編程周期短，給人的感覺就象在操作儀器一樣晾咪。
四收擦、結(jié)束語
　　虛擬儀器技術(shù)作為一門新興的技術(shù)必然會隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地被人們所重視，同時越來越多的廠商也會看中虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域這一巨大的潛在市場谍倦，加入到虛擬儀器技術(shù)軟硬件產(chǎn)品的開發(fā)行列塞赂，可以預(yù)見，虛擬儀器技術(shù)也必將在石化科研裝備的開發(fā)和應(yīng)用上得到更為廣泛的普及和應(yīng)用昼蛀。
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