一種基于pxi控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于海洋石油機械技術領域，用于浮式海洋鉆井平臺(船)，涉及一種基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]在海洋石油勘探過程中，浮式鉆井平臺(船)在風、浪、涌、流的作用下將產(chǎn)生較大幅度的周期性的升沉運動，帶動鉆柱上下往復運動引起井底鉆壓的變化，甚至使鉆頭脫離井底影響鉆進的效率，降低鉆頭和鉆桿壽命，產(chǎn)生操作的安全隱患；在惡劣海洋天氣下，由于升沉幅度過大，甚至導致無法鉆進和被迫停工，造成了重大的經(jīng)濟損失。為了減少停工期，保證正常工況下的鉆進作業(yè)，浮式鉆井平臺(船)必須對鉆柱的升沉運動采取適當?shù)难a償措施。
[0003]現(xiàn)有的升沉補償裝備，以消耗能量小，占地面積小，利于安裝的被動升沉補償為主，但被動補償?shù)难a償性能不穩(wěn)定，滯后比較大，難以滿足鉆井平臺(船)在較惡劣海況條件下安全鉆進作業(yè)的工程實際需求。因此，抗干擾能力強、適應性好、補償精度高、補償性能穩(wěn)定、但需要額外能量輸入的主動升沉補償?shù)难芯咳找媸艿街匾暋?br>[0004]大部分的主動式升沉補償裝置的計算機控制系統(tǒng)，采用PLC作為工控機，雖然PLC控制器抗干擾能力強，工業(yè)性能穩(wěn)定，但仍有不可忽視的缺點:高速多通道數(shù)據(jù)采集能力差，不能進行復雜的控制算法實現(xiàn)和信號處理，不能實現(xiàn)精確定時，實時性差，導致控制對象的嚴重延遲性，削弱了主動補償?shù)男Ч?br>【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的是提供一種基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術中存在的高速多通道數(shù)據(jù)采集能力差，不能進行復雜的控制算法實現(xiàn)和信號處理，不能實現(xiàn)精確定時，實時性差，導致控制對象嚴重延遲性的問題。
[0006]本實用新型所采用的技術方案是，一種基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，包括PXI控制器，實時控制器的輸入端通過信號采集單元與慣性測量單元連接；PXI控制器的輸出端通過信號輸出單元與升沉補償執(zhí)行機構控制連接。
[0007]本實用新型的基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，其特征還在于:
[0008]慣性測量單元包括加速度傳感器及位移傳感器。
[0009]信號采集單元為具有數(shù)字輸入和模擬輸入功能的數(shù)據(jù)采集卡。信號輸出單元為具有數(shù)字量輸出和模擬量輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡。
[0010]PXI控制器中預置有加速度信號積分模塊，實現(xiàn)加速度信號到速度信號、位移信號的轉換。
[0011]本實用新型的有益效果是，體現(xiàn)在以下幾個方面:
[0012]1)安裝有實時操作系統(tǒng)的PXI控制器是本實用新型的核心，這種實時操作系統(tǒng)對需要嚴格時間要求的關鍵型應用進行優(yōu)化，將多個程序模塊分配為不同的執(zhí)行優(yōu)先級，使得優(yōu)先級高的優(yōu)先執(zhí)行，不被其他模塊的執(zhí)行打斷，從而保證控制的實時性，實現(xiàn)了精確定時和高可靠性，符合海洋石油設備的控制要求。這是相比于沒有安裝該操作系統(tǒng)的控制器(如PLC)最大的優(yōu)勢。2)該系統(tǒng)開發(fā)了加速度信號軟件積分模塊，代替了昂貴的硬件積分模塊。3)該系統(tǒng)允許多個數(shù)據(jù)采集卡的同步高速采集和輸出，且通道數(shù)量眾多，這是其他控制器(如PLC)不具備的。4)該系統(tǒng)的軟件部分允許用戶嵌入復雜的控制算法，可拓展性很強，有利于相關升沉補償裝置控制的技術升級。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型系統(tǒng)的結構示意圖；
[0014]圖2為本實用新型的PXI控制器的控制過程示意圖；
[0015]圖3為本實用新型的加速度信號積分模塊4的算法流程示意圖。
[0016]圖中，1.慣性測量單元，2.信號采集單元，3.PXI控制器、4.加速度信號積分模塊、
5.信號輸出單元，6.升沉補償執(zhí)行機構。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細說明。
[0018]如圖1所示，本實用新型的結構是，包括作為核心的PXI控制器3，PXI控制器3安裝有實時操作系統(tǒng)，即在PXI控制器3中預置有加速度信號積分模塊4，實現(xiàn)加速度信號到速度信號、位移信號的轉換；實時控制器3的輸入端通過信號采集單元2與慣性測量單元1連接，慣性測量單元1用來測量平臺(船)的升沉運動加速度信號和升沉補償執(zhí)行機構的反饋位移信號；信號采集單元2通過數(shù)采卡采集數(shù)字量(DI)和模擬量(AI)的信息；PXI控制器3的輸出端通過信號輸出單元5與升沉補償執(zhí)行機構6控制連接，信號輸出單元5負責輸出控制信息，控制信息包括數(shù)字量輸出(D0)和模擬量輸出(A0)兩大類，這些控制信息將對升沉補償執(zhí)行機構的相關控制元件施加控制命令，實現(xiàn)相應的動作。
[0019]其中，PXI控制器3安裝了實時操作系統(tǒng)，具有通訊和實時控制功能。
[0020]慣性測量單元1包括加速度傳感器及位移傳感器；
[0021]信號采集單元2為具有數(shù)字輸入(DI)和模擬輸入(AI)功能的數(shù)據(jù)采集卡；
[0022]信號輸出單元5為具有數(shù)字量輸出(D0)和模擬量輸出(A0)功能的數(shù)據(jù)采集卡。
[0023]本實用新型的控制方式是，
[0024]如圖1所示，首先，慣性測量單元1中的加速度傳感器實時采集平臺(船)升沉的加速度信號，位移傳感器實時采集升沉補償執(zhí)行機構的位移信息，這些信息和其他采集的外部數(shù)據(jù)(如限位開關、接觸開關等數(shù)字量，溫度、壓力等模擬量信息)，一起通過信號采集單元2中的(D1、AI)數(shù)據(jù)采集卡進入到PXI控制器3中，它的主要職能是數(shù)據(jù)處理和發(fā)出實時控制指令。接著，PXI控制器3內(nèi)部預置的加速度信號積分模塊4，代替昂貴的硬件積分，利用數(shù)字積分的軟件算法將加速度信號積分，得到平臺(船)升沉的位移信息。這些位移信息既可以輸入到PXI控制器3的控制算法，也可以通過信號輸出單元5在顯示器上進行實時顯示。最后，PXI控制器3經(jīng)過內(nèi)部的控制算法實現(xiàn)，輸出控制指令，通過信號輸出單元5 (D0、A0)，控制升沉補償執(zhí)行機構6上下運動，抵消平臺(船)的升沉運動。
[0025]實施例1
[0026]信號采集單元2中的數(shù)采卡選用PX1-6511、PX1-6232、PX1-6238數(shù)采卡，PXI控制器3選用PX1-8511的NI控制器，信號輸出單元5選用PX1-6512、PX1-6232數(shù)采卡。
[0027]如圖2所示，當平臺(船)隨波浪上升時，安裝在平臺(船)的加速度傳感器采集的加速度信號通過信號采集單元進入PXI控制器3，PXI控制器3中的加速度信號積分模塊4得到平臺升沉的位移信號，并與位移傳感器實時采集的升沉補償執(zhí)行機構的位移信息進行比較，二者之和為:ΔΧ = χι-χ2，將差值和設定值進行比較，經(jīng)數(shù)字PID算法后，通過信號輸出單元5 (A0、D0)的數(shù)采卡輸出控制指令?？刂浦噶钤俳?jīng)過一系列的放大等處理，控制升沉補償執(zhí)行機構6向下運動，抵消平臺(船)隨波浪上升的位移。
[0028]如圖3所示，PXI控制器3中預置的加速度信號積分模塊4，具體流程為以下方式，
[0029]1)加速度傳感器實時采集平臺升沉的加速度信號；
[0030]2)采集到的加速度信號進入振動信號軟件積分單元1，首先去除直流分量，消除一次趨勢項；
[0031]3)去除直流分量的加速度信號經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)得到加速度離散傅里葉頻譜(DFT頻譜);
[0032]4)因為平臺升沉運動是低頻運動，故設置合適的頻域截止頻率，將高頻信號的頻率直接置零；
[0033]5)經(jīng)過頻率濾除的DFT頻譜，除以自身的頻率得到速度離散傅里葉頻譜(DFT頻譜)；除以自身頻率的平方，得到位移離散傅里葉頻譜(DFT頻譜)；
[0034]6)分別將得到的兩種DFT頻譜，經(jīng)過快速傅里葉逆變換(IFFT)，得到平臺升沉的速度時域信號和位移時域信號，這些信號有兩種用途，用來進入控制器參與控制算法的實現(xiàn)；用來通過模擬輸出通道(A0)在顯示器上顯示。
【主權項】
1.一種基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，其特征在于:包括PXI控制器(3)，實時控制器(3)的輸入端通過信號采集單元(2)與慣性測量單元(1)連接；PXI控制器(3)的輸出端通過信號輸出單元(5)與升沉補償執(zhí)行機構(6)控制連接。2.根據(jù)權利要求1所述的基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，其特征在于:所述的慣性測量單元(1)包括加速度傳感器及位移傳感器。3.根據(jù)權利要求1所述的基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號采集單元(2)為具有數(shù)字輸入和模擬輸入功能的數(shù)據(jù)采集卡；所述的信號輸出單元(5)為具有數(shù)字量輸出和模擬量輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡。4.根據(jù)權利要求1所述的基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，其特征在于:所述的PXI控制器(3)中預置有加速度信號積分模塊(4)，實現(xiàn)加速度信號到速度信號、位移信號的轉換。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于PXI控制器的主動升沉補償測控系統(tǒng)，包括PXI控制器，實時控制器的輸入端通過信號采集單元與慣性測量單元連接；PXI控制器的輸出端通過信號輸出單元與升沉補償執(zhí)行機構控制連接。本實用新型的系統(tǒng)，確保了控制的精確定時和高可靠性，采用多通道的高速數(shù)據(jù)采集設備，確保了信號輸入和輸出的及時性，主動補償?shù)目煽啃院谩⒎€(wěn)定性高。
【IPC分類】G05B13/02
【公開號】CN205091549
【申請?zhí)枴緾N201520858643
【發(fā)明人】何慶, 于興軍, 張強, 朱永慶, 樊勇利
【申請人】寶雞石油機械有限責任公司
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年10月30日