虚拟仪器技术在石化科研装备开发中的应用

摘 要：本文从虚拟仪器的特点入手，结合石化科研装备开发的特点，阐述了在石化科研装备开发中应用虚拟仪器技术的可行性和可发展性，并结合实例介绍了如何在石化科研装备开发中应用虚拟仪器技术。 关键词：虚拟仪器 科研装备 孔隙度仪 一、概述 　　虚拟仪器（Virtual Instruments）可理解为利用现有的计算机、配以特殊设计的仪器硬件和专用软件，由用户根据自己的需求设计的既有普通仪器的基本功能，又与传统仪器有着本质区别的新型仪器系统。传统仪器一般由仪器生产厂家将信号的采集与控制、信号的分析处理、结果的输出这三大功能模块全部以硬件（或固化的软件）加以固定，用户只能独立操作，使用仪器单一的功能。而对于测试参数多，测试参数不断变化的面向应用的系统，则虚拟仪器系统可满足其多种多样的应用需求。虚拟仪器的核心技术是计算机技术，它把仪器的各个功能模块全部放在计算机中实现，在计算机中插上数据采集与控制接口卡，用软件在计算机屏幕上生成仪器面板，用软件来进行信号的分析和处理，用计算机屏幕显示输出结果。总之，虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，它利用计算机丰富的软硬件资源大大突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、操作、显示和储存等方面的限制，有着其独到的特点，主要表现在： 　　（1）虚拟仪器克服了传统仪器只能完成对某个量的独立测量，它可以使各个测量值互相通信，实现信息共享，从而对被测各系统的综合分析、评估，得出准确判断。 　　（2）虚拟仪器系统可以面对复杂的被测系统而不必购买各种测试仪器，解决了传统仪器的硬件冗余、使用频率和效率低的状况。 　　（3）节省了系统开发和组建时间，虚拟仪器的硬件采用的是通用的硬件平台，对于新的系统及新的测试需求时，只需增加软件或增加一个通用模块即可实现。 　　（4）由于采用了通用模块和计算机软件来实现测量、处理，虚拟仪器系统具有更好的测量精度和抗干扰能力。 二、石化科研装备开发的特点 　　1、石化科研装备的应用领域 　　随着我国加入WTO，石油工业也步入了知识经济的新时代，我国也正积极地采用高新技术，合理地开发油气资源。石化科研装备的开发正是为了科学地认识油藏、了解油藏特性、进行定量化描述，并通过油藏的评价和油藏开发的可行性研究优化油藏开发方案的一种有效手段，它包含了对油层物理的基本物理性质测试，专项分析测试以及地层流体高压物性分析测试。 　　2、石化科研装备开发的特点 　　早期，石化科研装备都是手工操作，人工计量，指针读数，只能进行单项测试，随着六、七十年代电子工业的迅速发展，各种电子器件、传感器相继问世，促进了石化科研装备的自动化、计算机化、测试精度不断提高、模拟条件进一步深化，整个装备向高温、高压、模块化、多功能化发展。但是，由于石化科研装备的生产批量小，又经常要根据用户及特殊区域的具体要求进行设计，因此造成我国在石化科研装备的开发上仍与国外有较大的差距。 　　3、目前石化科研装备开发的模式及弊端 　　目前，我国石化科研装备的开发虽然摆脱了六、七十年代完全依赖进口的局面，正在积极进向国产化推进，随着国内科技人员对传感器技术、电子技术、计算机技术的逐步深入和研究，特别是进口仪器成本高、维修及配件困难，而且在操作方法和技术方面也不完全适合于我国的具体情况，因此广大的石化开发人员和石化工程技术人员正在积极并已经开发出了大量的石化科研装备来指导科研和生产，一般遵循如下模式： 　　首先由现场及试验人员提出试验需求，根据生产和科研的需要提出待测参数。 　　其次由产品开发人员与试验人员共同商讨试验项目的可行性，根据国内相关技术拿出开发方案。 　　最后产品开发人员设计整个装置的试验流程、数据采集与控制系统、数据分析与处理系统以及试验结果的表达。 　　鉴于以上模式，产品开发中不可避免存在以下弊端：（1）每一个产品的开发都必须遵循以上模式，哪怕不同区域不同用户的需求只有微小的差别;（2）每种产品具有大量的相同（相似）之处，导致了大量的重复性劳动;（3）用户完成某种测试后，需进行一些新的项目试验，用户无法更改，只能重新订制仪器和装备，造成大量的资金浪费，投入的大量的人力、物力、财力无法充分利用。 三、虚拟仪器技术在石化科研装备中的应用 　　1、可行性及可发展性 　　近年来虚拟仪器技术在石化行业，特别是在石化科研装备开发上的应用发展非常快，自1995年以来我国引进的石化科研装备基本上都采用了虚拟仪器技术，但由于我国对该技术还不太了解，因而只感觉到国外的仪器软件美观，使用变得更加方便，而没有觉察到它在测控技术上的变化。特别是目前我国正处于竞争激烈的市场经济潮流中，作为科研部门，需要利用最新的技术，最好的手段，最低的成本多出成果，出好成果;作为生产、制造部门，需要尽快开发出新产品，利用最低的成本，最高的效率，尽快把新产品推向市场。同时，一个好的开发工具，一种高效的开发手段是必不可少的。无论是科研开发，还是产品检测，产品质量控制都离不开有效的检测手段。虚拟仪器技术可以有效的达到以上要求，具有可行性和可发展性。 　　2、如何在石化科研装备中应用虚拟仪器技术 　　根据我们多年从事石化科研装备开发的经验和对虚拟仪器技术在产品开发中的应用，我们认为，要想科学、有效地利用好虚拟仪器这门技术，必须解决好以下三个方面的问题： 　　（一）模块化问题 　　目前，我国石化科研装备绝大部分属于非标产品，产品的通用性和互换性较差，产品的标准化为时尚早，要想充分利用虚拟仪器技术，解决传统模式中存在的问题，因此首先要模块化，就是将各个不同的单元尽量独立，使之能够应用于不同的场合，例如石化科研装备中的动力驱动模块、模拟油藏环境模块、参数测量与控制模块、数据采集与控制模块、数据处理模块等。因此，采用模块化独立设计，模块耦合设计是虚拟仪器应用的基础。 　　（二）硬件问题 　　前面提到，任何仪器都是由三大功能模块构成的，作为数据采集与控制部分，按目前石化科研装备开发的应用形式，可以总结为数据采集与控制系统的基本构成如图1： 图1 数据采集与控制系统构成 　　对于一般的数据采集与控制系统，一般按如下框图实现，如图2 图2 数据采集控制系统框图 　　目前，由于集成电路技术、计算机技术的迅速发展，使得不断更新的数据采集板卡能够有效保证石化科研装备的性能、精度及可靠性，并为广大科研和工程技术人员建立功能灵活，性能价格比高的数据采集与控制系统提供了良好的解决方案。 　　（三）软件开发平台 　　可以设想，如果把计算机技术和仪器技术结合起来，将仪器三大功能块的后面两块，即信号的分析处理、结果的表达与输出放到计算机上实现。用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器的面板，以各种形式（屏幕、打印机、绘图仪等）输出试验结果;用计算机软件可以实现各种各样的信号分析、处理，完成多种多样的测试功能，如巡检、存储、变换，误差校正、状态选择、数码显示，以及PID调节功能，所以虚拟仪器有自己的口号“The Software is the Instrument（软件就是仪器）。 　　通常在编制虚拟仪器的应用软件时可以采用两种编程方法，一种是传统的编程方法，采用高级语言，如VC++，VB，Delph等编程;另一种是采用现在流行的图形化编程方法，如用NI公司的Lab View或HP公司的VEE等编程。采用图形化编程的优势是软件开发周期短、编程容易，特别适合不具有专业编程水平的工程技术人员使用，在石化科研装备软件开发中具备较好的前景。 　　3、一个具体的实例 　　孔隙度测量是岩心常规分析的一项重要任务，以往的孔隙度测量仪（气体法）是在正压下通过玻意耳-马略特定律的应用来进行测量的，存在着对岩样形状要求严格、误差大等诸多缺点。我们利用虚拟仪器技术研制的NAP-I型孔隙度测量仪是在负压下对规则及不规则岩样自动进行孔隙度测量。图3是该仪器的工作流程示意图。 图3 NAP—I型自动孔隙度仪流程 　　测孔隙体积时，开1，2，5，6电磁阀，然后抽空至一定压力关阀6，由于大气压力的作用，乳胶套将紧紧地包在岩心外表面上，待压力平衡后，测出并记录下此时的压力P1，然后打开阀4，等压力平衡后，测出并记录下此时压力P2，由P1和P2值以及其它已知参数便可计算出岩样的孔隙体积来。 　　测颗粒体积时，开3，5，6电磁阀，然后开真空泵抽真空至一定压力，关闭阀6，此时乳胶套处在自由状态，待压力平衡后，测出并记录下此时压力为P3，再打开阀2，4，压力平衡后，测出并记录下此时压力P4，由P3，P4值及其它已知参数便可计算出颗粒体积，由颗粒体积、孔隙体积便可计算出岩样的孔隙度。 　　该仪器由主体流程模块、动力源模块、数据采集与控制模块、数据处理四大模块组成，各模块相互独立，软件采用VB6.0 开发，所有操作均通过计算机屏幕指示，通过鼠标或键盘操作，系统操作界面如图4所示： 图4 NAP-I型自动孔隙度仪测试界面 　　通过采用虚拟仪器技术，明显地可以看出该仪器的优点： 　　1、由于系统采用了模块化设计，通用性强，稳定性高，开发周期大大地缩短。 　　2、所有测量均自动完成，无需人工操作，减少了测试过程中的人为误差，测试精度高。 　　3、软件界面形象丰富，操作方便，编程周期短，给人的感觉就象在操作仪器一样。 四、结束语 　　虚拟仪器技术作为一门新兴的技术必然会随着科学技术的发展而不断地被人们所重视，同时越来越多的厂商也会看中虚拟仪器技术领域这一巨大的潜在市场，加入到虚拟仪器技术软硬件产品的开发行列，可以预见，虚拟仪器技术也必将在石化科研装备的开发和应用上得到更为广泛的普及和应用。 参考文献： 　　[1] 李晓东：我国岩心分析仪器的发展与展望，石油仪器，第15卷，第4期，2001年。 　　[2] 胡生清等：未来的仪器仪表—虚拟仪器，自动化与仪表，第15卷，第4期 ，1999年。 　　[3] 王为民等：浅谈虚拟仪器技术及其在石油科学仪器中的应用，石油仪器，第15卷，第4期，2001年。

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