基于组态技术的天然气水合物实验装置数据采集与处理系统.pdf

2 0 1 5年第 1卷第 2期 石 油管材 与仪器 P ETRoLEUM TUB ULAR GOODS I NS TRUM ENTS 6 5 仪器设备与应用 基于组态技术的天然气水合物实验装置 数据采集与处理系统 向 军 马雪莉 1 ． 中国石油大学 华东 机电装备教学实习总厂山东东营2 5 7 0 6 1 ； 2 ． 中国石油大学 华东 信息与控制工程学院山东青岛2 6 6 5 5 5 摘 要 文章根据冻土区天然气水合物实验装置流程及其功能， 设计 了基于组态技术的数据采集与处理系统。系统采用泓格模 块和 R S 一 4 8 5通讯构建数据采集系统硬件 ， 上位机使用力控组态软件对采集的数据进行实时监控与处理。实验表明该系统能够有 效、 准确的采集数据并在上位机实时监控各点参数， 功能齐全且人机界面友好。 关 键 词 泓格模块； 力控组态软件 ； 数据采集 中图法分类号 T P 2 7 4 ． 2 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 6- 0 0 7 7 2 0 1 5 0 2 0 0 6 5 0 4 Da t a Ac q u i s i t i o n a n d Pr o c e s s i ng S y s t e m o f Na t u r a l Ga s Hy d r a t e Ex p e r i m e n t Ba s e d o n Co n fig u r a t i o n Te c h n o l o g y XI ANG J u n MA Xu e l i 1 ． P e t r o l e u m I n d u s t r y T r a i n i n g C e n t e r ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， D o n g y i n g ， S h a n d o n g 2 5 7 0 6 1 ， Chi n a ； 2 ． C o l l e g e ofI n f o r m a t i o n a nd C o n t r o l E n g i n e e r i n g， Chi na U n w e n i t y ofP e t r o le u m， Q i n g d a o ， S h a n d o n g 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e p r o c e s s a n d f u n c t i o n o f e x p e r i me n t d e v i c e o f n a t u r a l g a s h y d r a t e s i n p e r ma f r o s t z o n e s ， a d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m b a s e d o n c o n f i g u r a t i o n t e c h n o l o g y i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r ． I t u s e s I C P DAS mo d u l e s a n d R S一4 8 5 c o mmu n i c a t i o n t o b u i l d h a r d wa r e o f t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m， a n d u p p e r p r o c e s s o r U S e S f o r c e c o n t r o l c o n f i g u r a t i o n t o r e a l t i me mo n i t o r a n d p r o c e s s t h e d a t a ． T h e e x p e ri me n t s h o ws t h a t t h e s y s t e m c a l l c o l l e c t d a t a e f f e c t i v e l y a n d a c c u r a t e l y a n d mo n i t o r p a r a me t e r s i n t h e u p p e r p r o c e s s o r i n r e al t i me ． I t h a s a b u n d a n t f u n c t i o n s a n d k i n d i n t e r f a c e ． Ke y wo r dI CP DAS mo d u l e s ，f o r c e c o n t r o l c o n f i gu r a t i o n，d a t a a c q u i s i t i o n 0 引 言 天然气水合物 N a t u r a l G a s H y d r a t e 是由天然气和 水在高压低温条件下生成的类冰状的结晶物质， 主要分 布于深海沉积物及陆地 的永久冻土中。一方面天然气 水合物是一种具有重要开发价值的新能源并且其在地 球上的储量极为丰富， 另一方面存在于 自然界中的甲烷 气体是一种温室气体， 将甲烷气体转化为天然气水合物 对于应对全球气候变化也起着关键性的作用⋯ 。通过 天然气水合物的实验装置能够对其勘探开发前的物理 化学性质进行深入研究分析， 从而为天然气水合物工业 开发提供理论与技术支撑。本文针对冻土区天然气水合 物实验装置， 设计了一套基于泓格模块和力控组态软件 的数据采集与处理系统， 实现了数据的采集与处理功 能， 从而为天然气水合物的研究提供基础。 1 冻土 区天然气水合物实验装置 目前 ， 多孔介质合成天然气水合物的方法多为直接 合成水合物法 ， 开采天然气水合物的主要方法有热激发 开采法、 减压开采法、 注入化学试剂开采法和 C O 置换法 等。本套冻土区天然气水合物实验装置用于模拟冻土 区裂隙介质中的水合物生成和开采， 主要针对 c 0 ／ N 置 第一作者简介 向军 ， 男 ， 1 9 7 2年生， 硕士 ， 工程师， 1 9 9 4年毕业于中国石油大学 华东 ， 现在中国石油大学 华东 机电装备教学实习总 厂工作 ， 研究方向为岩心物性分析仪器研制和新能源 天然气水合物、 煤层气 开发工艺及设备研制。E - m a i l x i a n g j u n u p c 1 6 3． c o rn 6 6 石油管材与仪器 P E T RO L E U M T U B UL A R Goo DS I NS T R U ME N T S 2 0 1 5年 4月 换开采进行实验研究 ， 也可进行降压开采和注热开采实 验研究等。实验装置流程图如图 1 所示。 图 1 实验装 置流程 图 1甲烷气瓶 ； 2二氧化碳 气瓶 ； 3氮气 气瓶 ； 4减压 阀； 5二 氧化碳质 量流量控制器 ； 6氮气气体质 量流量控制器 ； 7混合罐； 8增压泵 ； 9截止 阀； 1 1压 力表 ； 1 3液 态二 氧化 碳储罐 ； 1 5加 热带 ； 1 7平 流泵 ； 1 8制冷 机 ； 1 9中间容器； 2 0安全 阀； 2 1预热罐 ； 2 2压力传 感器 ； 2 3； 盘管 ； 2 4实 验模型 ； 2 5片状 电极 ； 2 6压 力传感器； 2 7温度传感 器； 2 8多通道切换装 置 ； 2 9回压 器 ； 3 0气液 分 离器； 3 1干燥 筒 ； 3 2流量 计； 3 3信 号采 集模 块 ； 3 4计算机 ； 3 5气相 色谱4 ； 3 6真空泵； 3 7手动 围压 泵 系统中实验模型单元为核心元件， 放置于温度模拟 系统中。实验模型上分别布置 5组电阻率测量片状电 极、 5 个温度传感器和5 个压力传感器。在设定温度下， 由稳压供气单元向模型内注入实验气体 ， 稳压供液单元 向模型内注入液体 ， 从而进行水合物的生成及分解实 验。气体和液体均可以进行精确定量地注入， 并在整个 过程检测温度 、 压力和电阻率的变化 ， 从而可以定量地 分析水合物生成和分解的情况。 2 数据采集与处理系统硬件设计 2 ． 1 数据采集系统功能 根据实验装置的功能及要求 ， 系统需要实现以下功 能 一是采集实验所需模拟量， 二是为了避免实验时实 验模型上的五组片状电极之间相互干扰， 需要对片状 电 极通路进行控制 ， 从而保证在同一时间只有一组片状 电 极工作。 2 ． 2硬件 选型 根据数据采集系统功能 ， 选用泓格 I 一 7 0 0 0系列模 块实现数据的采集与控制。泓格模块为台湾泓格科技 公司开发的工业控制产品。泓格模块采用 的通讯方式 为 R S 一 4 8 5通讯， 能够远距离传输。所有的模块仅需一 根数据线即可连接起来。模块具有较高的通信速率， 能 够实现参数的实时监测。泓格模块还具有智能化、 强抗 干扰性和双看 门狗安全设计， 使得系统的可靠性增强。 用户只需设定所用模块的地址即能在软件中读 出数据 ， 这样的设计使软件设计变得更加容易 。 该数据采集系统 的结 构图如 图 2所示。泓格 I 一 7 0 1 7模块是 8通道模拟量输入模块， 1 6位分辨率 ， 主要 用于工业现场或其他分布式数据采集。在本系统 中， 共 采集包括压力、 温度、 流量、 电压和电流在内的2 0个模拟 量。泓格 I 一 7 0 6 7模块是 7通道继 电器输出模块， 继 电 器吸合时间为 5 m s 。在本系统中， 泓格 I 一 7 0 6 7模块用 于控制 5 组片状电极通路的通断， 每组片状电极使用两 个通道控制。泓格 I 一 7 0 4 5 模块为 l 6路隔离 0 S门输出 模块。此模块的作用是通过控制电磁阀的通断从而控 制气驱增压泵的输出压力。以上模块均为 R S一4 8 5通 讯。泓格 I 一 7 5 2 0 R S一 2 3 2 ／ R S一 4 8 5转换模块将上述 R S 一 4 8 5信号转换为 R S 一 2 3 2 信号传给工控 P C机， 从而实 现系统数据显示与处理功能。 图 2 数据采集 系统结构图 3 数据采集与处理系统软件设计 上位机软件主要实现以下功能 一是实时显示各点 参数 ， 实现人机对话； 二是实时采集现场数据， 经过计算 处理 ， 完成数据报表、 实时曲线图显示， 同时生成数据库 格式文件 ， 以便后期查询。 本文采用力控组态软件进行 开发。力控监控组态 软件是一款采集现场数据并对其 中某些过程加以控制 的工业专用组态软件 ， 它为用户提供了良好的用户开发 环境和简便的实现方法， 并且能够实现与国内外大部分 的工业控制设备进行通讯， 通过与工控机和工业 网络系 统的高度结合 ， 从而实现监控和集中管理的功能 。 3 ． 1组态 界面 按照组态软件要求实现的功能， 共创建八个界面， 分别为 主界面、 传感器校零、 实验名称、 重名提示、 实验界 面、 流程图、 存储设置及数据报表界面， 其结构如图3 所示。 图 3软件结构 图