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作者：賈宏宇
職務：項目經理
公司：大慶油田測試技術服務分公司
應用領域：
研究和開發
使用的產品：
PCI-6070E； PCI-6024E； PCI-6534； PCI-6533； PCI-6602； PCI-6601； Measurement Studio
6.0；
挑戰：
使用標準工業數據采集產品設計并開發石油測井行業特有的以等深度（位移）間隔觸發和控制為核心的對直流信號、脈沖信號、數字信號等多種信號進行同步、高速和實時數據采集與控制的測井數據采集和控制系統。
應用方案：
深度開發 NI PCI-6602，產生控制系統采集的等距和定時觸發信號，并實現系統深度的高精度測
量；充分開發和利用 NI 數據采集卡的 RTSI 功能并結合其 DMA 傳輸模式，實現 Windows 環境下的直流、脈沖、數字信號的高速、實時、同步采集和處理。
介紹：
測井數據采集控制系統是用于對各種置于地層中的井下儀器產生的信號進行采集、處理并對井下儀器進行控制的油田基礎測控設備。由于專業性極強，以往系統中的數據采集及控制單元通常是以自我設計為主，因此導致系統的開發周期長、成本高、穩定性較差�，F在，我們硬件使用National Instruments 公司的數據采集卡，軟件使用 VC++結合 Measurement Studio 軟件包，實現了測井數據采集和控制單元的基于標準工業數據采集產品的設計與開發，大幅度的降低了系統的開發和維護成本，縮短了系統的開發周期，提高了系統的穩定性和可靠性。目前這套系統已制造 20 余套，成功應用于全國各大油田，取得了可觀的經濟效益。
系統原理
測井數據采集控制系統主要由工控機、NI通用數據采集卡、信號調理模塊、繪圖儀、綜合控制箱、直流電源、交流電源、UPS電源、示波器等構成。系統原理框圖如圖 1。
圖 1 系統原理圖
主機 1 主要用于系統的數據采集、處理和控制。繪圖儀用于測井曲線實時出圖。深度信號調理模塊對光電編碼器信號及其它井口信號進行調理，并控制深度顯示；數字信號調理模塊用于配接各類編碼（例如，曼徹斯特編碼）傳輸的井下儀器，如雙源距 C/O 能譜測井儀、脈沖中子氧化化測井儀等；脈沖信號調理模塊主要配接采用脈沖、周期信號傳輸的井下儀器以及各種脈沖編碼類型的儀器。如：井壁超聲成像測井儀等；直流信號調理模塊主要配接采用直流量、低頻模擬信號傳輸的井下儀器。直流電源為井下儀器提供直流供電、交流電源為井下儀器提供交流、泵、閥、繼電器和釋放器的供電。綜合控制箱負責完成纜芯切換、供電控制。UPS 電源用以保證在停電或外部供電不正常時，維持一段時間的供電，以免測井數據因得不到及時存儲而丟失。以上各單元統一安裝到兩組19英寸標準機柜中。關于信號的流程，從圖 1 中可以看出。我們把進入數據采集控制系統的信號歸結為兩類：井口信號和井下信號。井口信號來自井口和電纜絞車，它包括電纜張力信號、電纜磁記號和深度系統的光電編碼信號。井下信號是指來自井下儀器的信號。來自井下儀器的感應型或脈沖型信號、深度系統的兩路光電編碼信號、井口的張力信號及電纜磁記號，通過電纜線進入采集箱內的深度調理模塊、脈沖信號調理模塊或直流信號調理模塊，經過調理后，輸出到NI數據采集卡。井下儀器編碼信號經過綜合控制電路的分離及預處理后通過電纜線進入到數字信號調理模塊，進行信號調理、解碼。解碼后的信號同樣輸出到NI數據采集卡。NI數據采集卡控制數據采集的方式、采樣的間隔，同時實現對脈沖信號、直流信號和數字信號的實時采集，采集到的數據以 DMA方式傳給主機內的數據緩沖區，由系統軟件按不同的采樣方式控制數據的顯示、處理、打印和存盤。
數據采集方案設計
測井數據采集控制系統設計的核心是其數據采集方案設計。數據采集方案設計主要由系統深度數據采集和深度中斷管理方案設計；多路復合信號實時同步采集方案設計；復雜編碼格式數字信號高速傳輸與采集模式設計；直流信號高精度采集方案設計；系統狀態及井下儀器控制方案設計等構成。由于專業性極強，以往系統中的數據采集及控制單元通常是以自我設計為主，因此系統的開發周期長、成本高、而且穩定性較差，并經常導致使用過程中，系統死機、深度測量不準等問題的出現，使系統的維護成本成倍增長，同時由于技術水平的限制，自己開發的系統只能配接一些信號類型簡單和傳輸速率低的井下儀器，不具備多路信號實時同步采集以及高速傳輸的數字信號采集和處理能力。為了克服現有系統的缺陷，我們在充分調研和試用各大公司的數據采集產品的基礎上，選擇了 NI 公司生產的系列數據采集卡和Measurement Studio 軟件開發包，經過對 NI各個采集卡的仔細研究和深度開發，我們僅用了３個月的時間就完成了過去需要２年以上的系統核心設計，并在業界首次實現了全部基于標準工業數據采集產品的測井數據采集控制系統設計，同時使系統在采樣精度，深度控制，采集速度等主要技術指標上得到了全面的大幅度的提升。
（1）系統深度數據采集和深度中斷管理方案設計：
系統深度模塊是該系統中行業性最強的一個模塊，它需要對正交光電編碼器信號進行測量，得到系統當前的深度數據，同時它還要根據當前的深度數據生成用于同步各信號采集的深度等距觸發信號。例如，在光電編碼器順時針轉動時，每隔固定位移間隔（例如 5 cm） 產生一個觸發信號，這個觸發信號通知系統對所有測量信號進行采集，如果系統光電編碼器突然反方向轉動，則不產生觸發信號，系統不做任何采集，從而使系統只按照單方向等位移的狀態采集數據。此外，該模塊還要具備對正交光電編碼信號防抖動，防滑動處理的功能。在系統開發過程中，我們發現 NI PCI-660X 系列產品的用戶手冊上沒有實現該工作模式的基本功能。為了實現該功能，我們經過深入研究和開發，通過利用 PCI-6602 處理光電編碼器信號的計數器通道所能生成的某種特殊狀態信號，同時結合其它計數器通道的脈沖生成功能，最終生成了我們所需要的連續的深度等距觸發信號。在最終的產品設計中我們利用 PCI-6602的 5個計數器通道通過程序初始化控制實現了這個功能。這是我們首次通過使用標準工業數據采集卡實現深度數據的精確讀取和觸發信號的定距輸出，它為整個系統得成功研制奠定了堅實的基礎。
（2）多路復合信號實時同步采集方案設計：
測井數據采集系統通常需要根據定距或定時觸發信號對多路直流信號、脈沖信號和數字信號進行實時同步測量。這就需要系統保證對多個采集卡間以及同一采集卡內部的多個測量通道間的數據采集的同一性和實時性，否則得到的數據就不能反映井下儀器在地層中真實狀況。我們采用具有RTSI（實時同步接口）總線的 NI 6070E 或 NI6024E 用于直流信號的測量，PCI-6602 或 PCI-6601 用于脈沖信號和深度信號的測量，PCI-6534 或 PCI-6533 用于數字信號的測量。系統中任何一塊卡都可以根據工作模式的不同作為主卡來生成同步觸發信號或用作從卡來接收同步觸發信號。我們把主卡產生的同步觸發信號加載到RTSI 總線上，由RTSI來同步其它從卡上的各個測量通道的數據采集，各塊采集卡采集到的數據都以 DMA 方式傳給主機內各自的數據緩沖區。由于整個觸發和采集過程都是由系統硬件獨立控制完成的，使得各個測量通道的采集延時可以控制在納秒級。所有采集卡都采用DMA模式傳輸數據，這與以往系統多采用中斷模式相比，極大的提高了系統工作效率。 通過 RTSI 總線我們把原來需要通過系統軟件輪詢依次讀取各通道數據的工作方式轉變成通過初始化各個采集卡的工作狀態，然后由各采集卡（即系統硬件）的RTSI來控制采集的同步。這種工作方式的轉變，不但降低了系統負荷，而且使系統測量的同步性和實時性得到了顯著提高。這也是我們選用 NI 公司數據采集卡來實現系統數據采集的一個重要原因。
（３）復雜編碼格式數字信號高速傳輸與采集模式設計：
由于測井儀器種類繁多，一個設計合理的測井系統，必須考慮能與不同編碼格式的井下儀器配接使用。 由于 PCI-6534 通常情況下具有 40MS/s 的采樣率， 我們在系統設計中，充分開發 PCI-6534的 Pattern I/O 功能，實現了復雜高速傳輸的數字的采集和解碼，同時根據井下儀器的特點，可以把調理模塊觸發PCI-6534 的信號加載到 RTSI 總線上，以同步系統深度和其它數據的采集，也可以通過 RTSI 總線把定距或定時觸發信號加載到 PCI-6534 上，以控制數字信號的采集模式。PCI-6534 與系統前端數字信號調理模塊配合使用，使系統具備了配接各種傳輸速率高、編碼協議復雜的測井井下儀器的能力。
（４）直流信號高精度采集方案設計：
有些測井儀器上傳的信號中，既有直流量也有脈沖量還有數字量，而且其直流量的采樣頻率一般要求達到1MS/ s。采集系統除了要完成井下儀器直流信號的高速采集外還要以定時或定距的模式和較低的采樣率采集其它直流信號和脈沖信號。我們在設計中，通過對NI 6070E、 PCI-6024E、 PCI-6602、 PCI-6534這四塊卡綜合編程控制，采用多通道多次復合同步觸發技術，同時充分開發 PCI-6534的數字信號模式觸發控制技術，實現了定時或定距觸發條件下以高采樣率采集井下儀器的直流信號，同時以低采樣率采集井下儀器的脈沖信號、井口的直流信號和數字信號的工作模式。這是整個測井數據采集系統設計的難點。
（５）系統狀態及井下儀器控制方案設計：
在系統調理模塊和井下儀器狀態控制設計中，我們選用 PCI-6601, 利用它的 Digital I/O 功能，建立起了一套控制能力強大的 32 位命令輸出體系。選用 PCI-6601,主要是為了降低系統的總成本，根據需要也可以選擇專門的數字 I/O 卡，或其它多功能卡。
系統軟件設計
測井數據采集控制系統軟件主要由現場測控及數據采集軟件和測后數據分析處理軟件構成，在軟件開發上，我們選擇使用 VC++ 與 NI 公司 Measurement Studio 軟件包相結合的開發方式，用 VC++開發與操作系統底層相關的程序和曲線打印輸出程序，使用 Measurement Studio 和CVI提供的類庫開發與數據實時采集和曲線顯示相關的程序。這種開發方案不但可以對操作系統進行靈活的控制而且充分利用了 NI 公司提供的開發工具，從而極大的縮短了系統軟件的開發時間。我們僅用了三個月的時間就完成了系統軟件的設計，開發和測試工作。圖 2為系統軟件中的脈沖中子氧活化測井及解釋軟件序界面。
圖 3為系統軟件總體框圖。
圖 3 系統軟件總體框圖
結論
我們使用 NI 公司的數據采集卡和軟件開發工具實現了測井數據采集控制系統的基于標準工業數據采集產品的設計與開發。大幅度地降低了系統的開發和維護成本，縮短了系統的開發周期，提高了系統的穩定性和可靠性。此外，我們可以根據用戶的需要對系統數據采集卡進行多種組合或把系統更新為 PXI總線系統，實現功能各有側重的測井數據采集控制系統。目前這套系統已生產 20 余套，成功應用于大慶油田和全國其它油田，取得了可觀的經濟效益，具有相當廣闊的應用前景。
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