一种基于pxi控制器的主动升沉补偿测控系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于海洋石油机械技术领域，用于浮式海洋钻井平台(船)，涉及一种基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统。
【背景技术】
[0002]在海洋石油勘探过程中，浮式钻井平台(船)在风、浪、涌、流的作用下将产生较大幅度的周期性的升沉运动，带动钻柱上下往复运动引起井底钻压的变化，甚至使钻头脱离井底影响钻进的效率，降低钻头和钻杆寿命，产生操作的安全隐患；在恶劣海洋天气下，由于升沉幅度过大，甚至导致无法钻进和被迫停工，造成了重大的经济损失。为了减少停工期，保证正常工况下的钻进作业，浮式钻井平台(船)必须对钻柱的升沉运动采取适当的补偿措施。
[0003]现有的升沉补偿装备，以消耗能量小，占地面积小，利于安装的被动升沉补偿为主，但被动补偿的补偿性能不稳定，滞后比较大，难以满足钻井平台(船)在较恶劣海况条件下安全钻进作业的工程实际需求。因此，抗干扰能力强、适应性好、补偿精度高、补偿性能稳定、但需要额外能量输入的主动升沉补偿的研究日益受到重视。
[0004]大部分的主动式升沉补偿装置的计算机控制系统，采用PLC作为工控机，虽然PLC控制器抗干扰能力强，工业性能稳定，但仍有不可忽视的缺点:高速多通道数据采集能力差，不能进行复杂的控制算法实现和信号处理，不能实现精确定时，实时性差，导致控制对象的严重延迟性，削弱了主动补偿的效果。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是提供一种基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，解决了现有技术中存在的高速多通道数据采集能力差，不能进行复杂的控制算法实现和信号处理，不能实现精确定时，实时性差，导致控制对象严重延迟性的问题。
[0006]本实用新型所采用的技术方案是，一种基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，包括PXI控制器，实时控制器的输入端通过信号采集单元与惯性测量单元连接；PXI控制器的输出端通过信号输出单元与升沉补偿执行机构控制连接。
[0007]本实用新型的基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，其特征还在于:
[0008]惯性测量单元包括加速度传感器及位移传感器。
[0009]信号采集单元为具有数字输入和模拟输入功能的数据采集卡。信号输出单元为具有数字量输出和模拟量输出功能的数据采集卡。
[0010]PXI控制器中预置有加速度信号积分模块，实现加速度信号到速度信号、位移信号的转换。
[0011]本实用新型的有益效果是，体现在以下几个方面:
[0012]1)安装有实时操作系统的PXI控制器是本实用新型的核心，这种实时操作系统对需要严格时间要求的关键型应用进行优化，将多个程序模块分配为不同的执行优先级，使得优先级高的优先执行，不被其他模块的执行打断，从而保证控制的实时性，实现了精确定时和高可靠性，符合海洋石油设备的控制要求。这是相比于没有安装该操作系统的控制器(如PLC)最大的优势。2)该系统开发了加速度信号软件积分模块，代替了昂贵的硬件积分模块。3)该系统允许多个数据采集卡的同步高速采集和输出，且通道数量众多，这是其他控制器(如PLC)不具备的。4)该系统的软件部分允许用户嵌入复杂的控制算法，可拓展性很强，有利于相关升沉补偿装置控制的技术升级。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型系统的结构示意图；
[0014]图2为本实用新型的PXI控制器的控制过程示意图；
[0015]图3为本实用新型的加速度信号积分模块4的算法流程示意图。
[0016]图中，1.惯性测量单元，2.信号采集单元，3.PXI控制器、4.加速度信号积分模块、
5.信号输出单元，6.升沉补偿执行机构。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0018]如图1所示，本实用新型的结构是，包括作为核心的PXI控制器3，PXI控制器3安装有实时操作系统，即在PXI控制器3中预置有加速度信号积分模块4，实现加速度信号到速度信号、位移信号的转换；实时控制器3的输入端通过信号采集单元2与惯性测量单元1连接，惯性测量单元1用来测量平台(船)的升沉运动加速度信号和升沉补偿执行机构的反馈位移信号；信号采集单元2通过数采卡采集数字量(DI)和模拟量(AI)的信息；PXI控制器3的输出端通过信号输出单元5与升沉补偿执行机构6控制连接，信号输出单元5负责输出控制信息，控制信息包括数字量输出(D0)和模拟量输出(A0)两大类，这些控制信息将对升沉补偿执行机构的相关控制元件施加控制命令，实现相应的动作。
[0019]其中，PXI控制器3安装了实时操作系统，具有通讯和实时控制功能。
[0020]惯性测量单元1包括加速度传感器及位移传感器；
[0021]信号采集单元2为具有数字输入(DI)和模拟输入(AI)功能的数据采集卡；
[0022]信号输出单元5为具有数字量输出(D0)和模拟量输出(A0)功能的数据采集卡。
[0023]本实用新型的控制方式是，
[0024]如图1所示，首先，惯性测量单元1中的加速度传感器实时采集平台(船)升沉的加速度信号，位移传感器实时采集升沉补偿执行机构的位移信息，这些信息和其他采集的外部数据(如限位开关、接触开关等数字量，温度、压力等模拟量信息)，一起通过信号采集单元2中的(D1、AI)数据采集卡进入到PXI控制器3中，它的主要职能是数据处理和发出实时控制指令。接着，PXI控制器3内部预置的加速度信号积分模块4，代替昂贵的硬件积分，利用数字积分的软件算法将加速度信号积分，得到平台(船)升沉的位移信息。这些位移信息既可以输入到PXI控制器3的控制算法，也可以通过信号输出单元5在显示器上进行实时显示。最后，PXI控制器3经过内部的控制算法实现，输出控制指令，通过信号输出单元5 (D0、A0)，控制升沉补偿执行机构6上下运动，抵消平台(船)的升沉运动。
[0025]实施例1
[0026]信号采集单元2中的数采卡选用PX1-6511、PX1-6232、PX1-6238数采卡，PXI控制器3选用PX1-8511的NI控制器，信号输出单元5选用PX1-6512、PX1-6232数采卡。
[0027]如图2所示，当平台(船)随波浪上升时，安装在平台(船)的加速度传感器采集的加速度信号通过信号采集单元进入PXI控制器3，PXI控制器3中的加速度信号积分模块4得到平台升沉的位移信号，并与位移传感器实时采集的升沉补偿执行机构的位移信息进行比较，二者之和为:ΔΧ = χι-χ2，将差值和设定值进行比较，经数字PID算法后，通过信号输出单元5 (A0、D0)的数采卡输出控制指令。控制指令再经过一系列的放大等处理，控制升沉补偿执行机构6向下运动，抵消平台(船)随波浪上升的位移。
[0028]如图3所示，PXI控制器3中预置的加速度信号积分模块4，具体流程为以下方式，
[0029]1)加速度传感器实时采集平台升沉的加速度信号；
[0030]2)采集到的加速度信号进入振动信号软件积分单元1，首先去除直流分量，消除一次趋势项；
[0031]3)去除直流分量的加速度信号经过快速傅里叶变换(FFT)得到加速度离散傅里叶频谱(DFT频谱);
[0032]4)因为平台升沉运动是低频运动，故设置合适的频域截止频率，将高频信号的频率直接置零；
[0033]5)经过频率滤除的DFT频谱，除以自身的频率得到速度离散傅里叶频谱(DFT频谱)；除以自身频率的平方，得到位移离散傅里叶频谱(DFT频谱)；
[0034]6)分别将得到的两种DFT频谱，经过快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到平台升沉的速度时域信号和位移时域信号，这些信号有两种用途，用来进入控制器参与控制算法的实现；用来通过模拟输出通道(A0)在显示器上显示。
【主权项】
1.一种基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，其特征在于:包括PXI控制器(3)，实时控制器(3)的输入端通过信号采集单元(2)与惯性测量单元(1)连接；PXI控制器(3)的输出端通过信号输出单元(5)与升沉补偿执行机构(6)控制连接。2.根据权利要求1所述的基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，其特征在于:所述的惯性测量单元(1)包括加速度传感器及位移传感器。3.根据权利要求1所述的基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，其特征在于:所述的信号采集单元(2)为具有数字输入和模拟输入功能的数据采集卡；所述的信号输出单元(5)为具有数字量输出和模拟量输出功能的数据采集卡。4.根据权利要求1所述的基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，其特征在于:所述的PXI控制器(3)中预置有加速度信号积分模块(4)，实现加速度信号到速度信号、位移信号的转换。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于PXI控制器的主动升沉补偿测控系统，包括PXI控制器，实时控制器的输入端通过信号采集单元与惯性测量单元连接；PXI控制器的输出端通过信号输出单元与升沉补偿执行机构控制连接。本实用新型的系统，确保了控制的精确定时和高可靠性，采用多通道的高速数据采集设备，确保了信号输入和输出的及时性，主动补偿的可靠性好、稳定性高。
【IPC分类】G05B13/02
【公开号】CN205091549
【申请号】CN201520858643
【发明人】何庆, 于兴军, 张强, 朱永庆, 樊勇利
【申请人】宝鸡石油机械有限责任公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年10月30日