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並開發石油測井行業特有的以等深度（位移）間隔觸發和控製為核心的對直流信號
、脈衝信號、數字信號等多種信號進行同步、高速和實時數據采集與控製的測井數據采集和控製係統。

應用方案：
深度開發 NI PCI-6602
，產生控製係統采集的等距和定時觸發信號
，並實現係統深度的高精度測
量
；充分開發和利用 NI 數據采集卡的 RTSI 功能並結合其 DMA 傳輸模式
，實現 Windows 環境下的直流

、脈衝
、數字信號的高速
、實時、同步采集和處理。 

介紹：
    測井數據采集控製係統是用於對各種置於地層中的井下儀器產生的信號進行采集、處(chu)理(li)並(bing)對(dui)井(jing)下(xia)儀(yi)器(qi)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)的(de)油(you)田(tian)基(ji)礎(chu)測(ce)控(kong)設(she)備(bei)。由(you)於(yu)專(zhuan)業(ye)性(xing)極(ji)強(qiang)，以(yi)往(wang)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)及(ji)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)通(tong)常(chang)是(shi)以(yi)自(zi)我(wo)設(she)計(ji)為(wei)主(zhu)，因(yin)此(ci)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)的(de)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)長(chang)、成本高、穩定性較差。現在，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 ruanjianbao，shixianlecejingshujucaijihekongzhidanyuandejiyubiaozhungongyeshujucaijichanpindeshejiyukaifa，dafududejiangdilexitongdekaifaheweihuchengben
，suoduanlexitongdekaifazhouqi，tigaolexitongdewendingxinghekekaoxing。muqianzhetaoxitongyizhizao 20 餘套，成功應用於全國各大油田，取得了可觀的經濟效益。

係統原理
    測井數據采集控製係統主要由工控機、NI通用數據采集卡

、信號調理模塊、繪圖儀
、綜合控製箱
、直流電源
、交流電源、UPS電源、示波器等構成。係統原理框圖如圖 1。

圖 1  係統原理圖

    主機 1 主要用於係統的數據采集、處理和控製。繪圖儀用於測井曲線實時出圖。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
，並控製深度顯示
；數字信號調理模塊用於配接各類編碼（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
、脈衝中子氧化化測井儀等；脈衝信號調理模塊主要配接采用脈衝、周期信號傳輸的井下儀器以及各種脈衝編碼類型的儀器。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。綜合控製箱負責完成纜芯切換、供電控製。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英寸標準機櫃中。關於信號的流程，從圖 1 中可以看出。我們把進入數據采集控製係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、電纜磁記號和深度係統的光電編碼信號。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衝型信號
、深度係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、脈衝信號調理模塊或直流信號調理模塊，經過調理後
，輸出到NI數據采集卡。井下儀器編碼信號經過綜合控製電路的分離及預處理後通過電纜線進入到數字信號調理模塊

，進行信號調理、解碼。解碼後的信號同樣輸出到NI數據采集卡。NI數據采集卡控製數據采集的方式
、采樣的間隔，同時實現對脈衝信號、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衝區，由係統軟件按不同的采樣方式控製數據的顯示、處理、打印和存盤。

數據采集方案設計
    測井數據采集控製係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係統深度數據采集和深度中斷管理方案設計
；多路複合信號實時同步采集方案設計；複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；係xi統tong狀zhuang態tai及ji井jing下xia儀yi器qi控kong製zhi方fang案an設she計ji等deng構gou成cheng。由you於yu專zhuan業ye性xing極ji強qiang，以yi往wang係xi統tong中zhong的de數shu據ju采cai集ji及ji控kong製zhi單dan元yuan通tong常chang是shi以yi自zi我wo設she計ji為wei主zhu，因yin此ci係xi統tong的de開kai發fa周zhou期qi長chang、成本高
、而且穩定性較差，並經常導致使用過程中，係統死機、深(shen)度(du)測(ce)量(liang)不(bu)準(zhun)等(deng)問(wen)題(ti)的(de)出(chu)現(xian)，使(shi)係(xi)統(tong)的(de)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)成(cheng)倍(bei)增(zeng)長(chang)，同(tong)時(shi)由(you)於(yu)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)的(de)限(xian)製(zhi)，自(zi)己(ji)開(kai)發(fa)的(de)係(xi)統(tong)隻(zhi)能(neng)配(pei)接(jie)一(yi)些(xie)信(xin)號(hao)類(lei)型(xing)簡(jian)單(dan)和(he)傳(chuan)輸(shu)速(su)率(lv)低(di)的(de)井(jing)下(xia)儀(yi)器(qi)，不(bu)具(ju)備(bei)多(duo)路(lu)信(xin)號(hao)實(shi)時(shi)同(tong)步(bu)采(cai)集(ji)以(yi)及(ji)高(gao)速(su)傳(chuan)輸(shu)的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)和(he)處(chu)理(li)能(neng)力(li)。為(wei)了(le)克(ke)服(fu)現(xian)有(you)係(xi)統(tong)的(de)缺(que)陷(xian)，我(wo)們(men)在(zai)充(chong)分(fen)調(tiao)研(yan)和(he)試(shi)用(yong)各(ge)大(da)公(gong)司(si)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)產(chan)品(pin)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，選(xuan)擇(ze)了(le) NI 公司生產的係列數據采集卡和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(nian)以(yi)上(shang)的(de)係(xi)統(tong)核(he)心(xin)設(she)計(ji)，並(bing)在(zai)業(ye)界(jie)首(shou)次(ci)實(shi)現(xian)了(le)全(quan)部(bu)基(ji)於(yu)標(biao)準(zhun)工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)產(chan)品(pin)的(de)測(ce)井(jing)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)，同(tong)時(shi)使(shi)係(xi)統(tong)在(zai)采(cai)樣(yang)精(jing)度(du)，深(shen)度(du)控(kong)製(zhi)，采(cai)集(ji)速(su)度(du)等(deng)主(zhu)要(yao)技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)上(shang)得(de)到(dao)了(le)全(quan)麵(mian)的(de)大(da)幅(fu)度(du)的(de)提(ti)升(sheng)。

    （1）係統深度數據采集和深度中斷管理方案設計：
    xitongshendumokuaishigaixitongzhongxingyexingzuiqiangdeyigemokuai，taxuyaoduizhengjiaoguangdianbianmaqixinhaojinxingceliang
，dedaoxitongdangqiandeshendushuju，tongshitahaiyaogenjudangqiandeshendushujushengchengyongyutongbugexinhaocaijideshendudengjuchufaxinhao。liru，zaiguangdianbianmaqishunshizhenzhuandongshi
，meigegudingweiyijiange（例如 5 cm） 產chan生sheng一yi個ge觸chu發fa信xin號hao，這zhe個ge觸chu發fa信xin號hao通tong知zhi係xi統tong對dui所suo有you測ce量liang信xin號hao進jin行xing采cai集ji
，如ru果guo係xi統tong光guang電dian編bian碼ma器qi突tu然ran反fan方fang向xiang轉zhuan動dong，則ze不bu產chan生sheng觸chu發fa信xin號hao，係xi統tong不bu做zuo任ren何he采cai集ji
，從cong而er使shi係xi統tong隻zhi按an照zhao單dan方fang向xiang等deng位wei移yi的de狀zhuang態tai采cai集ji數shu據ju。此ci外wai
，該gai模mo塊kuai還hai要yao具ju備bei對dui正zheng交jiao光guang電dian編bian碼ma信xin號hao防fang抖dou動dong，防fang滑hua動dong處chu理li的de功gong能neng。在zai係xi統tong開kai發fa過guo程cheng中zhong
，我wo們men發fa現xian NI PCI-660X 係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 chuliguangdianbianmaqixinhaodejishuqitongdaosuonengshengchengdemouzhongteshuzhuangtaixinhao，tongshijieheqitajishuqitongdaodemaichongshengchenggongneng，zuizhongshengchenglewomensuoxuyaodelianxudeshendudengjuchufaxinhao。zaizuizhongdechanpinshejizhongwomenliyong PCI-6602的 5gejishuqitongdaotongguochengxuchushihuakongzhishixianlezhegegongneng。zheshiwomenshoucitongguoshiyongbiaozhungongyeshujucaijikashixianshendushujudejingqueduquhechufaxinhaodedingjushuchu
，taweizhenggexitongdechenggongyanzhidiandinglejianshidejichu。

    （2）多路複合信號實時同步采集方案設計：
    測井數據采集係統通常需要根據定距或定時觸發信號對多路直流信號、脈mai衝chong信xin號hao和he數shu字zi信xin號hao進jin行xing實shi時shi同tong步bu測ce量liang。這zhe就jiu需xu要yao係xi統tong保bao證zheng對dui多duo個ge采cai集ji卡ka間jian以yi及ji同tong一yi采cai集ji卡ka內nei部bu的de多duo個ge測ce量liang通tong道dao間jian的de數shu據ju采cai集ji的de同tong一yi性xing和he實shi時shi性xing，否fou則ze得de到dao的de數shu據ju就jiu不bu能neng反fan映ying井jing下xia儀yi器qi在zai地di層ceng中zhong真zhen實shi狀zhuang況kuang。我wo們men采cai用yong具ju有youRTSI（實時同步接口）總線的 NI 6070E 或 NI6024E 用於直流信號的測量，PCI-6602 或 PCI-6601 用於脈衝信號和深度信號的測量，PCI-6534 或 PCI-6533 yongyushuzixinhaodeceliang。xitongzhongrenheyikuaikadoukeyigenjugongzuomoshidebutongzuoweizhukalaishengchengtongbuchufaxinhaohuoyongzuocongkalaijieshoutongbuchufaxinhao。womenbazhukachanshengdetongbuchufaxinhaojiazaidaoRTSI 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(fang)式(shi)傳(chuan)給(gei)主(zhu)機(ji)內(nei)各(ge)自(zi)的(de)數(shu)據(ju)緩(huan)衝(chong)區(qu)。由(you)於(yu)整(zheng)個(ge)觸(chu)發(fa)和(he)采(cai)集(ji)過(guo)程(cheng)都(dou)是(shi)由(you)係(xi)統(tong)硬(ying)件(jian)獨(du)立(li)控(kong)製(zhi)完(wan)成(cheng)的(de)，使(shi)得(de)各(ge)個(ge)測(ce)量(liang)通(tong)道(dao)的(de)采(cai)集(ji)延(yan)時(shi)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)在(zai)納(na)秒(miao)級(ji)。所(suo)有(you)采(cai)集(ji)卡(ka)都(dou)采(cai)用(yong)DMA模式傳輸數據，這與以往係統多采用中斷模式相比
，極大的提高了係統工作效率。 通過 RTSI 總線我們把原來需要通過係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，然後由各采集卡（即係統硬件）的RTSI來控製采集的同步。這種工作方式的轉變，不但降低了係統負荷，而且使係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係統數據采集的一個重要原因。

    （３）複雜編碼格式數字信號高速傳輸與采集模式設計：
    由於測井儀器種類繁多
，一個設計合理的測井係統
，必須考慮能與不同編碼格式的井下儀器配接使用。 由於 PCI-6534 通常情況下具有 40MS/s 的采樣率， 我們在係統設計中，充分開發 PCI-6534的 Pattern I/O 功能
，實現了複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，以同步係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
，以控製數字信號的采集模式。PCI-6534 與係統前端數字信號調理模塊配合使用
，使係統具備了配接各種傳輸速率高、編碼協議複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，既有直流量也有脈衝量還有數字量，而且其直流量的采樣頻率一般要求達到1MS/ s。采cai集ji係xi統tong除chu了le要yao完wan成cheng井jing下xia儀yi器qi直zhi流liu信xin號hao的de高gao速su采cai集ji外wai還hai要yao以yi定ding時shi或huo定ding距ju的de模mo式shi和he較jiao低di的de采cai樣yang率lv采cai集ji其qi它ta直zhi流liu信xin號hao和he脈mai衝chong信xin號hao。我wo們men在zai設she計ji中zhong

，通tong過guo對duiNI 6070E、 PCI-6024E、 PCI-6602
、 PCI-6534這四塊卡綜合編程控製，采用多通道多次複合同步觸發技術，同時充分開發 PCI-6534的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)模(mo)式(shi)觸(chu)發(fa)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，實(shi)現(xian)了(le)定(ding)時(shi)或(huo)定(ding)距(ju)觸(chu)發(fa)條(tiao)件(jian)下(xia)以(yi)高(gao)采(cai)樣(yang)率(lv)采(cai)集(ji)井(jing)下(xia)儀(yi)器(qi)的(de)直(zhi)流(liu)信(xin)號(hao)，同(tong)時(shi)以(yi)低(di)采(cai)樣(yang)率(lv)采(cai)集(ji)井(jing)下(xia)儀(yi)器(qi)的(de)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)、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係統設計的難點。
 
（５）係統狀態及井下儀器控製方案設計：
在係統調理模塊和井下儀器狀態控製設計中，我們選用 PCI-6601, 利用它的 Digital  I/O 功能，建立起了一套控製能力強大的 32 位命令輸出體係。選用 PCI-6601,主要是為了降低係統的總成本，根據需要也可以選擇專門的數字 I/O 卡
，或其它多功能卡。

係統軟件設計
    測井數據采集控製係統軟件主要由現場測控及數據采集軟件和測後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++開發與操作係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係統進行靈活的控製而且充分利用了 NI 公(gong)司(si)提(ti)供(gong)的(de)開(kai)發(fa)工(gong)具(ju)，從(cong)而(er)極(ji)大(da)的(de)縮(suo)短(duan)了(le)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)的(de)開(kai)發(fa)時(shi)間(jian)。我(wo)們(men)僅(jin)用(yong)了(le)三(san)個(ge)月(yue)的(de)時(shi)間(jian)就(jiu)完(wan)成(cheng)了(le)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)的(de)設(she)計(ji)，開(kai)發(fa)和(he)測(ce)試(shi)工(gong)作(zuo)。圖(tu) 2為係統軟件中的脈衝中子氧活化測井及解釋軟件序界麵。
圖 3為係統軟件總體框圖。

圖 3 係統軟件總體框圖

結論 
    我們使用 NI 公gong司si的de數shu據ju采cai集ji卡ka和he軟ruan件jian開kai發fa工gong具ju實shi現xian了le測ce井jing數shu據ju采cai集ji控kong製zhi係xi統tong的de基ji於yu標biao準zhun工gong業ye數shu據ju采cai集ji產chan品pin的de設she計ji與yu開kai發fa。大da幅fu度du地di降jiang低di了le係xi統tong的de開kai發fa和he維wei護hu成cheng本ben，縮suo短duan了le係xi統tong的de開kai發fa周zhou期qi
，提ti高gao了le係xi統tong的de穩wen定ding性xing和he可ke靠kao性xing。此ci外wai，我wo們men可ke以yi根gen據ju用yong戶hu的de需xu要yao對dui係xi統tong數shu據ju采cai集ji卡ka進jin行xing多duo種zhong組zu合he或huo把ba係xi統tong更geng新xin為wei PXI總線係統，實現功能各有側重的測井數據采集控製係統。目前這套係統已生產 20 餘套，成功應用於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。