基于虚拟仪器软件LabVIEW的FPSO状态监测系统设计

李 彤

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300457)

0 引 言

FPSO(Floating Production Storage and Offloading)是海上油田井液、伴生气和生产水的处理、存储和外输的关键生产设施，是全海式油田开发方案的主要装备之一。该装备具有集成化高、投资大、技术复杂、建造工期长等特点，确保其状态良好是保障海上油田持续生产的核心工作。单点系泊系统是FPSO定位在海上油田指定区域的核心部件，我国渤海油田和南海东部油田FPSO单点系泊系统曾经出现过一些异常和故障，并产生了一定的安全隐患。通过状态监测系统掌握FPSO的运动状态、位置状态和单点系泊系统受力状态非常必要，开发设计专门的监测系统对海上油田持续安全生产具有重大意义。

基于LabVIEW虚拟软件设计了FPSO运动位置、单点系统结构振动和受力状态的实时监测系统。本文首先介绍软件开发平台的主要功能，其次描述了监测系统的原理及整体架构，通过LabVIEW开发集成监测系统实现了良好的人机交互，起到了实时监测的功能。

1 LabVIEW开发软件简介

随着计算机和虚拟现实等技术的发展，计算机软件和测量技术相结合产生了虚拟仪器开发软件。与传统仪器相比，虚拟仪器避免了传统仪器功能固化在硬件中难以修改的问题，其通用性、可修改性和可移植性有了很大改善，在成本上也比传统仪器降低了许多[1]。目前在自动化和监测行业中应用较多的是美国National Instrument公司的LabVIEW软件。

LabVIEW是一种包含监测、自动控制和通信等功能的集成开发环境，使用图形化编程G语言来开发程序、生成框图类程序，专业控件较多，开发效率较高。由于内置了丰富的硬件接口模块，它可用于与GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485接口及数据采集板卡等硬件进行通信，也可支持TCP/IP网络和ActiveX等标准协议和接口。

2 基于LabVIEW的FPSO状态监测系统

FPSO状态监测系统主要包括对FPSO的运动、位置和单点系统的结构振动进行测量，通过传感器和多通道集采系统对数据进行采集和串口通信、工业以太网与工控机进行通信，利用LabVIEW开发软件 监测系统实现人机接口并对数据进行记录、分析和 存储。

2.1 FPSO运动监测原理

FPSO船体运动测量对与其连接的立管、系泊系统的运动和受力监测有重要作用，在风、浪、流等海洋环境荷载作用下，FPSO将产生六自由度运动，即横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。目前海洋工程领域常用的浮体运动位置测量主要包括惯性测量技术、GPS定位测量系统和水声定位系统。其中，惯性测量技术不受外界干扰，可实现高精度测量，而卫星导航或水声定位系统测量精度易受外界影响。由于惯性测量技术存在累计误差不适用长期测量，目前在实际应用中通常采用2种以上技术组合的形式，即GPS/IMU或GPS/INS测量系统[2]。在FPSO生活楼顶端开阔、无遮挡的位置可安装组合测量的GPS天 线，一般要求与船体的中轴线平行。测量数据由专用的工业控制计算机进行处理和可视化显示。

2.2 FPSO位置监测

FPSO固定在远离陆地的海上油田，可采用水声定位技术或卫星导航技术对其位置信息进行测量。水声定位技术精度相对较低，而卫星导航技术具有高精度和相对低成本的特点，通常采用该技术来进行位置测量，见图1。按照GPS天线的运动状态可分为静态定位和动态定位；按时效性来区分可分为实时定位和事后定位。本文对FPSO位置测量采用实时动态定位的方式。GPS动态定位利用GPS信号测定用户天线三维坐标、三维速度和时间7个状态参数。采用载波相位实时动态差分RTK技术来测量FPSO和单点位置。GPS测量系统主要包括基准站和移动站，移动站安装在风向标运动FPSO生活楼顶部，基准站安装在不发生位置变化的导管架平台顶端，通过电台天线完成数据传送。基准站接收的实时卫星数据从广播形式发送到移动站，移动站接收移动站数据和卫星信号，通过差分运算获得FPSO准确的位置信息。

图1 FPSO 位置测量系统组成示意图 Fig.1 Composition diagram of FPSO position measurement system

2.3 单点振动数据监测

塔架式软刚臂单点系泊系统的承载结构主要包括转动和非转动结构。FPSO运动载荷通过船艏系泊链传递到单点旋转结构上，井液、电力和信号通过单点的液滑环、电滑环和光纤滑环双向传输。现有振动监测系统主要对单点的滑环、固定结构和轴承的振动情况进行检测，布置位置如表1所示。

表1 加速度传感器位置 Tab.1 Position of acceleration sensor

结构振动测量系统的加速度传感器通过电缆传递电信号至多通道信号调理和数据采集系统，数据处理后通过光电转化器将串行通信数字信号转换为光信号，并通过光纤滑环传输到FPSO的光电转换器上，最后转换成电信号接入油田工业以太网与工控机完成通信。结构振动测量系统集成图如图2所示。

图2 结构振动测量系统集成图 Fig.2 Integration diagram of structural vibration measurement system

3 LabVIEW系统设计

3.1 通信网络模式的选择

监测系统多采用C/S通信结构，服务器充当数据库角色，多客户端进行数据采集。C/S组网模式由现场仪表、工控机和服务器组成，采用TCP/IP协议进行数据传输。考虑现场端仪表的工作特点，使用LabVIEW中的TCP/IP模块实现通信[3]。C/S拓扑结构如图3所示。

图3 C/S拓扑结构 Fig.3 C/S topology

在LabVIEW开发环境中创建服务器框图程序，指定网络端口，在TCP节点建立TCP侦听器，等待客户机的连接请求。程序设计要考虑客户端采集和远程数据发送2个方面，服务器框图程序和客户机端口保持一致才能正确通信。TCP服务器程序和客户机程序框图如图4～5所示。

图4 TCP服务器程序框图 Fig.4 Program block diagram of TCP server

3.2 LabVIEW串口通信模块的设计

LabVIEW支持计算机串口通讯，文章采用VISA方式，通过安装LabVIEW的VISA驱动包配置计算机的串口，以此来完成串口号，并利用波特率2个参数实现与传感器设备的通信。VISA模块中的visa read作用是从串口读取数据，visa write是向串口写入数据，visa close是读完数据释放串口资源。程序界面和框图如图6～7所示。

图5 TCP客户机程序框图 Fig.5 Program block diagram of TCP client

图6 LabVIEW控制界面图 Fig.6 LabVIEW control interface

图7 LabVIEW串口读写程序流程图 Fig.7 LabVIEW serial port reading and writing program flow chart

3.3 人机界面设计

人机交互界面实现了FPSO运动位置和单点结构振动数据实时显示、历史数据查询和报表生成的功能，主界面如图8所示。

图8 LabVIEW主系统界面 Fig.8 LabVIEW main system interface

调用位置测量系统实时测得的FPSO运动姿态和编译好的水动力方程动态链接库文件，通过工控机实现运动位置的计算生成，见图9。

图9 FPSO运动监测系统界面 Fig.9 FPSO motion monitoring system interface

4 结 语

相对于非虚拟仪器的开发方案，LabVIEW可提供丰富的硬件设备驱动程序、完善的模块化通信包和常用的计算、分析软件接口，从而降低了用户硬件和软件开发的工作量，缩短了开发周期，提高了开发效率，降低了开发成本。本文通过LabVIEW开发集成监测系统实现了对FPSO运动位置、单点系泊系统的结构振动和受力状态的实时监测，为海上油田持续稳定生产提供了一定支持。■