Новые программно-технические средства в составе измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв»

УДК 622.02:531

Е.В. Рубцова, В.Г. Качальский

Институт горного дела СО РАН, Новосибирск

НОВЫЕ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В СОСТАВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «ГИДРОРАЗРЫВ»

E.V. Rubtsova and V.G. Kachalskiy

Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia

NEW SOFTWARE AND HARDWARE COMPONENTS OF THE MEASURING AND COMPUTING COMPLEX «GIDRORAZRYV»

The paper dwells upon a new approach to the development of software and hardware components for the measuring and computing complex «Gidrorazryv». It is intended to develop a translatory mechanism and a data link unit based on the standardized electronics package and «LabView» software for the routine maintenance of experimentation and data processing.

Современный уровень развития информационных технологий позволяет совершенствовать известные методы и устройства экспериментального исследования напряженного состояния породного массива. Задача является актуальной, поскольку от уровня программно-технического оснащения экспериментов зависит достоверность определения напряжений в породном массиве и, следовательно, правильность принятия решений по выбору и обоснованию рациональных технологий добычи полезных ископаемых, обеспечению безопасности ведения горных работ.

Одним из известных методов экспериментального определения напряжений в массиве горных пород является метод измерительного гидроразрыва [1, 2]. Для осуществления измерительного гидроразрыва скважин в шахтных условиях в ИГД СО РАН в конце 80 -х годов был создан геомеханический комплекс УК - «Гидрозонд» [3]. Первоначально система регистрации данных состояла из датчика давления, прессметра, выполненного на основе микросхем, и магнитофона. Следующим этапом явилась разработка конструктивных схем и соответствующего программного обеспечения прессметра-регистратора на базе микропроцессора 1821ВМ85 и ПЗУ типа 573РФ5К. К настоящему времени на базе УК - «Гидрозонд» создан измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «Гидроразрыв», основными отличиями которого являются использование унифицированных электронных модулей в устройстве преобразования данных и новый подход к созданию программного сопровождения экспериментов и обработки данных на основе пакета графического программирования «LabView» (фирмы National Instruments).

В состав ИВК «Гидроразрыв» (рис. 1) входят: двухпакерный зонд, датчик давления, устройство преобразования и передачи данных, портативный компьютер (ПК), ручной насос, адаптер, манометр, кран

одноходовой, кран многоходовой, напорные трубопроводы (гибкие и жесткий).

Рис. 1. Функциональная схема ИВК «Гидроразрыв»:

1 - двухпакерный зонд; 2 - ручной насос; 3 - адаптер; 4 - манометр; 5 - кран одноходовой; 6 - кран многоходовой; 7 - датчик давления; 8 - устройство преобразования и передачи данных; 9 - напорные трубопроводы; 10 - рулетка; 11 - портативный

компьютер

Двухпакерный зонд представляет собой цилиндрический корпус с подвижной поршневой парой, установленной между двумя уплотнительными элементами. После установки в скважине зонда рабочая жидкость от насоса по трубопроводам нагнетается в полость поршневой пары зонда, которая, раздвигаясь, сжимает уплотнительные элементы. Последние, расширяясь в радиальном направлении, соприкасаются со стенками скважины и герметизируют исследуемый участок. После герметизации скважины рабочую жидкость подают в изолированный участок, повышая давление до достижения разрыва пород. Датчик давления (МИДА - ПИ - 51П) предназначен для регистрации давления рабочей жидкости в процессе осуществления гидроразрыва и соединен специальным кабелем с устройством преобразования и передачи данных.

Программно-техническая часть ИВК «Гидроразрыв» состоит из двух вычислительных устройств - устройства преобразования и передачи данных и ПК, связанных между собой информационно с помощью последовательного канала передачи данных. Устройство преобразования и

передачи данных выполнено в отдельном корпусе и включает в себя два унифицированных модуля производства фирмы ADVANTEC: высокоточный температурно-стабилизированный микропроцессорный модуль аналогоцифрового преобразования ADAM - 4011 и согласующий модуль ADAM -4520. Режимы работы модулей программируются специальными командами от управляющего ПК.

Программное средства ИВК «Гидроразрыв» представляют собой комплекс программ «Hydrogap», разработанный в среде графического программирования «LabView». Пакет «Hydrogap» устанавливается на ПК и обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Управление режимами работы устройства преобразования и передачи данных.

2. Предварительную обработку данных, включающую в себя: обнаружение подключенного устройства преобразования и передачи данных; инициализацию аналого-цифрового преобразователя; предварительное усреднение данных; экспоненциальное сглаживание помех измерения сигнала от датчика давления.

3. Кусочно-линейную аппроксимацию статической характеристики датчика.

4. Приведение к нулю входного сигнала - «Балансировку».

5. Управление процессами измерения, визуализации и сохранения данных в основных режимах работы «Индикация», «Калибровка», «Эксперимент», «Анализ».

Блок-схема программы «Hydrogap» представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема программы «Нугїі^ар»

Режим «Индикация» является вспомогательным и программа переходит в этот режим автоматически после обнаружения передачи данных по каналу от устройства преобразования и передачи данных.

Данный режим предназначен для: коррекции параметров канала передачи информации между устройством преобразования и передачи данных и ПК (номера порта, скорости обмена, периода опроса датчика давления); ввода идентификационных данных (кода) эксперимента; наблюдения за сигналом давления в процессе настройки всей аппаратуры перед началом эксперимента; перехода в любой другой режим.

Режим «Калибровка» предназначен для тарировки датчика давления по эталонному прибору. Данная процедура производится в случае замены датчика давления или при обнаружении отклонения показаний, отображаемых на экране дисплея и истинных значений. Режим может выполняться в двух вариантах: калибровка по одной контрольной точке и калибровка по № точкам (№ < 10). Результаты калибровки используются при преобразовании данных и хранятся в файле параметров на жестком диске ПК.

В режиме «Эксперимент» осуществляется наблюдение за ходом эксперимента. График изменения давления в процессе нагружения или свободного изменения давления отображается на экране ПК с заданным в режиме «Индикация» периодом опроса датчика давления. По окончании эксперимента данные записываются в файл данных, имя которого

соответствует названию эксперимента. Все данные записываются в текстовом формате и могут быть просмотрены любым редактором, а также введены в Microsoft Excel для дополнительного анализа и печати документов.

Режим «Анализ» предназначен для обработки данных, полученных в результате проведенных экспериментов. Режим «Анализ» можно выполнять в процессе эксперимента, либо в лабораторных условиях без подключения к компьютеру устройства преобразования и передачи данных, при этом для анализа доступны все файлы данных об экспериментах, хранящиеся на жестком диске ПК.

В режиме «Анализ» выполняются следующие операции:

- Вывод на дисплей компьютера данных эксперимента в виде графика «давление время»;

- Выбор интересующего участка графика путем задания курсором начальной Р\ и конечной 1\ точек интервала;

- Выбор метода аппроксимации экспериментальной кривой давления:

экспоненциальный или полиномиальный со степенями полинома от 2-х до 6- Визуализация результатов анализа: графическое отображение

положения касательных в точках P1 и P2, биссектрисы угла между касательными и вывод численного значения величины давления в точке пересечения биссектрисы с аппроксимирующей кривой (рис. 3);

- Корректировка результатов анализа, допускающая изменение положений точек P1 и P2, изменение метода аппроксимации или степени полинома при полиномиальном методе.

Результаты анализа и корректировки приписываются к исходному файлу данных.

КОД ЭКСПЕРИМЕНТА

КСС-12-300-Новокузнецк

РэКСПЕРЙ^ЕКтТ

КАЛИБРОВКА

РЕЗУЛЬТАТ АНАЛИЗА МПа

Ждем результат

Можно вписать ПРИМЕЧАНИЯ!

Эксперимент

Аппроксимация

координаты _

точки I 2

ЭКСПЕРИМЕНТ ГИДРОРАЗРЫВ СКВАЖИНЫ'

Код эксперимента: КСС-12-300-

Новокузнецк

Дата начала

эксперимента1 7.07.ОБ 7:13 Дата конца эксперимента

17.07.06 7:13

Число точек: 50 Перод опроса, I сек: 0.5

РЕЗУЛЬТАТ ЭКСПЕРИМЕНТА:

ІКоррекрироватьI

Алгоритм аппроксимации

Cuts|1М1 |ll І \ШЩ 11

Рис. 3. Окно отображения результатов анализа

Заключение

На основе современных унифицированных электронных средств разработано устройство преобразования и передачи данных в составе ИВК «Гидроразрыв». Работа устройства совместно с портативным компьютером позволяет визуализировать процесс изменения давления в межпакерном пространстве в ходе эксперимента, проводить анализ результатов непосредственно после окончания измерений в подземных условиях, что обеспечивает оперативное принятие решений о результативности экспериментов.

Использование пакета графического программирования «LabView» при создании прикладной программы «Hydшgap» позволило увеличить точность регистрации и обработки результатов эксперимента, расширить функциональные возможности и обеспечить наглядность процесса анализа.

В 2007 году ИВК «Гидроразрыв» поставлен по международному контракту ТОО «Корпорации Казахмыс» г. Жезказган (Казахстан).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Курленя М.В., Леонтьев А.В., Попов С.Н. Развитие метода гидроразрыва для исследования напряженного состояния массива горных пород // ФТПРПИ. - 1994. - № 1.

2. Леонтьев А.В., Попов С.Н. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва // Горный журнал. - 2003. - № 3.

3. Петров В.Е. Конструктивные особенности регистраторов в составе переносных измерительных комплексов // Труды международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: ИГД СО РАН. - 1999. - С. 265-269.

© Е.В. Рубцова, В.Г. Качальский, 2008