李悅江，卞勛杰，羅 燕

（1. 蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，山東青島 266520；2. 北京世冠金洋科技發(fā)展有限公司，北京 100193）

隨著世界范圍內(nèi)油氣資源開采向海洋擴展，適用于深海鉆井作業(yè)的鉆采設(shè)備研發(fā)顯得尤為重要。而在深海油氣開采的進程中，海洋鉆井平臺承擔著至關(guān)重要的角色[1]。海洋鉆機是大型的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及到的設(shè)備較多，工藝流程復(fù)雜[2-3]，整體試制成本較高，并且大部分設(shè)備在設(shè)計過程中只是單獨完成了機械部分的動力學仿真分析、液壓部分的流體仿真分析以及電氣控制程序的模擬調(diào)試分析，在整個研發(fā)過程中很少能夠完成機電液系統(tǒng)的聯(lián)合仿真調(diào)試，這使得設(shè)計出來的產(chǎn)品能否實現(xiàn)既定的設(shè)計目標成為了疑問。

在海洋鉆井平臺中，折臂吊的主要功能是抓取移運井場管具，能夠在接、甩立根的過程中來回抓取移運鉆桿，高效率地完成立根的接、甩工作，在海洋平臺的管具處理系統(tǒng)中占有重要地位。圖1為我司自主研發(fā)的折臂吊設(shè)備。折臂吊以常規(guī)的電控液系統(tǒng)為主，控制過程針對電磁閥、多路閥等多種類型的被控對象進行控制，同時涵蓋了位移傳感器、接近開關(guān)等常用的電氣元件，本文以折臂吊作為研究對象，分析在折臂吊設(shè)計過程中引入機、電和液的聯(lián)合仿真的作用，不失其一般性。

圖 1 折臂吊結(jié)構(gòu)Fig. 1 knuckle boom crane structure

1 常規(guī)仿真方案

目前，各公司在新設(shè)備的研發(fā)階段也經(jīng)常會使用到仿真技術(shù)來對系統(tǒng)的設(shè)計進行驗證，但是仿真思路基本都是將機電液各系統(tǒng)分開進行仿真，來驗證各自系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計是否達到要求。例如全三維設(shè)計能夠針對設(shè)備、管線、橋架等空間布置要求精確的項目進行聯(lián)合設(shè)計，有效避免設(shè)計整體調(diào)整等重大變更[4]。而對于折臂吊這一類機電液集成度很高的綜合性系統(tǒng)的仿真，則會使用到多種仿真軟件聯(lián)合仿真的方式來完成，例如將Matlab、Admas、AMESim等通過一個多接口的協(xié)同集成平臺來交互各個仿真軟件的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)級別的聯(lián)合仿真。雖然多學科、多軟件平臺協(xié)同建模和仿真已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但是多學科跨軟件之間的聯(lián)合仿真仍然帶來了仿真速度受限、系統(tǒng)過于龐大、仿真成本過高等問題[5]。并且目前的聯(lián)合仿真方案在控制系統(tǒng)的選取上使用的基本都是Matlab中的Simulink工具箱，而實際設(shè)備的控制大多采用的是PLC來完成，利用Simulink來代替PLC程序進行仿真并不是一個最佳的仿真方案。

2 機電液聯(lián)合仿真方案

本文以我司自主研發(fā)設(shè)計的12000自升式鉆井平臺用鉆井包中的折臂吊設(shè)備為研究對象，利用西門子博途V13軟件完成電氣控制程序的編寫及上位機界面的設(shè)計，利用Simulation X軟件完成折臂吊系統(tǒng)的機電液一體化建模工作，并利用該軟件的聯(lián)合仿真接口模塊實現(xiàn)兩個軟件之間的數(shù)據(jù)通信，從而完成折臂吊系統(tǒng)的機、電和液的聯(lián)合仿真。我司研發(fā)的折臂吊主要參數(shù)見表1。

表 1 折臂吊參數(shù)Table 1 knuckle boom crane parameters

2.1 Simulation X介紹

Simulation X作為一款工程高級建模和多學科仿真軟件，在汽車行業(yè)、流體技術(shù)、機械制造等眾多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。該軟件包含了3D多體系統(tǒng)、流體庫、電氣庫等眾多學科的元件庫，支持圖形化的建模方式，同時作為一個開放的仿真平臺，提供了大量與其它軟件的接口，這是其它仿真軟件所不具備的。因此，本文在該軟件的基礎(chǔ)之上完成相關(guān)的研究。

2.2 折臂吊仿真模型建立

折臂吊的仿真模型主要包含三維多體機械部分、液壓閥組及管路部分和電氣部分。三維多體機械部分模型的建立首先需要將折臂吊各部分的三維模型生成STL格式的文件，通過Simulation X三維多體庫中的導(dǎo)入模塊將STL格式的三維模型導(dǎo)入到該軟件中，通過軟件自帶的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、平動結(jié)構(gòu)等元件將折臂吊的機械部分重新裝配。完成折臂吊的機械模型搭建，搭建完成后的機械模型與實際的折臂吊結(jié)構(gòu)完全一致。

液壓閥組及管路部分是利用Simulation X軟件信號庫和液壓庫中的元件，根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖搭建液壓仿真系統(tǒng)。由于Simulation X軟件中不同學科之間的信號不能直接進行互聯(lián)，液壓系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)需要通過Interface Translative元件來傳遞到機械系統(tǒng)中進行利用。

電氣系統(tǒng)的建模主要是電氣元件的功能性建模，利用軟件的信號庫以及二次開發(fā)平臺-Type Designer進行基于Modelica語言的二次開發(fā)。例如在開發(fā)接近開關(guān)的電氣元件模型時，我們可以對其進行如下描述：if Set Distance＜Present Distance，then 1 else 0，其中Set Distance為接近開關(guān)的檢測動作距離，Present Distance為仿真中的實際距離。上述描述的就是當設(shè)定距離小于當前檢測距離時，元件輸出為1，否則輸出為0，以此來模擬接近開關(guān)的動作狀態(tài)。功能性建模的思路比較巧妙，只要能夠從功能性上實現(xiàn)電氣元件的功能即可，無需根據(jù)電氣元件內(nèi)部真實的電子電路進行搭建，這一點能夠極大提高電氣系統(tǒng)的建模效率。

最終，搭建完成折臂吊的機、電和液的聯(lián)合仿真模型（圖2）。

圖 2 折臂吊機、電和液的聯(lián)合仿真模型Fig. 2 Mechanical-electro-hydraulic co-simulation model of knuckle crane

2.3 聯(lián)合仿真

根據(jù)折臂吊的系統(tǒng)功能，在博途軟件中完成編程工作，然后把聯(lián)合仿真需要使用的變量名稱及地址編輯成asc文件，在Simulation X中使用實現(xiàn)聯(lián)合仿真的核心模塊PLC Sim Controller讀取該asc文件，讀取之后Simulation X將會自動生成聯(lián)合仿真所用的信號接口。進行聯(lián)合仿真時，先將博途中的程序下載到博途仿真器內(nèi)，注意此時要將仿真器的CPU置于STOP模式，再運行Simulation X中的仿真模型，當模型編譯完成沒有錯誤后開始運行，此時博途仿真器的CPU也會自動進入RUN模式，這就代表聯(lián)合仿真已經(jīng)開始，數(shù)據(jù)能夠進行有效交互。在聯(lián)合仿真過程中，我們選取其中兩組仿真結(jié)果進行分析。第一組仿真中我們通過將手柄X軸由0推出至+100%和-100%的情況來模擬折臂吊回轉(zhuǎn)狀態(tài)，得到仿真運行曲線（圖3）。

圖 3 轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)仿真曲線Fig. 3 Turntable rotation simulation curve

通過仿真曲線可知，當手柄由0推至100%后，經(jīng)程序邏輯運算后輸出控制參數(shù)給模型中的放大板，放大板控制折臂吊回轉(zhuǎn)比例閥的開度進而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動動作，轉(zhuǎn)動的最大速度約為0.6 rpm，與設(shè)計目標基本一致。

在第二組仿真中我們通過將手柄Y軸由0推出至+100%的情況來模擬主臂伸出動作查看主臂液缸的狀態(tài)，得到仿真運行曲線見圖4～圖6。

通過仿真曲線可知，當手柄由0逐漸推至100%后，放大板接收到來自PLC程序的模擬量信號驅(qū)動折臂吊的主臂比例閥，最終實現(xiàn)主臂液缸的運動。運行穩(wěn)定后的主臂液缸速度在40 mm/s左右，符合設(shè)計目標，當仿真運行時間在100 s左右時，主臂液缸達到最大行程，伸出速度降至0 mm/s，此時主臂液缸的位移傳感器輸出數(shù)值為17 mA，經(jīng)PLC程序處理后將對應(yīng)的當前主臂液缸實際位移值顯示在上位機界面中。

圖 4 主臂液缸速度仿真曲線Fig. 4 Speed simulation curve of main boom hydraulic cylinder

圖 5 主臂液缸位移仿真曲線Fig. 5 Simulation curve of main boom hydraulic cylinder displacement

圖 6 主臂位移傳感器仿真曲線Fig. 6 Simulation curve of main boom displacement sensor

3 結(jié)論

本文以海洋平臺折臂吊為研究對象，分析了在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)中使用Simulation X引入機、電和液聯(lián)合仿真的作用。通過聯(lián)合仿真，能夠完成系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的驗證，同時能夠?qū)﹄娍爻绦蜻M行有效的檢驗，為電控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置提供一定的指導(dǎo)性意見，從而為產(chǎn)品的實際生產(chǎn)及現(xiàn)場調(diào)試奠定基礎(chǔ)，有效提高現(xiàn)場的調(diào)試效率。