秦小飛，馮永仁，鮑忠利，白曉煜，袁 飛

( 1. 中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201；2. 通力凱頓(北京)系統(tǒng)集成有限公司 北京 100024 )

0 引 言

隨著油氣勘探日益深入，開發(fā)對(duì)象日益復(fù)雜，石油測(cè)井儀器對(duì)可靠性、智能化、時(shí)效性、一體化的要求越來(lái)越高，所以以高可靠性、高集成化、高精度和耐高溫高壓為主要特征的高端測(cè)井裝備是未來(lái)測(cè)井儀器發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-4]。隨鉆地層測(cè)壓取樣儀(IFSA)可精確測(cè)量地層壓力，獲取完整地層樣品，是鉆井過(guò)程中唯一可以快速獲取地層真實(shí)樣品的隨鉆測(cè)井裝備。該儀器具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)，機(jī)械零部件、液壓元器件及傳感器等高度集成于鉆鋌上，儀器的安全性、可靠性要求高，具備井下智能控制的特點(diǎn)。

IFSA的設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到機(jī)械、液壓、控制、電氣等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，研發(fā)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)迭代誤差風(fēng)險(xiǎn)大。而機(jī)電一體化技術(shù)將各種高端信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)有機(jī)融合、應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能制造具有重要意義[5]。機(jī)電一體化系統(tǒng)由傳感檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信息控制處理三個(gè)子系統(tǒng)組成，分別完成信息檢測(cè)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)與信息控制工作，這種合理的分工使得機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)揮出了最佳效果[6]。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它將多學(xué)科設(shè)計(jì)、建模和仿真融為一體，打破了石油機(jī)械設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式，可以很好地解決石油機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難題，使得石油機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[7-8]。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用激起了廣大研究人員的熱情，劉振東[9]針對(duì)全液壓頂驅(qū)石油鉆井模型數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行了研究，韓雄等人[10]建立了隨鉆地層壓力測(cè)量裝置的數(shù)字樣機(jī)，張皓坤[11]研究了液力推進(jìn)式鉆井工具的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)。

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)解決方案是適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的一種全新解決方案。通過(guò)使用該軟件，可以對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品和多物理場(chǎng)進(jìn)行3D建模和仿真分析。西門子機(jī)電一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)(Mechatronics Concept Designer，MCD)可將機(jī)械、電氣、軟件等設(shè)計(jì)集成一體化，提高工作效率。并且大力專注于機(jī)械零部件、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)。MCD的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，可以滿足日益提升的機(jī)械設(shè)計(jì)要求，提高生產(chǎn)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，降低工作成本[12]。

本文建立了IFSA數(shù)字樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該儀器的機(jī)電一體化和多物理場(chǎng)的3D建模和仿真分析。

1 井下儀器數(shù)字樣機(jī)半實(shí)物仿真機(jī)理

井下儀器數(shù)字樣機(jī)半實(shí)物仿真基于MCD平臺(tái)，對(duì)IFSA(包括電動(dòng)機(jī)帶液壓泵、推靠座封模塊、柱塞泵與閥模塊等工作系統(tǒng))進(jìn)行三維建模和仿真分析。通過(guò)MCD與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)之間通信控制，完成對(duì)真實(shí)電動(dòng)機(jī)、泵、閥等虛擬監(jiān)控，如圖1所示。在MCD平臺(tái)上，通過(guò)建立實(shí)物產(chǎn)品的三維模型、定義物理屬性和運(yùn)動(dòng)屬性、創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)仿真序列，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真運(yùn)動(dòng)。通過(guò)博途V14 SP1(數(shù)控編程軟件)直接對(duì)MCD運(yùn)動(dòng)序列編譯控制程序，MCD中的輸出參數(shù)作為PLC中的輸入控制條件指令，PLC中輸出指令作為控制MCD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輸入數(shù)據(jù)，再利用PROFINET(自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn))作為協(xié)助MCD與PLC完成數(shù)據(jù)傳遞的中間橋梁，最終實(shí)現(xiàn)MCD對(duì)隨鉆地層測(cè)試器的采樣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 IFSA仿真機(jī)理

2 IFSA數(shù)字樣機(jī)的創(chuàng)建與仿真優(yōu)化

2.1 IFSA 數(shù)字樣機(jī)模型建立

利用IFSA數(shù)字樣機(jī)(包括電動(dòng)機(jī)帶液壓泵、推靠座封模塊、柱塞泵與閥模塊)模擬井下儀器實(shí)際工作流程，建立1∶1的全三維數(shù)據(jù)模型，如圖2所示。利用MCD提供一個(gè)仿真平臺(tái)，該平臺(tái)可以模擬真實(shí)物體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，定義物理屬性，再根據(jù)產(chǎn)品真實(shí)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的全部運(yùn)動(dòng)副、傳感器、平臺(tái)接口以及運(yùn)動(dòng)序列進(jìn)行定義。三維模型創(chuàng)建過(guò)程中要求運(yùn)動(dòng)對(duì)象路徑必須與實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程保持一致，為了方便查看仿真結(jié)果，在數(shù)字樣機(jī)建立過(guò)程中，創(chuàng)建產(chǎn)品不同模塊的三維截面可以為后續(xù)仿真查看以及優(yōu)化節(jié)省更多時(shí)間。

圖2 IFSA 3D數(shù)字樣機(jī)模型

2.2 IFSA數(shù)字樣機(jī)仿真優(yōu)化

基于已完成的IFSA 三維模型，在MCD平臺(tái)上創(chuàng)建數(shù)字樣機(jī)，圖3為數(shù)字樣機(jī)創(chuàng)建的過(guò)程。

圖3 IFSA數(shù)字樣機(jī)創(chuàng)建過(guò)程

其中仿真序列中的每一個(gè)動(dòng)作構(gòu)成了MCD數(shù)字樣機(jī)中的控制元素。仿真序列的創(chuàng)建過(guò)程可以預(yù)設(shè)真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，便于快速觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程，稱為基于時(shí)間的仿真。雖然仿真中參數(shù)的設(shè)置對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的跟蹤效果良好，但是每個(gè)模塊的具體地址仍然無(wú)法獲得。因此在物理對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方式中選擇位置控制器，根據(jù)參數(shù)列表，選擇需要賦值的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了改變參數(shù)，需要同時(shí)創(chuàng)建條件語(yǔ)句來(lái)確定觸發(fā)時(shí)間。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)使得在博途中創(chuàng)建PLC控制邏輯更加方便，很大程度上提高了MCD與PLC相互通信的可能性。

2.3 博途環(huán)境下位程序設(shè)計(jì)

采用博途V14 SP1直接編譯運(yùn)動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)PLC與MCD的快速通訊，從而實(shí)現(xiàn)MCD對(duì)機(jī)械物體真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的跟蹤監(jiān)控。選擇PLC S7-1500系列，完成PLC硬件組態(tài)以及PC station(電腦共享器)組態(tài)，建立傳輸區(qū)，其中變量的字節(jié)長(zhǎng)度數(shù)量按實(shí)際項(xiàng)目需求選擇，本次用到傳輸區(qū)為I→Q 172字節(jié)，Q→I 172字節(jié)，完成通訊變量創(chuàng)建。變量設(shè)置的存儲(chǔ)大小為4個(gè)字節(jié)，人機(jī)接口(HMI) 是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它是可讀寫、可訪問(wèn)和可見的。

圖4為IFSA三維數(shù)字樣機(jī)模型。根據(jù)MCD數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)序列中的對(duì)象，在PLC的功能塊(PLC Block塊)中完成對(duì)應(yīng)的邏輯程序編寫，該程序?yàn)镻LC對(duì)MCD數(shù)字樣機(jī)邏輯控制程序，本項(xiàng)目通過(guò)PROFINET協(xié)議對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2.4 IFSA數(shù)字樣機(jī)的數(shù)據(jù)通信匹配

本項(xiàng)目虛擬調(diào)試直接采用西門子PROFINET協(xié)議，該協(xié)議支持MCD數(shù)字樣機(jī)與PLC信號(hào)匹配，通過(guò)數(shù)據(jù)線可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞，為了更加方便直觀地完成PLC對(duì)MCD數(shù)字樣機(jī)的直接控制，通過(guò)博途自帶的WinCC功能模塊，模擬了一個(gè)HMI界面，HMI界面可以實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息，便于PLC迅速發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)快速控制。圖5為模擬的HMI界面，通過(guò)此界面，就可以快速控制電機(jī)轉(zhuǎn)軸、活塞等的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖5 模擬HMI界面

了解IFSA在井下運(yùn)動(dòng)的真實(shí)控制機(jī)理，將IFSA在井下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況編寫成程序，在MCD中建立三維模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。然后在MCD中創(chuàng)建信號(hào)，添加根據(jù)真實(shí)設(shè)備機(jī)理分析而來(lái)的信號(hào)，建立仿真序列，通過(guò)輸入信號(hào)的模擬，控制機(jī)構(gòu)的各種運(yùn)動(dòng)，模擬真實(shí)的機(jī)構(gòu)通電執(zhí)行操作的邏輯，建立運(yùn)行時(shí)表達(dá)式，控制輸出信號(hào)，使得機(jī)構(gòu)能夠順利進(jìn)行下一步運(yùn)動(dòng)，便于PLC對(duì)MCD進(jìn)行控制。

圖6為IFSA半實(shí)物仿真過(guò)程。利用HMI界面操作PLC發(fā)出控制信號(hào)，直接對(duì)MCD數(shù)字樣機(jī)發(fā)出控制指令，MCD數(shù)字樣機(jī)把接受信號(hào)轉(zhuǎn)換成具體仿真運(yùn)動(dòng)，控制模型機(jī)構(gòu)的各種運(yùn)動(dòng)，模擬儀器井下真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)HMI界面也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)字樣機(jī)中的對(duì)象運(yùn)動(dòng)裝填狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋，有利于PLC對(duì)MCD中模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。從而實(shí)現(xiàn)MCD數(shù)字樣機(jī)與PLC連接、虛擬調(diào)試以及自動(dòng)化控制。

圖6 半實(shí)物仿真過(guò)程

3 結(jié) 論

1)采用博途V14 SP1直接對(duì)MCD運(yùn)動(dòng)序列編譯控制程序，利用PROFINET作為完成MCD與PLC數(shù)據(jù)傳遞的中間橋梁，實(shí)現(xiàn)PLC與MCD的快速通訊，最終實(shí)現(xiàn)了MCD對(duì)真實(shí)機(jī)械物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2)對(duì)MCD數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)很好的跟蹤效果，又可以獲取每個(gè)模塊的具體地址數(shù)據(jù)，使得在博途中創(chuàng)建PLC控制邏輯更加方便，更好地實(shí)現(xiàn)了PLC與MCD的快速通訊。

3)運(yùn)用博途自帶的WinCC功能模塊，模擬了一個(gè)HMI界面。PLC通過(guò)HMI可直接對(duì)MCD數(shù)字樣機(jī)發(fā)出控制指令，最終實(shí)現(xiàn)了MCD數(shù)字樣機(jī)與PLC連接、虛擬調(diào)試以及自動(dòng)化控制。

4)井下儀器數(shù)字樣機(jī)半實(shí)物仿真技術(shù)真正意義上實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)實(shí)物生產(chǎn)驗(yàn)證向半實(shí)物虛擬驗(yàn)證轉(zhuǎn)化的目標(biāo)，它既打通了機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制等不同領(lǐng)域難以協(xié)作的壁壘，又采用統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，避免了不同部門之間數(shù)據(jù)信息傳遞需要轉(zhuǎn)換的尷尬，保證了數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性和完整性，促進(jìn)了測(cè)井領(lǐng)域向數(shù)字化設(shè)計(jì)制造方向的快速發(fā)展。