聯(lián)合仿真在折臂吊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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(kāi)采向海洋擴(kuò)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(kāi)采的進(jìn)程中，海洋鉆井平臺(tái)承擔(dān)著至關(guān)重要的角色[1]。海洋鉆機(jī)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(jì)過(guò)程中只是單獨(dú)完成了機(jī)械部分的動(dòng)力學(xué)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(gè)研發(fā)過(guò)程中很少能夠完成機(jī)電液系統(tǒng)的聯(lián)合仿真調(diào)試，這使得設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品能否實(shí)現(xiàn)既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)成為了疑問(wèn)。

在海洋鉆井平臺(tái)中，折臂吊的主要功能是抓取移運(yùn)井場(chǎng)管具，能夠在接、甩立根的過(guò)程中來(lái)回抓取移運(yùn)鉆桿，高效率地完成立根的接、甩工作，在海洋平臺(tái)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(guò)程針對(duì)電磁閥、多路閥等多種類型的被控對(duì)象進(jìn)行控制，同時(shí)涵蓋了位移傳感器、接近開(kāi)關(guān)等常用的電氣元件，本文以折臂吊作為研究對(duì)象，分析在折臂吊設(shè)計(jì)過(guò)程中引入機(jī)、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(huì)使用到仿真技術(shù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，但是仿真思路基本都是將機(jī)電液各系統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行仿真，來(lái)驗(yàn)證各自系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求。例如全三維設(shè)計(jì)能夠針對(duì)設(shè)備、管線、橋架等空間布置要求精確的項(xiàng)目進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，有效避免設(shè)計(jì)整體調(diào)整等重大變更[4]。而對(duì)于折臂吊這一類機(jī)電液集成度很高的綜合性系統(tǒng)的仿真，則會(huì)使用到多種仿真軟件聯(lián)合仿真的方式來(lái)完成，例如將Matlab、Admas、AMESim等通過(guò)一個(gè)多接口的協(xié)同集成平臺(tái)來(lái)交互各個(gè)仿真軟件的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)別的聯(lián)合仿真。雖然多學(xué)科、多軟件平臺(tái)協(xié)同建模和仿真已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但是多學(xué)科跨軟件之間的聯(lián)合仿真仍然帶來(lái)了仿真速度受限、系統(tǒng)過(guò)于龐大、仿真成本過(guò)高等問(wèn)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(shí)際設(shè)備的控制大多采用的是PLC來(lái)完成，利用Simulink來(lái)代替PLC程序進(jìn)行仿真并不是一個(gè)最佳的仿真方案。

2 機(jī)電液聯(lián)合仿真方案

本文以我司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的12000自升式鉆井平臺(tái)用鉆井包中的折臂吊設(shè)備為研究對(duì)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(jī)界面的設(shè)計(jì)，利用Simulation X軟件完成折臂吊系統(tǒng)的機(jī)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)通信，從而完成折臂吊系統(tǒng)的機(jī)、電和液的聯(lián)合仿真。我司研發(fā)的折臂吊主要參數(shù)見(jiàn)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(jí)建模和多學(xué)科仿真軟件，在汽車行業(yè)、流體技術(shù)、機(jī)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(kù)、電氣庫(kù)等眾多學(xué)科的元件庫(kù)，支持圖形化的建模方式，同時(shí)作為一個(gè)開(kāi)放的仿真平臺(tái)，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(jī)械部分、液壓閥組及管路部分和電氣部分。三維多體機(jī)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(guò)Simulation X三維多體庫(kù)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(guò)軟件自帶的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、平動(dòng)結(jié)構(gòu)等元件將折臂吊的機(jī)械部分重新裝配。完成折臂吊的機(jī)械模型搭建，搭建完成后的機(jī)械模型與實(shí)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(hào)庫(kù)和液壓庫(kù)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(xué)科之間的信號(hào)不能直接進(jìn)行互聯(lián)，液壓系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)需要通過(guò)Interface Translative元件來(lái)傳遞到機(jī)械系統(tǒng)中進(jìn)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(hào)庫(kù)以及二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)-Type Designer進(jìn)行基于Modelica語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)。例如在開(kāi)發(fā)接近開(kāi)關(guān)的電氣元件模型時(shí)，我們可以對(duì)其進(jìn)行如下描述：if Set Distance＜Present Distance，then 1 else 0，其中Set Distance為接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)動(dòng)作距離，Present Distance為仿真中的實(shí)際距離。上述描述的就是當(dāng)設(shè)定距離小于當(dāng)前檢測(cè)距離時(shí)，元件輸出為1，否則輸出為0，以此來(lái)模擬接近開(kāi)關(guān)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)電氣元件的功能即可，無(wú)需根據(jù)電氣元件內(nèi)部真實(shí)的電子電路進(jìn)行搭建，這一點(diǎn)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(jī)、電和液的聯(lián)合仿真模型（圖2）。

圖 2 折臂吊機(jī)、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(shí)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(huì)自動(dòng)生成聯(lián)合仿真所用的信號(hào)接口。進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，先將博途中的程序下載到博途仿真器內(nèi)，注意此時(shí)要將仿真器的CPU置于STOP模式，再運(yùn)行Simulation X中的仿真模型，當(dāng)模型編譯完成沒(méi)有錯(cuò)誤后開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)博途仿真器的CPU也會(huì)自動(dòng)進(jìn)入RUN模式，這就代表聯(lián)合仿真已經(jīng)開(kāi)始，數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行有效交互。在聯(lián)合仿真過(guò)程中，我們選取其中兩組仿真結(jié)果進(jìn)行分析。第一組仿真中我們通過(guò)將手柄X軸由0推出至+100%和-100%的情況來(lái)模擬折臂吊回轉(zhuǎn)狀態(tài)，得到仿真運(yùn)行曲線（圖3）。

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

通過(guò)仿真曲線可知，當(dāng)手柄由0推至100%后，經(jīng)程序邏輯運(yùn)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(kāi)度進(jìn)而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，轉(zhuǎn)動(dòng)的最大速度約為0.6 rpm，與設(shè)計(jì)目標(biāo)基本一致。

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

通過(guò)仿真曲線可知，當(dāng)手柄由0逐漸推至100%后，放大板接收到來(lái)自PLC程序的模擬量信號(hào)驅(qū)動(dòng)折臂吊的主臂比例閥，最終實(shí)現(xiàn)主臂液缸的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行穩(wěn)定后的主臂液缸速度在40 mm/s左右，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)仿真運(yùn)行時(shí)間在100 s左右時(shí)，主臂液缸達(dá)到最大行程，伸出速度降至0 mm/s，此時(shí)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(duì)應(yīng)的當(dāng)前主臂液缸實(shí)際位移值顯示在上位機(jī)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(tái)折臂吊為研究對(duì)象，分析了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中使用Simulation X引入機(jī)、電和液聯(lián)合仿真的作用。通過(guò)聯(lián)合仿真，能夠完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證，同時(shí)能夠?qū)﹄娍爻绦蜻M(jìn)行有效的檢驗(yàn)，為電控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置提供一定的指導(dǎo)性意見(jiàn)，從而為產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試奠定基礎(chǔ)，有效提高現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試效率。