水下液壓控制系統(tǒng)淺水測試專用仿真測試軟件*

肖仕紅，沈亞坤，劉立新，候 莉，張 薇，梁 政

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500;2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

0 引言

深水油氣開發(fā)屬于高風(fēng)險(xiǎn)和高技術(shù)領(lǐng)域，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性要求極高，在投產(chǎn)前，需開展一系列的測試［1-2］。淺水測試是水下生產(chǎn)裝備到貨后進(jìn)行的系統(tǒng)完整性測試內(nèi)容之一，需使用修井控制系統(tǒng)和水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行采油樹功能試驗(yàn)［3］。然而，目前水下生產(chǎn)控制路徑已達(dá)到150 km，水深也接近3 000 m，測試中難以模擬真實(shí)的控制系統(tǒng)和測試環(huán)境，與實(shí)際工況存在差異，無法驗(yàn)證到貨系統(tǒng)的性能，需借助仿真驗(yàn)證［4-5］。目前，國內(nèi)常用AMESim 軟件對水下液控系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究［6-8］。其中，中海油和浙江大學(xué)還利用Visual Basic 軟件對AMESim 軟件進(jìn)行了二次開發(fā)。因SimulationX 軟件具有專門的水下仿真環(huán)境和相關(guān)水下液壓元件庫，相對其他液壓軟件具有一定的優(yōu)勢，也逐漸被國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)接受，已在水下控制系統(tǒng)、水下閘閥、深水防噴器組控制系統(tǒng)等的仿真研究中［9-12］得到應(yīng)用。

某淺水測試場確定SimulationX 軟件為水下生產(chǎn)液壓控制系統(tǒng)的仿真軟件。但該軟件專業(yè)化程度高、相關(guān)參數(shù)輸入值只默認(rèn)一個(gè)［13］，不易為淺水測試場操作人員掌握，且操作繁瑣，重復(fù)工作量大。

鑒于SimulationX 軟件能輸出完整模型的C 代碼文件和相關(guān)參數(shù)文件;而VC 軟件具有便捷的界面設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出數(shù)據(jù)的保存與調(diào)用。課題針對水下液壓控制系統(tǒng)淺水測試需求，結(jié)合兩套軟件特點(diǎn)，開展VC 軟件對SimulationX 軟件的二次開發(fā)研究。

1 測試原理及測試方法

1.1 測試原理

標(biāo)準(zhǔn)要求，測試系統(tǒng)需模擬實(shí)際系統(tǒng)的主要操作。本研究參考實(shí)際水下液壓控制系統(tǒng)的工作原理和國外淺水測試系統(tǒng)［14-16］，建立了水下液控系統(tǒng)的淺水測試原理框圖如圖1所示［17］。

圖1 液壓系統(tǒng)測試原理圖(含SCM)

淺水測試場配置的測試用液壓動力單元(THPU)提供所需的測試液通過地面管道傳送到水面控制纜終端(TUTA)，再通過臍帶纜或液壓軟管將TUTA 與安裝在淺水池中的水下采油樹或水下管匯上的SCM 或執(zhí)行器連接，從而測試水下液壓系統(tǒng)的性能。若測試系統(tǒng)中配置臍帶纜模擬器，則可模擬臍帶纜的傳輸特性，減小測試誤差。此外，若設(shè)備制造方提供實(shí)際使用的液壓動力單元(HPU)，則須替換測試系統(tǒng)中淺水測試場所提供的THPU。

1.2 測試方法

本研究通過對標(biāo)準(zhǔn)分析及國內(nèi)外淺水測試現(xiàn)狀調(diào)研［18］，確定液壓控制系統(tǒng)淺水測試主要進(jìn)行水下液驅(qū)閥門的功能測試及其泄漏測試，具體包括SCM 試運(yùn)行測試和閥操作測試:通過SCM 試運(yùn)行檢查THPU 在內(nèi)部管路充壓后的油箱液位高度;檢查整個(gè)高/低壓液壓系統(tǒng)各自的充壓時(shí)間及充壓后THPU 的油箱液位高度;檢查系統(tǒng)充壓后SCM 內(nèi)部高/低系統(tǒng)的壓力值是否達(dá)到期望值。通過閥操作測試水下采油樹、水下管匯等水下生產(chǎn)裝備上任一水下閥的開/關(guān)性能，以及液壓系統(tǒng)的泄漏程度;驗(yàn)證整個(gè)控制系統(tǒng)的ESD 功能。其中，閥操作測試期間，每次只允許操作一個(gè)閥門，禁止多個(gè)閥門同時(shí)操作。實(shí)際測試可獲取液壓系統(tǒng)充壓時(shí)間、系統(tǒng)充壓后SCM 內(nèi)部壓力值、閥的開/關(guān)性能、液壓線路泄漏程度等參數(shù)值。

由于實(shí)測值難以直接驗(yàn)證被測設(shè)備的性能，淺水測試中通常在THPU 或控制臺里安裝仿真測試軟件，利用仿真測試軟件獲取被測系統(tǒng)的仿真值。通過對比分析實(shí)際測試值和仿真值，判斷到貨產(chǎn)品的性能。

2 專用仿真測試軟件的功能要求

淺水測試中，被測設(shè)備眾多，且廠家及型號各異，再加上測試設(shè)備可用設(shè)備制造方提供的對應(yīng)設(shè)備替換，則具體測試設(shè)備未固定，因此仿真模型和仿真參數(shù)值都在變化。為此，針對淺水測試特點(diǎn)及需求進(jìn)行SimulationX 二次開發(fā)的專用仿真測試軟件至少具有如下功能:

(1)專用仿真測試軟件的輸出結(jié)果至少包含:SCM 蓄能器壓力(驗(yàn)證高/低壓液壓系統(tǒng)充壓時(shí)間及系統(tǒng)充壓后SCM 內(nèi)部壓力值)、執(zhí)行器開啟腔壓力、執(zhí)行器彈簧腔壓力、執(zhí)行器位置(驗(yàn)證閥的開關(guān)性能)和執(zhí)行器開啟腔流量(驗(yàn)證液壓系統(tǒng)的泄漏程度)。

(2)測試人員無需建模、參數(shù)輸入工作量小、操作簡單。

(3)能進(jìn)行無SCM 時(shí)的仿真測試。為了高效地利用淺水測試場及其測試設(shè)備，淺水測試場還可為設(shè)備制造方提供水下生產(chǎn)裝備液壓控制單元的功能測試，測試時(shí)通常無SCM 配置。

(4)能實(shí)現(xiàn)仿真測試值與實(shí)際測試值的對比。

3 二次開發(fā)中SimulationX 軟件設(shè)計(jì)

通常仿真分析需完成建模、仿真參數(shù)設(shè)置和仿真運(yùn)行3 個(gè)基本操作流程后獲得仿真結(jié)果。專用仿真測試軟件針對淺水測試特點(diǎn)，在完成其功能要求的基礎(chǔ)上，融合SimulationX 軟件和VC 軟件各自的優(yōu)勢開發(fā)而成。

3.1 仿真模型的建立

專用仿真測試軟件利用SimulationX 軟件進(jìn)行建模。由THPU 供液、含SCM 的水下閘閥的淺水測試仿真模型如圖2所示。

圖2 水下液控系統(tǒng)淺水測試仿真模型

模型中所有單元(除THPU 外)可直接調(diào)用軟件中基本液壓庫和水下液壓庫內(nèi)相應(yīng)元件。其中，過濾器、TUTA、水下分配單元、彎管、接頭等元件產(chǎn)生的液阻由節(jié)流閥單元表述。由于THPU 與SimulationX 軟件中提供的HPU 單元原理不同，不能直接調(diào)用，需利用軟件的基本液壓庫元件構(gòu)建，還可進(jìn)一步通過“TypeDesigner”命令對THPU 元件進(jìn)行封裝。若制造商提供HPU，需單獨(dú)建立仿真模型，除THPU 替換成HPU單元外，其他元件基本相同。對于無SCM 的水下生產(chǎn)裝備液壓控制單元測試系統(tǒng)，也需單獨(dú)建立測試仿真模型，其控制液由THPU 提供。此外，常用液控水下閥主要為水下閘閥和水下球閥，需分別建立水下閘閥和水下球閥的測試仿真模型。因此，整個(gè)專用仿真測試軟件需建立6 個(gè)獨(dú)立的仿真模型。

3.2 C 代碼輸出設(shè)置

系統(tǒng)在SimulationX 軟件的C 代碼輸出命令中進(jìn)行Outputs 命令和Parameters 命令設(shè)置，并完成C 代碼生成和編譯。

系統(tǒng)在Outputs 命令設(shè)置中，選中SCM 蓄能器壓力、執(zhí)行器開啟腔壓力、執(zhí)行器彈簧腔壓力、執(zhí)行器位置和執(zhí)行器開啟腔流量作為輸出參數(shù)。

測試系統(tǒng)中被測設(shè)備參數(shù)、THPU(或HPU)的控制參數(shù)可能發(fā)生變化，為變量，其他模型參數(shù)為常量。為了減少輸入工作量，測試工作人員只需在專用仿真測試軟件中錄入測試系統(tǒng)中的變量，而常量固化在仿真模型中。在Parameters 命令設(shè)置中，選中仿真模型中的變量為輸出參數(shù)，如THPU(或HPU)蓄能器的預(yù)充壓力、環(huán)境溫度、水下閥執(zhí)行器各參數(shù)等。

系統(tǒng)在完成了Outputs 和Parameters 命令設(shè)置后，通過C 代碼生成和編譯命令，即生成可供VC 調(diào)用的可執(zhí)行程序及對應(yīng)的模型參數(shù)文件(Parameters.txt)、仿真控制參數(shù)文件(Solversettings.txt)和仿真結(jié)果文件(Outputs1.txt)。

水下閘閥執(zhí)行器和水下球閥執(zhí)行器的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)基本相同，在SimulationX 軟件中其特征參數(shù)一致，不需區(qū)分其可執(zhí)行程序，所以實(shí)質(zhì)上只有3 個(gè)獨(dú)立的仿真模型，并生成3 個(gè)可執(zhí)行程序和相應(yīng)的參數(shù)文件，分別放在不同的文件夾中。

4 VC 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作以滿足淺水測試需要，通過VC 軟件的二次開發(fā)完成了仿真參數(shù)輸入、驅(qū)動仿真運(yùn)行、讀取仿真結(jié)果、傳感器參數(shù)采集和結(jié)果對比等功能。主要開發(fā)內(nèi)容如下:

(1)可執(zhí)行程序選擇設(shè)置。由于專用仿真測試軟件中包含3 個(gè)獨(dú)立的仿真模型及其對應(yīng)可執(zhí)行程序，需設(shè)置可執(zhí)行程序選擇框，即通過選擇THPU/HPU、有/無SCM、閘閥/球閥選項(xiàng)，確定本次仿真測試選用的可執(zhí)行程序，并指向其保存路徑，同時(shí)界面上顯示對應(yīng)的仿真模型圖。

(2)仿真參數(shù)輸入設(shè)計(jì)。VC 仿真參數(shù)輸入主要包括模型參數(shù)和仿真控制參數(shù)兩大類，并與模型參數(shù)文件和仿真控制參數(shù)文件內(nèi)容一一對應(yīng)。為了便于參數(shù)管理和操作方便，筆者設(shè)置兩個(gè)主對話框以分類輸入模型參數(shù)和仿真控制參數(shù)。此外，因水下閘閥執(zhí)行器和水下球閥執(zhí)行器的特征參數(shù)相同，不需區(qū)分輸入界面，實(shí)質(zhì)上仍只有3 個(gè)獨(dú)立的的仿真參數(shù)輸入界面。數(shù)據(jù)輸入界面上顯示對應(yīng)的仿真模型圖，以便于模型單元識別和仿真參數(shù)輸入。

下面以THPU 供液、含SCM 的水下閘閥測試系統(tǒng)仿真為例，進(jìn)行仿真參數(shù)輸入設(shè)計(jì)。仿真模型的數(shù)據(jù)輸入界面如圖3所示。由于測試仿真中模型參數(shù)眾多，則系統(tǒng)對參數(shù)進(jìn)行了分類設(shè)置，主要分為THPU、臍帶纜、SCM、水下閥、回路和附件6 類。其中THPU中只需設(shè)置蓄能器的預(yù)充壓力、預(yù)充溫度、環(huán)境溫度、初始?xì)怏w溫度和陸上電磁閥的啟閉控制參數(shù)，其他參數(shù)已固化在仿真模型中;回路主要包括圖2 中硬管7和補(bǔ)償器參數(shù);附件包含硬管1、硬管2、硬管3、軟管和節(jié)流閥2 參數(shù)。水下閥常用的閘閥和球閥兩大類已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，為此，建立“測試件庫”，對測試過的同廠家的同型號測試件，可直接調(diào)用相關(guān)參數(shù)，而不需重復(fù)輸入，若是新型號測試件，通過設(shè)置“增加”按鈕，在圖4 中輸入新型號測試件的相關(guān)參數(shù)，并保存在“測試件庫”里，以逐步豐富“測試件庫”。測試件庫中文件的參數(shù)順序和格式應(yīng)嚴(yán)格按照對應(yīng)模型參數(shù)文件的順序和格式存儲。同時(shí)，參數(shù)輸入具有記憶功能，每次默認(rèn)最后一次成功仿真過的參數(shù)值。系統(tǒng)在仿真參數(shù)輸入對話框中設(shè)置“保存”命令，點(diǎn)擊該命令后，VC軟件將更新同文件夾內(nèi)對應(yīng)模型參數(shù)文件和仿真控制參數(shù)文件內(nèi)參數(shù)值。

圖3 仿真模型的數(shù)據(jù)輸入(含SCM)

圖4 閘閥新型號數(shù)據(jù)輸入

(3)仿真運(yùn)行設(shè)計(jì)。VC 操作界面上設(shè)置“仿真運(yùn)行”按鈕，軟件通過ShellExecute 函數(shù)自動調(diào)用指定保存路徑下對應(yīng)的可執(zhí)行程序?？蓤?zhí)行程序運(yùn)行時(shí)，自動調(diào)用同目錄下的模型參數(shù)文件和仿真控制參數(shù)文件，同時(shí)，在同目錄下生成或更新仿真結(jié)果文件。從而實(shí)現(xiàn)兩套軟件的聯(lián)合仿真。

(4)仿真結(jié)果讀取設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)置讀取仿真結(jié)果對話框，以曲線方式直觀顯示結(jié)果參數(shù)的動態(tài)性能，方便對仿真結(jié)果的分析。

(5)傳感器參數(shù)采集。為了能觀察到實(shí)際測試中通過傳感器采集到的參數(shù)性能，系統(tǒng)設(shè)置“傳感器參數(shù)采集”對話框，調(diào)用由傳感器獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)文件，并以曲線方式直觀顯示傳感器采集到的參數(shù)值。

(6)結(jié)果對比。結(jié)果對比圖如圖5所示。用戶選擇不同的仿真輸出參數(shù)按鈕，則顯示相應(yīng)的仿真測試和實(shí)際測試對比圖(注:為了描述需要，圖5 中實(shí)際曲線為虛擬值，非實(shí)測值)。此外，系統(tǒng)可以以word 文檔形式記錄專用仿真測試軟件操作時(shí)所輸入的參數(shù)值、產(chǎn)生的圖形等信息，便于仿真測試后的數(shù)據(jù)分析和處理。

圖5 結(jié)果對比

5 淺水測試專用仿真測試軟件特點(diǎn)

所開發(fā)的專業(yè)仿真測試軟件具有如下特點(diǎn):

(1)對模型參數(shù)中的常量進(jìn)行了屏蔽，仿真測試時(shí)只需輸入變量參數(shù)，同時(shí)，通過“測試件庫”的建立和記憶功能的設(shè)置，減少了操作人員的輸入工作量。

(2)專用仿真測試軟件的功能進(jìn)行了拓展。專門建立了無SCM 仿真模型，可輔助水下生產(chǎn)裝備液壓控制單元設(shè)計(jì)及測試;通過對仿真模型、模型參數(shù)和VC輸入?yún)?shù)界面的局部調(diào)整還可用于擴(kuò)展出廠驗(yàn)收測試(EFAT)和系統(tǒng)集成測試的仿真測試或水下生產(chǎn)液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)操作簡單，對操作人員的專業(yè)化程度要求低。軟件可在無SimulationX 軟件環(huán)境中運(yùn)行，操作人員只需根據(jù)實(shí)際測試系統(tǒng)點(diǎn)選THPU/HPU、有/無SCM、閘閥/球閥選項(xiàng)，并依照軟件提示輸入仿真測試相關(guān)參數(shù)，然后點(diǎn)擊“仿真運(yùn)行”就可以得到仿真結(jié)果。仿真模型參數(shù)可從被測設(shè)備制造商提供的說明書獲取或淺水測試場實(shí)際操作參數(shù)獲取，而仿真控制參數(shù)主要是設(shè)置仿真時(shí)間、仿真步長、誤差控制等，亦可采用默認(rèn)形式，或根據(jù)測試需要適當(dāng)調(diào)整。

(4)由于淺水測試主要進(jìn)行低壓系統(tǒng)測試，該仿真測試軟件僅針對低壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試。高壓系統(tǒng)的仿真測試可采取同樣原理開發(fā)。

6 結(jié)束語

本研究在分析水下液壓控制系統(tǒng)的淺水測試原理和測試方法基礎(chǔ)上，利用SimulationX 軟件強(qiáng)大的建模特點(diǎn)和C 代碼輸出特點(diǎn)及VC 軟件便捷的界面操作和數(shù)據(jù)管理能力，開發(fā)出了水下液壓控制系統(tǒng)專用淺水測試仿真測試軟件。研制的仿真測試軟件可在無SimulationX 軟件環(huán)境中操作，并具有操作簡單、專業(yè)化程度要求低、重復(fù)工作量少等特點(diǎn)。此外，通過無SCM 的仿真模塊，可輔助水下生產(chǎn)裝備液壓控制單元設(shè)計(jì)及測試;若對模型、模型參數(shù)及VC 輸入?yún)?shù)界面的局部調(diào)整還可用于擴(kuò)展出廠驗(yàn)收測試(EFAT)和系統(tǒng)集成測試的仿真測試或生產(chǎn)液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于淺水測試場是一個(gè)系統(tǒng)工程，支撐本課題的淺水測試場還沒建立，目前難以獲取實(shí)測值。還需進(jìn)一步獲取實(shí)測值，通過與同本課題研究獲得的仿真測試值對比，以界定仿真測試結(jié)果的精度。

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