井下儀器數字樣機半實物仿真分析*

秦小飛，馮永仁，鮑忠利，白曉煜，袁 飛

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

0 引 言

隨著油氣勘探日益深入，開發(fā)對象日益復雜，石油測井儀器對可靠性、智能化、時效性、一體化的要求越來越高，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井裝備是未來測井儀器發(fā)展的必然趨勢[1-4]。隨鉆地層測壓取樣儀(IFSA)可精確測量地層壓力，獲取完整地層樣品，是鉆井過程中唯一可以快速獲取地層真實樣品的隨鉆測井裝備。該儀器具有復雜的機械結構及液壓系統，機械零部件、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。

IFSA的設計過程涉及到機械、液壓、控制、電氣等多個學科領域，研發(fā)周期長，設計迭代誤差風險大。而機電一體化技術將各種高端信息技術和工業(yè)技術有機融合、應用，對實現智能制造具有重要意義[5]。機電一體化系統由傳感檢測、執(zhí)行機構、信息控制處理三個子系統組成，分別完成信息檢測、機械運動與信息控制工作，這種合理的分工使得機電一體化系統發(fā)揮出了最佳效果[6]。數字樣機技術是實現機電一體化的一個關鍵技術，它將多學科設計、建模和仿真融為一體，打破了石油機械設計的傳統方式，可以很好地解決石油機械產品開發(fā)設計中的技術難題，使得石油機械產品設計實現了質的飛躍[7-8]。數字樣機技術在石油領域的應用激起了廣大研究人員的熱情，劉振東[9]針對全液壓頂驅石油鉆井模型數字樣機進行了研究，韓雄等人[10]建立了隨鉆地層壓力測量裝置的數字樣機，張皓坤[11]研究了液力推進式鉆井工具的數字樣機設計。

機電一體化概念設計解決方案是適用于機電一體化產品概念設計的一種全新解決方案。通過使用該軟件，可以對機電一體化產品和多物理場進行3D建模和仿真分析。西門子機電一體化設計平臺(Mechatronics Concept Designer，MCD)可將機械、電氣、軟件等設計集成一體化，提高工作效率。并且大力專注于機械零部件、驅動器、傳感器和機械運動的設計。MCD的創(chuàng)新性設計，可以滿足日益提升的機械設計要求，提高生產效率，縮短設計周期，降低工作成本[12]。

本文建立了IFSA數字樣機，實現了對該儀器的機電一體化和多物理場的3D建模和仿真分析。

1 井下儀器數字樣機半實物仿真機理

井下儀器數字樣機半實物仿真基于MCD平臺，對IFSA(包括電動機帶液壓泵、推靠座封模塊、柱塞泵與閥模塊等工作系統)進行三維建模和仿真分析。通過MCD與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)之間通信控制，完成對真實電動機、泵、閥等虛擬監(jiān)控，如圖1所示。在MCD平臺上，通過建立實物產品的三維模型、定義物理屬性和運動屬性、創(chuàng)建運動仿真序列，實現虛擬仿真運動。通過博途V14 SP1(數控編程軟件)直接對MCD運動序列編譯控制程序，MCD中的輸出參數作為PLC中的輸入控制條件指令，PLC中輸出指令作為控制MCD運動狀態(tài)的輸入數據，再利用PROFINET(自動化總線標準)作為協助MCD與PLC完成數據傳遞的中間橋梁，最終實現MCD對隨鉆地層測試器的采樣運動狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 IFSA仿真機理

2 IFSA數字樣機的創(chuàng)建與仿真優(yōu)化

2.1 IFSA 數字樣機模型建立

利用IFSA數字樣機(包括電動機帶液壓泵、推靠座封模塊、柱塞泵與閥模塊)模擬井下儀器實際工作流程，建立1∶1的全三維數據模型，如圖2所示。利用MCD提供一個仿真平臺，該平臺可以模擬真實物體運動場景，定義物理屬性，再根據產品真實運動的實驗情況，對機械運動中的全部運動副、傳感器、平臺接口以及運動序列進行定義。三維模型創(chuàng)建過程中要求運動對象路徑必須與實際運動過程保持一致，為了方便查看仿真結果，在數字樣機建立過程中，創(chuàng)建產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)省更多時間。

圖2 IFSA 3D數字樣機模型

2.2 IFSA數字樣機仿真優(yōu)化

基于已完成的IFSA 三維模型，在MCD平臺上創(chuàng)建數字樣機，圖3為數字樣機創(chuàng)建的過程。

圖3 IFSA數字樣機創(chuàng)建過程

其中仿真序列中的每一個動作構成了MCD數字樣機中的控制元素。仿真序列的創(chuàng)建過程可以預設真實運動參數，便于快速觀察運動過程，稱為基于時間的仿真。雖然仿真中參數的設置對機械運動的跟蹤效果良好，但是每個模塊的具體地址仍然無法獲得。因此在物理對象的運動方式中選擇位置控制器，根據參數列表，選擇需要賦值的參數進行設置。為了改變參數，需要同時創(chuàng)建條件語句來確定觸發(fā)時間。這種優(yōu)化設計使得在博途中創(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)境下位程序設計

采用博途V14 SP1直接編譯運動控制程序，實現PLC與MCD的快速通訊，從而實現MCD對機械物體真實運動狀態(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)長度數量按實際項目需求選擇，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。變量設置的存儲大小為4個字節(jié)，人機接口(HMI) 是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它是可讀寫、可訪問和可見的。

圖4為IFSA三維數字樣機模型。根據MCD數字樣機運動序列中的對象，在PLC的功能塊(PLC Block塊)中完成對應的邏輯程序編寫，該程序為PLC對MCD數字樣機邏輯控制程序，本項目通過PROFINET協議對樣機進行實時控制。

2.4 IFSA數字樣機的數據通信匹配

本項目虛擬調試直接采用西門子PROFINET協議，該協議支持MCD數字樣機與PLC信號匹配，通過數據線可實現數據的雙向傳遞，為了更加方便直觀地完成PLC對MCD數字樣機的直接控制，通過博途自帶的WinCC功能模塊，模擬了一個HMI界面，HMI界面可以實現人與計算機之間建立聯系、交換信息，便于PLC迅速發(fā)出控制指令，實現快速控制。圖5為模擬的HMI界面，通過此界面，就可以快速控制電機轉軸、活塞等的運動狀態(tài)。

圖5 模擬HMI界面

了解IFSA在井下運動的真實控制機理，將IFSA在井下的真實運動情況編寫成程序，在MCD中建立三維模型的運動狀態(tài)。然后在MCD中創(chuàng)建信號，添加根據真實設備機理分析而來的信號，建立仿真序列，通過輸入信號的模擬，控制機構的各種運動，模擬真實的機構通電執(zhí)行操作的邏輯，建立運行時表達式，控制輸出信號，使得機構能夠順利進行下一步運動，便于PLC對MCD進行控制。

圖6為IFSA半實物仿真過程。利用HMI界面操作PLC發(fā)出控制信號，直接對MCD數字樣機發(fā)出控制指令，MCD數字樣機把接受信號轉換成具體仿真運動，控制模型機構的各種運動，模擬儀器井下真實運動狀態(tài)。同時，通過HMI界面也可以實時監(jiān)控數字樣機中的對象運動裝填狀態(tài)，實現運動狀態(tài)反饋，有利于PLC對MCD中模型進行運動控制。從而實現MCD數字樣機與PLC連接、虛擬調試以及自動化控制。

圖6 半實物仿真過程

3 結 論

1)采用博途V14 SP1直接對MCD運動序列編譯控制程序，利用PROFINET作為完成MCD與PLC數據傳遞的中間橋梁，實現PLC與MCD的快速通訊，最終實現了MCD對真實機械物體的運動狀態(tài)的實時監(jiān)控。

2)對MCD數字樣機進行了仿真優(yōu)化，既實現了對機械運動很好的跟蹤效果，又可以獲取每個模塊的具體地址數據，使得在博途中創(chuàng)建PLC控制邏輯更加方便，更好地實現了PLC與MCD的快速通訊。

3)運用博途自帶的WinCC功能模塊，模擬了一個HMI界面。PLC通過HMI可直接對MCD數字樣機發(fā)出控制指令，最終實現了MCD數字樣機與PLC連接、虛擬調試以及自動化控制。

4)井下儀器數字樣機半實物仿真技術真正意義上實現了傳統實物生產驗證向半實物虛擬驗證轉化的目標，它既打通了機械設計、電氣設計、自動化控制等不同領域難以協作的壁壘，又采用統一的軟件平臺，避免了不同部門之間數據信息傳遞需要轉換的尷尬，保證了數據信息的準確性和完整性，促進了測井領域向數字化設計制造方向的快速發(fā)展。