基于VC 的SimulationX 二次開發(fā)及其在水下液控系統(tǒng)中的應用*

劉立新 ，蘇 鋒 ，肖仕紅，陳 斌，張汝彬，楊 安，徐著華

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451;2.西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500;3.四川海洋特種技術(shù)研究所，四川 成都 610043)

0 引言

隨著海洋油氣勘探開發(fā)從淺海發(fā)展到深水甚至超深水域，越來越多的海上油氣田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)屬于高風險和高技術(shù)領域，開發(fā)過程中幾乎不能容忍失敗，否則代價極其高昂［1］。作為一個復雜的系統(tǒng)工程，單靠傳統(tǒng)設計難以進行整體分析和評估，需借助計算機仿真技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)設計和優(yōu)化設計;此外，隨著水下控制路徑的不斷增加，傳統(tǒng)的測試難以模擬真實的控制系統(tǒng)和測試環(huán)境，無法準確驗證到貨系統(tǒng)的性能，需借助仿真測試驗證［2-3］。目前，中海油、浙江大學、中國石油大學等研究機構(gòu)主要利用AMESim 軟件或SimulationX 軟件進行水下液控系統(tǒng)的仿真研究［4-7］。AMESim 軟件無專門的水下液壓元件庫且軟件設計過程繁瑣，為此，中海油和浙江大學聯(lián)合對AMESim 軟件進行了二次開發(fā)。開發(fā)者根據(jù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)特點，在AMESim 軟件中將水下生產(chǎn)相關的液壓元件整合成獨立的模塊并封裝，建成水下液壓元件庫，并設計VB接口程序，從而開發(fā)出了專業(yè)的設計軟件平臺。但其開發(fā)工作量大，且相關開發(fā)軟件僅為少數(shù)研究者掌握。SimulationX 軟件是一款具有專門的水下仿真環(huán)境和相關水下液壓元件庫的仿真軟件，但該軟件人機交互性差，數(shù)據(jù)存取不方便，且專業(yè)化程度高，再加上SimulationX 仿真軟件目前在國內(nèi)應用較少，相關參考資料欠缺［8］。這對于水下液壓系統(tǒng)設計人員，特別是測試人員來說，很難掌握或工作量大。

為了讓更多人員方便進行水下生產(chǎn)設備的設計或測試工作，或者能把精力集中在設計和測試工作本身，本研究針對SimulationX 軟件和VC 軟件的特點，研究出基于VC 的SimulationX 軟件二次開發(fā)方法，并將其應用在水下液控系統(tǒng)中。

1 SimulationX 軟件特點及其二次開發(fā)流程

1.1 SimulationX 軟件特點

SimulationX 軟件采用功能模塊化建模策略、支持通用的建模語言Modelica和具有開放的外部接口，其接口使SimulationX 的模型與CAD、CAM、CAE 等軟件兼容。同時能提供模型導出功能，整個SimulationX 模型能以C 代碼形式導出，并可生成獨立的可執(zhí)行文件、具有固定文件名及文件類型的模型參數(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)。所生成的可執(zhí)行文件能夠在無SimulationX 軟件環(huán)境下運行。

然而，SimulationX 軟件建模及其參數(shù)設置需要較強的專業(yè)知識;同時，仿真模型參數(shù)眾多，而SimulationX 軟件中只默認一個輸入值，若與默認值不同，則需手工輸入，當被設計設備或被測設備的參數(shù)重復出現(xiàn)時易造成操作繁瑣，重復工作量大;此外，軟件輸出的結(jié)果文件以數(shù)值形式保存，不便于直觀展現(xiàn)結(jié)果變量的動態(tài)性能，且不便于文檔后期查閱、分析。

Visual C++是當前應用最廣泛的開發(fā)軟件之一，具有優(yōu)秀的界面設計和強大的數(shù)據(jù)處理和存取功能，開發(fā)出的程序可移植能力強。VC 軟件的優(yōu)勢可以用于彌補SimulationX 軟件的缺陷。因此，可通過VC 軟件進行SimulationX 軟件的二次開發(fā)，編制出有系統(tǒng)針對性的仿真分析或測試軟件。

1.2 基于VC 的SimulationX 二次開發(fā)流程

本研究通過分析SimulationX 軟件和VC 軟件特點，確定基于VC 的SimulationX 軟件的二次開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 軟件二次開發(fā)流程圖

2 SimulationX 二次開發(fā)在水下液控系統(tǒng)中的應用

不同油氣田，其水下液控系統(tǒng)不同，但基于SimulationX 二次開發(fā)的方法相同。本研究以分析水下基本液控系統(tǒng)中水下閘閥執(zhí)行器的壓力特性來優(yōu)選執(zhí)行器參數(shù)為例，進行SimulationX 二次開發(fā)設計。

2.1 水下液控系統(tǒng)特點及其仿真模型的建立

水下液控系統(tǒng)主要有直接液壓式控制系統(tǒng)、先導式液壓控制系統(tǒng)和復合電液控制系統(tǒng)三大類。其中，最復雜且深海開采中最常用的是復合電液控制系統(tǒng)，其液壓控制原理［9］為:液壓動力單元(HPU)出口的液壓液通過水面控制纜終端(TUTA)進入臍帶纜后到達水下分配單元，通過水下液壓分配單元分配后傳輸?shù)礁魃a(chǎn)設施上的水下控制模塊(SCM)(或再通過分支臍帶纜輸送至下一個水下分配單元后再傳輸?shù)絊CM)，然后由SCM 引出的液壓管線控制水下執(zhí)行器的運動，再通過執(zhí)行器控制對應的水下閥門的啟閉。不同的油氣田開發(fā)，其控制距離、水下井口布置、遠程控制閥門數(shù)等都不同，但其水下液控系統(tǒng)都是唯一的。不過，相同水下井口布置和遠程控制閥數(shù)可以建立相同的仿真模型。根據(jù)水下液控系統(tǒng)和建模的特點，水下液控系統(tǒng)仿真模型實際上是由基本液控系統(tǒng)模型［10］(該模型如圖2 所示)與分支模塊組成。圖2 中，基本液控系統(tǒng)模型包括HPU、節(jié)流閥(除了表示節(jié)流閥本身外，還可以用來表述液阻模型，如過濾器、接頭、彎頭等，TUTA、水下分配單元也可簡化為節(jié)流閥單元)、臍帶纜、水下蓄能器、水下電磁閥、水下閥和連接管線組成。復雜的液控系統(tǒng)只需在基本液控模型上增加水下蓄能器、水下電磁閥和水下閥等分支模塊。

圖2 水下基本液控系統(tǒng)模型

2.2 SimulationX 軟件輸出文件操作

本研究在SimulationX 軟件里建立了水下基本液控系統(tǒng)模型和設置完初始參數(shù)后，下一步需進行C 代碼輸出設置。開發(fā)的關鍵步驟如下:

(1)在SimulationX 菜單Export(輸出)命令中單擊“C-Code”(C—代碼)命令，則彈出的Code Export Wizard(代碼輸出向?qū)?操作界面如圖3 所示。

圖3 Code Export Wizard 界面

(2)確定Project Type(工程類型)。SimulationX軟件可輸出14 種工程類型，以滿足不同應用軟件和硬件的需求。本研究選用“Executable Model”(可執(zhí)行模型)工程，該工程可輸出帶求解器的C 代碼源程序，源程序經(jīng)過編譯后生成可執(zhí)行文件。

(3)設置Project 界面內(nèi)容。圖3 中，最左側(cè)列舉出了該工程實現(xiàn)C 代碼輸出所需完成的主要操作，中間部分則為工程類型，最右側(cè)主要由用戶根據(jù)測試需要確定的工程名稱、工程輸出路徑、求解器類型和數(shù)據(jù)輸出方式。SimulationX 提供了Sundials CVODE(外部求解器)、ITI Fixed-Step Solvers(固定步長求解器)和ITI Standard Solver(ITI 標準求解器)3 種求解器。外部求解器適用于沒有太多中斷的剛性模型，與其他求解器相比，求解速度更快;固定步長求解器主要用于測試模型的實時性能，用于實時仿真;ITI 標準求解器適用于非剛性和剛性模型，相對外部求解器，更適用于含有中斷的模型，計算的準備較快，但計算比外部求解器稍慢。數(shù)據(jù)輸出方式選擇框中有7 種方式，包含Save all(所有數(shù)據(jù))、Save equidistant(等最小輸出步長)、Last Value(最后結(jié)果)等方式。該實例設置的Project 界面內(nèi)容如圖3 所示，其工程名稱為“fangzhen”，求解器為“ITI Standard Solver”，數(shù)據(jù)輸出方式為“Save equidistant”。

(4)Inputs(動態(tài)參數(shù)輸入)界面內(nèi)容不適用于本工程類型，該界面不需設置，直接進入下一界面。

(5)設置Outputs(結(jié)果輸出)界面內(nèi)容，該界面如圖4 所示。圖4 的Elements(單元)框中列舉出了仿真模型中所有單元能動態(tài)輸出結(jié)果的變量，用戶可通過雙擊對應變量或鼠標拖曳到Selection(選擇框)里，以確定仿真最終輸出的結(jié)果變量。該界面列舉出的所有參數(shù)(未含表達式)都可被選擇，選項數(shù)不受限，但實際選擇的參數(shù)由本研究所關心的對象確定。該實例主要研究水下閘閥執(zhí)行器的壓力特性，則需選擇SCM 蓄能器壓力、執(zhí)行器開啟腔壓力、執(zhí)行器關閉腔壓力和執(zhí)行器位置作為輸出的結(jié)果變量。

圖4 Outputs 界面

(6)設置Parameters(參數(shù)輸出)界面內(nèi)容。Elements 框中列舉出了仿真模型中能參數(shù)化的所有參數(shù)，同Outputs 操作一樣，通過雙擊對應變量或鼠標拖曳到Selection 里。二次開發(fā)的仿真模型是固定模型，水下液控設備設計中需優(yōu)化的參數(shù)和測試系統(tǒng)中有變化的參數(shù)都需列舉在選擇框里。該實例的目的是優(yōu)選執(zhí)行器參數(shù)，則選擇執(zhí)行器參數(shù)作為Parameters 中的參數(shù)。在執(zhí)行第7 步前，需為所有仿真參數(shù)賦初始值，Parameters 定義外的參數(shù)值固化在仿真模型中(該實例中水下液控系統(tǒng)的主要參數(shù)［11］如表1 所示)。

(7)完成了前面的設置后，點擊Code Generation(代碼生成)命令?？梢杂^察到，在輸出目錄下產(chǎn)生了大量相關文件，這些文件可用于在目標平臺上的進一步處理，如編譯，鏈接等。其中，源代碼文件fangzhen.c包含了仿真模型的所有信息，Parameters.txt 記錄了Parameters 界面中選擇框里的參數(shù)符號及其賦值(Parameters.txt 文件內(nèi)容如圖5 所示，其參數(shù)初始值設置主要參考文獻［4］和SimulationX 軟件默認值，其數(shù)值單位為Parameters.txt 文件默認單位，如長度單位為m，壓強單位為Pa)，solversettings.txt 記錄了仿真控制參數(shù)中的相關信息。

表1 水下液控系統(tǒng)主要參數(shù)

圖5 Parameters.txt 文件內(nèi)容

(8)生成可執(zhí)行文件和仿真結(jié)果文件。計算機中需安裝VC 軟件作為開發(fā)平臺，將源代碼文件編譯為可執(zhí)行文件。有兩種編譯方法:第一種方法:如計算機中已安裝VS2010 軟件，則在“Complier”(編譯器)中選擇“Microsoft Visual C/C++2010”(支持從VC6 到VC2010 的所有版本)，再點擊“Build”(編譯)則可生成可執(zhí)行文件，之后點擊“Run”(運行)，則生成的可執(zhí)行文件自動調(diào)用包含Parameters.txt和solversettings.txt 文件，并生成Outputs1.txt 文件，記錄Outputs 中選擇框里確定的參數(shù)的動態(tài)變化值。第二種方法:直接打開Code Generation 命令生成的fangzhen.dsw 工程文件進入編譯平臺，調(diào)試編譯為可執(zhí)行仿真程序，再運行產(chǎn)生Outputs1.txt 文件。

2.3 VC 軟件開發(fā)設計

因可執(zhí)行文件在每次運行時都會調(diào)用模型參數(shù)文件和仿真控制參數(shù)文件，同時會產(chǎn)生或更新仿真結(jié)果參數(shù)文件。因此，筆者可通過修改模型參數(shù)文件和仿真控制參數(shù)文件參數(shù)值來完成不同設計參數(shù)的優(yōu)化或不同的測試系統(tǒng)。VC 操作軟件至少包括仿真數(shù)據(jù)輸入、仿真運行和仿真結(jié)果輸出3個功能模塊，其模塊對話框的設置需參照C 代碼輸出設置進行。

2.3.1 仿真數(shù)據(jù)輸入模塊設置

仿真數(shù)據(jù)輸入模塊輸入框的設置由C 代碼輸出的模型參數(shù)文件和仿真控制參數(shù)文件界定，包含文件中所有參數(shù)的輸入，可通過多個對話框分類實現(xiàn)。同時，對話框內(nèi)設置“保存”命令，當用戶點擊“保存”命令時，VC 更新同一文件夾的模型參數(shù)文件和仿真控制參數(shù)文件內(nèi)相應參數(shù)的數(shù)值。此外，軟件建立測試件模型庫，之前輸入過的測試件參數(shù)可以直接整體調(diào)入到數(shù)據(jù)輸入框中，以減輕輸入工作量。

2.3.2 仿真運行模塊設置

VC 軟件通過ShellExecute 函數(shù)來調(diào)用可執(zhí)行文件并運行，其調(diào)用命令為:

ShellExecute(NULL，_T(" open")，(FilePath1)，NULL，(FilePath2)，SW_SHOWNORMAL)

其中:FilePath1—可執(zhí)行文件路徑，F(xiàn)ilePath2—仿真結(jié)果輸出路徑。系統(tǒng)通過調(diào)用命令驅(qū)動可執(zhí)行文件運行，并讀取同目錄下的Parameters.txt 文件和solversettings.txt 文件，運行完成后在指定位置輸出或更新仿真結(jié)果文件。

2.3.3 仿真結(jié)果輸出模塊設置

本研究在仿真結(jié)果輸出模塊中設置圖形框，以顯示由SimulationX 軟件的Outputs 命令界定的結(jié)果變量曲線。同時設置有“圖像保存”按鈕，實現(xiàn)圖像的單獨保存。系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求設置多個仿真結(jié)果輸出界面，以便于分析對比。該實例仿真結(jié)果輸出界面可用于設置仿真結(jié)果輸出界面(同時顯示SCM 蓄能器壓力、執(zhí)行器開啟腔壓力、執(zhí)行器關閉腔壓力和執(zhí)行器位置曲線)和結(jié)果變量的多狀態(tài)單參數(shù)曲線輸出界面。

此外，二次開發(fā)軟件設置“結(jié)果保存”對話框，可以將與設計或測試相關的信息，如時間、對象、結(jié)果等信息以文字或圖片的形式保存在Word 文檔里，方便文檔后期查閱、分析。

2.4 水下液控系統(tǒng)仿真軟件應用實例

本研究按照2.2 節(jié)和2.3 節(jié)所研究的開發(fā)方法，開發(fā)出該實例的二次開發(fā)仿真軟件。操作者打開仿真軟件，在仿真數(shù)據(jù)輸入操作界面默認執(zhí)行器參數(shù)值和默認或修改仿真控制參數(shù)，然后點擊仿真運行操作按鈕，待仿真運行結(jié)束后，進入仿真結(jié)果輸出操作界面?？蛇x擇仿真結(jié)果輸出命令，操作界面上顯示本實例當前執(zhí)行器參數(shù)下水下閘閥執(zhí)行器的壓力特性(仿真結(jié)果輸出界面如圖6 所示)。

圖6 仿真結(jié)果輸出界面

其曲線變化趨勢與參考文獻［4］基本一致。操作者可通過分析所獲取的曲線特點判斷水下閘閥執(zhí)行器參數(shù)是否滿足水下液壓系統(tǒng)的要求。

此外，還可通過在仿真數(shù)據(jù)輸入操作界面上變換執(zhí)行器參數(shù)值，來優(yōu)選執(zhí)行器參數(shù)。如，修改執(zhí)行器彈簧預緊力大小，可獲取不同彈簧預緊力下執(zhí)行器的壓力特性，不同彈簧預緊力下執(zhí)行器的位置曲線如圖7所示。從圖7 中可以看出，在預緊力小于50 kN 時，執(zhí)行器不能完全關閉;預緊力大于160 kN 時，執(zhí)行器不能打開;預緊力在50 kN～160 kN 之間時，執(zhí)行器能夠完全打開并且完全關閉。則通過執(zhí)行器位置曲線初步確定彈簧預緊力取值區(qū)間為50 kN～160 kN。從圖7 中還可以看出，隨著預緊力增大，執(zhí)行器開啟時間變長，關閉時間縮短。再結(jié)合軟件生成的壓力曲線和彈簧疲勞壽命分析，則可快速優(yōu)選出彈簧預緊力。同理，還可以修改其他執(zhí)行器參數(shù)并分析相應結(jié)果曲線，實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)選。

圖7 不同彈簧預緊力下執(zhí)行器的位置曲線

3 結(jié)束語

鑒于SimulationX 軟件是一款具有專門的水下仿真環(huán)境和相關的水下液壓元件庫的仿真軟件，及其所具備的C 代碼輸出特性，結(jié)合VC 軟件強大的界面設計和數(shù)據(jù)處理能力，筆者研究出了利用VC 軟件進行SimulationX 軟件的二次開發(fā)方法，并編制了二次開發(fā)流程。

本研究以水下液控系統(tǒng)仿真為例，明確了SimulationX 軟件輸出文件的操作步驟，以及VC 三大功能模塊的設置內(nèi)容和方法，并進行了實例應用。其開發(fā)方法簡單、易行，開發(fā)出的軟件操作方便且易為一般人掌握，有助于水下生產(chǎn)設備的設計人員或測試工作人員的高效運用，加速水下生產(chǎn)裝備的國產(chǎn)化或安全運行。

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