基于LabVIEW的船用張緊器仿真平臺(tái)研究

摘 要：張緊器作為海底管道鋪設(shè)的重要設(shè)備，其動(dòng)態(tài)行為對(duì)管道鋪設(shè)有著直接的影響。本文以鋪管起重船“海洋石油201”張緊器為研究對(duì)象，針對(duì)實(shí)船張緊器恒張力控制的特點(diǎn)，給出了張緊器仿真平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。最后進(jìn)行了仿真平臺(tái)的功能測(cè)試，結(jié)果表明仿真平臺(tái)達(dá)到對(duì)張緊器工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。

關(guān)鍵詞：張緊器；虛擬儀器；恒張力控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.140

1 引言

在深海油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，海底管道是海洋石油天然氣運(yùn)輸?shù)闹匾?，張緊器則是完成該項(xiàng)作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，它負(fù)責(zé)將已焊接好的管道夾緊并控制其下放入水，此過(guò)程要求張緊器能夠?qū)崿F(xiàn)恒張力控制[1-3]。

本課題是根據(jù)國(guó)家科技重大專項(xiàng)深水鋪管起重船及配套工程技術(shù)課題的子課題：深水鋪管起重船作業(yè)視景仿真技術(shù)研究而制定的研究計(jì)劃[2，3]。論文根據(jù)鋪管作業(yè)中張緊器工藝流程，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出一套能夠動(dòng)態(tài)模擬實(shí)船張緊器工作的仿真平臺(tái)，并對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行功能性分析[4]。

2 仿真平臺(tái)總體方案

2.1 仿真平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)方案

本仿真平臺(tái)主要用于模擬“海洋石油201” 船用張緊器的實(shí)際作業(yè)，以達(dá)到對(duì)張緊器操作員的培訓(xùn)功能。仿真平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

2.2 仿真平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)方案

張緊器仿真平臺(tái)軟件由人機(jī)交互界面模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、張緊器仿真模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。仿真平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2。

3 仿真平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）張緊器控制臺(tái)臺(tái)體。張緊器控制臺(tái)是連接張緊器主控服務(wù)器與外圍的仿真設(shè)備、向鋪管仿真作業(yè)發(fā)送控制命令和管理張緊器動(dòng)態(tài)行為從而保證鋪管作業(yè)正常運(yùn)行的重要設(shè)備。（2）數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡將外界信號(hào)輸入至計(jì)算機(jī)并被計(jì)算機(jī)所利用[5，6]。最終選取研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1751和PCI-1711。（3）張緊器主控服務(wù)器。張緊器主控服務(wù)器是整個(gè)仿真平臺(tái)最核心的部分，其主要功能是在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)出一套能夠模擬張緊器作業(yè)且能反映其動(dòng)態(tài)行為的應(yīng)用軟件。本仿真平臺(tái)最終選用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC-610-L。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

（1）數(shù)據(jù)采集。其組成為：張緊器控制臺(tái)開(kāi)關(guān)、高精密角位移傳感器、D/I采集卡PCI-1751和A/D采集卡PCI-1711、張緊器主控服務(wù)器和采集測(cè)試軟件LabVIEW。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。仿真平臺(tái)需要記錄的歷史數(shù)據(jù)為：管道線速度、管道實(shí)時(shí)張力、管道目標(biāo)張力值。實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真作業(yè)中的有效數(shù)據(jù)的記錄。

3.2.2 人機(jī)交互界面顯示模塊

人機(jī)交互界面上包括著系統(tǒng)的控制指令，操作者通過(guò)它對(duì)仿真平臺(tái)控制，設(shè)置自動(dòng)控制參數(shù)、鋪管管徑、上下履帶間距等作業(yè)物理參數(shù)。同時(shí)人機(jī)交互界面顯示了張緊器仿真作業(yè)中的所有數(shù)據(jù)。

4 仿真平臺(tái)功能測(cè)試

仿真現(xiàn)場(chǎng)三人分別為右后方教練員、左后方指揮員與張緊器操作員，正前方為視景投影顯示，通過(guò)切換機(jī)以任意切換想要觀看的視景畫面，用于給其他學(xué)員觀看。

經(jīng)過(guò)多次張緊器仿真平臺(tái)的測(cè)試以及和整體鋪管仿真系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)仿真作業(yè)運(yùn)行穩(wěn)定，視景顯示畫面流暢，整個(gè)作業(yè)過(guò)程中未出現(xiàn)系統(tǒng)卡死等不良現(xiàn)象，驗(yàn)證了仿真平臺(tái)整體方案的可行性。

5 結(jié)論

本文給出了仿真平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，采用LabView編程完成了對(duì)張緊器控制臺(tái)控制按鈕、角位移傳感器模擬信號(hào)的采集以及仿真數(shù)據(jù)的通信，并實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)、仿真數(shù)據(jù)的平滑處理、顯示與存儲(chǔ)。最終達(dá)到對(duì)張緊器工作及操作過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。

參考文獻(xiàn)：

[1]何寧，王桂林，段夢(mèng)蘭等.深水油氣田開(kāi)發(fā)中的中深水輸送概念[J].石油工程建設(shè)，2010（03）：33-38.

[2]Jackson M E，Gnadt J W.Numerical simulation of nonlinear feedback model of saccade generation circuit implemented in the LabView graphical programming language[J].J Neurosci Methods，1999，87（02）：137-145.

[3]Heedo D Yun，Ralf R Peek，Paul R Paslay，etal.Loading history effects for deep-water S-lay of pipelines.Journal of Offshore Me-chanics and Arctic Engineering，2004，126（02）：156-163.

[4]張立克，常建軍.工控機(jī)的現(xiàn)狀與前景[J].水利電力機(jī)械，2007，29（01）：65.

[5]陳春平.數(shù)字繪圖中曲線擬合算法的研究[J].城市建設(shè)理論研究，2013（16）：35-50.

[6]王力.基于LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：李琳杰（1990-），女，陜西咸陽(yáng)人，碩士，助教，研究方向：機(jī)電一體化方向。