數據驅動的抽油機井實時故障診斷實驗平臺

曹玉蘋, 鄧曉剛, 田學民, 陳鴻龍

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

數據驅動的抽油機井實時故障診斷實驗平臺

曹玉蘋, 鄧曉剛, 田學民, 陳鴻龍

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

介紹了游梁式抽油機井的典型故障,設計了一套基于數據的抽油機井實時故障診斷實驗平臺。該實驗平臺利用施耐德電氣公司的可編程邏輯控制器采集抽油機井參數,利用上位機繪制示功圖,根據示功圖實時監控抽油機井運行狀態,對故障狀態進行報警并診斷故障類型。該實驗平臺涵蓋了抽油機井的數據采集、處理、顯示、報警和電動機的變頻調速等內容,有助于學生深入理解測控系統設計方法和PID控制算法、掌握測控技術在采油過程中的應用,有利于培養學生的工程實踐能力。

抽油機井； 故障診斷； 測控系統； 可編程邏輯控制器； 變頻調速

數據驅動的故障診斷技術起源于20世紀90年代,是近年來國內外的研究熱點[1-5]。生產過程的自動化系統采集并存儲了大量測量數據,數據驅動的故障診斷技術利用測量數據監控過程和設備的運行狀態,對異常情況進行報警并識別故障類型。作為先進過程控制技術,其應用已涉及石油化工[6]、冶金[7]、注塑[8]、機械加工[9]和交通[10]等領域。

抽油機井是開采石油的重要生產裝置,對國民經濟的發展和社會的穩定具有非常重要的戰略意義[11]。目前,國內高校教學中應用的抽油機井實驗平臺較少。針對無游梁長沖程抽油機,文獻[12]構建了基于DriveLogix的教學實驗模型。為了建設多功能、綜合性的實驗和科研平臺,文獻[13]研制了采油機械綜合性能測試實驗裝置。結合無線傳感器網絡,文獻[14]設計了抽油機井監控實驗平臺。

抽油機井一般散布在野外露天作業,分布廣、干擾多、能耗大。對抽油機井進行實時故障診斷及時發現故障工況,避免造成設備損毀、人員傷亡和環境污染。我校的電類專業具有石油特色,為了使學生熟悉石油開采過程、增強工程實踐能力[15],結合承擔的國家自然科學基金項目“基于數據驅動的抽油機井實時故障診斷方法研究”和山東省自然科學基金項目“有桿抽油系統井下故障實時診斷方法研究”,本文設計了數據驅動的抽油機井實時故障診斷實驗平臺。所設計的實驗平臺將數據驅動的故障診斷技術應用到采油過程,實現抽油機井運行狀態監控、故障檢測、故障識別以及電動機的變頻調速。該實驗平臺涉及傳感器技術、計算機控制技術和數據驅動的故障診斷技術等,為自動化、測控技術與儀器和電子信息工程等專業的學生深入學習和理解相關技術提供了條件。

1 游梁式抽油機井的典型故障

目前我國陸上油田約有14萬口機械抽油機井,其中游梁式抽油機井應用最廣泛,約占80%以上。游梁式抽油機井[16]由3部分組成:地面部分為游梁式抽油機；井下部分為抽油泵；連接抽油機和抽油泵的中間部分為抽油桿柱,系統結構示意圖如圖1所示。地面的電動機通過皮帶拖動減速箱,減速箱帶動曲柄低速旋轉,曲柄通過連桿和游梁拉動懸點上下運動,懸點再通過懸繩和抽油桿帶動井下的抽油泵柱塞上下運動,從而將地下數千米的原油抽汲到地面。

圖1 游梁式抽油機井的組成

抽油機井規模龐大、結構復雜、工作環境惡劣,常見故障有固定凡爾漏失、游動凡爾漏失、雙凡爾漏失、抽油桿斷脫、油井結蠟、深井泵受氣體影響、供液不足、油管漏失和油井出砂等。隨著數字油田建設的推進,抽油機井實時運行數據被采集和存儲起來。數據的用途僅局限于統計報表和簡單監視,抽油機井的狀態監控和故障診斷主要依賴于定期采集的地面示功圖[16-17]。地面示功圖是抽油機懸點位移和載荷之間的閉合曲線圖,懸點載荷包括抽油桿柱自重、油管內柱塞上的油柱重、油管外油柱對柱塞下端的壓力、抽油桿柱和油柱運動所產生的慣性載荷和振動載荷、柱塞和泵筒間、抽油桿和油管間的摩擦力,抽油桿和油柱間、油柱和油管間以及油流通過抽油泵游動閥(排出閥)的液體摩擦力。抽油機井正常運行狀態和7種典型故障運行狀態下的地面示功圖如圖2所示。從圖中可以看出，不同運行狀態下的示功圖具有明顯的形狀差異,如圖2(a)正常工況示功圖為一近似的平行四邊形；圖2(b)固定凡爾漏失情況下示功圖的增載線比卸載線陡,圖形的左下角變圓,右上角變尖,而且漏失越嚴重,圖形的左下角變得愈圓,右上角變得愈尖；圖2(h)為油管漏失情況下示功圖,圖形面積減小,載荷下降,面積與正常功圖時的面積相比是平行減少,最大載荷線下降,最小載荷線不變。因此,可以利用實時采集的數據在線繪制示功圖,基于示功圖檢測和識別抽油機井故障。

2 實驗平臺設計

本文所設計的抽油機井故障診斷實驗平臺的總體結構示意圖見圖3,主要包括抽油機井實驗模型、傳感器、可編程邏輯控制器、觸摸屏、上位機和變頻器。我校的“中國石油大學-施耐德電氣油氣生產聯合實驗室”,建設了8套采油過程抽油機井實驗裝置,如圖4所示。抽油機井采用CYJ-I-2型游梁式抽油機模型和Y90S-6型三相異步電動機,可編程邏輯控制器采用施耐德ModiconM340,變頻器采用施耐德ATV71系列,觸摸屏采用施耐德XBTGT系列,上位機顯示和處理軟件利用Unity Pro V 3.1開發。上位機和觸摸屏與可編程邏輯控制器之間的通信、可編程邏輯控制器與變頻器之間的通信通過以太網實現,可編程邏輯控制器與傳感器之間的通信采用Modbus協議。

圖2 游梁式抽油機井不同工況下的示功圖

圖3 抽油機井實時故障診斷實驗平臺總體結構示意圖

圖4 抽油機井實驗裝置

在上位機上制作具有顯示和控制功能的操作員界面、編制故障診斷程序。操作員界面不僅顯示測量參數,而且包含示功圖形狀顯示、故障報警顯示和故障類型顯示。抽油機井實時故障診斷流程圖見圖5。利用抽油機井正常運行狀態和典型故障狀態下的示功圖建立狀態類型庫。進行實時故障診斷時,首先采集實時測量數據,并對數據進行濾波等預處理。然后利用載荷和位移繪制實時示功圖,基于支持向量機方法和示功圖判斷當前運行狀態所屬的類型。如果當前示功圖屬于正常運行狀態,繼續采集下一時刻的數據并進行處理。如果當前時刻屬于某一種故障狀態,發出故障警報并顯示故障類型,繼續采集下一時刻的數據并進行處理。其中,故障診斷方法也可以采用神經網絡等其他方法。

圖5 抽油機井實時故障診斷流程圖

本文所設計的抽油機井實時故障診斷實驗平臺的工作過程如下:可編程邏輯控制器ModiconM340通過模擬量輸入接口采集載荷、位移和電動機轉速3個傳感器數據,通過以太網將這3個測量數據實時傳輸給上位機；上位機利用載荷和位移數據在線繪制示功圖,利用故障診斷方法和示功圖判斷抽油機井的運行狀態；如果抽油機井處于故障運行狀態,操作員根據故障類型調整電動機轉速或停車,上位機將電動機轉速的給定值通過以太網發送給可編程邏輯控制器ModiconM340；ModiconM340利用內置的PID控制器計算出控制量,并通過數字量輸出通道和以太網將控制量發送給變頻器ATV71,ATV71通過電動機控制器Tesys U實現電動機的轉速控制。

3 結束語

本文根據石油院校自動化等專業的石油特色,結

合先進控制技術,設計了一套基于數據的抽油機井實時故障診斷實驗平臺。該平臺能夠實現抽油機井的實時故障檢測、故障識別和電動機的轉速控制。實驗內容涵蓋了傳感器、數據采集、數據傳輸、參數和曲線顯示、基于數據的故障診斷和電動機的變頻調速控制等。該實驗平臺有助于石油院校自動化等專業的學生深入學習測控技術在采油過程中的應用、熟練掌握測控系統設計方法。該實驗平臺不僅可以用于本科生的課程設計,也可以用于故障診斷方法的驗證,為本科生和研究生的科技創新提供條件。

References)

[1] 周東華,劉洋,何瀟.閉環系統故障診斷技術綜述[J].自動化學報,2013,39(11):1933-1943.

[2] 李晗,蕭德云.基于數據驅動的故障診斷方法綜述[J].控制與決策,2011,26(1):1-9.

[3] 田學民,曹玉蘋.統計過程控制的研究現狀及展望[J].中國石油大學學報:自然科學版,2008,32(5):175-180.

[4] Qin S J.Surveyon Data-Driven Industrial Process Monitoring and Diagnosis[J].Annual Reviews in Control,2012,36(2):220-234.

[5] Ge Z,Song Z,Gao F.Reviewof Recent Research on Data-Based Process Monitoring[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2013,52(10):3543-3562.

[6] 張妮,田學民,蔡連芳.基于RISOMAP的非線性過程故障檢測方法[J].化工學報,2013,64(6):2125-2130.

[7] 唐明珠,王岳斌,陽春華.一種改進的支持向量數據描述故障診斷方法[J].控制與決策,2011,26(7):967-972.

[8] 李康.基于多元統計的注塑成型過程監測與故障診斷平臺[D].沈陽：東北大學,2011.

[9] 張家良,曹建福,高峰,等.基于非線性頻譜數據驅動的動態系統故障診斷方法[J].控制與決策,2014,29(1):168-171.

[10] 楊江天,趙明元.改進雙譜和經驗模態分解在牽引電機軸承故障診斷中的應用 [J].中國電機工程學報,2012,32(18):116-122.

[11] 何耀春,趙洪星.石油工業概論[M].北京:石油工業出版社,2006.

[12] 張榮嶺,葉雪榮,李劍鋒,等.基于DriveLogix的新型長沖程抽油機教學實驗模型[J].實驗室研究與探索,2009(11):50-52.

[13] 職黎光,魏航信.石油采油機械綜合性測試實驗裝置研制與應用[J].實驗技術與管理,2012,29(11):63-64.

[14] 陳鴻龍,涂玲,孫良,等.基于無線傳感器網絡的抽油機監控實驗平臺[J].實驗技術與管理,2014,31(9):95-97.

[15] 孟令雅.自動控制理論課程設計探索[J].實驗技術與管理,2013,30(2):182-184.

[16] 孫振華.游梁式抽油機采油系統實時評價方法研究 [D].青島：中國石油大學(華東),2011.

[17] 朱青青.游梁式抽油機井下工況監測方法研究 [D].青島：中國石油大學(華東),2009.

An experimental platform for data-driven real time fault diagnosis in rod pumped wells

Cao Yuping, Deng Xiaogang, Tian Xuemin, Chen Honglong

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,China)

Typical faults of rod pumped wells are introduced,and an experimental platform for data-driven real-time fault diagnosis in rod pumped wells is designed.For the designed experimental platform,the programmable logic controller of Schneider Electric Company is used to collect parameters of rod pumped wells,and the dynamometer cards are drawn on a personal computer.The status of rod pumped wells can be monitored based on the dynamometer cards,a fault alarm and its type can be signaled when a fault is detected.Data acquisition,processing,display and alarm of rod pumped wells,and frequency control of motors are covered in the experimental platform.The designed experimental platform will help students to understand the design method of measurement & control system and the PID control algorithm,master the application of measurement & control technology in the oil extraction process,and cultivate the students’ engineering practical ability.

rod pumped well; fault diagnosis; measurement & control system; programmable logic controller; frequency control

2015- 01- 21 修改日期：2015- 03- 09

國家自然科學基金項目(61273160，61403418)；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目(BS2012ZZ011)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(14CX02174A)；中國石油大學(華東)實驗教改重點項目(SY-A201407)

曹玉蘋(1982—)，女，山東單縣，博士，講師，研究方向為過程故障診斷和預報.

E-mail：caoyp@upc.edu.cn

TN925；G484

A

1002-4956(2015)9- 0099- 04