数控往复式潜油电泵故障监测和诊断系统的设计与应用

邵克勇 钱 坤 张凤武 刘远红 吴 宁 蒋召平 张力鹏

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江 大庆 163712；3.中国石油管道公司技术服务中心，河北 廊坊 065000)

数控往复式潜油电泵是针对低产低渗油田提出的一种重要的新型无杆采油技术，应用前景良好[1,2]。由于潜油直线电机在井下恶劣环境中连续工作时间短及抽油泵本身工况不佳等问题导致机组故障率相对较高，因此对其进行故障监测和诊断，对油田生产具有重要意义。目前还没有成熟的故障监测和诊断系统，有些学者的研究成果还处于实验室阶段。文献[3]提出一种基于支持向量机的工况诊断方法，建立了SVM工况诊断模型，并进行了仿真验证，但是并未设计实时故障诊断系统，在现场难以应用，有很大局限性；文献[4]以压力信号为主、流量信号为辅作为故障信息，应用小波神经网络技术进行故障诊断，设计了往复泵故障智能诊断系统，但是该方法只针对往复泵本身提出的，没有考虑潜油直线电机对往复泵的直接影响，并且需要在泵缸中安装传感器以实现实时监测，不便于深井中工作的潜油电泵使用。而现场技术人员通过经验诊断机组故障适应性差，不利于推广。基于此，笔者在对其工作机理深入研究的基础上，利用虚拟仪器作为其故障监测和诊断方法的平台，提出以功率信号作为故障信息，将LabVIEW与Matlab混合编程技术应用于系统的研发，使二者优势互补，实现了电参信号的采集、小波去噪及波形分析等功能，建立了故障监测和诊断系统，现场应用效果较好。

1 系统整体结构设计及其功能①

虚拟仪器是一种基于计算机的先进仪器，通过计算机软件和硬件仿真传统测量设备，是以数据采集、信号处理和图形显示为主，控制为辅的科学仪器[5,6]。笔者以虚拟仪器为基础，开发了往复式潜油电泵故障监测和诊断系统，并将测试系统采集的模拟信号通过信号传输设备送入计算机，以实现对信号的实时显示与分析处理。该系统分为硬件和软件两大部分，总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

1.1 硬件系统设计及其功能

1.1.1测试系统

测试系统的主要功能是完成对采油工艺运行过程中实时电压与电流信号的采集，其直接与地面高压变频控制柜相连，主要包括电压和电流互感器。二者是信号输入通道的首要环节，决定了整个测试系统的性能，可以把被测物理量转换为与之有确定对应关系并且容易检测的信号输出，以满足信息的传输、存储及分析等要求。因此选择互感器时，在满足测量范围、速度、精度、灵敏度和分辨率的情况下，还需考虑经济投入、相配电路是否方便及安全性能等因素。笔者综合考虑了以上方面，又结合井场工作平台环境恶劣和机组运行时故障信息丰富的特点，选用了抗外界干扰能力强、测量线圈精度为0.2的性价比较高的电压和电流互感器，现场应用效果较好。

1.1.2信号传输设备

系统设计成双通道并行输入，信号采集硬件外置，通过信号传输设备与计算机交换数据。笔者采用高精度USB-6008数据采集卡作为信号传输设备的主要组成，它是一种基于USB总线的采集卡，可直接与计算机的USB接口连接，构成数据采集、波形显示、信号处理和生产过程监测系统，具有信号调理、采样保持、A/D转换、模拟输入、模拟输出及数字I/O等典型功能；逐次逼近类型的转换器；10kS/s的采样率。

综上所述，硬件系统的设计即下位机设计，是以计算机为整个系统的中枢，以电压和电流信号采集为工作核心，负责对二者分通道采集、采样参数配置和信号调理，然后向上位机的数据库提供数据。因此首先要通过测试系统测取信号，然后信号传输设备进行信号调理和A/D转换，最后传输到计算机诊断系统中的数据库。为了方便现场应用，笔者将测试系统、信号传输设备和电源组成的硬件系统组装，形成便携式故障诊断仪器。

1.2 软件系统设计及其功能

软件平台的开发是整个监测与诊断系统的核心，笔者采取了模块化的编程思想，通过LabVIEW直观的图形化人机界面对信号进行采集，并在LabVIEW中使用Matlab script节点技术，调用Matlab中的小波函数程序对含噪信号进行降噪处理，这种混合编程的方式充分利用了二者的优点。根据实际需求设计参数标定、数据采集、数据处理和结果显示四大模块组成软件系统，并进行了调试和集成。现场应用效果表明：功率波形清晰，能够很好地反映机组工况。软件系统结构如图2所示。

图2 软件系统结构框图

数据采集模块是基于LabVIEW提供的DAQ和硬件测试仪器来实现信号采集、通道设置、数据显示和存储用户自定义测量系统，整合了机组实际信号、互感器与信号传输设备，采集互感器输出的模拟信号，通过数据采集卡将其转换为计算机可以识别的数字信号，送入计算机存储和处理，得到清晰的功率波形，并在人机界面显示，以实现对整个采油工艺故障的监测和诊断。数据采集程序如图3所示。

图3 数据采集程序

2 现场测试与分析

整个系统的软、硬件设计完成后，笔者针对数控往复式潜油电泵举升工艺在油田中常出现的卡泵和油管结蜡故障，在某油田油井区块，应用该系统对12口油井进行了工作状态监测，系统通过采集实时的电压电流信号，得到实时的功率信号，对于典型故障可以从功率信号的波形变化直观地判断。数据采集前面板显示的实时功率信号如图4所示。

调用Matlab小波去噪程序，并将潜油直线电机动子下冲程功率曲线翻折，设置采样频率500Hz，即每2ms采集一个点。每口油井采集500个冲次的数据，选择潜油直线电机类型、抽油泵泵径、控制柜参数设置及动液面等条件一致或近似的3口油井进行工况分析。当机组正常工作时，潜油直线电机动子在上、下冲程开始时会有一个较大的启动电流，导致功率波形在这两个位置会有正常的突变，随之动子平稳运行，不发生抖动或过载等不正常工况，上、下功率大小也符合机组在变频控制柜上的参数设置，机组正常运行时的功率波形如图5所示。

图4 机组功率实时信号

图5 机组正常运行波形

当机组发生卡泵现象时，动子电流会在卡泵位置突然变大，动子运行不平稳，导致功率波形发生明显变化，如图6所示，动子上行程在第281个采样点附近发生卡泵，功率变大；动子下行程在同一位置出现卡泵现象，功率波形变化更加明显。

图6 机组卡泵波形

当机组发生油管结蜡现象时，潜油直线电机动子在往复运行过程中，井液内析出堆积的蜡会使其增加一个全程的阻力，使电机动子载荷在整个过程中都超过了最大理论值，功率波形表现出明显的“肥胖”特征，同时增加了下行程的振动载荷，如图7所示。

图7 机组油管结蜡波形

故障诊断系统的应用，提高了机组运行的可靠性，延长了机组的使用寿命，卡泵和油管结蜡诊断准确率分别达到97.0%和98.0%，机组系统效率平均提高25.2%，平均检泵周期从224天提高到452天，并且实现了自动化管理，提高了工作效率。

3 结束语

笔者将机械故障诊断方法研究与虚拟仪器技术相结合，设计了数控往复式潜油电泵的故障监测和诊断系统。该系统不仅能对电压、电流数据进行采集、存储和查询，还通过Matlab script节点将LabVIEW与Matlab优势互补混合编程进行信号的小波去噪和波形分析，实现了故障监测和诊断功能。现场应用表明，该系统适用于井场平台环境，能够直观、准确地监测机组工作状态，做出故障预警。该系统针对卡泵和油管结蜡两种典型故障的诊断效果较好，满足了实际生产的需求，提出通过研究动子功率波形特征变化来实现故障监测和诊断，对机组是实用且有效的。对这一新型采油工艺的规模应用和故障诊断方法的深入研究具有积极意义。