面向復雜工況模擬與識別的有桿抽油系統仿真平臺開發

鄧曉剛，楊明輝，孫 良，朱青青

（1. 中國石油大學（華東）控制科學與工程學院，山東 青島 266580；2. 青島黃海學院，山東 青島 266427）

有桿抽油系統是石油生產過程中的重要裝置，是石油類高校中石油工程、自動化、電氣工程及自動化等多個專業研究的典型工藝對象[1]。然而，由于該類系統工藝復雜，開發相關實驗裝置不但成本較高，而且難以模擬復雜的井下運行工況，無法滿足實驗教學需求。

近些年來，虛擬仿真實驗系統的開發逐漸成為國內各類高校實驗室建設和教學改革的熱點，大批虛擬仿真實驗中心的建立在豐富實驗教學資源、提高學生實踐能力方面發揮了重要作用[2]。目前的虛擬仿真資源建設基本上可以分為兩種模式：虛擬為主型、虛實結合型。虛擬為主型側重于各類復雜工業系統和裝置的純虛擬實現，應用虛擬現實、可視化交互等技術實現虛擬仿真，幫助學生開展過程漫游，這類系統無須配套實驗裝置，多用于學生實習、實訓[3-4]。虛實結合型立足于現有實際實驗裝置，進一步融合虛擬仿真技術實現常規實驗裝置無法實現的復雜功能，主要側重于學生課程實驗、創新性項目研究等。本文所研究的系統屬于后一種模式[5-6]。

筆者所在高校的油氣生產自動化實驗室建有8套實驗裝置，可以滿足學生在正常工況模擬和系統閉環控制方面的基本實驗需求。但是，目前仍然存在裝置數量有限、難以模擬復雜工況，尤其是井下故障工況的問題。針對該問題，本文提出一種基于機理建模的有桿抽油系統虛擬仿真實驗平臺開發方法。該方法通過工藝機理分析建立有桿抽油系統的數學模型，實現對多種復雜井下故障工況的仿真，并利用 MATLAB和LabVIEW混合編程方式開發相應的虛擬實驗平臺，在該平臺上還進一步開發了工況分類模塊，為學生開展創新性實驗研究提供基本條件。

1 有桿抽油系統機理建模、工況模擬與工況識別

1.1 機理建模

有桿抽油系統中最常見的游梁式裝置包括地面設備和井下設備兩個子系統，系統整體結構如圖1所示。地面的電動機通過皮帶和減速器帶動曲柄做勻速圓周運動，利用四連桿機構將曲柄的旋轉運動轉化為游梁的上下往復運動，帶動井下的抽油泵柱塞運動，從而不斷將井中的原油抽汲到地面。

建立有桿抽油系統的動態數學模型有助于對抽油機井的運動規律進行分析[7-9]。對地面系統建模時，主要是建立四連桿結構的運行模型。根據機械系統的動力學理論，地面系統的運動規律最終可以簡化為一個關于曲柄的動力學模型，其表達式為：

圖1 有桿抽油系統結構示意圖

其中，Je表示曲柄上的等效轉動慣量，Med表示曲柄上的等效驅動力矩，Mef表示曲柄上的等效阻力矩，θ表示曲柄轉角。

抽油桿柱是井下系統的主要部件，建立抽油桿柱的動力學模型是整個井下單元建模的關鍵。抽油桿柱的數學模型為：

其中，u表示抽油桿的截面x在時間t的位移，c為聲波傳遞速度，v為阻尼系數。

其中，Er為抽油桿材料的彈性模量，ρr為抽油桿材料密度，Ar為抽油桿橫截面積，ve為單位長度抽油桿黏滯阻尼因子。本文采用有限差分法對上述模型進行求解[9]。

1.2 復雜工況模擬

有桿抽油系統常見的故障類型包括供液不足、油管漏失氣影響、抽油桿斷脫等。這些故障一旦發生，將降低采油效率、損壞采油設備，甚至造成嚴重的油井生產事故。以供液不足工況為例，該工況發生時抽吸過程中井下液體不能充滿泵筒，當下沖程開始時，抽油桿負荷不是立即減少，而是運動一段時間后再減少，最終導致卸載時間延遲，形成刀把狀示功圖。整個過程可以用如下方程大致描述：

其中， W(t) 表示實時的負荷，[t1,t2]表示下沖程起始段中負荷基本保持不變的時間段，W(t1) 表示起始負荷，W(t0) 表示正常工況下的負荷。

再以泵上碰工況為例進行分析。當上沖程結束前，柱塞滑桿并帽和泵頭相碰撞，導致柱塞液體負荷突然增加，在示功圖上形成右上角的尖峰負荷，其對應的簡要數學描述如下：

其中， [t3,t4]表示上沖程末段時間區，Wf表示在該時間段內增加的負荷。

1.3 工況識別算法

有桿抽油系統的工況實時識別對系統運行狀態的安全監控和效益提升具有重要意義。實際應用中，研究人員多采用基于數據挖掘和分析的工況識別方法，涉及數據特征分析、模式識別、人工智能等多個領域的知識。

本文討論一種基于極限學習機（ELM）的有桿抽油系統工況識別方法。極限學習機是一種近些年來提出的人工神經網絡方法[10-11]。該類網絡具有單隱層前饋結構，相比于傳統的神經網絡，具有訓練速度快、泛化能力強的優勢。

式中， g (?)表示隱含層的激活函數，M表示隱含層神經元個數，ωi和bi分別表示第i個隱含層節點的輸入權值和偏置，βi表示第i個隱含層節點輸出權值向量，tj表示標簽yj的估計值。

對于ELM網絡而言，ωi、bi通過隨機初始化設置，優化目標在于求解βi。整個優化過程可以通過最小化如下代價函數來完成：

求解式（8）可以得到網絡的輸出權值，表達式如下：

2 基于MATLAB和LabVIEW混合編程的虛擬仿真平臺

2.1 整體框架設計思路

本文采用MATLAB和LabVIEW混合編程的方式來開發有桿抽油系統虛擬仿真平臺。MATLAB是Mathworks公司出品的科學計算軟件[12]，在系統建模、矩陣運算、算法測試等方面具有獨特的優勢。MATLAB軟件的缺點在于界面編程能力較弱，人機交互系統設計相對繁瑣，不利于虛擬仿真平臺界面的開發。LabVIEW軟件作為一款圖形化編程軟件[13]，使用圖形化編程語言編寫程序，提供了很多外觀與傳統儀器類似的控件，能夠幫助用戶快速開發人機交互界面。因此，充分融合MATLAB和LabVIEW軟件各自的優勢，能夠為開發虛擬仿真系統提供強有力的技術支撐。

基于MATLAB和LabVIEW混合編程的虛擬仿真平臺總體框架如圖2所示，包括前臺界面開發和后臺程序設計。前臺界面開發基于 LabVIEW 軟件完成，主要負責顯示工藝圖形、配置裝置參數、顯示運行曲線、完成仿真設置等工作；后臺程序設計主要在MATLAB軟件中完成，包括系統機理模型的仿真編程、故障工況現象測試、工況識別算法設計等。后臺程序編制完成后，首先在MATLAB中進行充分測試，測試完成后轉移至LABVIEW MathScript節點中，通過MathScript節點供LabVIEW前面板調用。

圖2 虛擬仿真系統結構框圖

2.2 前臺人機交互界面開發

前臺人機交互界面的主要作用是為學生提供直觀的系統結構顯示，同時給出參數輸入接口供學生測試不同參數對運行結果的影響。有桿抽油系統仿真平臺的前臺人機交互界面包括4個單元：參數設置單元、工藝圖示單元、實時曲線單元、運行工況識別單元。參數設置單元包括仿真參數設置、機理參數設置、運行參數顯示3個部分，前兩者使用數值輸入控件，后者使用數值顯示控件。仿真參數設置單元涉及兩個參數：“工況類型參數”用于設置不同運行模態；“仿真速度”可以改變系統運行速度，默認值為 1，對應真實系統的運行速度。機理參數設置單元包括沖程、泵徑、沖次、阻尼系數等8個參數，均為數值輸入控件。實時曲線單元顯示系統的實時運行參數，主要是載荷和位移，均采用Waveform Chart控件完成。考慮到工業現場實際監控多采用示功圖，因此本文利用LabVIEW軟件例程中的XY圖演示示功圖。在上述功能的基礎上，本軟件進一步增加了工況識別單元，該單元采用 ELM 網絡算法作為工況分類方法，實時判斷系統的運行狀態。雖然本文僅測試了 ELM 算法，但是學生后期可以通過 MATLAB編程自行實現各種復雜模式分類算法，將其移植到Mathscript節點實現即可。設計完成后的操作界面如圖3所示。

圖3 虛擬仿真系統界面圖

2.3 后臺程序編制

本文基于MATLAB和LabVIEW混合編程構建虛擬仿真系統，因此其后臺編程分為兩個步驟。考慮到MATLAB開展數值編程和算法測試的方便性，首先在MATLAB軟件中完成系統機理建模、故障工況分析、工況識別算法測試等工作，確保程序的正確性。然后，將MATLAB程序拷貝到LabVIEW軟件的MathScript節點中（見圖4），結合LabVIEW圖形編程的要求連接輸入輸出變量，增加圖形顯示模塊，即可完成后臺程序編制。這種編程方式將大部分程序調試的工作量放在了 MATLAB軟件，弱化了程序調試難度，有利于復雜算法的實現，同時提高程序的模塊化水平。

圖4 Mathscript節點編程示意圖

2.4 運行數據的共享與發布

實驗過程中有時需要采集大量的仿真數據進行離線分析和建模。為了增強虛擬仿真系統的數據存儲和離線分析功能，本文基于 LabVIEW 共享變量引擎（SVE）實現仿真系統數據的發布，可以供MATLAB程序進行調用和二次開發。LabVIEW軟件的共享變量引擎可以將數據發布到 LabVIEW 系統自帶的 OPC Server中（默認名稱為 National Instruments.Variable Engine.1）[4,14]，其他軟件通過訪問 OPC Server即可實現對有桿抽油系統實時運行數據的采集和存儲。在本文中，需要共享發布的主要變量是載荷、位移及工況實時識別結果。

3 仿真平臺的應用分析

該軟件編制完成后，可以為學生學習過程控制工程、模式識別、故障診斷技術、綜合實踐、畢業設計等課程和實踐環節服務。下面簡單介紹工況模擬和工況識別功能的應用情況。

3.1 仿真平臺數據訪問方法

有桿抽油系統虛擬仿真平臺的數據經過 LabVIEW SVE已經發布為共享數據，可以在MATLAB軟件中通過OPC協議進行訪問。MATLAB軟件的OPC工具箱提供了訪問OPC服務器的基本函數，包含opcda、connect、addgroup、additem、read、write、timer等命令，能夠幫助用戶實現OPC服務器的定義、連接、組添加、項添加、讀寫、計時等功能。以OPC服務器的創建和連接為例，其M語句為：

myda = opcda('localhost', 'National Instruments.Variable Engine.1');

connect(myda)；

其他相關命令的使用可以參考 MATLAB軟件幫助或者相關文獻[6]。

3.2 工況模擬結果

在目前的仿真平臺中，預設了4種操作工況，后期可以根據需求進行二次擴展。“工況類型參數”的數值0、1、2、3分別對應正常工況、供液不足、游動閥漏失、泵上碰4種工況。為圖形顯示的美觀性，本文將仿真數據導入到 MATLAB軟件后重新繪制圖形，結果如圖5所示。可以看出，所設計的系統能夠較好地仿真實際工業過程的運行情形。

3.3 工況識別結果

為了測試 ELM 算法在工況識別中的效果，筆者在仿真平臺上按照給定順序改變有桿抽油系統的運行狀態，將系統狀態按照0-1-2-3的方式循環設置，通過MATLAB軟件記錄工況識別系統的識別結果，如圖6所示。可以看出，工況識別單元能夠正確識別系統的運行狀態。

圖5 復雜工況模擬結果

圖6 工況識別結果

4 結束語

有桿抽油系統是石油工業生產中的一類重要裝置。本文針對該類裝置實驗室資源有限且難以模擬復雜系統故障的問題，研究了基于機理分析的仿真方法，并通過MATLAB和LabVIEW混合編程的方法實現了虛擬實驗平臺的開發。該仿真平臺具有3個特點：（1）通過機理建模的方法模擬多種實驗裝置難以實現的復雜故障，本文中對供液不足、游動閥漏失、泵上碰這3類故障進行了驗證分析；（2）在仿真系統中引入了工況識別單元模塊，為學生開展創新性實驗相關的算法研究提供了一個很好的范例，后續學生可以通過二次開發進一步拓展該模塊功能；（3）仿真平臺采用的MATLAB和LabVIEW混合編程的方式提供了一個虛擬仿真系統的合理框架，該框架不但能夠充分利用MATLAB在算法測試方面的高效性和LabVIEW在圖形編程方面的直觀性，而且具有較高的開放性，為學生自主編程留下了充足空間，有助于提高學生的科研實踐能力。