智能型馬達控制監(jiān)測管理系統(tǒng)在石油鉆機井場的應用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定

摘要：近年來，智能馬達控制系統(tǒng)(MCC監(jiān)測管理系統(tǒng))迅速發(fā)展，鉆機井場規(guī)模也逐步擴大，為了確保對鉆機井場智能馬達控制系統(tǒng)能耗實現(xiàn)可靠的監(jiān)控，需要設(shè)計一套專門的智能型馬達控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，本文介紹基于人機界面和PZ48交流檢測儀表、ACR330ELH諧波儀表、ACR120E電力儀表、ARD3電動機保護器^[1]及開關(guān)量輸入模塊設(shè)計實現(xiàn)的鉆井機場智能型馬達控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)采集總進線回路、生活區(qū)負荷、軟啟動回路、出線回路用電設(shè)備三相電壓、電流、功率、電能等參數(shù)并顯示、設(shè)備運行故障的記錄、數(shù)據(jù)的存盤及導出，整個系統(tǒng)保證了鉆機井場智能馬達控制系統(tǒng)電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測管理水平，具有廣泛的應用前景。

關(guān)鍵詞：鉆機井場、智能馬達控制系統(tǒng)、能耗監(jiān)測管理、人機界面

0 引言

    目前大部分石油鉆機井場進行能耗管理、獲取數(shù)據(jù)通常做法是采用各種儀器、儀表對能耗進行計量，工作人員對儀器儀表采集的數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場維護并統(tǒng)計，導致工作效率低，不能滿足大范圍的數(shù)據(jù)采集需要，同時，統(tǒng)計數(shù)據(jù)不、不及時，甚至會出現(xiàn)不準確的情況，為了能更好完成能耗統(tǒng)計、分析、，需要建立一套的自動化能源消耗數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，對系統(tǒng)運行過程中的能源供應、能耗設(shè)備運行及能耗情況進行實時監(jiān)測管理，以便用戶實時掌握能源消耗狀況，及時采取應對措施，為實現(xiàn)能耗管理自動化打下堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此，隨著鉆機井場規(guī)模的不斷擴大，為鉆機平臺智能馬達控制系統(tǒng)提供可靠的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對保證鉆井機場的安全運行有著重要的意義，對鉆機井場節(jié)能降本也具有重要現(xiàn)實意義。

    本文以鉆機井場智能馬達控制系統(tǒng)能耗監(jiān)測管理為例，提出利用觸摸屏和交流檢測儀表、諧波儀表、電力儀表、電動機保護器及開關(guān)量輸入模塊等設(shè)計一套智能智能馬達控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)應用于鉆井機場中，對鉆機井場用電設(shè)備提供高質(zhì)量電網(wǎng)電能并對系統(tǒng)能耗實現(xiàn)實時監(jiān)測、管理。

1、用戶需求

    為了對鉆機井場智能馬達控制系統(tǒng)的能耗進行監(jiān)控管理，了解設(shè)備的電能質(zhì)量及用電情況，對所設(shè)計的系統(tǒng)提出以下需求：

實時顯示：

    進線柜：通過人機界面采集ACR330ELH諧波儀表三相有功功率、無功功率、功率因數(shù)、三相視在功率、電能以及對功率的zui大需量，直觀的表現(xiàn)出總電源進線柜的負荷情況，同時采集諧波分次數(shù)據(jù)及總諧波含量，幫助用戶了解設(shè)備的電能質(zhì)量，找出不合理的用電設(shè)備，并且為治理方案提供準確、有價值的依據(jù)；

    生活區(qū)負荷：主要利用ACR120E電力儀表采集生活區(qū)用電設(shè)備三相電流、電壓、有功功率、視在功率、功率因數(shù)、電能參數(shù)并在人機界面顯示，為用戶的電量計量提供數(shù)據(jù)；

    軟啟動柜：利用電動機保護器ARD3對回路進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和電機保護，主要采集系統(tǒng)三相電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率以及功率因數(shù)傳輸給人機界面進行實時顯示，幫助用戶準確了解設(shè)備的運行狀態(tài)以及負荷情況，同時可以實現(xiàn)對設(shè)備的過載保護、不平衡保護、欠載保護、接地保護等，將出現(xiàn)的故障信息傳輸給人機界面顯示，用于故障報警與故障記錄，實時了解運行中出現(xiàn)的故障便于及時處理；

    出線柜：通過PZ48交流儀表采集出線柜單個回路的單相交流電流值，根據(jù)系統(tǒng)電流值計算設(shè)備回路的功率，用于分析比對；

曲線顯示：

    主要顯示進線柜及生活區(qū)負荷三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率實時曲線、歷史曲線，便于用戶實時了解總負荷變化、生活區(qū)負荷變化及驅(qū)動回路用電設(shè)備負荷變化，對各用電設(shè)備能耗實現(xiàn)監(jiān)測管理；

    數(shù)據(jù)存盤：完成對各個進線柜、軟啟動柜、出線柜電壓、電流、功率等參數(shù)的存盤功能，并自動生成符合客戶管理需求的存盤數(shù)據(jù)，用戶能夠在觸摸屏上實現(xiàn)各個參數(shù)的實時查詢，便于了解設(shè)備當前及歷史運行狀況。

    數(shù)據(jù)導出:實現(xiàn)各儀表參數(shù)按照客戶要求的時間進行自動、手動導出，導成Excel形式到U盤，供客戶對運行設(shè)備的三相電壓、電流、功率、電能等數(shù)據(jù)統(tǒng)計、打印。

2、項目介紹

   智能型智能馬達控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠通過使用電力自動化儀表來分項監(jiān)測各區(qū)域的設(shè)備用電情況，通過集中采集顯示終端來實時顯示并存儲，zui后導出一個工作周期的所有數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)分析和制作數(shù)據(jù)圖表，為在鉆井隊從開鉆到完鉆提供分析能耗的依據(jù)，從而解決能耗匹配的問題，該項目基于用戶對鉆機井場智能型智能馬達控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需求，采用昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS TPC7062KX與安科瑞ACR320ELH諧波儀表、ACR120E電力儀表、PZ48-AI/C交流檢測儀表、電動機保護器ARD3-100A/CUSR及開關(guān)量輸入模塊，實現(xiàn)對總負荷、生活區(qū)負荷及驅(qū)動回路用電設(shè)備運行過程中三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、電能、三相諧波數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測顯示、數(shù)據(jù)存盤、導出功能，并對設(shè)備的過載、不平衡、欠載、接地等故障進行故障報警與記錄，既能保證鉆機井場智能馬達控制系統(tǒng)的正常運行，又能對用電系統(tǒng)的能耗實時監(jiān)測管理^[2]。

3、設(shè)計方案

3.1參考標準

GB/T3797-2008       《電氣控制設(shè)備》

GB/T11022-1999      《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求》

20077566-Q-604      《工業(yè)自動化產(chǎn)品安全要求第1部分:總則》

20077556-Q-604      《工業(yè)自動化產(chǎn)品安全要求第10部分:記錄儀表的安全要求》

GB/T 16656.46-2010  《工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成及產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達與交換》

DL/T 814-2002       《配電自動化系統(tǒng)功能規(guī)范》

DL/T634-2002        《遠動設(shè)備和系統(tǒng)傳輸規(guī)約基本遠動任務(wù)配套標準》

DL/T645-2007        《電網(wǎng)電能質(zhì)量管理分析》

DL/T721-2000        《電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端》

3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

    整個系統(tǒng)設(shè)備主要包括人機界面、ACR330ELH網(wǎng)絡(luò)諧波儀表、ACR120E網(wǎng)絡(luò)電力儀表、PZ48交流檢測儀表、電動機保護器ARD3、開關(guān)量輸入模塊及開關(guān)電源，通過屏蔽雙絞線連接至集中采集顯示終端，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、實時顯示、參數(shù)存盤、故障記錄，實現(xiàn)智能型智能馬達控制系統(tǒng)的能耗監(jiān)測管理，系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.3 主要設(shè)備清單

表1 設(shè)備清單表

3.4 產(chǎn)品介紹

1. 網(wǎng)絡(luò)電力儀表

(1) 型號：ACR120E

圖2  ACR120E外形圖

技術(shù)指標

    輸入電壓額定值：AC100V、400V

    電壓功耗：<0.2VA

電流阻抗：>200kΩ

電能脈沖：2路脈沖輸出，10000、40000、160000imp/kwh

工頻耐壓：2kV/1min交流值

環(huán)境溫度：工作：-10~+55℃，存貯：-25~+70℃

海拔：≦2000米

(2) 型號：ACR330ELH（帶諧波功能）

圖3  ACR330ELH外形圖

技術(shù)指標

輸入電流過負荷：1.2倍持續(xù)，瞬時10倍/10秒

電流額定值：AC1A、

頻率：50 ± 5Hz，60 ±5Hz

電源功耗：<1W

工頻耐壓： 2kV/1min交流值

精度等級：電流、電壓：0.2級，功率、有功電能：0.5級，頻率：0.05Hz

    無功電能：1級

抗干擾能力：符合GB6162

環(huán)境濕度：≦95%RH，不結(jié)露，無腐蝕性氣體場所

2. 智能電測儀表

(1) 型號：PZ48-AI/C

圖4  PZ48-AI/C外形圖

技術(shù)指標

輸入標稱值：電壓：100V、220V、380V；電流：1A、

工作溫度：LCD顯示：-10℃~+45℃；LED顯示：-10℃~+55℃

儲存溫度：-20℃~+70℃

相對濕度：≤93%RH，不結(jié)露，無腐蝕性氣體場所

工頻耐壓：電源/輸入/輸出之間2KV/1min

精度等級：電流、電壓：0.2級，功率、有功電能：0.5級，頻率：0.05Hz

    無功電能：1級

海拔高度：≤2500m

3. 智能電動機保護器

(1) 型號：ARD3-100A/CUSR

圖5  ARD3外形圖

技術(shù)指標

保護器輔助電源：AC/DC 110 / 220V，AC 380V，功耗 15VA

電機額定工作電壓：AC220V / 380V / 660V，50Hz / 60Hz

開關(guān)量輸入：8 路無源干結(jié)點（8DI）

通訊：RS485 Modbus-RTU 協(xié)議

工作溫度：-10oC～55oC

貯存溫度：-25oC～70oC

相對濕度：≤95﹪不結(jié)露，無腐蝕性氣體

防護等級：主體 IP20，分體顯示模塊 IP45（安裝在柜體面板時）

4. 智能馬達控制能耗監(jiān)測軟件（MCC監(jiān)測管理軟件）

(1) 能耗監(jiān)測軟件的組成

圖6  軟件組成圖

主控窗口構(gòu)造了應用系統(tǒng)的主框架；

設(shè)備窗口是系統(tǒng)與外部設(shè)備的媒介；

用戶窗口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和流程的“可視化"；

實時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心；

運行策略是對系統(tǒng)運行流程實現(xiàn)控制的手段。

(2) 軟件功能

圖7  軟件功能圖

簡單靈活的可視化操作界面；

實時性強、有良好的并行處理性能；

豐富、生動的多媒體畫面；

完善的安全機制；

強大的網(wǎng)絡(luò)功能；

多樣化的報警功能；

支持多種硬件設(shè)備。

4、系統(tǒng)功能

    上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏與現(xiàn)場設(shè)備連接并在觸摸屏中進行數(shù)據(jù)庫變量配置、界面設(shè)計等，完成在上位機中監(jiān)控現(xiàn)場開關(guān)量模塊、諧波表ACR320ELH、ACR120E網(wǎng)絡(luò)電力儀表、ARD3電動機保護器等鉆機設(shè)備運行狀況的功能。

4.1 實時顯示

    觸摸屏采集安裝于進線柜的ACR330ELH諧波儀表、生活負荷區(qū)的ACR120E電力儀表、軟啟動柜的電動機保護器ARD3-100A/CUSR及出線柜的PZ48交流檢測儀表、三相電壓、三相電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率、電能等參數(shù)，并在人機界面實時準確顯示，方便用戶及時了解系統(tǒng)各個設(shè)備運行參數(shù)以及進行能耗監(jiān)測管理，具體數(shù)據(jù)如圖8至圖11所示。

圖8  ACR330ELH數(shù)據(jù)顯示界面

圖9  ACR330ELH諧波數(shù)據(jù)界面

圖10  ACR120E數(shù)據(jù)顯示界面

圖11  ARD3數(shù)據(jù)顯示界面

4.2 曲線顯示

    系統(tǒng)將電源進線柜ACR330ELH諧波儀表及生活負荷區(qū)ACR120E電力儀表的三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率傳給人機界面用曲線的形式表現(xiàn)，為用戶提供實時、歷史曲線，幫助用戶了解設(shè)備的電能質(zhì)量，找出不合理的用電設(shè)備，具體曲線界面如圖12至圖14所示。

圖12  ACR330ELH電流實時曲線

圖13  ACR120E電壓實時曲線

圖14  ACR120E功率歷史曲線

4.3 數(shù)據(jù)存盤

    系統(tǒng)采集進線柜、生活負荷區(qū)及軟啟動柜各個儀表數(shù)據(jù)并按照時間段進行歷史數(shù)據(jù)查詢，選擇時間間隔對系統(tǒng)采集的歷史數(shù)據(jù)查詢，同時對軟啟動柜啟動回路電動機運行過程中出現(xiàn)的故障進行實時存盤，查詢結(jié)果在觸摸屏存盤數(shù)據(jù)瀏覽構(gòu)建中顯示，便于用戶對設(shè)備運行參數(shù)及運行狀況實時了解，同時能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的導出，便于用于了解各個設(shè)備歷史運行狀況，存盤數(shù)據(jù)界面如圖15至圖18所示。

圖15  ACR120E電參數(shù)存盤

圖16  ACR330ELH電能參數(shù)存盤

圖17  ARD3電能參數(shù)存盤

圖18  ARD3故障記錄存盤

5、實施效果

    石油鉆機井場智能型智能馬達控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對電源進線柜ACR330ELH諧波儀表三相有功功率、無功功率、功率因數(shù)、三相視在功率、電能以及對功率的zui大需量采集，直觀的表現(xiàn)出總電源柜的負荷情況，從而幫助判斷zui大裝機容量的選定，同時采集諧波分次數(shù)據(jù)及總諧波含量，幫助用戶了解設(shè)備的電能質(zhì)量，找出不合理的用電設(shè)備，并且為治理方案提供準確、有價值的依據(jù)；通過ACR120E電力儀表顯示生活區(qū)用電設(shè)備的三相電流、電壓、有功功率、視在功率、功率因數(shù)、電能等參數(shù)，電能參數(shù)為用戶的電量計量提供數(shù)據(jù)；電動機保護器ARD3對軟啟動柜的設(shè)備啟動回路數(shù)據(jù)監(jiān)測和電機保護，主要采集三相電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率以及功率因數(shù)傳輸給人機界面進行實時顯示，幫助用戶準確了解設(shè)備的運行狀態(tài)以及負荷情況，同時可以實現(xiàn)對設(shè)備的過載保護、不平衡保護、欠載保護、接地保護等，將出現(xiàn)的故障信息傳輸給人機界面顯示，用于故障報警與故障記錄，實時了解運行中出現(xiàn)的故障便于及時處理，采集出線柜各個PZ儀表單相交流電流值，用戶通過電流值計算設(shè)備回路的功率，用于分析比對，整個系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備電能消耗情況實時監(jiān)測，并提供電量計量的依據(jù)，系統(tǒng)自投入運行以來，運轉(zhuǎn)正常，收到較好的效果，能夠?qū)︺@井機場智能馬達控制能耗實時監(jiān)測管理，一旦出現(xiàn)不合理的用電設(shè)備，在觸摸屏實時顯示設(shè)備信息，為治理方案提供準確、有價值的依據(jù)^[3]，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行。

參考文獻：

[1].周中等編著. 智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)產(chǎn)品選型及解決方案[M]. 北京. 機械工業(yè)出版社. 2011.10

[2].黃勇. 石油機械式鉆機智能智能馬達控制技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J]. 自動控制. 2010.8

[3].王磊. 智能智能馬達控制自動控制系統(tǒng)及其應用[J]. 自動化技術(shù). 2012.6

作者簡介：

徐霜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電機保護節(jié)能控制