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]及開關量輸入模塊設計實現(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、出線回路用電設備三相電壓、電流、功率、電能等參數(shù)并顯示、設備運行故障的記錄、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，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量輸入模塊等設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，了解設備的電能質(zhì)量及用電情況，對所設計的系統(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，幫助用戶了解設備的電能質(zhì)量，找出不合理的用電設備，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備的運行狀態(tài)以及負荷情況，同時可以實現(xiàn)對設備的過載保護、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)動回路用電設備負荷變化，對各用電設備能耗實現(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、設計方案

3.1參考標準

GB/T3797-2008       《電氣控制設備》

GB/T11022-1999      《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》

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        《遠動設備和系統(tǒng)傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準》

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)設備主要包括人機界面、ACR330ELH網(wǎng)絡諧波儀表、ACR120E網(wǎng)絡電力儀表、PZ48交流檢測儀表、電動機保護器ARD3、開關量輸入模塊及開關電源，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 主要設備清單

表1 設備清單表

3.4 產(chǎn)品介紹

1. 網(wǎng)絡電力儀表

(1) 型號：ACR120E

圖2  ACR120E外形圖

技術指標

    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；

設備窗口是系統(tǒng)與外部設備的媒介；

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)絡功能；

多樣化的報警功能；

支持多種硬件設備。

4、系統(tǒng)功能

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

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，幫助用戶了解設備的電能質(zhì)量，找出不合理的用電設備，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，幫助用戶了解設備的電能質(zhì)量，找出不合理的用電設備，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備的運行狀態(tài)以及負荷情況，同時可以實現(xiàn)對設備的過載保護、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備回路的功率，用于分析比對，整個系統(tǒng)對現(xiàn)場設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)不合理的用電設備，在觸摸屏實時顯示設備信息，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. 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