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智能型馬達控制監測管理系統在石油鉆機井場的應用

趙斌

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(MCC監測管理系統)迅速發展，鉆機井場規模也逐步擴大，為了確保對鉆機井場智能馬達控制系統能耗實現可靠的監控，需要設計一套專門的智能型馬達控制能耗監測管理系統，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的鉆井機場智能型馬達控制能耗監測管理系統，系統可以實現采集總進線回路、生活區負荷、軟啟動回路、出線回路用電設備三相電壓、電流、功率、電能等參數并顯示、設備運行故障的記錄、數據的存盤及導出，整個系統保證了鉆機井場智能馬達控制系統電網能耗自動監測管理水平，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：鉆機井場、智能馬達控制系統、能耗監測管理、人機界面

0 引言

    目前大部分石油鉆機井場進行能耗管理、獲取數據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據進行現場維護并統計，導致工作效率低，不能滿足大范圍的數據采集需要，同時，統計數據不全面、不及時，甚至會出現不準確的情況，為了能更好完成能耗統計、分析、改善，需要建立一套有效的自動化能源消耗數據獲取系統，對系統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，為實現能耗管理自動化打下堅實的數據基礎，因此，隨著鉆機井場規模的不斷擴大，為鉆機平臺智能馬達控制系統提供可靠的能耗監測管理系統，對保證鉆井機場的安全運行有著重要的意義，對鉆機井場節能降本也具有重要現實意義。

    本文以鉆機井場智能馬達控制系統能耗監測管理為例，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測管理系統應用于鉆井機場中，對鉆機井場用電設備提供高質量電網電能并對系統能耗實現實時監測、管理。

1、用戶需求

    為了對鉆機井場智能馬達控制系統的能耗進行監控管理，了解設備的電能質量及用電情況，對所設計的系統提出以下需求：

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、三相視在功率、電能以及對功率的最大需量，直觀的表現出總電源進線柜的負荷情況，同時采集諧波分次數據及總諧波含量，幫助用戶了解設備的電能質量，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；

    生活區負荷：主要利用ACR120E電力儀表采集生活區用電設備三相電流、電壓、有功功率、視在功率、功率因數、電能參數并在人機界面顯示，為用戶的電量計量提供有效數據；

    軟啟動柜：利用電動機保護器ARD3對回路進行數據監測和電機保護，主要采集系統三相電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率以及功率因數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以及負荷情況，同時可以實現對設備的過載保護、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，根據系統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、生活區負荷變化及驅動回路用電設備負荷變化，對各用電設備能耗實現監測管理；

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

    數據導出:實現各儀表參數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、電能等數據統計、打印。

2、項目介紹

   智能型智能馬達控制能耗監測管理系統能夠通過使用電力自動化儀表來分項監測各區域的設備用電情況，通過集中采集顯示終端來實時顯示并存儲，最后導出一個工作周期的所有數據，進行系統分析和制作數據圖表，為在鉆井隊從開鉆到完鉆提供分析能耗的依據，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測管理系統的需求，采用昆侖通態觸摸屏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，實現對總負荷、生活區負荷及驅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、三相諧波數據的實時監測顯示、數據存盤、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的正常運行，又能對用電系統的能耗實時監測管理^[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      《工業自動化產品安全要求第1部分:總則》

20077556-Q-604      《工業自動化產品安全要求第10部分:記錄儀表的安全要求》

GB/T 16656.46-2010  《工業自動化系統與集成及產品數據表達與交換》

DL/T 814-2002       《配電自動化系統功能規范》

DL/T634-2002        《遠動設備和系統傳輸規約基本遠動任務配套標準》

DL/T645-2007        《電網電能質量管理分析》

DL/T721-2000        《電網自動化系統遠方終端》

3.2系統總體結構圖

    整個系統設備主要包括人機界面、ACR330ELH網絡諧波儀表、ACR120E網絡電力儀表、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，對現場數據的采集、實時顯示、參數存盤、故障記錄，實現智能型智能馬達控制系統的能耗監測管理，系統總體架構如下圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

3.3 主要設備清單

表1 設備清單表

3.4 產品介紹

1. 網絡電力儀表

(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交流有效值

環境溫度：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，瞬時10倍/10秒

電流額定值：AC1A、5A

頻率：50 ± 5Hz，60 ±5Hz

電源功耗：<1W

工頻耐壓： 2kV/1min交流有效值

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

環境濕度：≦95%RH，不結露，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、5A

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 路無源干結點（8DI）

通訊：RS485 Modbus-RTU 協議

工作溫度：-10ºC～55ºC

貯存溫度：-25ºC～70ºC

相對濕度：≤95﹪不結露，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測軟件（MCC監測管理軟件）

(1) 能耗監測軟件的組成

圖6  軟件組成圖

主控窗口構造了應用系統的主框架；

設備窗口是系統與外部設備聯系的媒介；

用戶窗口實現了數據和流程的“可視化”；

實時數據庫是系統的核心；

運行策略是對系統運行流程實現有效控制的手段。

(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；

強大的網絡功能；

多樣化的報警功能；

支持多種硬件設備。

4、系統功能

    上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏與現場設備連接并在觸摸屏中進行數據庫變量配置、界面設計等，完成在上位機中監控現場開關量模塊、諧波表ACR320ELH、ACR120E網絡電力儀表、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、有功功率、無功功率、視在功率、電能等參數，并在人機界面實時準確顯示，方便用戶及時了解系統各個設備運行參數以及進行能耗監測管理，具體數據如圖8至圖11所示。

圖8  ACR330ELH數據顯示界面

圖9  ACR330ELH諧波數據界面

圖10  ACR120E數據顯示界面

圖11  ARD3數據顯示界面

4.2 曲線顯示

    系統將電源進線柜ACR330ELH諧波儀表及生活負荷區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，為用戶提供實時、歷史曲線，幫助用戶了解設備的電能質量，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 數據存盤

    系統采集進線柜、生活負荷區及軟啟動柜各個儀表數據并按照時間段進行歷史數據查詢，選擇時間間隔對系統采集的歷史數據精確查詢，同時對軟啟動柜啟動回路電動機運行過程中出現的故障進行實時存盤，查詢結果在觸摸屏存盤數據瀏覽構建中顯示，便于用戶對設備運行參數及運行狀況實時了解，同時能實現對數據的導出，便于用于了解各個設備歷史運行狀況，存盤數據界面如圖15至圖18所示。

圖15  ACR120E電參數存盤

圖16  ACR330ELH電能參數存盤

圖17  ARD3電能參數存盤

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測管理系統主要實現了對電源進線柜ACR330ELH諧波儀表三相有功功率、無功功率、功率因數、三相視在功率、電能以及對功率的最大需量采集，直觀的表現出總電源柜的負荷情況，從而幫助判斷最大裝機容量的選定，同時采集諧波分次數據及總諧波含量，幫助用戶了解設備的電能質量，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；通過ACR120E電力儀表顯示生活區用電設備的三相電流、電壓、有功功率、視在功率、功率因數、電能等參數，電能參數為用戶的電量計量提供有效數據；電動機保護器ARD3對軟啟動柜的設備啟動回路數據監測和電機保護，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以及負荷情況，同時可以實現對設備的過載保護、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，整個系統對現場設備電能消耗情況實時監測，并提供電量計量的依據，系統自投入運行以來，運轉正常，收到較好的效果，能夠對鉆井機場智能馬達控制能耗實時監測管理，一旦出現不合理的用電設備，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^[3]，保證了監測系統的正常運行。

參考文獻：

[1].周中等編著. 智能電網用戶端電力監控與電能管理系統產品選型及解決方案[M]. 北京. 機械工業出版社. 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及其應用[J]. 自動化技術. 2012.6

作者簡介：

趙斌，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為醫療供配電設計，手機：18702111892，座機：021-69158305，QQ:2880157852,E-mail:2880157852@qq.com