智能型馬達(dá)控制監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)在石油鉆機(jī)井場(chǎng)的應(yīng)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(dá)控制系統(tǒng)(MCC監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng))迅速發(fā)展，鉆機(jī)井場(chǎng)規(guī)模也逐步擴(kuò)大，為了確保對(duì)鉆機(jī)井場(chǎng)智能馬達(dá)控制系統(tǒng)能耗實(shí)現(xiàn)可靠的監(jiān)控，需要設(shè)計(jì)一套專門的智能型馬達(dá)控制能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，本文介紹基于人機(jī)界面和PZ48交流檢測(cè)儀表、ACR330ELH諧波儀表、ACR120E電力儀表、ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器^[1]及開關(guān)量輸入模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的鉆井機(jī)場(chǎng)智能型馬達(dá)控制能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)采集總進(jìn)線回路、生活區(qū)負(fù)荷、軟啟動(dòng)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(yùn)行故障的記錄、數(shù)據(jù)的存盤及導(dǎo)出，整個(gè)系統(tǒng)保證了鉆機(jī)井場(chǎng)智能馬達(dá)控制系統(tǒng)電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)管理水平，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī)井場(chǎng)、智能馬達(dá)控制系統(tǒng)、能耗監(jiān)測(cè)管理、人機(jī)界面

0 引言

    目前大部分石油鉆機(jī)井場(chǎng)進(jìn)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(duì)能耗進(jìn)行計(jì)量，工作人員對(duì)儀器儀表采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)并統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致工作效率低，不能滿足大范圍的數(shù)據(jù)采集需要，同時(shí)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不、不及時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)不準(zhǔn)確的情況，為了能更好完成能耗統(tǒng)計(jì)、分析、，需要建立一套的自動(dòng)化能源消耗數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能源供應(yīng)、能耗設(shè)備運(yùn)行及能耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，以便用戶實(shí)時(shí)掌握能源消耗狀況，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，為實(shí)現(xiàn)能耗管理自動(dòng)化打下堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此，隨著鉆機(jī)井場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為鉆機(jī)平臺(tái)智能馬達(dá)控制系統(tǒng)提供可靠的能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)保證鉆井機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行有著重要的意義，對(duì)鉆機(jī)井場(chǎng)節(jié)能降本也具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

    本文以鉆機(jī)井場(chǎng)智能馬達(dá)控制系統(tǒng)能耗監(jiān)測(cè)管理為例，提出利用觸摸屏和交流檢測(cè)儀表、諧波儀表、電力儀表、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器及開關(guān)量輸入模塊等設(shè)計(jì)一套智能智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)應(yīng)用于鉆井機(jī)場(chǎng)中，對(duì)鉆機(jī)井場(chǎng)用電設(shè)備提供高質(zhì)量電網(wǎng)電能并對(duì)系統(tǒng)能耗實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理。

1、用戶需求

    為了對(duì)鉆機(jī)井場(chǎng)智能馬達(dá)控制系統(tǒng)的能耗進(jìn)行監(jiān)控管理，了解設(shè)備的電能質(zhì)量及用電情況，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出以下需求：

實(shí)時(shí)顯示：

    進(jìn)線柜：通過人機(jī)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(duì)功率的zui大需量，直觀的表現(xiàn)出總電源進(jìn)線柜的負(fù)荷情況，同時(shí)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(zhǔn)確、有價(jià)值的依據(jù)；

    生活區(qū)負(fù)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(jī)界面顯示，為用戶的電量計(jì)量提供數(shù)據(jù)；

    軟啟動(dòng)柜：利用電動(dòng)機(jī)保護(hù)器ARD3對(duì)回路進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和電機(jī)保護(hù)，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(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，幫助用戶準(zhǔn)確了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及負(fù)荷情況，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的過載保護(hù)、不平衡保護(hù)、欠載保護(hù)、接地保護(hù)等，將出現(xiàn)的故障信息傳輸給人機(jī)界面顯示，用于故障報(bào)警與故障記錄，實(shí)時(shí)了解運(yùn)行中出現(xiàn)的故障便于及時(shí)處理；

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

曲線顯示：

    主要顯示進(jìn)線柜及生活區(qū)負(fù)荷三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線，便于用戶實(shí)時(shí)了解總負(fù)荷變化、生活區(qū)負(fù)荷變化及驅(qū)動(dòng)回路用電設(shè)備負(fù)荷變化，對(duì)各用電設(shè)備能耗實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)管理；

    數(shù)據(jù)存盤：完成對(duì)各個(gè)進(jìn)線柜、軟啟動(dòng)柜、出線柜電壓、電流、功率等參數(shù)的存盤功能，并自動(dòng)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(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢，便于了解設(shè)備當(dāng)前及歷史運(yùn)行狀況。

    數(shù)據(jù)導(dǎo)出:實(shí)現(xiàn)各儀表參數(shù)按照客戶要求的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)導(dǎo)出，導(dǎo)成Excel形式到U盤，供客戶對(duì)運(yùn)行設(shè)備的三相電壓、電流、功率、電能等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、打印。

2、項(xiàng)目介紹

   智能型智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)能夠通過使用電力自動(dòng)化儀表來分項(xiàng)監(jiān)測(cè)各區(qū)域的設(shè)備用電情況，通過集中采集顯示終端來實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，zui后導(dǎo)出一個(gè)工作周期的所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析和制作數(shù)據(jù)圖表，為在鉆井隊(duì)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(xiàng)目基于用戶對(duì)鉆機(jī)井場(chǎng)智能型智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測(cè)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(cè)儀表、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器ARD3-100A/CUSR及開關(guān)量輸入模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)總負(fù)荷、生活區(qū)負(fù)荷及驅(qū)動(dòng)回路用電設(shè)備運(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示、數(shù)據(jù)存盤、導(dǎo)出功能，并對(duì)設(shè)備的過載、不平衡、欠載、接地等故障進(jìn)行故障報(bào)警與記錄，既能保證鉆機(jī)井場(chǎng)智能馬達(dá)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，又能對(duì)用電系統(tǒng)的能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理^[2]。

3、設(shè)計(jì)方案

3.1參考標(biāo)準(zhǔn)

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(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》

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

20077556-Q-604      《工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)與集成及產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交換》

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

DL/T634-2002        《遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)》

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

DL/T721-2000        《電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端》

3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

    整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備主要包括人機(jī)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(cè)儀表、電動(dòng)機(jī)保護(hù)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)存盤、故障記錄，實(shí)現(xiàn)智能型智能馬達(dá)控制系統(tǒng)的能耗監(jiān)測(cè)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(hào)：ACR120E

圖2  ACR120E外形圖

技術(shù)指標(biāo)

    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(hào)：ACR330ELH（帶諧波功能）

圖3  ACR330ELH外形圖

技術(shù)指標(biāo)

輸入電流過負(fù)荷：1.2倍持續(xù)，瞬時(shí)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(jí)：電流、電壓：0.2級(jí)，功率、有功電能：0.5級(jí)，頻率：0.05Hz

    無功電能：1級(jí)

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(chǎng)所

2. 智能電測(cè)儀表

(1) 型號(hào)：PZ48-AI/C

圖4  PZ48-AI/C外形圖

技術(shù)指標(biāo)

輸入標(biāo)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(chǔ)存溫度：-20℃~+70℃

相對(duì)濕度：≤93%RH，不結(jié)露，無腐蝕性氣體場(chǎng)所

工頻耐壓：電源/輸入/輸出之間2KV/1min

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

    無功電能：1級(jí)

海拔高度：≤2500m

3. 智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

(1) 型號(hào)：ARD3-100A/CUSR

圖5  ARD3外形圖

技術(shù)指標(biāo)

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

電機(jī)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(diǎn)（8DI）

通訊：RS485 Modbus-RTU 協(xié)議

工作溫度：-10oC～55oC

貯存溫度：-25oC～70oC

相對(duì)濕度：≤95﹪不結(jié)露，無腐蝕性氣體

防護(hù)等級(jí)：主體 IP20，分體顯示模塊 IP45（安裝在柜體面板時(shí)）

4. 智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測(cè)軟件（MCC監(jiān)測(cè)管理軟件）

(1) 能耗監(jiān)測(cè)軟件的組成

圖6  軟件組成圖

主控窗口構(gòu)造了應(yīng)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和流程的“可視化"；

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心；

運(yùn)行策略是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程實(shí)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(shí)時(shí)性強(qiáng)、有良好的并行處理性能；

豐富、生動(dòng)的多媒體畫面；

完善的安全機(jī)制；

強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能；

多樣化的報(bào)警功能；

支持多種硬件設(shè)備。

4、系統(tǒng)功能

    上位機(jī)采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接并在觸摸屏中進(jìn)行數(shù)據(jù)庫變量配置、界面設(shè)計(jì)等，完成在上位機(jī)中監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量模塊、諧波表ACR320ELH、ACR120E網(wǎng)絡(luò)電力儀表、ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等鉆機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況的功能。

4.1 實(shí)時(shí)顯示

    觸摸屏采集安裝于進(jìn)線柜的ACR330ELH諧波儀表、生活負(fù)荷區(qū)的ACR120E電力儀表、軟啟動(dòng)柜的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器ARD3-100A/CUSR及出線柜的PZ48交流檢測(cè)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(jī)界面實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示，方便用戶及時(shí)了解系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)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(jìn)線柜ACR330ELH諧波儀表及生活負(fù)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(jī)界面用曲線的形式表現(xiàn)，為用戶提供實(shí)時(shí)、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(shí)時(shí)曲線

圖13  ACR120E電壓實(shí)時(shí)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(jìn)線柜、生活負(fù)荷區(qū)及軟啟動(dòng)柜各個(gè)儀表數(shù)據(jù)并按照時(shí)間段進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，選擇時(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)采集的歷史數(shù)據(jù)查詢，同時(shí)對(duì)軟啟動(dòng)柜啟動(dòng)回路電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)了解，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，便于用于了解各個(gè)設(shè)備歷史運(yùn)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(shí)施效果

    石油鉆機(jī)井場(chǎng)智能型智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源進(jìn)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(duì)功率的zui大需量采集，直觀的表現(xiàn)出總電源柜的負(fù)荷情況，從而幫助判斷zui大裝機(jī)容量的選定，同時(shí)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(zhǔn)確、有價(jià)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(jì)量提供數(shù)據(jù)；電動(dòng)機(jī)保護(hù)器ARD3對(duì)軟啟動(dòng)柜的設(shè)備啟動(dòng)回路數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和電機(jī)保護(hù)，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(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，幫助用戶準(zhǔn)確了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及負(fù)荷情況，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的過載保護(hù)、不平衡保護(hù)、欠載保護(hù)、接地保護(hù)等，將出現(xiàn)的故障信息傳輸給人機(jī)界面顯示，用于故障報(bào)警與故障記錄，實(shí)時(shí)了解運(yùn)行中出現(xiàn)的故障便于及時(shí)處理，采集出線柜各個(gè)PZ儀表單相交流電流值，用戶通過電流值計(jì)算設(shè)備回路的功率，用于分析比對(duì)，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電能消耗情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供電量計(jì)量的依據(jù)，系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，收到較好的效果，能夠?qū)︺@井機(jī)場(chǎng)智能馬達(dá)控制能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，一旦出現(xiàn)不合理的用電設(shè)備，在觸摸屏實(shí)時(shí)顯示設(shè)備信息，為治理方案提供準(zhǔn)確、有價(jià)值的依據(jù)^[3]，保證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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[2].黃勇. 石油機(jī)械式鉆機(jī)智能智能馬達(dá)控制技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]. 自動(dòng)控制. 2010.8

[3].王磊. 智能智能馬達(dá)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 自動(dòng)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?yàn)殡姍C(jī)保護(hù)節(jié)能控制