智能型马达控制监测管理系统在石油钻机井场的应用
摘要
近年来，智能马达控制系统(MCC监测管理系统)迅速发展，钻机井场规模也逐步扩大，为了确保对钻机井场智能马达控制系统能耗实现可靠的监控，需要设计一套专门的智能型马达控制能耗监测管理系统，本文介绍基于人机界面和PZ48交流检测仪表、ACR330ELH谐波仪表、ACR120E电力仪表、ARD3电动机保护器[1]及开关量输入模块设计实现的钻井机场智能型马达控制能耗监测管理系统，系统可以实现采集总进线回路、生活区负荷、软启动回路、出线回路用电设备三相电压、电流、功率、电能等参数并显示、设备运行故障的记录、数据的存盘及导出，整个系统保证了钻机井场智能马达控制系统电网能耗自动监测管理水平，具有广泛的应用前景。
0 引言
目前大部分石油钻机井场进行能耗管理、获取数据通常做法是采用各种仪器、仪表对能耗进行计量，工作人员对仪器仪表采集的数据进行现场维护并统计，导致工作效率低，不能满足大范围的数据采集需要，同时，统计数据不全面、不及时，甚至会出现不准确的情况，为了能更好完成能耗统计、分析、改善，需要建立一套有效的自动化能源消耗数据获取系统，对系统运行过程中的能源供应、能耗设备运行及能耗情况进行实时监测管理，以便用户实时掌握能源消耗状况，及时采取应对措施，为实现能耗管理自动化打下坚实的数据基础，因此，随着钻机井场规模的不断扩大，为钻机平台智能马达控制系统提供可靠的能耗监测管理系统，对保证钻井机场的安全运行有着重要的意义，对钻机井场节能降本也具有重要现实意义。
本文以钻机井场智能马达控制系统能耗监测管理为例，提出利用触摸屏和交流检测仪表、谐波仪表、电力仪表、电动机保护器及开关量输入模块等设计一套智能智能马达控制能耗监测管理系统应用于钻井机场中，对钻机井场用电设备提供高质量电网电能并对系统能耗实现实时监测、管理。
1、用户需求
为了对钻机井场智能马达控制系统的能耗进行监控管理，了解设备的电能质量及用电情况，对所设计的系统提出以下需求：
实时显示：
进线柜：通过人机界面采集ACR330ELH谐波仪表三相有功功率、无功功率、功率因数、三相视在功率、电能以及对功率的最大需量，直观的表现出总电源进线柜的负荷情况，同时采集谐波分次数据及总谐波含量，帮助用户了解设备的电能质量，找出不合理的用电设备，并且为治理方案提供准确、有价值的依据；
生活区负荷：主要利用ACR120E电力仪表采集生活区用电设备三相电流、电压、有功功率、视在功率、功率因数、电能参数并在人机界面显示，为用户的电量计量提供有效数据；
软启动柜：利用电动机保护器ARD3对回路进行数据监测和电机保护，主要采集系统三相电流、电压、频率、有功功率、无功功率以及功率因数传输给人机界面进行实时显示，帮助用户准确了解设备的运行状态以及负荷情况，同时可以实现对设备的过载保护、不平衡保护、欠载保护、接地保护等，将出现的故障信息传输给人机界面显示，用于故障报警与故障记录，实时了解运行中出现的故障便于及时处理；
出线柜：通过PZ48交流仪表采集出线柜单个回路的单相交流电流值，根据系统电流值计算设备回路的功率，用于分析比对；
曲线显示：
主要显示进线柜及生活区负荷三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率实时曲线、历史曲线，便于用户实时了解总负荷变化、生活区负荷变化及驱动回路用电设备负荷变化，对各用电设备能耗实现监测管理；
数据存盘：完成对各个进线柜、软启动柜、出线柜电压、电流、功率等参数的存盘功能，并自动生成符合客户管理需求的存盘数据，用户能够在触摸屏上实现各个参数的实时查询，便于了解设备当前及历史运行状况。
数据导出:实现各仪表参数按照客户要求的时间进行自动、手动导出，导成Excel形式到U盘，供客户对运行设备的三相电压、电流、功率、电能等数据统计、打印。
2、项目介绍
智能型智能马达控制能耗监测管理系统能够通过使用电力自动化仪表来分项监测各区域的设备用电情况，通过集中采集显示终端来实时显示并存储，最后导出一个工作周期的所有数据，进行系统分析和制作数据图表，为在钻井队从开钻到完钻提供分析能耗的依据，从而解决能耗匹配的问题，该项目基于用户对钻机井场智能型智能马达控制能耗监测管理系统的需求，采用昆仑通态触摸屏MCGS TPC7062KX与安科瑞ACR320ELH谐波仪表、ACR120E电力仪表、PZ48-AI/C交流检测仪表、电动机保护器ARD3-100A/CUSR及开关量输入模块，实现对总负荷、生活区负荷及驱动回路用电设备运行过程中三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电能、三相谐波数据的实时监测显示、数据存盘、导出功能，并对设备的过载、不平衡、欠载、接地等故障进行故障报警与记录，既能保证钻机井场智能马达控制系统的正常运行，又能对用电系统的能耗实时监测管理[2]。
3、设计方案
3.1参考标准
GB/T3797-2008 《电气控制设备》
GB/T11022-1999 《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》
20077566-Q-604 《工业自动化产品安全要求第1部分:总则》
20077556-Q-604 《工业自动化产品安全要求第10部分:记录仪表的安全要求》
GB/T 16656.46-2010 《工业自动化系统与集成及产品数据表达与交换》
DL/T 814-2002 《配电自动化系统功能规范》
DL/T634-2002 《远动设备和系统传输规约基本远动任务配套标准》
DL/T645-2007 《电网电能质量管理分析》
DL/T721-2000 《电网自动化系统远方终端》
3.2系统总体结构图
整个系统设备主要包括人机界面、ACR330ELH网络谐波仪表、ACR120E网络电力仪表、PZ48交流检测仪表、电动机保护器ARD3、开关量输入模块及开关电源，通过屏蔽双绞线连接至集中采集显示终端，对现场数据的采集、实时显示、参数存盘、故障记录，实现智能型智能马达控制系统的能耗监测管理，系统总体架构如下图1所示。
图1 系统总体结构图
3.3 主要设备清单
表1 设备清单表
3.4 产品介绍
1. 网络电力仪表
(1) 型号：ACR120E
图2 ACR120E外形图
技术指标
输入电压额定值：AC100V、400V
电压功耗：<0.2VA
电流阻抗：>200kΩ
电能脉冲：2路脉冲输出，10000、40000、160000imp/kwh
工频耐压：2kV/1min交流有效值
环境温度：工作：-10~+55℃，存贮：-25~+70℃
海拔：≦2000米
(2) 型号：ACR330ELH（带谐波功能）
图3 ACR330ELH外形图
技术指标
输入电流过负荷：1.2倍持续，瞬时10倍/10秒
电流额定值：AC1A、5A
频率：50 ± 5Hz，60 ±5Hz
电源功耗：<1W
工频耐压： 2kV/1min交流有效值
精度等级：电流、电压：0.2级，功率、有功电能：0.5级，频率：0.05Hz
无功电能：1级
抗干扰能力：符合GB6162
环境湿度：≦95%RH，不结露，无腐蚀性气体场所
2. 智能电测仪表
(1) 型号：PZ48-AI/C
图4 PZ48-AI/C外形图
技术指标
输入标称值：电压：100V、220V、380V；电流：1A、5A
工作温度：LCD显示：-10℃~+45℃；LED显示：-10℃~+55℃
储存温度：-20℃~+70℃
相对湿度：≤93%RH，不结露，无腐蚀性气体场所
工频耐压：电源/输入/输出之间2KV/1min
精度等级：电流、电压：0.2级，功率、有功电能：0.5级，频率：0.05Hz
无功电能：1级
海拔高度：≤2500m
3. 智能电动机保护器
(1) 型号：ARD3-100A/CUSR
图5 ARD3外形图
技术指标
保护器辅助电源：AC/DC 110 / 220V，AC 380V，功耗 15VA
电机额定工作电压：AC220V / 380V / 660V，50Hz / 60Hz
开关量输入：8 路无源干结点（8DI）
通讯：RS485 Modbus-RTU 协议
工作温度：-10ºC～55ºC
贮存温度：-25ºC～70ºC
相对湿度：≤95﹪不结露，无腐蚀性气体
防护等级：主体 IP20，分体显示模块 IP45（安装在柜体面板时）
4. 智能马达控制能耗监测软件（MCC监测管理软件）
(1) 能耗监测软件的组成
图6 软件组成图
主控窗口构造了应用系统的主框架；
设备窗口是系统与外部设备联系的媒介；
用户窗口实现了数据和流程的“可视化”；
实时数据库是系统的核心；
运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。
(2) 软件功能
图7 软件功能图
简单灵活的可视化操作界面；
实时性强、有良好的并行处理性能；
丰富、生动的多媒体画面；
完善的安全机制；
强大的网络功能；
多样化的报警功能；
支持多种硬件设备。
4、系统功能
上位机采用触摸屏MCGS TPC7062KX，通过触摸屏与现场设备连接并在触摸屏中进行数据库变量配置、界面设计等，完成在上位机中监控现场开关量模块、谐波表ACR320ELH、ACR120E网络电力仪表、ARD3电动机保护器等钻机设备运行状况的功能。
4.1 实时显示
触摸屏采集安装于进线柜的ACR330ELH谐波仪表、生活负荷区的ACR120E电力仪表、软启动柜的电动机保护器ARD3-100A/CUSR及出线柜的PZ48交流检测仪表、三相电压、三相电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、电能等参数，并在人机界面实时准确显示，方便用户及时了解系统各个设备运行参数以及进行能耗监测管理，具体数据如图8至图11所示。
图8 ACR330ELH数据显示界面
图9 ACR330ELH谐波数据界面
图10 ACR120E数据显示界面
图11 ARD3数据显示界面
4.2 曲线显示
系统将电源进线柜ACR330ELH谐波仪表及生活负荷区ACR120E电力仪表的三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率传给人机界面用曲线的形式表现，为用户提供实时、历史曲线，帮助用户了解设备的电能质量，找出不合理的用电设备，具体曲线界面如图12至图14所示。
图12 ACR330ELH电流实时曲线
图13 ACR120E电压实时曲线
图14 ACR120E功率历史曲线
4.3 数据存盘
系统采集进线柜、生活负荷区及软启动柜各个仪表数据并按照时间段进行历史数据查询，选择时间间隔对系统采集的历史数据精确查询，同时对软启动柜启动回路电动机运行过程中出现的故障进行实时存盘，查询结果在触摸屏存盘数据浏览构建中显示，便于用户对设备运行参数及运行状况实时了解，同时能实现对数据的导出，便于用于了解各个设备历史运行状况，存盘数据界面如图15至图18所示。
图15 ACR120E电参数存盘
图16 ACR330ELH电能参数存盘
图17 ARD3电能参数存盘
图18 ARD3故障记录存盘
5、实施效果
石油钻机井场智能型智能马达控制能耗监测管理系统主要实现了对电源进线柜ACR330ELH谐波仪表三相有功功率、无功功率、功率因数、三相视在功率、电能以及对功率的最大需量采集，直观的表现出总电源柜的负荷情况，从而帮助判断最大装机容量的选定，同时采集谐波分次数据及总谐波含量，帮助用户了解设备的电能质量，找出不合理的用电设备，并且为治理方案提供准确、有价值的依据；通过ACR120E电力仪表显示生活区用电设备的三相电流、电压、有功功率、视在功率、功率因数、电能等参数，电能参数为用户的电量计量提供有效数据；电动机保护器ARD3对软启动柜的设备启动回路数据监测和电机保护，主要采集三相电流、电压、频率、有功功率、无功功率以及功率因数传输给人机界面进行实时显示，帮助用户准确了解设备的运行状态以及负荷情况，同时可以实现对设备的过载保护、不平衡保护、欠载保护、接地保护等，将出现的故障信息传输给人机界面显示，用于故障报警与故障记录，实时了解运行中出现的故障便于及时处理，采集出线柜各个PZ仪表单相交流电流值，用户通过电流值计算设备回路的功率，用于分析比对，整个系统对现场设备电能消耗情况实时监测，并提供电量计量的依据，系统自投入运行以来，运转正常，收到较好的效果，能够对钻井机场智能马达控制能耗实时监测管理，一旦出现不合理的用电设备，在触摸屏实时显示设备信息，为治理方案提供准确、有价值的依据[3]，保证了监测系统的正常运行。
参考文献：
[1].周中等编著. 智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[M]. 北京. 机械工业出版社. 2011.10
[2].黄勇. 石油机械式钻机智能智能马达控制技术及其发展趋势[J]. 自动控制. 2010.8
[3].王磊. 智能智能马达控制自动控制系统及其应用[J]. 自动化技术. 2012.6
作者简介：
周菁，女，江苏安科瑞电器制造有限公司，主要研究方向为电机保护节能控制，手机：18860995117，座机：0510-86179969，QQ:2880157872
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