智能型馬達控製監測管理係統在石油鑽機井場的應用

趙斌

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定

摘要：近年來，智能馬達控製係統(MCC監測管理係統)xunsufazhan，zuanjijingchangguimoyezhubukuoda，weilequebaoduizuanjijingchangzhinengmadakongzhixitongnenghaoshixiankekaodejiankong
，xuyaoshejiyitaozhuanmendezhinengxingmadakongzhinenghaojianceguanlixitong，benwenjieshaojiyurenjijiemianhePZ48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鑽井機場智能型馬達控製能耗監測管理係統
，係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

、電能等參數並顯示、設備運行故障的記錄、數據的存盤及導出，整個係統保證了鑽機井場智能馬達控製係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：鑽機井場、智能馬達控製係統、能耗監測管理、人機界麵

0 引言

    目前大部分石油鑽機井場進行能耗管理
、獲取數據通常做法是采用各種儀器、yibiaoduinenghaojinxingjiliang，gongzuorenyuanduiyiqiyibiaocaijideshujujinxingxianchangweihubingtongji，daozhigongzuoxiaolvdi
，bunengmanzudafanweideshujucaijixuyao，tongshi，tongjishujubuquanmian、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係統
，對係統運行過程中的能源供應、能neng耗hao設she備bei運yun行xing及ji能neng耗hao情qing況kuang進jin行xing實shi時shi監jian測ce管guan理li，以yi便bian用yong戶hu實shi時shi掌zhang握wo能neng源yuan消xiao耗hao狀zhuang況kuang，及ji時shi采cai取qu應ying對dui措cuo施shi
，為wei實shi現xian能neng耗hao管guan理li自zi動dong化hua打da下xia堅jian實shi的de數shu據ju基ji礎chu
，因yin此ci，隨sui著zhe鑽zuan機ji井jing場chang規gui模mo的de不bu斷duan擴kuo大da
，為wei鑽zuan機ji平ping台tai智zhi能neng馬ma達da控kong製zhi係xi統tong提ti供gong可ke靠kao的de能neng耗hao監jian測ce管guan理li係xi統tong，對dui保bao證zheng鑽zuan井jing機ji場chang的de安an全quan運yun行xing有you著zhe重zhong要yao的de意yi義yi，對dui鑽zuan機ji井jing場chang節jie能neng降jiang本ben也ye具ju有you重zhong要yao現xian實shi意yi義yi。

    本文以鑽機井場智能馬達控製係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、diandongjibaohuqijikaiguanliangshurumokuaidengshejiyitaozhinengzhinengmadakongzhinenghaojianceguanlixitongyingyongyuzuanjingjichangzhong，duizuanjijingchangyongdianshebeitigonggaozhiliangdianwangdiannengbingduixitongnenghaoshixianshishijiance、管理。

1
、用戶需求

    為了對鑽機井場智能馬達控製係統的能耗進行監控管理，了解設備的電能質量及用電情況，對所設計的係統提出以下需求：

實時顯示：

    進線櫃：通過人機界麵采集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、diannengyijiduigonglvdezuidaxuliang，zhiguandebiaoxianchuzongdianyuanjinxianguidefuheqingkuang，tongshicaijixiebofencishujujizongxiebohanliang，bangzhuyonghulejieshebeidediannengzhiliang，zhaochubuhelideyongdianshebei，bingqieweizhilifangantigongzhunque、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、電能參數並在人機界麵顯示，為用戶的電量計量提供有效數據；

    軟啟動櫃：利用電動機保護器ARD3對回路進行數據監測和電機保護，主要采集係統三相電流
、電壓、頻率、有功功率
、wugonggonglvyijigonglvyinshuchuanshugeirenjijiemianjinxingshishixianshi
，bangzhuyonghuzhunquelejieshebeideyunxingzhuangtaiyijifuheqingkuang，tongshikeyishixianduishebeideguozaibaohu、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麵顯示，用於故障報警與故障記錄，實時了解運行中出現的故障便於及時處理；

    出線櫃：通過PZ48交流儀表采集出線櫃單個回路的單相交流電流值，根據係統電流值計算設備回路的功率，用於分析比對；

曲線顯示：

    主要顯示進線櫃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、曆史曲線，便於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：完成對各個進線櫃、軟啟動櫃
、出線櫃電壓
、電流、功(gong)率(lv)等(deng)參(can)數(shu)的(de)存(cun)盤(pan)功(gong)能(neng)，並(bing)自(zi)動(dong)生(sheng)成(cheng)符(fu)合(he)客(ke)戶(hu)管(guan)理(li)需(xu)求(qiu)的(de)存(cun)盤(pan)數(shu)據(ju)，用(yong)戶(hu)能(neng)夠(gou)在(zai)觸(chu)摸(mo)屏(ping)上(shang)實(shi)現(xian)各(ge)個(ge)參(can)數(shu)的(de)實(shi)時(shi)查(zha)詢(xun)，便(bian)於(yu)了(le)解(jie)設(she)備(bei)當(dang)前(qian)及(ji)曆(li)史(shi)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)。

    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zhi能neng型xing智zhi能neng馬ma達da控kong製zhi能neng耗hao監jian測ce管guan理li係xi統tong能neng夠gou通tong過guo使shi用yong電dian力li自zi動dong化hua儀yi表biao來lai分fen項xiang監jian測ce各ge區qu域yu的de設she備bei用yong電dian情qing況kuang，通tong過guo集ji中zhong采cai集ji顯xian示shi終zhong端duan來lai實shi時shi顯xian示shi並bing存cun儲chu，最zui後hou導dao出chu一yi個ge工gong作zuo周zhou期qi的de所suo有you數shu據ju，進jin行xing係xi統tong分fen析xi和he製zhi作zuo數shu據ju圖tu表biao

，為wei在zai鑽zuan井jing隊dui從cong開kai鑽zuan到dao完wan鑽zuan提ti供gong分fen析xi能neng耗hao的de依yi據ju

，從cong而er解jie決jue能neng耗hao匹pi配pei的de問wen題ti，該gai項xiang目mu基ji於yu用yong戶hu對dui鑽zuan機ji井jing場chang智zhi能neng型xing智zhi能neng馬ma達da控kong製zhi能neng耗hao監jian測ce管guan理li係xi統tong的de需xu求qiu，采cai用yong昆kun侖lun通tong態tai觸chu摸mo屏pingMCGS 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
，並對設備的過載、不平衡
、欠載、接地等故障進行故障報警與記錄，既能保證鑽機井場智能馬達控製係統的正常運行，又能對用電係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       《電氣控製設備》

GB/T11022-1999      《高壓開關設備和控製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  《工業自動化係統與集成及產品數據表達與交換》

DL/T 814-2002       《配電自動化係統功能規範》

DL/T634-2002        《遠動設備和係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        《電網自動化係統遠方終端》

3.2係統總體結構圖

    整個係統設備主要包括人機界麵、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製係統的能耗監測管理，係統總體架構如下圖1所示。

圖1 係統總體結構圖

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

電能脈衝：2路脈衝輸出
，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

抗幹擾能力：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 路無源幹結點（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（安裝在櫃體麵板時）

4. 智能馬達控製能耗監測軟件（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係統的主框架
；

設備窗口是係統與外部設備聯係的媒介
；

用戶窗口實現了數據和流程的“可視化”；

實時數據庫是係統的核心
；

運行策略是對係統運行流程實現有效控製的手段。

(2) 軟件功能

圖7  軟件功能圖

簡單靈活的可視化操作界麵；

實時性強、有良好的並行處理性能
；

豐富
、生動的多媒體畫麵
；

完善的安全機製；

強大的網絡功能；

多樣化的報警功能；

支持多種硬件設備。

4、係統功能

    上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏與現場設備連接並在觸摸屏中進行數據庫變量配置、界麵設計等，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電動機保護器等鑽機設備運行狀況的功能。

4.1 實時顯示

    觸摸屏采集安裝於進線櫃的ACR330ELH諧波儀表、生活負荷區的ACR120E電力儀表、軟啟動櫃的電動機保護器ARD3-100A/CUSR及出線櫃的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，並在人機界麵實時準確顯示，方便用戶及時了解係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數據顯示界麵

圖9  ACR330ELH諧波數據界麵

圖10  ACR120E數據顯示界麵

圖11  ARD3數據顯示界麵

4.2 曲線顯示

    係統將電源進線櫃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麵用曲線的形式表現，為用戶提供實時、曆史曲線，幫助用戶了解設備的電能質量
，找出不合理的用電設備，具體曲線界麵如圖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功率曆史曲線

4.3 數據存盤

    係統采集進線櫃、生sheng活huo負fu荷he區qu及ji軟ruan啟qi動dong櫃gui各ge個ge儀yi表biao數shu據ju並bing按an照zhao時shi間jian段duan進jin行xing曆li史shi數shu據ju查zha詢xun，選xuan擇ze時shi間jian間jian隔ge對dui係xi統tong采cai集ji的de曆li史shi數shu據ju精jing確que查zha詢xun，同tong時shi對dui軟ruan啟qi動dong櫃gui啟qi動dong回hui路lu電dian動dong機ji運yun行xing過guo程cheng中zhong出chu現xian的de故gu障zhang進jin行xing實shi時shi存cun盤pan，查zha詢xun結jie果guo在zai觸chu摸mo屏ping存cun盤pan數shu據ju瀏liu覽lan構gou建jian中zhong顯xian示shi，便bian於yu用yong戶hu對dui設she備bei運yun行xing參can數shu及ji運yun行xing狀zhuang況kuang實shi時shi了le解jie，同tong時shi能neng實shi現xian對dui數shu據ju的de導dao出chu
，便bian於yu用yong於yu了le解jie各ge個ge設she備bei曆li史shi運yun行xing狀zhuang況kuang，存cun盤pan數shu據ju界jie麵mian如ru圖tu15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

    石油鑽機井場智能型智能馬達控製能耗監測管理係統主要實現了對電源進線櫃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(dian)能(neng)以(yi)及(ji)對(dui)功(gong)率(lv)的(de)最(zui)大(da)需(xu)量(liang)采(cai)集(ji)，直(zhi)觀(guan)的(de)表(biao)現(xian)出(chu)總(zong)電(dian)源(yuan)櫃(gui)的(de)負(fu)荷(he)情(qing)況(kuang)
，從(cong)而(er)幫(bang)助(zhu)判(pan)斷(duan)最(zui)大(da)裝(zhuang)機(ji)容(rong)量(liang)的(de)選(xuan)定(ding)，同(tong)時(shi)采(cai)集(ji)諧(xie)波(bo)分(fen)次(ci)數(shu)據(ju)及(ji)總(zong)諧(xie)波(bo)含(han)量(liang)，幫(bang)助(zhu)用(yong)戶(hu)了(le)解(jie)設(she)備(bei)的(de)電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)，找(zhao)出(chu)不(bu)合(he)理(li)的(de)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)，並(bing)且(qie)為(wei)治(zhi)理(li)方(fang)案(an)提(ti)供(gong)準(zhun)確(que)、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對軟啟動櫃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、wugonggonglvyijigonglvyinshuchuanshugeirenjijiemianjinxingshishixianshi
，bangzhuyonghuzhunquelejieshebeideyunxingzhuangtaiyijifuheqingkuang，tongshikeyishixianduishebeideguozaibaohu
、不平衡保護
、欠載保護、接(jie)地(di)保(bao)護(hu)等(deng)，將(jiang)出(chu)現(xian)的(de)故(gu)障(zhang)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸(shu)給(gei)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)顯(xian)示(shi)
，用(yong)於(yu)故(gu)障(zhang)報(bao)警(jing)與(yu)故(gu)障(zhang)記(ji)錄(lu)，實(shi)時(shi)了(le)解(jie)運(yun)行(xing)中(zhong)出(chu)現(xian)的(de)故(gu)障(zhang)便(bian)於(yu)及(ji)時(shi)處(chu)理(li)，采(cai)集(ji)出(chu)線(xian)櫃(gui)各(ge)個(ge)PZ儀(yi)表(biao)單(dan)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)流(liu)值(zhi)，用(yong)戶(hu)通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)值(zhi)計(ji)算(suan)設(she)備(bei)回(hui)路(lu)的(de)功(gong)率(lv)
，用(yong)於(yu)分(fen)析(xi)比(bi)對(dui)，整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)對(dui)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)情(qing)況(kuang)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)，並(bing)提(ti)供(gong)電(dian)量(liang)計(ji)量(liang)的(de)依(yi)據(ju)，係(xi)統(tong)自(zi)投(tou)入(ru)運(yun)行(xing)以(yi)來(lai)，運(yun)轉(zhuan)正(zheng)常(chang)，收(shou)到(dao)較(jiao)好(hao)的(de)效(xiao)果(guo)，能(neng)夠(gou)對(dui)鑽(zuan)井(jing)機(ji)場(chang)智(zhi)能(neng)馬(ma)達(da)控(kong)製(zhi)能(neng)耗(hao)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)管(guan)理(li)，一(yi)旦(dan)出(chu)現(xian)不(bu)合(he)理(li)的(de)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)
，在(zai)觸(chu)摸(mo)屏(ping)實(shi)時(shi)顯(xian)示(shi)設(she)備(bei)信(xin)息(xi)
，為(wei)治(zhi)理(li)方(fang)案(an)提(ti)供(gong)準(zhun)確(que)、有價值的依據^[3]，保證了監測係統的正常運行。

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係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. 石油機械式鑽機智能智能馬達控製技術及其發展趨勢[J]. 自動控製. 2010.8

[3].王磊. 智能智能馬達控製自動控製係統及其應用[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：
，座機：
，QQ:2880157852,E-mail: