王海芹

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定

摘要：近年來(lái)，智能馬達控制系統(MCC監測管理系統)迅速發(fā)展，鉆機井場(chǎng)規模也逐步擴大，為了確保對鉆機井場(chǎng)智能馬達控制系統能耗實(shí)現可靠的監控，需要設計一套專(zhuān)門(mén)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P48交流檢測儀表、ACR330ELH諧波儀表、ACR120E電力儀表、ARD3電動(dòng)機保護器^[1]及開(kāi)關(guān)量輸入模塊設計實(shí)現的鉆井機場(chǎng)智能型馬達控制能耗監測管理系統，系統可以實(shí)現采集總進(jìn)線(xiàn)回路、生活區負荷、軟啟動(dòng)回路、出線(xiàn)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(pán)及導出，整個(gè)系統保證了鉆機井場(chǎng)智能馬達控制系統電網(wǎng)能耗自動(dòng)監測管理水平，具有廣泛的應用前景。

關(guān)鍵詞：鉆機井場(chǎng)、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(chǎng)進(jìn)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(jìn)行計量，工作人員對儀器儀表采集的數據進(jìn)行現場(chǎng)維護并統計，導致工作效率低，不能滿(mǎn)足大范圍的數據采集需要，同時(shí)，統計數據不、不及時(shí)，甚至會(huì )出現不準確的情況，為了能更好完成能耗統計、分析、，需要建立一套有效的自動(dòng)化能源消耗數據獲取系統，對系統運行過(guò)程中的能源供應、能耗設備運行及能耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測管理，以便用戶(hù)實(shí)時(shí)掌握能源消耗狀況，及時(shí)采取應對措施，為實(shí)現能耗管理自動(dòng)化打下堅實(shí)的數據基礎，因此，隨著(zhù)鉆機井場(chǎng)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(chǎng)的安全運行有著(zhù)重要的意義，對鉆機井場(chǎng)節能降本也具有重要現實(shí)意義。

    本文以鉆機井場(chǎng)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(dòng)機保護器及開(kāi)關(guān)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(chǎng)中，對鉆機井場(chǎng)用電設備提供高質(zhì)量電網(wǎng)電能并對系統能耗實(shí)現實(shí)時(shí)監測、管理。

1、用戶(hù)需求

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

實(shí)時(shí)顯示：

    進(jìn)線(xiàn)柜：通過(guò)人機界面采集ACR330ELH諧波儀表三相有功功率、無(wú)功功率、功率因數、三相視在功率、電能以及對功率的大需量，直觀(guān)的表現出總電源進(jìn)線(xiàn)柜的負荷情況，同時(shí)采集諧波分次數據及總諧波含量，幫助用戶(hù)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(jià)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(hù)的電量計量提供有效數據；

    軟啟動(dòng)柜：利用電動(dòng)機保護器ARD3對回路進(jìn)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(wú)功功率以及功率因數傳輸給人機界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，幫助用戶(hù)準確了解設備的運行狀態(tài)以及負荷情況，同時(shí)可以實(shí)現對設備的過(guò)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(shí)時(shí)了解運行中出現的故障便于及時(shí)處理；

    出線(xiàn)柜：通過(guò)P48交流儀表采集出線(xiàn)柜單個(gè)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(xiàn)顯示：

    主要顯示進(jìn)線(xiàn)柜及生活區負荷三相電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)了解總負荷變化、生活區負荷變化及驅動(dòng)回路用電設備負荷變化，對各用電設備能耗實(shí)現監測管理；

    數據存盤(pán)：完成對各個(gè)進(jìn)線(xiàn)柜、軟啟動(dòng)柜、出線(xiàn)柜電壓、電流、功率等參數的存盤(pán)功能，并自動(dòng)生成符合客戶(hù)管理需求的存盤(pán)數據，用戶(hù)能夠在觸摸屏上實(shí)現各個(gè)參數的實(shí)時(shí)查詢(xún)，便于了解設備當前及歷史運行狀況。

    數據導出:實(shí)現各儀表參數按照客戶(hù)要求的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)導出，導成Excel形式到U盤(pán)，供客戶(hù)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(guò)使用電力自動(dòng)化儀表來(lái)分項監測各區域的設備用電情況，通過(guò)集中采集顯示終端來(lái)實(shí)時(shí)顯示并存儲，后導出一個(gè)工作周期的所有數據，進(jìn)行系統分析和制作數據圖表，為在鉆井隊從開(kāi)鉆到完鉆提供分析能耗的依據，從而解決能耗匹配的問(wèn)題，該項目基于用戶(hù)對鉆機井場(chǎng)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(tài)觸摸屏MCGS TPC7062KX與安科瑞ACR320ELH諧波儀表、ACR120E電力儀表、P48-AI/C交流檢測儀表、電動(dòng)機保護器ARD3-100A/CUSR及開(kāi)關(guān)量輸入模塊，實(shí)現對總負荷、生活區負荷及驅動(dòng)回路用電設備運行過(guò)程中三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電能、三相諧波數據的實(shí)時(shí)監測顯示、數據存盤(pán)、導出功能，并對設備的過(guò)載、不平衡、欠載、接地等故障進(jìn)行故障報警與記錄，既能保證鉆機井場(chǎng)智能馬達控制系統的正常運行，又能對用電系統的能耗實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)設備和控制設備標準的共用技術(shù)要求》

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

20077556-Q-604      《工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品安全要求10部分:記錄儀表的安全要求》

GB/T 16656.46-2010  《工業(yè)自動(dòng)化系統與集成及產(chǎn)品數據表達與交換》

DL/T 814-2002       《配電自動(dòng)化系統功能規范》

DL/T634-2002        《遠動(dòng)設備和系統傳輸規約基本遠動(dòng)任務(wù)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(dòng)化系統遠方終端》

3.2系統總體結構圖

    整個(gè)系統設備主要包括人機界面、ACR330ELH網(wǎng)絡(luò )諧波儀表、ACR120E網(wǎng)絡(luò )電力儀表、P48交流檢測儀表、電動(dòng)機保護器ARD3、開(kāi)關(guān)量輸入模塊及開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)連接至集中采集顯示終端，對現場(chǎng)數據的采集、實(shí)時(shí)顯示、參數存盤(pán)、故障記錄，實(shí)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(chǎn)品介紹

1. 網(wǎng)絡(luò )電力儀表

(1) 型號：ACR120E

圖2  ACR120E外形圖

技術(shù)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(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(shù)指標

輸入電流過(guò)負荷：1.2倍持續，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(wú)功電能：1級

抗力：符合GB6162

環(huán)境濕度：≦95%RH，不結露，無(wú)腐蝕性氣體場(chǎng)所

2. 智能電測儀表

(1) 型號：P48-AI/C

圖4  P48-AI/C外形圖

技術(shù)指標

輸入標稱(chēng)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，不結露，無(wú)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：電流、電壓：0.2級，功率、有功電能：0.5級，頻率：0.05Hz

    無(wú)功電能：1級

海拔高度：≤2500m

3. 智能電動(dòng)機保護器

(1) 型號：ARD3-100A/CUSR

圖5  ARD3外形圖

技術(shù)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(kāi)關(guān)量輸入：8 路無(wú)源干結點(diǎn)（8DI）

通訊：RS485 Modbus-RTU 協(xié)議

工作溫度：-10?C～55?C

貯存溫度：-25?C～70?C

相對濕度：≤95﹪不結露，無(wú)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(shí)）

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的媒介；

用戶(hù)窗口實(shí)現了數據和流程的“可視化”；

實(shí)時(shí)數據庫是系統的核心；

運行策略是對系統運行流程實(shí)現有效控制的手段。

(2) 軟件功能

圖7  軟件功能圖

簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面；

實(shí)時(shí)性強、有良好的并行處理性能；

豐富、生動(dòng)的多媒體畫(huà)面；

完善的安全機制；

強大的網(wǎng)絡(luò )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(guò)觸摸屏與現場(chǎng)設備連接并在觸摸屏中進(jìn)行數據庫變量配置、界面設計等，完成在上位機中監控現場(chǎng)開(kāi)關(guān)量模塊、諧波表ACR320ELH、ACR120E網(wǎng)絡(luò )電力儀表、ARD3電動(dòng)機保護器等鉆機設備運行狀況的功能。

4.1 實(shí)時(shí)顯示

    觸摸屏采集安裝于進(jìn)線(xiàn)柜的ACR330ELH諧波儀表、生活負荷區的ACR120E電力儀表、軟啟動(dòng)柜的電動(dòng)機保護器ARD3-100A/CUSR及出線(xiàn)柜的P48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(wú)功功率、視在功率、電能等參數，并在人機界面實(shí)時(shí)準確顯示，方便用戶(hù)及時(shí)了解系統各個(gè)設備運行參數以及進(jìn)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(xiàn)顯示

    系統將電源進(jìn)線(xiàn)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(wú)功功率、視在功率傳給人機界面用曲線(xiàn)的形式表現，為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)、歷史曲線(xiàn)，幫助用戶(hù)了解設備的電能質(zhì)量，找出不合理的用電設備，具體曲線(xiàn)界面如圖12至圖14所示。

圖12  ACR330ELH電流實(shí)時(shí)曲線(xiàn)

圖13  ACR120E電壓實(shí)時(shí)曲線(xiàn)

圖14  ACR120E功率歷史曲線(xiàn)

4.3 數據存盤(pán)

    系統采集進(jìn)線(xiàn)柜、生活負荷區及軟啟動(dòng)柜各個(gè)儀表數據并按照時(shí)間段進(jìn)行歷史數據查詢(xún)，選擇時(shí)間間隔對系統采集的歷史數據查詢(xún)，同時(shí)對軟啟動(dòng)柜啟動(dòng)回路電動(dòng)機運行過(guò)程中出現的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)存盤(pán)，查詢(xún)結果在觸摸屏存盤(pán)數據瀏覽構建中顯示，便于用戶(hù)對設備運行參數及運行狀況實(shí)時(shí)了解，同時(shí)能實(shí)現對數據的導出，便于用于了解各個(gè)設備歷史運行狀況，存盤(pán)數據界面如圖15至圖18所示。

圖15  ACR120E電參數存盤(pán)

圖16  ACR330ELH電能參數存盤(pán)

圖17  ARD3電能參數存盤(pán)

圖18  ARD3故障記錄存盤(pán)

5、實(shí)施效果

    石油鉆機井場(chǎng)智能型智能馬達控制能耗監測管理系統主要實(shí)現了對電源進(jìn)線(xiàn)柜ACR330ELH諧波儀表三相有功功率、無(wú)功功率、功率因數、三相視在功率、電能以及對功率的大需量采集，直觀(guān)的表現出總電源柜的負荷情況，從而幫助判斷大裝機容量的選定，同時(shí)采集諧波分次數據及總諧波含量，幫助用戶(hù)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(jià)值的依據；通過(guò)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(hù)的電量計量提供有效數據；電動(dòng)機保護器ARD3對軟啟動(dòng)柜的設備啟動(dòng)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(wú)功功率以及功率因數傳輸給人機界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，幫助用戶(hù)準確了解設備的運行狀態(tài)以及負荷情況，同時(shí)可以實(shí)現對設備的過(guò)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(shí)時(shí)了解運行中出現的故障便于及時(shí)處理，采集出線(xiàn)柜各個(gè)P儀表單相交流電流值，用戶(hù)通過(guò)電流值計算設備回路的功率，用于分析比對，整個(gè)系統對現場(chǎng)設備電能消耗情況實(shí)時(shí)監測，并提供電量計量的依據，系統自投入運行以來(lái)，運轉正常，收到較好的效果，能夠對鉆井機場(chǎng)智能馬達控制能耗實(shí)時(shí)監測管理，一旦出現不合理的用電設備，在觸摸屏實(shí)時(shí)顯示設備信息，為治理方案提供準確、有價(jià)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(zhù). 智能電網(wǎng)用戶(hù)端電力監控與電能管理系統產(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(shù)及其發(fā)展趨勢[J]. 自動(dòng)控制. 2010.8

[3].王磊. 智能智能馬達控制自動(dòng)控制系統及其應用[J]. 自動(dòng)化技術(shù). 2012.6