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技術(shù)文章

智能型馬達(dá)控制監(jiān)測管理系統(tǒng)在石油鉆機(jī)井場的應(yīng)用

技術(shù)文章

淮亞利

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)測管理系統(tǒng))迅速發(fā)展,鉆機(jī)井場規(guī)模也逐步擴(kuò)大,為了確保對鉆機(jī)井場智能馬達(dá)控制系統(tǒng)能耗實現(xiàn)可靠的監(jiān)控,需要設(shè)計一套專門的智能型馬達(dá)控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),本文介紹基于人機(jī)界面和PZ48交流檢測儀表、ACR330ELH諧波儀表、ACR120E電力儀表、ARD3電動機(jī)保護(hù)器[1]及開關(guān)量輸入模塊設(shè)計實現(xiàn)的鉆井機(jī)場智能型馬達(dá)控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),系統(tǒng)可以實現(xiàn)采集總進(jìn)線回路、生活區(qū)負(fù)荷、軟啟動回路、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)備運行故障的記錄、數(shù)據(jù)的存盤及導(dǎo)出,整個系統(tǒng)保證了鉆機(jī)井場智能馬達(dá)控制系統(tǒng)電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測管理水平,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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

0 引言

    目前大部分石油鉆機(jī)井場進(jìn)行能耗管理、獲取數(shù)據(jù)通常做法是采用各種儀器、儀表對能耗進(jìn)行計量,工作人員對儀器儀表采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)并統(tǒng)計,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,統(tǒng)計數(shù)據(jù)不全面、不及時,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、分析、改善,需要建立一套有效的自動化能源消耗數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),對系統(tǒng)運行過程中的能源供應(yīng)、能耗設(shè)備運行及能耗情況進(jìn)行實時監(jiān)測管理,以便用戶實時掌握能源消耗狀況,及時采取應(yīng)對措施,為實現(xiàn)能耗管理自動化打下堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),因此,隨著鉆機(jī)井場規(guī)模的不斷擴(kuò)大,為鉆機(jī)平臺智能馬達(dá)控制系統(tǒng)提供可靠的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),對保證鉆井機(jī)場的安全運行有著重要的意義,對鉆機(jī)井場節(jié)能降本也具有重要現(xiàn)實意義。

    本文以鉆機(jī)井場智能馬達(dá)控制系統(tǒng)能耗監(jiān)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(jī)保護(hù)器及開關(guān)量輸入模塊等設(shè)計一套智能智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)用于鉆井機(jī)場中,對鉆機(jī)井場用電設(shè)備提供高質(zhì)量電網(wǎng)電能并對系統(tǒng)能耗實現(xiàn)實時監(jiān)測、管理。

1、用戶需求

    為了對鉆機(jī)井場智能馬達(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,對所設(shè)計的系統(tǒng)提出以下需求:

實時顯示:

    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,為用戶的電量計量提供有效數(shù)據(jù);

    軟啟動柜:利用電動機(jī)保護(hù)器ARD3對回路進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和電機(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)行實時顯示,幫助用戶準(zhǔn)確了解設(shè)備的運行狀態(tài)以及負(fù)荷情況,同時可以實現(xiàn)對設(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,用于故障報警與故障記錄,實時了解運行中出現(xiàn)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(jù)系統(tǒng)電流值計算設(shè)備回路的功率,用于分析比對;

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、視在功率實時曲線、歷史曲線,便于用戶實時了解總負(fù)荷變化、生活區(qū)負(fù)荷變化及驅(qū)動回路用電設(shè)備負(fù)荷變化,對各用電設(shè)備能耗實現(xiàn)監(jiān)測管理;

    數(shù)據(jù)存盤:完成對各個進(jìn)線柜、軟啟動柜、出線柜電壓、電流、功率等參數(shù)的存盤功能,并自動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現(xiàn)各個參數(shù)的實時查詢,便于了解設(shè)備當(dāng)前及歷史運行狀況。

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

2、項目介紹

   智能型智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠通過使用電力自動化儀表來分項監(jiān)測各區(qū)域的設(shè)備用電情況,通過集中采集顯示終端來實時顯示并存儲,zui后導(dǎo)出一個工作周期的所有數(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,該項目基于用戶對鉆機(jī)井場智能型智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測管理系統(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交流檢測儀表、電動機(jī)保護(hù)器ARD3-100A/CUSR及開關(guān)量輸入模塊,實現(xiàn)對總負(fù)荷、生活區(qū)負(fù)荷及驅(qū)動回路用電設(shè)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(shù)據(jù)的實時監(jiān)測顯示、數(shù)據(jù)存盤、導(dǎo)出功能,并對設(shè)備的過載、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(jī)井場智能馬達(dá)控制系統(tǒng)的正常運行,又能對用電系統(tǒng)的能耗實時監(jiān)測管理[2]。

3、設(shè)計方案

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)自動化產(chǎn)品安全要求第1部分:總則》

20077556-Q-604      《工業(yè)自動化產(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       《配電自動化系統(tǒng)功能規(guī)范》

DL/T634-2002        《遠(yuǎn)動設(shè)備和系統(tǒng)傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動任務(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)自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端》

3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

    整個系統(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交流檢測儀表、電動機(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,對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、實時顯示、參數(shù)存盤、故障記錄,實現(xiàn)智能型智能馬達(dá)控制系統(tǒng)的能耗監(jiān)測管理,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

序號

名稱

型號、規(guī)格

單位

廠家

1

觸摸屏

TPC7062KX

昆侖通態(tài)

3

網(wǎng)絡(luò)電力儀表

ACR120E、ACR330ELH(帶諧波功能)

安科瑞

4

智能電測儀表

PZ48-AI/C

安科瑞

5

智能電動機(jī)保護(hù)器

ARD3-100A/CUSR

安科瑞

6

開關(guān)量輸入模塊

WP8026ADAM

緯樸電氣

7

開關(guān)電源

AC220V轉(zhuǎn)DC24V

華力電子

8

智能型馬達(dá)控制能耗監(jiān)測軟件

MCC監(jiān)測管理軟件

安科瑞

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: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(biāo)

輸入電流過負(fù)荷:1.2倍持續(xù),瞬時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

    無功電能:1級

抗干擾能力:符合GB6162

環(huán)境濕度:≦95%RH,不結(jié)露,無腐蝕性氣體場所

2. 智能電測儀表

(1) 型號: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℃

儲存溫度:-20℃~+70℃

相對濕度:≤93%RH,不結(jié)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(jī)保護(hù)器

(1) 型號: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(8DI)

通訊:RS485 Modbus-RTU 協(xié)議

工作溫度:-10oC~55oC

貯存溫度:-25oC~70oC

相對濕度:≤95﹪不結(jié)露,無腐蝕性氣體

防護(hù)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(dá)控制能耗監(jiān)測軟件(MCC監(jiān)測管理軟件)

(1) 能耗監(jiān)測軟件的組成

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;

用戶窗口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和流程的“可視化";

實時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心;

運行策略是對系統(tǒng)運行流程實現(xiàn)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(qiáng)、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(jī)制;

強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能;

多樣化的報警功能;

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)計等,完成在上位機(jī)中監(jiān)控現(xiàn)場開關(guān)量模塊、諧波表ACR320ELH、ACR120E網(wǎng)絡(luò)電力儀表、ARD3電動機(jī)保護(hù)器等鉆機(jī)設(shè)備運行狀況的功能。

4.1 實時顯示

    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、軟啟動柜的電動機(jī)保護(hù)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(shù)、有功功率、無功功率、視在功率、電能等參數(shù),并在人機(jī)界面實時準(zhǔn)確顯示,方便用戶及時了解系統(tǒng)各個設(shè)備運行參數(shù)以及進(jìn)行能耗監(jiān)測管理,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),為用戶提供實時、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電流實時曲線

圖13  ACR120E電壓實時曲線


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)及軟啟動柜各個儀表數(shù)據(jù)并按照時間段進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢,選擇時間間隔對系統(tǒng)采集的歷史數(shù)據(jù)查詢,同時對軟啟動柜啟動回路電動機(jī)運行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行實時存盤,查詢結(jié)果在觸摸屏存盤數(shù)據(jù)瀏覽構(gòu)建中顯示,便于用戶對設(shè)備運行參數(shù)及運行狀況實時了解,同時能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的導(dǎo)出,便于用于了解各個設(shè)備歷史運行狀況,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、實施效果

    石油鉆機(jī)井場智能型智能馬達(dá)控制能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對電源進(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)為用戶的電量計量提供有效數(shù)據(jù);電動機(jī)保護(hù)器ARD3對軟啟動柜的設(shè)備啟動回路數(shù)據(jù)監(jiān)測和電機(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)行實時顯示,幫助用戶準(zhǔn)確了解設(shè)備的運行狀態(tài)以及負(fù)荷情況,同時可以實現(xiàn)對設(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,用于故障報警與故障記錄,實時了解運行中出現(xiàn)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(shè)備回路的功率,用于分析比對,整個系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備電能消耗情況實時監(jiān)測,并提供電量計量的依據(jù),系統(tǒng)自投入運行以來,運轉(zhuǎn)正常,收到較好的效果,能夠?qū)︺@井機(jī)場智能馬達(dá)控制能耗實時監(jiān)測管理,一旦出現(xiàn)不合理的用電設(shè)備,在觸摸屏實時顯示設(shè)備信息,為治理方案提供準(zhǔn)確、有價值的依據(jù)[3],保證了監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行。

參考文獻(xiàn):

[1].周中等編著. 智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)產(chǎn)品選型及解決方案[M]. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2011.10

[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[J]. 自動控制. 2010.8

[3].王磊. 智能智能馬達(dá)控制自動控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 自動化技術(shù). 2012.6

作者簡介:

淮亞利,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為電機(jī)保護(hù)節(jié)能控制,,:,:   

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