基于微處理器技術的電動機智能管理系統在海洋石油平臺中的應用研究

劉 康

(中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067)

基于微處理器技術的電動機智能管理系統在海洋石油平臺中的應用研究

劉 康

(中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067)

通過基于微處理器技術的電動機控制裝置MCU以及先進的現場總線通信技術，智能電動機管理中心能為電動機提供一整套專業化的集控制、保護與監測于一體的管理方案，是海洋石油平臺過程控制系統電動機智能化管理的理想選擇，對提高電動機運行可靠性，減少非計劃停車，維持油氣連續生產具有重要意義。

海洋石油平臺；智能MCC；電動機控制

隨著科學技術的不斷進步，電動機設計向增加出力和減小體積的方向發展，使得部分新型電動機的熱容量越來越小，過負荷能力越來越弱；再加之海上油氣田過程控制系統自動化程度越來越高，要求電動機經常運行在頻繁的起動、制動、正反轉以及變負荷等多種狀態， 這對電動機的保護和管理系統提出了更高的要求。此外，海洋石油平臺環境極為惡劣，特別是中國南海海域，電動機經常工作在潮濕、高溫和多鹽霧的場合，造成電動機比過去更容易損壞。據統計，超過90%的海上油氣田損壞的電動機是工作在堵轉、起動失敗、過載、短路、缺相和接地等異常情況下，這就需要一套高效、穩定和適應當前電動機技術特點的電動機控制系統來負責電網管理。

1 海洋石油電動機管理系統的發展狀況

電動機控制中心(Motor Control Center，MCC)是海洋石油平臺統一管理用電裝置設備，它將各種電動機控制單元、饋電控制單元、配電變壓器、照明配電盤、聯鎖繼電器以及電力監控、計量設備裝入一個整體安裝的機殼內，并且由1條公共的封閉母線供電。從時間上劃分，海洋石油MCC大致可劃分為下述2個階段[1]。

1)傳統電動機控制系統。傳統電動機控制中心可以實現電動機的起、停控制和簡單的故障檢測，結構簡單，利于維護，廣泛應用于早期的海洋石油平臺。其主要保護元器件以傳統機電式繼電器為主，包括熔斷器、斷路器、熱繼電器、電動機保護用自動開關和雙金屬片式溫度繼電器等。

2)智能電動機管理系統。微電子技術的發展和電動機保護原理概念的更新，對裝置結構的變革、性能的完善以及功能的擴展等方面起著強大的推動作用。國外著名電氣公司紛紛推出了以微處理器技術為核心的智能化電動機保護器，如Schneider-Electric公司的TeSys T，Allen-Bradley公司的E3 Plus以及ABB公司的M101等產品，為智能電動機管理系統在海洋石油平臺的應用提供了可能性。

2 傳統電動機控制系統與智能電動機管理系統的對比

2.1 保護功能

傳統的MCC保護功能主要是過載、斷相和負荷不平衡保護。由于熱繼電器是通過調整雙金屬熱元件的間隙進行保護范圍調整，因此，其功能單一、靈敏度低、誤差較大、穩定性和保護可靠性略差。

智能電動機控制器是一種基于微處理器的裝置，具有熱過載保護、斷相保護、三相不平衡保護、堵轉保護、欠壓保護、電動機熱保護、接地故障保護、輕載保護、空載保護和起動次數限制保護等多種電動機故障檢測和診斷功能，同時帶有全壓起動、星三角起動、雙向起動和雙速起動等多種控制功能。更有意義的是，智能電動機控制器能實現對電動機運行過程中各種詳細信息的采集跟蹤，通過對故障報警、保護動作(保護脫扣)，以及動作延時時間的設定來實現及時準確的保護，從而保證生產的安全。報警、脫扣和脫扣延時示意圖如圖1所示，當電動機運行參數達到預置的報警值時，保護裝置僅進行報警，不觸發脫扣；但當越限值達到預置的脫扣值時，保護裝置進入脫扣觸發延時。在預置脫扣延時時間內，若設備恢復正常運行，則取消脫扣執行；而如果超過延時時限，則保護裝置發出脫扣信號，驅動執行元件動作，停止電動機運行。在電動機控制裝置實現各項保護功能的同時，各種保護信息也由裝置生成，并經通信接口上傳至平臺控制系統[2-3]。

圖1 報警、脫扣和脫扣延時示意圖

2.2 數據傳輸及信息管理功能

由于傳統的MCC是通過控制電纜和信號電纜的硬接線方式與海洋石油平臺生產控制系統PCS和緊急關斷系統ESD連接，因此只能提供有限的管理和診斷信息，并且受繼電器回路接點數量和電纜的限制。根據海洋石油控制系統的策略，每個MCC電動機控制、保護回路都會有啟動指令、停止指令、運行狀態、停止狀態和緊急關斷5個信號，分別與平臺PCS系統和ESD系統采用硬線連接。對于一套擁有300個電動機的MCC，至少會有1 500監控信號，即使都采用10 P×1.5 mm2的電纜，按照20%的備用量計算，也需要180根電纜進入平臺中控室。這些數量龐大的線纜會對平臺的電纜橋架規劃和中控室防火穿越設計造成影響，并在一定程度上增加中控盤柜的占地面積和電纜的采辦、施工和調試工作量。

基于微處理器技術的電動機智能管理系統集控制、監視、保護和通信功能于一身，帶有電流、電壓、頻率、功率和溫度等多種測量功能，能夠以通信方式提供全面的管理診斷信息，使系統的電氣設備狀態數據透明化，實現自動采集和分析，并提供各類報表。

2.3 實例分析

以中海油南海某中心平臺為例。電動機智能管理系統采用Rockwell 1756-L62處理器，通過高速的工業以太網環網與系統的操作站和各遠程I/O子系統相連接，電源、CPU、以太網模塊均按1：1冗余配置。系統選取ABB公司M101-P智能電動機保護器，該模塊可采用MODBUS RTU和PROFIBUS DP 2種通信協議與上層管理系統進行連接，其具有冗余通信接口，在一條總線上通過中繼器可擴展連接多達125 個模塊。該系統的設計采用總線型拓撲結構，將每個智能電動機保護器和多功能表的直接啟動信號、正反轉-直接啟動信號、電動機運行狀態、三相電流、漏電電流、故障信息、接觸器操作次數、電動機運行時間以及越限報警，通過PROFIBUS DP協議進行控制和采集，并通過Woodhead 公司的通信轉換模塊SST-PB3-REM轉換為Ethernet IP，與各個控制站內的交換機進行數據傳輸。整個電動機智能管理系統利用工業以太環網進行連接，當任意一節點出現通信故障，不影響其余站點之間的數據交換。在環網架構下，控制主站和子站之間進行功能劃分，主站功能側重于控制策略，包括發電機管理、負載監控、電站的熱備用量管理、優先脫扣及安穩系統等，子站側重于數據采集與就地控制功能，主站的人機界面HMI通過操作權限的設置，可以進行全系統操作。該系統主站采用SST-SR4-CLX通信模塊與平臺中控系統實現以太網冗余通信，把前面提到的系統相關設備信息與中控PCS系統和ESD系統進行交換，在很大程度上優化了繁瑣的硬線連接，節約了工程材料和資源，對減少中控機柜配置和優化房間電纜防火穿越設計提供了幫助，通信環網的設計也一定程度上提高了系統的可靠性和穩定性。更為重要的是，在設備可能產生重大故障前，系統的越限報警可及時通過PCS系統，提醒位于平臺中控室的操作員進行處理，從而可以避免不必要的停機對正常油氣生產造成的影響，最大限度地保證了設備運行的有效性。

與此同時，電動機智能管理系統可實現能源消耗情況的測量、統計和分析，為電能消耗和成本結構優化提供依據，可為平臺操作員提供詳細、明確的電氣設備運行工況。使電氣管理維護人員通過設備運行數據進行有計劃的設備維護和檢修，大幅度提高設備的有效運行率和維護人員的工作效率，節約了備品備件及保養維護費用，降低了備件庫存及資金占用，這些優點是傳統電動機控制系統所不具備的。

3 智能電動機保護器應用

在海洋石油工程項目階段選取智能電動機保護器時，應綜合考慮電動機本身的價值、負載類型、使用環境、電動機主體設備的重要程度和電動機退出運行是否對油氣生產造成嚴重影響等因素，力爭做到經濟合理。重點考慮以下4個方面。

1)適應性。目前在海洋石油平臺上應用的電動機種類及生產廠家非常多，因此智能型電動機保護器應有較好的適應性，能通過簡單的設置就可以滿足不同的保護特性；

2)準確性。智能電動機保護器應動作準確，既能充分發揮電動機的過載能力，又能免于損壞，而且還能提高生產的連續性。

3)可靠性。 選取的智能電動機保護器應技術成熟，運行可靠，無故障時不能誤動作而影響生產，而在故障發生時，特別是堵轉和短路等重故障下動作失敗。

4)經濟性。目前，在海上石油平臺上應用的智能電動機保護器均非常昂貴，所以在滿足技術要求的情況下，不建議選取過多附加功能的產品，當簡單的保護裝置不能滿足要求或對保護功能和特性提出更高要求時，才考慮應用復雜的保護裝置，做到經濟性和可靠性的統一。

4 結語

我國海上油氣田開發發展快速，平臺規模和處理能力不斷提升，在國家和企業越來越重視海洋石油安全生產的前提下，基于微處理器技術的電動機智能管理系統為海上石油鉆采和生產處理設備提供了一套集控制、保護與監測于一體的電動機智能化管理方案。通過選擇保護功能和保護方式，該系統能超前、準確、及時地判斷電動機的故障，并以通信的方式為平臺操作員提供全面的管理診斷信息，使系統的電氣設備狀態數據透明化，實現自動采集和分析，從而達到提高設備運行可靠性并減少非計劃停車和事故損失的目的，對當今的海洋石油油氣生產意義深遠。

[1] 朱瑛珺，王麗.淺談智能馬達保護器的選用及安裝使用 [J]. 電氣傳動自動化，2011,32(6):130-132.

[2] 田曙光.智能馬達控制器技術的發展和應用 [J]. 企業技術開發，2000,15(10):14-20.

[3] 王昆，龔儉龍，曹斌，等.直線電動機在超精密運動平臺中的應用與計算[J].新技術新工藝，2014(2)：42-45.

責任編輯李思文

Microprocessor-basedTechnologyIntelligentMotorManagementSystemintheOffshoreOilPlatform

LIU Kang

(CNOOC Deepwater Development Co., Ltd., Shenzhen 518067, China)

On basis of microprocessor-based control unit MCU motor, and advanced field bus communication technology, intelligent motor management center is able to provide a complete set with specialized set of motor control, protection and monitoring in one of the management plan. It is the process of offshore oil platforms ideal for intelligent management of the motor control system to improve the reliability of running motor, reduce unplanned downtime, maintain continuous production of oil and gas is important.

offshore oil platforms, intelligent MCC, motor control

P 208

：A

劉康(1982-)，男，工程師，主要從事海洋石油工程建設項目管理等方面的研究。

2014-10-28