基于微处理器技术的电动机智能管理系统在海洋石油平台中的应用研究

刘 康

(中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067)

基于微处理器技术的电动机智能管理系统在海洋石油平台中的应用研究

刘 康

(中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518067)

通过基于微处理器技术的电动机控制装置MCU以及先进的现场总线通信技术，智能电动机管理中心能为电动机提供一整套专业化的集控制、保护与监测于一体的管理方案，是海洋石油平台过程控制系统电动机智能化管理的理想选择，对提高电动机运行可靠性，减少非计划停车，维持油气连续生产具有重要意义。

海洋石油平台；智能MCC；电动机控制

随着科学技术的不断进步，电动机设计向增加出力和减小体积的方向发展，使得部分新型电动机的热容量越来越小，过负荷能力越来越弱；再加之海上油气田过程控制系统自动化程度越来越高，要求电动机经常运行在频繁的起动、制动、正反转以及变负荷等多种状态， 这对电动机的保护和管理系统提出了更高的要求。此外，海洋石油平台环境极为恶劣，特别是中国南海海域，电动机经常工作在潮湿、高温和多盐雾的场合，造成电动机比过去更容易损坏。据统计，超过90%的海上油气田损坏的电动机是工作在堵转、起动失败、过载、短路、缺相和接地等异常情况下，这就需要一套高效、稳定和适应当前电动机技术特点的电动机控制系统来负责电网管理。

1 海洋石油电动机管理系统的发展状况

电动机控制中心(Motor Control Center，MCC)是海洋石油平台统一管理用电装置设备，它将各种电动机控制单元、馈电控制单元、配电变压器、照明配电盘、联锁继电器以及电力监控、计量设备装入一个整体安装的机壳内，并且由1条公共的封闭母线供电。从时间上划分，海洋石油MCC大致可划分为下述2个阶段[1]。

1)传统电动机控制系统。传统电动机控制中心可以实现电动机的起、停控制和简单的故障检测，结构简单，利于维护，广泛应用于早期的海洋石油平台。其主要保护元器件以传统机电式继电器为主，包括熔断器、断路器、热继电器、电动机保护用自动开关和双金属片式温度继电器等。

2)智能电动机管理系统。微电子技术的发展和电动机保护原理概念的更新，对装置结构的变革、性能的完善以及功能的扩展等方面起着强大的推动作用。国外著名电气公司纷纷推出了以微处理器技术为核心的智能化电动机保护器，如Schneider-Electric公司的TeSys T，Allen-Bradley公司的E3 Plus以及ABB公司的M101等产品，为智能电动机管理系统在海洋石油平台的应用提供了可能性。

2 传统电动机控制系统与智能电动机管理系统的对比

2.1 保护功能

传统的MCC保护功能主要是过载、断相和负荷不平衡保护。由于热继电器是通过调整双金属热元件的间隙进行保护范围调整，因此，其功能单一、灵敏度低、误差较大、稳定性和保护可靠性略差。

智能电动机控制器是一种基于微处理器的装置，具有热过载保护、断相保护、三相不平衡保护、堵转保护、欠压保护、电动机热保护、接地故障保护、轻载保护、空载保护和起动次数限制保护等多种电动机故障检测和诊断功能，同时带有全压起动、星三角起动、双向起动和双速起动等多种控制功能。更有意义的是，智能电动机控制器能实现对电动机运行过程中各种详细信息的采集跟踪，通过对故障报警、保护动作(保护脱扣)，以及动作延时时间的设定来实现及时准确的保护，从而保证生产的安全。报警、脱扣和脱扣延时示意图如图1所示，当电动机运行参数达到预置的报警值时，保护装置仅进行报警，不触发脱扣；但当越限值达到预置的脱扣值时，保护装置进入脱扣触发延时。在预置脱扣延时时间内，若设备恢复正常运行，则取消脱扣执行；而如果超过延时时限，则保护装置发出脱扣信号，驱动执行元件动作，停止电动机运行。在电动机控制装置实现各项保护功能的同时，各种保护信息也由装置生成，并经通信接口上传至平台控制系统[2-3]。

图1 报警、脱扣和脱扣延时示意图

2.2 数据传输及信息管理功能

由于传统的MCC是通过控制电缆和信号电缆的硬接线方式与海洋石油平台生产控制系统PCS和紧急关断系统ESD连接，因此只能提供有限的管理和诊断信息，并且受继电器回路接点数量和电缆的限制。根据海洋石油控制系统的策略，每个MCC电动机控制、保护回路都会有启动指令、停止指令、运行状态、停止状态和紧急关断5个信号，分别与平台PCS系统和ESD系统采用硬线连接。对于一套拥有300个电动机的MCC，至少会有1 500监控信号，即使都采用10 P×1.5 mm2的电缆，按照20%的备用量计算，也需要180根电缆进入平台中控室。这些数量庞大的线缆会对平台的电缆桥架规划和中控室防火穿越设计造成影响，并在一定程度上增加中控盘柜的占地面积和电缆的采办、施工和调试工作量。

基于微处理器技术的电动机智能管理系统集控制、监视、保护和通信功能于一身，带有电流、电压、频率、功率和温度等多种测量功能，能够以通信方式提供全面的管理诊断信息，使系统的电气设备状态数据透明化，实现自动采集和分析，并提供各类报表。

2.3 实例分析

以中海油南海某中心平台为例。电动机智能管理系统采用Rockwell 1756-L62处理器，通过高速的工业以太网环网与系统的操作站和各远程I/O子系统相连接，电源、CPU、以太网模块均按1：1冗余配置。系统选取ABB公司M101-P智能电动机保护器，该模块可采用MODBUS RTU和PROFIBUS DP 2种通信协议与上层管理系统进行连接，其具有冗余通信接口，在一条总线上通过中继器可扩展连接多达125 个模块。该系统的设计采用总线型拓扑结构，将每个智能电动机保护器和多功能表的直接启动信号、正反转-直接启动信号、电动机运行状态、三相电流、漏电电流、故障信息、接触器操作次数、电动机运行时间以及越限报警，通过PROFIBUS DP协议进行控制和采集，并通过Woodhead 公司的通信转换模块SST-PB3-REM转换为Ethernet IP，与各个控制站内的交换机进行数据传输。整个电动机智能管理系统利用工业以太环网进行连接，当任意一节点出现通信故障，不影响其余站点之间的数据交换。在环网架构下，控制主站和子站之间进行功能划分，主站功能侧重于控制策略，包括发电机管理、负载监控、电站的热备用量管理、优先脱扣及安稳系统等，子站侧重于数据采集与就地控制功能，主站的人机界面HMI通过操作权限的设置，可以进行全系统操作。该系统主站采用SST-SR4-CLX通信模块与平台中控系统实现以太网冗余通信，把前面提到的系统相关设备信息与中控PCS系统和ESD系统进行交换，在很大程度上优化了繁琐的硬线连接，节约了工程材料和资源，对减少中控机柜配置和优化房间电缆防火穿越设计提供了帮助，通信环网的设计也一定程度上提高了系统的可靠性和稳定性。更为重要的是，在设备可能产生重大故障前，系统的越限报警可及时通过PCS系统，提醒位于平台中控室的操作员进行处理，从而可以避免不必要的停机对正常油气生产造成的影响，最大限度地保证了设备运行的有效性。

与此同时，电动机智能管理系统可实现能源消耗情况的测量、统计和分析，为电能消耗和成本结构优化提供依据，可为平台操作员提供详细、明确的电气设备运行工况。使电气管理维护人员通过设备运行数据进行有计划的设备维护和检修，大幅度提高设备的有效运行率和维护人员的工作效率，节约了备品备件及保养维护费用，降低了备件库存及资金占用，这些优点是传统电动机控制系统所不具备的。

3 智能电动机保护器应用

在海洋石油工程项目阶段选取智能电动机保护器时，应综合考虑电动机本身的价值、负载类型、使用环境、电动机主体设备的重要程度和电动机退出运行是否对油气生产造成严重影响等因素，力争做到经济合理。重点考虑以下4个方面。

1)适应性。目前在海洋石油平台上应用的电动机种类及生产厂家非常多，因此智能型电动机保护器应有较好的适应性，能通过简单的设置就可以满足不同的保护特性；

2)准确性。智能电动机保护器应动作准确，既能充分发挥电动机的过载能力，又能免于损坏，而且还能提高生产的连续性。

3)可靠性。 选取的智能电动机保护器应技术成熟，运行可靠，无故障时不能误动作而影响生产，而在故障发生时，特别是堵转和短路等重故障下动作失败。

4)经济性。目前，在海上石油平台上应用的智能电动机保护器均非常昂贵，所以在满足技术要求的情况下，不建议选取过多附加功能的产品，当简单的保护装置不能满足要求或对保护功能和特性提出更高要求时，才考虑应用复杂的保护装置，做到经济性和可靠性的统一。

4 结语

我国海上油气田开发发展快速，平台规模和处理能力不断提升，在国家和企业越来越重视海洋石油安全生产的前提下，基于微处理器技术的电动机智能管理系统为海上石油钻采和生产处理设备提供了一套集控制、保护与监测于一体的电动机智能化管理方案。通过选择保护功能和保护方式，该系统能超前、准确、及时地判断电动机的故障，并以通信的方式为平台操作员提供全面的管理诊断信息，使系统的电气设备状态数据透明化，实现自动采集和分析，从而达到提高设备运行可靠性并减少非计划停车和事故损失的目的，对当今的海洋石油油气生产意义深远。

[1] 朱瑛珺，王丽.浅谈智能马达保护器的选用及安装使用 [J]. 电气传动自动化，2011,32(6):130-132.

[2] 田曙光.智能马达控制器技术的发展和应用 [J]. 企业技术开发，2000,15(10):14-20.

[3] 王昆，龚俭龙，曹斌，等.直线电动机在超精密运动平台中的应用与计算[J].新技术新工艺，2014(2)：42-45.

责任编辑李思文

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

刘康(1982-)，男，工程师，主要从事海洋石油工程建设项目管理等方面的研究。

2014-10-28