一种海洋模块钻机电能质量监控系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种海洋模块钻机的电能质量监控系统，包括：设备层、通信层和管理层，其中，设备层包括：DSM模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪，以及DES模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪；通信层包括：以太网交换机，以及与该以太网交换机连接的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机；管理层包括：内置监控软件的监控服务器和远程监控系统；设备层与管理层之间通过通信层进行数据传输，监控服务器和远程监控系统，对来自设备层的数据进行存储、分析、提供报表，输出控制指令至设备层。本发明能够减少值班人员人为抄录工作量，提供事故前期预警与事故后期原因分析的技术支持，提供完整的钻机运行状况实时数据资料及分析。
【专利说明】一种海洋模块钻机电能质量监控系统【技术领域】
[0001]本发明涉及电能质量监控系统，特别是一种海洋模块钻机电能质量监控系统。
【背景技术】
[0002]海洋模块钻机近几年在中海油渤海、南海等海域得到了大量的应用，模块钻机分为支持模块(简称DSM模块)和钻机模块(简称DES模块)，其中，DES模块的主要设备包括井架、绞车及其钻井辅助设备，绞车及其辅助设备的控制系统等，DSM模块的主要设备包括泥浆泵、灌注泵、备用柴油机及其辅助设备。目前，DES模块和DSM模块的控制系统多采用以可编程控制器(以下简称PLC)为核心的控制系统，对设备信息的采集采用人为抄录数据的方式。以PLC为核心的模块钻机控制系统存在如下不足:其在数据收集与储存、主电气设备运行异常报警、故障分析、数据报表自动生成等智能化方面，不能满足要求；需要人为进行电气设备巡检、数据的记录、故障的分析，大大增加了值班人员的工作量，并且不能做到数据收集的连续性，人为数据的抄录不能做到和其他系统的数据横向对比，不能准确体现整个钻井工况下电能系统和其他系统的运行情况；且PLC不能满足钻井数据的收集、储存功能的需要，更不能对电能数据进行分析，当出现主电站停机，主断路器关断等事故时，只能靠人为进行事故分析，分析难度比较大，事故原因分析准确性比较低；由于PLC器件本身功能的局限，数据通讯及交换功能方面不能满足大量数据快速传输的要求。
【发明内容】
[0003]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够自动进行大量数据存储、分析、通讯以及报表的海洋模块钻机电能质量监控系统。
[0004]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种海洋模块钻机的电能质量监控系统，包括:设备层、通信层和管理层，其中，所述设备层包括:DSM模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪，以及DES模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪；所述通信层包括:以太网交换机，以及与该以太网交换机连接的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机；所述管理层包括:内置监控软件的监控服务器和远程监控系统；所述设备层与所述管理层之间通过所述通信层进行数据传输，所述监控服务器和所述远程监控系统，对来自所述设备层的数据进行读取、存储、分析、提供报表，输出控制指令至所述设备层。
[0005]所述通信层的工作电源连接谐波抑制模块，所述谐波抑制模块的工作频率为2kHz ~IOMHz。
[0006]所述DSM模块通讯管理机和所述DES模块通讯管理机均为多协议通讯管理机。
[0007]所述通信层还包 括光电转换器，所述DES模块通讯管理机通过所述光电转换器与所述以太网交换机通信。
[0008]所述DES模块通讯管理机与所述光电转换器之间采用双冗余光纤连接。
[0009]所述DSM模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪，依次通过所述DSM模块通讯管理机以及所述以太网交换机，与所述管理层之间传输信息。
[0010]还包括火气系统和钻井仪表系统，所述火气系统和所述钻井仪表系统通过所述通信层与与所述管理层之间传输信息。
[0011]还包括远程监控屏和声光报警装置，所述远程监控屏与以太网交换机连接，用于显示电能质量状况，所述声光报警装置与监控服务器连接，在异常情况下进行声光报警。
[0012]所述设备层与所述通信层之间采用ProfiBus现场总线。
[0013]本发明具有的优点和积极效果是:设置管理层和通信层，管理层内置操作及管理软件，对来自所述设备层的数据进行读取、存储、分析、提供报表，输出控制指令至所述设备层，解决传统的电控系统不具备数字化、智能化的难题，减少值班人员人为抄录电气运行参数的工作量，提供事故的前期预警与事故后期的产生原因的追溯和技术数据分析支持；通过与模块钻机的其他系统(火气系统、钻井仪表系统、通风和空调系统等)之间的数据交换，可以为现场钻井操作人员和远程的技术管理人员提供完整的钻机运行状况实时数据资料及分析，为下一阶段的钻井提供技术保障。本系统对模块钻机整个钻井期间的电能质量以及主设备运行情况进行数据的收集与分析，并能结合钻井仪表等其他系统形成每日的工作报表，节能人力物力，并能提高数据抄录的准确性与连续性。同时可以提供与平台上部组块电力系统的连接接口，以便油田管理者实时了解整个平台电力设备的运行情况和工作状态，使平台油田群整个电能质量智能管理达到一个新的水平。
[0014]该电能质量监控系统，能够提高整个模块钻机的智能化程度，并提升了油田建设工程公司在模块钻机设计建造能力。该电能质量监控系统已成功应用在HZ25-8模块钻机和EP24-2模块钻机和XJ24-3三个模块钻机项目上。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0017]请参阅图1，一种海洋模块钻机的电能质量监控系统，包括:设备层、通信层和管理层，其中，所述设备层包括:DSM模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪，以及DES模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪；所述通信层包括:以太网交换机，以及与该以太网交换机连接的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机；所述管理层包括:内置监控软件的监控服务器和远程监控系统；所述设备层与所述管理层之间通过所述通信层进行数据传输，所述监控服务器和所述远程监控系统，对来自所述设备层的数据进行读取、存储、分析、提供报表，输出控制指令至所述设备层。所述远程监控系统可位于平台组块或陆地上，此外还可包括远程监控屏和声光报警装置，所述远程监控屏与以太网交换机连接，可用于显示电能质量状况，所述声光报警装置与监控服务器连接，可用于异常情况下的进行声光报警。
[0018]为了使通信层消除谐波影响、可靠工作，所述通信层的工作电源可连接谐波抑制模块，所述谐波抑制模块的工作频率可为2kHz?IOMHz。[0019]通讯管理机也称作DPU，其具有多个下行通讯接口及一个或者多个上行网络接口，用于将多个设备层输出的通讯数据整理汇总后，实时上送至上级管理层，用以实现遥信、遥测功能。
[0020]为了便于连接带有不同通讯接口的检测仪表，本系统的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机可采用多协议通讯管理机，其内设CPU处理器，该CPU处理器可分别连接多个下行串口转换单元与设备层进行通讯；该CPU处理器还同时连接以太网控制器和上行串口转换单元实现与上位机的通讯；其支持各种通讯协议，提供丰富的接口，实现不同测控设备和管理层的通讯互联；实现对整个海洋模块钻机的电能质量的信息收集，并集中送往监控服务器或远程监控系统，同时将监控服务器或远程监控系统的命令传输至各测控装置，实现当地或远程控制。
[0021 ] 所述DSM模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪等，可依次通过所述DSM模块通讯管理机以及所述以太网交换机，与所述管理层之间传输信息。
[0022]所述通信层还可包括光电转换器，所述DES模块通讯管理机可通过所述光电转换器与所述以太网交换机通信。所述DES模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪等，可依次通过所述DES模块通讯管理机、所述光电转换器以及所述以太网交换机，与所述管理层之间传输信息，为了保证DES模块与管理层信息传输的安全可靠，所述DES模块通讯管理机与所述光电转换器之间可采用双冗余光纤连接。
[0023]本系统还可包括火气系统和钻井仪表系统，所述火气系统和所述钻井仪表系统通过所述通信层与与所述管理层之间传输信息，所述火气系统和所述钻井仪表系统可直接通过所述以太网交换机与所述管理层传输信息，也可以依次通过所述DSM模块通讯管理机以及所述以太网交换机，与所述管理层之间传输信息。
[0024]所述设备层与所述通信层之间可采用ProfiBus现场总线。
[0025]为方便布线及管理监控，所述监控服务器、所述以太网交换机、所述光电转换器和所述DSM模块通讯管理机，可设置在DSM模块的主配电间内，所述DES模块通讯管理机可设置在DES模块的主配电间内。
[0026]DSM模块和DES模块的电能质量状况信息，通过各自设备端电能质量监测仪表进行参数采集，并将电能质量状况信息发送至管理层，通过管理层主机进行分析后由管理层发出控制指令，对设备层的监测仪表进行控制。
[0027]本发明中的DSM模块的电能质量监测仪表和DES模块的电能质量监测仪表，这些电能质量监测仪表可包括高级智能仪表和普通智能仪表:高级智能仪表(Advancedintelligent instrument),用于测量三相V、1、P、Q、SP、F、Kwh。同时具备谐波监测功能和电能质量测量功能，具有彩色液晶屏幕显示，支持RS485总线及MODBUS RTU通讯协议；普通智能仪表(Ordinary intelligent instrument),测量三相 V、1、P、Q、SP、F、Kwh。具有液晶屏幕显示，支持RS485总线及MODBUS RTU通讯协议。
[0028]所述通信层，用于实现路由器、通讯网关、局域网内部通讯、光电转换等通讯网络管理功能。其包括以太网交换机，以及与该以太网交换机连接的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机；还包括光纤以及其他通讯电缆，用于各个设备，以及设备和仪表之间的系统内部连接，以及系统外部的通讯连接。
[0029]所述监控服务器和所述远程监控系统内置监控软件和大容量存储器，可以实现对数据的存储、分析以及报表打印等，可提供纯中文显示，友好的人机界面，直观的显示图表，可选择多任务操作方式。。
[0030]本发明还可包括彩色激光A4打印机，其与所述监控服务器相连，位于DSM主配电间的电能质量监控柜内。
[0031]本发明还可包括主站监控柜，其用于安放监控主机以及打印机等设备，其内设有导轨式安装的谐波抑制模块，用于消除系统工作电源测谐波干扰。
[0032]本发明中的各种监测仪表、监控服务器、以太网交换机，以及与该以太网交换机连接的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机等装置，其参数选择满足海洋石油工作环境下的使用要求:相对湿度大、空气腐蚀性强、潮湿含盐。连续工作的正常使用寿命不少于20年，并应适应海洋工程环境的恶劣电磁环境。
[0033]电能质量监控系统软件系统采用必要的防御模式，对关键应用和数据实施保护，防止被攻击与误操作。现场总线网及光纤以太网的平均负荷率(5min内)..≤ 10%;现场总线网的正常时负荷率(任意30min内)S≤ 30% ;现场总线网的故障时负荷率(任意IOS内):≤70% ;光纤以太网的正常时负荷率(任意30min内):≤20% ;光纤以太网的故障时负荷率(任意IOS内):≤40% ;内存备用容量≥ 40%。
[0034]设备层的电能质量监测仪表通过检测间隔层装置采集电能质量信号，采集的信号有:三相电压、电流、 有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数、有功电度、无功电度等，其中高级智能仪表可以选择数值输出、显示和波形输出、显示(波形记录功能)，并附带电能质量分析功能，通信接口类型可为RS485或RJ45，通讯协议可采用Modbus RTU或TCP/IP ;普通智能仪表通信接口类型可为RS485或RJ45，通讯协议可采用Modbus RTU或TCP/IP0
[0035]高级智能仪表内置存储器，可扩展外置存储单元，对监测数据进行本地存储与远程上传同步处理。存储器存储数据不少于5年。高级智能仪表采样率不小于128点/周波，可监测不小于31次的电压以及电流谐波量。高级智能仪表可实现故障报警以及实时波形记录，故障录波等功能。智能仪表的平均无故障运行时间不少于50000小时。
[0036]通信层包括以太网交换机，以及与该以太网交换机连接的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机；以及网络数据传输介质(如光纤、屏蔽双绞线、超5类网线等)，DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机实现网络集成、通讯介质转换及网络拓展的功能。光纤可采用单模光纤，屏蔽双绞线应能抵抗海洋石油钻井设备的电磁干扰。所配备DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机可采用高度集成产品，以减少物理接口，提高通讯稳定性。所采用的光纤，提供耐油污以及海洋恶劣环境的外护套，以确保经过二级拖链后其裸露弯曲部分的使用寿命。通讯层设备的信号传输以及转换应确保其正确率，正确率达到100%。其工作电源采用谐波抑制模块。工作频率:2kHz~IOMHz ;滤波效能:2MHz附近达到50DB衰减，，对系统中的高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰具有抑制和吸收作用，对电网中的尖峰瞬变和2KHZ~10MHZ杂波有明显的滤波效果。通讯总线采用串联型总线保护设备。持续高压保护电压范围:≤250V。泄放浪涌电流:5KA~10KA。
[0037]内置监控软件的监控服务器设置于DSM主配电间的监控柜内，内设GPS对时精度，精度保证:站级工作站间≤1ms，间隔层测控装置≤ 1ms。历史数据存储时间不少于3年。当存储容量余额低于系统运行要求容量的80%时发出告警信息。系统事故追忆功能可以保存事故前、中、后的全部信息。事故后追忆时间段为5?10分钟。系统实时数据扫描时间周期为0.1?10秒间可调。远程监控屏的90%以上实时监视画面调出响应时间不大于I秒。画面实时数据更新周期I?10秒可调。系统时间与标准时间的误差小于0.1秒。
[0038]内置于监控服务器和远程监控系统的监控软件具有开放性的特点，遵守公认的开放性标准，可与其他系统实现无缝集成，监控软件具有安全性的特点，能满足长时间稳定运行的要求，保证数据的完整性和一致性，防止来自系统自身的意外或人为的误操作。监控软件具有足够友好的人机界面，用户界面简洁直观，方便操作，各种显示功能可选，图形显示:包括电气主接线图、棒形图、曲线图、饼形图、表计图、趋势图和表格功能。监控软件应具有自诊断功能，当下级间隔层设备和网络通讯层设备无响应时或软件自身无响应时应给与操作人员警报提醒。
[0039]DSM t旲块所监控的系统，可包括电源系统、变频传动系统、电机控制中心系统以及照明系统等，其中电源系统又分主电源系统、应急电源系统以及UPS电源系统等，变频传动系统主要是泥浆泵主电机的变频驱动，电机控制中心系统主要是控制空调、风机等设备的驱动，每个控制系统可根据控制驱动的特点分别设置控制器，控制器可采用PLC控制器或者DCS控制器，设备运转信息包括设备的运转、停止、故障报警等，控制器将这些设备运转信息可通过内部的通讯接口可传输至DSM模块通讯管理机，再由DSM模块通讯管理机传输至所述以太网交换机，再由以太网交换机传输至监控服务器以及远程监控系统；火气系统、钻井仪表系统、暖通系统等也也可直接传送数据至以太网交换机，再由以太网交换机传输至监控服务器以及远程监控系统。
[0040]DES I旲块的控制系统，可包括变频传动系统、电机控制中心系统以及照明系统等，变频传动系统主要是控制绞车，转盘等设备主电机的变频驱动，电机控制中心系统主要是控制绞车，转盘等设备的辅助电机以及空调、风机等设备的驱动，每个系统可根据控制驱动的特点分别设置控制器，控制器可采用PLC控制器或者DCS控制器，设备运转信息包括设备的运转、停止、故障报警等，控制器可将这些设备运转信息通过内部的通讯接口可传输至DES模块通讯管理机，再由DES模块通讯管理机传输至所述以太网交换机，再由以太网交换机传输至监控服务器以及远程监控系统。
[0041]DSM模块的电气质量监测仪表、温度仪以及湿度仪等各种监测仪表，这些监测仪表直接将采集的信息，通过内部的通讯接口传输至DSM模块通讯管理机，再由DSM模块通讯管理机传输至所述以太网交换机，再由以太网交换机传输至监控服务器以及远程监控系统。
[0042]DES模块的电气质量监测仪表、温度仪以及湿度仪等各种监测仪表，这些监测仪表直接将采集的信息，通过内部的通讯接口传输至DES模块通讯管理机，再由DES模块通讯管理机经由光电交换器传输至所述以太网交换机，再由以太网交换机传输至监控服务器以及远程监控系统。
[0043]在本系统中，监控服务器作为上位机，DES模块和DSM模块中的电气质量监测仪表、温度仪以及湿度仪等各种监测仪表作为下位机，上位机可通过所述通信层向下位机传输控制指令，下位机再翻译此命令，并输出相应的控制信号直接控制相应设备。
[0044]在设备层与通信层之间，采用现场总线进行数据传输，可采用现场总线的种类主要有:现场总线 FF、ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet 以及 CAN 等，选用总线型式时根据下位机的通讯协议类型以及现场工况条件，来选择适宜的通讯总线，本系统优选采用ProfiBus现场总线，其特点是，该总线适用于大多数控制器以及检测仪表。协议统一，接口统一，可快速安装及调试，且维护方便。
[0045]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，包括:设备层、通信层和管理层，其中，所述设备层包括=DSM模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪，以及DES模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪；所述通信层包括:以太网交换机，以及与该以太网交换机连接的DSM模块通讯管理机和DES模块通讯管理机；所述管理层包括:内置监控软件的监控服务器和远程监控系统；所述设备层与所述管理层之间通过所述通信层进行数据传输，所述监控服务器和所述远程监控系统，对来自所述设备层的数据进行读取、存储、分析、提供报表，输出控制指令至所述设备层。
2.根据权利要求1所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，所述通信层的工作电源连接谐波抑制模块，所述谐波抑制模块的工作频率为2kHz?IOMHz。
3.根据权利要求1所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，所述DSM模块通讯管理机和所述DES模块通讯管理机均为多协议通讯管理机。
4.根据权利要求1所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，所述通信层还包括光电转换器，所述DES模块通讯管理机通过所述光电转换器与所述以太网交换机通信。
5.根据权利要求4所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，所述DES模块通讯管理机与所述光电转换器之间采用双冗余光纤连接。
6.根据权利要求1所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，所述DSM模块的电能质量监测仪表、温度仪和湿度仪，依次通过所述DSM模块通讯管理机以及所述以太网交换机，与所述管理层之间传输信息。
7.根据权利要求1所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，还包括火气系统和钻井仪表系统，所述火气系统和所述钻井仪表系统通过所述通信层与与所述管理层之间传输信息。
8.根据权利要求1至7任一所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，还包括远程监控屏和声光报警装置，所述远程监控屏与以太网交换机连接，用于显示电能质量状况，所述声光报警装置与监控服务器连接，在异常情况下进行声光报警。
9.根据权利要求1至7任一所述的海洋模块钻机的电能质量监控系统，其特征在于，所述设备层与所述通信层之间采用ProfiBus现场总线。
【文档编号】H04L29/08GK103926898SQ201410160668
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】李学军, 张德松, 王和顺, 李松梅, 王长军, 刘锦伟, 张智颖, 胡小娟, 吴飞 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油能源发展股份有限公司, 天津中海油工程设计有限公司