挑戰
- 因應法規要求確保執照換發
- 完全自動化的新發電廠產生額外水力發電
- 在相同設施納入魚類通道及水力發電
解決方案
- Rockwell Automation Integrated Architecture™ 系統搭配整合式馬達控制
- ControlLogix PAC - 針對魚類收集設施及自動化發電廠提供精確控制
- PowerFlex 變頻器 - 順暢地運作魚梯
- ProSoft Modbus 及 DNP 通訊協定卡實現系統間的緊密通訊
結果
- 產生額外 3.6 百萬瓦的水力發電
- 利用遠端監控及控制降低營運成本
- 增加再生能源獲得更多稅額減免
- 自動化水流升降
- 降低暴流風險
背景
水力發電是美國發電的基礎。自 1880 年代起，工程師就利用奔騰流動的水發電，其中包括具代表性的胡佛水壩 (Hoover Dam)，乃至於其他小型的水力發電專案。
然而過去幾十年來，受益於水力發電的我們，也發現水壩造成的環境衝擊，特別是當地魚類族群。
像是鮭魚及鯡魚等魚種，會由海洋進入河流返回當初出生的地點產卵，小魚出生後將由河流回到海洋居住。傳統水壩阻斷了這樣的生命週期，讓河流無法自由流入海中。
聯邦政府及州政府管理者採取各種步驟復原這類物種，要求公用事業找出創新方式協助魚類繞過水壩，而華盛頓州的 Tacoma Power 就是其中之一。這家公用事業隸屬於塔科馬市 (Tacoma)，供應電力給 50% 以上的該市居民，其中有 90% 的電力，是由華盛頓州西部河流的水力發電廠產生。
Tacoma Power 發電執照準備換照時，塔科馬市需要建立魚類通道繞過兩座水壩，協助保護硬頭鱒、紅鮭及鮭魚等瀕危物種，以便換發執照。
挑戰
當時 Tacoma Power 的 Cushman 二號水壩位於斯科克北叉河 (North Fork Skokomish River) 上游，在河流北叉段並沒有水力發電功能。水壩自 1929 年設置以來，就是庫許門湖 (Lake Cushman) 這座人造水庫之中儲水體系的一部分。
電力公司在 1992 年於水壩底部新增兩個河口閥，讓水能夠由湖流入河床。不過通過閥的水流太強，無法讓魚類遷移。為了提供魚類水流較溫和的通道，Tacoma Power 需要建造魚類收集設施，協助成魚往上游移動，並讓幼魚游向海洋。
公用事業需要擴散水流，並從其中發現機會，可在水壩底部建造新發電廠，利用水流力量將其轉換為水力發電。
發電廠需要模擬河流的自然水流，維持周遭區域安全免於淹水，並讓魚類能夠遷移。與其他 Tacoma Power 擁有及營運的發電廠一樣，新的 Cushman Northfork 發電廠需要完全自動化，消除對現場人員的需求。人員可由塔科馬辦公室的營運中心，於遠端進入水壩。
客戶也能因此受益，因為發電廠所產生的再生能源足以供應 1,700 戶家庭。
解決方案
Tacoma Power 已經使用 Allen-Bradley® ControlLogix® 控制器 (PAC) 自動化其他七座發電廠。
Tacoma Power 發電自動化監督人 Ozan Ferrin 表示：「使用 Allen-Bradley 控制的經驗，讓我們有信心在此新專案使用相同解決方案。」
Ferrin 及其他 Tacoma Power 控制工程師，使用四台 ControlLogix PAC 設計出完全自動化的系統。其中兩台 PAC 各控制一台 1.8 MW 發電機裝置，第三台控制器則控制廠房平衡，包括運作現有河口閥，在裝置跳脫時維持水流持續流動，而第四台控制器則控制水壩底部的魚類收集設備及魚梯系統，就在發電機外面。
設置新系統後，操作員可利用單一流量控制設定點控制發電廠。發電廠 PAC 平衡接收控制設定點，自動發佈水流指示至各個發電機及河口閥，以調控速率傾斜水流，模仿季節的河流水流狀態。DNP 卡及 Modbus® 卡是由 ProSoft Technology 這家 Rockwell Automation Encompass™ 產品合作夥伴供應，而該公司也是 Rockwell Automation PartnerNetwork™ 計畫成員；這兩種卡利用介面連接 Northfork 發電廠的感測器、設備及其他系統，在多個平台之間提供緊密的乙太網通訊功能。
如果一台或兩台發電機同時離線，發電廠控制器平衡將立即開啟河口閥，補充流失的水流，讓水流維持穩定一致的速率。
至於在魚類收集設施方面，Tacoma Power 工程團隊需要設計魚梯，讓成魚能夠移動越過水壩，並順暢地滑下水壩側邊；這需要具備精準控制功能的變頻器。
這項作業從水壩底部開始。魚游向水壩時，魚類收集設施會以料斗捕捉成魚，然後在 Allen-Bradley PowerFlex® 700 交流變頻器運作的吊車之中，自動沿著水壩側邊上升。變頻器的 Allen-Bradley TorqProve™ 功能可在變頻器與吊車機械煞車之間轉換控制時協助控制料斗。
料斗將魚升至水壩頂端，然後在此進行分離、計數，並透過卡車送往庫許門湖。PowerFlex 70 台變頻器及組合式啟動器用於運作魚類收集設備。
至於另一端的魚類生命週期，游向海洋的幼魚在水壩頂端置於料斗之中，然後在幼鮭釋放車之中向下移動，將幼魚放入下游朝向海洋前進。
Tacoma Power 控制工程師針對 PowerFlex 變頻器進行編程時，使用 Allen-Bradley DriveTools™ SP 軟體及 Rockwell Software® Studio 5000 Logix Designer™ 編程軟體。工程師能夠直接將變頻器新增至 Studio 5000 Logix Designer 程式做為外掛設定檔，協助節省編程時間，自動將變頻器參數整合至 Studio 5000 Logix Designer 應用程式，也就是編程 ControlLogix 控制器的相同軟體。
Ferrin 表示：「我們曾經嘗試其他控制軟體，但是能夠因應我們所有控制需求的軟體，都不像 Studio 5000 Logix Designer 應用程式這麼容易使用。由於我們可以使用編程控制器的相同軟體，編程及儲存變頻器參數，因此可以節省試運轉時間，並能在單一檔案位置儲存變頻器參數及控制器程式。」
Tacoma Power 團隊也使用 I/O 卡 (由 Rockwell Automation 供應)，在塔科馬辦公室於遠端監控溫度、設備狀態及控制設備。
結果
魚類收集設施復原了魚類遷移路徑，而公司現在也獲得發電執照，向塔科馬市供應電力，直到 2048 年為止。
Tacoma Power 的新發電廠也達到營運目標，利用水力發電多產生 3.6 百萬瓦電力。
由於發電廠完全自動化，公司可避免產生額外的操作員成本。Ferrin 表示：「我們只要從控制中心按一下按鈕，就能讓水流向上或向下，不但比手動操作更為精準，也能節省現場人員成本。」
系統也達到聯邦能源管理委員會 (FERC) 要求，降低暴流風險。由於裝置跳脫時能夠自動開啟備用河口閥，可協助公用事業公司更有效地達到前述合規標準。
此外還有另一項好處：由於公司在發電組合之中新增更多再生能源，現在獲得州政府的再生能源減免。
Tacoma Power 為了讓魚類族群更加繁盛，在庫許門河專案 (Cushman River Project) 興建兩座新的孵育所。第一座孵育所每年可飼養兩百萬尾紅鮭，第二座孵育所每年則可飼養 425,000 尾鮭魚及硬頭鱒幼魚，而所有的魚都會放入庫許門湖之中。
上述結果為 Tacoma Power 搭配其他產品使用 Rockwell Automation 產品與服務的特定案例，其他客戶的實際結果可能有所不同。
