背景

水力发电是美国发电行业的基石。自上世纪八十年代以来，工程师们就开始利用激流的能量进行发电，涌现出了众所周知的胡佛水坝及无数的小型水电项目。

但是，在过去的几十年里，因水力发电受益的人们开始意识到水坝的环境影响，特别是对当地鱼类种群造成的危害。

鲑鱼、鲱鱼等物种需要从海洋洄游到淡水河流中产卵。幼鱼孵化出来后，会沿着河流迁徙回海洋生活。传统水坝会阻断自由流向海洋的河流，这给鱼类的生存带来了威胁。

美国联邦和各州的监管机构已经采取措施，要求公用事业部门寻找帮助鱼群穿行水坝的创新方法来帮助恢复这些种群。位于华盛顿州的 Tacoma Power 也是这些公用事业单位的一员。该公用事业公司归塔科马市所有，其承担着向全市半数以上的居民提供电力的重要任务。其 90% 的能源是由位于华盛顿西部河流上的水力发电厂生产的。

在 Tacoma Power 的发电许可证即将更新之时，该市向其提出了在两个水坝附近开辟鱼道，以帮助保护当地濒危物种北美鳟鱼、红鲑和鲑鱼的要求。

挑战

当时，Tacoma Power 位于 North Fork Skokomish 河上游的库什曼 2 号大坝在该河流的 North Fork 上未配备水力发电能力。该大坝于 1929 年建成，是用于为库什曼湖（一个人造水库）蓄水的庞大系统的一部分。

这家电力公司于 1992 年在坝基增设了两个河流出口阀，以便河水从湖流入河床。但是，这些阀门放出的水流太强，洄游鱼类无法从这里穿过。为了给鱼类提供适航通道，Tacoma Power 需要为向上游进发的成鱼和向海洋迁徙的幼鱼建造鱼类收集设施。

该公用事业公司需要分散水流，并发现了在坝基新建一座发电厂来将水流转化为电力的机会。

发电厂需要模拟河水的自然流动，为周边地区提供防洪保护，同时确保对鱼类迁徙进行管理。跟 Tacoma Power 拥有并运营的其他发电厂一样，这座新的 Cushman Northfork 发电厂也需要实现全自动化操作，不驻留现场人员。员工将从塔科马办公室的操作中心远程操作大坝。

此外，这也能为客户带来利益，因为这座发电厂生产的可再生能源足以满足 1700 个家庭的需求。

解决方案

Tacoma Power 的其他七座发电厂都采用 Allen-Bradley^® ControlLogix^® 可编程自动化控制器 (PAC) 实现了自动运营。

Tacoma Power 发电自动化主管 Ozan Ferrin 表示：“我们以前使用过 Allen-Bradley 控制器，感觉非常好。所以我们在这个新项目中采用了相同的解决方案。”

Ferrin 及其他的 Tacoma Power 控制工程师设计了一个使用四个 ControlLogix PAC 的全自动化系统。两个 PAC 各自控制一台 1.8 兆瓦的发电机组；第三个 PAC 负责控制工厂的平衡，包括现有河流出口阀的运行，以便在一个发电机组跳闸时能够继续正常运行；第四个 PAC 控制位于发电厂外面坝基处的鱼类收集设备和吊鱼网系统。

借助这套新系统，操作员可通过单流量控制设定点对发电厂进行控制。工厂平衡 PAC 接收控制设定点发出的信号，并自动向每个发电机组和河流出口阀下达流量指令，以稳定的速率提升流量，从而实现对季节性河水流动的模拟。ProSoft Technology（Rockwell Automation Encompass^™ 产品合作伙伴及 Rockwell Automation PartnerNetwork^™ 计划成员）的 DNP 卡和 Modbus^® 卡与 Northfork Powerhouse 的传感器、设备及其他系统对接。它们能够跨多个平台提供无缝的以太网通信。

如果一台或两台发电机都离线，工厂平衡控制器会立即打开河流出口阀，以弥补流量损失，确保河水以均匀的速率流动。

对于鱼类收集设施，Tacoma Power 工程团队需要设计一种可将成鱼顺利地从大坝一侧转移到另一侧的吊网系统。这需要具有精确控制能力的变频器。

该控制过程从坝基处开始。在鱼群游向大坝时，鱼类收集设施中的料斗将捕获成鱼，并通过由 Allen-Bradley PowerFlex^® 700 变频器控制的电车将其自动吊起。该变频器的 Allen-Bradley TorqProve^™ 功能有助于在变频器和电车的机械制动器之间转移控制时对料斗的控制加以管理。

料斗将鱼群吊升到大坝顶部，然后经由卡车分离、计数并运往库什曼湖。PowerFlex 70 变频器和组合启动器用于操作鱼类收集设备。

在大坝的另一侧，向海洋迁徙的幼鱼被放入大坝顶部的料斗中，然后由放鱼车将其运到大坝下游并放生。

Tacoma Power 控制工程师使用 Allen-Bradley DriveTools^™ SP 软件和 Rockwell Software^® Studio 5000 Logix Designer^™ 编程软件对 PowerFlex 变频器进行了编程。工程师能够以用户自定义配置文件的形式将变频器直接添加到 Studio 5000 Logix Designer 程序中，这有助于将变频器参数自动集成到 Studio 5000 Logix Designer 应用程序（该软件还可用于对 ControlLogix 控制器进行编程）中，从而节约编程时间。

“我们尝试过其他的控制软件，但没有一个既满足我们的所有控制需求又像 Studio 5000 Logix Designer 应用程序这样简单易用。”Ferrin 说道，“这个软件不仅能够对我们的控制器进行编程，还能编程和存储变频器参数，这让我们能够将变频器参数及控制器程序存储在一个文件位置，从而节约了调试时间。”

此外，Tacoma Power 团队还利用 Rockwell Automation 的 I/O 卡从塔科马办公室对温度、设备状态和控制设备进行远程监控。

成果

收集设施恢复了鱼类迁徙路线，公司也如愿续订了许可证（可继续为塔科马市提供电力，直到 2048 年）。

Tacoma Power 还实现了新的发电厂运营目标 - 将水力发电容量提升 3.6 兆瓦。

由于发电厂实现了全自动化，公司避免了与扩招操作员有关的费用。“我们只要在控制中心按一下按钮，就能增加或减少流量，这比手动操作更准确，而且节约了派驻现场员工的费用。”Ferrin 如此说道。

该系统还降低了违反联邦能源管理委员会 (FERC) 规定的流量要求的风险。在一个发电机组跳闸时自动打开备用河流出口阀的能力使得该公用事业公司能够更有效地满足这些合规标准。

额外收益：由于该公司在其投资组合中提高了可再生能源占比，其现在可从州政府处获得更多的可再生能源税收抵免。

为进一步增加鱼类种群数量，Tacoma Power 正在库什曼河项目基地建造两座新的孵化场。第一座孵化场每年将养殖 200 万条红鲑，第二座每年将养殖 42.5 万条鲑鱼和北美鳟鱼。所有养殖鱼都将被放生到库什曼湖中。

上述结果是 Tacoma Power 将 Rockwell Automation 产品和服务与其他产品配合使用实现的。具体结果可能因客户而异。