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罗克韦尔自动化能源管理系统概述

罗克韦尔自动化能源管理系统概述－ 电力及能源管理解决方案

　　帮助用户优化其电力及能源的使用, 这就是我们的使命! 罗克韦尔自动化在推动用户优化其制造能力、 提高生产效率, 以及增强可靠性方面, 处于全球领先地位。我们提供超值的信息和自动化解决方案, 用于监视、 分析和控制能源的使用, 从而降低能耗成本。这一优化方案的重要组成部分就在于从车间级到整个企业, 理解和管理能源的供应与消耗。

　　罗克韦尔自动化为您提供能源计量、 电能控制、 供暖、 通风、 空调、 制冷以及车间辅助设备的自动化控制解决方案。简单地说, 您能够从罗克韦尔自动化获取所有能源系统需要的解决方案, 包括我们丰富经验和卓越的性能。

解决方案

* 能源计量

* 电能及控制

* 供暖、 通风、 空调及制冷

* 工厂效能

　　今天, 制造业的竞争越来越激烈, 如何及时地在预算内实现生产目标, 同时又能将运作成本降到最低, 已经成为具有挑战性的任务。为了实现这一目标, 与您的合作伙伴并肩作战是至关重要的, 它必须具备跨行业的应用项目设计以及系统实施经验―能提供您所需的解决方案、 资源和技术, 从而为您在业内的竞争赢得时间。全面的产品、 丰富的知识和工程经验非常重要, 同时还需能够高效地工作, 有凝聚力的组织架构, 以及强大的咨询能力。

　　当您与罗克韦尔自动化电力和能源管理解决方案建立业务伙伴关系后, 您能够获得专家团队的支持, 她们结合了400余名工程师的经验, 精心为您提供全方位的解决方案。

全方位解决方案

注重效果的工程

　　归根结底, 用户自动化项目的成功与否, 取决于技术实力和系统集成商团队的管理技巧。经过与罗克韦尔自动化合作, 您能够获得项目管理和系统集成的专业经验, 这样有助于您取得商业成功。罗克韦尔自动化团队包括项目主管、 应用工程师以及系统和硬件设计师。简言之, 您将为您的项目和系统获得统一的专家级建议。

　　为您的系统指定一名经验丰富的项目主管, 由她负责所有罗克韦尔自动化的工作, 并授权其进行实施。因此, 项目主管是唯一正式的联系人。同时, 她还负责协调项目团队的一切活动, 包括管理采购授权、 控制柜装配和质量控制, 从而保证您的项目能够准时完工。在项目主管的领导下, 该团队能为您提供各种服务以满足您不断变化的需求。

　　工程团队必须懂得控制能源使用所面临的挑战。经过使用我们产品知识、 经验以及应用专家的意见, 指定的项目工程师将采用适当的技术、 产品以及系统架构来帮助您满足自动化系统的需求。

为什么要管理能源的使用?

　　能源成本在不断地增加。能源成本将影响到公司的财政, 要想降低能源费用就必须采取有效的方式管理能源。作为一名经验丰富的能源消费者, 您想知道使用了多少度电, 哪些是主要负载, 以及哪个负载消耗了多少电能。同时, 也能够经过测定车间电力质量, 发现减少设备寿命以及降低公司收益的故障。

能源计量

　　能源计量解决方案允许用户监视、 分析以及控制能源使用, 从而降低能源的整体使用成本。这些解决方案将能源数据升华为有价值的信息, 用于掌握和分析用户的能源使用情况。

能源计量解决方案能够帮助您:

* 掌握能源的使用和负载分布, 从而为采购和价格协商提供支持;

* 确定并调整运行方式和投资项目, 从而降低能源成本

* 评估节省的费用, 保证能源管理持续改进计划的顺利实施

* 利用信息技术, 开始能源管理计划

* 确定优化需量控制的时机

* 验证电能账单

能源计量提供:

* 负载分布: 用于测定和记录来自分布式电源监视器和其它能源仪表在每个电力需用时限的能源使用数据, 并将这些数据保存在一个集中的数据库中。因此, 用户能够立即确定负载系数、 最高要求负荷周期, 以及与之相关的设备的能耗。经过跟踪能源消费模式, 用户能够使用历史数据来校验费用帐单, 协商较好的价格以及确定自动需量管理系统的时机。

* 成本分摊: 所增加的功能允许用户将能源成本分摊到每个部门、 工序或设备。该系统也可为多种应用生成分析和校验能源清单以及资费所需的报表, 这包括水、 压缩空气、 燃气、 电力以及水蒸汽等多种能源介质。

电能及控制

　　我们的电能及控制解决方案致力于帮助客户利用先进的控制方式, 降低成本。它有助于缩短停机时间、 降低能源成本、 帮助电力系统规划、 提高生产效率以及提供系统性的能源整体视图。

电能及控制解决方案有助于您:

* 经过降低峰值需求量来避免超出需要的费用;

* 减少电力故障带来的影响;

* 减少公司的功率因素损失;

* 减轻不良功率因素或高次谐波带来的负面影响;

* 自动控制现场发电机和辅助系统;

* 利用最少的人力资源实现集中控制一个工业电气分布式系统。

电能及控制提供:

* 电源质量监视用于测定、 显示、 记录、 跟踪以及报警相关的电源质量参数, 例如谐波、 电压偏移以及配电系统的事件、 另外, 它还用于鉴别电力系统的异常情况。

* 电力配电系统监视用于检测、 显示、 记录、 跟踪以及报警相关信息。例如能流、 系统拓扑结构以及设备状态。配电系统监视为操作员和工程师提供所有设备的电力配电系统的一个集中视图。

* 需量管理以及负荷控制系统用于自动预测下一个时刻需量, 从而确保不超过峰值限制。经过卸载负载或将其在花费较少的时间周期使用来控制系统需量。用户经过组态负载的优先级顺序来确定负载的卸载和恢复。

* 紧急负载卸载系统用于在电源意外断开时确保系统的稳定。在设备或发电机损失时它能快速地减少车间负载的总数以保持关键过程操作的运行。该系统监视指定的现场负载、 电源并建立一个基于稳定状态条件的”负载卸载表”、 瞬间电气系统拓扑图、 以及用户定义的优先表。当出现电源损失时, 该系统快速地断开接触器以维持电气系统的稳定性。

* 功率因素控制经过功率因素校正电容、 谐波虑波器以及激励同步设备( 发电机/电容组) 来实现配电系统设备的自动控制。该解决方案改进了功率因素并减少了功率因素损失。另外, 它也改进了电压调整并减少电压凹陷.

* 发电机控制系统使用分布式发电、 联供系统、 峰值削减、 紧急备用发电机, 系统支持多种发电机类型, 例如蒸汽轮机、 燃气轮机、 小型轮机、 往复式发动机( 柴油机) 。该系统经过转换开关、 高压开关以及保护继电器来集成发电机的运行, 这样有助于改进发电机操作的启动和关断、 保证电力供应、 电压和频率调整以及快速显示异常状态。

采暖、 通风、 空调&制冷

　　采暖、 通风、 空调以及制冷( HVACR) 解决方案提供先进的HVACR控制系统, 具有更大的灵活性并进一步降低所有者的总成本。该解决方案是HVAC作为关键过程控制的工业用户的理想选择。参数的准确控制能够满足严格过程处理的要求。控制对象包括空气调节单元、 通风橱、 核心设备以及集中计划运行控制和监视功能。

HVACR解决方案有助于您:

* 保持特定的温度和湿度水平以确保产品的质量;

* 控制静压以防止污染;

* 降低大型空气处理单元和冷冻机的能源成本;

* 保证现有的系统以满足政府的能源消耗要求

* 将专有的控制系统升级成开发的控制系统;

* 自动记录并保存数据。

HVACR提供:

* 罗克韦尔自动化提供符合规范的楼宇自动化系统( QBAS) 解决方案, 另外, 还可参考符合规范的楼宇管理解决方案( QBMS) , 该解决方案对空调、 通风处理、 核心设备以及集中计划运行控制和监视功能进行了增强。

* 环境监测系统( EMS) 用于生命科学或气体调节系统的温度、 压力、 通道状态、 颗粒以及遵从21CFR Part 11条款的监视和报警。

* 控制系统的升级与应用项目的专家经验是罗克韦尔自动化又一特色, 可为您提供便利的修改。该解决方案设备系统和工业过程之间的一个接口。这样能够进一步降低所有者的成本, 并为其产品提供更有竞争力的价格。HVAC控制能够由内部员工进行维护, 无需为一个简单的修改而签订合同。

* 该解决方案能够非常容易进行扩展, 并可采用其它先进的控制算法来满足用户生产过程过程和设备的具体需要。

工厂效能

　　工厂效能解决方案是使能源系统最优化的方法和算法。该解决方案为空气压缩机, 冷冻机, 冷却塔和锅炉等多种动力设备提供应用程序, 包含安装服务和第三方设备的交钥匙解决方案是能够通用的。

工厂运行效能解决方案有助于您:

* 降低与热水、 冷却水、 蒸汽、 压缩空气和/或制冷的生产有关的能源成本;

* 升级和改进现有的自动或手动控制;

* 提高供给制造的动力的连贯性;

* 跟踪工厂核心设备的维护计划执行情况。

工厂运行效能解决方案可提供:

* 包含到冷冻机和冷却塔、 泵等相关设备接口的压缩机和冷冻机控制解决方案。降低能源消耗, 减少动力需求和提高整体效率是关键利益。此解决方案经过在低水平能源消耗时期确定和减少能源浪费来提高效率。

* 燃烧管理&锅炉控制解决方案负责锅炉、 烘箱、 窑炉、 熔炉、 反应堆、 干燥器、 处理和加热器, 单一或多个燃烧器, 单一或多种燃料等情况下燃烧过程的安全启动、 操作和停止。这些解决方案是燃烧过程相关的安全措施和控制系统。

能够提供的服务

　　您只需要致电罗克韦尔自动化电力和能源管理解决方案团队, 就能够获得我们团队从能源计量到完整的工厂控制系统成功的项目跟踪记录。另外, 您能够对您的系统更加放心, 它能满足您的技术要求, 使可测量的性能达到最优, 并采用面向效果的专家管理方式, 负责您的项目准时、 并在预算之内完成。

1引 言
　　随着电力工业的飞速发展, 电力生产、 传输、 分配和消耗的相互依赖性从来没有像今天这样重要。这就为发电厂、 供电部门和用电部门提供了重新思考其电力自动化解决方案的机会。罗克韦尔自动化推出的电力/能源管理方案( Power and Energy Management Solutions,以下简称PEMS) 是采用开放的网络平台和大型数据库的数据采集和监控系统, 及信息管理系统和电能计费系统。具有防误操作互锁装置, 分布式微机远方终端装置, 电能采集终端装置, 通信规约转换器, 调制解调器等, 能够完全实现电力负荷管理的自动化。PEMS是一种既适用于电力生产者又适用于电力使用者的优选方案。
2基于网络的拓扑结构及其功能
2.1网络拓扑结构
　　通信是传送能源管理信息的关键, 罗克韦尔的PEMS包括现场总线系统的信息层、 控制层、 设备层三层网络, 实现实时可靠的控制功能, 并提供了开放的通信平台。图1是典型的PEMS通信结构示意图。图中, 上层是信息网, 硬件主要以连接到以太网上的PLC、 PC机或工作站为主, 完成能源信息的管理任务; 中间是控制网, 经过对等通信网络如ControlNet、 DH+网等将PLC、 工控机以及各种人机界面连接在一起实现信息交换, 用于完成有较高要求的系统控制; 底层是设备网或远程I/O网, 用于连接工业现场设备, 并经过PLC与上层网络通信, 实现与上层网络进行信息传送及对现场设备的控制功能。由图1可见, PEMS中的所有硬件设备都能够直接连到这个开放的网络平台上, 实现与网上的计算机、 PLC和人机接口等设备的数据通信功能。
　　在PEMS的通信结构中, PLC控制器具有重要作用, 它能把几种不同的工业通信协议集成到一个平台中, 包括主机和远程SCADA功能。电力监控器也能够经过插入不同的智能通信卡直接连接到这个开放的通信网络平台上, 其中以太网通信卡还包括一个内置的HTML网页, 供互联网用户直接读取电力监控器采集的数据。

图1 PEMS通信网络结构示意图
2.2 PEMS功能
　　罗克韦尔自动化提供的PEMS主要功能有:
　　( 1) 开放网络平台
　　PEMS提供的具有开放网络平台通信结构的系统, 能够充分利用现有的通信网络, 避免增加特殊数据协议及相关联的成本, 而且提供系统扩展和改进的最大灵活性。网络中各控制器和设备既能够相互通信, 又能够完成独立控制功能。
　　( 2) 实时电力监测
　　实时监控电力系统参数, 经过对电压、 电流、 频率和电力传输系统设备( 变压器、 发电机、 断路器、 转换开关、 冷却风扇等) 状态的检测、 显示、 记录、 分析趋势及预警电力系统信息等, 为用户提供快速、 精确的电力系统参数和信息, 显示配电系统的功效。
　　( 3) 负载分析
　　测量和记录能源的使用情况, 以便确定负载系数, 识别高峰周期需求与设备运行相关的消耗, 并用图表形式显示能源消耗方式, 将工厂作业与能源使用相结合。
　　( 4) 成本核算
　　测量和记录能源使用情况, 以便核实各部门、 生产过程和整个企业的电费帐单、 分析能源费率、 从而确定能源花费流向。
　　( 5) 电能需求管理
　　经过尖峰期或发电机组的控制、 负荷联锁、 负荷卸载、 负荷调整等功能, 来判断瞬时需求, 在整个需求周期内进行动态需求规划, 实现实时电力使用管理, 从而节省电费用量。
　　( 6) 供电质量监测
　　经过对影响电能质量的电压和电流不平衡度、 电压和电流峰值因数、 谐波畸变百分比等参数的测量、 显示、 记录趋势分析和预报警等来识别电力系统的异常现象。
　　( 7) 紧急卸载
　　此功能能够在突然损失电源的情况下保护系统的稳定性。经过确定系统的拓扑结构, 估算损失电源和保留的负载, 并在100ms内完成卸载, 从而保护重要负载以避免由于意外的电源损失而引起的整个系统的瘫痪。
　　( 8) 电力系统控制
　　经过负载调节装置、 发电机、 电容器组、 过滤机组等来控制系统的电压、 功率因数或谐波等参数, 从而保证供电质量。
3 系统硬件与软件
　　罗克韦尔PEMS开放的网络平台和强大的监控功能是与其提供的性能卓越的硬件和软件分不开的。
3.1 系统硬件
　　罗克韦尔自动化的PEMS采用标准的硬件和软件以及严格的工程规范, 提供一整套专为满足企业特殊要求而配置的外设系统, 可针对用户的电力和能源管理需求提供不同的解决方案。主要有A-B品牌可编程序控制器( PLC) 、 电力监控器、 变频器、 智能电动机控制器、 人机界面产品( HMI) ; 瑞恩的优质高效感应电动机、 变频电动机; Kate发电机和电力调节装置等一系列设备。这些设备都已进行了广泛的自身测试。例如, 为了避免由于变频器和电动机不匹配而产生的斩波, 提供了一系列变频器、 电动机和发电机, 从而能够准确地按容量选择, 不但保证了设备的互操作性, 也减少了系统的停机时间。
　　在众多的硬件设备中, PLC和电力监控器是PEMS中控制和检测的核心部件。A-B品牌的各系列PLC可编程序控制器已广泛应用于模拟量控制以及传统的数字量控制中, 而且非常容易集成到现有的分布式控制系统中。同样, 基于PLC的SCADA系统能够对电力传输和分配系统提供价格合理的远程通信及控制。PLC是各个功能层次应用中费用少、 效率高和技术上可行的首选设备。
　　罗克韦尔A-B品牌的PowermonitorⅡTM( 简称PMⅡ) 和Powermonitor3000TM( 简称PM3000) 电力监控器是一种适合于各种应用场合的电力监测和控制装置, 提供电力管理和电能计费所必须的信息。同时还采用了现场总线和电力监控专用微处理器技术, 简化了输入装置, 取消了通用仪表, 使设备结构紧凑, 还能够经过现场总线将电力系统与企业的局域网和以太网互连, 以实现电力系统的远程监控。
　　在监测性能上, PMⅡ和PM3000除具有电压、 电流、 相序、 频率、 功率、 功率因数、 电能、 谐波分析等监测功能外, 还有事件记录、 最值记录、 瞬态记录、 故障录波、 事故预报分析、 电网质量分析和电能需求管理等功能。四路开关量输入和两对继电器触点输出接口, 用于检测和控制电力系统设备的运行状况。电力监控器还支持20个同步的设定点控制, 能够将被测参数与设定点的设定条件进行比较, 来判断数据的状态, 从而实现报警、 控制继电器和触发其它内部事件的功能。
3.2 系统软件
　　罗克韦尔PEMS的软件与硬件相互配合有效地解决了电力系统监控和管理的问题。用罗克韦尔的RSPower32、 RSEnergy, 或RSView32软件与RSLinx软件配合能够在计算机上获取电力监控系统采集的数据, 并对电力系统进行控制。其中RSView是通用上位机组态软件, RSLinx是通信驱动软件。RSPower和RSEnergy是专为电力监控系统而开发的监控软件, 安装了该软件的计算机能够对电力系统中现场的电力设备进行监控, 在计算机上就会有电力参数的浏览页、 谐波分析页、 故障录波和事件记录页等, 能够很方便地用来记录文件、 监测电力系统参数、 分析谐波数据、 记录波形参数等。同时监控界面上还提供了对电力监控参数的磁盘保存、 打印( 包括电压、 电流、 功率、 谐波、 录波等参数) 的功能, 这样就更方便了对一些电力参数的监控和管理。
4 PEMS应用
　　罗克韦尔自动化提供的电力能源管理方案的诸多功能, 完全有能力实现企业内部电网的自动平衡、 自动监控, 运转负荷的前期预测和控制, 是企业节能开源的优选方案, 在世界范围内得到了广泛的应用。

图2 RTI新的电力管理系统控制结构图

　　例如:美国一家生产优质钢材企业—Republic Technologies International公司(以下简称RTI)在俄亥俄州坎顿市的工厂, 原来的电力控制系统可靠性差, 而且过分保守的需求控制算法, 使每月的电能费用占运营费用相当大的比例, 在很大程度上影响了生产力。罗克韦尔自动化为该厂提供的新的基于PLC-5控制结构的解决方案如图2所示, 系统中除PLC-5控制器外, 包括PMII电力监控器, 经过光缆连接的远程I/O 网( RIO) 和数个分布在工厂各区的操作员站。
　　在该方案中, 控制器采用一对带备用通信模块的冗余PLC-5处理器, 连接到现有的工厂级控制以太网上, 安装在高炉上的远程I/O( RIO) 控制节点经过一个冗余光纤回路与PLC-5/40E处理器通信。安装在工厂电力网上的PMⅡ电力监控器作为PLC-5/40E的远程I/O节点, 经过PLC向工作站提供电能质量数据。系统中还提供了4个专门的操作员站, 其中包括一个主站, 一个备用工作站和一个位于2号高炉的拨号服务器, 还有一个专门的操作员终端安装在炉工工作室, 控制室还添加了一个集成参数汇总界面。在工厂的不同地方都能监控系统的运行状况。
　　RTI新的高炉供电控制方案每隔5秒钟预测一次工厂电力网和高炉的能源用量, 系统的算法高度精确, 将能源消耗控制在设定范围内, 还具有可实时实地对电力购买做出反应的功能。控制系统中的电力监控器与监控软件配合提供具体的电源质量信息, 如电压、 电流、 功率因数、 谐波畸变等, 还能跟踪并预警图表记录器很难确定的瞬时电压偏移; 可自动生成一系列表格式和图形式的报表, 包括日报表、 周和月需求提要表和能源使用表等; 提供4级报警, 其中一些报警与电力公司的计量表和需求时限有关, 对特定的严重报警可激活自动寻呼功能, 其它的报警不会发出寻呼, 可是所有的报警都会出现在报警汇总中并被记录下来。系统配置灵活, 可随时添加节点来满足用户更高的要求。
　　RTI新的电力能源管理系统的运行降低了每个高炉运行成本, 提高了产量, 改进了电压调整和功率因数。经过更好地使用现有的电容组, 减少了电压降低现象的出现; 经过更严格的控制, 改进了能源的使用情况, 从而大大地降低了电力使用成本, 并快速收回投资, 还能在未来的使用中继续帮助RTI节省更多的成本。
　　罗克韦尔自动化的PEMS在中国电力生产、 传输和使用部门也有很多成功的应用案例, 如山东黄岛发电厂、 烟台电业局配网自动化系统、 江西铜业公司供电系统等。
　　其中, 江西铜业公司德兴铜矿的供电系统具有负载点多、 分布面广、 供电网成放射状分布等特点, 而且, 矿山大量的电力负荷为感性负荷, 现有人工投入电力电容器的无功补偿措施, 无法对电网功率进行跟踪补偿, 有时还出现过补偿现象, 造成大量的能源浪费。供电网中有一座220kV变电站, 一座110kV变电站, 十余座35kV变电站。罗克韦尔自动化的PEMS根据矿山供电范围大, 地里环境差的特点, 采用PLC和电力监控模块构成SCADA网络, 系统结构如图3所示。该SCADA系统共设12个工作站, 由各变电站电力监测网络、 PLC和上位监控计算机组成。现场的电力数据采集采用电力监控模块PMⅡ和PM3000。所有电力监控模块经过DeviceNet连接到PLC上。高压开关柜的输入、 输出控制信号由PLC实现。变电站间的监控计算机经过DH+网与PLC相连。矿山电力管理和总调度室上位机经过该SCADA网络与各变电站PLC通信。各变电站间数据交换经过矿山程控电话采用DF1协议拨号上网通信。

图3 江西铜业公司供电系统SCADA系统结构图
　　系统所有控制均设手动和自动两种状态, 经过实时网络与自动化信息系统紧密相通。上位机采用RSPower32与RSView32软件集成, 对系统采集的数据和报警进行分析和处理, 还能够生成电力监控界面、 标签、 趋势图和数据记录等。使用户和变电所充分了解用电量的分配, 功率因数及高次谐波量, 合理调度电力负荷, 进一步经过对状态波形的分析对供电质量进行诊断, 防止有害谐波造成电力故障, 经过功率因数的实测值对电力电容器组投切进行自动控制。
　　该系统除完成基本电参量的采集外, 各变电站还能根据功率因数、 母线电压波动因素自动投入和切除无功补偿量, 实现电力监测、 无功补偿和动力能源管理一体化, 使现场数据采集准确, 传输可靠性高, 减小了电力故障隐患, 节能效果明显, 且大大减少了现场工作人员的工作量, 提高了电力系统的自动化水平, 具有显著的经济效益和社会效益。
5 结束语
　　罗克韦尔自动化的电力能源管理方案具有不断丰富的软/硬件资源, 国际认证的产品品质, 完善的售后服务体系以及高回报率, 能够满足电力和能源管理不断变化的需求, 几乎适用于企业所有的电能管理应用系统, 能够帮助用户降低能耗、 跟踪及合理分配费用、 简化自动报表、 提高功率因数和延长设备的使用寿命, 从而在其自动化系统投资中实现最大的价值。