圖1：能源管理系統(tǒng)軟件可以提供一個(gè)如摘錄所示的信息總覽界面，此界面是由Tom Rybarczyk 基于ABB Power Rich system 開發(fā)。
由于電力服務(wù)在質(zhì)量、可靠性和診斷方法等方面迫切需要改進(jìn)，因此Merck公司在位于新澤西洲Rahway的研發(fā)生產(chǎn)工廠內(nèi)投資建設(shè)了一套電力管理系統(tǒng)。作為美國國家環(huán)保局年度能源合作伙伴，Merck公司計(jì)劃到2008年底減少25%的能源消耗。而Merck公司已經(jīng)感受到采用電力管理系統(tǒng)帶來的諸多好處。
■ 通過消除預(yù)定的閑置監(jiān)控節(jié)省技術(shù)員的時(shí)間。
■ 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)不但節(jié)約了時(shí)間，而且還能防止數(shù)據(jù)輸入的錯(cuò)誤。
■ 大型設(shè)備試車時(shí)間從以前的4或5天縮減到2天。
■ 小型設(shè)備更容易安裝。
■ 由于信息實(shí)時(shí)性提高，發(fā)現(xiàn)并檢修故障的效率大大提高，因此設(shè)備的維護(hù)及停機(jī)時(shí)間也得以縮短。
這些才剛剛開始。
“我們目前并沒有利用系統(tǒng)全部的信息使其滿負(fù)荷運(yùn)作�！盡erck制造業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高級(jí)自動(dòng)控制工程師Dan Fabiani說：“我們已經(jīng)開始對(duì)預(yù)期負(fù)載和消耗進(jìn)行預(yù)算，將節(jié)省下的來的能源存儲(chǔ)起來，以便再
次利用�！�
良好的連接性能
這個(gè)計(jì)劃早在六年前就由一家制藥公司啟動(dòng)，該公司成立于1891年。
隨著世界各國對(duì)于能源問題越來越關(guān)注，能源監(jiān)管的好處現(xiàn)在愈加體現(xiàn)出來了，越來越多的設(shè)備采用3000型電力管理系統(tǒng)，操作現(xiàn)場(chǎng)的管理控制與數(shù)據(jù)采集功能更新?lián)Q代以配合電力管理系統(tǒng)的使用。Merck公司選擇的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)工具是ABB公司的Power Rich System，并且結(jié)合了OSIsoft的PI系統(tǒng)。Fabiani是整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人，管理著能源監(jiān)管系統(tǒng)和設(shè)備電源集散控制系統(tǒng)。
Fabiani稱這種能量監(jiān)管系統(tǒng)能可以同時(shí)監(jiān)測(cè)100個(gè)以上的綜合建筑群的電力系統(tǒng)。大約550臺(tái)設(shè)備可以連接到兩臺(tái)冗余服務(wù)器上，通常大約可以安裝200,000個(gè)I/O點(diǎn)，。如果有需要的話還可以擴(kuò)展更多的點(diǎn)，可以連接制造生產(chǎn)設(shè)備，研究設(shè)備，辦公樓設(shè)備，倉庫設(shè)備，電站設(shè)備等。站點(diǎn)當(dāng)前的能源需求來自（生產(chǎn)）現(xiàn)場(chǎng)的研究、制造和管理辦公（設(shè)備），而這些需求由現(xiàn)場(chǎng)蒸汽機(jī)組、公用電力設(shè)備和Merck自己的發(fā)電設(shè)備予以滿足。在所有生產(chǎn)過程中，Merck公司盡力滿足常規(guī)需求，同時(shí)確保遵循現(xiàn)行良好生產(chǎn)規(guī)范（cGMPs）。
供與求
很多電力公司建議他們的客戶在用電高峰期節(jié)約用電。比起去現(xiàn)貨市場(chǎng)購買電力，公司這種做法要合算的多。類似Merck公司的設(shè)備能夠?qū)δ茉词褂眠M(jìn)行精確監(jiān)管，使（工廠）與電力公司簽訂最合理的能源（使用）合同，F(xiàn)abiani說。這種技術(shù)同時(shí)也能讓（生產(chǎn)）現(xiàn)場(chǎng)通報(bào)主管處是否需要或何時(shí)需要在用電高峰期進(jìn)行讓電。如道渣更換、動(dòng)景拍攝照明、高效發(fā)動(dòng)機(jī)及其它省電措施同樣被首先運(yùn)用于最需要的地方。
隨著引入的雙重26.4kV環(huán)路總線讓負(fù)載電壓提高至480V，電力管理系統(tǒng)會(huì)不斷地與連接設(shè)備進(jìn)行通訊，搜集能量信息，如有功功率、視在功率、無功功率，功率因數(shù)，電壓、電流，波形等。所有的設(shè)備保護(hù)和監(jiān)測(cè)信息都能在服務(wù)器和操作人員的控制臺(tái)上顯示，而一旦出現(xiàn)緊急情況或者有故障發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向管理人員報(bào)警。
圖2：ABB公司的Power Rich system 系統(tǒng)能直觀地看到系統(tǒng)設(shè)備連接的概況。
圖3：點(diǎn)擊一個(gè)設(shè)備后會(huì)顯示由Power Rich系統(tǒng)監(jiān)控的附加信息，比如電流，電壓，功率和這臺(tái)GE Multilin 功率品質(zhì)表的相關(guān)需求。 功率源除了26.4kV的線饋電壓以外，還包括2個(gè)5MW的發(fā)電機(jī)，1個(gè)10MW的發(fā)電機(jī)和4個(gè)250kW的微型渦輪。這些發(fā)電機(jī)不足以供給整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)所需的能量，但足夠在電力中斷時(shí)繼續(xù)保持蒸氣生產(chǎn)在線工作。
2005年底，Merck公司在Rahway現(xiàn)場(chǎng)建筑的屋頂上安裝了新的發(fā)電設(shè)備（包括Fabiani辦公室所在的28號(hào)樓），裝置包括了一個(gè)500kW的屋頂太陽能發(fā)電機(jī)。此外，在過去的4年中，F(xiàn)abiani所在的樓使用了一個(gè)200kW的氫燃料電源，基本上電力方面已經(jīng)可以自給自足，同時(shí)并不產(chǎn)生任何污染氣體。 技術(shù)總結(jié)：能源管理
最終用戶的較早介入可以在以后的項(xiàng)目過程當(dāng)中節(jié)省時(shí)間，對(duì)于任何項(xiàng)目都是如此。
“Merck是為數(shù)很少的、愿意在設(shè)計(jì)階段就介入項(xiàng)目的用戶之一，這種作法使得項(xiàng)目調(diào)試更加容易，”ABB公司的Geoffrey Patton說道，他是Merck公司項(xiàng)目Power Rich系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者以及通訊和項(xiàng)目工程師。
Merck項(xiàng)目用到了下列特點(diǎn)：
■ 采用一張安裝CD來提供系統(tǒng)升級(jí)，通過電話來提供升級(jí)幫助。
■ 可以使用各種第三方軟件工具通過網(wǎng)絡(luò)傳送本地更新。
■ 安全取決于使用標(biāo)準(zhǔn)微軟程序安裝的系統(tǒng)。
■ 畫面顯示
帶有標(biāo)準(zhǔn)的置頂功能欄，里邊包含有諸如返回上一頁的按鈕、幫助按鈕、回家按鈕、登錄/退出按鈕、報(bào)警按鈕、時(shí)間按鈕、日期按鈕和其它功能。
■ Merck項(xiàng)目采用了Modbus或者以太網(wǎng)通訊，而且系統(tǒng)連接了超過250個(gè)通訊協(xié)議。其中包括ActiveX集成、OPC設(shè)備以及PLCs。
■ 系統(tǒng)具備多重設(shè)備目標(biāo)庫來簡化安裝。
■ 規(guī)模可變架構(gòu)具備冗余能力，可以很方便的進(jìn)行擴(kuò)展。
■ 根據(jù)組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的不同，操作員畫面可以在不到2秒鐘的時(shí)間內(nèi)刷新。
■ Lake Mary，F(xiàn)L.的ABB Power T&D Co. Inc.公司為系統(tǒng)提供支持。 Power Rich系統(tǒng)持續(xù)不斷地在多道程序的操作中進(jìn)行監(jiān)控和管理。其中有些已經(jīng)用于集散控制系統(tǒng)（DCS）的監(jiān)控，不過由于價(jià)格更低，更多的還是用在能量管理系統(tǒng)中。最近還首次應(yīng)用在無線I/O點(diǎn)連接的分站中，F(xiàn)abiani說。Merck的IT技術(shù)人員還補(bǔ)充說明，使用Cisco公司的無線網(wǎng)橋連接分站，組建網(wǎng)絡(luò)，可以避免因?yàn)殇佋O(shè)光纖而提高成本。其它增加的設(shè)備還有用于公司制造和研究用的5kV的冷卻器，以及2座冷卻塔，這些設(shè)備皆可用于生產(chǎn)制造、產(chǎn)品
研發(fā)中。
Fabiani評(píng)價(jià)說：“我們過去五年多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，Power Rich系統(tǒng)一直非常可靠”。
Merck公司Rahway分部負(fù)責(zé)儀器使用和自動(dòng)控制方面的高級(jí)電子工程師Stephanie Chapman認(rèn)為系統(tǒng)的通過系統(tǒng)監(jiān)控功能指派技術(shù)人員去排除故障，而不僅僅只去檢查系統(tǒng)工作狀態(tài)，然后再搜集信息，她說：“我們覺得我們可以通過避免使用人工檢查來提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)可以消除錯(cuò)誤，避免因人工抄寫數(shù)字帶來的失誤，并可以最大限度地利用員工的時(shí)間。監(jiān)控系統(tǒng)使我們能夠精確地搜集數(shù)據(jù)。能量品質(zhì)也隨著系統(tǒng)可靠性和自診斷性能的提高而提高。”
作為系統(tǒng)的終端用戶，Stephanie Chapman監(jiān)控著很多設(shè)備，這些設(shè)備有著不同的制造商設(shè)備使用壽命長短不一，其中有GE Multilin F60，745和489繼電器以及功率品質(zhì)表，ABB發(fā)電保護(hù)單元（GPU）繼電器，還有Sixnet模塊等。
裝置多樣性
服務(wù)器主顯示屏顯示了所有被監(jiān)控的電力分站和其負(fù)載的信息，計(jì)算系統(tǒng)每臺(tái)設(shè)備和每個(gè)部門的功率消耗及其它能量參數(shù)。地位級(jí)圖顯示屏在最高層面顯示各個(gè)受到監(jiān)控的設(shè)備，點(diǎn)擊其中某一個(gè)，就能得到更詳盡的信息。所有資源在活動(dòng)狀態(tài)下報(bào)警將顯示黃色（通過觀察地位級(jí)圖顯示屏進(jìn)行監(jiān)控）。
在最開始的兩年中，系統(tǒng)采用兩線供電將多數(shù)的中低壓分站及其設(shè)備按照環(huán)路總線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，并且在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。一些繼電器因?yàn)閴勖鼏栴}已經(jīng)被替換。那些在設(shè)計(jì)上有細(xì)微差別的分站是在不同時(shí)間組建的，但是除了饋電線的數(shù)目外安裝全相同。
該系統(tǒng)的目的是對(duì)電力的進(jìn)一步監(jiān)控，不但可用于內(nèi)部的一些點(diǎn)，還可以明晰一個(gè)部門某個(gè)過程的能耗情況。這些數(shù)據(jù)的測(cè)量能夠縮減以后的能源使用。
在控制室和監(jiān)管辦公室中，主服務(wù)器和備份服務(wù)器從各個(gè)位置搜集信息，并通過4個(gè)額外的客戶端PC進(jìn)行補(bǔ)充。通過這樣的監(jiān)控，可以幫助生產(chǎn)線排除故障，檢查哪個(gè)設(shè)備離線或者掉電，并且確定輸電線路是否有故障。Chapman還暗示，這樣還有一個(gè)好處，可以通過研究試驗(yàn)避免像以往一樣增加從生產(chǎn)線到質(zhì)量管理停工期，否則無計(jì)劃的供斷和混亂可能導(dǎo)致重新返工。
在任何的研究和開發(fā)中都必定會(huì)依靠實(shí)驗(yàn)，這樣因電力、加熱、冷卻的而帶來的供斷期會(huì)花費(fèi)幾小時(shí)、幾周、幾個(gè)月來彌補(bǔ)，延誤了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間。
更簡單的試車
通常，當(dāng)一個(gè)工廠購進(jìn)新的設(shè)備并進(jìn)行安裝前，會(huì)在生產(chǎn)廠商那里進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試。但據(jù)Chapman介紹說，當(dāng)設(shè)備運(yùn)到Merck公司時(shí)還會(huì)再測(cè)試一次，他們會(huì)按照Merck自己的接線標(biāo)準(zhǔn)重新連接，并做另外的試驗(yàn)。她補(bǔ)充說：“我們把設(shè)備實(shí)際工作時(shí)Power Rich系統(tǒng)的顯示情況與說明書的描述作比較，這將會(huì)使得試車變得更容易，我們最近安裝的冷卻塔和低壓分站正是這樣做的�！�
安裝之后，最后的測(cè)試工作將會(huì)從以前的4到5天縮減到2天，因?yàn)樵O(shè)備的信息和其診斷結(jié)果已經(jīng)存入了能量監(jiān)控系統(tǒng)。Fabiani補(bǔ)充說：“由于整個(gè)體系的路線已經(jīng)鋪設(shè)好了，我們只需要將新設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接起來。那正體現(xiàn)了系統(tǒng)強(qiáng)大遠(yuǎn)程I/O能力的魅力�！�
發(fā)展
Chapman說，隨著在這兩年中大部分設(shè)備逐步連接到系統(tǒng)中，重點(diǎn)已經(jīng)從電力監(jiān)控轉(zhuǎn)移到全面能耗狀況上。就在最近，Merck公司將冷卻系統(tǒng)和冷卻器的附加信息也集合到了一起，比如水的流量和溫度，這樣可以確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠（運(yùn)行）。 管理能源的好辦法
由于能源的價(jià)格據(jù)高不下，現(xiàn)在看起來是寫一本關(guān)于能源管理系統(tǒng)的書的好機(jī)會(huì)，工業(yè)顧問Bill Lydon說道。他計(jì)劃以每個(gè)月一章的速度寫作，讀者可以通過ISA Books www.isa.org/books）了解這本書的內(nèi)容。他預(yù)計(jì)會(huì)在2007年秋天完成這本書。雖然直到那時(shí)大家才能夠了解這本書的全貌，不過他現(xiàn)在已經(jīng)提出了一些建議。
■ 控制人員需要在不影響生產(chǎn)的情況下從能源花費(fèi)的角度對(duì)過程進(jìn)行監(jiān)視。Lydon說：在許多案例當(dāng)中，這個(gè)要求甚至可以通過現(xiàn)有的控制系統(tǒng)得到滿足，如果這個(gè)控制系統(tǒng)正好處在需要監(jiān)視的區(qū)域。
■ 如果已經(jīng)存在一套自動(dòng)化系統(tǒng)，能源管理所需要的數(shù)據(jù)有可能已經(jīng)存在于系統(tǒng)當(dāng)中了。剩下來的事就是看你怎樣使用這些收集到的數(shù)據(jù)了。
■ 研究能源被花費(fèi)到了哪些方面，并且使輸入的能源滿足生產(chǎn)的需要。
■ 將能源費(fèi)用計(jì)算到單位生產(chǎn)成本。
■ 尋找方法來優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。“例如：如果一個(gè)過程需要熱的油，你能不能以一種替代模式預(yù)先把溫度降低到剛好符合要求的程度？”Lydon作為一個(gè)例子問道。
“目前在能源系統(tǒng)優(yōu)化方面沒有作多少工作，”Lydon補(bǔ)充道�！拔艺J(rèn)為很快我們就可以看到許多這類優(yōu)化項(xiàng)目出現(xiàn)�！� 大多數(shù)設(shè)
備會(huì)自動(dòng)地運(yùn)行并且接受遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制屏上的黃色代表警報(bào)。點(diǎn)擊設(shè)備會(huì)顯示關(guān)于報(bào)警的具體細(xì)節(jié)以及與此相關(guān)的設(shè)備。Chapman舉例說，在極熱的夏天，某個(gè)控制柜過熱，出問題的地方他們很快會(huì)找到，并能迅速確定到底是具體哪一部分出了問題，如果是冷凝器出了問題就會(huì)被立即更換掉。
Fabiani說，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，技術(shù)人員會(huì)去查看并將對(duì)應(yīng)設(shè)備轉(zhuǎn)換為手動(dòng)模式進(jìn)行故障排除。為了更好地運(yùn)用Power Rich system系統(tǒng)，Merck公司需要建立一套完整的相關(guān)規(guī)程。
燃料電池技術(shù)
在Merck公司未來能量管理計(jì)劃中，有一項(xiàng)是一個(gè)200kW的燃料電池。據(jù)說這是第一個(gè)有如此舉動(dòng)的美國公司，在2002年10月，Merck UTC燃料電池于Rahway現(xiàn)場(chǎng)正式建成，占地210英畝。燃料電池產(chǎn)生的電能相當(dāng)于100個(gè)普通家庭的用電量。
圖4：Merck Rahway 的設(shè)備中，類似微型渦輪機(jī)這種由公用電力（設(shè)
備）與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)共同供電的負(fù)載裝置都處于監(jiān)控之中。
這個(gè)計(jì)劃是新澤西清潔能源計(jì)劃中的第一個(gè)燃料電池計(jì)劃，它有效地降低了安裝新的采用交替技術(shù)發(fā)電設(shè)備所帶來的高成本。同時(shí)，美國防治氣候變化計(jì)劃也為此項(xiàng)目的啟動(dòng)提供了投資。燃料電池目前的成本是每千瓦$1,600到$4,500。而石化燃料發(fā)電機(jī)每千瓦僅花費(fèi)$35。
“我們整天一直運(yùn)轉(zhuǎn)，很多用來試驗(yàn)的材料都需要冷藏，所以一種持續(xù)的可靠的電力供應(yīng)（基本沒有儲(chǔ)運(yùn)損耗）對(duì)我們的運(yùn)行非常重要，”前Merck Rahway工廠經(jīng)理，現(xiàn)任Merck下屬工廠高級(jí)科學(xué)技術(shù)副主席Lawrence Naldi如此說。
圖5：Merck 公司Rahway 分部高級(jí)電子工程師Stephanie Chapman說：“我們覺得通過避免采取手動(dòng)檢查，我們的現(xiàn)場(chǎng)可以變得更加可靠和穩(wěn)定。系統(tǒng)可以減少錯(cuò)誤，避免手工錄入數(shù)據(jù)的過程中出錯(cuò)的可能性。
圖6：Merck公司在2002年安裝了一臺(tái)燃料
電池發(fā)電機(jī)組，據(jù)說這是美國第一個(gè)安裝
這種電池發(fā)電機(jī)的美國公司。 與電池相似，燃料電池組在電化過程中將氫和氧轉(zhuǎn)化為電能，熱能和水。由于沒有直接燃燒，所以整個(gè)過程并無光和熱的耗散。因此氫燃料電池組（典型的是從天然氣中獲取的氫）的工作效率比內(nèi)燃機(jī)高，從同樣數(shù)量的燃料中萃取的能量也更多。在這個(gè)過程中浪費(fèi)的熱量能夠回收并用到其它地方，使（電池使用）效率更高。傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)每發(fā)1000kW的電會(huì)產(chǎn)生25磅污染物質(zhì)，而UTC的燃料電池所產(chǎn)生的污染物質(zhì)只有1盎司。 其它能源管理系統(tǒng)也可以節(jié)省時(shí)間、能源
根據(jù)MGE UPS Systems公司的觀點(diǎn)，能源管理軟件可以為工廠管理者提供快速和方便的控制手段對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的不間斷電源系統(tǒng)、中距離以太網(wǎng)供電系統(tǒng)（PoE）、架裝監(jiān)視系統(tǒng)、電源分配單元（PDUs）和其它網(wǎng)絡(luò)化的電源組件進(jìn)行控制。
這種系統(tǒng)可以使用任何具備標(biāo)準(zhǔn)web瀏覽器的計(jì)算機(jī)通過internet進(jìn)行接入，可以顯示網(wǎng)絡(luò)化電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視畫面，并且確保以較低的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)大范圍、高質(zhì)量的電源保護(hù)。該公司聲稱。
MGE公司的Enterprise Power Manager軟件的V2版本能夠?qū)θ魏喂⿷?yīng)商的設(shè)備進(jìn)行掃描，只要該設(shè)備支持標(biāo)準(zhǔn)UPS的管理信息庫（MIB）就可以了。
通過其彩色編碼的顯示畫面，管理員可以激活先進(jìn)的功能，例如自動(dòng)關(guān)閉無人值守的服務(wù)器、自動(dòng)重啟以及為系統(tǒng)操作制定時(shí)間表。這個(gè)軟件可以與復(fù)雜的三相電源系統(tǒng)一起工作，可以勾畫出任何類型的電源架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種等級(jí)的冗余，還可以在圖形化的用戶界面上看到實(shí)際的電源流動(dòng)。
在奶制品處理廠，由于在過去的幾年當(dāng)中天然氣的價(jià)格上漲了一倍，能源成本已經(jīng)占了生產(chǎn)成本的40%，Vigillstics公司介紹說。該公司為奶制品行業(yè)和食品加工行業(yè)服務(wù)，為他們提供實(shí)時(shí)操作和信息軟件。
除了降低奶制品損耗和產(chǎn)品生產(chǎn)過程跟蹤及追溯功能以外，該公司提供給奶制品工廠的能源使用情況分析軟件還可以顯示不同生產(chǎn)階段的單位能源消耗：例如蒸發(fā)器、干燥器、鍋爐、冷凍設(shè)備和巴氏殺菌過程等。
“對(duì)于一家奶制品工廠而言，幾個(gè)月里面節(jié)省的能源就可以抵消支付給Vigillstics公司購買Enterprise Power Manager軟件的費(fèi)用，”Vigillstics公司的運(yùn)行分析總監(jiān)Ron Huffman說道。 Merck在Rahway的能源經(jīng)理Vincent Gates認(rèn)為這種燃料電池是一種充分可靠的技術(shù)，具有很大的潛力。Gates說：“我們幾乎忘了石化燃料始終是有限的�！备叩男誓苁惯@些有限的資源得到更好的應(yīng)用。UTC能量，一種聯(lián)合技術(shù)的輔助技術(shù)，目前提供PureCell 200，可以產(chǎn)生200kW的電能和每小時(shí)925,000Btu以上的熱能。
Chapman說，在2007年，Merck公司位于Rahway的分公司將會(huì)經(jīng)歷一系列變動(dòng)，將生產(chǎn)線遷移到其它位置并啟動(dòng)新的進(jìn)程。事實(shí)證明，能量監(jiān)控和故障診斷對(duì)于新設(shè)備的試車非常有用，尤其是在這種遷移的情況下。 |
