EnWin Utilities reduziert Leitungsunterbrechungen um 21 %

EnWin Utilities reduziert Leitungsunterbrechungen um 21 %

Herausforderung

  • Minimierung der Wasserleitungsunterbrechungen in einem veralteten Wasserversorgungssystem
  • Reduzierung von Wasserverlusten durch Leckagen für mehr Umsatz und Effizienz

Lösungen

  • Modellprädiktive Regelung (MPC) lässt sich nahtlos in Rockwell Automation-SCADA-Systeme und Allen-Bradley PowerFlex-Frequenzumrichter integrieren.
  • Steuerung der Druckschwankungen durch die Überwachung und Anpassung mehrerer Systemvariablen, darunter Stationsdaten, Mittelspannungs-Frequenzumrichter und Stromventile
  • Extrem reaktionsschneller integrierter MPC-Prototyp eliminiert Druckspitzen beim Pumpenstart/-stopp weitestgehend.
  • Durch integrierte Lösung ist ein zusätzlicher Server nicht mehr erforderlich

Ergebnisse

  • Wasserleitungsunterbrechungen um 21 % pro Jahr verringert und damit Einsparungen von rund 125 000 USD erzielt
  • Systemdruck um 2,8 psi reduziert
  • Einsparungen in Höhe von 125 000 USD durch niedrigere Elektrizitätskosten und weniger Systemleckagen
  • Senkung der Betriebs- und Lizenzkosten für Server

Hintergrund
Die Stadt Windsor in Ontario, die sich im Becken der Großen Seen und des Sankt-Lorenz-Stroms befindet, ist mit einem großen Wasserreichtum gesegnet. Das Wasserversorgungsunternehmen Windsor Utilities Commission (WUC) rühmt sich selbst als guter Verwalter dieser Ressource. Mit einem Schwerpunkt auf Umweltschutz und Systemzuverlässigkeit hat WUC konsequent den Wasserverbrauch gesenkt. WUC, das von EnWin Utilities Ltd. geleitet wird, verteilt jährlich rund 48 000 Millionen Liter Wasser an 72 000 Kunden. Gleichzeitig unterhält das Versorgungsunternehmen eine der niedrigsten Produktions- und Verteilungskosten in Kanada.

Um eine kostengünstige Wasserversorgung aufrechtzuerhalten, nutzt EnWin sein Modell der ständigen Verbesserung zur Optimierung der Abläufe durch Prozessänderungen und Investitionsprojekte. Im Jahr 2011 installierte das Versorgungsunternehmen eine neue SCADA-Lösung von Rockwell Automation zur Verbesserung der Systemeffizienz und Anlagenprozesse. Zwei Jahre später plante EnWin eine Erweiterung der Systemfunktionalitäten, um die wachsende Anzahl von Wasserleitungsunterbrechungen in der gesamten Infrastruktur des Unternehmens zu reduzieren.

Herausforderung
Bis Ende 2012 verzeichnete EnWin jährlich im Durchschnitt 238 Leitungsunterbrechungen; die Kosten hierfür beliefen sich auf rund 5000 USD pro Unterbrechung.Wasserleitungsunterbrechungen können verschiedene Ursachen haben, aber das EnWin-Team fand heraus, dass eine erhebliche Anzahl durch Druckspitzen und -einbrüche im gesamten System verursacht wurde.

Da Wasser eine nicht komprimierbare Flüssigkeit ist, macht sich eine Druckänderung an einer beliebigen Stelle im System in der gesamten Infrastruktur bemerkbar. Unter bestimmten Bedingungen können diese Druckschwankungen Leitungsunterbrechungen verursachen. Ältere Wasserinfrastrukturen mit Wasserleitungen aus Eisen, rostenden Rohren und Bodenerosion sind besonders anfällig für Druckschwankungen. Kalte Witterungsbedingungen verstärken das Problem.

Obwohl EnWins Investitionsplan regelmäßige Instandhaltung und den konsequenten Austausch der alternden Infrastruktur beinhaltet, kann das Versorgungsunternehmen das gesamte System einfach nicht schnell genug ersetzen.

„Da unsere Infrastruktur schon älter ist, ist sie sehr anfällig für Leitungsunterbrechungen“, so Garry Rossi, Leiter der Wasserproduktion bei EnWin Utilities. „Wir benötigten eine Lösung, um die Leistung unserer bestehenden Infrastruktur zu verbessern, bis wir die Möglichkeit haben, sie auszutauschen.“

Das Verteilungssystem von EnWin Utilities umfasst zwei Aufbereitungsanlagen, Tausende von Kilometern an Verteilungsleitungen, zwei Pumpstationen sowie eine Verstärkerpumpstation, die zu Spitzenverbrauchszeiten eingesetzt wird.

An den Pumpstationen wird der Pumpenfluss durch eine einfache PID-Logik (Proportional-, Integral- und Differenzialregelung) basierend auf dem Austrittsdruck gesteuert. Die Bediener überwachten erhöhte Niveaus des Turms, und nahmen Anpassungen vor, um Bedarfsschwankungen zu kompensieren. Die Pumpen wurden manuell gestartet und angehalten, um den Systemfluss anzupassen. Die Verstärkerstation wurde ebenfalls mit einer PID-Logik gesteuert und je nach Systembedarf und Bedienerermessen manuell gestartet und angehalten.

„Die PID-Logik weist erhebliche Einschränkungen auf“, sagt Rossi. „Sie kann nur einen einzelnen Eingang steuern und generieren.“ In diesem Fall wurden die Hochhubpumpen gesteuert, indem ein Vorlaufsollwert bei schwankendem Druck gehalten wurde. Elemente mit mehreren Variablen, z. B. Frequenzumrichter, Stromventile und andere eingehende Druckdaten, konnten im Steuerungsszenario nicht berücksichtigt werden. „Im Grunde haben wir getan, was mit der vorhandenen Technologie möglich war“, so Rossi. „Dies führte zu inkonsistentem Systemdruck und teuren Reparaturen.“

Lösung
Eine erste mögliche Lösung präsentierte sich erstmals Ende 2012, als John Stuart, Vice President of Operations bei EnWin Utilities, eine Vorführung der modellprädiktiven Regelung (MPC) von Rockwell Automation auf der Automation Fair sah.

„Als John uns die Lösung beschrieb, waren wir alle beeindruckt“, so Rossi. „Die Ansprechzeit dieser Technologie war besonders interessant. Das System konnte auf mehrere Variablen gleichzeitig reagieren und entsprechende Anpassungen vornehmen.“

Diese serverbasierte Lösung erfasst Daten in Intervallen von 15 bis 16 Sekunden. In Zusammenarbeit mit einem Team von Rockwell Automation plante EnWin, die Funktionen ihres vorhandenen SCADA-Systems zu nutzen und die MPC-Steuerung in die Gesamtlösung zu integrieren. Das SCADA-System basiert auf einer vollständig redundanten programmierbaren Allen-Bradley® ControlLogix®-Automatisierungssteuerungsplattform.

In Zusammenarbeit mit einem Team von Rockwell Automation plante EnWin, die Funktionen ihres vorhandenen SCADA-Systems zu nutzen und die MPC-Steuerung in die Gesamtlösung zu integrieren.

Dank der integrierten MPC-Lösung konnte EnWin Druckspitzen bei Pumpenstopps und -starts verringern. „Mit MPC haben wir die Möglichkeit, die Pumpstationen auf Basis verschiedener Faktoren zu überwachen und zu steuern“, erläutert Rossi. „Daher konnten wir uns darauf konzentrieren, den Druck im gesamten System konstant zu halten, während gleichzeitig die Schwankungen im Durchflussbedarf aufrechterhalten wurden.“

Phase I: Serverbasierte MPC

Um potenzielle Serviceunterbrechungen zu minimieren, plante EnWin, die Lösung in zwei Phasen umzusetzen. In Phase I installierte EnWin 17 dezentrale Druckstationen im gesamten Versorgungsgebiet. Um den Druck im gesamten System konstant zu halten, wurden Mindestdruckbeschränkungen für alle Druckstationen geschaffen. Die dezentralen Stationen wurden von einer MPC-Steuerung überwacht, die so programmiert wurde, dass auch der schwankende Systembedarf im Verlauf des Tages befriedigt wurde.

Das System wurde so konfiguriert, um den geringstmöglichem Druck für eine angemessene Versorgung im gesamten Gebiet zu halten. Die MPC-Steuerung steuerte die Durchflussmenge, indem der Durchfluss zweier laufender Hochhubpumpen – eine in der Pumpstation und eine in der Verstärkerstation – reduziert wurde. Diese Pumpen werden von Allen-Bradley PowerFlex® 700- und PowerFlex 7000-Frequenzumrichtern gesteuert.

Das EnWin-Team nahm Phase I im Juni 2013 in Betrieb und begann dann mit den Planungen für Phase II, in der der Fokus auf der Optimierung des Drucks in der Sammelleitung auf dem Hauptgelände durch den Einbau von modulierenden Stromventilen liegen sollte.

Phase II: Optimierung von MPC mit einer integrierten Lösung

Die ersten Ergebnisse aus Phase I waren beeindruckend, und so wollte das Rockwell Automation-Team in Phase II weitere Funktionen integrieren. Die serverbasierte MPC-Lösung ermöglichte die Mehrgrößenregelung verschiedener Druckpunkte im System sowie die variable Geschwindigkeitsregelung der laufenden Pumpen. Die Steuerung von Pumpenstart und -stopp war jedoch nicht Teil des Phase I-Systems.

„Wir wussten, dass wir das System durch die Einbindung einer Pumpenstart/-stopp-Funktion und den Einbau von Stromventilen optimieren konnten“, so Quin Dennis, Anwendungstechniker bei Rockwell Automation. „Aber angesichts der bestehenden Intervallgeschwindigkeit wäre MPC nicht in der Lage, die Systemanpassungen zügig genug vorzunehmen, um die schnellen Druckspitzen bei Pumpenstart oder -stopps einzudämmen.

EnWin war bereit, zusammen mit Rockwell Automation eine neue integrierte MPC-Steuerung zu testen, die die Intervallgeschwindigkeit deutlich verbessern konnte. Die Prototyp-Lösung beinhaltet eine integrierte-MPC-Funktion in der ControlLogix-Steuerung. Ein separater Server oder separate Software ist nicht erforderlich. Nach der Einführung der integrierten MPC-Lösung konnte die Intervallgeschwindigkeit von 15 bis 16 Sekunden auf einen Bereich von 0,5 bis 1 Sekunde reduziert werden. Durch die Integration von PowerFlex 7000-Mittelspannungs-Frequenzumrichtern kann dieses reaktionsschnelle System jetzt die Geschwindigkeit der laufenden Pumpen regeln und zusätzlich Druckspitzen, die beim Start oder Stopp der Pumpen auftreten können, durch die Integration von anpassbaren Stromventilen ausgleichen. Durch Festlegung der verwendeten Energiekostenfaktoren kann der im System integrierte Optimierer die Verwendung des Mittelspannungs-Frequenzumrichters direkt ohne Heuristiken definieren. Da die Energiekosten bei der Verwendung von Stromventilen höher sind, stellt das System sicher, dass die Ventile so weit wie möglich geöffnet sind, bis der Frequenzumrichter den unteren Durchflussgrenzwert erreicht. An diesem Punkt wird der Bediener aufgefordert, die Pumpe abzuschalten, und dann kommen die Ventile zum Einsatz.

Ergebnisse
„Wir haben die Gelegenheit sehr begrüßt, gemeinsam mit Rockwell Automation die integrierte Lösung zu testen“, sagt Rossi. „Schließlich nahmen wir Phase II im Januar 2014 in Betrieb, und wir haben die verbesserte Funktionalität auf unserem Hauptgelände und in unserer Verstärkerstation eingesetzt.“

In Phase III plant das Versorgungsunternehmen, die integrierte Lösung für die restlichen Pumpstationen ihres Systems einzuführen. EnWin hat die Ergebnisse der Lösung seit der Einführung der ersten Phase im Juni 2013 überwacht.

„Schon sehr früh haben wir festgestellt, dass der Druck nicht mehr schwankte, sondern konstant war“, so Rossi. „Die Zuverlässigkeit und Leistung des Systems entwickelten sich weiter in die richtige Richtung, aber wir wollten sicher sein, dass wir ein fundiertes Data-Set haben, bevor wir irgendwelche Beanstandungen erheben.“ Ende Dezember mit Daten von sechs Monaten aus Phase I im Gepäck war EnWin überzeugt, dass die MPC-Lösung den Systemdruck im gesamten Versorgungsgebiet wirksam steuert. Vor der Einführung der Lösung verzeichnete EnWin durchschnittlich 238 Leitungsunterbrechungen pro Jahr. Im Jahr 2013 kam es zu 187 Leitungsunterbrechungen, d. h. eine Verbesserung um 21 % und damit Kosteneinsparungen für EnWin von rund 125 000 USD.

Außerdem verringerte das Versorgungsunternehmen den mittleren Systemdruck um 2,8 psi und die Standardabweichung um 29 %. Infolgedessen hat EnWin geschätzte 125 000 USD durch weniger Elektrizitätskosten und Systemleckagen eingespart.

Dank der in Phase II umgesetzten Verbesserungen treten Druckspitzen beim Start und Stopp der Pumpen praktisch nicht mehr auf. „Zu Beginn des Projekts waren wir sehr vorsichtig. Wir wollten sicher sein, dass die Technologie leistet, was sie verspricht“, so Rossi. „Aber der Beweis liegt in den Ergebnissen.“

Neben der Leistungssteigerung können die Betriebskosten dank der integrierten Lösung auch anderweitig gesenkt werden.

„Mit der integrierten MPC haben wir die Gesamtkosten unserer Lösung reduziert“, sagt Rossi. „Wir zahlen natürlich noch die MPC-Lizenzgebühren, aber die Kosten für einen zusätzlichen Server und die dazugehörigen Lizenzen entfallen.“ Abschließend sagt Rossi: „Es ist sehr positiv, dass Rockwell Automation Lösungen entwickelt, die nicht nur die Steuerungstechnologie verbessern, sondern auch die Senkung der laufenden Betriebskosten ermöglichen.“

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