A EnWin Utilities reduz em 21% os vazamentos nos encanamentos

A EnWin Utilities reduz em 21% os vazamentos nos encanamentos

Desafio

  • Elimine rompimentos nos canos em um sistema antigo de distribuição de água
  • Diminua a perda de água devida a vazamentos para aumentar a receita e a eficiência

Soluções

  • O controle de modelagem preditiva integra-se ao sistema existente de Controle de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) da Rockwell Automation e aos inversores PowerFlex da Allen-Bradley
  • Controla as variações de pressão monitorando e ajustando diversas variáveis do sistema, incluindo dados de estação de pressão, inversores de média tensão e válvulas de controle de vazão
  • O protótipo de controle de modelagem preditiva integrado extremamente ágil praticamente elimina os picos de pressão relacionados a partidas/paradas da bomba
  • A solução integrada elimina a necessidade de servidores adicionais

Resultados

  • Diminuição do rompimento de canos de água em 21% ao ano, gerando uma economia de aproximadamente US$ 125.000
  • Redução da pressão do sistema em 2,8 lb/pol²
  • Economizou US$ 125.000 por ano devido a custos de eletricidade mais baixos e menos vazamentos do sistema
  • Ajudou a conter os custos de operação e licenciamento do servidor

Histórico
Localizada nos Grandes Lagos e na Bacia do Rio São Lourenço, Windsor, Ontário, conta com uma abundante rede hídrica. A Windsor Utilities Commission (WUC) tem orgulho de ser uma boa defensora desse recurso. Com foco em preservação e confiabilidade do sistema, a WUC tem reduzido o consumo de água de maneira consistente. A WUC, que é gerenciada pela EnWin Utilities, Ltd., distribui cerca de 48 bilhões de litros de água por ano para mais de 72.000 clientes. Ao mesmo tempo, a empresa pública mantém um dos menores custos de produção e distribuição do Canadá.

Para sustentar um fornecimento de água acessível, a EnWin usa seu modelo de melhoria contínua para otimizar as operações por meio de alterações de processo e projetos de capital. Em 2011, a empresa instalou uma nova solução de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) da Rockwell Automation para melhorar a eficiência do sistema e os processos da fábrica. Dois anos depois, a EnWin queria expandir a funcionalidade do sistema para ajudar a diminuir o número cada vez maior de rompimentos de canos de água em toda a infraestrutura da empresa.

Desafio
No final de 2012, a EnWin tinha, em média, 238 rompimentos por ano, com custo de aproximadamente US$ 5.000 cada.Embora o rompimento de canos de água possa ser atribuído a vários fatores, a equipe da EnWin constatou que um número significativo era causado por picos e quedas de pressão no sistema.

Como a água é um líquido incompressível, uma alteração na pressão em qualquer parte do sistema é sentida em toda a infraestrutura. Em algumas condições, essas variações de pressão podem causar o rompimento dos canos. Infraestruturas de água mais antigas, caracterizadas por canos de ferro, tubos corroídos e erosão do solo, são particularmente vulneráveis a variações de pressão. Condições climáticas frias pioram o problema.

Embora o plano de capital da EnWin inclua a manutenção contínua e a substituição ágil da antiga infraestrutura, a empresa não consegue substituir o sistema inteiro com rapidez suficiente.

“Como temos uma infraestrutura mais antiga, ela é muito suscetível a rompimentos de canos”, disse Garry Rossi, diretor de produção de água da EnWin Utilities. “Precisávamos de uma solução para nos ajudar a melhorar o desempenho da infraestrutura existente até termos oportunidade de substitui-la.”

O sistema de distribuição da EnWin Utilities é composto por duas estações de tratamento, milhares de quilômetros de tubulação de distribuição, duas estações de bombeamento e uma estação de bombeamento de reforço que é usada durante períodos de alta demanda.

Nas estações de bombeamento, o fluxo da bomba era controlado por uma simples lógica de controlador proporcional integral derivativo (PID) baseada na pressão de saída do cabeçote. Os operadores monitoravam níveis elevados na torre e faziam ajustes para compensar a oscilação da demanda. As bombas eram desligadas e ligadas manualmente para ajustar as vazões no sistema. A estação de reforço também era controlada com a lógica PID, e ligada e desligada manualmente com base na demanda do sistema e na opinião do operador.

“A lógica PID tem limitações significativas”, disse Rossi. “Ela só pode controlar uma entrada e apenas gerar uma saída.” Nesse caso, as bombas de alta elevação eram controladas pela manutenção de uma configuração de vazão com pressão variável. Elementos de diversas variáveis, como inversores de frequência, válvulas de controle de vazão e outros dados de pressão de entrada, não eram levados em conta no cenário de controle. “Basicamente, fazíamos o que era possível com a tecnologia disponível”, disse Rossi. “O resultado era pressão inconsistente no sistema e reparos caros.”

Solução
Uma primeira solução possível surgiu no final de 2012, quando John Stuart, vice-presidente de operações da EnWin Utilities, viu a demonstração de um controle de modelagem preditiva em um evento da Rockwell Automation, a Automation Fair.

“Quando John descreveu a solução, todos nós ficamos impressionados”, disse Rossi. “O tempo de resposta dessa tecnologia era particularmente atraente. O sistema podia reagir a diversas variáveis ao mesmo tempo e fazer ajustes conforme necessário.”

Essa solução baseada em servidor coletava dados em intervalos de 15 a 16 segundos. Trabalhando com uma equipe da Rockwell Automation, a EnWin queria aproveitar os recursos do sistema SCADA existente e integrar o controlador do controle de modelagem preditiva à solução como um todo. O sistema SCADA se baseia em uma plataforma totalmente redundante do controlador de automação programável (PAC) ControlLogix® da Allen-Bradley®.

Trabalhando com uma equipe da Rockwell Automation, a EnWin queria aproveitar os recursos do sistema SCADA existente e integrar o controlador do controle de modelagem preditiva à solução como um todo.

Com a solução integrada de controle de modelagem preditiva, a EnWin eliminou os picos de pressão devidos a paradas e partidas da bomba. “Com o controle de modelagem preditiva, conseguimos monitorar e controlar as estações de bombeamento com base em vários fatores”, disse Rossi. “Portanto, mantivemos o foco na manutenção da pressão consistente em todo o sistema, cuidando das variações na demanda de vazão.”

Fase um: controle de modelagem preditiva com base em servidor

Para minimizar as possíveis interrupções de serviço, a EnWin planejou a implementação da solução em duas fases. Na primeira fase, a EnWin instalou 17 estações de pressão remotas pela área de serviço de distribuição. Para manter a pressão consistente em todo o sistema, limitações de pressão mínima foram desenvolvidas para todas as estações de pressão. As estações remotas eram monitoradas pelo controlador de controle de modelagem preditiva, que também era programado para atender à demanda variável do sistema ao longo do dia.

O sistema era configurado para manter a menor pressão possível para serviço adequado em toda a área. O controlador de controle de modelagem preditiva gerenciava o fluxo atenuando duas bombas de alta elevação em operação, uma em uma estação de bombeamento e outra na estação de reforço. Essas bombas eram controladas pelos inversores de frequência PowerFlex® 700 e PowerFlex 7000 da Allen-Bradley.

A equipe da EnWin começou a Fase um em junho de 2013 e começou a planejar a Fase dois, voltada para otimizar a pressão do cabeçote principal do campus com a adição de válvulas moduladoras de controle de vazão (FCVs).

Fase dois: otimização do controle de modelagem preditiva com uma solução integrada

Embora os resultados iniciais da implementação da Fase um tenham sido impressionantes, a equipe da Rockwell Automation esperava incorporar outras funções na Fase dois. A solução de controle de modelagem preditiva com base em servidor permitiu o controle de diversas variáveis dos vários pontos de pressão no sistema, bem como o controle de velocidade variável das bombas em operação. No entanto, o controle de partida/parada da bomba não fazia parte do sistema da Fase um.

“Sabíamos que era possível otimizar o sistema incorporando a função de partida/parada da bomba e válvulas de controle de vazão”, disse Quin Dennis, engenheiro de aplicações da Rockwell Automation. “Mas devido à velocidade de intervalo existente, o controle de modelagem preditiva não conseguiria fazer ajustes no sistema com rapidez suficiente para eliminar os rápidos picos de pressão gerados por partidas ou paradas da bomba.”

A EnWin aceitou trabalhar com a Rockwell Automation para testar um novo controlador de controle de modelagem preditiva integrado que melhorasse significativamente a velocidade do intervalo. A solução de protótipo tem uma função de controle integrada no controlador ControlLogix. Nenhum servidor ou software separado é necessário. Com a solução de controle de modelagem preditiva integrada em vigor, a velocidade do intervalo diminuiu de 15 a 16 segundos para 0,5 a 1 segundo. Integrado aos inversores de média tensão PowerFlex 7000, esse sistema extremamente ágil agora pode regular a velocidade nas bombas em operação, além de compensar os picos de pressão resultantes da partida ou parada da bomba com a integração de válvulas ajustáveis de controle de vazão. Definindo fatores de custo de energia em uso, o otimizador incorporado do sistema pode definir o uso do inversor de média tensão explicitamente sem heurística. Como os custos de energia são maiores para o uso de válvula de controle de vazão, o sistema garante que as válvulas permaneçam o mais abertas possível até que o limite de vazão mínima do inversor seja alcançado. Nesse ponto, o operador deve parar a bomba e as válvulas assumem o controle.

Resultados
“Agradecemos a oportunidade de colaborar com a Rockwell Automation nos testes da solução MPC integrada,” disse Rossi. “Finalmente, começamos a Fase dois em janeiro de 2014, e aplicamos a funcionalidade aprimorada em nosso campus principal e na estação de reforço.”

Na Fase 3, a empresa pretende aplicar a solução integrada às demais estações de bombeamento no sistema. A EnWin tem monitorado os resultados da solução desde que a Fase um foi aplicada em junho de 2013.

“Logo no início, percebemos que não havia mais picos de pressão. Ela estava consistente”, disse Rossi. “A confiabilidade e o desempenho do sistema continuaram a seguir na direção certa, mas queríamos ter certeza de que tínhamos dados confiáveis antes de tomar qualquer medida.” No final de dezembro, com seis meses de dados da Fase um, a EnWin sabia que a solução de controle de modelagem preditiva tinha conseguido controlar a pressão do sistema em toda a área atendida. Antes da solução, a EnWin registrava, em média, 238 rompimentos de canos por ano. Em 2013, a EnWin registrou 187 rompimentos de canos, uma melhora de 21% que resultou em uma economia de custo de aproximadamente US$ 125.000.

A empresa também reduziu a pressão média do sistema em 2,8 lb/pol² e o desvio padrão em 29%. Como resultado, estima-se que a EnWin economizou US$ 125.000 devido a custos de eletricidade mais baixos e menos vazamentos no sistema.

Graças às melhorias implementadas na Fase dois, os picos de pressão por partida e parada da bomba foram praticamente eliminados. “No início desse projeto, estávamos cautelosos. Queríamos ter certeza de que a tecnologia teria o desempenho esperado”, disse Rossi. “A prova está nos resultados.”

Além de melhorar o desempenho, a solução integrada ajuda a conter despesas operacionais de outras maneiras também.

“Com o controle de modelagem preditiva integrado, reduzimos o custo geral de nossa solução”, disse Rossi. “Obviamente, ainda pagamos taxas de licenciamento de controle de modelagem preditiva, mas eliminamos o custo de um servidor adicional e de licenças relacionadas.” Rossi concluiu: “É animador saber que a Rockwell Automation desenvolve soluções que não só melhoram a tecnologia de controle, mas também ajudam a reduzir as despesas operacionais contínuas.”

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