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EnWin Utilities 将主管道爆裂事件减少了 21%

挑战

  • 减少老化的供水系统中出现的供水主管道爆裂事件
  • 减少因泄漏造成的水损耗,以增加收入并提高效率

解决方案

  • 模型预测控制与现有的 Rockwell Automation 监控和数据采集 (SCADA) 系统和 Allen-Bradley PowerFlex 变频器无缝集成
  • 通过监控和调整多个系统变量(包括压力站数据、中压变频器和流量控制阀),控制压力波动
  • 高度灵敏的板载模型预测控制原型机真正解决了水泵启动/停止时的压力骤增问题
  • 板载解决方案消除了对额外服务器的需求

成果

  • 每年的供水主管道爆裂事件减少了 21%,节省约 125,000 美元
  • 将系统压力减少 2.8 psin
  • 每年在电力成本和系统漏损方面节约 125,000 美元
  • 帮助控制服务器运营和许可成本

背景
安大略省的温莎位于五大湖区域和圣劳伦斯河流域,拥有丰富的水资源。温莎公共事业委员会 (WUC) 以成为优秀的水资源保护者而自豪。WUC 将精力主要放在节约用水和系统可靠性上,一直在做减少水资源消耗的工作。WUC 由 EnWin Utilities, Ltd. 经营管理,每年为超过 72,000 个客户供应约 480 亿升水。同时,该公共事业公司在生产和分配成本方面始终保持在加拿大的最低水平。

为了维持较低的供水价格,EnWin 通过流程改革和资本项目,利用其持续改进模型来优化经营。2011 年,该公共事业公司安装了一个新的 Rockwell Automation 监控和数据采集 (SCADA) 解决方案,以改善系统效率和工厂过程。两年后,EnWin 计划增强系统功能,以帮助减少整个公共事业公司基础设施内不断增加的供水主管道爆裂事件。

挑战
截止到 2012 年年末,EnWin 每年平均会出现 238 次主管道爆裂事件,每次会造成 5,000 美元的损失。虽然供水主管道爆裂事件可能是因为各种因素引起的,但是 EnWin 团队确定有相当一大部分是由供水系统内压力骤增或骤降引起的。

由于水是不可压缩的液体,供水系统内任何地方出现压力变化在整个基础设施内都能感知到。在某些条件下,这些压力波动可能会引起主管道爆裂事件。陈旧的供水基础设施使用的一般都是铁质供水主管道,管道会逐渐腐蚀,侵蚀土壤,因此压力特别容易出现波动。此外,寒冷的天气条件还会使问题恶化。

虽然 EnWin 的资本计划包括经常对其老化的基础设施进行维护并积极地进行更换,但毫无疑问,该公共事业公司不可能以足够快的速度直接更换整个系统。

“我们的基础设施比较陈旧,所以更容易受到重大断水事件的影响。”EnWin Utilities 供水部总监 Garry Rossi 说道,“我们需要一个解决方案来帮助我们改善现有基础设施的性能,这样才能有机会更换它。”

EnWin Utilities 供水系统由两个处理厂、数千公里的供水管道、两个泵站以及需求高峰时段使用的一个加压泵站组成。

在泵站,水泵流量基于排水干管压力,通过简单的比例积分微分 (PID) 逻辑来控制。操作员监控高架水塔水位,并进行调整以弥补需求波动。操作员手动停止和启动水泵来调节系统流量。加压站也通过 PID 逻辑进行控制,并且操作员根据系统需求来判断是否手动启动和停止加压站。

“PID 逻辑的限制性很大。”Rossi 说道,“它可能仅控制单输入,并生成单输出。”在这种情况下,高扬程泵通过在波动的压力中让流量保持在一个设定点来实现控制。在控制情境中,无法将多变量因素(例如,变频器、流量控制阀和其他输入压力数据)考虑在内。“我们所做的事情,基本上都是可以使用我们的现有技术做到的。”Rossi 说道,“但结果却导致系统压力很不稳定,维修成本高昂。”

解决方案
2012 年年末,一个可行的解决方案首次出现,当时 EnWin Utilities 运营副总裁 John Stuart 在 Rockwell Automation 的一个活动 (Automation Fair) 上看到了一个模型预测控制 (MPC) 演示。

“当 John 描述这个解决方案时,我们都感到震惊。”Rossi 说道,“这种技术的响应时间尤其诱人。该系统可以同时对多个变量作出反应,并做出相应的调整。”

这种基于服务器的解决方案每隔 15 到 16 秒收集一次数据。通过与 Rockwell Automation 团队合作,EnWin 计划利用其现有 SCADA 系统的功能,并将模型预测控制控制器集成到整个解决方案中。SCADA 系统基于一个完全冗余的 Allen-Bradley® ControlLogix® 可编程自动化控制器 (PAC) 平台。

通过与 Rockwell Automation 团队合作,EnWin 计划利用其现有 SCADA 系统的功能,并将模型预测控制控制器集成到整个解决方案中。

利用板载模型预测控制解决方案,EnWin 可以缓和水泵停止和启动引起的压力骤增。“借助模型预测控制,我们能够根据多个因素监测和控制泵站。”Rossi 说道,“这样,我们就可以将精力集中于维持整个系统的压力稳定,同时又能满足流量需求的变动。”

第一阶段:基于服务器的模型预测控制

为了最大限度地减少潜在服务中断的次数,EnWin 计划分两个阶段实施该解决方案。第一阶段,EnWin 在供水服务区域内设置了 17 个远程压力站。为了保持整个系统中压力的一致,所有压力站都设定了最低限压力限制。远程压力站由模型预测控制控制器监控,模型预测控制控制器被设定为满足全天内不断波动的系统需求。

该系统是这样配置的:维持能够为整个区域提供充分服务的最低限度压力。模型预测控制控制器通过降低两个运行中的高扬程泵(一个在泵站,一个在加压站)的压力来管理流量。这些水泵由 Allen-Bradley PowerFlex® 700 和 PowerFlex 7000 变频器控制。

EnWin 团队于 2013 年 6 月试运行了第一阶段,并开始为第二阶段做规划,第二阶段将重点放在通过增加调整流量控制阀 (FCV) 来优化主区域主管压力上。

第二阶段:利用板载解决方案优化模型预测控制

虽然第一阶段实施后带来的初步结果令人印象深刻,但是 Rockwell Automation 团队希望在第二阶段中加入其他功能。通过基于服务器的模型预测控制解决方案,能够对系统中各个压力点进行多变量控制以及对运行中的水泵进行变速控制。不过,水泵启动/停止控制不属于第一阶段系统的范畴。

“我们知道可以通过整合水泵启动/停止功能和流量控制阀来优化系统。”Rockwell Automation 应用工程师 Quin Dennis 说道,“但是,考虑到现有的间隔速度,模型预测控制并不能快速作出系统调整来缓和水泵启动或停止引起的压力骤增。”

EnWin 同意与 Rockwell Automation 合作,共同对一种新型的板载模型预测控制控制器进行测试,这种控制器能够大幅改善间隔速度。原型机解决方案具有 ControlLogix 控制器中的板载模型预测控制功能。不需要单独的服务器或软件。利用板载模型预测控制解决方案,间隔速度从 15 至 16 秒降低到了 0.5 至 1 秒。通过与 PowerFlex 7000 中压变频器相集成,这种反应极其灵敏的系统现在可以调控正在运行的水泵的速度,并且通过集成可调节流量控制阀,可以抵消水泵启动或停止引起的任何压力骤增。通过设置使用方面的能源成本因数,该系统的嵌入式优化程序可以明确定义中压变频器使用方式,而无需自行摸索。由于使用流量控制阀的能源成本比较高,因此该系统可确保阀门尽可能处于打开状态,直至达到变频器的最低流量限制为止。此时,系统会提示操作员关停水泵,然后阀门就开始发挥作用了。

成果
“我们很高兴有机会与 Rockwell Automation 合作,共同测试板载模型预测控制解决方案。”Rossi 说道,“最终,我们于 2014 年 1 月开始试运行第二阶段,在我们的主要区域和加压站运用改进后的功能。”

在第三阶段,该公共事业公司计划为其系统中剩余的泵站也运用板载解决方案。自 2013 年 6 月实施第一阶段以来,EnWin 一直在监控解决方案的结果。

“在很早的时候,我们就注意到了压力不再骤升骤降,变得稳定起来。”Rossi 说道,“系统可靠性和性能继续向正确的方向发展,但我们希望确保我们获得充分的数据,然后再作出任何断言。”12 月月底,根据六个月的第一阶段数据,EnWin 确信,模型预测控制解决方案已在成功控制整个服务区域内的系统压力。在应用该解决方案之前,EnWin 每年平均会出现 238 次主管道爆裂事件。2013 年,EnWin 经历了 187 次主管道爆裂事件,数量减少了 21%,大约节省了 125,000 美元的成本。

该公共事业公司还将平均系统压力降低了 2.8 psi,将标准偏差减少了 29%。因此,EnWin 在电力成本和系统漏电方面节约了大概 125,000 美元。

由于第二阶段实施的改进,水泵启动和停止压力骤增实际上已被消除。“在这个项目开始时,我们非常谨慎。我们想要确保技术像所述的那样发挥功能。”Rossi 说道,“结果是最好的证明。”

除了优化运营绩效外,板载解决方案还以其他方式帮助控制运营支出。

“利用板载模型预测控制,我们降低了解决方案的总成本。”Rossi 说道,“当然,我们仍然要支付模型预测控制许可费用,但是我们消除了额外服务器和相关许可证的成本。”Rossi 总结道:“令人鼓舞的是,Rockwell Automation 开发的解决方案不仅可以改善控制技术,而且还可以帮助减少日常的运营费用。”

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