背景
安大略省的溫莎位于五大湖區(qū)域和圣勞倫斯河流域，擁有豐富的水資源。溫莎公共事業(yè)委員會 (WUC) 以成為優(yōu)秀的水資源保護者而自豪。WUC 將精力主要放在節(jié)約用水和系統(tǒng)可靠性上，一直在做減少水資源消耗的工作。WUC 由 EnWin Utilities, Ltd. 經(jīng)營管理，每年為超過 72,000 個客戶供應約 480 億升水。同時，該公共事業(yè)公司在生產(chǎn)和分配成本方面始終保持在加拿大的最低水平。

為了維持較低的供水價格，EnWin 通過流程改革和資本項目，利用其持續(xù)改進模型來優(yōu)化經(jīng)營。2011 年，該公共事業(yè)公司安裝了一個新的 Rockwell Automation 監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 解決方案，以改善系統(tǒng)效率和工廠過程。兩年后，EnWin 計劃增強系統(tǒng)功能，以幫助減少整個公共事業(yè)公司基礎設施內(nèi)不斷增加的供水主管道爆裂事件。

挑戰(zhàn)
截止到 2012 年年末，EnWin 每年平均會出現(xiàn) 238 次主管道爆裂事件，每次會造成 5,000 美元的損失。雖然供水主管道爆裂事件可能是因為各種因素引起的，但是 EnWin 團隊確定有相當一大部分是由供水系統(tǒng)內(nèi)壓力驟增或驟降引起的。

由于水是不可壓縮的液體，供水系統(tǒng)內(nèi)任何地方出現(xiàn)壓力變化在整個基礎設施內(nèi)都能感知到。在某些條件下，這些壓力波動可能會引起主管道爆裂事件。陳舊的供水基礎設施使用的一般都是鐵質(zhì)供水主管道，管道會逐漸腐蝕，侵蝕土壤，因此壓力特別容易出現(xiàn)波動。此外，寒冷的天氣條件還會使問題惡化。

雖然 EnWin 的資本計劃包括經(jīng)常對其老化的基礎設施進行維護并積極地進行更換，但毫無疑問，該公共事業(yè)公司不可能以足夠快的速度直接更換整個系統(tǒng)。

“我們的基礎設施比較陳舊，所以更容易受到重大斷水事件的影響?！盓nWin Utilities 供水部總監(jiān) Garry Rossi 說道，“我們需要一個解決方案來幫助我們改善現(xiàn)有基礎設施的性能，這樣才能有機會更換它?！?/span>

EnWin Utilities 供水系統(tǒng)由兩個處理廠、數(shù)千公里的供水管道、兩個泵站以及需求高峰時段使用的一個加壓泵站組成。

在泵站，水泵流量基于排水干管壓力，通過簡單的比例積分微分 (PID) 邏輯來控制。操作員監(jiān)控高架水塔水位，并進行調(diào)整以彌補需求波動。操作員手動停止和啟動水泵來調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。加壓站也通過 PID 邏輯進行控制，并且操作員根據(jù)系統(tǒng)需求來判斷是否手動啟動和停止加壓站。

“PID 邏輯的限制性很大?！盧ossi 說道，“它可能僅控制單輸入，并生成單輸出?！痹谶@種情況下，高揚程泵通過在波動的壓力中讓流量保持在一個設定點來實現(xiàn)控制。在控制情境中，無法將多變量因素（例如，變頻器、流量控制閥和其他輸入壓力數(shù)據(jù)）考慮在內(nèi)?！拔覀兯龅氖虑?，基本上都是可以使用我們的現(xiàn)有技術做到的?！盧ossi 說道，“但結(jié)果卻導致系統(tǒng)壓力很不穩(wěn)定，維修成本高昂。”

解決方案
2012 年年末，一個可行的解決方案首次出現(xiàn)，當時 EnWin Utilities 運營副總裁 John Stuart 在 Rockwell Automation 的一個活動 (Automation Fair) 上看到了一個模型預測控制 (MPC) 演示。

“當 John 描述這個解決方案時，我們都感到震驚?！盧ossi 說道，“這種技術的響應時間尤其誘人。該系統(tǒng)可以同時對多個變量作出反應，并做出相應的調(diào)整?！?/span>

這種基于服務器的解決方案每隔 15 到 16 秒收集一次數(shù)據(jù)。通過與 Rockwell Automation 團隊合作，EnWin 計劃利用其現(xiàn)有 SCADA 系統(tǒng)的功能，并將模型預測控制控制器集成到整個解決方案中。SCADA 系統(tǒng)基于一個完全冗余的 Allen-Bradley? ControlLogix? 可編程自動化控制器 (PAC) 平臺。

通過與 Rockwell Automation 團隊合作，EnWin 計劃利用其現(xiàn)有 SCADA 系統(tǒng)的功能，并將模型預測控制控制器集成到整個解決方案中。

利用板載模型預測控制解決方案，EnWin 可以緩和水泵停止和啟動引起的壓力驟增。“借助模型預測控制，我們能夠根據(jù)多個因素監(jiān)測和控制泵站。”Rossi 說道，“這樣，我們就可以將精力集中于維持整個系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，同時又能滿足流量需求的變動?！?/span>

第一階段：基于服務器的模型預測控制

為了最大限度地減少潛在服務中斷的次數(shù)，EnWin 計劃分兩個階段實施該解決方案。第一階段，EnWin 在供水服務區(qū)域內(nèi)設置了 17 個遠程壓力站。為了保持整個系統(tǒng)中壓力的一致，所有壓力站都設定了最低限壓力限制。遠程壓力站由模型預測控制控制器監(jiān)控，模型預測控制控制器被設定為滿足全天內(nèi)不斷波動的系統(tǒng)需求。

該系統(tǒng)是這樣配置的：維持能夠為整個區(qū)域提供充分服務的最低限度壓力。模型預測控制控制器通過降低兩個運行中的高揚程泵（一個在泵站，一個在加壓站）的壓力來管理流量。這些水泵由 Allen-Bradley PowerFlex? 700 和 PowerFlex 7000 變頻器控制。

EnWin 團隊于 2013 年 6 月試運行了第一階段，并開始為第二階段做規(guī)劃，第二階段將重點放在通過增加調(diào)整流量控制閥 (FCV) 來優(yōu)化主區(qū)域主管壓力上。

第二階段：利用板載解決方案優(yōu)化模型預測控制

雖然第一階段實施后帶來的初步結(jié)果令人印象深刻，但是 Rockwell Automation 團隊希望在第二階段中加入其他功能。通過基于服務器的模型預測控制解決方案，能夠?qū)ο到y(tǒng)中各個壓力點進行多變量控制以及對運行中的水泵進行變速控制。不過，水泵啟動/停止控制不屬于第一階段系統(tǒng)的范疇。

“我們知道可以通過整合水泵啟動/停止功能和流量控制閥來優(yōu)化系統(tǒng)。”Rockwell Automation 應用工程師 Quin Dennis 說道，“但是，考慮到現(xiàn)有的間隔速度，模型預測控制并不能快速作出系統(tǒng)調(diào)整來緩和水泵啟動或停止引起的壓力驟增?！?/span>

EnWin 同意與 Rockwell Automation 合作，共同對一種新型的板載模型預測控制控制器進行測試，這種控制器能夠大幅改善間隔速度。原型機解決方案具有 ControlLogix 控制器中的板載模型預測控制功能。不需要單獨的服務器或軟件。利用板載模型預測控制解決方案，間隔速度從 15 至 16 秒降低到了 0.5 至 1 秒。通過與 PowerFlex 7000 中壓變頻器相集成，這種反應極其靈敏的系統(tǒng)現(xiàn)在可以調(diào)控正在運行的水泵的速度，并且通過集成可調(diào)節(jié)流量控制閥，可以抵消水泵啟動或停止引起的任何壓力驟增。通過設置使用方面的能源成本因數(shù)，該系統(tǒng)的嵌入式優(yōu)化程序可以明確定義中壓變頻器使用方式，而無需自行摸索。由于使用流量控制閥的能源成本比較高，因此該系統(tǒng)可確保閥門盡可能處于打開狀態(tài)，直至達到變頻器的最低流量限制為止。此時，系統(tǒng)會提示操作員關停水泵，然后閥門就開始發(fā)揮作用了。

成果
“我們很高興有機會與 Rockwell Automation 合作，共同測試板載模型預測控制解決方案。”Rossi 說道，“最終，我們于 2014 年 1 月開始試運行第二階段，在我們的主要區(qū)域和加壓站運用改進后的功能?！?/span>

在第三階段，該公共事業(yè)公司計劃為其系統(tǒng)中剩余的泵站也運用板載解決方案。自 2013 年 6 月實施第一階段以來，EnWin 一直在監(jiān)控解決方案的結(jié)果。

“在很早的時候，我們就注意到了壓力不再驟升驟降，變得穩(wěn)定起來。”Rossi 說道，“系統(tǒng)可靠性和性能繼續(xù)向正確的方向發(fā)展，但我們希望確保我們獲得充分的數(shù)據(jù)，然后再作出任何斷言?！?/span>12 月月底，根據(jù)六個月的第一階段數(shù)據(jù)，EnWin 確信，模型預測控制解決方案已在成功控制整個服務區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)壓力。在應用該解決方案之前，EnWin 每年平均會出現(xiàn) 238 次主管道爆裂事件。2013 年，EnWin 經(jīng)歷了 187 次主管道爆裂事件，數(shù)量減少了 21%，大約節(jié)省了 125,000 美元的成本。

該公共事業(yè)公司還將平均系統(tǒng)壓力降低了 2.8 psi，將標準偏差減少了 29%。因此，EnWin 在電力成本和系統(tǒng)漏電方面節(jié)約了大概 125,000 美元。

由于第二階段實施的改進，水泵啟動和停止壓力驟增實際上已被消除?！霸谶@個項目開始時，我們非常謹慎。我們想要確保技術像所述的那樣發(fā)揮功能。”Rossi 說道，“結(jié)果是最好的證明?！?/span>

除了優(yōu)化運營績效外，板載解決方案還以其他方式幫助控制運營支出。

“利用板載模型預測控制，我們降低了解決方案的總成本?！盧ossi 說道，“當然，我們?nèi)匀灰Ц赌Ｐ皖A測控制許可費用，但是我們消除了額外服務器和相關許可證的成本?！盧ossi 總結(jié)道：“令人鼓舞的是，Rockwell Automation 開發(fā)的解決方案不僅可以改善控制技術，而且還可以幫助減少日常的運營費用?！?/span>