EnWin Utilities reduce las rupturas de cañerías un 21 por ciento

Antecedentes
Ubicado en los Grandes Lagos y la cuenca del río St. Lawrence, Windsor (Ontario, Canadá) está bendecido con abundantes reservas de agua. La Comisión de Servicios de Windsor (WUC) se enorgullece de ser un buen administrador de este recurso. Con un enfoque en la conservación y la confiabilidad del sistema, WUC ha reducido el consumo de agua sistemáticamente. WUC, administrada por EnWin Utilities, Ltd., distribuye alrededor de 48,000 millones de litros (ML) de agua al año a más de 72,000 clientes. Al mismo tiempo, la empresa de servicios públicos mantiene uno de los costos de producción y distribución más bajos de Canadá.

Para sostener un suministro de agua asequible, EnWin usa su modelo de mejora continua para optimizar las operaciones mediante cambios en el proceso y proyectos de capital. En 2011, la empresa de servicios públicos instaló una nueva solución de controles de supervisión y adquisición de datos (SCADA) de Rockwell Automation a fin de mejorar las eficiencias del sistema y los procesos de la planta. Dos años después, EnWin planificó expandir la funcionalidad del sistema a fin de reducir la creciente cantidad de rupturas de cañerías en toda la infraestructura de la empresa.

Desafío
A finales de 2012, EnWin tenía un promedio de 238 rupturas de cañerías al año a un costo de casi USD 5,000 cada una.Si bien las rupturas de cañerías pueden atribuirse a diversos factores, el equipo de EnWin determinó que una gran parte se debió a la oscilación de la presión a lo largo del sistema.

Dado que el agua es un fluido no compresible, un cambio en la presión en cualquier parte del sistema se siente en toda la infraestructura. Bajo determinadas condiciones, estas fluctuaciones de la presión pueden causar rupturas de las cañerías. Las infraestructuras de agua más antiguas, caracterizadas por cañerías de hierro, tuberías corrosivas y erosión del suelo, son particularmente vulnerables a las fluctuaciones de la presión. Las condiciones del clima frío agravan el problema.

Si bien el plan de capital de EnWin incluye un mantenimiento permanente y una sustitución activa de su antigua infraestructura, la empresa básicamente no puede sustituir el sistema completo lo suficientemente rápido.

“Como tenemos una infraestructura más antigua, es muy propensa a las rupturas de las cañerías”, explicó Garry Rossi, director de producción de agua, EnWin Utilities. “Necesitamos una solución que nos ayude a mejorar el funcionamiento de nuestra infraestructura existente hasta que tengamos la oportunidad de reemplazarla”.

El sistema de distribución de EnWin Utilities está compuesto de dos plantas de tratamiento, miles de kilómetros de tuberías de distribución, dos estaciones de bombeo, además de una estación de bombeo de refuerzo que se utiliza durante los períodos de mayor demanda.

En las estaciones de bombeo, el flujo de la bomba se controlaba a través una lógica simple proporcional integral derivativa (PID) basada en la presión del cabezal de salida. Los operadores monitoreaban los niveles de torre elevados y realizaban ajustes para compensar las fluctuaciones de la demanda. Las bombas se detenían e iniciaban manualmente a fin de ajustar los flujos del sistema. La estación de refuerzo también se controlaba con la lógica PID: se iniciaba y detenía de forma manual en función de la demanda del sistema y el criterio del operador.

“La lógica PID tiene importantes limitaciones”, explicó Rossi. “Solo puede controlar una única entrada y generar una única salida”. En este caso, las bombas de alta elevación se controlaban al mantener un punto de ajuste del flujo con presión fluctuante. Los elementos de múltiples variables, como los variadores de frecuencia variable, las válvulas de control del flujo y otros datos de la presión entrante, no se pudieron tener en cuenta en el escenario de control. “Básicamente estábamos haciendo lo que podíamos con la tecnología que teníamos”, dijo Rossi. “El resultado fue una presión irregular del sistema y reparaciones costosas”.

Solución
A finales de 2012 surgió una primera posible solución, cuando John Stuart, vicepresidente de operaciones en EnWin Utilities, vio una demostración del control predictivo de modelos (MPC) en un evento de Rockwell Automation: Automation Fair.

“Cuando John describió la solución, quedamos todos impresionados”, expresó Rossi. “El tiempo de respuesta de esta tecnología era especialmente atractivo. El sistema podía reaccionar a múltiples variables de manera simultánea y realizar los ajustes correspondientes”.

Esta solución basada en servidor recolectaba datos en intervalos de 15 a 16 segundos. Mediante el trabajo con el equipo de Rockwell Automation, EnWin planificó aprovechar las capacidades de sus controles de supervisión y adquisición de datos existentes e integrar el controlador de control predictivo de modelos en la solución general. Los controles de supervisión y adquisición de datos se basan en una plataforma totalmente redundante de controlador de automatización programable (PAC) ControlLogix® de Allen-Bradley®.

Mediante el trabajo con el equipo de Rockwell Automation, EnWin planificó aprovechar las capacidades de sus controles de supervisión y adquisición de datos existentes e integrar el controlador de control predictivo de modelos en la solución general.

La solución de control predictivo de modelos incorporada le permitía a EnWin reducir los picos de presión de los inicios y detenciones de la bomba. “Con el control predictivo de modelos, tendríamos la capacidad de monitorear y controlar las estaciones de bombeo en función de varios factores”, explicó Rossi. “Por lo tanto, podíamos concentrarnos en mantener una presión constante a lo largo del sistema, mientras se mantenían las fluctuaciones en la demanda de flujo”.

Fase uno: control predictivo de modelos basado en el servidor

A fin de minimizar las posibles interrupciones del servicio, EnWin planificó implementar la solución en dos fases. Para la fase uno, EnWin instaló 17 estaciones de presión remotas en el área de servicio de distribución. A fin de mantener una presión constante a lo largo del sistema, se desarrollaron restricciones de presión mínima para todas las estaciones de presión. El controlador de control predictivo de modelos monitoreaba las estaciones remotas, también se programó para satisfacer la fluctuante demanda del sistema a lo largo del día.

El sistema se configuró para mantener la presión más baja posible para un servicio satisfactorio en toda el área. El controlador de control predictivo de modelos administraba el flujo al atenuar dos bombas de alta elevación en funcionamiento: una en la estación de bombeo y otra en la estación de refuerzo. Estas bombas se controlaban con variadores de frecuencia variable PowerFlex® 700 y PowerFlex 7000 de Allen-Bradley.

En junio de 2013, el equipo de EnWin puso en marcha la fase uno y comenzó a planificar la fase dos, que se concentraría en la optimización de la presión del cabezal del campo principal a través de la incorporación de las válvulas moduladoras de control de flujo (FCV).

Fase dos: optimización del control predictivo de modelos con una solución incorporada

Si bien los resultados iniciales de la implementación de la fase uno fueron sorprendentes, el equipo de Rockwell Automation esperaba incorporar funcionalidad adicional para la fase dos. La solución de control predictivo de modelos basada en el servidor permitió el control de múltiples variables de los diversos puntos de presión en el sistema, como también el control de la velocidad variable de las bombas en funcionamiento. No obstante, el control de inicio/detención de la bomba no formaba parte del sistema de la fase uno.

“Sabíamos que podíamos optimizar el sistema mediante la incorporación de las válvulas de control de flujo y la funcionalidad de inicio/detención de la bomba”, explicó Quin Dennis, ingeniero de aplicación de Rockwell Automation. “Pero dada la velocidad de intervalo existente, el control predictivo de modelos no podría realizar los ajustes del sistema lo suficientemente rápido para disminuir los rápidos picos de presión de los inicios o detenciones de la bomba”.

EnWin acordó trabajar con Rockwell Automation a fin de probar un nuevo controlador de control predictivo de modelos incorporado que pudiera mejorar de manera radical la velocidad del intervalo. La solución prototipo cuenta con funcionalidad de control predictivo de modelos incorporada en el controlador ControlLogix. No se requiere de servidor ni software independientes. Con la solución de control predictivo de modelos incorporado, la velocidad de intervalo se redujo de 15-16 segundos a 0.5-1 segundo. Integrado con variadores de media tensión PowerFlex 7000, este sistema con gran capacidad de respuesta ahora puede regular la velocidad de bombas en funcionamiento, además de compensar cualquier pico de presión generado por el inicio o la detención de las bombas mediante la integración de válvulas ajustables de control de flujo. Al establecer en el uso los factores de costo energético, el optimizador incorporado del sistema puede definir el uso del variador de media tensión, explícitamente sin heurística. Dado que los costos energéticos son más altos para el uso de la válvula de control de flujo, el sistema asegura que las válvulas permanezcan lo más abiertas posibles, hasta que se alcanza el límite de flujo bajo del variador. A ese punto, se le pide al operador que cierre la bomba y las válvulas quedan a cargo.

Resultados
“Aprovechamos la oportunidad de colaborar con Rockwell Automation en la prueba de la solución de control predictivo de modelos incorporada”, expresó Rossi. “Finalmente, en enero de 2014, pusimos en marcha la fase dos y aplicamos la funcionalidad mejorada en nuestro campo principal y la estación de refuerzo”.

En la fase 3, la empresa planea implementar la solución incorporada en las demás estaciones de bombeo del sistema. EnWin ha estado monitoreando los resultados de la solución desde que se implementó la primera fase, en junio de 2013.

“Muy pronto observamos que la presión ya no estaba subiendo ni bajando, era constante”, expresó Rossi. “La confiabilidad y el funcionamiento del sistema siguieron en la dirección correcta, pero quisimos estar seguros de que teníamos un buen conjunto de datos antes de realizar cualquier reclamo”. A finales de diciembre, con el respaldo de seis meses de datos de la fase uno, EnWin estaba segura de que la solución de control predictivo de modelos controlaba correctamente la presión del sistema en todo el área de servicio. Antes de que se implementara la solución, EnWin había experimentado, en promedio, 238 rupturas de cañerías por año. En 2013, EnWin experimentó 187 rupturas de cañerías, una mejora de 21 por ciento que resultó en ahorros de costos de aproximadamente USD 125,000.

La empresa también redujo la presión promedio del sistema en 2.8 psi y la desviación estándar en un 29 por ciento. Como resultado, EnWin ahorró un estimado de USD 125,000 atribuidos a menores costos de electricidad y menos fugas del sistema.

Gracias a las mejoras implementadas en la fase dos, los picos de presión del inicio y la detención de la bomba se han eliminado prácticamente. “Al principio de este proyecto fuimos cautelosos. Quisimos estar seguros de que la tecnología funcionaría como se indicaba”, dijo Rossi. “Pero la prueba está en los resultados”.

Además de mejorar el funcionamiento, la solución incorporada también ayuda a contener los gastos operativos de otras maneras.

“Con el control predictivo de modelos incorporado, hemos reducido el costo general de nuestra solución”, expresó Rossi. “Por supuesto, aún pagaremos los derechos de licencia del control predictivo de modelos, pero eliminamos el costo de un servidor adicional y las licencias relacionadas”. Rossi concluyó: “Es alentador que Rockwell Automation desarrolle soluciones que no solo mejoran la tecnología de control, sino que también ayudan a reducir los gastos operativos en curso”.