EnWin Utilities 減少 21% 的管線破裂

背景
受惠於加拿大安大略省溫莎五大湖和聖羅倫斯河盆地帶來的豐沛供水，Windsor Utilities Commission (WUC) 以擁有這項充足資源為傲。WUC 持續致力於減少用水量，專注在節約和系統可靠度上。WUC 由 EnWin Utilities, Ltd. 負責管理，每年用水配送量約 48,000 百萬公升 (ML)，有 72,000 個客戶。此外，該公用事業的生產和配送成本均保持為加拿大最低。

為了保持經濟實惠的用水供應，EnWin 運用其持續改善模型，透過製程變更和資產專案達到最佳化營運。該公用事業在 2011 年安裝了新的 Rockwell Automation 資料收集與監控系統 (SCADA) 解決方案，希望藉此改善其系統效率和廠房製程。兩年後，EnWin 更計畫擴充系統功能，希望能幫助減少整個公用事業基礎建設內次數不斷增加的供水管線破裂問題。

挑戰
直到 2012 年年底，EnWin 平均一年發生 238 次管線破裂，每次耗費成本約 5,000 美元。雖然供水管線破裂可能有許多原因，但 EnWin 團隊判斷當中絕大多數是因為整個系統內的壓力上下劇烈波動所導致。

水是一種不可壓縮的液體，系統內任何位置出現壓力變化，整個基礎建設都會感受到，這些壓力波動在某些狀況下便會造成管線破裂。有使用鐵水管、管線鏽蝕和土壤腐蝕等特色的老舊供水基礎建設特別容易受到這些壓力波動的影響，尤其天氣寒冷時問題更嚴重。

儘管 EnWin 的資產計畫包含持續維護及主動更換老舊的基礎建設，但公用事業汰換整個系統的速度顯然不夠快。

EnWin Utilities 供水生產主管 Garry Rossi 表示：「因為我們的基礎建設老舊，管線很容易破裂。我們需要一個能幫助我們改善現有基礎建設效能的解決方案，直到我們有機會能全面汰換。」

EnWin Utilities 配送系統包含兩個處理廠、數千公里的配送管線、兩座幫浦站，加上一座加壓幫浦站，專供高需求期間使用。

幫浦站的幫浦流速由簡易的比例積分微分 (PID) 邏輯以出水口頭壓力為基礎來進行控制。操作員監控水塔的水位上升，並隨需求的潑動而進行調整。調整系統流量時，幫浦需用手動方式停止和啟動。加壓站也是用 PID 邏輯控制，並依系統需求和操作員的判斷手動啟動及調整。

Rossi 表示：「PID 邏輯有很大的限制，它只能控制單一輸入，且只能產生單一輸出。」在此情況下，壓力波動時需要保持流量設定點，來控制高揚程幫浦。有許多變數因素，像是變頻器、流量控制閥和其他傳入的壓力資料，便無法納入控制狀況的考量範圍內。Rossi 表示：「基本上我們只能用現有的技術盡量發揮，因此造成系統不一致，維修成本高昂。」

解決方案
有一個可能的解決方案在 2012 年年底突然出現，EnWin Utilities 營運部副總裁 John Stuart 在 Rockwell Automation 活動 Automation Fair 中看到了模型預測控制 (MPC) 的展示。

Rossi 表示：「John 說明解決方案時，我們所有人全都印象深刻，尤其這項技術的反應時間更是吸引我們。這個系統可同時回應多個變數，並做出對應的調整。」

這個以伺服器為基礎的解決方案能以 15 至 16 秒的間隔收集資料。EnWin 透過與 Rockwell Automation 團隊的合作，計畫運用其現有 SCADA 系統的功能，將模型預測控制控制器整合到整個解決方案內。SCADA 系統是以完全備援的 Allen-Bradley® ControlLogix® 控制器 (PAC) 平台為基礎。

EnWin 透過與 Rockwell Automation 團隊的合作，計畫運用其現有 SCADA 系統的功能，將模型預測控制控制器整合到整個解決方案內。

板載模型預測控制解決方案讓 EnWin 能夠減輕幫浦停止和啟動時的尖峰壓力。Rossi 表示：「在模型預測控制協助下，我們能利用多重因素來監控及控制幫浦站，因此我們能專心讓整個系統內的壓力保持一致，同時保持流量需求的波動。」

階段一：以伺服器為基礎的模型預測控制

為了減少可能的服務中斷，EnWin 計畫以兩階段來實作解決方案。在階段一，EnWin 在整個配送服務區域內安裝了 17 座遠端加壓站。為了使整個系統維持一致的壓力，EnWin 針對所有加壓站擬定了最小壓力限制。遠端加壓站的控制工作由模型預測控制控制器負責，其設計能滿足系統在一整天內的需求波動。

系統設定為維持最低壓力，以這個最低壓力為整個區域提供所需服務。模型預測控制控制器負責減弱兩個運轉中的高揚程幫浦，一個在幫浦站，另一個在加壓站，藉此管理流量。另外這些幫浦則由 Allen-Bradley PowerFlex® 700 和 PowerFlex 7000 變頻器控制。

EnWin 團隊在 2013 年 6 月完成階段一的試運轉，並開始計畫階段二，階段二的重點在於，加入可調節的流量控制閥 (FCV)，將主要園區的接頭壓力最佳化。

階段二：利用板載解決方案將模型預測控制最佳化

階段一最早的實作成效卓著，因此 Rockwell Automation 團隊希望在階段二整合更多功能。其以伺服器為基礎的模型預測控制解決方案，將多重變數控制套用到系統內的多個壓力點，同時對運轉中的幫浦進行可變速度控制。但是，幫浦啟動/停止控制並不在階段一系統的範圍內。

Rockwell Automation 應用工程師 Quin Dennis 表示：「我們知道，加入幫浦啟動/停止功能和流量控制閥，可將整個系統最佳化。但在現有的間隔速度下，模型預測控制調整系統的速度不夠快，無法減輕幫浦啟動或停止時造成的壓力尖峰。」

EnWin 同意與 Rockwell Automation 合作，測試新的板載模型預測控制控制器，利用其來大幅改善間隔速度。原型解決方案將板載模型預測控制功能整合到 ControlLogix 控制器內，不需獨立的伺服器或軟體。實作板載模型預測控制解決方案後，間隔速度從原本的 15 至 16 秒縮短為 0.5 至 1 秒。加上整合的 PowerFlex 7000 中壓變頻器，這個回應速度飛快的系統現在可調節運轉中幫浦的速度，另外整合可調整的流量控制閥後，更進一步消除幫浦啟動或停止時造成的任何壓力尖峰。在使用量上設定能源成本因素，系統內嵌的最佳化工具便能在不使用啟發法下明確定義中壓變頻器的使用量。但由於流量控制閥使用量的能源成本較高，因此系統需確保閥盡量保持開啟，直到達到變頻器的低流量限制為止。在此情況下，操作員將收到關閉幫浦的提示，並由閥接手。

結果
Rossi 表示：「我們很高興有機會與 Rockwell Automation 合作，測試板載模型預測控制解決方案。後來我們在 2014 年 1 月進行了階段二的試運轉，並將改善後的功能套用到整個園區和加壓站。」

到了階段三，該公用事業計畫將板載解決方案套用到系統內其餘的幫浦站。EnWin 從 2013 年 6 月階段一開始實施以來便持續監控解決方案的成效。

Rossi 表示：「我們很早便發現，壓力不再上下劇烈變化，而是平穩一致。另外，系統可靠性和效能也持續改善，但我們希望能確定得到正確的資料集，然後再發表成果。」直到 12 月月底，取得階段一六個月的資料後，EnWin 終於確定模型預測控制解決方案能成功控制整個服務區內的系統壓力。套用解決方案之前，EnWin 每年平均發生 238 次管線破裂。到了 2013 年，EnWin 發生的管線破裂為 187 次，減少了 21%，省下的成本約 125,000 美元。

該公用事業亦減少 2.8 psi 的系統平均壓力，減少 29% 的標準差。節省電力成本並減少系統洩漏，預估為 EnWin 省下 125,000 美元。

Rossi 表示：「靠著階段二所實作的功能強化，幾乎完全消除了幫浦啟動和停止造成的尖峰壓力。我們在專案一開始時抱持謹慎的態度，期許技術能如期發揮效果，但看來結果證明了一切。」

除了改善效能，板載解決方案亦從其他方面協助降低了營運支出。

Rossi 表示：「在板載模型預測控制幫助下，我們降低了整個解決方案的成本。當然我們還是要支付模型預測控制的授權費，但我們完全免去了其他的伺服器和相關授權成本。」Rossi 總結表示：「讓人高興的是，Rockwell Automation 開發的解決方案除了改善控制技術，亦有助於持續降低營運費用。」