加拿大安大略省的温莎拥有丰沛的水资源。EnWin公用事业公司管理的温莎公用事业委员会(WUC)每年向超过72 000个客户输送约480亿L水，并保持着全加最低的生产和分配成本。

2011年，EnWin公共事业公司安装了罗克韦尔自动化监控和数据采集(SCADA)的解决方案来提高效率和流程。两年后，EnWin需要扩大系统来帮助减轻基础设施越来越常见的主管道破裂问题。

到2012年末，EnWin每年平均发生238次主管道破裂事件，每次成本约5 000美元。主管道破裂可以归结为诸多因素，EnWin通过大量的经验总结判定系统压力变化是罪魁祸首。

管道破裂

众所周知，由于水是不可压缩的液体，系统中产生的任何压力变化均会传遍整个系统的基础结构。在某些条件下，这些压力波动可能会导致主管道破裂。老旧的基础设施，特别是铸铁自来水总管都存在管道内部腐蚀和外部土壤侵蚀的问题，在压力波动时易受损坏。

寒冷的气候条件使问题愈加恶化。虽然EnWin的资金计划包括持续维护和更换老化的基础设施，但是公用事业无法迅速更换整个系统。

“我们的基础设施年代很久，很容易发生主管道破裂，”EnWin公用系统自来水生产主管 Garry Rossi说：“我们需要一个解决方案来帮助改善现有基础设施的性能，直到我们有机会进行更换。”

EnWin设施分布系统包括2个污水处理厂、数千公里的输送管道、2个泵站和1个升压泵站，用于高峰期使用。

泵的控制

在泵站，泵的流量是基于出口侧压力，通过简单的比例-积分-微分 (PID) 逻辑进行控制。运营商检测调整高峰的压力值，进行调整来补偿需求波动变化，通过手动控制水泵停止和启动来调整系统流量。升压站还与PID控制逻辑关联，基于系统需求和运营商的判断被人工启动和停止。

“PID逻辑有很大的局限性，”Rossi说：“它只能控制一个输入和生成一个输出。”在这种情况下，人们通过根据波动压力维持一个流量设定点来控制高压泵。多变量元素，例如变频驱动器、流量控制阀门和其他的压力数据，并没有考虑到控制现场情况。

“我们过去基本上是采用原有技术进行操作，”Rossi说：“结果是系统压力不一致，从而产生高昂的维修费用。”

2012年底，EnWin公共事业营运副总裁John Stuart参加一个罗克韦尔自动化项目展会，在会上他看到一个模型预测控制(MPC)，这是他首次发现这个潜在的解决方案。这个基于服务器的解决方案每隔15~16 s就采集一次数据。“这项技术的响应时间尤其有吸引力，”Rossi说：“系统可以同时对多个变量进行反应，并相应地做出调整。”

解决方案

EnWin计划利用其现有的SCADA系统能力，将MPC控制器集成到整体解决方案中。SCADA系统是基于一个充分冗余、Allen-Bradley控制以及可逻辑编程的自动化控制器(PAC)平台。

“利用MPC，我们能通过监视多种影响因素来控制泵站，”Rossi说：“因此，我们可以使整个系统压力保持一致，同时保证流量需求波动。”

为了使服务中断最小化，EnWin计划用两个阶段实现解决方案。在第一阶段，EnWin在供水管路远端区域安装了17台远程增压站。为了自始至终保持一致压力，为所有增压站开发了最低压力限制装置。MPC控制器监控远程增压站，并利用程序来满足全天波动的系统需求。

系统被设置为尽可能保持最低压力来满足整个地区的服务需求。MPC控制器通过控制两个高扬程水泵(一个在泵站，另一个在增压站)的运行来管理流量。这些泵是由艾伦-布拉德利 PowerFlex 700和7000 PowerFlex变频驱动器控制。

EnWin团队在2013年6月开始第一阶段试运行，并着手计划第二阶段的工作，在整个增加流量调节控制阀(FCV)的过程中，对主管路集流管压力进行优化。

改善控制效果

由于第一阶段实施的初步结果令人印象深刻，罗克韦尔自动化团队希望增加额外的功能。

在第二阶段中，基于服务器的MPC的解决方案使系统各种压力点的多变量控制和运行泵的多速控制成为可能。然而，泵启动/停止控制并不在第一阶段的工作范围。

“我们知道我们能通过合并泵启动/停止功能和流量控制阀进行优化，罗克韦尔自动化公司的工程师Quin Dennis说。“但考虑到现有的区间速度，MPC无法以足够快的速度进行系统调整来减轻泵在启动及停止时的压力峰值。”

EnWin同意与罗克韦尔自动化公司一起测试一个新的机载MPC控制器，它能显著改善区间速度。原型方案的特点是控制器中的MPC功能，无需使用单独的服务器或软件。

利用机载MPC的解决方案，反应速度从15~16秒减少到0.5~1秒区间。通过与PowerFlex7000中压驱动进行集成，这个高灵敏度的系统可以精确地调节运行泵的速度，而且还能抵销可调流量控制阀集成期间设备开关导致的任何压力峰值。

通过在使用中设置能源成本因数，系统内置优化器可以明确地定义介质电压驱动，由于使用流量控制阀的能源成本较高，该系统保证了阀门尽可能保持开放，直到达到驱动的低流量限制。

结语

EnWin于 2014年1月进行第二阶段测试，在主管末端和增压站采用改良后的功能。在第三阶段，该公用事业公司计划将机载解决方案用于系统中的其它泵站。

2013年12月下旬，在第一个阶段6个月的数据的支持下，EnWin确信MPC解决方案在整个服务区域成功地控制了系统压力。EnWin平均每年经历238次主管道破裂。2013年，EnWin经历了187次主管道破裂，这意味着改进率达到21%，节约成本达到125 000美元左右。

该公用事业公司还使系统供水压力降低2.8 psi(19.3 kPa)，使标准偏差减少29%。因此，EnWin共节约了约125 000美元的支出，这要归功于电力成本的降低和系统泄漏的减少。

由于第二阶段执行的增强操作，泵启动和停止时产生的压力峰值实际上已经不存在了。“在项目开始时，我们非常谨慎，并不太确定该技术是否和说的一样。但现在，我们非常确信这就是我们想要的结果。” RossiRossi说。