背景
安大略省的溫莎位于五大湖區域和圣勞倫斯河流域，擁有豐富的水資源。溫莎公共事業委員會 (WUC) 以成為優秀的水資源保護者而自豪。WUC 將精力主要放在節約用水和系統可靠性上，一直在做減少水資源消耗的工作。WUC 由 EnWin Utilities, Ltd. 經營管理，每年為超過 72,000 個客戶供應約 480 億升水。同時，該公共事業公司在生產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，利用其持續改進模型來優化經營。2011 年，該公共事業公司安裝了一個新的 Rockwell Automation 監控和數據采集 (SCADA) 解決方案，以改善系統效率和工廠過程。兩年后，EnWin 計劃增強系統功能，以幫助減少整個公共事業公司基礎設施內不斷增加的供水主管道爆裂事件。

挑戰
截止到 2012 年年末，EnWin 每年平均會出現 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內壓力驟增或驟降引起的。

由于水是不可壓縮的液體，供水系統內任何地方出現壓力變化在整個基礎設施內都能感知到。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，該公共事業公司不可能以足夠快的速度直接更換整個系統。

“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。”EnWin Utilities 供水部總監 Garry Rossi 說道，“我們需要一個解決方案來幫助我們改善現有基礎設施的性能，這樣才能有機會更換它。”

EnWin Utilities 供水系統由兩個處理廠、數千公里的供水管道、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。操作員監控高架水塔水位，并進行調整以彌補需求波動。操作員手動停止和啟動水泵來調節系統流量。加壓站也通過 PID 邏輯進行控制，并且操作員根據系統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。”Rossi 說道，“它可能僅控制單輸入，并生成單輸出。”在這種情況下，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據）考慮在內。“我們所做的事情，基本上都是可以使用我們的現有技術做到的。”Rossi 說道，“但結果卻導致系統壓力很不穩定，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，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。”Rossi 說道，“這種技術的響應時間尤其誘人。該系統可以同時對多個變量作出反應，并做出相應的調整。”

這種基于服務器的解決方案每隔 15 到 16 秒收集一次數據。通過與 Rockwell Automation 團隊合作，EnWin 計劃利用其現有 SCADA 系統的功能，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 計劃利用其現有 SCADA 系統的功能，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，我們能夠根據多個因素監測和控制泵站。”Rossi 說道，“這樣，我們就可以將精力集中于維持整個系統的壓力穩定，同時又能滿足流量需求的變動。”

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，EnWin 計劃分兩個階段實施該解決方案。第一階段，EnWin 在供水服務區域內設置了 17 個遠程壓力站。為了保持整個系統中壓力的一致，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控，模型預測控制控制器被設定為滿足全天內不斷波動的系統需求。

該系統是這樣配置的：維持能夠為整個區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劃，第二階段將重點放在通過增加調整流量控制閥 (FCV) 來優化主區域主管壓力上。

第二階段：利用板載解決方案優化模型預測控制

雖然第一階段實施后帶來的初步結果令人印象深刻，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，能夠對系統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化系統。”Rockwell Automation 應用工程師 Quin Dennis 說道，“但是，考慮到現有的間隔速度，模型預測控制并不能快速作出系統調整來緩和水泵啟動或停止引起的壓力驟增。”

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現在可以調控正在運行的水泵的速度，并且通過集成可調節流量控制閥，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，該系統的嵌入式優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，因此該系統可確保閥門盡可能處于打開狀態，直至達到變頻器的最低流量限制為止。此時，系統會提示操作員關停水泵，然后閥門就開始發揮作用了。

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，在我們的主要區域和加壓站運用改進后的功能。”

在第三階段，該公共事業公司計劃為其系統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 一直在監控解決方案的結果。

“在很早的時候，我們就注意到了壓力不再驟升驟降，變得穩定起來。”Rossi 說道，“系統可靠性和性能繼續向正確的方向發展，但我們希望確保我們獲得充分的數據，然后再作出任何斷言。”12 月月底，根據六個月的第一階段數據，EnWin 確信，模型預測控制解決方案已在成功控制整個服務區域內的系統壓力。在應用該解決方案之前，EnWin 每年平均會出現 238 次主管道爆裂事件。2013 年，EnWin 經歷了 187 次主管道爆裂事件，數量減少了 21%，大約節省了 125,000 美元的成本。

該公共事業公司還將平均系統壓力降低了 2.8 psi，將標準偏差減少了 29%。因此，EnWin 在電力成本和系統漏電方面節約了大概 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。“在這個項目開始時，我們非常謹慎。我們想要確保技術像所述的那樣發揮功能。”Rossi 說道，“結果是最好的證明。”

除了優化運營績效外，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。”Rossi 說道，“當然，我們仍然要支付模型預測控制許可費用，但是我們消除了額外服務器和相關許可證的成本。”Rossi 總結道：“令人鼓舞的是，Rockwell Automation 開發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。”