CN101418787B - 雨水泵控制装置及雨水泵控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在泵控制中不发生乱调的雨水泵的控制装置及控制方法。该控制方法是对设置在用来根据规定流域中的雨量及下水流入量向排水通路排水的泵场、且至少包括1台可变速泵的多台泵、用来使泵动作的发动机、以及设置在从泵场向上述排水通路的排水路径中的水门进行控制的方法，其特征是，计测泵场的内水位及外水位；计测向泵场的流入量；计测流域的雨量；利用水位、流量及雨量各自的计测值判断天气模式；基于流量及雨量的计测值，预测向泵场的流入量；进行预先设定的泵的启动·停止水位的修正；根据流入量的计测值、以及流入量预测值，决定泵运转台数；控制可变速泵的速度；根据启动·停止水位的修正值进行水门的开闭控制。

Description

雨水泵控制装置及雨水泵控制方法

技术领域

本发明涉及用来对降水带来的下水进行排水的雨水泵的控制装置及控制方法。

背景技术

一般，在对用来在雨天将下水道或排水通路的水向河流等排水至的泵进行控制的方法中，将泵井等的水位计测值与设定水位比较、如果变为预先设定的水位则启动或停止泵等的控制方法最为普及。

但是，在该方法中，例如由于在水位上升后启动泵，所以泵启动相对于水位上升延迟，有可能下水道管变满或在上游部分水位上升而发生浸水危害。

为了将水位上升防止于未然，有将根据降雨状况或流入状况而预先设定的雨水泵的启动-停止水位设定值修正得较低、并将水位上升防止于未然的控制方法。

作为修正机构，有采用模糊推测(フアジ一推論)的方法(例如专利文献1)、及为了对应于多种状况而附加根据气候模式切换模糊推测的规则表的机构的方法(例如专利文献2)。

除此以外，还有预测向泵场的流入量(例如专利文献3)、根据雨量或流入量的实际值及预测值、泵井水位、泵启动次数、需要电量等的评价函数来决定最适合的泵组的运转组合的方法(例如专利文献4)、及使这些泵的运转台数目标值最适合化、并且进行泵水位的反馈控制的方法以及将它们组合的方法(专利文献5)。

【专利文献1】日本特开平9-291888号公报

【专利文献2】日本特开平7-259175号公报

【专利文献3】日本特开平8-61244号公报

【专利文献4】日本特开2000-137613号公报

【专利文献5】日本特开2000-56835号公报

如专利文献1、2所示那样的基于水位的泵的启动、停止中，例如在运转泵的总吐出量比流入量大的情况下，有容易发生反复进行泵启动→水位急剧下降→泵停止→水位急剧上升→泵启动那样的不稳定的启动·停止的乱调的问题。

该乱调不仅是泵的动力的浪费，也会成为机械故障的原因。为了避免乱调，通常在泵的启动与停止中具有滞后现象，特别在泵井的容积较小的泵场的情况下容易发生乱调。另一方面，如专利文献3，如果能够得到使包括启动停止次数的评价函数最小化的解，则能够期待乱调衰减。

但是，在现实中最适合化问题并不一定能够解决，并且只有前馈的控制在不能良好地进行预测计算时的危险较大。专利文献4所述的方法也是基于水位的泵的启动·停止，上述问题基本上还原样存在。

发明内容

本发明是考虑上述的问题而做出的，目的是提供一种在泵控制中不发生乱调的雨水泵的控制装置及控制方法。

为了达到上述目的，在本发明中，提供以下的两个技术方案。

第1技术方案，其是对设置在用来根据规定流域中的雨量及下水流入量向排水通路排水的泵场、至少包括1台可变速泵的多台泵、用来使上述泵动作的发动机、以及设置在从上述泵场向上述排水通路的排水路径的水门进行控制的装置，其特征在于，具备：

水位计，计测上述泵场的内水位及外水位；

流量计，计测向上述泵场的流入量；

雨量计，计测上述流域的雨量；

天气模式判断机构，利用上述水位计、流量计及雨量计各自的计测值判断天气模式；

流入量预测机构，基于上述流量计及雨量计的计测值，预测向上述泵场的流入量；

泵启动·停止水位修正机构，进行预先设定的泵的启动·停止水位的修正；

泵运转台数控制机构，根据上述流入量计的计测值、以及上述流入量预测部的输出，决定泵运转台数；

速度控制机构，控制上述可变速泵的速度；以及

水门控制机构，根据上述泵启动·停止水位修正机构的输出进行上述水门的开闭控制。

此外，第2技术方案，其是对设置在用来根据规定流域中的雨量及下水流入量向排水通路排水的泵场、且至少包括1台可变速泵的多台泵、用来使上述泵动作的发动机、以及设置在从上述泵场向上述排水通路的排水路径的水门进行控制的方法，其特征在于，

计测上述泵场的内水位及外水位；

计测向上述泵场的流入量；

计测上述流域的雨量；

利用上述水位、流量及雨量各自的计测值判断天气模式；

基于上述流量及雨量的计测值，预测向上述泵场的流入量；

进行预先设定的泵的启动·停止水位的修正；

根据上述流入量的计测值、以及上述流入量预测值，决定泵运转台数；

控制上述可变速泵的速度；

根据上述启动·停止水位的修正值进行上述水门的开闭控制。

发明效果：

本发明如上所述，由于根据下水的流入状况对泵的启动水位、泵的运转台数进行需要的可变速泵的控制，所以能够在抑制控制的乱调的同时进行排水控制。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的结构的说明图。

图2是以本发明的实施例1作为对象的过程的示意图。

图3是表示本发明的实施例1的用来进行启动·水位修正的方法的说明图。

图4是表示在本发明的实施例1的启动·水位修正中使用的模糊规则表的例子的说明图。

图5(a)、图5(b)是本发明的实施例1的泵运转台数修正机构的动作的流程图。

图6是表示本发明的实施例1的转速控制的动作内容的特性图。

图7是表示本发明的实施例1的控制对象的说明图。

图8是表示本发明的实施例2的结构的框线图。

图9是表示本发明的实施例2的过滤器的动作的特性图。

图10是表示本发明的实施例3的控制对象的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

【实施例1】

图1是表示实施例1的结构的框线图。图2是表示作为实施例1的控制装置200的控制对象的设备的示意图。对象过程具备用来将下水道及排水通路的水排水到河流等中的泵场的排水泵301(301a、301b)、用来使泵动作的发动机302、和防止从河流向下水道或排水通路的倒流的水门303。

使排水泵301a、301b中的至少1台泵301b能够进行可变速运转。此外，控制装置200能够读入计测泵场的内水位及外水位的水位计103、104、计测向泵场的流入量的流量计102、和设置在流域中的雨量计101的计测值。控制装置200作为可编程逻辑控制器或相当于它的计算机而被实现。

接着说明作用。实施例1的特征性作用之一是，在启动·停止水位修正部203中，修正根据流入状况由水位设定部204预先设定的启动水位和停止水位，在泵台数控制部205b中，泵台数控制部205将修正后的启动水位或停止水位的设定值与由内水位计103计测的水位计测值进行比较，来实施泵的台数控制。

气候模式判断部202(图1)中的气候模式判断、通过启动·停止水位修正部203(图1)中的启动·停止水位修正进行的启动水位、停止水位的修正、以及泵台数控制部205(图1)的泵台数控制的顺序是通过以下的方法实现的。

图3中表示该方法。即，利用与由气候模式判断机构202判断的气候模式对应的模糊规则表，将由内水位计103计测的泵井水位作为输入，通过由泵井水位与泵井水位变化率的组合带来的模糊运算，求出雨水泵的启动水位修正值及停止水位修正量。

接着，将该修正量加上预先设定的启动水位设定值或停止水位设定值，作为新的启动水位、停止水位(参照专利文献1)。

图4中表示上述模糊规则表的一例。模糊规则被设计为，泵井水位越是处于较高的状态(纵轴为PB侧)，输出侧(修正量)越是向负的方向较大，即设定水位变低。

此外，设计为使得越是泵井水位变化处于增加倾向、即使得在横轴越靠于PB侧设定水位越低。从模糊数向数值的变换使用公知的MIN-MAX单重心法。

实施例1的特征之二是，在泵台数控制部205中附加比较部205a及泵运转台数修正部205b，在设定的条件下，即使内水位计103的计测值达到启动水位或者达到停止水位也不重新进行泵的启动·停止。

图5是表示实施例1的泵运转台数修正机构的动作内容的流程图。在步骤S11中，在天气模式不是大雨的情况下，只要将以当前时刻为起点到一定时间后为止的预测流入量积分后的值不超过阈值，就不进行泵的追加启动(步骤S12)。

此外，相反在步骤S21中天气模式是大雨的情况下，只要使到一定时间后为止的预测流入量积分后的值不低于阈值，就不进行运转泵的停止(步骤S22)。

用来预测流入量的具体的手段如果举出一例，有根据利用雷达雨量计及地上雨量计得到的雨量数据进行降雨移动预测，基于其预测结果来预测计算到几十分钟后为止的降雨量的方法(参照专利文献5等)。

图6表示本发明的实施例1的特征之三，是实施可变速泵的转速控制、以使泵扬水量追随于所计测的流入量。

考虑到泵扬水量通常没有被计测，所以首先计算扬水量。在扬水量由传感器计测的情况下，只要利用计测值就可以。考虑作为内水位计103与外水位计104的计测水位的差的实际扬程和随着泵的转速而变化的泵特性曲线、泵周围的损失，来计算扬水量。

在实施例1中，作为转速控制机构而使用以流入量为目标值、以泵转速为控制量、以泵扬水量为非控制量的公知的PID控制部206b。意味着所输出的转速的信号被各个可变速泵301b通过附属于它们的调速器变换为转速。

另外，水门控制部207在外水位计104的计测水位比内水位计103的计测水位高的情况下将水门303关闭而防止倒流。

根据实施例1，在流入量计102的计测水位急剧地增加、并且内水位计103的计测水位急剧上升的情况下，通过启动水位、停止水位的修正将泵的启动水位修正得较低。因此，与泵迅速启动、将启动·停止设定水位固定的控制方法相比，能够缓和与浸水相关联的水位的急剧上升。

此外，基于雨量计101及流量计102的计测值，得到由流入量预测部201中的流入量预测带来的预测结果，而进行基于泵运转台数修正部205b的泵运转台数的修正。

通过该修正，不依据瞬间的水位变动而预测将来的流入量的增减，从而适当地进行启动还是停止泵的判断。由此，能够抑制泵的乱调。

进而，作为上述以外的方法，通过由泵速度控制部206进行对应于流入量的可变速泵301b的速度控制，能够减少泵运转台数的变更次数，抑制乱调效果变得更显著。

泵速度控制部206具有扬水量控制部206a及PID控制部206b。并且，泵台数控制部205的输出、以及内水位计103、外水位计104的计测值被提供给扬水量控制部206a而运算扬水量，并作为被控制量提供给PID控制部206b。

PID控制部206b将从PID控制部206b所提供的被控制量与由流入量计102提供的目标值比较来操作调速器305，并控制可变速泵301b的转速。

此时，通过将流入量计102的计测值作为目标值，与以例如水位设定值等为目标值的间接的可变速控制相比较，能够进行响应性及稳定性更好的控制。

【实施例2】

参照图7至图9说明本发明的实施例2。对于与实施例1相同的要素赋予相同的标号。

图7是以本发明的实施例2作为控制对象的设备的说明图。与实施例1的不同点是不能利用计测向泵场的流入量的流量计。

图8是表示控制装置的功能结构的框线图。与实施例1的不同点是代替使用流入量的计测值而附加用来推测流入量的运算块和用来整形推测的流入量的波形的滤波器。

对实施例2附加的流入量推测部的作用如下。在流入量推测部中，根据内水位及泵扬水量，通过下述式1的运算式计算流入量。有时在推测的流入量中会承载有显著的干扰。

图9表示基于滤波器的干扰除去的方法。在实施例2中，作为滤波器的具体的实现方法，如下述式2那样进行移动平均化处理。

根据该实施例2，即使不能进行流量计的流量计测也能够得到与实施例1同样的效果。

【式1】

$\mathrm{Qin}\left(t\right)=\mathrm{Qp}\left(t\right)+S\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{Hin}\left(t\right)$

Qin：流入量，Qp：泵扬水量，Hin：内水位

S≡f(Hin)：作为内水位的函数所表示的水面的面积

【式2】

$\stackrel{\‾}{Q}\mathrm{in}\left(t\right)=a_0\·\mathrm{Qin}\left(t\right)+a_1\·\mathrm{Qin}(t-1)+a_2\·\mathrm{Qin}(t-2)+a_3\·\mathrm{Qin}(t-3)+\·\·\·+a_n\·\mathrm{Qin}(t-n)$

$a_0+a_1+\·\·\·+a_n=1$

移动平均后的流入量

【实施例3】

图10是以本发明的实施例3的控制装置作为对象的过程的示意图。与实施例1的不同点是控制装置使用由气象雷达11广域地观测、经由因特网、专用通信线路等从中央指令部10发送给该泵场12的控制装置的雨量。

根据实施例3，由于在得到与实施例1同样的效果时不需要在流域的某处设置雨量计，所以能够削减大量的雨量计的设置及维护管理的时间。

Claims (4)

1.一种控制装置，其是对设置在用来根据规定流域中的雨量及下水流入量向排水通路排水的泵场的、至少包括1台可变速泵的多台泵、用来使上述多台泵动作的发动机、以及设置在从上述泵场向上述排水通路的排水路径的水门进行控制的装置，其特征在于，具备：

水位计，计测上述泵场的内水位及外水位；

流量计，计测向上述泵场的流入量；

雨量计，计测上述流域的雨量；

天气模式判断机构，利用上述水位计、流量计及雨量计各自的计测值判断天气模式；

流入量预测机构，基于上述流量计及雨量计的计测值，预测向上述泵场的流入量；

泵启动·停止水位修正机构，进行预先设定的泵的启动·停止水位的修正，利用与由天气模式判断机构判断的天气模式对应的模糊规则表，将由计测上述泵场的内水位的水位计计测的泵井水位作为输入，基于泵井水位与泵井水位的变化率的组合来模糊运算，从而求出泵的启动·停止水位修正量；

泵运转台数控制机构，根据上述流量计的计测值、以及上述流入量预测机构的输出，决定泵运转台数，在该泵运转台数控制机构之中具有泵运转台数修正机构，该泵运转台数修正机构具有预测到几分钟至几十分钟后的向泵场的流入量的流入量预测功能，在根据天气模式判断为降水量不多的情况下，只要对以当前时刻为起点到一定时间后的预测流入量进行积分后的值不超过阈值就不进行泵的追加启动，并且，在根据天气模式判断为降水量不少的情况下，只要对到一定时间后的预测流入量进行积分后的值不低于阈值，就不停止运转中的泵；

速度控制机构，控制上述可变速泵的速度，以所计测的流入量为目标值，以泵转速为控制量，以泵扬水量为被控制量，控制泵的转速，以使上述泵扬水量追随于上述所计测的流入量；以及

水门控制机构，根据上述泵启动·停止水位修正机构的输出进行上述水门的开闭控制。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，具备：

流入量推测部，运算向泵场的流入量来代替流入量计测值，；

滤波器，用来对由上述流入量推测部推测的流入量推测值的波形进行整形。

3.如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，

使用雨量来代替设置在流域中的雨量计的计测值，所述雨量通过气象雷达广域地观测、经由因特网、专用通信线路从中央指令部向该泵场的控制装置发送。

4.一种控制方法，其是对设置在用来根据规定流域中的雨量及下水流入量向排水通路排水的泵场的、至少包括1台可变速泵的多台泵、用来使上述多台泵动作的发动机、以及设置在从上述泵场向上述排水通路的排水路径的水门进行控制的方法，其特征在于，

计测上述泵场的内水位及外水位；

计测向上述泵场的流入量；

计测上述流域的雨量；

利用上述泵场的内水位及外水位、流入量及雨量各自的计测值判断天气模式；

基于向上述泵场的流入量及雨量的计测值，预测向上述泵场的流入量；

进行预先设定的泵的启动·停止水位的修正，利用与所判断的天气模式对应的模糊规则表，将计测上述泵场的内水位的水位计所计测的泵井水位作为输入，基于泵井水位与泵井水位的变化率的组合来模糊运算，从而求出泵的启动·停止水位修正量；

根据向上述泵场的流入量的计测值、以及向上述泵场的流入量预测值，决定泵运转台数，预测到几分钟至几十分钟后的向泵场的流入量，在根据天气模式判断为降水量不多的情况下，只要对以当前时刻为起点到一定时间后的预测流入量进行积分后的值不超过阈值就不进行泵的追加启动，并且，在根据天气模式判断为降水量不少的情况下，只要对到一定时间后的预测流入量进行积分后的值不低于阈值，就不停止运转中的泵；

控制上述可变速泵的速度，以所计测的流入量为目标值，以泵转速为控制量，以泵扬水量为被控制量，控制泵的转速，以使上述泵扬水量追随于上述所计测的流入量；

根据上述启动·停止水位的修正值进行上述水门的开闭控制。

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