JP2000054982A - 給水方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸込側圧力が上昇、または下降する場合であ
っても、末端圧力一定制御が良好に行われた上、需要側
に末端圧力一定として給水を行うこと。 【解決手段】 水道本管２０１から水を吸い込み需要側
に吐き出す電動ポンプ２１０，２１１の回転速度を制御
してその電動ポンプ２１０，２１１の吐出圧力を目標圧
力に制御している状態で、電動ポンプ２１０，２１１の
吸込側圧力が上昇した場合には回転速度が減速され、ま
た、その吸込側圧力が下降した場合に回転速度が増速さ
れる場合は、需要側に末端圧力一定として給水を行い得
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、吸込側の圧力を検知し
て吐出側の圧力を補正する給水方法とその装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】インバータを使用した末端圧力一定制御
の給水装置として、図１７に示すようなシステムが検討
されているが、末端圧力を一定とするのに、従来は吸込
側の圧力が一定であることを前提として下記のような制
御を行っていた。

【０００３】制御方法（１）として、特開昭60-142097
号公報に記載されているように、以下の数式１として示
す相似則によるものが知られている。

【０００４】

【数１】

【０００５】以上の相似則を利用し、ポンプの回転数と
吐出し圧力が１対１に対応していることから、予め目標
圧力に対して回転数を設定しておくか、あるいは計算に
よって回転数を設定することによって、末端圧力を一定
に制御しているものである。

【０００６】図１８に示すように、縦軸にＨ、横軸にＱ
をとり、管路抵抗曲線をＦとする。制御方法（１）の場
合は、給水量Ｑ1に対して末端圧力一定制御を行うと、
目標圧力をＨo、ポンプの回転数をＮ1として運転し、そ
の時のポンプの性能曲線をＡとすると、運転点はイ点と
なる。ここで、需要水量がＱ1から減少してＱ2に推移し
たときにポンプの回転数をＮ1で維持すると、性能曲線
Ａに沿って運転点はロ点となる。

【０００７】ロ点での圧力Ｈ1は、図１７に示す圧力セ
ンサ318で検知された上、目標圧力Ｈoと比較される。Ｈ
o＜Ｈ1であると、需要水量が減少したと見做され、吐出
し圧力がＨoとなるまでポンプの回転数を下げる。吐出
し圧力がＨo、運転点がハ点となったときのポンプの回
転数がＮ2だとすると、そのＮ2に設定されている圧力Ｈ
2に目標圧力を設定し直す。また、その目標圧力まで回
転数を下げる。

【０００８】これらを繰り返し、ポンプの回転数Ｎ3で
吐出し圧力をＨ3、運転点をホ点として末端圧力を一定
に制御している。需要水量が増加した場合は、これと逆
の動作をすればよい。

【０００９】また、制御方法（２）（特開昭61-11497号
公報参照）では、吐出し圧力が目標圧力Ｈoとなるよう
に、ポンプの回転数を１ビットずつ変化させ、1ビット
当りに設定された圧力の変化幅だけ吐出し圧力を変化さ
せている。ハードウエアのシステム構成としては、制御
方法（１）と同様である。図１９に示すように、縦軸に
Ｈ、横軸にＱをとり、管路抵抗曲線をＦとする。給水量
Ｑ1に対して末端圧力一定制御を行う場合、目標圧力を
Ｈo、ポンプの回転数をＮ1として運転し、その時のポン
プの性能曲線をＡとすると、運転点はイ点となる。ここ
で、需要水量がＱ1から減少してＱ2に推移したときにポ
ンプの回転数をＮ1で維持すると、性能曲線Ａに沿って
運転点はロ点となる。

【００１０】ロ点での圧力Ｈ1は、圧力センサ318で検知
された上、目標圧力Ｈoと比較される。Ｈo＜Ｈ1である
と、需要水量が減少したと見做される。ここまでは、制
御方法（１）と同様であるが、ここで、吐出し圧力がＨ
oとなるよう、ポンプの回転数を１ビットずつ下げる。
ａビットさげた時点で吐出し圧力が依然としてＨoより
高い場合は、目標圧力をＨoより１ビット下げ、Ｈ2に設
定し直す。１ビット当りの変化幅は以下の数式２より決
定される。

【００１１】

【数２】

【００１２】給水装置としては、その最大給水量Ｑmax
が決まっており、ポンプの性能により初期値として、ポ
ンプの最小回転数Ｎminと最大回転数Ｎmaxがメモリされ
ている。以上の数式２は最大回転数Ｎmaxと最小回転数
Ｎminとの差を求め、この差に対する回転数の増分ΔＮ
との比に、最大圧力Ｈmaxと最小圧力Ｈminとの差を掛け
て圧力の増分ΔＨを求めたものである。

【００１３】これを繰り返し、運転点をハ点とし末端圧
力を一定に制御している。需要水量が増加した場合は、
これと逆の動作をさせればよい。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術におい
て、吸込み圧力が変動するような、例えば水道本管に直
結した場合を考える。図２０に示すように、ポンプの性
能曲線がＡで、管路抵抗曲線Ｆ上のイ点に運転点があっ
たとし、給水量はＱ1のままで吸込み側の、つまり本管
側の圧力がＨB分上昇したとすると、ポンプの性能は見
掛け上、Ｂ曲線のようになり、運転点もロ点となる。

【００１５】しかし、ここで、ロ点での圧力Ｈ1を圧力
センサ（図１７上での318）が検知し、Ｈo＜Ｈ1である
ことから、需要水量が減少したと判断し、前述と同様な
制御を始める。しかし、実際には、需要水量はＱ1のま
まなので、吐出し側の圧力しか検出していないことによ
り、最終的には、制御方法（１），（２）のうち、何れ
の制御方法を採用したとしても、運転点がハ点となるよ
うな制御を行ってしまい、管路抵抗曲線Ｆより下に運転
点がきてしまうことになる。

【００１６】同様にして、吸込み側の、つまり、本管圧
力が下降したときは、以上とは逆に管路抵抗曲線Ｆより
上に運転点がきてしまう。更に、制御方法（２）による
場合には、ポンプの最小回転数Ｎminが予め決められて
いることから、給水量がゼロ付近ともなれば制御不可と
なる。

【００１７】これでは、末端圧力一定制御の特徴でもあ
る管路抵抗曲線Ｆ上に運転点がなく、末端圧力一定制御
の体裁をなしていないことになる。即ち、これまでの予
想末端圧力一定制御装置では、ポンプの吸込側が一定で
あることを前提として制御が行われていることから、吸
込側圧力が変動した場合には、もはや、十分な制御が行
えないというものである。

【００１８】本発明の目的は、吸込側圧力が上昇、また
は下降する場合であっても、末端圧力一定制御が良好に
行われた上、需要側に末端圧力一定として給水を行い得
る給水方法とその装置を供するにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、水道本管か
ら水を吸い込み需要側に吐き出す電動ポンプの回転速度
を制御して該電動ポンプの吐出圧力を目標圧力に制御し
ている状態で、前記電動ポンプの吸込側圧力が上昇した
場合には、前記回転速度を減速し、前記吸込側圧力が下
降した場合は前記回転速度を増速することで達成され
る。また、装置構成としては、水道本管から水を吸い込
み需要側に吐き出す電動ポンプと、該電動ポンプの回転
速度を制御するインバータと、前記電動ポンプの吐出圧
力を検出する吐出圧力検出手段と、前記電動ポンプの吸
込側圧力を検出する吸込側圧力検出手段と、前記電動ポ
ンプの目標圧力に制御している状態で、前記吸込側圧力
が上昇した場合には、前記回転速度を減速させ、前記吸
込側圧力が下降した場合は前記回転速度を増速させる制
御手段とを備えべく構成することで達成される。

【００２０】

【作用】電動ポンプの回転速度が制御されることで、電
動ポンプの吐出圧力が目標圧力に一致すべく制御されて
いる状態で、電動ポンプの吸込側圧力が上昇した場合は
前記回転速度が減速され、また、その吸込側圧力が下降
した場合には回転速度が増速される場合には、吸込側圧
力の上昇や下降が生じたとしても、末端圧力は一定に制
御され得るものである。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図１６によ
り説明する。

【００２２】最近では、図１６に示されているように、
水道本管にポンプを直結して加圧しようとする方式が検
討されている。そこで、本発明では、吸込側圧力が変動
しても予想末端圧力が一定に制御され得るように、以下
のような対策が採られるようにしたものである。

【００２３】即ち、本実施例は、ポンプの上流側（吸込
側）にも圧力センサを設け、始めに吸込側圧力を逐次読
み込んでメモリしておき、ポンプ運転中に吐出圧力の変
動を吐出側圧力センサが検知したとき、吸込側圧力を読
み込んで吸込側の圧力変動に応じて吐出側の目標圧力を
補正しようというものである。具体的には、吸込側の圧
力変動がない場合には、従来通りの末端圧力一定制御が
行われるも、吸込側の圧力が変動している場合は、その
圧力差分に応じて目標圧力を更新設定した上、以降、従
来と同様な制御方法により吐出圧力が制御されるように
したものである。

【００２４】速度制御については、インバータのような
変速機を設け、制御手段が速度指令を行い、次のように
運転指令する。

【００２５】（１）吸込側の圧力信号を読み込み吸込側
圧力をメモリしておき、吐出側の圧力信号を逐次キャッ
チして吐出側の圧力が変動したら、再び吸込側の圧力信
号を読み込みメモリしておいた圧力と比較する。

【００２６】（２）吸込側圧力が変動していなかった
ら、吸込側圧力を監視しながら、通常の末端圧力一定制
御を行う。

【００２７】（３）吸込側圧力が変動している場合、ま
たは末端圧力一定制御を行っている最中に吸込側圧力が
変動した場合には、下記の（４）、あるいは（５）を逐
次行ってから末端圧力一定制御を行う。

【００２８】（４）吸込側圧力が下降したら、その圧力
差分を目標圧力から引く。

【００２９】（５）吸込側圧力が増加したら、その圧力
差分を目標圧力に足す。

【００３０】以上のように、吸込側圧力が変動しても、
その変動分に応じて吐出側の目標圧力が補正されること
から、末端圧力が一定に制御され得るものである。

【００３１】次に、本実施例の給水装置の構成を図１に
示す。水道本管201から配管202によって逆止め弁206を
介し給水装置が接続される。給水装置の上流には、ここ
での圧力に応じて圧力信号を発する第１の圧力センサと
して、圧力センサ207が接続される。

【００３２】給水装置は、仕切り弁208に接続され駆動
手段としての電動機212により駆動されるポンプ210、こ
のポンプの下流に接続された逆止め弁214、および仕切
り弁216が直列に接続された管路と、直列に接続された
仕切り弁209に接続され駆動手段としての電動機213によ
り駆動されるポンプ211、およびこのポンプの下流に接
続された逆止め弁215および仕切り弁217が直列に接続さ
れた管路とがそれぞれ下流で合流するように並列に接続
され、この合流した部分に接続された給水管220とこの
給水管220にそれぞれ接続された圧力タンク219、ここの
圧力に応じて圧力信号を発する第２の圧力センサとして
の圧力センサ218と、ポンプ210、211の制御装置222を有
して圧力センサ207の下流に接続される。圧力タンク219
は内部に空気溜まりを持つ圧力タンクでもよく、ダイヤ
フラムタンクでもよい。

【００３３】制御手段としての制御装置222はポンプ21
0，211の電動機212，213を変速駆動するインバータ（図
示せず）およびこのインバータを制御するマイクロコン
ピュータ（図示せず）を備えた制御回路を内蔵してい
る。この制御回路のハードウエアの構成としては、例え
ば特願平４−４２８２０号公報での図６に記載されたも
のが用いられる。また、マイクロコンピュータは、後述
のように、補正手段としての機能を有している。

【００３４】以上のように構成したものの動作を、図１
２から図１５により説明する。図１３から図１５は、本
実施例におけるマイクロコンピュータの動作の一連のフ
ローを分割して示すものである。

【００３５】今、初期値として図示しない需要端の水栓
が開いている状態で給水量がＱnであるとする。これ
は、水道本管がある程度圧力を持っていることから、ポ
ンプ始動時に需要端の水栓が閉まっているとは限らない
からである。ここで、制御系が初期値のデータをすべて
メモリに格納する。この中に初期値の目標吐出し圧力Ｈ
aも設定する（ステップ901）。

【００３６】ステップ902より吸込み圧力ＨBNを検出
し、その値をＨBに格納する。ステップ903でポンプを回
転数Ｎminで始動させる。ステップ904において、吐出し
圧力Ｈoutを図１の吐出し側の圧力センサ218により検出
しＨa＋ＨBNと比較し、Ｈoutが大きければステップ905
で減速し、Ｈoutが小さければステップ906で増速する。
これでＨoutがＨa＋ＨBNと等しくなるまで（吐出し圧力
一定）、ステップ904以下を繰り返す（ステップ907）。

【００３７】ＨoutがＨa＋ＨBNと等しくなった後、その
時点のポンプの回転数をＮnを検出し、以下の数式３，
４より現在の給水量Ｑnを求める（ステップ908）。

【００３８】

【数３】

【００３９】

【数４】

【００４０】

【数５】

【００４１】Ｑmaxはシステムとしての最大給水量、Ｎc
は吸込み圧力が０で、給水量がＱmaxのときに吐出し圧
力がＨaとなるようなポンプの回転数である。Ｈbは吸込
み圧力が０で、給水量がＱmaxのときにポンプの回転数
をＮmaxで運転させたときの吐出し圧力である（図１
２）。

【００４２】Ｑnより数式５を用いて目標圧力Ｈoを決定
する（ステップ909）。ステップ910でＨoutがＨoである
か判断し、Ｈoutが大きければ減速、小さければ増速を
行い(ステップ911〜913）、Ｈout＝Ｈoになるまでステ
ップ910以下を繰り返し、給水量Ｑn、吸込み圧力ＨBに
おいての末端圧力を一定にする。

【００４３】末端圧力一定になったところで吸込み圧力
ＨBNを読み込み、その値をＨBに格納する（ステップ91
4）。

【００４４】ステップ917で再び吐出し圧力を検出し、
目標圧力と比較する。更に、ステップ918で吸込み圧力
ＨBNを検出し、前回に検出した吸込み圧力ＨBと比較す
る。どちらも等しくなるまで、ステップ917以下（サブ
ルーチン）を繰り返す。

【００４５】以下、吸込み側の圧力変動と給水量の変動
の組み合わせを、図２から図１１を用いて説明する。図
２から図１１は、すべて初めに給水量Ｑはイにおいて制
御系が目標圧力をＨoとし末端圧力一定制御を行って、
ポンプの回転数をＮnとして運転し運転点をイ点として
いるものである。そして、制御系が目標圧力を設定し直
すときの最初の値をＨofとしている。また、図１３から
図１５の減速、増速のルーチンにおいて、図中のアルフ
ァベットａ〜ｊは、それぞれ図２から図１１に示される
状態に対応している。

【００４６】ステップ917でＨoutとＨoが等しい場合、
ステップ918へ進み、不等な場合、ステップ926へ進む。
ステップ918でＨBとＨBNが不等であった場合、ステップ
919へ進み、ＨBとＨBNが等しい場合、ステップ916へ戻
る。ステップ919で数式６よりＨs＜０ならば（図２の様
に、需要水量が減少し、かつ吸込み側の圧力が下降し、
吐出し圧力は変化していない場合）、ステップ920に進
み、Ｈs＞０ならば（図３の様に、需要水量が増加し、
かつ吸込み側の圧力が上昇し、吐出し圧力は変化してい
ない場合）、ステップ923に進む。数式８，９のＳとＣ
は給水装置毎の定数であり、予め初期値としてメモリに
記憶しておく。

【００４７】

【数６】

【００４８】

【数７】

【００４９】

【数８】

【００５０】

【数９】

【００５１】ステップ920でＨBとＨBNの差圧Ｈsを基
に、通常の末端圧力一定制御を行うとして、吐出し圧力
をＨs下げるときのポンプの回転数の下げ幅をＮsとする
と、このＮsをＮs＝Ｈs／Ｃより求める。そして、その
Ｎsを基に目標圧力の下げ幅ＮsＳを求め、Ｈoから引い
た圧力にＨo（Ｈof）を設定し直す（ステップ921）。

【００５２】Ｈs＜０なのでポンプを減速させ（ステッ
プ922）、運転点をロ点からニ点へと制御する（図
２）。同様に、ステップ923〜925でＨs＞０なのでポン
プを増速させ、運転点をロ点からニ点へと制御する（図
３）。

【００５３】ここで、ステップ921とステップ924が同一
なのは、Ｈsが数式６より決まるので、ＨB＞ＨBNならば
Ｈs＞０となり、ＨB＜ＨBNならばＨs＜０となるからで
ある。

【００５４】次に、ステップ917でＨoutとＨoが不等
で、ステップ926でＨBとＨBNが等しい場合、ステップ92
7へ進み、ＨBとＨBNが不等の場合、ステップ930へ進
む。

【００５５】ステップ927で吐出し圧力Ｈoutと目標圧力
Ｈoとを比較し、Ｈoutが大きければ（図４の様に、吸込
み側の圧力は変わらずに吐出し圧力が需要水量が減少し
たために上昇した場合）、ポンプを減速させ（ステップ
928）、運転点をロ点からハ点へと制御する。Ｈoが大き
ければ（図５の様に、吸込み側の圧力は変わらずに吐出
し圧力が需要水量が増加したために上昇した場合）、ポ
ンプを増速させ（ステップ929）、運転点をロ点からハ
点へと制御する。この後、再びステップ917へ戻る。

【００５６】ステップ917でＨoutとＨoが等しく、ステ
ップ926でＨBとＨBNが不等の場合、ステップ930へ進
む。ステップ930でＨBよりＨBNが大きい場合（Ｈs＜
０）、ステップ931へ進み、ＨBよりＨBNが小さい場合
（Ｈs＞０）、ステップ942へ進む。

【００５７】ステップ931で吸込み圧力の差圧Ｈsと吐出
し圧力の差圧Ｈtを比較し、ＨsとＨtが等しい場合（図
６の様に、需要水量は変わらず吸込み側の圧力が上昇し
たために吐出し圧力が上昇した場合）、ステップ932へ
進み、不等である場合、ステップ935へ進む。

【００５８】ステップ932で、前述と同様に吸込み圧力
差圧ＨsよりＮsを求め、Ｈt＞０であることから（Ｈs＜
０．Ｈs＝Ｈt．∴Ｈt＞０）、ＨoにＮsＳを加えた圧力
ＨofにＨoを設定し直して（ステップ933）、Ｈt＞０で
あることから減速を行い（ステップ934）、運転点をロ
点からハ点へと制御する。そして、ステップ917に戻
る。

【００５９】同様に、ステップ935でＮsを求め、Ｎsよ
りＨofを求める（ステップ936）。ステップ937でＨofと
Ｈoutを比較し、Ｈof＞Ｈoutならば、目標圧力ＨoをＨo
fに設定し直して減速し、運転点をロ点からハ点へ制御
する（図７の様に、需要水量が増加し、かつ吸込み側の
圧力が上昇、吐出し圧力が上昇した場合）。Ｈof＞Ｈou
tならば、目標圧力ＨoをＨofに設定し直して増速し、運
転点をロ点からニ点へと制御する（図８の様に、需要水
量が増加し、かつ吸込み側の圧力が上昇し吐出し圧力が
上昇した場合）。そして、ステップ917に戻る。

【００６０】ステップ942以降は、ステップ931以降と同
様で、ステップ934の減速がステップ945の増速となる
（図９の様に、需要水量は変わらず吸込み側の圧力が下
降したために吐出し圧力が下降した場合）。

【００６１】ステップ935〜941とステップ946〜952は同
一なので１つのサブルーチンとしても良いが、ここでは
説明上、ステップ935〜941がＨo＜Ｈoutの場合、ステッ
プ946〜952がＨo＞Ｈoutの場合である。また、図１０は
需要水量が減少し、かつ吸込み側の圧力が下降し吐出し
圧力が下降した場合、図１１は需要水量は変わらず吸込
み側の圧力が下降したために吐出し圧力が下降した場合
である。そして、図１０が減速（ステップ949）、図１
１が増速（ステップ951）である。

【００６２】即ち、補正手段としてのマイクロコンピュ
ータは、第１の圧力センサ２０７により検出された吸込
み側の圧力が所定の範囲外であるときに、ステップ935
〜941とステップ946〜952によりポンプの吐出し圧力を
補正する。こうすることにより吸込み側の圧力が変動し
ても末端圧力を一定に制御することができる。

【００６３】以上、本実施例では演算により目標圧力に
対する回転数を求めたが、メモリー容量に余裕がある場
合は、従来の制御方法（１）を利用して、表１に示すよ
うに、吸込み圧力をある程度の幅を持たせて区切り、そ
れに応じて目標圧力に対する回転数を予めメモリに記憶
させておく簡易的な方法を用いてもよい。

【００６４】

【表１】

【００６５】本実施例では、ポンプは水道本管に直結さ
れて水道本管の水を揚水して需要端へ送るよう構成され
たが、受水槽の水をポンプで揚水して需要端へ送るもの
に本発明を適用してもよい。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、吸込み側の圧力を圧力
センサで検知して電動ポンプの回転速度が所望に減速、
または増速されているので、吸込み側の圧力が上昇、ま
たは下降するような条件下でも、末端圧力一定制御が可
能な給水方法とその装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例における給水装置の構成図

【図２】本実施例の運転特性図

【図３】本実施例の運転特性図

【図４】本実施例の運転特性図

【図５】本実施例の運転特性図

【図６】本実施例の運転特性図

【図７】本実施例の運転特性図

【図８】本実施例の運転特性図

【図９】本実施例の運転特性図

【図１０】本実施例の運転特性図

【図１１】本実施例の運転特性図

【図１２】本実施例の運転特性図

【図１３】本実施例の運転手順を示すフローチャート

【図１４】本実施例の運転手順を示すフローチャート

【図１５】本実施例の運転手順を示すフローチャート

【図１６】従来の給水システム

【図１７】従来の給水装置の構成図

【図１８】従来の制御方法（１）の運転特性図

【図１９】従来の制御方法（２）の運転特性図

【図２０】従来の制御装置の誤動作運転説明図

【符号の説明】

201…水道本管、207，218…圧力センサ、212，213…電
動機、210，211…ポンプ、222…制御装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水道本管から水を吸い込み需要側に吐き
   出す電動ポンプの回転速度を制御して該電動ポンプの吐
   出圧力を目標圧力に制御している状態で、前記電動ポン
   プの吸込側圧力が上昇した場合には、前記回転速度を減
   速し、前記吸込側圧力が下降した場合は前記回転速度を
   増速することを特徴とする給水方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記回転速度が減
   速、または増速されるに際しては、該減速、または増速
   に先立って、複数に区分された吸込側圧力範囲と目標圧
   力に対する回転数との関係が予め記憶されているテーブ
   ルが参照されることによって、該当回転数まで減速、ま
   たは増速されることを特徴とする給水方法。
3. 【請求項３】 請求項１，２の何れかにおいて、前記目
   標圧力は末端圧力一定制御を行う目標圧力であることを
   特徴とする給水方法。
4. 【請求項４】 水道本管から水を吸い込み需要側に吐き
   出す電動ポンプと、該電動ポンプの回転速度を制御する
   インバータと、前記電動ポンプの吐出圧力を検出する吐
   出圧力検出手段と、前記電動ポンプの吸込側圧力を検出
   する吸込側圧力検出手段と、前記電動ポンプの目標圧力
   に制御している状態で、前記吸込側圧力が上昇した場合
   には、前記回転速度を減速させ、前記吸込側圧力が下降
   した場合は前記回転速度を増速させる制御手段とを備え
   ることを特徴とする給水装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記回転速度が減
   速、または増速されるに際しては、該減速、または増速
   に先立って、複数に区分された吸込側圧力範囲と目標圧
   力に対する回転数との関係が予め記憶されているテーブ
   ルが参照されることによって、該当回転数まで減速、ま
   たは増速されることを特徴とする給水装置。
6. 【請求項６】 請求項４，５の何れかにおいて、前記目
   標圧力は末端圧力一定制御を行う目標圧力であることを
   特徴とする給水装置。