JP2005329359A - 浄水場の凝集剤注入制御システム及びアルカリ剤注入制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】処理水濁度や混和池pH、浄水池pHが所定範囲になるように凝集剤・前アルカリ剤、後アルカリ剤注入率を演算制御する注入制御装置50が、水質データを時系列的に収集するデータ収集部502と、水質データ、各注入率等を記憶する記憶部505と、各注入率を目的変数とし水質データ等を説明変数とする重回帰分析により注入率演算式の制御パラメータを求める重回帰分析部506と、制御パラメータ、水質データ、注入率演算式を用いて各注入率を演算する薬品注入率演算部504とを備える。重回帰分析部506は、薬品注入点と濁度やpH計測点との距離に起因する流下遅れ時間を考慮して時間をずらした水質計測値が所定範囲内である時のデータを用いて重回帰分析を行う。
【選択図】図5
Description
なお、21,22,25は、着水井11、混和池12、及び浄水池15においてpHや濁度を初めとした種々の水質を測定する水質計である。
同時に、凝集剤の注入に伴って水のpHが変動するため、このpHを適正値に制御するためにアルカリ剤を注入することが行われている。凝集沈殿工程より前の工程でアルカリ剤を注入することを前アルカリ剤素注入制御といい、ろ過後の浄水のpHを適正値に制御するためにろ過工程以降に注入することを後アルカリ剤注入制御という。
図7に示すように、前アルカリ剤素注入制御は混和池12において、後アルカリ剤素注入制御は浄水池15においてそれぞれ行われることになる。
a)原水を複数のビーカーにサンプリングし、これらのサンプルに対して、凝集剤及び前アルカリ剤の注入率を変えた複数種類の試薬を注入し、その際の上澄み液が最もきれいになった時の試薬から凝集剤及び前アルカリ剤の注入率を決定する方法(ジャーテスト)
b)原水の濁度、アルカリ度、pH、水温を計測し、これらの水質計測値を用いて凝集剤及び前アルカリ剤の注入率を決定(補正)する方法(フィードフォワード制御)において、オペレータの経験に基づいて注入率を数式化したり、ファジィ制御やニューロ等を応用して注入率を決定する方法
c)原水に凝集剤及び前アルカリ剤を注入した後のフロックの状態とpHとを計測し、これらの値が最適になるように凝集剤及び前アルカリ剤の注入率を演算し制御する方法(フィードバック制御)
d)後アルカリ剤注入後のpHを計測し、その値が最適になるようにPID(比例・積分・微分)制御等を行うフィードバック制御方法が知られている。
また、上下水道その他の薬注処理用プロセスに利用される補完フィードバック制御方式の薬注制御装置において、原水流入流量の変化に応じて水質コントローラのパラメータを補正することにより、対象プロセスの伝達関数に変化が生じた場合にも制御特性の低下を補償するようにした薬注制御装置が、下記の特許文献2に記載されている。
また、前記b)の方法はフィードフォワード制御であるため、薬品注入後の水質の状態を見ておらず、オペレータの経験に基づいて注入率を数式化するとしても、オペレータによって数式が異なったり、そもそも数式化する具体的な方法も一様には定まっていない。
更に、特許文献1に記載されている従来技術のようにニューロを使用した制御や、ファジィ制御を利用する場合には、これらニューロまたはファジィ制御を行う制御装置が必要であり、その制御規則を作成するために適切かつ多数のデータを抽出して学習させなくてはならず、データの選別や学習処理に多くの時間を必要とする。
特に、特許文献2に記載された従来技術では、対象プロセスの制御量測定系の特性(一次または二次遅れ等)に応じて、水質コントローラを構成する過渡項設定部のパラメータを一次または二次進みとなるように補正するといった補償動作が必要であり、水質コントローラの構成が複雑化するおそれがある。
前記注入制御装置は、
前記水質計により計測した水質データを時系列的に収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段により収集した水質データと、過去の運転データとしての水質データ及び凝集剤注入率を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された運転データのうち、処理水濁度計測値が所定範囲内である時の凝集剤注入率を目的変数とし、かつ、水質データを説明変数として重回帰分析を行うことにより、凝集剤注入率演算式の制御パラメータを演算する重回帰分析手段と、
この重回帰分析手段により演算された制御パラメータを含む前記凝集剤注入率演算式により、前記水質計により計測した水質データを用いて凝集剤注入点の凝集剤注入率を演算する薬品注入率演算手段と、を備え、
前記重回帰分析手段は、凝集剤注入点と処理水濁度計測点との間の距離に起因する流下遅れ時間を考慮して時間をずらした処理水濁度計測値が所定範囲内である時のデータを用いて重回帰分析を行うものである。
なお、請求項2に記載するように、前記記憶手段は、重回帰分析手段により演算された制御パラメータをも記憶することにより、制御パラメータの妥当性の検証を任意のタイミングで行うことができる。
前記注入制御装置は、
前記水質計により計測した水質データを時系列的に収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段により収集した水質データと、過去の運転データとしての水質データ及び前アルカリ剤注入率を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された運転データのうち、pH計測値が所定範囲内である時の前アルカリ剤注入率を目的変数とし、かつ、凝集剤注入率及び水質データを説明変数として重回帰分析を行うことにより、前アルカリ剤注入率演算式の制御パラメータを演算する重回帰分析手段と、
この重回帰分析手段により演算された制御パラメータを含む前記前アルカリ剤注入率演算式により、凝集剤注入率と前記水質計により計測した水質データとを用いて、前アルカリ剤注入点の前アルカリ剤注入率を演算する薬品注入率演算手段と、を備え、
前記重回帰分析手段は、前アルカリ剤注入点とpH計測点との間の距離に起因する流下遅れ時間を考慮して時間をずらしたpH計測値が所定範囲内である時のデータを用いて重回帰分析を行うものである。
前記注入制御装置は、
前記水質計により計測した水質データを時系列的に収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段により収集した水質データと、過去の運転データとしての水質データ及び後アルカリ剤注入率を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された運転データのうち、pH計測値が所定範囲内である時の後アルカリ剤注入率を目的変数とし、かつ、pH偏差及び水質データを説明変数として重回帰分析を行うことにより、後アルカリ剤注入率演算式の制御パラメータを演算する重回帰分析手段と、
この重回帰分析手段により演算された制御パラメータを含む前記後アルカリ剤注入率演算式により、前記pH偏差と前記水質計により計測した水質データとを用いて、後アルカリ剤注入点の後アルカリ剤注入率を演算する薬品注入率演算手段と、を備え、
前記重回帰分析手段は、後アルカリ剤注入点とpH計測点との間の距離に起因する流下遅れ時間を考慮して時間をずらしたpH計測値が所定範囲内である時のデータを用いて重回帰分析を行うものである。
また、本発明では、制御パラメータの補正や多数のデータの学習といった煩雑な処理が不要であり、比較的簡単な演算処理によって適切な凝集剤及びアルカリ剤の注入制御を実現することができると共に、ジャーテスト等に比べて自動化も容易である。
図1は、本発明の実施形態が適用される浄水プロセスの概略的構成図であり、図7と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
そして、注入制御装置50は、後述する演算によって凝集剤注入率・前アルカリ剤注入率・後アルカリ剤注入率を求め、凝集剤注入率に従って凝集剤30を供給する注入装置としてのポンプ32を制御し、かつ、前アルカリ剤注入率・後アルカリ剤注入率に従ってアルカリ剤40を供給する注入装置としてのポンプ42,45を制御することにより、混和池12に所定量の凝集剤及び前アルカリ剤を注入し、浄水池15に所定量の後アルカリ剤を注入するように構成されている。
凝集剤注入率は、注入制御装置50が、着水井11における原水の水質(水質計21による計測値)を用いて、数式1により演算する。
y=a0+a1・x1+……+an・xn
y:凝集剤注入率
x1,……,xn:原水濁度、原水pH、原水アルカリ度、原水水温等の原水水質
a0,a1,……,an:制御パラメータ
しかし、凝集剤注入点から処理水濁度の計測点までは数10分から1時間程度の流下遅れ時間があるので、処理水濁度の計測値をそのままフィードバック制御に使用して凝集剤注入率を制御することは困難である。
ここで、図6は、ある1日の原水濁度及び処理水濁度の変化を示す図であり、例えば0時〜10時までの間は処理水濁度が1[mg/L]以下で比較的安定しているため、この間のデータ(凝集剤注入率及び原水水質データ)を分析用データとして使用することにより、制御パラメータa0,a1,……,anを求めると良い。
前アルカリ剤注入率は、一般に凝集剤注入率に比例させるものであり、また、原水水質にも影響されるものである。このため、注入制御装置50は、凝集剤注入率、及び着水井11の水質とを用いて、数式2により演算する。
z1=c0+c1・y+b1,0+b1,1・x1,1+……+b1,n・x1,n
z1:前アルカリ剤注入率
c0,c1:制御パラメータ
y:凝集剤注入率
x1,1,……,x1,n:原水濁度、原水pH、原水アルカリ度、原水水温等の原水水質
b1,0,b1,1,……,b1,n:制御パラメータ
なお、上記原水水質x1,1,……,x1,nは、実質的に数式1における原水水質x1,……,xnと同じものである。
混和池12のpHを水質計22により計測して前アルカリ剤の注入率をフィードバック制御することも可能であるが、前アルカリ剤の注入点とpH計測点との距離による流下遅れ時間や、化学反応、あるいは、水質計の反応速度が水温等に影響されることに起因して、フィードバック制御の制御パラメータを一意的に決定することは難しい。
そして、これらの制御パラメータc0,c1,b1,0,b1,1,……,b1,nと、凝集剤注入率y、及び着水井11の水質計21により測定した原水水質とを用いて数式2を演算することにより、混和池12のpHが適正範囲内になるような前アルカリ剤注入率を求めることができ、注入制御装置50では、この前アルカリ剤注入率に従ってポンプ42を制御し、アルカリ剤40を混和池12に注入すれば良い。
後アルカリ剤注入率は、一般に後アルカリ剤注入後のpHを計測し、その計測値が設定値に等しくなるようにフィードバック制御によって注入率が決定される。また、後アルカリ剤注入前のろ水水質にも影響されるものである。このため、注入制御装置50は、後アルカリ剤注入後の浄水池pHの設定値とその計測値(水質計25による計測値)、及びろ水の水質(水質計24による計測値)とを用いて、数式3により演算する。
z2=d0+d1・(ps−p)+b2,0+b2,1・x2,1+……+b2,n・x2,n
z2:後アルカリ剤注入率
d0,d1:制御パラメータ
p:浄水池pH
ps:浄水池pH設定値
x2,1,……,x2,n:ろ水濁度、ろ水pH、ろ水アルカリ度、ろ水水温等のろ水水質
b2,0,b2,1,……,b2,n:制御パラメータ
この後アルカリ剤の注入制御では、浄水池15のpHを適正値(例えばpH=7.0)に保つように注入率を制御することが必要である。
浄水池15のpHを水質計25により計測して後アルカリ剤の注入率をフィードバック制御することも可能であるが、後アルカリ剤の注入点とpH計測点との距離による流下遅れ時間や、化学反応、あるいは、水質計の反応速度が水温等に影響されることに起因して、フィードバック制御の制御パラメータを一意的に決定することは難しい。
前述した方法によって凝集剤注入率・前アルカリ剤注入率・後アルカリ剤注入率を求めるための制御パラメータを決定するには、凝集剤注入後の処理水濁度や前アルカリ剤・後アルカリ剤注入後のpH等の変化が明確に分かるように、短い時間間隔で各種の水質データを収集する必要がある。このため、注入制御装置50では、各水質計21,22,24,25から、例えば1分程度の周期でデータを収集する。
一般に天候が安定している時期には水質も安定しており、降雨等により水質が変動することは、それほど多くない。この場合、天候安定期のデータのみを使用して重回帰分析により制御パラメータを決定すると、制御パラメータが偏ったものになってしまい、最終的に注入率演算式によって演算される凝集剤注入率・前アルカリ剤注入率・後アルカリ剤注入率も実際の天候や水質にそぐわないものとなってしまう。
そこで、制御パラメータを決定するためのデータ(分析用データ)としては、注入制御装置50が収集した時系列データの中から、天候や水質の片寄りがないように満遍なく保存する必要がある。こうして保存した分析用データを用いて重回帰分析を行い、制御パラメータを決定する。
図2において、1分程度の周期でデータを収集し、これらを時系列データとして記憶装置に格納しておき、1日分のデータ収集が完了した時点で上記時系列データを取り込む(ステップS1,S2)。
そして、上記保存条件を満たす場合には、この時系列データを分析用データとして保存し(ステップS4)、重回帰分析による制御パラメータの決定に用いることとする。
これらの新旧データを比較することにより、やはり旧データを使用し続けた方が妥当であると判断される場合(ステップS5 NO)には、新データを破棄して終了する(ステップS6)。また、新データに置き換えた方が妥当であると判断される場合(ステップS5 YES)には、旧データを破棄して新データを分析用データとして保存し、終了する(ステップS7)。
このようにして、制御パラメータの決定に用いる分析用データが保存されることになる。
なお、図2に示した処理は、注入率演算式を作成する際に必要に応じて実行されるもので、必ずしも定周期で繰り返し実行される性質の処理ではない。
注入制御装置50では、まず分析用データを取り込み(ステップS11)、次いで一部の分析用データを時間軸に沿って移動することにより、流下遅れ時間を考慮する(ステップS12)。
ここで、流下遅れ時間の考慮とは、以下のような内容である。
後アルカリ剤注入制御において、後アルカリ剤注入後の評価に用いるデータは浄水池pH偏差であるが、この偏差を求めるための浄水池pHの計測値は、図1における浄水池15内の水質計25によって得られる。しかるに、浄水池15内では、後アルカリ剤注入点と水質計25による浄水池pHの計測点との間に距離があり、この間を水が移動するには一定の流下時間がかかる。
このため、流下遅れ時間Δtを予め求めておき、各時刻の浄水池pH偏差をΔtだけ前に移動する(時間軸を揃える)ことにより、各時刻の後アルカリ剤注入による評価を適切に行うことが可能になる。
図4は、時刻t1の後アルカリ剤注入率zt21に基づく浄水池pH偏差として時刻t7におけるΔpt7を、時刻t2の後アルカリ剤注入率zt22に基づく浄水池pH偏差として時刻t8におけるΔpt8を、(……以下同様)用いることを示している。
[数4]
Δt=V/Q
Q:処理水量
V:後アルカリ剤注入点から水質(浄水池pH)計測点までの容量
この場合には、数式4におけるVが凝集剤注入点と処理水濁度の計測点までの容量となる。
この場合には、数式4におけるVが前アルカリ剤注入点と混和池pHの計測点までの容量となる。
その後、重回帰分析により、前述した数式1,2,3の注入率演算式を用いて凝集剤・前アルカリ剤・後アルカリ剤注入制御における各制御パラメータを計算する(ステップS14)。
なお、制御パラメータや注入率の計算処理は、十分な数のデータが収集できたとき、あるいは、一旦決定した注入率では所望の処理水濁度やpHが得られなくなったとき、等の適当なタイミングで実行すればよい。
その具体的な処理内容は、求められた制御パラメータを含む注入率演算式に、注入制御装置50が保存している過去の時系列データ(説明変数としての種々の水質データ等)を代入し、凝集剤注入率・前アルカリ剤注入率・後アルカリ剤注入率を計算する。これらの注入率と実際の運転時の各注入率(実績値)とを比較して両者の誤差の大小を判定することにより、求められた制御パラメータが妥当であるか否かを検証することができる。
そして、上記誤差が小さく、求められた制御パラメータ、ひいてはこれらの制御パラメータを含む数式1,2,3の注入率演算式が妥当なものであると判断されれば、この注入率演算式を採用して各薬品の注入率を決定していくことになる。
図5において、注入制御装置50は、例えばコンピュータシステムにより構成されている。この注入制御装置50は、前述した水質計21,22,24,25の計測データがインターフェース501を介して入力されるデータ収集保存部502を備えており、このデータ収集保存部502では、図2の処理に従って時系列データの収集、重回帰分析のための分析用データの保存等を行う。
トレンド表示制御部503は、必要に応じて時系列データをインターフェース507を介してディスプレイ装置等の表示部508に表示させるためのものであり、また、薬品注入率演算部504は、後述する重回帰分析部506により演算された制御パラメータ(重回帰係数)及び種々の水質データ等を用いて凝集剤注入率・前アルカリ剤注入率・後アルカリ剤注入率を演算する。これらの注入率は、必要に応じて前記表示部508により表示しても良い。
重回帰分析部506は、前述の数式1〜3を用いた制御パラメータの演算を行い、求めた制御パラメータを薬品注入率演算部504に出力する。
前述した数式4による流下遅れ時間Δtを用いたデータの移動や、制御パラメータ(注入率演算式)の妥当性の検証は、重回帰分析部506及び薬品注入率演算部504により実行される。
薬品注入率演算部504から出力される各注入率は注入制御部509に入力されており、この注入制御部509では各注入率に応じた操作量を生成してインターフェース510を介し凝集剤注入装置及び前アルカリ剤・後アルカリ剤注入装置としての前記ポンプ32,42,45に送ることにより、混和池12及び浄水池15に所定量の凝集剤、前アルカリ剤、後アルカリ剤をそれぞれ注入する。
なお、浄水プロセスにおいて薬品注入率の計算に重回帰分析を適用することは、例えば特開平7−319509号公報の段落[0120]等に記載されているように一般に行われている。しかし、本発明のごとく、凝集剤や前アルカリ剤・後アルカリ剤の注入点と濁度やpHの計測点までの流下遅れ時間を考慮したデータを対象とし、更に、これらの計測値が適正範囲になるようなデータのみを分析用データとして重回帰分析に使用する方法によれば、目標とする水質を達成するために、より一層、正確かつ適切に薬品の注入率を算出することができる。
12:混和池
13:沈殿池
14:ろ過池
15:浄水池
16:配水池
21,22,24,25:水質計
30:凝集剤
32:ポンプ
40:アルカリ剤
42,45:ポンプ
50:注入制御装置
501,507,510:インターフェース
502:データ収集保存部
503:トレンド表示制御部
504:薬品注入率演算部
505:記憶部
506:重回帰分析部
508:表示部
509:注入制御部
Claims (5)
- 浄水プロセスにおける濁度を含む水質を計測する水質計と、前記水質計により計測した濁度が所定範囲になるように凝集剤注入率を制御する注入制御装置と、前記凝集剤注入率に従って凝集剤を注入する凝集剤注入装置と、を備えた浄水場の凝集剤注入制御システムであって、
前記注入制御装置が、凝集剤注入点よりも下流の計測点の処理水濁度が所定範囲になるように、凝集剤注入点よりも上流の水質データを用いて凝集剤注入率を演算するようにした凝集剤注入制御システムにおいて、
前記注入制御装置は、
前記水質計により計測した水質データを時系列的に収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段により収集した水質データと、過去の運転データとしての水質データ及び凝集剤注入率を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された運転データのうち、処理水濁度計測値が所定範囲内である時の凝集剤注入率を目的変数とし、かつ、水質データを説明変数として重回帰分析を行うことにより、凝集剤注入率演算式の制御パラメータを演算する重回帰分析手段と、
この重回帰分析手段により演算された制御パラメータを含む前記凝集剤注入率演算式により、前記水質計により計測した水質データを用いて凝集剤注入点の凝集剤注入率を演算する薬品注入率演算手段と、を備え、
前記重回帰分析手段は、凝集剤注入点と処理水濁度計測点との間の距離に起因する流下遅れ時間を考慮して時間をずらした処理水濁度計測値が所定範囲内である時のデータを用いて重回帰分析を行うことを特徴とする浄水場の凝集剤注入制御システム。 - 請求項1に記載した浄水場の凝集剤注入制御システムにおいて、
前記記憶手段は、前記重回帰分析手段により演算された制御パラメータを記憶することを特徴とする浄水場の凝集剤注入制御システム。 - 浄水プロセスにおけるpHを含む水質を計測する水質計と、前記水質計により計測したpHが所定範囲になるように前アルカリ剤注入率を制御する注入制御装置と、前記前アルカリ剤注入率に従って前アルカリ剤を注入する前アルカリ剤注入装置と、を備えた浄水場のアルカリ剤注入制御システムであって、
前記注入制御装置が、前アルカリ剤注入点よりも下流の計測点のpHが所定範囲になるように、前アルカリ剤注入点よりも上流の水質データを用いて前アルカリ剤注入率を演算するようにしたアルカリ剤注入制御システムにおいて、
前記注入制御装置は、
前記水質計により計測した水質データを時系列的に収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段により収集した水質データと、過去の運転データとしての水質データ及び前アルカリ剤注入率を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された運転データのうち、pH計測値が所定範囲内である時の前アルカリ剤注入率を目的変数とし、かつ、凝集剤注入率及び水質データを説明変数として重回帰分析を行うことにより、前アルカリ剤注入率演算式の制御パラメータを演算する重回帰分析手段と、
この重回帰分析手段により演算された制御パラメータを含む前記前アルカリ剤注入率演算式により、凝集剤注入率と前記水質計により計測した水質データとを用いて、前アルカリ剤注入点の前アルカリ剤注入率を演算する薬品注入率演算手段と、を備え、
前記重回帰分析手段は、前アルカリ剤注入点とpH計測点との間の距離に起因する流下遅れ時間を考慮して時間をずらしたpH計測値が所定範囲内である時のデータを用いて重回帰分析を行うことを特徴とする浄水場のアルカリ剤注入制御システム。 - 浄水プロセスにおけるpHを含む水質を計測する水質計と、前記水質計により計測したpHが所定範囲になるように後アルカリ剤注入率を制御する注入制御装置と、前記後アルカリ注入率に従って後アルカリ剤を注入する後アルカリ剤注入装置と、を備えた浄水場のアルカリ剤注入制御システムであって、
前記注入制御装置が、後アルカリ剤注入点よりも下流の計測点のpHが所定範囲になるように、後アルカリ剤注入点よりも上流の水質データを用いて後アルカリ剤注入率を演算するようにしたアルカリ剤注入制御システムにおいて、
前記注入制御装置は、
前記水質計により計測した水質データを時系列的に収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段により収集した水質データと、過去の運転データとしての水質データ及び後アルカリ剤注入率を記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された運転データのうち、pH計測値が所定範囲内である時の後アルカリ剤注入率を目的変数とし、かつ、pH偏差及び水質データを説明変数として重回帰分析を行うことにより、後アルカリ剤注入率演算式の制御パラメータを演算する重回帰分析手段と、
この重回帰分析手段により演算された制御パラメータを含む前記後アルカリ剤注入率演算式により、前記pH偏差と前記水質計により計測した水質データとを用いて、後アルカリ剤注入点の後アルカリ剤注入率を演算する薬品注入率演算手段と、を備え、
前記重回帰分析手段は、後アルカリ剤注入点とpH計測点との間の距離に起因する流下遅れ時間を考慮して時間をずらしたpH計測値が所定範囲内である時のデータを用いて重回帰分析を行うことを特徴とする浄水場のアルカリ剤注入制御システム。 - 請求項3または4に記載した浄水場のアルカリ剤注入制御システムにおいて、
前記記憶手段は、前記重回帰分析手段により演算された制御パラメータを記憶することを特徴とする浄水場のアルカリ剤注入制御システム。
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