JP2006110490A - 水道浄水施設の遠隔監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の高い簡易な浄水場の遠隔監視システムを提供する。
【解決手段】 水道浄水施設に水位計、流量計、ポンプ稼動モニタ等の水道施設機器Ｍを設ける。各水道施設機器Ｍは通信衛星端末１０に接続されている。各水道施設機器Ｍによって計測されたデータは、アナログ出力、デジタル出力、シリアル出力等の各種形式の信号で発信される。このうちシリアル出力形式の信号（電文信号）は通信変換ユニットを介してシリアルポート信号に変換されてから通信衛星端末１０に入力され、アナログ、デジタル形式の信号は直接、通信衛星端末１０に入力される。これらの信号は通信衛星端末１０でシリアルポートの信号に一括変換され、一つの信号として同時に通信衛星端末１０から低軌道通信衛星２０を介して監視センター６０に送信される。監視センター６０で受信されたデータはパソコン画面上に表示され、このデータによって水道浄水施設を遠隔監視する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水道水の浄水場における遠隔監視システムに関する。更に詳細には、浄水場に置ける各設備及び装置の運転状況、故障の異常状態の有無を、電波により低軌道通信衛星に伝送することにより、浄水場の各設備の監視、記録を行う遠隔監視システムに関するものである。

水道事業者が水道原水から飲用に適した水質まで浄化し、常時飲料水として安定して供給するには、従来、担当者により浄水場を常時監視し、メンテナンス体制の整備が必要であった。

水道の浄水から配水における全工程経路で、維持管理上必要となる管理項目を常時監視し、浄水の水質分析・監視による安全な水道水の供給、処理プロセス不調の予測・早期発見、設備の過負荷・漏電の監視による水道水の安全・安定供給、薬品使用量・電力消費量の監視による稼働効率向上即ちコスト削減及び設備トラブルの予測・予防によるメンテナンス効率向上等を巡回監視する事無く確実にかつ安価に実現することは、水道事業者の永遠の課題であった。

特に、安定的に水質と水量を確保するには定期的な点検保守により、井戸水汲上げ動力源の確認、原水槽の水位確認、原水ポンプ動力の確認、ろ過装置の確認およびメンテナンス、残留塩素系統の確認などを行なうことは、細部にわたり主として人海戦術的に行われてきた。このような煩雑な作業を軽減するものとして、近時、膜分離を中心とする浄水技術が膜浄水技術として開発され、わが国でもその普及が進んでいる。又、膜浄水技術は自動管理に馴染む技術として、テレメトリーによる自動監視が同時に普及しつつある。

しかしながら、テレメトリーによる方式では、電話線の敷設が前提となり、山奥など辺鄙な場所に位置することが多く無人監視が最も必要な小型浄水場では、適用不可能である。
これに対処するため、分散して存在する上下水道処理施設の運転管理などに、メンテナンス専任者を配置せずに商用通信手段を介して情報の収集を図り、これに基づき運転管理機関に支援情報を伝達する方法が特許文献１に紹介されている。又、通信技術を安価に抑え、規模を縮小しての運用事例として、排水処理施設の遠隔管理システムが特許文献２で紹介されている。
しかし、これらも又、有線の通信手段を前提としており、技術的にあるいはランニング費用上、適用困難な場合が多い。
更には、災害時や海外を意識したものとして、特許文献３には、特殊無線による回線手段の確保が開示されている。又、特許文献４には、無線通信手段の一つとして衛星通信が挙げられている。しかし、これも単にアイデアの開示に過ぎず具体的方法が明示されていない。

特開２００２−３５７３７号公報 特開２００２−６６５３３号公報 特開２００３−１９４７９号公報 特開２００３−１０３２５１号公報

以上の様な状況に鑑み、発明者は既稼動中の浄水設備にも適応可能で且つ簡単な設備付加で、いかなる浄水施設にも対応出来るシステムの開発を検討した。
その結果、安価な商業用通信機器・方式として拡大しつつある低軌道衛星通信を活用した技術を利用することによって、所期の目的を満足するシステムを達成でき、かつ最も有利な方式であると判断し、その詳細について検討した。

しかしながら、浄水施設においては、浄水濁度、残塩、PH、色度等の水道水質データ監視、残留塩素濃度等の監視データ管理、原水槽・処理水槽・配水槽等の水槽水位監視、薬品使用量の監視、ポンプなどの施設稼動状況監視等多くの監視・管理項目があり、各設備に設置されるそれぞれのセンサーに適合した出力形式が採用されている。上記のように監視すべき項目が多岐にわたる上に、それらの出力形式が異なることが一元化した管理を難しくしていた。

衛星通信手段の検討に当ってもこの点が重要な課題であった。例えば、水位計は、アナログ形式で通常DC４〜２０ｍA、 ポンプの動作はデジタル方式で出力されている。一方、流量計は、シリアル方式で例えば８ビットの電文信号として出力されている。

そこで、本願発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い簡易浄水場の遠隔監視システムを提供することを目的とするものである。

本発明者らは、これら複雑多岐にわたる出力信号の統一処理について鋭意検討した結果、電文信号を通信変換ユニットによってシリアルポート信号に変換することにより、アナログ信号、デジタル信号と共に通信衛星端末に入力可能であり、浄水施設における全てのデータ信号を衛星通信とやり取り可能にできることを見出し、本発明に到達した。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、水位計、流量計、ポンプ稼動モニタを含む水道施設機器を設け、該各水道施設機器に通信衛星端末を接続し、前記各水道施設機器から各種形式で発信されるデータを前記通信衛星端末でシリアルポートの信号に一括変換し、前記通信衛星端末から低軌道通信衛星を介して監視センターに送信し、得られたデータから前記各水道施設機器を監視することを特徴とする水道浄水施設の遠隔監視システムである。

請求項２の発明は、請求項１記載の水道浄水施設の遠隔監視システムにおいて、前記各水道施設機器から発信されるデータの各種形式とは、アナログ出力形式、デジタル出力形式、シリアル出力形式から選択される一つあるいは複数の形式であることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１または２記載の水道浄水施設の遠隔監視システムにおいて、前記シリアル出力形式で発信されるデータは電文信号であり、該電文信号は通信変換ユニットによりシリアルポート信号に変換されてから前記通信衛星端末に入力されることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の水道浄水施設の遠隔監視システムにおいて、シリアルポートのインターフェイスは、ＲＳ２３２Cであることを特徴とするものである。

上記発明において、各種計測信号、ポンプ運転などの状態信号、警報信号などのデータを履歴化し、移動体双方向パケットデータ通信サービスで、電子メールなどの簡単な通信に置き換えることができる。シリアルポート信号への変換は、８ビット機能つきメーターを通して送られてきた電文信号を受信記憶し、マーク、スペースを付加して、８ビット機能つきメーターとのインターフェイス部を有する通信変換ユニットで処理し、コンピュータとのインターフェイス部を介して、シリアルポート信号としてコンピュータに送信する。

なお、この操作は双方向で行われる。アナログ入力は、５Ｖ入力モード、１５Ｖ入力モード、電流入力モード（４〜２０ｍＡ）に対応しており、ソフトウェアによる設定で切り替えることにより各モードに対応した抵抗でターミネートし、オペアンプのボルテージフォロアーで構成する。

本端末装置の入出力特性については、Ａ／Ｄコンバーターは０Ｖ〜３．３Ｖの電圧値を１０ビットの分解能で数値化し、入力信号はターミネートの抵抗分割により電圧変換を行う。デジタル入力については、ツエナーダイオードで電圧シフトを行い、TTLレベルを実現し、電源側には、オフ時の印加電圧及び入力過電圧保護のためのダイオードが挿入されている。又、デジタル入出力ポートは、ポート毎に入力ポート又は出力ポートに設定することができ、入出力の設定はソフトウェアスィッチの設定で行う。シリアルポートのインターフェイスは、ＲＳ２３２Ｃ、４２２Ａ、４２３Ａなどいかなるものであってもよいが、汎用性の面からはＲＳ２３２Cが好ましい。但しこれらは特に本発明を限定するものではない。

かくして、水道施設に取り付けられた複数のセンサーから出力される各種データを、メーター出力部直接又はコンピュータとのインターフェイス部を有する通信変換ユニットで、シリアル信号化したデータを通信アンテナから通信衛星に自動発信し、これを介してメール方式で監視センターにデータを送ることを基本とする水道施設遠隔監視システムを完成した。

言い換えれば、水道施設に取り付けられた複数のセンサーから出力される各種データを直接又は、通信変換ユニットで変換の上、衛星を使用して一括して監視センターに送ることを特徴とする水道施設遠隔監視システムである。

ここに云う通信変換ユニットとは通信機能付きメーター及びコンピュータ（ＲＳ−２３２Ｃ）とのインターフェイス部を有し、各種メーター機器からの電文信号をシリアル信号（例えば、ＲＳ−２３２Ｃ 信号）に変換するユニットをいう。

本発明にいう低軌道通信衛星とは、通常地上８２５Kmを周回し、最大５００Byte(１送信)、１５分間隔の連続通信が可能なものを云う。しかしこれは本発明を特に限定するものではない。

本発明により、山間僻地にあるにも拘らず、信頼性の高い運転管理が要求される簡易浄水場の遠隔監視システムに、低軌道通信衛星を活用する方法を提供することができる。このシステムは更に山頂観測、海洋調査、未開国への浄水等施設設置等に大いに貢献するものである。

本発明によれば、低軌道衛星監視システムの採用により、山岳地、山間部、など通常の通信インフラが未整備な場所や無人の設備からのデータ送信を可能にし、施設周辺の災害による電話回線切断、携帯電話輻輳、電源ダウン、交通遮断等、いかなる状態においても常時監視を安価に提供することができる。即ち、地上インフラ被害の影響を受けず安価な通信手段として低軌道（地上１０００Ｋｍ以下）を周回する低軌道通信衛星の活用し、各種の機器管理用信号の全てをシリアルポート信号に変換することにより、簡単な設備で確実にデータ保存と通信ができる。

また、本発明によれば、小型（２２０×９０×３５ｍｍ程度）の通信変換ユニットと全長２００〜１０００ｍｍのアンテナがあれば、山間僻地の小型浄水場の無人管理が即座に可能になり、しかも安価な維持費で信頼性の高い遠隔監視が可能になる。又、移動体双方向パケットデータ通信サービスを使用することにより、遠隔監視のみならず、遠隔制御も可能である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、浄水場、配水池等の水道浄水施設に設置されている水位計、流量計、あるいはポンプ駆動モニタ等の水道施設機器（図１ではこれらをＭと表示する）等によって測定された水位の値、流量の値、あるいはポンプの駆動状況等を低軌道衛星２０によって監視するシステムの概要を示している。水位計、流量計、あるいはポンプ駆動モニタ等の各水道施設機器Ｍによって測定されたデータは、変換ユニットを含む通信衛星端末１０によってシリアル信号に一括変換され、信号送信用として設けられている通信アンテナＡを経由して、低軌道通信衛星２０に送られる。各水道施設機器Ｍによって測定されたデータは、各種形式（アナログ信号、デジタル信号）で発信される。また、このデータは電文形式のシリアル出力であり、シリアル出力はシリアルポート信号に変換され通信衛星端末１０に入力される。

低軌道通信衛星２０と衛星地球局３０とは、VHF帯のフィーダー回線で結ばれている。衛星地球局３０で受信されたデータは、専用線で連絡しているネットワーク管制局を通じて、インターネット４０又は専用線５０接続で監視センター６０に送られ、インターネット接続用等のパソコン端末機の画面上に表示され、得られたデータから各水道施設機器を容易に監視することができる。

例えば、浄水場、配水池等に設置された水位計、流量計等のデータは、通信衛星端末１０および低軌道通信衛星２０を利用してインターネット４０を介してメール形式で定期的（例えば、１日１回定時間）に送信される。監視センター６０では、その送信されてくるデータをパソコン上で動作する専用の遠隔監視ソフトによって読み込み、受信したデータを画面上に表示して監視することができる。これら水位計、流量計等で測定される監視データは、予め閾値が設定されており、測定値が閾値を超えた場合には、パソコンの画面上に表示させたランプ絵柄を点滅表示させる、あるいはパソコンからアラームメッセージを出力させる等の簡易警報機によってその旨が報知される。尚、監視センター６０側では、上記定期的にデータを受信する他、必要に応じて浄水場、配水池側の水位計、流量計等のデータを任意に受信することも可能であり、パソコン操作によってデータを読み込み画面上に表示することもできる。

図２は、浄水場の設備構成を表わしており、各水道施設機器Ｍによって測定されたデータが通信衛星端末１０ａから１０ｃに入力される様子を示しいる。
浄水場水源１から供給される水は、浄水場２の貯水池３に貯留される。貯水池３には水位計Ｍ１が設置されており、水位計Ｍ１によって貯水池３の貯水量が測定され、その測定値のデータが通信衛星端末１０ａに入力されている。貯留池３に貯留された水は、取水ポンプ４によってろ過設備５に汲み上げられ、そこでろ過される。取水ポンプ４にはポンプの稼動状況を監視するモニタＭ２が設置されており、モニタＭ２によって取水ポンプ４が稼動しているかあるいは停止しているか認識され、その認識データが通信衛星端末１０ａに入力されている。

ろ過設備５においてろ過された水は、低区配水ポンプ６によって汲み上げられ、浄水場２から離れた場所に設けられている低区配水池７の配水池８に供給される。低区配水ポンプ６にはポンプの稼動状況を監視するモニタＭ３が設置されており、モニタＭ３によって低区配水ポンプ６が稼動しているかあるいは停止しているか認識され、その認識データが通信衛星端末１０ａに入力されている。また、低区配水ポンプ６によって汲み上げられ供給される水量を測定する流量計Ｍ４が設置されており、流量計Ｍ４によって測定された水量のデータが通信衛星端末１０ａに入力されている。通信衛星端末１０ａに入力された各水道施設機器（Ｍ１からＭ４）の測定データは、シリアル信号に一括変換され、通信アンテナＡ１を経由して、低軌道通信衛星２０に送られる。

浄水場２から低区配水池７に供給された水は、配水池８に貯留される。配水池８には水位計Ｍ５が設置されており、水位計Ｍ５によって測定された配水池８の貯水量のデータは、通信衛星端末１０ｂに入力されている。配水池８に貯留された水は、高区配水ポンプ９によって汲み上げられ、低区配水池７から離れた場所に設けられている高区配水池１１に供給される。高区配水ポンプ９にはポンプの稼動状況を監視するモニタＭ６が設置されており、モニタＭ６によって高区配水ポンプ９が稼動しているかあるいは停止しているか認識され、その認識データが通信衛星端末１０ｂに入力されている。通信衛星端末１０ｂに入力された各水道施設機器等（Ｍ５、Ｍ６）の測定データは、シリアル信号に一括変換され、通信アンテナＡ２を経由して、低軌道通信衛星２０に送られる。

低区配水池７から高区配水池１１に供給された水は、配水池１２に貯留される。配水池１２には水位計Ｍ７が設置されており、水位計Ｍ７によって測定された配水池１２の貯水量のデータは、通信衛星端末１０ｃに入力されている。通信衛星端末１０ｃに入力された水道施設機器（Ｍ７）の測定データは、シリアル信号に変換され、通信アンテナＡ３を経由して、低軌道通信衛星２０に送られる。

図３は、水位計、流量計、あるいはポンプ駆動モニタ等の水道施設機器Ｍによって測定されたデータが、変換ユニットを介して通信衛星端末１０に入力される一形態を表している。
水道施設機器Ｍのうち、水位計Ｍ１、Ｍ５、Ｍ７の出力信号は、アナログ信号によって出力されている。また、流量計Ｍ４の出力信号は、８ビットのシリアル信号によって出力されている。さらに、ポンプＭ２、Ｍ３、Ｍ６の出力信号は、Ｈｉｇｈ又はＬｏｗのデジタル信号によって出力されている。

これらの各種形式で発信される信号のうち、流量計Ｍ４から出力されるシリアル信号は、例えば電文形式の信号として出力される。そこで、この電文形式の信号は、通信変換ユニット７０に入力されてシリアルポート信号に変換されてから通信衛星端末１０に入力されている。そして、その他のアナログ信号およびデジタル信号は、通信変換ユニット７０を介さずに直接、通信衛星端末１０に入力されている。このように電文形式の信号を通信変換ユニット７０に入力してシリアルポート信号に変換することにより、出力形態の異なる各水道施設機器の測定データ（シリアル信号、アナログ信号、デジタル信号）を、通信衛星端末１０によってシリアルポート信号に一括変換し、一つの信号として同時に送信することができる。通信変換ユニット７０におけるシリアルポート信号への変換処理は、８ビット機能付きメータ７１を通して送られてきた電文信号を通信変換ユニット７０で受信記憶し、マーク、スペースを付加することによって行なわれている。尚、シリアルポートのインターフェイスとしては、ＲＳ２３２Cが使用されている。

また、この操作は双方向で行われる。アナログ入力は、５Ｖ入力モード、１５Ｖ入力モード、電流入力モード（４〜２０ｍＡ）に対応しており、ソフトウェアによる設定で切り替えることにより各モードに対応した抵抗でターミネートし、オペアンプのボルテージフォロアーで構成する。

通信衛星端末１０の入出力特性については、Ａ／Ｄコンバーターは０Ｖ〜３．３Ｖの電圧値を１０ビットの分解能で数値化し、入力信号はターミネートの抵抗分割により電圧変換を行う。デジタル入力については、ツエナーダイオードで電圧シフトを行い、TTLレベルを実現し、電源側には、オフ時の印加電圧及び入力過電圧保護のためのダイオードが挿入されている。又、デジタル入出力ポートは、ポート毎に入力ポート又は出力ポートに設定することができ、入出力の設定はソフトウェアスィッチの設定で行う。シリアルポートのインターフェイスは、ＲＳ２３２Ｃ、４２２Ａ、４２３Ａなどいかなるものであってもよいが、汎用性の面からはＲＳ２３２Cが好ましい。

上述した本監視システムによれば、山奥に設けられているため、また数が多すぎるためにテレメータ設備を設置することが困難であった簡易水道にも遠隔監視を導入することができる。また、複数の簡易水道を一括して監視することができるので、後々の監視対象物の増加に対しても浄水場側の設備を増やすだけで容易に対応することができる。

浄水量が日量１０００トン／日の簡易浄水場に設置した例について、以下に主要数値を示して説明する。
水位計（アナログ出力；〜DC２０ｍA）、流量計（シリアル出力；８ビット）、ポンプ動作（デジタル；オン／オフ）、変換ユニット、通信アンテナと、遠隔監視表示器（パソコン）、インターネット回線とを低軌道通信衛星および衛星地球局を介して接続する。この状態における通信データ量は３０日（１ヶ月）で合計２３８２byteであった。そして、この稼動に対し１ヶ月の無人監視ランニングコストは２，６２５円であり、従来のテレメトリー方式による電話線を引き込んだ場合のランニングコスト（設備新設費は含まず）１ヶ月６、５００円に比較して設備新設費は勿論のこと、ランニングコストで大幅に安いことが確認された。

本発明に係る水道浄水施設の遠隔監視システムの一形態を示す図である。 本発明に係る水道浄水施設の遠隔監視システムの浄水場および配水池の設備構成を表わす図である。 計測器によって測定されたデータが、変換ユニットを介して通信衛星端末に入力される形態を表わす図である。

符号の説明

Ａ（Ａ１、Ａ２、Ａ３） 通信アンテナ
Ｍ 水道施設機器（水位計、流量計、ポンプ稼動モニタ）
１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ） 通信衛星端末
２０ 低軌道通信衛星
６０ 監視センター
７０ 通信変換ユニット
７１ ８ビット機能付きメータ

Claims (4)

1. 水位計、流量計、ポンプ稼動モニタを含む水道施設機器を設け、該各水道施設機器に通信衛星端末を接続し、前記各水道施設機器から各種形式で発信されるデータを前記通信衛星端末でシリアルポートの信号に一括変換し、前記通信衛星端末から低軌道通信衛星を介して監視センターに送信し、得られたデータから前記各水道施設機器を監視することを特徴とする水道浄水施設の遠隔監視システム。
2. 前記各水道施設機器から発信されるデータの各種形式とは、アナログ出力形式、デジタル出力形式、シリアル出力形式から選択される一つあるいは複数の形式であることを特徴とする請求項１に記載の水道浄水施設の遠隔監視システム。
3. 前記シリアル出力形式で発信されるデータは電文信号であり、該電文信号は通信変換ユニットによりシリアルポート信号に変換されてから前記通信衛星端末に入力されることを特徴とする請求項１または２に記載の水道浄水施設の遠隔監視システム。
4. シリアルポートのインターフェイスは、ＲＳ２３２Cであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水道浄水施設の遠隔監視システム。
   

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