JP2008196889A - 水質計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】流量計や圧力計を用いず、水質センサの値からポンプの汲み上げ量を推定してポンプの目詰まり具合やその進行度を予測することにより、メンテナンス時期がタイムリーに把握できることで維持管理の効率化が可能となる水質計測システムを提供する。
【解決手段】下水道施設１１から、ストレーナ１６及び配管１５を介してポンプ１４により試料水を汲み上げ、この試料水を流液型の水質計測装置１２で計測する。ポンプ１４は定期的に停止させ、このポンプ１４の停止に伴う水質計測装置１２の欠測状態からポンプ１４の運転再開による計測復帰までの時間Ｔを測定し、流量推定手段２６により、この測定された時間Ｔと計測部までの配管１５の長さＬ及び配管断面積Ａからポンプ汲み上げ流量Ｑを推定する。この推定されたポンプ汲み上げ流量の時系列データの経時変化を基にして、目詰まり時期予測手段２８により、ストレーナ１６や配管１５の目詰まり時期を予測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水管、貯留管、滞水池、下水処理場、ポンプ場などの下水道施設に設置された水質計測システムに関する。

下水中の懸濁物質（ＳＳ）、化学的酸素要求量 (ＣＯＤ)、生物学的酸素要求量 (ＢＯＤ)、全有機炭素量（ＴＯＣ）、アンモニア濃度などの水質を測定する水質計測装置では、一般に光学測定、重量測定、滴定など化学反応を利用した測定あるいは電気的な測定が行われている。また、その試料水導入形態は、ポンプなどによって採取した試料水を計測部まで運んで計測する流液型と、検出部あるいは計測器本体を水中に保つ浸漬型とがある。

流液型の水質計測装置では、検出部のメンテナンスの他にも、ストレーナや配管の汚れを洗浄するためのメンテナンスを定期的に行う必要がある。異常判断や洗浄を自動で行うためには、水質計測装置の異常を圧力計により検知して、センサ出力抑制あるいは配管洗浄を行う方法もある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３２１１９５号公報

一般に、下水水質を計測する場合、下水中の油脂や紙くず、毛髪などの夾雑物が付着するため、長期間連続して測定することが困難であった。特に、サンプル水をポンプにより汲み上げる機構をもつ計測システムでは、夾雑物をさらに吸い寄せてしまうので、ストレーナや配管の目詰まりが顕著となる。このため、汲み上げ量が不安定になったり、最悪の場合は空回りによりポンプが破損する恐れがあった。

一方、異常を検出するために、サンプリング用のポンプに配管圧力計や流量計を設置することはコストが割高となり、敬遠される傾向があった。

本発明の目的は、流量計や圧力計を用いず、水質センサの値からポンプの汲み上げ量を推定してポンプの目詰まり具合やその進行度を予測することにより、メンテナンス時期がタイムリーに把握できることで維持管理の効率化が可能となる水質計測システムを提供することにある。

本発明による水質計測システムは、下水道施設から、ストレーナ及び配管を介して試料水を汲み上げるポンプと、このポンプよって汲み上げられた試料水を計測する流液型の水質計測装置と、前記ポンプを定期的に停止させ、このポンプ停止に伴う前記水質計測装置の欠測状態からポンプの運転再開による計測復帰までの時間を測定し、この測定された時間と水質計測装置までの前記配管の長さ及び配管断面積からポンプ汲み上げ流量を推定する流量推定手段と、この流量推定手段により求められたポンプ汲み上げ流量の時系列データの経時変化を基にして前記ストレーナや配管の目詰まり時期を予測する目詰まり時期予測手段とを備えたことを特徴とする。

本発明では、目詰まり時期予測手段は、ある一定のポンプ実揚程の下でのポンプ汲み上げ流量の時系列データから成る、べき乗多項式により表現された演算モデルを用いて、現時点より先の汲み上げ流量を外挿する劣化曲線外挿手段を含む。

また、本発明では、目詰まり時期予測手段は、ポンプ汲み上げ流量の時系列データの不連続な流量変化を検出する劣化曲線不連続部検出手段を含む。

また、本発明では、目詰まり時期予測手段は、ポンプ汲み上げ流量の時系列データに反比例する時系列データを配管およびストレーナの汚れの指標として出力する手段を有する。

また、本発明では、目詰まり時期予測手段は、ある一定のポンプ実揚程の下でのポンプ汲み上げ流量の時系列データから成る、べき乗多項式により表現された演算モデルを用いて外挿した現時点より先の汲み上げ流量に反比例する時系列データを、配管およびストレーナの汚れの予測値として出力するとよい。

また、本発明では、目詰まり時期予測手段により求められた目詰まりの段階に応じて配管やストレーナを洗浄する洗浄装置とその制御手段を有する構成でもよい。

また、本発明では、目詰まり時期予測手段により求められた目詰まりの段階に応じて配管やストレーナに対する次回以降の洗浄タイミングを予め知らせる手段を有する構成でもよい。

さらに、本発明では、流量推定手段及び目詰まり時期の予測手段の少なくともいずれかで用いられる演算モデルとそのパラメータの値の少なくとも一方を、蓄積された過去のデータを用いてオンラインで変更する演算式変更部を有する構成でもよい。

本発明によれば、流量計や圧力計を用いることなく、目詰まり具合やその進行度を予測するので、下水の水質計測システムとしてのメンテナンス時期がタイムリーに把握できることで維持管理の効率化が可能となる。

以下、本発明による水質計測システムの一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１はこの実施の形態による水質計測システムの全体構成を示しており、下水管、貯留管、滞水池、下水処理場、ポンプ場などの下水道施設１１に設置されている。この水質計測システムは、水質計測装置１２、水位計１３、試料水を汲み上げるポンプ１４、配管１５、配管の先に付けたストレーナ１６、監視制御装置１７のハードウェアから構成される。

水質計測装置１２は、下水道施設１１からストレーナ１６及び配管１５を介してポンプ１４によって採取され、計測部まで運ばれた試料水の水質を計測する流液型のもので、ＳＳ (懸濁物質)、ＣＯＤ(化学的酸素要求量)、ＢＯＤ(生物学的酸素要求量)、ＴＯＣ (全有機炭素量)，アンモニア濃度など水質を連続測定する。

監視制御装置１７は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）やプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等の一つまたは複数の計算機で実現される。この監視制御装置１７には、水位計１３と水質計測装置１２の出力信号が伝送され、入力される。また、この監視制御装置１７は、計測している水位および水質のデータロガー１９、タイマー２０、ポンプ制御部２１、配管およびストレーナの目詰まり予測演算部２２、ガイダンス作成表示部２３、アラーム発報部２４を有する。

図２は目詰まり予測演算部２２の機能を表すブロック図である。図２において、２６は流量推定手段、２７は劣化曲線同定手段、２８は目詰まり時期予測手段、２９は欠測内挿手段で、これらの演算結果により、前述したガイダンス作成表示部２３やアラーム発報部２４を動作させる。

この目詰まり予測演算部２２は、ポンプ１４により汲み上げられた試料水が水質計側装置１２に送られ、水質計測が実施されることにより、ストレーナ１６や配管１５に生じる目詰まりの程度を予測演算するものである。先ず、その予測演算の基本的な考え方を説明する。

図３はポンプ１４に関する公知のＱ−Ｈ特性曲線であり、配管抵抗の増大により揚水能力が劣化していく様子を示している。すなわち、ポンプの運転時間が経つにつれて、ストレーナ１６や配管１５に汚れが付着したり、紙くず、毛髪などの夾雑物が巻きついたりして目詰まりが起こり、配管抵抗が増大し、汲み上げ流量は徐々に減少する。そして、ポンプ運用範囲を超えると、ポンプが空回りし、故障を引き起こす事態が生じる。また、何か大きな夾雑物が巻き付きついたことなどで、急激に流量が低下する場合もある。

図４は，同一揚程時の流量の経時変化を表す曲線である。汚れや夾雑物が付着し配管抵抗が増大すると、流量は一般的に経時劣化してゆくと考えられる。この曲線を便宜上劣化曲線と呼ぶことにする。目詰まり予測機能では、図４の劣化曲線の外挿手段により、目詰まりが起こるまでの時間を予測する。以下にその予測方法を説明する。

まず、定期的に、ポンプ１４により汲み上げられる流量を得る。この場合、圧力計や流量計を使用せずに、以下の手法により推定する。

図５は流量測定原理を示す図であり、図６はそのフローチャートである。ある時間帯かつある一定の実揚程の下で、ポンプ１４を停止して一旦水質測定装置１２の測定値（以下、センサ値と呼ぶ）を欠測させる。この後、ポンプ１４を起動してセンサ値が正常復帰するまでの時間Ｔを計測する。この時間Ｔを、試料水が配管１５をせり上がってゆく時間と仮定し、既知の配管長ＬからＬ／Ｔにて流速を計算する。さらに、既知の配管断面積Ａと補正係数ｋをかけてポンプ汲み上げ流量Ｑ＝ｋＡＬ／Ｔを計算する。

すなわち、図２で示した流量推定手段２６は、ポンプ１４を定期的に停止させ、このポンプ停止に伴う水質計測装置１２の欠測状態からポンプ１４の運転再開による計測復帰までの時間Ｔを測定し、この測定された時間Ｔと計測部までの配管１５の長さＬ及び配管断面積Ａからポンプ汲み上げ流量Ｑを推定する。これにより、ポンプ１４を定期的に停止させた後の各運転再開時におけるポンプ１４の汲み上げ流量Ｑをそれぞれ推定することができる。

図２で示した劣化曲線同定手段２７は、流量推定手段２６により求められたポンプ汲み上げ流量を用いて図４で示した非線形劣化曲線のシステム同定を行う。

また、図２で示した目詰まり時期予測手段２８は、流量推定手段２６により求められたポンプ汲み上げ流量の時系列データの経時変化、すなわち、システム同定された非直線の劣化曲線を基にしてストレーナ１６や配管１５の目詰まり時期を予測するものであり、劣化曲線外挿手段２８Ａと劣化曲線不連続部検出手段２８Ｂとを含んでいる。

このうち、先ず劣化曲線外装手段２８Ａについて説明する。この劣化曲線外挿手段２８Ａは、以下に示す（１）式のような非線形の、べき乗多項式により表現されたパラメトリックな劣化曲線モデルにより、現時刻より先の流量を外挿する。この劣化曲線モデルを用いて流量が規定値以下に達するまで外挿を行い、その時刻から逆算して目詰まりの時期を予測する。

Q(t+1)=α₁₁Q(t)+α₁₂Q(t−1)+α₁₃Q(t−2)+ α₁₄Q(t−3)+・・・
+α₂₁Q² (t) +α₂₂Q² (t−1) +α₂₃Q² (t−2) +α₂₄Q² (t−3) +・・・
+α₃₁Q³ (t) +α₃₂Q³ (t−1) +α₃₃Q³ (t−2) +α₃₄Q³ (t−3) +・・・
・
・
・ ・・・（１）
ここで、Ｑ(t)は現時刻ｔのポンプ揚水量Ｑ(t−1)、Ｑ(t−2)、Ｑ(t−3)、・・・は、それぞれ１ステップ前、２ステップ前、３ステップ前、・・・の時刻のポンプ揚水量である。また、α₁₁，・・・、α₂₁，・・・、α₃₁，・・・、は係数パラメータである。

すなわち、劣化曲線外挿手段２８Ａは、流量推定手段２６により求められたポンプ汲み上げ流量Ｑの時系列データの経時変化を基にし、（１）式で示す劣化曲線モデルを用いて流量が規定値以下に達するまで外挿を行い、その時刻から逆算して、前記ストレーナ１６や配管１５の目詰まり時期を予測する。そして、予測された目詰まり時期をガイダンス作成表示部２３に出力し、ガイダンス表示を行わせる。

次に、劣化曲線不連続部検出手段２８Ｂについて説明する。ポンプ１４の運転中において、何か大きな夾雑物が巻きついたり、引っ掛かったりするなど、著しい目詰まりが起こった場合は、アラームを発報して警告する必要がある。このような事態が発生すると、ポンプ１４による汲み上げ流量は、図７のように急激な流量低下など劣化曲線の不連続点として表れる。そこで、この不連続点を検出することにより、上述した著しい目詰まりが発生したことを検出する。このような時系列データの不連続点を検出する方法としては、公知技術であるフーリエ変換やウェブレット変換をはじめとする時間周波数解析手段により実現可能である。

すなわち、劣化曲線不連続点検出手段２８Ｂは、上述した時間周波数解析手段によりポンプ汲み上げ流量の時系列データの不連続な流量低下を検出する。そして、アラーム発報手段２４に対し、著しい目詰まりが発生したこと警告する発報指令を出力する。

図２で示した欠測内挿手段２９は、図８のように、流量計測の際に意図的に欠測させたセンサ値を内挿により補完するものである。すなわち、前述したように、ポンプ１４の汲み上げ流量を推定するために、定期的にポンプ１４の運転を停止させているために、水質計側装置１２によるセンサ値に欠測が生じる。そこで、このような意図的に欠測させたセンサ値を内挿により補完している。

上記構成において、監視制御装置１７では、制御部２１によりポンプ１４を運転させ、下水道施設１１から試料水を汲み上げ水質計測装置１２に送っている。水質計測装置１２では、送られてきた試料水について各種の水質を計測し、その結果を監視制御装置１７のデータロガー１９へ送り、記録させている。この他、下水処理施設１１の水位も、水位計１３での測定値をデータロガー１９に入力させ、記録している。

このような運転状態が継続すると、ストレーナ１６や配管１５に汚れが付着したり、紙くず、毛髪などの夾雑物が巻きついたりして目詰まりが起こり、配管抵抗が増大し、汲み上げ流量は徐々に減少する。また、何か大きな夾雑物が巻き付きついたことなどで、急激に流量が低下する場合もある。

そこで、このような目詰まり状態を監視するため、監視制御装置１７では、タイマー２０により、所定の時間間隔で定期的にポンプ１４の運転を停止させ、流量推定手段２６により各時点でのポンプ汲み上げ流量を推定する。すなわち、図６で示すように、ある時間帯かつある一定の実揚程の下（ステップ６０１，６０２，６０３）で、ポンプ１４を停止して一旦水質測定装置１２のセンサ値を欠測させる（ステップ６０４，６０５）。この後、ポンプ１４を起動して（ステップ６０６）、センサ値が正常復帰するまでの時間Ｔを計測する（ステップ６０７，６０８）。この時間Ｔを、試料水が配管１５をせり上がってゆく時間と仮定し、既知の配管長Ｌと既知の配管断面積Ａと補正係数ｋをかけてポンプ汲み上げ流量Ｑ＝ｋＡＬ／Ｔを計算する（ステップ６０９）。

このようにして得られた各時点でのポンプ汲み上げ流量値の経時変化を基にして、目詰まり時期予測手段２８は、図４で示す劣化曲線によりストレーナ１６や配管１５の目詰まり時期を予測する。すなわち、劣化曲線外挿手段２７Ａは、前記（１）式による劣化曲線モデルを用いて流量が規定値以下に達するまで外挿を行い、その時刻から逆算して目詰まりの時期を予測する。

この劣化曲線外挿手段２８Ａにより求められた目詰まり時期は、目詰まり時期予測値としてガイダンス作成表示部２３に出力され、ガイダンス表示される。これにより、管理者は目詰まり時期を把握して対応策をとることができる。

また、大きな夾雑物が巻きついたり、引っ掛かったりするなど、著しい目詰まりが起こった場合は、図７のように急激な流量低下など劣化曲線の不連続点として表れるので、劣化曲線不連続点検出手段２８Ｂによりこの不連続点を検出し、上述した著しい目詰まりが発生したことを検出する。この検出結果は、アラーム発報手段２４に対し出力され、著しい目詰まりが発生したこと警告する発報が行われる。

これらの結果、配管系の目詰まりの時期を予測できるので、メンテナンスが必要な時期がわかる。 また、サンプリングポンプ異常の兆候を検出してアラームを発するので、サンプリングポンプ破損の危険性が低減する。さらに、下水道施設に一般に備え付けられている水位計１３や水質計測装置１２自体のセンサ値のみを使用して目詰まりの予測ができるので、流量計や圧力計など異常検出のための余分なセンサをつけなくてもよく、設備コストを低減できる。

なお、図２で示した目詰まり時期予測手段２８として、図示しないが、ポンプ１４の汲み上げ流量の時系列データに反比例する時系列データを配管およびストレーナの汚れの指標として出力する手段を設けるとよい。すなわち、図２で示した演算ブロックに、ある一定の実揚程の下で計算したポンプ汲み上げ流量に反比例する変量を計算する演算ブロックを加え、図９で示す汚れの度合いを表す曲線を得る。この曲線をガイダンス作成表示部２３に出力して表示させれば、ストレーナ１６や配管１５が汚れていったり、詰まっていったりする様子がより視覚的に理解できる。

次に、図１０で示す実施の形態を説明する。この実施の形態では、上述した実施の形態に対して配管１５およびストレーナ１６の洗浄装置３１を付加したものである。他は、図１で示した実施の形態と同じであり対応する部分に同一符号を付し説明は省略する。図１１は、図１０における目詰まり演算部２２の演算ブロック図であり、図１０で示した洗浄装置３１の制御手段３２が付加されている。

この実施の形態では、図１１で示すように、目詰まり時期予測手段２８により求められた目詰まりの段階に応じて、制御手段３２を介して自動洗浄装置３１を作動させ、配管１５やストレーナ１６を洗浄するように構成している。自動洗浄装置３１としては、公知の超音波洗浄、水洗浄、逆洗浄などを用いる。

この実施の形態では、上述のように目詰まりの段階に応じて自動洗浄がかかるので、メンテナンスの回数や周期、手間を減らすことができる。また、単純にタイマーで自動洗浄をかける方法と比較しても、洗浄装置の機械寿命や消耗品の延命につながる。

また、目詰まり時期予測手段２８により求められた目詰まりの段階に応じて、配管１５やストレーナ１６に対する次回以降の洗浄タイミングを予め知らせるようにしてもよい。

次に、図１２で示す実施の形態を説明する。この実施の形態では、図１２で示すように、配管目詰まり予測演算部２２で用いられる演算モデルの演算式とパラメータ値の双方もしくは一方を、オンラインで変更する演算式変更部３３を機能として付加したものである。すなわち、配管目詰まり予測演算部２２を構成する流量推定手段２６及び目詰まり時期の予測手段２８には、前述した各種の演算式が設定されているが、これらの少なくともいずれかで用いられる演算モデルとそのパラメータの値の少なくとも一方を、蓄積された過去のデータを用いてオンラインで変更する機能を有するものである。

その方法としては、蓄積された過去のデータに対して、公知技術である様々な機械学習方法や、カルマンフィルター、最小自乗法などで実施することができる。このようにすると、プロセスの経時変化に対応できるので、目詰まり予測の精度が向上する。また、手動で演算式はパラメータ値を調整する手間を省くことができる。

図１３は上述した各種の機能を水質計測装置１２の制御用マイコンあるいは制御基板１２２上に実装したものである。このように構成することにより、規模の大きい監視制御装置１７を必要とせず、コンパクトに実現することができる。

本発明による水質計測システムの一実施の形態を示す全体構成図である。 同上一実施の形態における要部構成を示す機能ブロック図である。 同上一実施の形態におけるポンプに対する抵抗と流量との関係を説明する特性図である。 同上一実施の形態における劣化曲線と詰まるまでの期間との関係を示す特性図である。 同上一実施の形態におけるポンプ停止操作と、その後の運転再開時に正常計測状態に復帰するまでの時間との関係を説明する特性図である。 同上一実施の形態における図５の操作によりポンプ汲み上げ流量を推定する動作を説明するフローチャートである。 同上一実施の形態における劣化曲線に不連続店が生じた場合を説明する特性図である。 同上一実施の形態におけるポンプ運転停止に伴う水質計測装置の欠測値を内挿により補完することを説明する特性図である。 同上一実施の形態における劣化曲線を反転させた汚れの程度を表す曲線を示す特性図である。 本発明の洗浄装置を設けた実施の形態を説明する全体構成図である。 図１０で示した実施の形態における要部構成を示す機能ブロック図である。 本発明の演算式変更部を設けた実施の形態を示す全体構成図である。 本発明の各機能を水質計測そうちの制御器本上に実装した実施形態を示す全体構成図である。

符号の説明

１１ 下水道施設
１２ 水質計測装置
１３ 水位計
１４ ポンプ
１５ 配管
１６ ストレーナ
１７ 監視制御装置
２６ 流量推定手段
２８ 目詰まり時期予測手段
２８Ａ 劣化曲線外挿手段
２８Ｂ 劣化曲線不連続部検出手段
３１ 洗浄装置
３２ 洗浄装置の制御手段
３３ 演算式変更部

Claims (8)

1. 下水道施設から、ストレーナ及び配管を介して試料水を汲み上げるポンプと、
   このポンプよって汲み上げられた試料水を計測する流液型の水質計測装置と、
   前記ポンプを定期的に停止させ、このポンプ停止に伴う前記水質計測装置の欠測状態からポンプの運転再開による計測復帰までの時間を測定し、この測定された時間と水質計測装置までの前記配管の長さ及び配管断面積からポンプ汲み上げ流量を推定する流量推定手段と、
   この流量推定手段により求められたポンプ汲み上げ流量の時系列データの経時変化を基にして前記ストレーナや配管の目詰まり時期を予測する目詰まり時期予測手段と
   を備えたことを特徴とする水質計測システム。
2. 目詰まり時期予測手段は、ある一定のポンプ実揚程の下でのポンプ汲み上げ流量の時系列データから成る、べき乗多項式により表現された演算モデルを用いて、現時点より先の汲み上げ流量を外挿する劣化曲線外挿手段を含む請求項1に記載の水質計測システム。
3. 目詰まり時期予測手段は、ポンプ汲み上げ流量の時系列データの不連続な流量変化を検出する劣化曲線不連続部検出手段を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水質計測システム。
4. 目詰まり時期予測手段は、ポンプ汲み上げ流量の時系列データに反比例する時系列データを配管およびストレーナの汚れの指標として出力する手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水質計測システム。
5. 目詰まり時期予測手段は、ある一定のポンプ実揚程の下でのポンプ汲み上げ流量の時系列データから成る、べき乗多項式により表現された演算モデルを用いて外挿した現時点より先の汲み上げ流量に反比例する時系列データを、配管およびストレーナの汚れの予測値として出力する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の水質計測システム。
6. 目詰まり時期予測手段により求められた目詰まりの段階に応じて配管やストレーナを洗浄する洗浄装置とその制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の水質計測システム。
7. 目詰まり時期予測手段により求められた目詰まりの段階に応じて配管やストレーナに対する次回以降の洗浄タイミングを予め知らせる手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の水質計測システム。
8. 流量推定手段及び目詰まり時期の予測手段の少なくともいずれかで用いられる演算モデルとそのパラメータの値の少なくとも一方を、蓄積された過去のデータを用いてオンラインで変更する演算式変更部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の水質計測システム。

Images