JP2009045510A - 水処理プラントの運転支援システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の過負荷状態または過電流の状態を、簡易な方法で効率的に監視できる水処理プラントの運転支援システムを提供することにある。
【解決手段】電動機３の過負荷状態または過電流の状態を監視する水処理プラントの運転支援システム２０において、コントローラ２１は、電動機３の電流を監視し、単位時間当たりの総電流量を算出する。コントローラ２１は、総電流量が予め設定された閾値を超えたときに、アラーム処理を実行する構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば上下水道プラントなどの水処理プラントの運転支援システムに関する。

従来、上下水道プラントなどの水処理プラントでは、例えば浄水を配水する配水プロセスにおいて、浄水を送水するポンプには所定の定格の電動機（モータ）が使用されている。これらの電動機は、定格の範囲内で運転されているときでも、過負荷における過電流などが生ずる場合がある。このような場合、通常では、過電流保護装置や温度の過昇防止装置などによって、電動機の損傷を防止する構造になっている。

しかしながら、全ての電動機に対して、過電流保護や温度の過昇防止装置が装備されているわけではない。また、過電流保護装置や過昇防止装置が作動すると、電動機の緊急停止となる場合が多いため、プラントの停止を招くなどの問題がある。このような問題を解消するために、電動機の過電流を監視して、緊急停止となる前に過負荷保護を行なう方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。また、電動機への通電時間を管理することにより、緊急停止となる前に電動機を保護する方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
特開平１１−１６４７５号公報 特開平１１−３０８７６１号公報

前述の先行技術文献に記載されている方法は、電動機の過負荷状態または過電流の状態を正確に把握できるため、電動機の状態監視としては有効な方法である。しかしながら、状態監視の設定処理として、情報や時間の設定に必要な作業の手間が多く、煩雑である。具体的には、長限時動作要素、短限時動作要素、長瞬時動作要素など、電動機に流れる電流の大きさによって、過電流を検出する時間を設定する必要がある。この場合、長限時動作要素、短限時動作要素、長瞬時動作要素の限時設定時間は、電動機の大きさや容量によってまちまちであるため、設定作業が煩雑となる。

そこで、本発明の目的は、電動機の過負荷状態または過電流の状態を、簡易な方法で効率的に監視できる水処理プラントの運転支援システムを提供することにある。

本発明の観点は、電動機に印加された総電力量を簡便な方法で推定することにより、電動機の過負荷状態または過電流の状態を監視する水処理プラントの運転支援システムである。

本発明の観点に従った水処理プラントの運転支援システムは、電動機を使用する水処理プラントにおいて、前記電動機の動作電流を監視する監視手段と、前記監視手段により検出される電流値に基づいて、単位時間当たりの総電流量を算出する手段と、前記総電流量が予め設定された閾値を超えたときに、アラーム出力を実行する警報手段とを備えた構成である。

本発明によれば、電動機の過負荷状態または過電流の状態を、簡易な方法で効率的に監視できる水処理プラントの運転支援システムを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
（システムの構成）
図１は、第１の実施形態に関する運転支援システムの構成を説明するためのブロック図である。

本実施形態のシステム２０は、例えば、上水道プラント（浄水プラント）に含まれる浄水を配水する配水プロセスの運転支援を行なう。この配水プロセスは、送水ポンプ用電動機３により、浄水処理により生成された浄水１０を浄水池１から配水池７まで送水するプロセスである。

浄水池１には、送水管２が接続されている。送水ポンプ用電動機３は、送水管２を通じて浄水池１から浄水１０を取水して、配水池７に送水する。吐出弁４は、送水ポンプ用電動機３により加圧された浄水１０を送水管５に流入させて、流量計６を介して配水池７に送水する。吐出弁４は、通常状態では弁が閉じられており、送水管５から送水管２へ浄水が逆流することを防止する。吐出弁４は、接続されている送水ポンプ用電動機３が起動しているときのみ、弁が開くように運用される。

配水池７に送られた浄水１０は、配水管８を介してそれぞれの需要家に送られる。配水池７に滞留する浄水１０の水位は、水位計９により測定されて、システム２０に伝送される。また、システム２０には、流量計６により測定された配水池７への浄水１０の流量も伝送される。

システム２０はコンピュータシステムから構成されており、メイン制御装置であるコントローラ２１と、入力装置２２と、各種の制御情報を表示するディスプレイを含む表示装置２３とを有する。コントローラ２１は、流量計６により計測される送水量に基づいて、送水ポンプ用電動機３の運転、停止を制御する。また、コントローラ２１は、送水ポンプ用電動機３に取り付けられた電流計により、電動機３に供給される動作電流を監視する。

（作用効果）
図２は、本実施形態のプラントにおいて、コントローラ２１により制御される送水ポンプ用電動機３の動作電流の時間変化１００を示す図である。

図２に示すように、プラントでは、経時とともに送水量が変化するため、送水ポンプ用電動機３の回転数が変化し、これに伴って動作電流も変化する。図３は、単位時間当たり（１分間当たり）の送水ポンプ用電動機３の電流総量（平均消費電流量）を示す図である。

以下、図３及び図４のフローチャートを参照して、コントローラ２１による送水ポンプ用電動機３の監視動作を説明する。

コントローラ２１は、送水ポンプ用電動機３の電流計からの計測信号を入力することにより、電動機３の動作時の電流（消費電流）を時系列で測定する（ステップＳ１）。コントローラ２１は、図３に示すように、測定した電流値を加算し、単位時間当たり（ここでは１分当たり）の電流総量値を算出する（ステップＳ２）。

次に、コントローラ２１は、予め設定されている閾値２００と、算出した電流総量値とを比較し、当該電流総量値が閾値２００を超えているか否かを判定する（ステップＳ３）。コントローラ２１は、単位時間当たりの電流総量値が閾値２００を超えている場合には、電動機３には過負荷または過電流の状態が発生していると判定し、所定のアラーム処理を実行する（ステップＳ３のＹＥＳ，Ｓ４）。

ここで、閾値２００は、電動機３のコイルの異常発熱または異常温度上昇により、電動機３が損傷する可能性が高くなる許容限度に相当する電流総量値である。従って、コントローラ２１は、電流総量値が閾値２００を超えている場合には、例えば電動機３が異常発熱により損傷する可能性が高いことを示唆するようなメッセージをアラーム発報として、表示装置２３のディスプレイに表示する。以上のような監視動作を、コントローラ２１は、プラントでの送水が終了するまで継続する（ステップＳ５）。

以上のように本実施形態のシステムであれば、送水ポンプ用電動機３の単位時間当たりの電流総量（平均消費電流量）を監視することにより、当該電動機３の過負荷または過電流の状態を監視することができる。電動機３に過電流が流れている場合、電動機３のコイルが発熱し、許容限度を超える異常発熱や異常温度上昇が発生し、電動機３が損傷する可能性が高くなる。即ち、電動機３が過負荷状態になると、過電流が電動機のコイルに流れて、コイルが溶融により断線したり、異常発熱によってコイルが焼損したりする。

そこで、本実施形態のシステムは、単位時間当たりの電流総量が閾値を超えた場合には、電動機３が許容限度を超える異常発熱や異常温度上昇が発生し、損傷する可能性が高くなることを警告する（アラームやガイダンスを出力する）。これにより、プラントのオペレータは、例えば送水ポンプ用電動機３を一時的に停止するような処置を行なうことができる。従って、電動機３の過電流や過負荷による発熱を抑制して、電動機３の異常発熱による損傷を未然に防止することが可能となるなど、効果的な上水道プラントの運転支援を実現することができる。

さらに、本実施形態のシステムは、送水ポンプ用電動機３に取り付けられた電流計からの動作電流値を入力して、総電力量を算出するだけで、煩雑な情報や時間の設定作業を必要としない。従って、簡便な方法により、送水ポンプ用電動機３の過負荷状態または過電流の状態を効率的に監視することができる。

（変形例）
図５は、本実施形態の変形例に関する図であり、例えば、下水道プラント（下水処理プラント）において、雨水を処理して河川などに放流するための雨水ポンプ場に設けられた流入ゲート用電動機の電流の時間変化を示す図である。なお、下水道プラントでの運転支援システムの構成は、基本的に図１に示すものと同様であるため、詳細な説明は省略する。

流入ゲート用電動機には、コントローラからの流入ゲートの動作指令に応じて一定の電流が流れる。これにより、流入ゲート用電動機が駆動することで、流入ゲートが稼働する。この場合、流入ゲート用電動機にはほぼ一定電流が流れるため、流入ゲート用電動機で消費される単位時間あたりの電力は、単位時間当たりの流入ゲートの動作時間に比例する。

図６は、図５に示すような流入ゲート用電動機の動作状態から、流入ゲート用電動機の単位時間当たり（１分当たり）の総動作時間を算出した結果を示す図である。

コントローラは、図６に示すような単位時間当たりの総動作時間を算出し、予め設定された閾値３００を超えている場合には、流入ゲート用電動機には異常発熱の状態が発生していると判定し、所定のアラーム処理を実行する。ここで、流入ゲート用電動機の発熱量は、消費される単位時間あたりの電力に比例する。流入ゲート用電動機の電流量はほぼ一定であるため、流入ゲート用電動機で消費される単位時間あたりの電力は、単位時間あたりの総運転時間に比例する。

従って、システムは、単位時間当たりの流入ゲート用電動機の総運転時間を監視することにより、当該電動機の発熱量が閾値３００を超える異常発熱または異常温度上昇を監視することが可能となる。システムは、流入ゲート用電動機が許容限度を超える異常発熱や異常温度上昇が発生したことをアラーム発報やガイダンス出力を実行することで、当該電動機の異常発熱による損傷を未然に防止することが可能となる。これにより、効果的な下水道プラントの運転支援を実現することができる。

なお、前述の第１の実施形態において、送水ポンプ用電動機３は、通常では、可変速モータが使用される。これに対して、本変形例では、流入ゲート用電動機としては、固定速モータが使用されることが多い。

また、第１の実施形態及び変形例において、上水道プラントに適用される電動機であれば、取水ポンプ用電動機、導水ポンプ用の電動機、吐出ポンプ用の電動機、急速ろ過池表洗ポンプ用電動機、急速ろ過池逆洗ポンプ用電動機、排泥池ポンプ用電動機、浄水池ポンプ用電動機、配水ポンプ用電動機などにも適用可能である。

また、下水道プラントに適用される電動機であれば、雨水ポンプ用電動機、汚水ポンプ用電動機、エアレーションタンクブロア用電動機、下水処理場の流入ゲート用電動機、簡易放流ゲート用電動機、雨水滞留池の流入ゲート用電動機などにも適用可能である。

［第２の実施形態］
図７及び図８は、第２の実施形態に関する運転支援システムの動作を説明するための図である。なお、当該運転支援システムの構成は、基本的に図１に示すものと同様であるため、詳細な説明は省略する。

図７は、本実施形態に関するシステムにおいて、例えば送水ポンプ用電動機（以下単に電動機と表記する）の運転許容曲線４００を示す図である。運転許容曲線４００は、後述する電動機の負荷時間率に基づいて、電動機の運転状態が許容発熱状態である運転許容領域と、許容限度を超えるアラーム発報領域（不許容運転領域）とを分ける閾値である。即ち、運転状態値は、負荷時間率ＥＤに対して、電動機の１分間あたりの起動回数（回／min）、電動機負荷の電動機軸換算の慣性モーメント、及び電動機回転子の慣性モーメントの各パラメータからなる関係式を用いて求められる。

具体的には、以下の式（１），（２）により、運転状態値ＧＤ^２を求めることができる。ここで、電動機の１分間あたりの起動回数（回／min）をｎとし、電動機から見た負荷側の慣性モーメントをＩ_L（kg・m²）とし、電動機回転子の慣性モーメントをＩ_Ｒ（kg・m²）とする。また、電動機の運転時間と停止時間とを用いて求められる負荷時間率をＥＤ（％）とする。

ＧＤ²＝Ｉ_L＋Ｉ_Ｒ（kg・m²）…（１）
ＥＤ＝運転時間／（運転時間+停止時間）…（２）
以下、図８のフローチャートを参照して、本実施形態のシステムの動作を説明する。

まず、システムは、前記式（１），（２）を使用して、負荷時間率をＥＤ（％）に対する運転状態値（ＧＤ²）を算出する（ステップＳ１１）。システムは、予め使用する電動機の定格に基づいて設定された運転許容曲線（閾値）４００をデータベースとして記憶装置に保持している。システムは、算出した運転状態値（ＧＤ²）と、運転許容曲線４００とを比較する（ステップＳ１３）。

システムは、運転許容曲線４００に対して、電動機の運転状態（ＧＤ²）が許容発熱状態を超えるアラーム発報領域の運転状態である場合には、アラーム処理（アラーム発報やガイダンス出力）を実行する（ステップＳ１３のＹＥＳ，Ｓ１４）。以上のような監視動作を、システムは、例えばプラントでの送水が終了するまで継続する（ステップＳ１５）。

以上のように本実施形態のシステムは、例えば送水ポンプ用電動機の運転状態が、図７に示す運転許容曲線４００に基づいてアラーム発報領域にある場合には、当該電動機には許容限度を超える異常発熱や異常温度上昇が発生していると判定する。この判定に伴って、システムは、電動機が許容限度を超える異常発熱や異常温度上昇が発生し、損傷する可能性が高くなることを警告する（アラームやガイダンスを出力する）。従って、電動機の過電流や過負荷による発熱を抑制して、電動機の異常発熱による損傷を未然に防止することが可能となる。

なお、本実施形態においても、上水道プラントに適用される電動機であれば、取水ポンプ用電動機、導水ポンプ用の電動機、吐出ポンプ用の電動機、急速ろ過池表洗ポンプ用電動機、急速ろ過池逆洗ポンプ用電動機、排泥池ポンプ用電動機、浄水池ポンプ用電動機、配水ポンプ用電動機などにも適用可能である。また、下水道プラントに適用される電動機であれば、雨水ポンプ用電動機、汚水ポンプ用電動機、エアレーションタンクブロア用電動機、下水処理場の流入ゲート用電動機、簡易放流ゲート用電動機、雨水滞留池の流入ゲート用電動機などにも適用可能である。

［第３の実施形態］
図９及び図１０は、第３の実施形態に関する運転支援システムの動作を説明するための図である。なお、当該運転支援システムの構成は、基本的に図１に示すものと同様であるため、詳細な説明は省略する。

本実施形態は、下水道プラントにおいて、し渣を粉砕処理するプロセスに使用される粉砕機用電動機の運転を監視する運転支援システムである。図９及び図１０は、当該粉砕機用電動機の電流の時間変化を示す図である。

まず、し渣は、雨水処理や汚水処理の処理水に含まれる材木や浮遊物などの固形成分である。下水道プラントでは、流入水に含まれるこれらの固形成分を粉砕して、処理する必要がある。図９及び図１０に示すように、処理水に含まれるし渣の大きさや硬度によって、粉砕機用電動機に流れる電流は大きく変化する。し渣を粉砕処理するプロセスにおいて、し渣が粉砕機内に閉塞して過負荷が生じると、粉砕機用電動機の電流値が急激に増加して過負荷状態となる。

そこで、本実施形態のシステムは、図９に示すように、粉砕機用電動機の電流値に上限閾値５００を設定し、電流値が閾値５００を超えたときにアラーム処理（アラーム発報やガイダンス出力）を実行する。これにより、粉砕機用電動機が過負荷状態による異常発熱で損傷するような事態を未然に防止することができる。

また、し渣がアーチを形成し、粉砕不良などの不具合が生じている場合には、図１０に示すように、粉砕機用電動機に流れる電流が急激に減少して無負荷状態になる。そこで、本実施形態のシステムは、図１０に示すように、粉砕機用電動機の電流値に下限閾値６００を設定し、電流値が閾値６００を下回ったときにアラーム処理（アラーム発報やガイダンス出力）を実行する。これにより、粉砕機には粉砕不良などの不具合が生じていることを警告することにより、粉砕機が損傷するような事態を未然に防止することができる。

以上のように本実施形態のシステムであれば、特に下水道プラントにおいて、し渣を粉砕処理するプロセスに使用される粉砕機用電動機の運転を効果的に監視する運転支援システムを提供するこができる。

なお、本実施形態の変形例として、下水処理プラントの流入下水に含まれる砂や汚泥を沈殿させる沈砂池設備において、沈殿物を掻き揚げる揚砂機用電動機の運転状態を監視するシステムにも適用できる。具体的には、システムは、揚砂機用電動機の電流値が、予め設定された閾値の範囲から外れた場合に、揚砂機の下降速度が大き過ぎると判定する。従って、システムは、揚砂機用電動機の電流値が閾値を超えたときに、揚砂機の下降速度が大き過ぎることを示すアラーム処理（アラーム発報やガイダンス出力）を実行する。これにより、揚砂機が損傷するような事態を未然に防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関する運転支援システムの構成を説明するためのブロック図。 第１の実施形態に関する送水ポンプ用電動機の電流の時間変化を示す図。 第１の実施形態に関する単位時間当たりの送水ポンプ用電動機の電流総量を示す図。 第１の実施形態に関する運転支援システムの動作を説明するためのフローチャート。 第１の実施形態の変形例に関する電動機の電流の時間変化を示す図。 本変形例に関する単位時間当たりの総動作時間を示す図。 第２の実施形態に関する電動機の運転許容曲線を示す図。 第２の実施形態に関する運転支援システムの動作を説明するためのフローチャート。 第３の実施形態に関する粉砕機用電動機の電流の時間変化を示す図。 第３の実施形態に関する粉砕機用電動機の電流の時間変化を示す図。

符号の説明

１…浄水池、２…送水管、３…送水ポンプ用電動機、４…吐出弁、５…送水管、
６…流量計、７…配水池、７…配水池、８…配水管、９…水位計、
１０…浄水、２０…運転支援システム、２１…コントローラ、２２…入力装置、
２３…表示装置。

Claims (11)

1. 電動機を使用する水処理プラントにおいて、
   前記電動機の電流を監視する監視手段と、
   前記監視手段により検出される電流値に基づいて、単位時間当たりの総電流量を算出する手段と、
   前記総電流量が予め設定された閾値を超えたときに、所定の警告を行なう警報手段と
   を具備したことを特徴とする水処理プラントの運転支援システム。
2. 電動機を使用する水処理プラントにおいて、
   前記電動機の動作時間を監視する監視手段と、
   前記監視手段により検出される動作時間に基づいて、単位時間当たりの総動作時間を算出する手段と、
   前記総動作時間が予め設定された閾値を超えたときに、所定の警告を行なう警報手段と
   を具備したことを特徴とする水処理プラントの運転支援システム。
3. 電動機を使用する水処理プラントにおいて、
   前記電動機の運転時間と停止時間から算出される負荷時間率に対して、前記電動機の負荷慣性モーメントと単位時間当たりの起動回数から運転状態値を算出する手段と、
   前記電動機の運転状態値と、予め電動機の定格に基づいて設定された運転許容値とを比較して、前記電動機の運転状態値が前記運転許容値を超えているか否かを判定する手段と、
   前記運転状態値が前記運転許容値を超えている場合に、所定の警告を行なう警報手段と
   を具備したことを特徴とする水処理プラントの運転支援システム。
4. 前記警報手段は、
   前記電動機が損傷する可能性が高いことを示唆するアラーム発報またはガイダンス情報の出力を行なうように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水処理プラントの運転支援システム。
5. 前記電動機は、上下水道プラントに適用される可変速モータまたは固定速モータのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水処理プラントの運転支援システム。
6. 前記電動機は、上水道プラントに適用されるポンプ用電動機であって、
   取水ポンプ用電動機、導水ポンプ用の電動機、吐出ポンプ用の電動機、急速ろ過池表洗ポンプ用電動機、急速ろ過池逆洗ポンプ用電動機、排泥池ポンプ用電動機、浄水池ポンプ用電動機、配水ポンプ用電動機、送水ポンプ用電動機のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水処理プラントの運転支援システム。
7. 前記電動機は、下水道プラントに適用される電動機であって、
   雨水ポンプ用電動機、汚水ポンプ用電動機、エアレーションタンクブロア用電動機、雨水ポンプ場の流入ゲート用電動機、下水処理場の流入ゲート用電動機、簡易放流ゲート用電動機、雨水滞留池の流入ゲート用電動機のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水処理プラントの運転支援システム。
8. し渣を粉砕処理する粉砕機用電動機を有する水処理プラントにおいて、
   前記粉砕機用電動機の電流を監視する監視手段と、
   前記監視手段により検出される電流値が、予め設定された閾値の範囲から外れたか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定結果が前記閾値の範囲を外れている場合に、所定の警告を行なう警報手段と
   を具備したことを特徴とする水処理プラントの運転支援システム。
9. 前記判定手段は、前記閾値の上限値より前記電流値が超えているか否かを判定し、
   前記警告手段は、前記判定手段の判定結果が前記電流値が前記閾値の上限値を超えている場合には、前記粉砕機用電動機が許容限度の過負荷状態にあることを警告することを特徴とする請求項８に記載の水処理プラントの運転支援システム。
10. 前記判定手段は、前記閾値の下限値より前記電流値が減少している否かを判定し、
    前記警告手段は、前記判定手段の判定結果が前記電流値が前記閾値の下限値より減少している場合には、前記し渣の粉砕不良状態が発生していることを警告することを特徴とする請求項８に記載の水処理プラントの運転支援システム。
11. 下水処理プラントの流入下水に含まれる砂や汚泥を沈殿させる沈砂池設備を有する水処理プラントにおいて、
    前記沈砂池設備に設けられて、沈殿物を掻き揚げる揚砂機用電動機の電流を監視する監視手段と、
    前記監視手段により検出される電流値が、予め設定された閾値の範囲から外れたか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段の判定結果が前記閾値の範囲を外れている場合に、揚砂機の下降速度が大き過ぎることを警告する警報手段と
    を具備したことを特徴とする水処理プラントの運転支援システム。

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