JP2011196276A - 負荷制御装置及び負荷制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力量を削減しつつ制御対象値を制御目標値に制御すること。
【解決手段】評価関数算出部１４が、所定時間Ｔ_Ａ内における吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転台数を規定した複数の運転パターンについて、その運転パターンで吸水ポンプＰ１〜Ｐ３を制御した場合の汚水４の水位と目標水位との水位偏差Ｈ_Ｌ及び消費電力量Ｈ_Ｅを含む評価関数Ｈを算出し、ポンプ制御部１５が、算出された評価関数Ｈに基づいて複数の運転パターンの中から実行する運転パターンを選択し、選択された運転パターンに従って吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転台数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種プラント設備におけるポンプや送風機等の負荷の運転台数を制御する負荷制御装置及び負荷制御方法に関するものである。

従来より、水位に応じて複数台のポンプの運転台数を制御することによって、水位を所定範囲内に制御するポンプ制御装置が知られている。例えば、特許文献１には、貯水池の水位と目標水位との偏差が最小になるように送水ポンプの運転台数を制御することによって、貯水池の水位を目標水位に制御するポンプ制御装置が開示されている。また、特許文献２には、下水管渠内の雨水の貯留レベルと目標貯留レベルとの偏差に応じて排水ポンプの運転台数を制御することによって、雨水の貯留レベルを目標貯留レベルに制御するポンプ制御装置が開示されている。

特開２００３−２２８４０２号公報 特開平９−６２３６７号公報

しかしながら、従来のポンプ制御装置は、水位のみに応じて複数台のポンプの運転台数を決定する構成になっており、決定した運転台数でポンプを運転させた際に消費される電力量を考慮していない。このため、従来のポンプ制御装置によれば、ポンプの消費電力量が水位を所定範囲内に制御するために必要な最小の消費電力量にならず、電力が無駄に消費されていることがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、消費エネルギー量を削減しつつ制御対象値を制御目標値に制御可能な負荷制御装置及び負荷制御方法を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る負荷制御装置は、プラント設備における複数台の負荷の運転台数を制御する負荷制御装置であって、所定時間内における負荷の運転台数を規定した複数の運転パターンを記憶する記憶部と、負荷の制御対象値を検出する検出部と、記憶部に記憶されている各運転パターンについて、運転パターンで負荷を制御した場合の制御対象値と制御目標値との偏差を示す偏差項及び消費エネルギー量を示す消費エネルギー量項とを含む評価関数を算出する算出部と、算出部によって算出された評価関数に基づいて複数の運転パターンの中から実行する運転パターンを選択し、選択された運転パターンに従って負荷の運転台数を制御する制御部とを備える。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る負荷制御方法は、プラント設備における複数台の負荷の運転台数を制御する負荷制御方法であって、負荷の制御対象値を検出する検出ステップと、所定時間内における負荷の運転台数を規定した複数の運転パターンについて、運転パターンで負荷を制御した場合の制御対象値と制御目標値との偏差を示す偏差項及び消費エネルギー量を示す消費エネルギー量項とを含む評価関数を算出する算出ステップと、算出ステップにおいて算出された評価関数に基づいて複数の運転パターンの中から実行する運転パターンを選択し、選択された運転パターンに従って負荷の運転台数を制御する制御ステップとを含む。

本発明に係る負荷制御装置及び負荷制御方法によれば、制御対象値と制御目標値との偏差及び消費エネルギー量に基づいて負荷の運転台数を制御するので、消費エネルギー量を削減しつつ制御対象値を制御目標値に制御することができる。

図１は、本発明の一実施形態である負荷制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態である負荷制御処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、吸水ポンプの運転パターンの一例を示す図である。 図４は、評価関数を算出する際に用いられる関数の一例を示す模式図であり、図４（ａ）は吸水ポンプの一次電流を示す波形であり、図４（ｂ）は吸水ポンプの吐出流量を示す波形である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である負荷制御装置の構成及びその動作について説明する。

〔負荷制御装置の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である負荷制御装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である負荷制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である負荷制御装置１は、沈砂池２からポンプ井３内に流れ込んだ汚水４を吐出渠５に排出する複数台（本実施形態では３台）の吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転／停止を制御するものであり、台数制御装置１０と水位検出装置２０とを備える。なお、吐出渠５に排出された汚水４は、初沈槽、曝気槽、終沈槽等を備える水処理設備６に供給されて処理される。

台数制御装置１０は、マイクロコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。台数制御装置１０は、運転パターン記憶部１１、水位偏差算出部１２、消費電力量算出部１３、評価関数算出部１４、及びポンプ制御部１５を備える。運転パターン記憶部１１は、ＲＯＭ等の不揮発性の記憶装置によって構成されている。運転パターン記憶部１１は、所定時間Ｔ_Ａ内における吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転台数を規定した複数の運転パターンに関する情報を記憶する。運転パターンの詳細については後述する。

水位偏差算出部１２、消費電力量算出部１３、評価関数算出部１４、及びポンプ制御部１５の機能は、情報処理装置内のＣＰＵが、ＲＯＭ内に予め記憶されている制御プログラムをＲＡＭ内にロードし、ＲＡＭ内にロードされた制御プログラムを実行することによって実現される。これら各部の機能については後述する。水位検出装置２０は、ポンプ井３内の汚水４の水位を検出し、検出された水位を示す検出信号を台数制御装置１０に入力する。

〔負荷制御処理〕
このような構成を有する負荷制御装置１は、以下に示す負荷制御処理を実行することによって、消費電力量を削減しつつポンプ井３内における汚水４の水位（制御対象値）を目標水位（制御目標値）に制御する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この負荷制御処理を実行する際の負荷制御装置１の動作について説明する。

図２は、本発明の一実施形態である負荷制御処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すフローチャートは、台数制御装置１０の電源がオフ状態からオン状態へと切り替えられ、負荷制御処理の実行が指示されたタイミングで開始となる。負荷制御処理は、所定の制御周期ｔ（＝所定時間Ｔ_Ａ／３）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１の処理では、ポンプ制御部１５が、吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の各運転パターンに割り当てられた固有の識別番号１〜ｎを計数するためのプログラムカウンタｋの値を１にリセットする。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、負荷制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、ポンプ制御部１５が、水位検出装置２０から入力された検出信号に基づいて、ポンプ井３内における汚水４の水位を検出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、負荷制御処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、水位偏差算出部１２が、プログラムカウンタｋの値に対応する運転パターンｋで吸水ポンプＰ１〜Ｐ３を運転した場合における、所定時間Ｔ_Ａ後の汚水４の水位と目標水位との水位偏差Ｈ_Ｌを算出する。具体的には、運転パターン記憶部１１には、図３に示すように所定時間Ｔ_Ａ（＝３×制御周期ｔ）内における制御周期ｔ毎の吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転台数の変化を示すｎ個の運転パターンが記憶されている。

そこで、始めに、水位偏差算出部１２は、各制御周期ｔにおける吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転台数に基づいて各制御周期ｔにおける汚水４の吐出流量（ポンプ井３から排出される汚水４の流量）を算出する。次に、水位偏差算出部１２は、ステップＳ２の処理によって検出された汚水４の水位から各制御周期ｔにおける吐出流量を減算することによって所定時間Ｔ_Ａ後の汚水４の水位を算出する。そして、水位偏差算出部１２は、所定時間Ｔ_Ａ後の汚水４の水位と目標水位との差分値を水位偏差Ｈ_Ｌとして算出する。

より具体的には、水位偏差算出部１２は、目標水位をＬ_０、時間ｔ（＝０〜Ｔ_Ａ）における汚水４の水位を関数Ｌ（ｔ）として以下の数式１を解くことによって水位偏差Ｈ_Ｌを算出する。すなわち、水位偏差算出部１２は、水位偏差の二乗値の時間平均値を水位偏差Ｈ_Ｌとして算出する。なお、関数Ｌ（ｔ）は、図４（ｂ）に示すように吸水ポンプの吐出弁開度と回転数上昇に応じた吐出流量（時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ３の区間）、水位と回転数に応じた吐出流量（時間Ｔ＝Ｔ３〜Ｔ４の区間）、及び吐出弁開度に応じた吐出流量（時間Ｔ＝Ｔ４〜Ｔ５の区間）を考慮した吸水ポンプの吐出流量を示す関数である。すなわち、関数Ｌ（ｔ）は、始動時の吐出流量増加遅れ時間ΔＴｖ１と停止時の吐出流量減少遅れ時間ΔＴｖ２とを考慮した吸水ポンプの吐出流量を示す関数である。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、負荷制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、消費電力量算出部１３が、プログラムカウンタｋの値に対応する運転パターンｋで吸水ポンプＰ１〜Ｐ３を運転した場合における、所定時間Ｔ_Ａ内における消費電力量Ｈ_Ｅを算出する。具体的には、消費電力量算出部１３は、吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転パターン毎に予め用意された消費電力量を示す関数Ｅ_ｐ（ｔ）を用いて以下の数式２を解くことによって消費電力量Ｈ_Ｅを算出する。なお、関数Ｅ_ｐ（ｔ）は、図４（ａ）に示すように吸水ポンプの始動電流（時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ２の区間）と負荷の大きさに応じた定常電流（時間Ｔ＝Ｔ２〜Ｔ５の区間）とを考慮した吸水ポンプの一次電流を示す関数である。以下に示す数式２の積分項は、図４（ａ）に示す関数Ｅｐ（ｔ）の積分値Ｓに相当する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、負荷制御処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、評価関数算出部１４が、以下の数式３を用いて、ステップＳ３の処理によって算出された水位偏差Ｈ_Ｌ及びステップＳ４の処理によって算出された消費電力量Ｈ_Ｅにそれぞれ重み係数Ｋ_１、Ｋ_２を乗算した後に乗算値を加算することによって、プログラムカウンタｋの値に対応する運転パターンｋの評価関数Ｈを算出する。なお、重み係数Ｋ_１、Ｋ_２の値は、適宜変更することができる。例えば、汚水４の水位を目標水位に制御することに重点を置く場合、重み係数Ｋ_１の値を重み係数Ｋ_２の値より大きくし、消費電力量を削減することに重点を置く場合には、重み係数Ｋ_２の値を重み係数の値Ｋ_１より大きくするとよい。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、負荷制御処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、ポンプ制御部１５が、プログラムカウンタｋの値が吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転パターンの総数ｎであるか否かを判別する。判別の結果、プログラムカウンタｋの値が総数ｎでない場合、ポンプ制御部１５は、全ての運転パターンについて評価関数Ｈを算出していないと判断し、負荷制御処理をステップＳ７の処理に進める。一方、プログラムカウンタｋの値が総数ｎである場合には、ポンプ制御部１５は、全ての運転パターンについて評価関数Ｈを算出したと判断し、負荷制御処理をステップＳ８の処理に進める。

ステップＳ７の処理では、ポンプ制御部１５が、プログラムカウンタｋの値を１増数する。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、負荷制御処理はステップＳ３の処理に戻る。

ステップＳ８の処理では、ポンプ制御部１５が、各運転パターンについて算出された評価関数Ｈの値を比較することによって、評価関数Ｈの値が最も小さい運転パターンを特定する。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、負荷制御処理はステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ９の処理では、ポンプ制御部１５が、ステップＳ８の処理によって特定された運転パターンに従って吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転／停止を制御する。具体的には、図３に示す運転パターンｎ−１が選択された場合、ポンプ制御部１５は、１回目と２回目の制御周期ｔ１、ｔ２では吸水ポンプを３台動作させ、制御周期ｔ３では２台の吸水ポンプを動作させる。評価関数Ｈの値が最も小さい運転パターンとは、水位偏差Ｈ_Ｌと消費電力量Ｈ_Ｅとの和が最も小さい運転パターンである。従って、評価関数Ｈの値が最も小さい運転パターンに従って吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転／停止を制御することによって、消費電力量を低減しつつ汚水４の水位を目標水位に制御することができる。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、一連の負荷制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である負荷制御装置１では、評価関数算出部１４が、所定時間Ｔ_Ａ内における吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転台数を規定した複数の運転パターンについて、その運転パターンで吸水ポンプＰ１〜Ｐ３を制御した場合の汚水４の水位と目標水位との水位偏差Ｈ_Ｌ及び消費電力量Ｈ_Ｅを含む評価関数Ｈを算出し、ポンプ制御部１５が、算出された評価関数Ｈに基づいて複数の運転パターンの中から実行する運転パターンを選択し、選択された運転パターンに従って吸水ポンプＰ１〜Ｐ３の運転台数を制御するので、消費電力量を低減しつつ汚水４の水位を目標水位に制御することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態では運転台数の制御対象は吸水ポンプであったが、運転台数の制御対象は吸水ポンプに限定されることはなく、本発明は給水ポンプ、送風機、吸気装置等の吸水ポンプ以外の負荷にも適用することができる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 負荷制御装置
２ 沈砂池
３ ポンプ井
４ 汚水
５ 吐出渠
６ 水処理設備
１０ 台数制御装置
１１ 運転パターン記憶部
１２ 水位偏差算出部
１３ 消費電力量算出部
１４ 評価関数算出部
１５ ポンプ制御部
２０ 水位検出装置
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 吸水ポンプ

Claims (3)

1. プラント設備における複数台の負荷の運転台数を制御する負荷制御装置であって、
   所定時間内における前記負荷の運転台数を規定した複数の運転パターンを記憶する記憶部と、
   前記負荷の制御対象値を検出する検出部と、
   前記記憶部に記憶されている各運転パターンについて、該運転パターンで前記負荷を制御した場合の前記制御対象値と制御目標値との偏差を示す偏差項及び消費エネルギー量を示す消費エネルギー量項とを含む評価関数を算出する算出部と、
   前記算出部によって算出された評価関数に基づいて前記複数の運転パターンの中から実行する運転パターンを選択し、選択された運転パターンに従って前記負荷の運転台数を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする負荷制御装置。
2. 前記制御部は、前記評価関数の値が最小になる運転パターンを実行する運転パターンとして選択することを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
3. プラント設備における複数台の負荷の運転台数を制御する負荷制御方法であって、
   前記負荷の制御対象値を検出する検出ステップと、
   所定時間内における前記負荷の運転台数を規定した複数の運転パターンについて、該運転パターンで前記負荷を制御した場合の前記制御対象値と制御目標値との偏差を示す偏差項及び消費エネルギー量を示す消費エネルギー量項とを含む評価関数を算出する算出ステップと、
   前記算出ステップにおいて算出された評価関数に基づいて前記複数の運転パターンの中から実行する運転パターンを選択し、選択された運転パターンに従って前記負荷の運転台数を制御する制御ステップと、
   を含むことを特徴とする負荷制御方法。

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