JP2013096311A - ポンプ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数ポンプを最適効率点で運転することで消費エネルギーを最小化し、ポンプ特性が経時劣化した場合も最適効率点での運転を維持可能なポンプ制御システムを提供する。
【解決手段】複数のポンプの運転を制御するポンプ制御システムであって、配水流量と吐出圧とに応じた運転すべきポンプの台数を定めた運転台数判定テーブルと、ポンプの台数と配水流量と吐出圧とに応じた各ポンプへの配水流量の配分を定めた流量配分テーブルと、を記憶する記憶部と、運転台数判定テーブルを参照し、配水流量と吐出圧とに基づいて、運転すべきポンプの台数を決定する運転台数判定部と、運転すべきポンプの台数と、流量配分テーブルにより定められた配水流量と吐出圧とに基づいて、各ポンプへの配水流量の配分を計算する配水流量計算部と、運転台数判定テーブルに記憶された運転すべきポンプの台数と、配水流量計算部が求めた各ポンプへの配水流量の配分とに基づいて、各ポンプの目標回転数を設定する目標回転数計算部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、上水道の配水用に複数ポンプを並列に配置して運転する制御システムにおいて、複数ポンプを最適効率点で運転することで消費エネルギーを最小化するポンプ制御システムに関する。また、ポンプ特性が経時劣化した場合も最適効率点での運転を維持可能なポンプ制御システムに関する。

特許文献１には、複数の可変速ポンプの運転台数を適切に判断するため、吐出量Q−吐出圧H特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線を求め、これと平行してポンプ台数増の台数変更流量曲線とポンプ台数減の台数変更流量曲線を設定しておき、これら変更流量曲線を越える吐出流量にはポンプ運転台数を増減する台数変更を行うことで複数台ポンプの省エネ運転を実現する方法が開示されている。

特許文献２には、吐出圧一定制御、あるいは、推定末端圧一定制御によって制御されている並列ポンプの解列制御システムにおいて、解列運転後の軸動力合計が解列前の軸動力合計と等しくなる流量を省エネルギー解列流量と呼び、前記省エネルギー解列流量を、設定乗数、ポンプの揚程−流量近似式、圧力制御の目標曲線、ポンプの効率近似式と並列ポンプ台数、押込み揚程の検出値から演算し、この値を設定し、これに基づいてポンプ運転台数を決定することにより、従来方式より省エネルギーになる並列ポンプの解列制御の方法が開示されている。

特開２００５−７６４５２号公報 特開２０１０−２１６２８８号公報

上述した特許文献１は、ポンプの効率特性曲線を考慮することで省エネ運転を実現するポンプ運転台数の増減の方法が記載されているが、特性の異なる複数のポンプを活用する場合、運転台数だけでなく、各ポンプが受け持つ配水流量も同時に決定し運転しなければならない。従来技術はこの点の配慮がなく、更なる省エネ運転の余地があるという問題がある。また、ポンプ特性の経時劣化について配慮がなされていないため、時間ともに効率点での運転ができなくなり必要以上に電力を消費するという問題がある。

また、上述した特許文献２では、ポンプのトータル軸駆動力を考慮することで最適な台数切り替えのタイミング流量を決定しているが、技術の適用が吐出圧一定制御、あるいは、推定末端圧一定制御に限定されており、より高度な制御には適用できないという問題がある。また、ポンプのトータル消費エネルギーと必ずしも一致しないトータル軸駆動力に基づいて台数切り替え流量（解列流量）を決定しているため厳密な消費エネルギー最小化は実現できないという問題がある。また、台数切り替えの運転状態は、流量のみならず圧力にも依存するが流量のみで台数切り替えタイミング（解列タイミング）を決定しており、省エネを実現する厳密な切り替えが行えないという問題がある。また、ポンプ特性の経時劣化について配慮がなされていないため、時間ともに効率点での運転ができなくなり必要以上に電力を消費するという問題がある。

本発明は、こうした事情を考慮してなされたもので、省エネルギーを実現する運転台数だけでなく各ポンプが受け持つ最適な配水流量も同時に求めることで消費エネルギーの最小化を実現するポンプ制御システムを提供することにある。また、オンラインでポンプの特性曲線を推定し、それをポンプの効率運転に利用することで、時間によらずポンプの最適効率点運転を維持可能なポンプ制御システムを提供することにある。

本発明（第1の発明）のポンプ制御システムは、複数のポンプの運転を制御するポンプ制御システムであって、配水流量と吐出圧とに応じた運転すべきポンプの台数を定めた運転台数判定テーブルと、前記ポンプの台数と前記配水流量と前記吐出圧とに応じた各ポンプへの前記配水流量の配分を定めた流量配分テーブルと、を記憶する記憶部と、前記運転台数判定テーブルを参照し、前記配水流量と前記吐出圧とに基づいて、運転すべきポンプの台数を決定する運転台数判定部と、前記運転すべきポンプの台数と、前記流量配分テーブルにより定められた前記配水流量と前記吐出圧とに基づいて、前記各ポンプへの配水流量の配分を計算する配水流量計算部と、前記運転台数判定テーブルに記憶された前記運転すべきポンプの台数と、前記配水流量計算部が求めた前記各ポンプへの配水流量の配分とに基づいて、前記各ポンプの目標回転数を設定する目標回転数計算部と、を備えたことを特徴とする。

本発明（第２の発明）のポンプ制御システムは、第１の発明において、前記運転台数判定テーブルにより定められる前記ポンプの台数、および前記流量配分テーブルにより定められる前記配水流量は、前記各ポンプの特性を示す特性曲線と、あらかじめ定められた運転順序によって運転される各ポンプの全体の消費エネルギーが最小となるような前記ポンプの運転台数、および前記各ポンプに配分される配水流量を前記配水流量および前記吐出圧ごとに求めたものである、ことを特徴とする。

本発明（第３の発明）のポンプ制御システムは、前記ポンプの配水流量と前記吐出圧と前記各ポンプの回転数と前記各ポンプの消費電力とを計測し、計測されたこれらの情報に基づいて、前記各ポンプの特性を推定するポンプ特性推定部を備える、ことを特徴とする。

本発明（第４の発明）のポンプ制御システムは、前記ポンプ特性推定部は、計測した前記ポンプの配水流量と前記吐出圧と前記各ポンプの回転数と前記各ポンプの消費電力とに基づいて定められる前記各ポンプの特性を示す特性曲線および性能曲線を定めるためのパラメータを本来の設定値とは異なる設定値に変更して前記各ポンプを運転したときの配水流量と吐出圧と各ポンプの回転数と消費電力とを計測し、計測したこれらの情報に基づいて、前記各ポンプの特性を推定する、ことを特徴とする。

本発明（第５の発明）のポンプ制御システムは、第２の発明においてポンプの特性曲線として、第３の発明で推定されるポンプの特性を利用することを特徴とする。

本発明（第６の発明）のポンプ制御システムは、第２の発明においてポンプの特性曲線として、第４の発明で推定されるポンプの特性を利用することを特徴とする。

本発明では、ポンプ運転を規定する配水流量と吐出圧の２つの変数をベースにしてポンプのトータル消費エネルギー最小となるポンプ運転台数とポンプの流量配分を決定するのでポンプ制御システムの省エネルギー化が実現できる。また、ポンプの特性を、計測データから推定し、最新の推定特性に基づいてポンプ運転台数、ポンプ流量配分を決定するのでポンプ特性の経時変化によらず最適効率点での運転を維持できる。また、本来のパラメータを異なるパラメータでポンプを運転することで、オンラインにおいて、より幅広い運転領域での運転が実現できる。そこで計測したデータを活用することでポンプ特性を高精度に推定できるので、最適効率点運転の信頼性を向上でき、電力消費の増加を極限まで抑制できる。

本発明の実施例１のポンプ制御システムの構成図である。 ポンプの運転台数判定テーブルである。 ポンプの流量配分計算テーブルである。 テーブルデータを作成するための処理フロー図である。 最適解を格納するデータベースの一例である。 ポンプ運転による消費エネルギー計算の説明図である。 ポンプ目標回転数を計算するプログラムの処理フロー図である。 ポンプの性能曲線と効率曲線、および、経時劣化の一例である。 実運転による計測データである。 本発明の第２実施例のポンプ制御システムの構成図である。 データベースに格納される計測データの一例である。 本発明の第３実施例のポンプ制御システムの構成図である。 本発明の第４実施例のポンプ制御システムの構成図である。 修正運転台数判定テーブルの例である。 本発明の第５実施例のポンプ制御システムの構成図である。 流量配分補正計算の例である。

本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１から図７を参照し、実施例１を説明する。

図１は、実施例１のポンプ制御システムの構成図である。制御システムは、配水管１、配水池１１、吐出圧を計測する圧力センサ２、配水流量を計測する流量センサ３、可変速ポンプ４、５、６、ポンプ回転数を計測する回転数センサ７、８、９、目標吐出圧、計測吐出圧、計測配水流量を入力として目標吐出圧を実現するような各ポンプの目標回転数を計算するポンプ制御システム１００、計測回転数が目標回転数に一致するよう各ポンプへの入力信号を調整するPID制御装置１２、１３、１４を有して構成されている。図１では、ポンプを並列に３台配置した例を示しているが、これ以外の台数を設置することもできる。 配水流量増加に対してポンプの運転台数は増加する。ここでは、流量が小さい（少ない）ときはポンプ４のみを運転し、流量が増加するにしたがって、ポンプ５、ポンプ６の順にポンプを追加し、運転台数を増加させるようになっている。

流量センサ３により計測される配水流量は、水需要に応じて時々刻々変化する。ポンプ制御システム１００は、この流量変動に対して、圧力センサ２による吐出圧計測値が目標吐出圧に一致するよう各ポンプの目標回転数（回転数０の場合はそのポンプは停止とみなす）を算出する。目標吐出圧を実現する回転数の組み合わせは無数に存在するが、ポンプ制御システムは、最小消費エネルギーを与える回転数組み合わせを算出する。これを実現するため、ポンプ制御システムは、運転台数判定手段１０１、運転台数判定テーブル１０２、流量配分計算手段１０３、流量配分テーブル１０４、目標回転数計算手段１０５を備えている。

なお、ポンプ制御システムが有する上述した各手段は、実際にはそれらの各機能を実現するためのソフトウェアプログラムにより実行される。これらのソフトウェアプログラムは、例えば、上述した各部を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしては、ＣＰＵ等の制御部がＨＤＤ等の記録装置からこれらのソフトウェアプログラム、あるいは上述した各テーブルを読み出して実行することにより、上記各部が主記憶装置上にロードされ、運転台数判定手段１０１、流量配分計算手段１０３、目標回転数計算手段１０５の各部が主記憶装置上に生成されるようになっている。

運転台数判定手段１０１では、予め構築された運転台数判定テーブル１０２を参照し、運転すべきポンプの台数を決定する。運転台数判定テーブル１０２の一例を図２に示す。横軸、縦軸はそれぞれ、吐出圧H、配水流量Qである。流量小（流量が少ない場合）がポンプ１台運転領域（ポンプ４のみ運転）、流量中ぐらい（流量が中程度の場合）が２台運転領域（ポンプ４、５の２台運転）、流量大（流量が多い場合）が３台運転領域になる。

各領域の境界は、実践と点線の２つが存在する。実線は、配水流量が増加してゆき運転台数が増えるときに活用する台数切り替えラインであり、点線は配水流量が減少して運転台数が減るとき活用する台数切り替えラインである。このように流量の増減で切り替えラインを変えるのは、運転が境界上に留まったときポンプ運転のオンオフが頻繁に起こるのを防ぐためのものである。運転台数判定手段１０１では、最新の配水流量Qと吐出圧Hの計測値を運転台数判定テーブル上にプロットしたとき、そのプロットがどの台数領域にあるかにより運転台数を決定する。もし、実線切り替え線と点線の切り替え線の間の狭い領域にプロットが存在した場合は、１時刻前の運転台数を参照し、その運転台数を最新時刻の運転台数とする。このテーブルは、ポンプのトータル消費エネルギーが最小となる運転台数を与えるものであるが、テーブル作成方法については後述する。

流量配分計算手段１０３では、ポンプを複数台運転する場合の各ポンプが受け持つ配水流量を、流量配分テーブル１０４を参照して算出する。図３に流量配分テーブル１０４の一例を示す。上段（ａ）がポンプ２台運転時に１台のポンプ（ポンプ４）の流量配分D1を求めるテーブル３１であり、下段（ｂ）がポンプ３台運転時に２台のポンプ（ポンプ４、５）の流量配分D1、D2を求めるテーブル３２、３３である。ポンプ運転台数は、運転台数判定手段１０１で算出された情報を活用する。ポンプ２台運転の場合は、配水流量計測値と吐出圧計測値をベースにテーブル３１を参照し、ポンプ４への流量配分D1を求める。配水流量計測値をQとしたとき、ポンプ４、ポンプ５の受け持つ流量Q1、Q2は次式で与えられる。

Q1＝Q・D1
Q2＝Q・(１−D1）
ポンプ３台運転の場合は、配水流量計測値と吐出圧計測値をベースにテーブル３２、３３を参照し、ポンプ４、５への流量配分D1、D2を求める。配水流量計測値をQとしたとき、ポンプ４、ポンプ５、ポンプ６の受け持つ流量Q1、Q2、Q3は次式で与えられる。

Q1＝Q・D1
Q2＝Q・D2
Q3＝Q・（１−D1−D2）
これらのテーブル３１、３２、３３は、ポンプのトータル消費エネルギーが最小となる流量配分を与えるものであるが、テーブル作成方法については後述する。

目標回転数計算手段１０５では、求められた運転台数と流量配分の情報、吐出圧計測値、ポンプ性能曲線を利用して、目標吐出圧を実現するポンプ回転数を決定する。以下、ポンプ３台運転の場合の目標回転数を計算する。
ポンプ４、５、６の性能曲線が以下のように近似できるとする。
H＝a1・N² − b1・ Q² (1)
H＝a2・N² − b2・ Q² (2)
H＝a3・N² − b3・ Q² (3)
ここで、Hはポンプ揚程（吐出圧）、Nはポンプ回転数、Qはポンプ配水流量、aｉ，bｉ (ｉ＝1，2，3)は正の定数である。

流量配分計算手段１０３で求められたポンプ４，５，６の流量をQ1、Q2、Q3、ポンプ４，５，６の回転数をN1、N2、N3、吐出圧計測値をH0とし、上記性能曲線に代入すると次式が得られる。
H0＝a1・N1² − b1・ Q1²
H0＝a2・N2² − b2・ Q2²
H0＝a3・N3² − b3・ Q3²
これらの式を回転数N1、N2、N3について解いて次式を得る。

N1＝（（H0＋ b1・ Q1² ）/a1）^1/2 (4)
N2＝（（H0＋ b1・ Q2² ）/a2）^1/2 (5)
N3＝（（H0＋ b1・ Q3² ）/a3）^1/2 (6)
もし近似した性能曲線にモデル化誤差がなければ、この計算値を各ポンプの目標回転数として与えれば、目標の吐出圧を達成できる。すなわち、計測吐出圧が目標圧に等しくなる。しかしながら、モデル化誤差は少なからず存在するので、目標の吐出圧は達成されず、計測吐出圧と目標吐出圧の間にわずかな差が生じる。モデル化誤差に起因する目標値と計測値のずれを補償するためフィードバック制御を併用する。これは、目標吐出圧と計測吐出圧の差に基づき、例えばPID制御則により回転数補正量ΔNを計算するものである。

上の式で計算されるN1、N2、N3にΔNを加算し、ポンプ４，５，６の目標回転数N10、N20、N30を次のように算出する。

N10＝N1＋ΔN (7)
N20＝N2＋ΔN (8)
N30＝N3＋ΔN (9)
この回転数計算値を、ポンプの速度制御を行うPID制御装置に送り、ポンプの回転数制御を行う。なお、2台運転の場合は式（7）（8）を、1台運転の場合は式（7）を活用して目標回転数を計算すれば良い。

次に、図２と図３のテーブルデータを作成するための方法を、図４、図５に基づいて説明する。図４は、テーブルデータを作成するための処理手順を示すものである。様々な配水流量Qと吐出圧Hの組み合わせに対して、次に述べる最適化問題を解いて、その組み合わせに対する最小エネルギーを与える運転台数と流量配分を決定する。以下に、ポンプを１台運転する場合、２台同時運転する場合、３台同時に運転する場合のポンプの消費電力を計算する方法を述べる
［１］１台運転の場合
次式に基づいて、ポンプ１台運転時（ポンプ４運転時）の消費電力Pを決定する。

P＝ｋ・Q・H/(ηｐ・ηｍ・ηｉ) （10）
ηｐ＝−ｃ１・（Q/N）^２＋ｄ１・（Q/N） (11)
H＝a1・N² − b1・ Q² (12)
ここに、Pはポンプ４の消費電力（kＷ）、Qは配水流量（m³/mｉn）、Hはポンプ吐出圧（m）、ηｐはポンプ効率、ηｍはモータ効率で定数、ηｉはインバータ効率で定数、Nはポンプ回転数（ｒｐｍ）、k，a1，b1，c1，d1は正の定数である。(11)式はポンプ４の効率曲線を近似したもの、(12)式はポンプ４の性能曲線を近似したものである。Q，Hが与えられると、（１２）式から回転数Nが求められる。それを（１１）（１０）式に代入することで、ポンプの消費電力Pが求められる。
［２］２台同時運転の場合
次式に基づいて、ポンプ２台運転時（ポンプ４，５運転時）の消費電力Pが計算できる。
P＝P1＋P2 (13)
P1＝ｋ・Q1・H/(ηｐ1・ηｍ・ηｉ) （14）
ηｐ1＝−ｃ１・（Q1/N1）^２＋ｄ１・（Q1/N1） (15)
H＝a1・N1² − b1・ Q1² (16)
P２＝ｋ・Q２・H/(ηｐ2・ηｍ・ηｉ) （17）
ηｐ2＝−ｃ2・（Q2/N2）^２＋ｄ2・（Q2/N2） (18)
H＝a2・N2² − b2・ Q2² (19)
Q＝Q1＋Q2 (20)
ここに、Pはポンプのトータル消費電力（kＷ）、P1はポンプ４の消費電力（kＷ）、P2はポンプ５の消費電力（ｋW）、Qは配水流量（m³/mｉn）、Q1はポンプ４の配水流量（m³/mｉn）、Q2はポンプ５の配水流量（m³/mｉn）、Hはポンプ吐出圧（m）、ηｐ1はポンプ４のポンプ効率、ηｐ2はポンプ５のポンプ効率、ηｍはモータ効率で定数、ηｉはインバータ効率で定数、N1はポンプ４の回転数（ｒｐｍ）、N2はポンプ５の回転数（ｒｐｍ）、k，aｉ，bｉ，cｉ，dｉ(ｉ＝1，2)は正の定数である。配水流量Qを満足するQ1，Q2の組み合わせは無数に存在し、それに対応してトータル消費電力Pが決まる。ここでは、Pを最小にするQ1，Q2を最適化計算で求めて、これに対応する消費電力P（２台運転時の最小の消費電力）を２台運転時のポンプの消費電力とする。
［３］３台同時運転の場合
次式に基づいて、ポンプ３台運転時（ポンプ４，５、６運転時）の消費電力Pが計算できる。
P＝P1＋P2＋P3 (21)
P1＝ｋ・Q1・H/(ηｐ1・ηｍ・ηｉ) （22）
ηｐ1＝−ｃ１・（Q1/N1）^２＋ｄ１・（Q1/N1） (23)
H＝a1・N1² − b1・ Q1² (24)
P２＝ｋ・Q２・H/(ηｐ2・ηｍ・ηｉ) （25）
ηｐ2＝−ｃ2・（Q2/N2）^２＋ｄ2・（Q2/N2） (26)
H＝a2・N2² − b2・ Q2² (27)
P3＝ｋ・Q3・H/(ηｐ3・ηｍ・ηｉ) （28）
ηｐ3＝−ｃ3・（Q3/N3）^２＋ｄ2・（Q3/N3） (29)
H＝a3・N3² − b3・ Q3² (30)
Q＝Q1＋Q2＋Q3 (31)
ここに、Pはポンプのトータル消費電力（kＷ）、P1はポンプ４の消費電力（kＷ）、P2はポンプ５の消費電力（ｋW）、P3はポンプ６の消費電力（ｋW）、Qは配水流量（m³/mｉn）、Q1はポンプ４の配水流量（m³/mｉn）、Q2はポンプ５の配水流量（m³/mｉn）、Q3はポンプ６の配水流量（m³/mｉn）、Hはポンプ吐出圧（m）、ηｐ1はポンプ４のポンプ効率、ηｐ2はポンプ５のポンプ効率、ηｐ3はポンプ６のポンプ効率、ηｍはモータ効率で定数、ηｉはインバータ効率で定数、N1はポンプ４の回転数（ｒｐｍ）、N2はポンプ５の回転数（ｒｐｍ）、N3はポンプ６の回転数（ｒｐｍ）、k，aｉ，bｉ，cｉ，dｉ(ｉ＝1，2，3)は正の定数である。配水流量Qを満足するQ1，Q2，Q3の組み合わせは無数に存在し、それに対応してトータル消費電力Pが決まる。ここでは、Pを最小にするQ1，Q2，Q3を最適化計算で求めて、これに対応する消費電力P（3台運転時の最小の消費電力）を3台運転時のポンプの消費電力とする。

以上の方法を活用すれば、配水流量Qと吐出圧Hに対応する１台運転時のポンプの消費電力、２台運転時のポンプのトータル消費電力（最小消費電力）、３台運転時のポンプのトータル消費電力（最小消費電力）を求めることができる。この３つの消費電力で最小値を与えるものが最も効率の高いポンプの運転方法（運転台数と流量配分）になる。図４の最適解DB作成部４２では、以上の方法で、様々なQ，Hに対して最も効率的な運転方法（運転台数と流量配分）をオフラインで求めておき、図５に示すテーブルに記憶しておく。このテーブルは、配水流量Qと吐出圧Hの様々な値（図では、Qは5．0から30．0まで0．1刻みの値、Hは25．0から40．0まで0．1刻みの値）に対して、最適（消費電力最小）となるポンプの運転台数と流量配分を記憶したものである。このテーブルデータを活用して、図２の運転台数判定テーブル、図３の流量配分テーブルを作成することができる。なお、N台からN＋1台（あるいはN＋1台からN台）（N＝1，2）の最適切り替えラインは1本になるが、その前後に2本のラインを設定し、上方にある線をN台からN＋1台への切り替えライン、下方にある線をN＋1台からN台への切り替えラインとするようにして図２の台数判定テーブルを作成する。

以上述べた方法は、ポンプ運転が、流量増加に対してポンプ４→ポンプ４、５の2台同時運転→ポンプ４、５、６の3台同時運転と台数変化する場合の最適運転台数、流量配分を求めたものである。後述するポンプの特性変化によっては、この運転順序（ポンプ４→ポンプ４、５→ポンプ４、５、６）が最も効率的とは言えなくなる場合がある。すなわち、ポンプ６が単体として最も効率が良くなった場合、流量が小さい領域でポンプ６を運転するほうが一日の電力消費を少なくできる場合がある。様々な運転順序（ポンプ3台を利用する場合は、6通りの運転順序がある）を想定して運転台数判定テーブル、流量配分テーブルを求めておき、一日の運転を行ったときの最小消費電力を与える運転順序を決定しポンプ制御に活用する必要がある。運転順序は以下の6通りである
［１］ポンプ４→ポンプ４，５→ポンプ４、５、６
［２］ポンプ４→ポンプ４，６→ポンプ４、５、６
［３］ポンプ５→ポンプ４，５→ポンプ４、５、６
［４］ポンプ５→ポンプ５、６→ポンプ４、５、６
［５］ポンプ６→ポンプ４，６→ポンプ４、５、６
［６］ポンプ６→ポンプ５、６→ポンプ４、５、６
図６は、あるポンプの運転順序に対して1日の消費エネルギーを算出するための方法の説明図である。まず、［１］の運転順序に対して、運転台数判定テーブル、流量配分計算テーブルを作成し、運転台数、流量配分計算手段６１に記憶しておく。一日の配水流量と吐出圧の実績時系列Q(t)、H(t)（ｔは時刻）に対して、時刻ｔにおける最適の運転台数X(t)、流量配分D(ｔ)を計算し、それを利用して消費エネルギー計算手段は、ポンプのトータル消費電力P（ｔ）を計算し、さらに、すべての時刻でP(t)を加算することで1日の消費エネルギーを算出する。これを［２］から［６］の運転順序に対して行い、最小の消費エネルギーを与える運転順序を最適な運転順序として採用する。本来の順序［１］と異なる順序が得られたなら、その順序で図１に示すポンプ運転制御を行うようにする。なお、ポンプ消費エネルギー計算は、式（10）から（31）を活用して行うことができる。

図7は、第１実施例のポンプ制御システムにおいて、目標回転数を決定する制御プログラムのフローを示すもので、所定の周期（例えば１分周期）で実行されるようになっている。ステップ７０１では、計測配水流量、計測吐出圧、図２のポンプ運転台数判定テーブルを活用してポンプ運転台数を決定する。ステップ７０２では、ポンプの運転台数が2台以上の場合のみ、計測配水流量、計測吐出圧、図３のポンプ流量配分計算テーブルを活用してポンプ流量配分を決定し、さらに、それに基づいて各ポンプの受け持つ配水流量を計算する。最後にステップ７０３では、前述の方法、すなわち式（７）（８）（９）を活用して各ポンプの目標回転数を計算し処理を終了する。この計算値は、ポンプの回転数を制御するPID制御装置に送られ、ポンプの回転数が制御される。以上で実施例１の説明を終了する。

次に、図８から図１１に基づいて、様々な計測データからポンプ特性を推定して運転台数判定テーブルと流量配分テーブルを作成する第２実施例について説明する。図８は、ポンプの性能曲線と効率曲線を示すものである。実線はポンプが新しい状態の特性、点線はポンプが経時劣化した場合の特性の一例を示している。図でNは、規格化された回転数（実回転数を定格回転数で割ったもの）を表している。図で示すような特性劣化が発生した場合、最適効率点での運転が維持できなくなり、余分に電力消費するという問題が発生する。最適効率点での運転を維持するためには、劣化した特性を推定してポンプ運転制御に反映する、すなわち、劣化特性に基づいて運転台数判定テーブル、流量配分テーブルを作成して、ポンプ運転制御を行う必要がある。テーブル作成の方法を以下で説明する。

図９は、図１のポンプ制御システムでポンプの運転を行った場合の、様々な時刻に同時に計測された配水流量計測値Qと吐出圧計値Hの組み合わせ（Q，H）を、ポンプの特性平面上にプロットしたものである。これらの計測データを活用して、ポンプの性能曲線と効率曲線を推定できる。図１０は、ポンプ特性データを推定して流量配分テーブル、運転台数判定テーブルを作成する第２実施例の全体構成図である。データベースDB１０６には、例えば、１０分おきに、圧力センサにより計測される吐出圧H、流量センサにより計測される配水流量Q、回転数センサにより計測される各ポンプの回転数N、各ポンプの消費電力の計測値が入力、記憶されるようになっている。記憶データの一例を、図１１に示す。計測時点におけるポンプの運転台数分だけ回転数と消費電力が記憶されるようになっている。なお、DBには過去1週間分のデータが格納されるようになっている。

ポンプ特性推定手段１０７では、以下の方法でDBに格納されたデータから各ポンプの性能曲線と効率曲線を推定する。ここでは、運転順序がポンプ４→ポンプ４，５→ポンプ４、５、６であるとする。ポンプ１台運転時（ポンプ４運転時）のデータをDBから抽出し、それを配水流量Qｉ、吐出圧Hｉ、回転数Nｉ、消費電力Pｉ（ｉ＝1，2…n）とする。ポンプ４の性能曲線、特性曲線が次式で近似できるとする。

H＝a1・N² − b1・ Q² （32)
ηｐ＝−ｃ１・（Q/N）^２＋ｄ１・（Q/N） (33)
また、消費電力に関して次式が成立する。

P＝ｋ・Q・H/(ηｐ・ηｍ・ηｉ) (34)
ここに、Pはポンプ消費電力（kＷ）、Qは配水流量（m³/mｉn）、Hはポンプ吐出圧（m）、ηｐはポンプ効率、ηｍはモータ効率で定数、ηｉはインバータ効率で定数、Nはポンプ回転数（ｒｐｍ）、k，a1，b1，c1，d1は正の定数である。

式(33)(34)からηｐを消去して次式を得る。

ｋ・Q・H/(ηｍ・ηｉ・P)＝−ｃ１・（Q/N）^２＋ｄ１・（Q/N） (35)
ポンプ特性を推定することは、式（32）（33）内のパラメータa1，b1，c1，d1を推定することである。パラメータa1，b1，c1，d1は、n個の計測データ（Qｉ、Hｉ、Nｉ、Pｉ）（ｉ＝1，2…n）活用し、これらのデータが式（32）（35）に最もフィッティングするよう最小二乗法を活用して行うことができる。得られたパラメータと式(32)(33)をもって、ポンプ４の最新の特性とする。

次に、ポンプ2台同時運転時のデータをDBから抽出し、それを配水流量Qｉ、吐出圧Hｉ、ポンプ４の回転数N1ｉ、ポンプ５の回転数N2ｉ、ポンプ５の消費電力P2ｉ（ｉ＝1，2…m）とする。これらのデータを活用してポンプ５の特性を推定する。ポンプ５の性能曲線、効率曲線が次式で近似できるとする。

H＝a2・N2² − b2・ Q2² （36)
ηｐ2＝−ｃ2・（Q2/N2）^２＋ｄ2・（Q2/N2） (37)
また、消費電力に関して次の式が成立する。

P2＝ｋ・Q2・H/(ηｐ2・ηｍ・ηｉ) (38)
ここに、P2はポンプ5の消費電力（kＷ）、Q2はポンプ５の配水流量（m³/mｉn）、Hはポンプ吐出圧（m）、ηｐ2はポンプ5の効率、ηｍはモータ効率で定数、ηｉはインバータ効率で定数、N2はポンプ５の回転数（ｒｐｍ）、k，a2，b2，c2，d2は正の定数である。

式(37)(38)からηｐ2を消去して次式を得る。

ｋ・Q2・H/(ηｍ・ηｉ・P2)＝−ｃ2・（Q2/N2）^２＋ｄ2・（Q2/N2） (39)
計測データである吐出圧Hｉ、ポンプ４の回転数N1ｉを式（32）に代入して次式を得る。

Hｉ＝a1・N1ｉ² − b1・ Q²
この式からa1，b1は推定済みであるので、ポンプ４の流量Qが次式で求められる。

Q＝(( a1・N1ｉ² −Hｉ）/b1)^1/2 (40)
このQと計測されたトータル配水流量Qｉから、ポンプ５の配水流量Q2ｉを次式で計算できる。

Q2ｉ＝Qｉ−Q (41)
このQ2ｉと計測データである吐出圧Hｉ、ポンプ４の回転数N1ｉ、ポンプ５の回転数N2ｉ、ポンプ５の消費電力P2ｉ（ｉ＝1，2…m）のｍセットのデータが、式(36)(39)に最もフィットするよう最小二乗法を活用してパラメータa2，b2，c2，d2を推定する。得られたパラメータと式(36)(37)をもって、ポンプ5の最新の特性とする。

同様の考え方を用いて、3台同時運転時の計測データを活用してポンプ６の性能曲線と効率特性を推定できる。ここでは、ポンプ４，５の性能特性曲線が既知として、それらの計測データを活用してポンプ４，５の配水流量を計算する。計測されるトータル配水流量からポンプ４，５の配水流量を減算してポンプ６の配水流量が計算できる。これを利用して前述と同様の方法で、ポンプ６の特性を推定できる。

図１２のテーブル作成手段１０８では、得られた最新のポンプ特性を活用して図４の方法で、運転台数判定テーブルと流量配分テーブルを作成する。作成されたテーブルは、ポンプ制御システム１００にセットされポンプ制御が行われる。以上、最新のポンプ特性データを活用してポンプ制御を実施することで、ポンプの最適効率点での運転を維持でき、特性劣化に伴う電力消費の増加をある程度抑制できる。上記処理は、オンラインでもオフラインでも行うことができる。

次に図１２に基づいて第３実施例を説明する。図１２はより広い運転領域でのデータ計測を可能にしたポンプ制御システムの全体構成図である。図９に示すようにポンプの最適運転では、計測が行われる運転領域が限られるため、それらのデータを活用してもポンプの性能曲線、効率曲線を正しく推定するのは困難な場合があると考えられる。この問題に対応し、より広い運転領域でのデータ計測を可能にするため目標回転数計算手段の処理内容を変更している。図１２の目標回転数計測手段１０５１では、式(7)から（9）に代わり次式で目標回転数を計算する。

N10＝N1×補正係数 (42)
N20＝N2×補正駅数 (43)
N30＝N3×補正係数 (44)
補正係数は、１より大きな定数で、例えば、１．１から１．３程度の値に設定する。本来より大きな回転数でポンプを運転するものである。Nが大きくなるので、図９の（ｂ）でQ/Nのより小さい領域での運転や、図９の（a）でHのより大きな領域での運転が可能になり、計測できる運転領域を広げることができる。例えば、1日だけこのような補正処理を行い、データ計測を行う。このデータに従来の計測データを加えた、より広い領域のデータを利用してポンプ特性推定を行えばポンプ特性の推定精度を向上できる。なお、本補正で目標より少し高い吐出圧が実現されるのでエネルギー消費は一時的に増大することになる。

次に図１３と図１４に基づいて第４実施例を説明する。図１３はより広い運転領域でのデータ計測を可能にしたポンプ制御システムの全体構成図であり、第３実施例とは別の実施形態を与えるものである。具体的には、従来と異なる修正運転台数判定テーブル１０２１を用いる。図１４はこのテーブルの一例を示すものである。1台運転から2台運転への切り替えラインを本来のものより上方にシフトした修正切り替えラインとすることで、1台運転ポンプの運転領域を拡大するものである。運転領域を拡大することで特性推定精度を向上できる。

次に図１５と図１６に基づいて第５実施例を説明する。図１５はより広い運転領域でのデータ計測を可能にしたポンプ制御システムの全体構成図であり、第３、４実施例とは別の実施形態を与えるものである。図１５では、流量配分計算を従来と異なる方法を用いて行っている。流量配分補正計算手段１０３１では、図１６に示すように、図３で与えられる流量配分テーブルの検索値に補正係数を乗じて、最終的な流量配分を求めるものである。

例えば、図１６内の補正係数ｋ、ｋ１を１より小さくすれば、ポンプ４の流量配分D1を本来の流量配分より小さくでき、補正係数を１より大きくすれば、ポンプ４の配水配分D1を本来の流量配分より大きくできる。補正係数ｋ２を１より小さくすれば、ポンプ５の流量配分D2を本来の流量配分より小さくでき、補正係数を１より大きくすれば、ポンプ５の配水配分D2を本来の流量配分より大きくできる。これらの係数によりポンプ６の流量配分をもちろん操作することができる。このように補正係数を操作することでポンプ４，５，６の配水流量のレンジを広げることができる。得られた計測データを活用してポンプ推定を行う場合、その推定精度を向上できる。

上述した各実施例においては、配水流量と吐出圧の２つの変数をベースにしてポンプのトータル消費エネルギー最小となるポンプ運転台数とポンプの流量配分を決定したり、ポンプの特性を、計測データから推定し、最新の推定特性に基づいてポンプ運転台数、ポンプ流量配分を決定したり、本来のパラメータを異なるパラメータでポンプを運転することで、オンラインにおいて、より幅広い運転領域での運転等を行ったが、消費エネルギー計算手段によって得られた消費電力データの推移を検証することによりポンプの劣化レベルを推定し、ポンプのメンテナンス時期が到来したことをディスプレイ装置（不図示）等の出力媒体に出力させ、事業者にアナウンスさせることとしてもよい。例えば、ある一定の期間の消費エネルギーの増分が所定の閾値を超えた場合、あるいは消費エネルギーに基づいて算出される電力料金の増分が所定の閾値を超えた場合に、メンテナンス時期が到来した旨をアナウンスさせることとしてもよい。この場合、事業者は適切なタイミングでポンプを交換すべきことを容易に知ることができる。

１００ ポンプ制御装置
１０１ 運転台数判定手段
１０２ 運転台数判定テーブル
１０２１ 修正運転台数判定テーブル
１０３ 流量配分計算手段
１０３１ 流量配分補正計算手段
１０４ 流量配分テーブル
１０５ 目標回転数計算手段
１０５１ 目標回転数計算手段（回転数補正あり）
１０６ データベース
１０７ ポンプ特性推定手段
１０８ テーブル作成手段。

Claims (10)

1. 複数のポンプの運転を制御するポンプ制御システムであって、
   配水流量と吐出圧とに応じた運転すべきポンプの台数を定めた運転台数判定テーブルと、前記ポンプの台数と前記配水流量と前記吐出圧とに応じた各ポンプへの前記配水流量の配分を定めた流量配分テーブルと、を記憶する記憶部と、
   前記運転台数判定テーブルを参照し、前記配水流量と前記吐出圧とに基づいて、運転すべきポンプの台数を決定する運転台数判定部と、
   前記運転すべきポンプの台数と、前記流量配分テーブルにより定められた前記配水流量と前記吐出圧とに基づいて、前記各ポンプへの配水流量の配分を計算する配水流量計算部と、
   前記運転台数判定テーブルに記憶された前記運転すべきポンプの台数と、前記配水流量計算部が求めた前記各ポンプへの配水流量の配分とに基づいて、前記各ポンプの目標回転数を設定する目標回転数計算部と、
   を備えたことを特徴とするポンプ制御システム。
2. 請求項１に記載のポンプ制御システムであって、
   前記運転台数判定テーブルにより定められる前記ポンプの台数、および前記流量配分テーブルにより定められる前記配水流量は、前記各ポンプの特性を示す特性曲線と、あらかじめ定められた運転順序によって運転される各ポンプの全体の消費エネルギーが最小となるような前記ポンプの運転台数、および前記各ポンプに配分される配水流量を前記配水流量および前記吐出圧ごとに求めたものである、
   ことを特徴とするポンプ制御システム。
3. 請求項１または２に記載のポンプ制御システムであって、
   前記ポンプの配水流量と前記吐出圧と前記各ポンプの回転数と前記各ポンプの消費電力とを計測し、計測されたこれらの情報に基づいて、前記各ポンプの特性を推定するポンプ特性推定部を備える、
   ことを特徴とするポンプ制御システム。
4. 請求項３に記載のポンプ制御システムであって、
   前記ポンプ特性推定部は、計測した前記ポンプの配水流量と前記吐出圧と前記各ポンプの回転数と前記各ポンプの消費電力とに基づいて定められる前記各ポンプの特性を示す特性曲線および性能曲線を定めるためのパラメータを本来の設定値とは異なる設定値に変更して前記各ポンプを運転したときの配水流量と吐出圧と各ポンプの回転数と消費電力とを計測し、計測したこれらの情報に基づいて、前記各ポンプの特性を推定する、
   ことを特徴とするポンプ制御システム。
5. 請求項２のポンプ制御システムにおいて、ポンプの特性曲線として、請求項３記載の推定方法で推定されるポンプの特性を利用することを特徴とするポンプ制御システム
6. 請求項２のポンプ制御システムにおいて、ポンプの特性曲線として、請求項４記載の推定方法で推定されるポンプの特性を利用することを特徴とするポンプ制御システム
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載のポンプ制御システムであって、
   前記ポンプ特性推定部が推定する各ポンプの特性とは、ポンプの劣化特性を示すものである、
   ことを特徴とするポンプ制御システム。
8. 複数のポンプの運転を制御するポンプ制御システムであって、
   前記複数のポンプの配水流量を計測するための流量センサと、
   前記複数のポンプの吐出圧を計測するための圧力センサと、
   前記配水流量と前記吐出圧との組み合わせに対して、最小消費電力を与えるポンプの運転台数と流量配分とを決定し、前記各ポンプの特性曲線および性能曲線に基づいて、前記流量センサが計測した配水流量と前記圧力センサが計測した吐出圧とに応じた運転すべきポンプの台数を定めた運転台数判定テーブルと、前記ポンプの台数と前記配水流量と前記吐出圧とに応じた各ポンプへの前記配水流量の配分を定めた流量配分テーブルと、を作成する最適化部と、
   前記運転台数判定テーブルと前記流量配分テーブルとを記憶する記憶部と、
   前記運転台数判定テーブルを参照し、前記配水流量と前記吐出圧とに基づいて、運転すべきポンプの台数を決定する運転台数判定部と、
   前記運転すべきポンプの台数と、前記流量配分テーブルにより定められた前記配水流量と前記吐出圧とに基づいて、前記各ポンプへの配水流量の配分を計算する配水流量計算部と、
   前記運転すべきポンプの台数と、前記配水流量計算部が求めた前記各ポンプへの配水流量の配分とに基づいて、前記各ポンプの目標回転数を設定する目標回転数計算部と、
   を備えたことを特徴とするポンプ制御システム。
9. 請求項８のポンプ制御システムにおいて、
   前記各ポンプに対して定められた運転順序のパターンのそれぞれについて、前記配水流量と前記吐出圧の１日における実績時系列値に対して、任意の時刻におけるポンプの最適の運転台数と流量配分とを計算してポンプの消費電力を算出し、算出した前記消費電力をすべての時刻について加算することにより前記ポンプ制御システム全体の１日の消費電力を算出し、算出した前記１日の消費電力が最小となる運転順序を、最適なポンプの運転順序として採用する消費エネルギー計算部、
   を備えたことを特徴とするポンプ制御システム。
10. 請求項９のポンプ制御システムにおいて、
    前記各ポンプの回転数を計測する回転数センサと、
    前記流量センサが計測した前記配水流量と前記圧力センサが計測した前記吐出圧との組み合わせと前記各ポンプの回転数と前記消費電力とを所定の期間蓄積したデータに基づいて、前記各ポンプの性能曲線および効率曲線を推定するポンプ特性推定部と、
    を備えたことを特徴とするポンプ制御システム。

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