JP2013227975A - 遠心ポンプを認識及び制御する方法並びにシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ回路内のセンサを使用せずに、基準ポンプ曲線とは無関係に、非常に高い確度でポンプ回路の特性値（圧力、流量）を推定することを可能にする。
【解決手段】電気モータ２により作動される遠心ポンプ１を制御するための方法及びシステムに関し、制御方法は、速度を選択するとともに、速度を電気モータ２に適用するように可変速駆動部３を制御する第１のステップと、選択された速度において、電磁弁６を、その動作範囲の全体に亘って制御する第２のステップと、電磁弁６の各操作ポイントについて、ポンプ回路を流れる流体の圧力及び流量を計測するとともにモータに供給される電力を計測する第３のステップと、選択された速度において、流量の関数としての圧力曲線と、流量の関数としての供給電力曲線とを決定する第４のステップと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心ポンプを認識及び制御する方法並びにシステムに関する。

遠心ポンプが含まれるポンプ回路は、制御システムにより駆動される。

この制御システムは、遠心ポンプを作動させるとともに可変速駆動部により制御される電気モータを備えている。また、本システムは、ポンプ回路における流量（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）の制御を可能にするバルブ又はコックを備えている。通常運転においては、遠心ポンプの制御はポンプ曲線に基づいて実施される。これらのポンプ曲線は、基準速度と称される単一の速度に関して定められ、流量の関数としての圧力と流量の関数としての機械動力とを表すものである。基準速度以外の速度に関しては、ポンプ回路の特性値（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）（圧力、流量）と機械的特性値（電力、速度）との関連性を示す、ラトー（Ｒａｔｅａｕ）の法則と呼ばれる外挿の法則があり、これは以下のようなものである。
流量＝流量＿基準速度×（速度／基準速度）
圧力＝圧力＿基準速度×（速度／基準速度）^２
電力＝電力＿基準速度×（速度／基準速度）^３

ポンプ曲線や外挿法は予め当該システムに記憶され得るか、認識工程中に再構成され得る。この認識工程では、圧力センサ及び流量センサが使用され、ポンプに供給される機械動力に対応する電気モータの各速度において、ポンプ回路を流れる流体の流量及び圧力が計測される。従来、基準速度で実施される認識工程は、システムの計測データがポンプ回路（圧力、流量）に関連するデータであっても機械的データ（速度、電力）であっても、これらの計測データ間の相関関係を許容している。これらのデータの使用における既知の種々の不利な点は以下のようなものである。

・各種の特性値の収集が、これら４つの測定値の間に正確な同期性があるという保証なしに実施される。バルブ又はコックの作動がポンプシステムに変動を生じさせるということが知られている。ポンプシステムの構成によるが、これらの変動は振動を生じ得る。すると、互いに干渉し合う４つの特性値を収集することが困難になる。
・ポンプ曲線は、８％の精度を求めるＩＳＯ規格９９０６附属書Ａに従って、基準速度において確定されるが、これは所要の制御動作には不十分であると認められる場合がある。
・実際に、理論的法則に従って実施される外挿法は、常に望ましい精度を得ることを可能にするものではない。
・電気モータを制御して外部の機械的計測を排除する可変速駆動部の使用は、制御及び推定システムにおいて入手可能なデータ、すなわちポンプ曲線と、入手可能な計測又は推定データ（推定速度、推定機械動力）との間の相関関係を招く。特に、機械的特性値（位置、速度、トルク又は電力）に関するセンサがない場合、使用される制御アルゴリズムの種類によっては、可変速駆動部は速度及び電力の推定において不正確であると認められる場合があることが知られている。

本発明の目的は、ある特定の目的のための工程中に、可変速駆動部において入手可能な、電気モータに適用される機械的データと、外部センサにより収集されるポンプ回路のデータとの間の同期した相関関係を確実なものにし得る制御及び認識方法並びにシステムを提案することである。この相関関係は、ポンプ回路内のセンサを使用せずに、且つ製造者のデータ、すなわち基準ポンプ曲線とは無関係に、非常に高い確度でポンプ回路の特性値（圧力、流量）を推定することを可能にする。

圧力及び流量の特性値の推定の最終目的は、計測要素を診断するものであるか、或いは、圧力センサや流量センサなしでポンプ回路を制御又は監視するものであり得る。

前記目的は、制御システムにより制御されるポンプ回路内に含まれる遠心ポンプを制御する方法であって、
前記制御システムは、
可変速駆動部と、前記可変速駆動部により制御されて前記遠心ポンプを作動させる電気モータと、
前記可変速駆動部により前記電気モータに供給される機械動力の計測部又は推定部と、
前記ポンプ回路を制御するように構成された電磁弁と、
前記ポンプ回路を流れる流体の圧力を計測するように構成された圧力センサと、
前記ポンプ回路を流れる流体の流量を計測するように構成された流量センサと、
制御・処理ユニットと、を備えており、
前記方法は、前記遠心ポンプの通常運転に先立って、前記制御・処理ユニットにより実施される前記遠心ポンプの認識工程を備え、
前記認識工程は、
速度を選択するとともに、前記速度を前記電気モータに適用するように前記可変速駆動部を制御する第１のステップと、
前記選択された速度において、前記電磁弁を、その動作範囲の全体に亘って制御する第２のステップと、
前記電磁弁の各操作ポイントについて、前記ポンプ回路を流れる流体の圧力及び流量を計測するとともに前記モータに供給される電力を計測する第３のステップと、
前記選択された速度において、流量の関数としての圧力曲線と、流量の関数としての供給電力曲線とを決定する第４のステップと、を備えたことを特徴とする制御方法、により達成される。

特定の１つの特徴によれば、前記電気モータに適用される複数の速度において、前記第２のステップ、前記第３のステップ及び前記第４のステップが実施される。

特定の別の特徴によれば、選択された速度において、前記第３のステップ及び前記第４のステップが、前記電磁弁の各操作ポイントについて実施される。

本発明は、ポンプ回路内に含まれる遠心ポンプを制御するシステムであって、
前記制御システムは、
可変速駆動部と、前記可変速駆動部により制御されて前記遠心ポンプを作動させる電気モータと、
前記可変速駆動部により前記電気モータに供給される機械動力の計測部又は推定部と、
前記ポンプ回路を制御するように構成された電磁弁と、
前記ポンプ回路を流れる流体の圧力を計測するように構成された圧力センサと、
前記ポンプ回路を流れる流体の流量を計測するように構成された流量センサと、
前記遠心ポンプを認識するためのモジュールであって、前記遠心ポンプの通常運転に先立って作動されるモジュールを含む制御・処理ユニットと、を備え、
前記認識モジュールは、
速度を選択する手段と、前記速度を前記電気モータに適用するように前記可変速駆動部を制御する手段と、
前記選択された速度において、前記電気モータに供給される電力を決定する手段と、
前記選択された速度において、前記電磁弁を、その動作範囲の全体に亘って制御する手段と、
前記電磁弁の各操作ポイントについて、前記ポンプ回路を流れる流体の圧力及び流量の計測値を回収する手段と、
前記選択された速度において、前記流量の関数としての圧力曲線と、前記流量の関数としての供給電力曲線とを決定する手段と、を備えたことを特徴とする制御システム、に関する。

特定の１つの特徴によれば、前記制御・処理ユニットは、前記可変速駆動部内に含まれている。

他の特徴や利点は、添付図面に関してなされる以下の詳細な説明から明らかになる。

本発明のポンプ回路と制御システムとを示す図。 遠心ポンプの認識工程中に適用されるシーケンスを示す図。 図２のシーケンスにより特徴付けられる、圧力／流量ポンプ曲線を示す図。太線による曲線は、基準速度におけるポンプ曲線である。 図２のシーケンスにより特徴付けられる、モータ電力／流量ポンプ曲線を示す図。太線による曲線は、基準速度におけるポンプ曲線である。

ポンプ回路は、制御システムにより制御される遠心ポンプ１を備えている。このような制御システムは、遠心ポンプを作動させるように構成された電気モータ２と、この電気モータを制御するように構成された可変速駆動部３とを備えている。

可変速駆動部の構造はよく知られているため、本願では説明を省略する。

遠心ポンプ１の特徴は、ポンプ回路においてポンプの通常運転に先立って、認識工程を実施する点にある。この認識工程は、例えばポンプ回路の初回の起動前に、少なくとも一度実施される。

遠心ポンプ１の認識工程は、操作範囲の全てをカバーするように、基準速度に関するポンプ曲線だけでなく他の操作速度におけるポンプ曲線をも再構成することにある。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ポンプ曲線は、電気モータの各速度に関して、ポンプ回路を流れる流体の流量（Ｄｆ）の関数としてのポンプ回路を流れる流体の圧力（Ｐｆ）（図３Ａ）と、ポンプ回路を流れる流体の流量（Ｄｆ）の関数としてのモータ電力（Ｐｍｏｔ）（図３Ｂ）と、を規定する。

ポンプ曲線を再構成するために、制御システムは、ポンプ回路を流れる流体の圧力（Ｐｆ）を計測するように構成された圧力センサ４と、ポンプ回路を流れる流体の流量（Ｄｆ）を計測するように構成された流量センサ５と、を備えている。認識工程が完了すると、これらのセンサは用済みとなって除去され得る。或いは、可変速駆動部と本発明により提案される方法により認識された遠心ポンプとを有するポンプ作動器が、圧力及び流量の特性値のためのセンサを有していない他のポンプ回路に挿入され、センサのないポンプ回路の制御を提供し得る。

更に、認識工程中に、入力時に与えられるデータと出力時に収集されるデータとの相関関係を確実なものとするために、制御システムは制御及び処理の両方を可能とする制御・処理ユニット３０を備えている。この制御・処理ユニット３０は、例えば、プログラマブルコントローラであり得るか、可変速駆動部３に既に配置されたコントローラであり得る。下記の説明においては、制御・処理ユニットは可変速駆動部に含まれるものとして理解されるであろう。制御・処理ユニット３０は、例えばシステムのスイッチが初めてオンとされた時、オペレータにより作動されるか、或いは自動的に作動される遠心ポンプ１の特性を認識するためのモジュールを備えている。

本発明による制御システムを図１に示す。図１において、可変速駆動部３は電気モータ２に接続されており、この電気モータ２が遠心ポンプ１を制御する。ポンプ回路に構成さられた電磁弁６は、制御・処理ユニット３０により直接的に制御される。流量センサ５及び圧力センサ４は、それらの計測データを制御・処理ユニット３０に送信するように、制御・処理ユニット３０に直接的に接続されている。

図２に示すように、認識モジュールが作動されると、遠心ポンプ１を認識する工程が開始される。第１のステップ（Ｅ１）において、制御・処理ユニット３０は、電気モータ２に第１の速度を適用するように可変速駆動部３を制御する手段を作動させる。この速度は、例えば、基準速度の３０％乃至１２０％に亘る範囲から選択される。第２のステップ（Ｅ２）では、この選択された速度において、制御・処理ユニット３０は、操作ポイントについて電磁弁６を制御する手段を作動させる。次いで、第３のステップ（Ｅ３）において、電磁弁６の各操作ポイントにつき、制御・処理ユニット３０は、ポンプ回路を流れる流体の圧力（Ｐｆ）を検出するためのセンサ４と、ポンプ回路を流れる流体の流量（Ｄｆ）を検出するためのセンサ５とにより供給された値を記録し、可変駆動部３により供給される電力（ＰＭｏｔ）を測定又は推定により決定する。これらの計測データは全て制御・処理ユニット３０に送信され、制御・処理ユニット３０はそれらのデータを記憶手段に記録する（ステップＥ４）。全ての速度がスキャンされるまで、制御・処理ユニット３０は、電気モータ２に適用される新たな速度について同じ操作を繰り返す。収集されたデータに基づいて、制御・処理ユニット３０は、ポンプ曲線を決定する手段を作動させる。

全てのデータが収集されると、制御・処理ユニット３０は、各ポンプ曲線を確定し、有用ないくつかの考えられ得る状況に備える。これらの状況とは以下のものである。
−ポンプ回路の通常運転中に、異なる速度でポンプ曲線が使用され得る。内挿法の原理を用いて、２つの曲線の間の速度に対する流量と圧力とが推定され得る。
−たとえ基準速度値と最低速度値として２つの曲線のみが得られた場合でも、同じ原理が適用され得る。
−他の原理は、基準速度に対応する曲線のみを記憶し、比較的遅い速度で計測された他のポンプ曲線に基づいて、類似する法則の調整率（ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を計算することであり得る。

圧力センサや流量センサが存在しなくても、ポンプ回路の通常運転中に、上記の曲線を用いて圧力及び流量を、ポンプ曲線の使用の原理とは無関係に推定することができる。

Claims (5)

1. 制御システムにより制御されるポンプ回路内に含まれる遠心ポンプ（１）を制御する方法であって、
   前記制御システムは、
   可変速駆動部（３）と、前記可変速駆動部により制御されて前記遠心ポンプを作動させる電気モータ（２）と、
   前記可変速駆動部により前記電気モータに供給される機械動力の計測部又は推定部と、
   前記ポンプ回路を制御するように構成された電磁弁（６）と、
   前記ポンプ回路を流れる流体の圧力を計測するように構成された圧力センサ（４）と、
   前記ポンプ回路を流れる流体の流量を計測するように構成された流量センサ（５）と、
   制御・処理ユニット（３０）と、を備えており、
   前記方法は、前記遠心ポンプの通常運転に先立って、前記制御・処理ユニット（３０）により実施される前記遠心ポンプ（１）の認識工程を備え、
   前記認識工程は、
   速度を選択するとともに、前記速度を前記電気モータ（２）に適用するように前記可変速駆動部（３）を制御する第１のステップと、
   前記選択された速度において、前記電磁弁（６）を、その動作範囲の全体に亘って制御する第２のステップと、
   前記電磁弁（６）の各操作ポイントについて、前記ポンプ回路を流れる流体の圧力及び流量を計測するとともに前記モータに供給される電力を計測する第３のステップと、
   前記選択された速度において、流量の関数としての圧力曲線と、流量の関数としての供給電力曲線とを決定する第４のステップと、を備えたことを特徴とする制御方法。
2. 前記電気モータ（２）に適用される複数の速度において、前記第２のステップ、前記第３のステップ及び前記第４のステップが実施されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 選択された速度において、前記第３のステップ及び前記第４のステップが、前記電磁弁（６）の各操作ポイントについて実施されることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御方法。
4. ポンプ回路内に含まれる遠心ポンプ（１）を制御するシステムであって、
   前記制御システムは、
   可変速駆動部（３）と、前記可変速駆動部により制御されて前記遠心ポンプ（１）を作動させる電気モータ（２）と、
   前記可変速駆動部により前記電気モータに供給される機械動力の計測部又は推定部と、
   前記ポンプ回路を制御するように構成された電磁弁（６）と、
   前記ポンプ回路を流れる流体の圧力を計測するように構成された圧力センサ（４）と、
   前記ポンプ回路を流れる流体の流量を計測するように構成された流量センサ（５）と、
   制御・処理ユニット（３０）と、を備え、
   前記システムは、前記制御・処理ユニット（３０）が前記遠心ポンプを認識するためのモジュールであって、前記遠心ポンプの通常運転に先立って作動されるモジュールを備え、
   前記認識モジュールは、
   速度を選択する手段と、前記速度を前記電気モータ（２）に適用するように前記可変速駆動部（３）を制御する手段と、
   前記選択された速度において、前記電気モータ（２）に供給される電力を決定する手段と、
   前記選択された速度において、前記電磁弁（６）を、その動作範囲の全体に亘って制御する手段と、
   前記電磁弁（６）の各操作ポイントについて、前記ポンプ回路を流れる流体の圧力及び流量の計測値を回収する手段と、
   前記選択された速度において、前記流量の関数としての圧力曲線と、前記流量の関数としての供給電力曲線とを決定する手段と、を備えたことを特徴とする制御システム。
5. 前記制御・処理ユニット（３０）は、前記可変速駆動部（３）内に含まれていることを特徴とする請求項４に記載の制御システム。

Images