JP3744760B2 - 水道用給水システムの末端圧力一定制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は水道の配水管に直結して使用する水道用給水システムの末端圧力一定制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータを使用した給水システムの末端圧力一定制御方式には特願昭５６−２７２号（関数、演算を行い、吐出し目標圧力を求めるもの）、特願昭５７−１６３８７１号（複数区間を設定し、吐出し目標圧力を求めるもの）、特願昭５９−１３１０１０号（予め定めた運転速度と吐出し目標圧力との関係に基づき、運転速度から吐出し目標圧力を求める。）などがある。これらは、いずれも、ポンプ吸込側の圧力が変化しないことを前提としている。
水道用の給水ポンプは現状では、逆流による水の汚染、ウォータハンマーの影響などの点から、配水管に直結して使用することが禁止されていた。このため、水道の配水管から分岐して、一旦、受水槽に貯水し、この水を給水ポンプにより揚水して各需要家に送水している。このような使われ方であれば、前述した従来の制御方式で十分であった。最近、配水管の圧力を利用するとともに不衛生な受水槽を排除するために、同給水装置を配水管に直結して給水する検討が始められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
給水装置を配水管に直結して使用し、且つ、ポンプをインバータで駆動して流動センサーを用いずに圧力センサのみで末端圧力一定制御を行うと、以下の問題が生じるものと考えられる。
配水管の圧力（ポンプ吸込側圧力）が変動すると、従来技術で述べた制御方式はポンプの運転速度に関連付けて、吐出目標圧力を決定するようにしてあるため、速度も変化し、これに基づいての目標圧力を決められず、安定した制御ができなくなる。
【０００４】
即ち従来の一例を示す図１の運転特性図に於いて、管路抵抗曲線Ｆに沿って、例えばそれぞれ、運転速度がＮ_MIN，Ｎ₁，Ｎ₂，Ｎ₃，Ｎ_MAX，の時、吐出し目標圧力がＨ₀，Ｈ₁，Ｈ₂，Ｈ₃，Ｈ₄，となるよう予め記憶されている。さらに、図２は、押込圧力が０ｍとしたときのポンプの特性図を示しており、Ｈａは使用水量０のときに必要な最低圧力であり、実揚程Ｈａと所要末端圧力Ｈｐとの和で求められる。Ｈ₄は給水系に最大水量Ｑ_MAXを流した時に必要な最高圧力であり前揚程である。曲線Ｆは管路抵抗曲線であり、曲線Ｉはポンプを最高速度Ｎ_MAXで運転しているときのＱ−Ｈ性能曲線であり、曲線Ｊはポンプを運転速度
Ｎ_MIN＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ（Ｈ₀／Ｈｃ）
で運転している時のＱ−Ｈ性能曲線を示しており、図３は、押込圧力が０ｍからｄｍに変化した場合の運転特性と運転速度との関係を左図に対比して表したものである。
【０００５】
ところで、使用水量Ｑは運転速度Ｎに比例し、全揚程Ｈは運転速度Ｎの二乗に比例する。同一給水系に水を流すのであるから、前述した所要圧力Ｈ₀，Ｈ₄は変わらない。
しかし、使用水量０のときにＨ₀を満足するための速度Ｎ_MIN′は
Ｎ_MIN′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔（Ｈ₀−ｄ）／Ｈｃ〕
となり、最大水量Ｑ_MAXのときにＨ₄を満足する速度Ｎ_MAX′は
Ｎ_MAX′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔Ｈｃ／（Ｈｃ＋ｄ）〕
となり、それぞれ
Ｎ_MIN＞Ｎ_MIN´，Ｎ_MAX＞Ｎ_MAX´
となり、押込圧力が０からｄｍに変化すると運転速度が下がり、管路抵抗曲線に基づく正しい制御がなされなくなる。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点を解消し、配水管の圧力が変動しても流量センサーを用いることなく、圧力センサーのみで末端圧力一定制御方式を実現できる水道用給水装置の末端圧力一定制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
吸込側圧力が変動しても正しく流量センサーを必要とせず、末端圧力一定制御を行うには、吸い込み側圧力の変化に応じて、使用水量が０の時に必要な最低圧力時のポンプ運転速度と最大水量の時に必要な最高圧力時のポンプ運転速度が特定されなければならない。即ち、ポンプ吸込側に設けた圧力センサにより吸込圧力を検出し、これに応じて、これらの運転速度を求めるようにする。
【０００８】
このための手段として、予め定めた給水管路の抵抗曲線に基づいて給水系が所望する締切時（水量０）の圧力（ここではＨａとする）と最大水量時の圧力（ここではＨｂとする）とポンプ基準速度と（ここではＮ_MAXとする）とこの速度で運転したときの締切圧力（ここではＨｃとする）とを設定し、前述の圧力Ｈａを満足する運転速度及びＨｂを満足する速度とを吸込側圧力センサの検出した圧力に基づいて決定し、これらの緒元から目標圧力を決定し、目標圧力を更新する前の目標圧力に到達した時、現状の運転速度から、次の目標圧力を決定し、更新する手段を備える。
【０００９】
【作用】
上述した手段を備えることによって管路抵抗曲線に沿った末端圧力一定制御が達成される。
【００１０】
【実施例】
本発明の実施例を図４〜図８により説明する。図４は本発明実施例の構成を示す構成図であり、１は水道配水管、２は配水管枝管、３，１０は仕切弁、４は汚染防止のための逆流防止弁、５はポンプ、７は吸込側の圧力を検出し、これに応じた信号を発信する圧力センサ、８は需要家側の使用水量がある一定水量の時にＯＮし過少水量（例えば１０〜２０／min）以下でＯＦＦする流量スイッチ、９は圧力タンク１３（内部に空気を保有）に畜圧している水を配水管側に逆流させないようにするための逆止弁、１１は給水管、１２は同給水管に備わり、ここの圧力に応じた信号を発信する圧力センサー、１４は前述の圧力センサー５、１２、流量スイッチ８の信号を入力し、予め定めたプログラムに従い、ポンプ７を予め定めた一定の関係、即ち、末端圧力一定制御を行って運転し、配水管側の水を加圧して需要家側に給水していくための制御装置（ＣＴＬ）である。
【００１１】
図５は図４の制御装置１４の詳細な制御回路図を示し、Ｒ，Ｓ，Ｔは電源（例えば３相，２００Ｖ電源）、２０は配線用しゃ断器、Ｒ，Ｓは制御電源、２２は交流電源を所望の周波数、電圧に変換し、インダクションモータ２４に出力するインバータ、２３はインバータ２２が運転する上で必要な初期値各種定数を設定するためのコンソール、２５は始動、停止を指令するスイッチであり、これを閉じると始動し、開くと停止する。２６はトランスであり、マクロコンピュータＣＵの安定化電源を供給する。２７は予め定めたプログラムに従ってリレー２８をＯＮ，ＯＦＦ指令するためのインタフェースである。
【００１２】
２９はトランス２６からの電力を整流平滑するＣＵの電源ユニット（例えばＤＣ５Ｖ，ＤＣ１２Ｖ，ＤＣ２４Ｖなど）、３０は予め制御手順を決めたプログラム及び各種データを記憶するメモリ、３１は前述したインターフェース２７に、予め定めたプログラムに従って出力するための出力ポート、３２は同様にインバータ２２に所望な速度及び電圧を指令するための出力ポート（具体的にはディジタル信号をアナログ（例えばＤＣ０〜１０Ｖ）に変換して信号を出力）、３３はスイッチ３６（例えばディジタルスイッチ）であり、制御する上で必要な初期値即ち、目標圧力（Ｈ₀〜Ｈ₄を設定）を読み込むための入力ポート、同様に３５はスイッチ３７（例えばディジタルスイッチであり、制御する上で必要な初期値即ち、回転速度Ｎ_MAX…………）で設定した値を読込むための入力ポートである。さらに、３９はインターフェース３８（主としてアナログをディジタルに変換するＤ／Ａ変換器で構成されている）を介して、圧力センサー３９，４０の信号を読み込むための入力ポート、同じく４１はインターフェース４０を介して、流量スイッチ４４の開閉信号を読み込むための入力ポート、３４は中央演算処理装置である。
【００１３】
具体的には漏電しゃ断器２０、スイッチ２５を投入することにより、電源が供給あるいは制御電源が確立され、ＣＰＵ３４は予め定めた制御プログラムをメモリ３０より読み出し、始動条件の確立に伴い、インターフェース２７を介してリレーＸを付勢する信号を出力して、その接点Ｘａ（インバータ起動指令）を閉じ、インターフェース３２を介して、所望な速度指令信号をインバータ２２に出力する。これにより同インバータが駆動し、ポンプが運転し給水を始める。
ところで、ポンプ吸込側の押込圧力の変動を制御に取り込むために次のように考える（水量Ｑが運転速度Ｎに比例，全揚程Ｈが運転速度Ｎの二乗に比例する関係を利用）。
【００１４】
図２，図３に於いて、押込圧力をｄｍ、ポンプが最高速度Ｎ_MAXで運転している時のポンプＱＨ性能曲線はＩ、その時の締切圧力はＨｃ、又は水量０の時に給水系に所望な圧力をＨａ、最大水量Ｑ_MAXの時に必要な圧力Ｈｂとする。これは給水系に所望な緒元であり、普遍的なものである。
押込圧力がｄに変化したことを考慮して、Ｈａ及びＨｂを満足する運転速度（変数）をそれぞれＮ_MIN′，Ｎ_MAX′とすると次の式で与えられる。
Ｎ_MIN′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔（Ｈａ−ｄ）／Ｈｃ〕 ・・・▲１▼
Ｎ_MAX′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔Ｈｃ／（Ｈｃ＋ｄ）〕 ・・・▲２▼
▲１▼及び▲２▼式は押込圧力ｄが変化すればその値が変化することを表しており、吸込側に設けた圧力センサの検出した圧力を図５に示すインターフェース３８でＡ／Ｄ変換して取り込み、▲１▼、▲２▼式で演算すればＨａ，Ｈｂを満足する運転速度が特定できることになる。さらに、制御する際にこれを運転する速度の基準とする。次に、使用水量の変動に応じ、管路抵抗Ｆに沿って、ポンプ吐出し側圧力を制御すると、吐出し圧力はＨａからＨｂ、運転速度はＮ_MIN′からＮ_MAXまで変化する。この変化率は次の▲３▼式で与えられる。
△ｈ／△ｎ＝（Ｈｂ−Ｈａ）／（Ｎ_MAX′−Ｎ_MIN′） ・・・▲３▼
これは０₀と０₄を結んだ直線の傾きを示している。以上の、▲１▼、▲２▼、▲３▼式の関係から運転速度に応じて、目標圧力を与える演算式を求めると▲４▼式となる。
Ｈｙ＝△ｈ／△ｎ・（Ｎｘ−Ｎ_MIN′）＋Ｈａ ・・・▲４▼
ここで、ｈｙは目標圧力、Ｎｘは運転速度である。即ち、▲４▼式においてΔｈ／Δｎは▲３▼式、Ｎ_MIN′は▲１▼式から既知であるから、運転中にポンプの運転速度Ｎｘを検出すれば、目標圧力が決定できることを表している。
【００１５】
以上に基づいて、制御のアルゴリズムを示すと以下のとおりとなる。
（１）ポンプ吸い込み側圧力ｄを圧力センサにより検出して、▲１▼式により最低速度Ｎ_MIN′を演算して求める。始動条件が確立したらポンプをＮ_MIN′（Ｎｘ＝ＮM_IN）で運転し、吐出し目標圧力をＨａとする。
（２）始動後、安定するまで目標圧力をＨａとして、これの一定比例制御を行う。
（３）逐次、吸込側圧力を検出し、▲３▼式の演算結果Δｈ／Δｎをメモリに記憶させておく。吸込圧力が変動すると、これに伴って新規データが書きかえられる。但し、離散的な吸込側圧力は検出しない。
（４）Ｈａ一定となった後、Ｎｘを検出する。その値を▲４▼式に代入して、新規目標圧力ｈｙを求める。これを新しい目標圧力に更新する。
（５）もし、（４）の結果、目標圧力が変更されると、これの一定制御を行う。以下（３）（４）（５）を繰返し処理すれば使用水量に対応した吐出し目標圧力に収束する。
【００１６】
次に、図６の運転特性図と、図７，図８フローチャートにより、このアルゴリズムをさらに詳細に説明する。
図６に於いて、今、便宜上、吸込側圧力がａで停止しているものとする。この状態ではＣＵ（図５）は図８に示すステップ８００を実行し、ステップ７００より始まる割込処理TIMINTの割込みを許可し、割込み待ちを行う。この後、ステップ７００からのTIMINT割込み処理入口へジャンプする。ステップ７０１では１回目が判定し、１回目の場合はステップ７０２で圧力センサ３９にて吸込圧力をａ検出し、メモリＭｏに格納する。２回目以降の場合にはステップ７０３でＭｏのデータと比較し、ΔＰ（例えば５ｍ）以上の時にはこのデータを捨てて、これ以下の場合にはその値をＭｏに格納する。
【００１７】
ステップ７０４ではこのデータを読出し、▲１▼▲２▼式により、それぞれＮ_MIN′，Ｎ_MAX′を演算し結果をメモリＭ１，Ｍ２に格納する。
Ｎ_MIN′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔（Ｈａ−ａ）／Ｈｃ〕
（ｄ＝ａ）→結果をメモリＭ１に格納
Ｎ_MAX′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔Ｈｃ／（Ｈｃ＋ａ）〕
（ｄ＝ａ）→結果をメモリＭ２に格納
加えて、次のように傾きΔｈ／Δｎを演算し、メモリＭ３に格納する。
△ｈ／△ｎ＝（Ｈｂ−Ｈａ）／（Ｎ_MAX′−Ｎ_MIN′）
→結果をメモリＭ３に格納
ステップ７０５では圧力センサ４０にて吐出圧力を検出し、その値をメモリＭ４に格納する。ステップ７０６ではRETI命令実行し、ステップ８０１へ進む。ここで、初期値として、目標圧力をＨｙ＝Ｈａと設定し、メモリＭ５に格納し、運転速度をＮｘ＝Ｎ_MIN′と設定し、メモリＭ６に格納しておく。
ところで図８では割込み処理TIMINTの処理条件の説明を省いたが、初期化処理で、割込処理の周期等の割込に関する条件を設定してあり、この後はこの周期に基づいて、割込みが割込みがかかり前述した吸込、吐出圧力の検出し、データの格納、演算を逐次、実行する。さて、ステップ８０２では始動条件が確立したか判定する。
【００１８】
図６において、使用水量がＱｓであり、例えば、吐出圧力がＨａ（ここではポンプ始動圧力もＨａとしてある。）以下に下がったか判定する。判定した結果、Ｈａ以下に下がっていなければＨａ以下に下がるまでステップ８０２のループ処理を実行し、Ｈａ以下に下がったらステップ８０３へ進み、ここで、図５に示すリレーＸをＯＮし、運転速度Ｎ＝Ｎ_MIN′を指令する命令を実行し、ポンプ、モータを始動する。始動後は後で詳細に述べるが、初期速度Ｎ_MIN′の運転でＨａ一定になるまで処理を実行する。
【００１９】
次に、使用水量がＱｓからＱｒに変化した場合を考える。（図６に於いて、ポンプの運転点は運転速度がＮ_MIN′でＯ₁₀点にある。）この状態では目標圧力Ｈａに対し、吐出し圧力がこれ以下に低下しているため、ステップ８０４での判定でステップ８０５へ進み、ここで、メモリＭ５に格納している運転速度Ｎｘのデータを読み出して１bit加算して結果（Ｎｘ＋１ｂｉｔ→Ｎｘ＝Ｎ₁）をインバータに増速信号として出力するとともにメモリＭ５に格納する。ステップ８０８でインバータとポンプの応答遅れを調整する待ち時間Δｔ（約０−１sec）実行し、Ｈａ一定となるまでステップ８０４〜８０８の処理を繰返し実行する。この結果、運転速度はＮ１→Ｎ２→Ｎ３と増速し、Ｏ₁₂点に到達する。
【００２０】
以上の処理結果、圧力センサ４０の検出した吐出圧力がＨａとなると、ステップ８０７へジャンプする。ステップ８０７でメモリＭ１〜Ｍ６のデータを読出し、▲４▼式による演算を実行する。
ｈｙ＝△ｈ／△ｎ・（Ｎ₃−Ｎ_MIN）＋Ｈａ
ここで、Ｈａ＝Ｈａ′(Ｎ_X＝Ｎ３）
結果をＭ５に格納し、ステップ８０９へ進む。ここでの処理結果、停止条件が確立されていないのでステップ８１０へジャンプする。
【００２１】
以後の処理を吸込側圧力がａからｂに上昇した場合について説明する。割込処理TIMINTの処理７００〜７０４に於いて、それぞれメモリに
Ｍ０＝ｂ
Ｎ_MIN′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔（Ｈａ−ｂ）／Ｈｃ〕
→メモリＭ１に格納（ｄ＝ｂ）
Ｎ_MAX′＝Ｎ_MAX・ＳＱＲ〔Ｈｃ／（Ｈｃ＋ｂ）〕
→メモリＭ２に格納（ｄ＝ｂ）
加えて、次のように傾きΔｈ／Δｎを演算し、メモリＭ３に格納する。
△ｈ／△ｎ＝（Ｈｂ−Ｈａ）／（Ｎ_MAX′−Ｎ_MIN′）
→メモリＭ３に格納（ｄ＝ｂ）
Ｍ４＝Ｈａが格納される。
【００２２】
又、目標圧力はＨａからＨａ′に更新されている。以下、前述の処理に従い、増速処理及び目標圧力の更新が逐次実行され、使用水量ＱＲに於いて、最終目標点であるＯ₃に到達する。以上の処理は使用水量が増加した例で示したが、減少した場合には前述の説明で明らかなので説明を省くが、ステップ８０４→８０６→８０８→８０４→８０７の処理を繰返し実行し、管路抵抗Ｆに沿った所定の圧力一定制御を行う。
尚、前述のステップ８０９に於いて、判定した結果、停止条件（例えば図５に示す流量スイッチ４１が過少水量１０〜１５ｌ／minを検出すること）が確立したら、ステップ８１０へ進み、ここで停止処理を実行し、ステップ８０２へ戻り、これ以降の処理を続ける。
【００２３】
以上のように本実施例によれば吸込側圧力が変動しても末端圧力一定制御を正しく制御することが可能となる。
さらに、以上の実施例に於いては、▲１▼▲２▼式を演算式としているがこれの開平演算を次のようにメモリテーブルを利用して求めても良い。
▲１▼▲２▼式のルートの中は大体０．５〜１．０である。

【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば吸込側圧力と吐出側圧力をそれぞれ圧力センサで検出し、両圧力の変動を制御要件に組込んで、末端圧力一定制御を行うため、管路抵抗曲線に沿った正しい制御が可能となり、管路抵抗曲線から離れてしまうという問題を解消することが可能となる。
さらに、吸込側圧力変動時には前述（図７）したように急しゅんな値は離散的なデータと見直して、取り込まないようにしているため、これの影響を受けて暴走及びハンチングすることがないため、吐出側の圧力制御を安定化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水道用給水システムの運転特性図。
【図２】ポンプの特性図。
【図３】ポンプの特性図。
【図４】本発明の装置の構成図。
【図５】本発明の装置の制御回路図。
【図６】運転特性図。
【図７】フローチャート。
【図８】フローチャート。
【符号の説明】
１ 水道配水管
２ 配水管枝管
３，１０ 仕切弁
４ 逆流防止弁
５ ポンプ
７ 圧力センサ
８ 流量スイッチ
９ 逆止弁
１１ 給水管
１２ 圧力センサ
１４ 制御装置

Claims (2)

1. 可変速駆動されるポンプと、該ポンプの吸込側に設けられ、該吸込側の圧力を検出する吸込側圧力センサと、前記ポンプの吐出側に設けられ、該吐出側の圧力を検出する吐出側圧力センサとを含む水道用給水システムの末端圧力一定制御方法であって、
   予め定めた給水管路の管路抵抗曲線に基づいて給水系が所望する水量０時の締切圧力Ｈａ（定数）と、最大水量時の圧力Ｈｂ（定数）と、ポンプ基準速度Ｎ_MAX （定数）と、該ポンプ基準速度Ｎ_MAX で運転した際での締切圧力Ｈｃ（定数）とが事前設定された上、前記圧力Ｈａ，Ｈｂそれぞれを満足する運転速度Ｎ_MIN ′，Ｎ_MAX ′が前記吸込側圧力センサで検出された圧力ｄと前記ポンプ基準速度Ｎ_MAX および圧力Ｈａ，Ｈｃとの関数として決定されている状態で、これら緒元と現状の運転速度Ｎｘとから決定されている直前設定目標圧力と実吐出側圧力との比較結果に基づき、現状の運転速度Ｎｘが増減速制御されつつ、実吐出側圧力が直前設定目標圧力に到達する度に、現状の運転速度Ｎｘからは次の目標圧力が更新設定されるようにして、末端圧力一定制御を行うことを特徴とする水道用給水システムの末端圧力一定制御方法。
2. 前記運転速度Ｎ_MIN ′，Ｎ_MAX ′が決定されるに際し、前記圧力ｄが直前検出のものに比し、一定以上の差が存在する状態として検出された場合には、該圧力ｄは無効化されるようにした請求項１記載の水道用給水システムの末端圧力一定制御方法。

Images