JP4020747B2 - 濾過装置の運転開始時の安定運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、濾過装置の運転を開始する際の安定運転方法に係り、特に制御干渉系からなる濾過装置の濾過プロセスの運転を開始する際に好適な安定運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体や気体等の流体プロセスの自動制御において、測定値を目標値に一致させるためにオン／オフ動作、比例動作（Proportional；以下、単に「Ｐ動作」という）、積分動作（Integral；以下、単に「Ｉ動作」という）、微分動作（Derivative；以下、単に「Ｄ動作」という）が適宜採用されており、更には比例動作・積分動作を同時に働かせるＰＩ動作、或いは、比例動作・積分動作・微分動作を全部同時に働かせるＰＩＤ動作等を利用して短時間で且つ安定して測定値を目標値に一致させると共に外乱によって発生した偏差を出来るだけ早くなくす制御が行われる。
【０００３】
また、測定値または目標設定値に応じて複数のＰＩＤ定数（比例帯PB、積分時間Ｔ_I、微分時間Ｔ_D）を切り換えるマルチＰＩＤ動作が提案されており、複数の目標値とＰＩＤ定数の組み合わせを調節計内部に記憶させ、必要により呼び出して使用することが出来るものもある（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
また、原液を循環しながら濾過を行うクロスフロー型の精密濾過または限外濾過処理方法において、逆洗やエアバブリングや停止状態からの濾過処理開始への切り換え時に濾過膜への原液の入力圧力を所定時間低圧運転して濾過膜を保護すると共に安定運転するものも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
財団法人 省エネルギーセンター出版部 出版、１９９２年２月５日発行、松山 裕 著「だれでもわかる自動制御」、ｐ.85
【特許文献１】
特開平１０−３３９５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来例では、流体プロセスで制御対象の制御点が複数存在して互いに干渉し合う場合、各単独のＰＩＤ制御を立ち上げると不安定な制御になり、例えば、濾過装置等では高圧異常が発生して運転不能となるという問題があった。
【０００７】
本発明は前記課題を解決するものであり、その目的とするところは、濾過プロセスの運転開始時における立ち上り制御を安定化させることが出来る濾過装置の運転開始時の安定運転方法を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法は、原液を循環しながら濾過を行う濾過工程と濾過膜モジュールを洗浄する逆洗工程とを繰り返すクロスフロー型の精密或いは限外濾過装置の運転を開始する際の安定運転方法であって、制御対象となる循環系の原液、濾過液、戻り原液のうち少なくとも２箇所の制御点が互いに干渉し合う制御干渉系からなる濾過装置の濾過プロセスの運転開始の前回に安定運転した際の制御対象となる循環系の原液、濾過液、戻り原液のうち少なくとも２箇所のＰＩＤ演算出力値記憶部に随時記憶した前回の濾過工程において安定運転した際のＰＩＤ演算部から出力される最新の演算出力値を随時記憶し、その最新の演算出力値を次回の濾過プロセスの運転開始時の演算出力値として所定の時間だけ固定化し、その後、ＰＩＤ制御による自動制御運転に切り換えることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、上述の如く構成したので、前回の安定運転時の演算出力値を随時記憶して、その最新の演算出力値を次回の濾過プロセスの運転開始時の演算出力値として所定の時間だけ固定化することで濾過プロセスの運転開始時における立ち上り制御を安定化させることが出来、安定化した段階でＰＩＤ制御による自動制御運転に切り換えることで、安定運転時に近い固定状態からＰＩＤ制御による自動制御運転に切り換える時の偏差が小さい状態で安定的に切り換わり、安定運転を継続することが出来る。
【００１０】
また、前記濾過プロセス開始時の安定運転方法を、濾過プロセスが、制御対象の制御点が複数存在して互いに干渉し合う制御干渉系からなる濾過装置の濾過プロセスに対して効果的に適用出来る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図により本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法の一例として濾過プロセスが、制御対象の制御点が複数存在して互いに干渉し合う制御干渉系からなる濾過装置の濾過プロセスに対して適用した場合の一実施形態を具体的に説明する。
【００１２】
図１は本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法が適用される濾過装置の構成の一例を示す図、図２は本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法を実施するための制御系のブロック図である。
【００１３】
また、図３は本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法が適用される濾過装置において制御干渉系である原液、濾過液、戻り原液の各制御特性を示す図、図４は図１に示す濾過装置における濾過プロセスの一例を説明する図である。
【００１４】
図１に示す濾過装置は、例えば、河川水、湖沼水、地下水或いは海水等の原液を循環しながら濾過を行うクロスフロー型の精密或いは限外濾過装置として構成されており、複数の制御対象となる循環系の原液、濾過液、戻り原液が夫々のＰＩＤ制御により自動制御されることで制御干渉系を構成するものである。
【００１５】
図１において、１は原液タンクであり、２は原液タンク１に収容された原液１ａを原液配管３を介して濾過膜モジュール４に送り出す原液供給ポンプである。
【００１６】
原液供給ポンプ２から濾過膜モジュール４に至る原液配管３には流路の開口面積を連続的に変化させて制御することが出来る原液供給電動弁５が設けられており、該原液供給電動弁５の流路下流側には検出部となる圧力センサ６が配置されている。
【００１７】
７は圧力センサ６が検知した原液配管３を流通する原液１ａの圧力信号に基づいて操作信号を演算し、原液供給電動弁５を制御する演算制御部である。
【００１８】
４は濾過膜モジュールであり、中空糸状の濾過膜がケース内に収納され、実際には複数の濾過膜モジュール４が並列に接続されて濾過膜ユニットを構成している。
【００１９】
原液配管３から濾過膜モジュール４に原液１ａが供給されると、該濾過膜モジュール４内に設けられた中空糸状膜の外側から内側に透過するか、若しくは内側から外側に透過して濾過された濾過液９ａが濾過液配管８に導かれて濾過液タンク９に貯蔵される。
【００２０】
濾過膜モジュール４から濾過液タンク９に至る濾過液配管８には流路の開口面積を連続的に変化させて制御することが出来る濾過電動弁10が設けられており、該濾過電動弁10の流路上流側には検出部となる電磁流量計11が配置されている。
【００２１】
12は電磁流量計11が検知した濾過液配管８を流通する濾過液９ａの流量信号に基づいて操作信号を演算し、濾過電動弁10を制御する演算制御部である。
【００２２】
一方、原液配管３から濾過膜モジュール４に供給された原液１ａの一部は循環戻り原液として濾過膜モジュール４の中空糸状膜の外側或いは内側を流通して原液戻り配管13に導かれ、原液タンク１に戻るようになっている。
【００２３】
濾過膜モジュール４から原液タンク１に至る原液戻り配管13には流路の開口面積を連続的に変化させて制御することが出来る原液戻り電動弁14が設けられており、該原液戻り電動弁14の流路上流側には検出部となる電磁流量計15が配置されている。
【００２４】
16は電磁流量計15が検知した原液戻り配管13を流通する循環戻り原液の流量信号に基づいて操作信号を演算し、原液戻り電動弁14を制御する演算制御部である。
【００２５】
次に図２を用いて、本発明に係る濾過プロセスの一例として濾過プロセス開始時の安定運転方法を実施するための制御系の構成について説明する。図２において、各演算制御部７，12，16には、タッチパネル等からなる入力手段を構成する目標値設定部17が設けられており、該目標値設定部17において、例えば、「0〜4000」、「0〜8000」、「0〜12000」の範囲の所定のデジタル値が設定される。
【００２６】
18はＰＩＤ演算部であり、目標設定値に応じてＰＩＤ定数（比例帯PB、積分時間Ｔ_I、微分時間Ｔ_D）が予め設定されている。ＰＩＤ定数の一例としては、Ｐ＝０．２、Ｉ＝０．１、Ｄ＝０．０５等に設定される。
【００２７】
尚、これ等のＰＩＤ定数についても濾過プロセスの運転開始の前回に安定運転した際のＰＩＤ定数を記憶しておき、そのＰＩＤ定数を次回の濾過プロセスの運転開始時のＰＩＤ定数として採用することも出来る。
【００２８】
ＰＩＤ演算部18において、目標値設定部17で入力されたデジタル値を比例動作・積分動作・微分動作に応じて演算して、例えば、「0〜4000」、「0〜8000」、「0〜12000」の範囲の所定のデジタル値が出力される。
【００２９】
そして、ＰＩＤ演算部18から出力されたデジタル値は、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換部19でアナログ値に変換される。
【００３０】
例えば、アナログ値として電流値で「４mA〜２０mA」の範囲で制御する場合には、各「0〜4000」、「0〜8000」、「0〜12000」の範囲のデジタル値を均等割して電流値とデジタル値とを関連付け、アナログ値として電圧値で「１Ｖ〜５Ｖ」の範囲で制御する場合には、各「0〜4000」、「0〜8000」、「0〜12000」の範囲のデジタル値を均等割して電圧値とデジタル値とを関連付けることが出来る。
【００３１】
そして、Ｄ／Ａ変換部19から出力された電流値や電圧値等のアナログ値からなる操作信号を、図１に示す原液供給電動弁５、濾過電動弁10、原液戻り電動弁14や原液供給ポンプ２を制御するインバータの周波数調整器等の制御部に伝達して原液１ａ、濾過液９ａ及び戻り原液の流れを夫々制御する。
【００３２】
一方、各原液配管３、濾過液配管８及び原液戻り配管13に設けられた圧力センサ６、電磁流量計11，15からなる検出部において原液配管３を流通する原液１ａの圧力、濾過液配管８及び原液戻り配管13を流通する濾過液９ａ及び戻り原液の流量が電流値や電圧値等のアナログ値からなる測定値として検出される。
【００３３】
測定されたアナログ値は、例えば、電流値で「４mA〜２０mA」の範囲、或いは、電圧値で「１Ｖ〜５Ｖ」の範囲で検出され、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部20でデジタル値に変換される。
【００３４】
例えば、アナログ値として電流値で「４mA〜２０mA」の範囲で検出される場合には、各「0〜4000」、「0〜8000」、「0〜12000」の範囲のデジタル値を均等割して電流値とデジタル値とを関連付け、アナログ値として電圧値で「１Ｖ〜５Ｖ」の範囲で検出される場合には、各「0〜4000」、「0〜8000」、「0〜12000」の範囲のデジタル値を均等割して電圧値とデジタル値とを関連付けることが出来る。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換部20から出力されたデジタル値は、比較器21において、目標値設定部17から出力されたデジタル値と比較され、その偏差が「０」になるようにＰＩＤ演算部18に入力されるデジタル値が適宜修正される。以上がＰＩＤ自動制御される場合のルーチンである。
【００３６】
22はＰＩＤ演算部18から出力された演算出力値となるデジタル値を随時記憶するＰＩＤ演算出力値記憶部であり、その随時記憶したＰＩＤ演算出力値をＤ／Ａ変換部19に入力することが出来るように構成されている。
【００３７】
即ち、濾過プロセスの一例として、図１に示す濾過装置の濾過プロセスの運転を開始する際に、その濾過プロセスの運転開始の前回に安定運転した際の制御対象となる原液配管３を流通する原液１ａ、濾過液配管８を流通する濾過液９ａ及び原液戻り配管13を流通する戻り原液の流れを制御するＰＩＤ演算部18の演算出力値を随時記憶したＰＩＤ演算出力値記憶部22の最新の演算出力値を次回の濾過プロセスの運転開始時の演算出力値として所定の時間Ｔだけ固定化し、その後、所定の自動制御運転となるＰＩＤ自動制御運転に切り換えるように構成されている。
【００３８】
そして、図１に示す濾過装置の濾過プロセスの運転を開始する際に、ＰＩＤ演算出力値記憶部22に記憶された、その濾過プロセスの運転開始の前回に安定運転した際の最新の演算出力値となるデジタル値をＤ／Ａ変換部19に入力し、所定の時間Ｔだけそのデジタル値に固定する。
【００３９】
この間はＰＩＤ演算部18から出力されるデジタル値はＰＩＤ演算出力値記憶部22には随時記憶されるが、Ｄ／Ａ変換部19には入力されず、該Ｄ／Ａ変換部19にはＰＩＤ演算出力値記憶部22から前回に安定運転した際の最新の演算出力値となる固定したデジタル値が入力される。
【００４０】
そして、予め設定された所定の時間Ｔが経過した後は、ＰＩＤ演算出力値記憶部22から出力される前回に安定運転した際の最新の演算出力値となる固定したデジタル値が遮断され、ＰＩＤ演算部18から出力されるデジタル値がＤ／Ａ変換部19に入力されてＰＩＤ自動制御運転に切り換わるように構成されている。
【００４１】
図３において、（ａ）は濾過液９ａの制御特性を示す図であり、（ｂ）は戻り原液の制御特性を示す図であり、（ｃ）は原液１ａの制御特性を示す図である。先ず、予め設定された濾過液排出目標値Ｓ_１、原液戻り目標値Ｓ_２、原液供給目標値Ｓ_３に応じて、Ｄ／Ａ変換部19にはＰＩＤ演算出力値記憶部22から前回に安定運転した際の最新の演算出力値となる固定したデジタル値が入力され、濾過液９ａ、戻り原液及び原液１ａがＰＩＤ手動制御される。
【００４２】
本実施形態では、濾過液９ａのＰＩＤ手動制御は、図３（ａ）に示すように、Ｔ_１時間だけＤ／Ａ変換部19にＰＩＤ演算出力値記憶部22から前回に安定運転した際の最新の演算出力値となる固定したデジタル値が入力され、戻り原液のＰＩＤ手動制御は、図３（ｂ）に示すように、Ｔ_２時間（Ｔ_２＞Ｔ_１）だけＤ／Ａ変換部19にＰＩＤ演算出力値記憶部22から前回に安定運転した際の最新の演算出力値となる固定したデジタル値が入力され、原液１ａのＰＩＤ手動制御は、図３（ｃ）に示すように、Ｔ_３時間（Ｔ_３＞Ｔ_２）だけＤ／Ａ変換部19にＰＩＤ演算出力値記憶部22から前回に安定運転した際の最新の演算出力値となる固定したデジタル値が入力される。
【００４３】
その間、ＰＩＤ演算部18から出力された演算出力値となるデジタル値は適宜修正されており、このデジタル値に基づいてＰＩＤ自動制御したと想定した場合の濾過液９ａ、戻り原液及び原液１ａの制御特性は図３（ａ）〜（ｃ）の二点鎖線で示すように比較的緩慢に変移する。
【００４４】
そして、運転開始からＴ_１後に濾過液９ａをＰＩＤ手動制御からＰＩＤ自動制御に切り換え、更にＴ_２後に戻り原液をＰＩＤ手動制御からＰＩＤ自動制御に切り換え、更にＴ_３後に原液１ａをＰＩＤ手動制御からＰＩＤ自動制御に切り換える。
【００４５】
これにより、干渉制御系からなる濾過装置の濾過プロセスであっても短時間で安定した運転開始が出来る。
【００４６】
図４は図１に示す濾過装置における具体的な濾過プロセスの一例を説明する図であり、図４において、エア抜き工程からエア抜き循環工程に至る過程では、濾過電動弁10を初期開度で１分間、原液戻り電動弁14を初期開度で１分３０秒間、原液供給電動弁５を初期開度で２分間固定する。
【００４７】
その後、濾過工程において、濾過電動弁10をＤ／Ａ変換部19にＰＩＤ演算出力値記憶部22から前回に安定運転した際の最新の演算出力値となる固定したデジタル値を入力するＰＩＤ手動制御で１分間、原液戻り電動弁14を同じくＰＩＤ手動制御で１分３０秒間、原液供給電動弁５を同じくＰＩＤ手動制御で２分間固定する。
【００４８】
そして、濾過工程開始から１分後に濾過液９ａをＰＩＤ手動制御からＰＩＤ自動制御に切り換え、更に濾過工程開始から１分３０秒後に戻り原液をＰＩＤ手動制御からＰＩＤ自動制御に切り換え、更に濾過工程開始から２分後に原液１ａをＰＩＤ手動制御からＰＩＤ自動制御に切り換える。
【００４９】
濾過工程を２０分間実施した後、濾過運転を停止させ、濾過膜モジュール４を洗浄する逆洗工程を２０秒間実施する。
【００５０】
そして、逆洗運転を停止した後、ＰＩＤ演算出力値記憶部22に随時記憶した前回の濾過工程において安定運転した際のＰＩＤ演算部18から出力される最新の演算出力値となるデジタル値を固定としてＤ／Ａ変換部19に入力し、前記濾過工程に遷移する。
【００５１】
尚、濾過プロセスの制御対象を圧力、流量、温度、蒸気、湿度、濃度等に適用することが出来、圧力や流量が制御対象であれば制御部として電磁弁、電動弁、エアー弁、コントロールバルブ、或いはポンプや該ポンプを駆動制御するインバータの周波数調整器等を制御部として採用出来、温度が制御対象であればヒータ等が制御部として採用出来る。また、検出部としては圧力センサ、流量センサ、温度センサ、濃度センサ、湿度センサ等が採用出来る。
【００５２】
また、本実施形態では、制御干渉系となる原液供給電動弁５、濾過電動弁10及び原液戻り電動弁14の３つを制御する場合の一例について説明したが、原液供給電動弁５、濾過電動弁10及び原液戻り電動弁14のうちの何れか１つを単独で制御する場合や、何れか２つを制御する場合にも適用可能であり、３つ以上の制御においても適用可能である。
【００５３】
また、自動制御運転の一例として、比例動作・積分動作・微分動作を全部同時に働かせるＰＩＤ制御を適用した場合について説明したが、液体や気体等の濾過プロセスの自動制御において、測定値を目標値に一致させるために適用可能なオン／オフ動作制御、比例動作（Ｐ動作）制御、積分動作（I動作）制御、微分動作（Ｄ動作）制御等を適宜使用しても良いし、更には比例動作・積分動作を同時に働かせるＰI制御等を使用しても良い。
【００５４】
また、ギャップ付ＰＩＤ動作、ゲインスケジューリング制御、マルチＰＩＤ動作、２自由度ＰＩＤ動作、サンプルＰＩＤ動作等の自動制御運転に適用することでも良い。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は、上述の如き構成と作用とを有するので、前回の安定運転時の演算出力値を随時記憶して、その最新の演算出力値を次回の濾過プロセスの運転開始時の演算出力値として所定の時間だけ固定化することで濾過プロセスの運転開始時における立ち上り制御を安定化させることが出来、安定化した段階でＰＩＤ制御による自動制御運転に切り換えることで、安定運転時に近い固定状態からＰＩＤ制御による自動制御運転に切り換える時の偏差が小さい状態で安定的に切り換わり、安定運転を継続することが出来る。
【００５６】
また、濾過プロセス開始時の安定運転方法を、濾過プロセスが、制御対象の制御点が複数存在して互いに干渉し合う制御干渉系からなる濾過装置の濾過プロセスに対して効果的に適用出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法が適用される濾過装置の構成の一例を示す図である。
【図２】 本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法を実施するための制御系のブロック図である。
【図３】 本発明に係る濾過装置の運転開始時の安定運転方法が適用される濾過装置において制御干渉系である原液、濾過液、戻り原液の各制御特性を示す図である。
【図４】 図１に示す濾過装置における濾過プロセスの一例を説明する図である。
【符号の説明】
１…原液タンク
１ａ…原液
２…原液供給ポンプ
３…原液配管
４…濾過膜モジュール
５…原液供給電動弁
６…圧力センサ
７…演算制御部
８…濾過液配管
９…濾過液タンク
９ａ…濾過液
10…濾過電動弁
11…電磁流量計
12…演算制御部
13…原液戻り配管
14…原液戻り電動弁
15…電磁流量計
16…演算制御部
17…目標値設定部
18…ＰＩＤ演算部
19…Ｄ／Ａ変換部
20…Ａ／Ｄ変換部
21…比較器
22…ＰＩＤ演算出力値記憶部

Claims (1)

1. 原液を循環しながら濾過を行う濾過工程と濾過膜モジュールを洗浄する逆洗工程とを繰り返すクロスフロー型の精密或いは限外濾過装置の運転を開始する際の安定運転方法であって、
   制御対象となる循環系の原液、濾過液、戻り原液のうち少なくとも２箇所の制御点が互いに干渉し合う制御干渉系からなる濾過装置の濾過プロセスの運転開始の前回に安定運転した際の制御対象となる循環系の原液、濾過液、戻り原液のうち少なくとも２箇所のＰＩＤ演算出力値記憶部に随時記憶した前回の濾過工程において安定運転した際のＰＩＤ演算部から出力される最新の演算出力値を随時記憶し、その最新の演算出力値を次回の濾過プロセスの運転開始時の演算出力値として所定の時間だけ固定化し、その後、ＰＩＤ制御による自動制御運転に切り換えることを特徴とする濾過装置の運転開始時の安定運転方法。

Images