JP4557912B2 - プロセス制御システム - Google Patents
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Description
<全体構成>
図1は、本発明によるプロセス制御システムの第1実施形態を示す構成図である。
関数定義手段3では、アンモニア濃度とDO濃度を利用した、例えば、図2に示すような関数を定義する。
ここで、“NH4”はアンモニア濃度、“DO”はDO濃度を表す。“α”は、図2の直線の傾きを表すパラメータ、“β”は図2の切片を表すパラメータであり、原点を通る場合は“0”になることから、この場合、目標値を“0”とする一定値制御で実現できる。
「請求項2」に示すアイデアは、トレードオフを定義する曲線を、最適化問題の解から求めようとするものである。つまり、流入下水のアンモニア負荷量を変動して、これに対応する最適なDO濃度と最適なアンモニア濃度を図6に示すようにプロットする。このようにプロットされた点を適当な補間方法(ラグランジュ補間、スプライン補間、多項式補間など)を用いて補間し、図6の様な曲線を作成する。このような曲線は、DO濃度とアンモニア濃度の適当な関数となるので、実際には一定値制御を以下のように行うことができる。
ここで、“f(*、*)”は、“f(0、0)=0”となる関数であり、適当な補間関数で構成されるものである。“β”はDO濃度の軸の切片を表す定数であり、この値を目標値として与えて、DO濃度とアンモニア濃度から構成される関数値“f(*、*)”を一定に保つようにPI制御などで制御を行えばよい。(2)式の様な関数を定義してこれを一定値になるように制御する方法と、従来の最適制御の違いは、以下の通りである。
「請求項3」と、「請求項4」に示すアイデアは、最適化という手段を利用せずに、アンモニア濃度とDO濃度との関係を示す曲線を利用して、一定値に保つべき関数を決定しようとするものである。
「請求項5」では、図8に示すように、一定値に保つべき関数をDO濃度と、NH4濃度で表される平面上の中で、例えばDO濃度の軸に対して有界となるような関数を設定することによって、DO濃度に対するリミッタを自動的に挿入することができる。つまり、図8に示したような関数を設定すれば、同じく図8で示した様な範囲内でDO濃度が変動することになる。
「請求項6」では、完全な一定値制御を諦める代わりに、いくつかの運転モードを用意し、運転モードに応じて、一定値に追従する関数を切り替えるものである。この概念を図9に示す。例えば、「請求項2」に示す方法では、アンモニア負荷を変動して最適化を実行し、負荷に応じた曲線を作成するものであった。しかし、実際の流入下水は、アンモニア以外にも各種有機物も含んでいる。したがって、有機物負荷が変動すれば、最適なアンモニア濃度やDO濃度の値も変化する。アンモニアは処理の律速となっているため、多少の有機物負荷変動では、最適なアンモニア濃度やDO濃度はそれほど大きくは変化しないが、有機物負荷が大幅に変われば変化も大きくなる。したがって、例えば、典型的な有機物負荷の場合、有機物負荷が高い場合、および有機物負荷が低い場合、などのいくつかのモードを設けて、そのモードに対して一定値制御で追従すべき関数を切り替えることが考えられる。反応槽内の有機物濃度も直接計測している場合には、有機物濃度とアンモニア濃度とDO濃度との3つについて、トレードオフを考えた関数を設計すればよいが、反応槽内の有機物濃度は計測されていないことが多い。
次に、関数定義手段3の動作を説明する。なお、関数定義手段3〜曝気風量一定値制御手段6の動作は、通常の一定値制御の場合と殆ど同じである。
そこで、「請求項7」では、このような時定数の違いを調整するためのフィルタを導入することを提案している。具体的には、時定数の大きい方が律速となるため、時定数の小さい方の変数にフィルタを導入して時定数を調整する。この例の場合は、DO濃度に対して、例えば以下の様なフィルタを導入する。
ここで、“s”はラプラス演算子あるいは微分演算子、“Tnh4”は空気供給量に対するアンモニア濃度の変化速度を表す時定数、“Tdo”は空気供給量に対するDO濃度の変化速度を表す時定数、“DOf”はDO濃度のフィルタ値である。このフィルタは連続時間系のフィルタであるが、双一次変換などの適当な離散化手段を用いて、離散化すれば、デジタルフィルタを構成できる。あるいは、直接的に、以下の様な指数フィルタと呼ばれるデジタルフィルタを構成しても良い。
0≦α≦1 …(5)
ここで、“α”は時定数を調整するための値である。この他にも、色々なフィルタ設計法があるが、どのような方法を用いるにせよ、DO濃度のフィルタ値DO値“DOf”を求めることができる。そして、DO濃度のかわりに時定数分の調整を行ったフィルタ値“DOf”とアンモニア濃度に対してPI制御器を作ることにする。
第1実施形態の主たる効果は以下の通りである。
<全体構成>
図10は、本発明によるプロセス制御システムの第2実施形態を示す構成図である。
第2実施形態の動作と第1実施形態の動作との違いは、(1)第1実施形態では曝気風量の制御を扱っていたのに対し、第2実施形態では余剰汚泥流量の制御を扱っている。(2)第1実施形態では2つのセンサのトレードオフを考えていたのに対し、第2実施形態では3つのセンサがある場合を扱っているの2点である。(1)に関しては、窒素除去を目的とした曝気風量制御だけでなく、他にもトレードオフが存在するような場合にはどのような制御でも本考案が適用できることを説明するために、第2実施形態では異なる制御を採用している。(2)についてはより本質的であり、2つのセンサでなく3つ(以上)のセンサを用いたトレードオフを考える場合の制御系構成法を示すために、第2実施形態では3つのセンサを利用した制御を考えることにした。
次に、図10に示す構成図を参照して、第2実施形態の動作を説明する。
このような場合の関数定義方法を考案しているのが、「請求項8「と「請求項9」に示すアイデアである。
ここで、“Qwas”は余剰汚泥引抜流量、“NO3”は硝酸濃度を表し、“γ”は単位当たりの余剰汚泥引抜流量にかかるコストと単位当たりの硝酸濃度にかかるコストを調整するパラメータであり、上記計算によって求められる。もちろん、このような比例関係ではなく、複雑な非線形関数になることもありうるが、何らかの関数を定義することによって、余剰汚泥引抜流量で、グループAを代表させることができる。
g(PO4,Qwas)=α …(7)
g(PO4,γNO3)=α …(8)
α:目標値
を連立させた関数が最終的に一定値追従されるべき曲線である。
また、「請求項9」の発明は、(6)式のようにある変数を代表とするのではなく、グループ内の合成変数を代表変数としよういう考え方に基づいている。例えば、次の様な関数を定義することができる。
ここで、“X”はグループAの変数である余剰汚泥引き抜き流量と硝酸濃度から作られる合成変数であり、“α”と“β”は、各々、余剰汚泥引抜流量に対する重み、硝酸濃度に対する重みであり、典型的には、例えばコスト換算係数などの値を設定することができる。この合成変数とグループBの合成変数と見なせるリン酸濃度との2つの変数に対して、第1実施形態で示したように2変数間のトレードオフを考えた曲線をエンジニアリング的な方法で設計することができる。
次に、関数変換手段10〜余剰汚泥引抜流量一定値制御手段12の動作を説明する。なお、これら関数変換手段10〜余剰汚泥引抜流量一定値制御手段21の動作は、第1実施形態の動作とほとんど同じである。
・放流リン負荷低減による放流リン水質向上と放流窒素負荷低減による放流窒素水質向上および汚泥処理コストの削減とのトレードオフを考慮した余剰汚泥引き抜き流量の制御を、従来の一定値制御という枠組みで簡単に実施することができる。
また、上述した第1実施形態、第2実施形態では、システム設計者が定義した関数を各関数定義手段3、9にセットし、プロセスの運転員が直接、見ることができないようにしているが、関数表示部を設け、各関数定義手段3、9に定義された関数の値をグラフ表示するようにしても良い。
2:プロセス計測データ収集
3:関数定義手段
4:関数変換手段
5:目標値供給手段
6:曝気風量一定値制御手段
7:下水処理プロセス(A2O法)
8:プロセス計測データ収集および保存手段
9:関数定義手段
10:関数変換手段
11:最初沈殿池
12:無酸素槽
13:好気槽
14:最終沈殿池
15:DOセンサ
16:アンモニアセンサ
17:曝気装置
18:炭素源投入ポンプ
19:PAC注入ポンプ
20:目標値供給手段
21:余剰汚泥流量一定値制御手段
71:最初沈殿池
72:嫌気槽
73:無酸素槽
74:好気槽
75:最終沈殿池
76:リン酸センサ(好気槽)
77:硝酸センサ(無酸素槽)
78:余剰汚泥引抜流量センサ
79:凝集剤注入ポンプ
110:余剰汚泥引き抜きポンプ
111:循環ポンプ
112:返送汚泥ポンプ
710:余剰汚泥引抜ポンプ
711:循環ポンプ
712:返送ポンプ
713:曝気装置
714:炭素源投入ポンプ
Claims (17)
- 2つ以上のセンサによって得られたプロセスの状態に基づき、センサの個数より少ないアクチュエータを制御することによってプロセスの状態を制御するプロセス制御システムにおいて、
予め定義されたプロセスの状態が外乱によって変化するようなプロセスの状態を計測する少なくともn(n≧2)個のセンサから出力される計測値を取り込むプロセス状態計測手段と、
各計測値は予め定義された指標に基づいてその良否が判断できるという条件、n個の各計測量はm(m<n)個のいずれかのアクチュエータを操作するために利用され、かつ各々の計測量が2つ以上のアクチュエータを操作するために重複して用いられることが無いようにアクチュエータと計測量のm個(1対1あるいは1対多)の組が定義されているという条件、1対多で定義されたアクチュエータ(1個)と計測量(複数個)の組において、アクチュエータによる操作量を増加した場合に、ある計測量は前記指標に基づいて良くなるが別の計測量は前記指標に基づいて悪くなるトレードオフが存在するという条件を満たしている2つ以上の計測値に対し、トレードオフのバランス点を指定する1つの関数が定義される関数定義手段と、
前記プロセス状態計測手段で計測された各計測値に応じて、前記関数定義手段で定義された関数の値を一定値に保つように制御指令を出力する一定値制御手段と、
この一定値制御手段から出力される制御指令に基づき、センサの個数未満のm(<n)個のアクチュエータを制御し、プロセスの状態を制御するプロセス制御操作手段と、
を備えたことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、予め定義されたプロセス最適化手段によって外乱の状態に応じた複数の最適解を求め、これらの最適解を補間して、複数のトレードオフをバランスさせる関数を構成する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、対象とするプロセスの挙動を模擬できるプロセスシミュレータを用いて、トレードオフ関係にある、2つ以上の変数の定常状態において取り得る値を外乱状態に応じて計算し、これらの値を補間することによって得られる曲線を使用して、前記関数を決定する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、対象とするプロセスに対し、トレードオフ関係にある、2つ以上の変数の実測値を外乱状態に応じて計測し、その計測された値を補間することによって得られる曲線を使用して、前記関数を決定する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、トレードオフ関係にある、2つ以上の変数の中でいずれか1つ以上の変数の取り得る範囲に限界値が存在する有界関数を使用して、前記関数を決定する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、複数の関数を定義しておき、状況に応じて追従させる関数を切り替える、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記一定値制御手段は、トレードオフ関係にある2つ以上の変量の操作量に対する変化率(時定数)が異なる場合に、変化率を調整するためのフィルタを導入した上で、一定値制御を行う、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、トレードオフ関係にある変数が3つ以上存在する場合に、対応する操作量の増加によって良くなる変数(グループA)と、減少によって良くなる変数(グループB)を予めグルーピングしておき、グループAの代表変数とグループBの代表変数とを選択し、これら2変数のトレードオフを考慮した関数を作成する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、トレードオフ関係にある変数が3つ以上存在する場合に、対応する操作量の増加によって良くなる変数(グループA)と、減少によって良くなる変数(グループB)を予めグルーピングしておき、グループAの全変数から1つの合成変数を作成するとともに、グループBの全変数から1つの合成変数を選択し、これら2変数のトレードオフを考慮して関数を作成する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段に設定された関数の値をグラフ表示する関数表示部、
を有することを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、下水処理プロセスを対象プロセスとするとともに、曝気風量をアクチュエータとし、
アンモニアセンサで得られるアンモニア濃度、全窒素センサで得られる全窒素濃度、リン酸センサで得られるリン酸濃度、全リンセンサで得られる全リン濃度、有機物濃度センサで得られる有機物濃度のいずれか1つ以上の計測値と、DOセンサで得られるDO濃度、流量センサで得られる曝気風量、ORPセンサで得られる酸化還元電位差のいずれか1つ以上の計測値とを用いて前記関数を定義する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、下水処理プロセスを対象プロセスとするとともに、炭素源投入量をアクチュエータとし、
硝酸センサで得られる硝酸濃度、全窒素センサで得られる全窒素濃度、OPRセンサで得られる酸化還元電位差のいずれか1つ以上の計測値と、有機物濃度センサで得られる反応槽内の有機物濃度、炭素源投入物質の有機物濃度のいずれか1つ以上の計測値とを用いて前記関数を定義する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記プロセスは、下水処理プロセスを対象プロセスとするとともに、凝集剤投入量をアクチュエータとし、
リン酸センサで得られるリン酸濃度、全リンセンサで得られる全リン濃度のいずれか1つ以上の計測値と、凝集剤投入量とを用いて前記関数を定義する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、下水処理プロセスを対象プロセスとするとともに、余剰汚泥引き抜き量をアクチュエータとし、
リン酸センサで得られるリン酸濃度、全リンセンサで得られる全リン濃度、余剰汚泥引き抜き量のいずれか1つ以上の計測値と、アンモニアセンサで得られるアンモニア濃度、硝酸センサで得られる硝酸濃度、ORPセンサで得られる酸化還元電位差、全窒素濃度、反応槽MLSS濃度、余剰汚泥MLSS濃度による全窒素濃度のいずれか1つ以上の計測値とを用いて前記関数を定義する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、下水処理プロセスを対象プロセスとするとともに、返送量をアクチュエータとし、
リン酸センサで得られるリン酸濃度、全リンセンサで得られる全リン濃度、返送量のいずれか1つ以上の計測値と、硝酸センサ、または全窒素センサで得られる全窒素濃度、ORPセンサで得られる酸化還元電位差に対応した硝酸濃度のいずれか1つ以上の計測値とを用いて前記関数を定義する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、浄水処理プロセスを対象プロセスとするとともに、凝集剤投入量をアクチュエータとし、
濁度計による濁度と凝集剤投入量とを用いて前記関数を定義する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。 - 請求項1に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記関数定義手段は、浄水処理プロセスを対象プロセスとするとともに、オゾン供給量をアクチュエータとし、
溶存オゾン酸素濃度センサで得られた溶存オゾン酸素濃度、オゾン供給量のいずれか1つ以上の計測値と、蛍光強度計で得られた蛍光強度、UVセンサで得られた有機物濃度のいずれか1つ以上の計測値とを用いて前記関数を定義する、
ことを特徴とするプロセス制御システム。
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