JP4865335B2

JP4865335B2 - ポンプ停止回転速度を自動調整する給水装置

Info

Publication number: JP4865335B2
Application number: JP2006005304A
Authority: JP
Inventors: 英治 ▲高▼山; 幸一佐藤; 啓岡藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: JP2007187067A

Description

本発明は、ポンプ回転速度を変化させて圧力制御を行う給水装置における運転制御の技術に関する。

給水装置においては、インバータ等を用いてポンプ回転速度を変化させ、圧力制御（圧力一定制御）を行う手法がある。この場合、水量が少なくなったときのポンプ停止判断をフロースイッチ等の機械的接点にて過少水量を検知してポンプを停止させる方法が一般的である。しかし、機械的接点では、接点間への異物の混入や劣化等により、過少水量であるにもかかわらずポンプが停止しないで、水温が過熱し事故を引き起こす例が出ている。

そこで、フロースイッチを利用するのではなく、ポンプ回転速度により停止判断を行う方法が取られている。圧力一定制御を行う場合、水量が少なくなると、それに従いポンプ回転速度が低くなるので、ある回転速度以下になると過少水量と判断してポンプを停止させる方法である。

例えば、特許文献１には、高価なフロースイッチを用いることなく、水量ゼロの締切運転状態を検出して、小水量停止動作に入ることのできる給水装置が開示されている。また、特許文献２には、ポンプ運転周波数と配管圧力とを判断するだけで少水量停止を行う給水システムが開示されている。特許文献３には、ポンプの始動圧力及び停止圧力を一度設定すれば、ポンプの磨耗等によって供給圧力が停止圧力より低下しても自動的に調節することができる自動給水方法が開示され、特許文献４には、ポンプの始動圧を一度設定すれば、ポンプの磨耗等によって停止圧力が変化しても、停止圧力と始動圧力との差圧を自動的に調整する自動給水装置が開示されている。
特開２００２−１３０１４１号公報特開平８−１５９０７８号公報特開平１０−９１４５号公報特開平１０−３１８１８１号公報

しかし、上記のポンプ回転速度により停止判断を行う方法だとポンプの据付状況（ポンプ吸込み側の条件等）により、停止判断を行うポンプ回転速度は違ってくるので、現地据付後に調整を行うことが必要であり、また、ポンプの経年劣化によってもポンプ回転速度が違ってくるので一定期間経過後に再調整を行う必要があり、調整に手間のかかるものとなっている。また、調整ミスが生じた場合は過熱事故を引き起こしてしまう。

本発明の目的は、停止判定をポンプ回転速度により行う給水装置において、現地据付後および一定期間後に行う停止回転速度の調整を行わなくても良いようにし、停止判定の信頼性を向上させることである。

上記目的を達成する為に、本発明では、ポンプと、該ポンプの吐出側の圧力を検出する圧力センサと、前記ポンプの吐出側の目標圧力値を設定する目標圧力設定手段と、前記圧力センサが検出する圧力が前記設定した目標圧力となるように前記ポンプの回転速度を変化させる回転速度制御手段と、を備え、該回転速度制御手段は、前記ポンプの回転速度が設定された第１の停止速度以下になった場合に、前記ポンプを停止させる給水装置において、前記回転速度制御手段により前記ポンプの回転速度を変化させた場合の前記ポンプの回転速度の最小値を記憶する記憶手段をさらに備え、前記ポンプの回転速度が前記記憶手段が記憶した前記最小値以下にならない時間が設定された時間を経過した場合に、前記第１の停止速度を増加させて第２の停止速度に更新し、前記回転速度制御手段は、前記ポンプの回転速度が前記更新した第２の停止速度以下になった場合に、前記ポンプを停止させることを特徴とする。

本発明を用いれば、停止判定にフロースイッチ等の機械的接点を使用しないので信頼性を向上させることができ、かつ、停止判定回転速度の調整などの手間を省き、調整ミスや定期調整忘れ等の人為的ミスを防ぐことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の実施の形態では、ポンプの回転速度を変えるためにインバータを使用する。インバータに使用しているマイクロコンピュータにポンプ吐出側に設置した圧力センサの信号を入力し、該マイクロコンピュータにて該ポンプの吐出圧力と回転速度を制御させる。オートチューニングのアルゴリズムは、プログラム化して該マイクロコンピュータに搭載させる。また、調整した停止回転速度を保持させるための記憶素子を使用し、マイクロコンピュータは、該停止回転速度を更新すると該記憶素子に調整値を書込み、電源遮断時でも調整値は保持できるようにする。以下に、本発明の実施例を図１〜図４により説明する。

図１に、本発明の実施例１の給水装置の構成図を示す。１は商用電源で電源を供給する。２，３はポンプコントロール機能を内蔵したインバータでポンプ６，８の駆動し、周波数を変えることにより自在に該ポンプ回転数を変化させることができる。給水装置は、通常１台故障した場合の予備として２台のポンプで構成しており、ポンプ６，８より送られる水は逆止弁７，９を介して合流管１０を通して給水される。合流管１０には、圧力脈動吸収およびポンプ始動時の圧力低下を抑えるため、圧力タンク１１を取り付けている。また、圧力を検知するため、圧力センサ１２を取り付け、その圧力信号は、ケーブル４により各インバータへ伝送する。５は、該インバータの状態を相手側へ送るための配線であり、該配線５により相手側の状態を監視して自ポンプの運転判断および故障時には自動バックアップを行う。

図２に、該インバータの構成図を示す。該インバータには、出力周波数や電流値などを表示し、目標圧力などを設定するためのオペレータ１３を装備させる。該オペレータ１３は、ＭＣＵ（マイクロコンピュータユニット）１５により操作し、オペレータ１３より設定値の変更があると、該ＭＣＵ１５は記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ１４に設定値を記憶させ保存する。その他、記憶させたい値があった場合には、該ＥＥＰＲＯＭ１４に、その値を記憶させることができる。該ＭＣＵ１５は、装備しているＡ／Ｄ変換器に圧力センサの圧力信号を入力して圧力値を計算して圧力値が該目標圧力で一定となるように自ポンプの回転数を制御し、相手側インバータの状態を監視しながら自ポンプの運転を制御する。また、同時に相手側インバータへ自インバータの状態を出力する。該インバータのパワー部は、商用電源からの交流波形をコンバータ部１６にて整流してコンデンサ１７によりリプルを吸収し直流を生成したのち、該ＭＣＵ１５がスイッチング素子（トランジスタ）１８をオン／オフさせることによって任意の周波数を生成し、該ポンプの回転速度を変化させることができる構成である。

使用水量が少なくなれば運転を停止させるが、この過少水量停止の判断にはポンプの回転速度を用いている。その他、水量計やフロースイッチを用いる方法があるが、水量計は高価であり、フロースイッチは機械的接点の為、故障の可能性が高い。図３にポンプ特性（水量と吐出圧力の関係図）のポンプ回転数による変化を示す。図中の仕様点は顧客の要求仕様（水量Ｑｍａｘ、圧力Ｈａｉｍ）であり、該仕様点より、それを満足するポンプ回転速度Ｎｍａｘが決定される。このＨａｉｍを目標圧力と設定し、吐出圧力がＨａｉｍとなるように水量に応じてポンプ回転速度を変化させる。図中に示している通り、ポンプ特性カーブは、ＮｍａｘからＮ１、Ｎ２と変化するにつれて一様に下がる傾向にある。この場合の運転点は、目標圧力Ｈａｉｍの吐出圧力一定制御を行っているので図中の特性カーブとＨａｉｍの交点になる。よって、水量がＱｍａｘからＱ１、Ｑ２と少なくなるにつれ、ポンプ回転速度は下がっていくことになる。この特性を利用し、ポンプ回転速度がＮｓまで下がった場合は、過少水量Ｑｓであると判断してポンプを停止させる。

このようにポンプ回転速度を過少水量停止判断に用いる場合、その停止回転速度Ｎｓを決定し、設定しておくことが必要になる。しかし、ポンプ特性曲線は、現地でのポンプ据付状況（吸込揚程）により異なってくるため、Ｎｓの決定は現地で行うことになり、さらにポンプの経年劣化を考慮して一定期間後には再調整を行う必要があるなど、非常に手間のかかるものとなる。また、Ｎｓの決定を間違うと過少水量にも関わらずポンプが停止せず、水が過熱して過熱事故を生じてしまうなどの危険を含んでいる。

上記問題を解決するため、該停止回転速度のオートチューニング機能をプログラム化して該ＭＣＵに搭載する。そのフローチャートを図４に示す。特徴は過少水量探索運転を用いることである。過少水量探索運転とは、ポンプ回転速度を吐出圧力一定制御とは関係なく意図的に上下させ、そのときの圧力の低下具合を見ることにより水の使用量を推測する方法である。具体的には、ポンプ回転速度を一旦上げて吐出圧力を少しだけ上昇させ、その後、上げる前の回転速度まで落とし、ある一定時間（数秒）の間に圧力低下が規定値以内であれば、過少水量と判断し、ポンプを停止させる方法である。圧力の低下度合と水の使用度合は相関しているので、この方法による過少水量判断は有効であると考える。

この過少水量探索運転を、過熱を生じない時間間隔で常に行えば良いのだが、この過少水量探索運転中は圧力変動を生じることになるので頻繁には行えない。よって、過少水量探索運転を利用して停止回転速度の調整を行う。
据付後の初期運転開始時（ステップ４０００）は、停止回転速度が決まっていない状態である（ステップ４０１０）。この場合、時間を計測し（ステップ４０３０）、ある一定時間Ｔ（過熱を生じない時間に設定）だけ経過後に（ステップ４０５０）必ず過少水量探索運転を行い（ステップ４０６０）、このときの結果を用いて、とりあえず停止回転速度を設定する。過少水量判定で（ステップ４０７０）過少水量と判断されれば、その過少水量探索運転を行った［ポンプ回転速度＋α］を停止回転速度と設定し（ステップ４０８０）、過少水量と判断されなければ［該ポンプ回転速度−α］を停止回転速度に設定する（ステップ４０９０）。このαは裕度であり、使用するポンプの最高回転速度により決まる値である。なお、このとき設定する停止回転速度は商用電源が遮断されたときでも記憶しておくようにＥＥＰＲＯＭに保存させる（ステップ４１００）。次回に過少水量探索運転を行う契機は、ポンプ回転速度が該停止回転速度以下である時間を計測して（ステップ４０２０）該計測時間が時間Ｔだけ経過することとし（ステップ４０４０）、該停止回転速度以上では過少水量探索運転をしないようにする。この方法を用いることにより、最初に止まるまでは過少水量探索運転を頻繁に行うようになるが、それ以後は停止回転速度が決定するので過少水量探索運転は過少水量時のみ行うこととなる。

また、ポンプの経年劣化により停止回転速度が変化する問題においては、次のように解決する。プログラムでポンプの回転速度を常時監視してポンプの最低回転数を記憶させるようにする。ポンプが経年劣化すればポンプの特性は落ちる為、該最低回転数での運転は行えなくなる。そこで、ポンプ回転速度が該最低回転数にならない時間が一定時間Ｔｒ（例えば２４時間）だけ経過すれば経年劣化の可能性有りとみなして該停止回転速度を＋αするプログラムを構築する。

なお、ポンプが停止して停止回転速度が決定した後は、停止回転速度以下では過少水量探索運転をしないで止めても良いのだが、経年劣化時の停止回転速度の更新や停止回転速度の計算に裕度αを持たせていることを考えると、過少水量探索運転を行った方が確実である。（間違って更新してしまっても、過少水量探索運転により再度修正される）
これらの機能は、設定値および計測時間保存用のＥＥＰＲＯＭおよび上記プログラムが搭載されたＭＣＵを用いることにより実現可能である。

本発明の実施例１の給水装置の構成図である。本発明を実施するために必要なインバータの構成図である。ポンプ回転速度を加減させたときのポンプ特性の変化を示た図である。本発明における停止回転速度のオートチューニング機能のアルゴリズムである。

符号の説明

１インバータを駆動させるための商用電源
２インバータ（ポンプコントロール機能内蔵）
３インバータ（ポンプコントロール機能内蔵）
４圧力信号伝送ケーブル
５インバータ運転状態伝送ケーブル
６ポンプ
７水の逆流を防ぐ為の逆止弁
８ポンプ
９水の逆流を防ぐ為の逆止弁
１０合流管
１１圧力タンク
１２圧力センサ
１３インバータの状態をモニタし、目標圧力などを設定する為のオペレータ
１４設定や計測時間を保存する為の記憶素子（ＥＥＰＲＯＭ）
１５マイクロコンピュータ
１６コンバータ部
１７コンデンサ
１８インバータ部

Claims

ポンプと、
該ポンプの吐出側の圧力を検出する圧力センサと、
前記ポンプの吐出側の目標圧力値を設定する目標圧力設定手段と、
前記圧力センサが検出する圧力が前記設定した目標圧力となるように前記ポンプの回転速度を変化させる回転速度制御手段と、を備え、
該回転速度制御手段は、前記ポンプの回転速度が設定された第１の停止速度以下になった場合に、前記ポンプを停止させる給水装置において、
前記回転速度制御手段により前記ポンプの回転速度を変化させた場合の前記ポンプの回転速度の最小値を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記ポンプの回転速度が前記記憶手段が記憶した前記最小値以下にならない時間が設定された時間を経過した場合に、前記第１の停止速度を増加させて第２の停止速度に更新し、
前記回転速度制御手段は、前記ポンプの回転速度が前記更新した第２の停止速度以下になった場合に、前記ポンプを停止させることを特徴とする給水装置。
請求項１に記載の給水装置において、
前記第１の停止速度は、初期運転開始後に設定されることを特徴とする給水装置。
請求項２に記載の給水装置において、
前記第１の停止速度は、停止速度設定手段により設定され、
該停止速度設定手段は、
前記回転速度制御手段により前記ポンプの回転速度を、第１の回転速度から第２の回転速度となるように増加させた後に前記第１の回転速度となるように減速させ、
この減速させた状態で前記ポンプの吐出側の圧力低下が設定値以下であった場合に、前記第１の回転速度を前記第１の停止速度として設定することを特徴とする給水装置。
請求項１〜３に記載の給水装置において、
前記ポンプの停止速度を前記第２の停止速度に更新した場合に、
前記回転速度制御手段は、
前記ポンプの回転速度が前記更新した第２の停止速度以下になった場合で、かつ、過少水量探索手段により過少水量であると判断した場合に、前記ポンプを停止させ、
前記過少水量探索手段は、
前記ポンプの回転速度を、第１の回転速度から第２の回転速度となるように増加させた後に前記第１の回転速度となるように減速させ、
この減速させた状態で前記ポンプの吐出側の圧力低下が設定値以下であった場合に、過少水量であると判断することを特徴とする給水装置。