JPH01175613A - ポンプ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、下水道における汚水・雨水ポンプの運転台数
を最適制御するポンプ制御装置に関するものである。

（従来の技術） 下水道における汚水・雨水ポンプ設備は、地下埋設の管
渠と接続されたポンプ井と、吸い込み側がポンプ井と接
続されると共に吐出側が下水処理場の初沈池と接続され
たポンプ群とから構成されている。そして、家庭や工場
から排出される汚水や市街地に降った雨水は、管渠を通
ってボンブ井に流れ込み、このポンプ井に溜め込まれた
処理水はポンプ群により前記初沈池へ排出される。

ポンプ群は一般に複数のポンプで構成され、その吐出流
間は運転ポンプの組み合せの変更により段階的に、又は
一部速度制御や吐出弁開度制御により連続的に調整され
る。

ところで、家庭や工場から排出される汚水は、人間集団
の活動によって、その時系列変化が週中位か日単位かに
よりある程度定形的となっている。

ところが、雨水は降雨量の地域別の時系列変化として把
えても、あるいは管渠を通ってポンプ井へ流入してくる
雨水の時系列変化として把えても共にその都度変わるも
のであり、再現性に乏しい。

このため、予め日単位等のポンプ運転計画を立て得るに
充分な期間に亘る予測値を得ることが困難である。

従来における汚水・雨水ポンプはポンプ井の水位レベル
に応じて決定されるポンプの吐出流間に基づいて運転制
御されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述のような従来の方法では、台風や集
中豪雨時のような急激な流入流量変化が生じ水位の上昇
が早い場合、ポンプの起動・停止にかなりの時間を要し
、ポンプ井水位の変動のみでは急激な水位変化に追従で
きず、ポンプ操作が遅れるという不具合がある。そして
、これに対処するためには監視員を下水処理場に配置し
ておぎ、ポンプ井の水位を見ながら手動操作せねばなら
ないという問題点があった。

本発明の目的はこの種の汚水・雨水ポンプ群の台数制御
を無人にて自動制御できるポンプ制御装置を提供するこ
とにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明のポンプ制御装置は
管渠から流れ込む汚水、雨水等の下水をポンプ井に蓄え
た後、複数台のポンプにより下水処理設備へ排出するポ
ンプ群の台数制罪において、前記ポンプ井に設けた水位
計及び前記ポンプ群の吐出側に設けた吐出流量計で各々
検出される水位及び総吐出流吊を逐次入力する手段と、
入力された水位及び総吐出流渋から自己回帰モデルによ
り前記ポンプ井への流入流量を推定する手段と、現在の
ポンプ運転／停止指令及び予め設定されたポンプの吐出
流吊対水位特性から前記ポンプ群の吐出流量の最大値と
最小値とを求める手段と、求められた吐出流間の最大値
及び最小値と、前記推定流入流Ｍ値と、現在の水位とか
ら所定８！ｆ間先の水位の最大値及び最小値を予測演算
する手段と、求められた水位最大予測値と水位最小予測
値とから前記ポンプの運転台数を決定する手段と、決定
された運転台数に応じた水位目標値を算出する手段と、
前記運転台数及び水位目標値に基づいて流分制御を実行
する手段と、を具備することを特徴とする。

（作用） 本発明では、ポンプ井水位及び総吐出流吊から自己回帰
モデルによりポンプ井の流入流量が算出され、又ポンプ
群の総吐出流量の最大値と最小値が算出され、更に吐出
流間の最大値及び最小値と推定された流入流ａと現在の
水位とから所定時間先の水位の最大値及び最小値が予測
される。そして求められた水位最大予測値と水位最小予
測値とから運転台数が決定されると共に水位目標値が算
出される。これにより応答遅れを生じることなく無人運
転にてポンプを自動制御することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の好適な一実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明が適用されたポンプ制御装置をポンプ場
と共に示している。

まずポンプ場の概要を説明すると、地下に埋設された管
渠１から流れ込んだ汚水・雨水等の下水は、沈砂池２及
びスクリーン３を経て固体物が取り除かれた後、ポンプ
井４に流入する。このポンプ井４に貯わえられた下水は
複数のポンプからなるポンプ群５により下水処理設備６
へ揚水される。

上記ポンプ井４には、ポンプ井水位計７が設けられてお
り、又、ポンプＨの水位には上限値と下限値とが定めら
れている。

更に、上記ポンプ群５の吐出側には吐出流量計８が設け
られており、ポンプ群５の総吐出流吊が逐次検出されて
いる。そして、上記水位計７で検出された水位及び吐出
流分計８で検出された総吐出流量はポンプ制御装置９に
取り込まれている。

本実施例のポンプ制御装置９は、プロセス入出力処理部
１０と、プロセス値格納部１１と、マンマシンインター
フェース１２を介して外部から入力された制御パラメー
タを格納゛ｆる制御パラメータ格納部１３と、プロセス
値格納部１１のプロセス値と制御パラメータ格納部１３
の制御パラメータ等を入力して後述する台数制御を演算
する台数制御演算部１４と、この台数制御演算部１４で
演算されたポンプの起動／停止判断結果を格納する起動
／停止判断格納部１５と、同じく台数制御演算部１４で
演算された水位目標値を格納する水位目標値格納部１６
と、前記起動／停止判断結果に基づいて起動停止指令を
順次出力する台数制御シーケンス処理部１７と、この起
動停止指令を格納する起動停止指令格納部１８と、同じ
く起動停止指令に基づいて起動／停止の切換時における
流量の急変を防止して安定した制御を行うためのバンプ
レス処理演算を実行するバンプレス演算部１９と、前記
プロセス値格納部１１に格納された水位値と前記演算さ
れた水位目標値との偏差を求めてＰ■副制御実行するＰ
Ｉ制御演算部２０と、このＰＩ制御演算部２０の出力値
と前記バンプレス演算部１９との出力値とから速度制御
１標６ｎを求めて格納する速度制御目標値格納部２１と
を備えている。又、装置外部にはマンマシンインターフ
ェース１２に接続されるキーボード２２及びＣＲＴデイ
スプレィ２３を備えている。

プロセス値格納部１１は、プロセス入出力処理部１０を
介して供給される水位、総吐出流担、ポンプ回転数等の
計測値やポンプの運転／停止、起動／停止及び起動準備
完了等の運転状態信号をプロセス値として格納するもの
である。

制御パラメータ格納部１３は、台数制御レベル（台詞レ
ベルという）、予測時間、ポンプ特性及びポンプ井構造
等の制御パラメータを格納するものである。

台数制御演算部１４は、第２図に示すようにその機能上
、逐次最小二乗推定部１４Ａと、流入流量１１定部１４
Ｆ３と、総吐出流吊レンジ演算部１４Ｃと、水位予測部
１４Ｄと、台数制御判断部１４Ｆと、水位目標値演算部
１４Ｆとからなっている。

次に本実施例の作用を系統的に説明する。

プロセス入出力処理部１０にはポンプ井４の水位及びポ
ンプ群５の総吐出流量が所定のサンプリング周期で取り
込まれており、これら計測値はプロセス値格納部１１に
格納される。

一方、制御パラメータ格納部１３には台詞レベルやポン
プ特性あるいはポンプ井構造等のパラメータが予め格納
されており、又操作員によりキーボード２２から予測時
間やその伯の制御指令が入力されている。

この状態において、台数制御演算部１４では以下のよう
な処理が実行される。

まず、逐次最小二乗推定部１４Δでは、入力された水位
及び総吐出流量から自己回帰モデルが得られる。即ち、
離散時刻ｋにおいて、流入流量の時系列データＱ　＜＋
　＞　　（ｒ　＝１．２．・・・ｋ）が人手済みである
とすれば、これによる自己回帰モデルが次の（１）式で
得られる。

Ｑ　（ｋ　）　＝、Σχｉ　　−Ｑ　（ｋ　−ｉ　＋１
）＋＆Ｉ Ｑ（ｋ−１）＝（Ｈ（ｋ）−・１１（ｋ−１））・Ａ（
Ｈ（ｋ　））＋Ｑｐ　　（ｋ−１）・・・（１） ここで、パラメータχｉ　　（ｉ　＝Ｌ　２．・・・ｌ
ｌ１）は最小二乗法によって決定される。又、パラメー
タＱ　（ｋ　）は離散時刻にで検出された流入流量値で
ある。更に、ｍは説明変数であり、この説明変数ｍの値
としては、幾つのデータが回帰すればいいかを決定する
例えば、ＡＩＣ（赤池情報１ｆｉｌｕ準）を用いて、予
め本対象に関するデータを用いて決定されるものである
。更に、（」は検出された水位を、Ａは水位がＨのとき
のポンプ井の断面積を、Ｑｐは検出されたポンプ井の総
吐出流聞を示している。

そして、上記（１）式の自己回帰モデルのパラメータχ
ｉを状態量χ１（ｋ）として取り扱い、観測には雑音が
含まれていると解釈すると、本予測システムの状態推移
方程式と出力観測方程式は、次の（２）式と（３）式で
得られる。

Ｘ　（ｋ　＋１）　−Ｘ　（ｋ　）　　　　　　　　　
　（２）Ｑ（ｋ）＝Ｈ（ｋ）−Ｘ（ｋ）＋Ｑ（ｋ）・・
・（３） ここで、Ｘ　（ｋ　）は離散時刻にでの状態ペクト）Ｌ
ｔテＸ　（ｋ　）−（Ｉｔ　　（ｋ　）、　χ２　　（
ｋ　）、　・”１ｍ（ｋ））　　、Ｈ（ｋ）は離散時刻
にでの既知なるベクトルでＨ（ｋ）＝Ｑ（ｋ）、Ｑ（ｋ
−１）。

Ｑ　（ｋ　−２）　、・・・Ｑ　（ｋ　−１）　）　　
、　Ｑ　（ｋ　）はスカラーで正規白色雑音とする。即
ち、Ｑ（ｋ）は平均○１分散σ２正規分布に従うものと
考えられる。

次に流入流量推定部１４Ｂでは、上述のようにして決定
された自己回帰モデルに対してカルマンフィルターの理
論を適用することにより、流入流量の推定値が以下のよ
うにして求められる。

即ち、上記（２）式と（３）式で表わされるシステムに
対してはカルマンのフィルター理論が適用でき、具体的
には次の演算により状態量の最適推定値が得られる。

Ｘ　（ｋ　）−Ｘ　（ｋ−１）＋Ｇ　（ｋ　）・（Ｑ（
ｋ）−Ｈ（ｋ）・Ｘ（ｋ−１））・・・（４） Ｇ（ｋ＞＝Ｐ（ｋ−１）・Ｈ（ｋ　） ・（１＋）（（ｋ　）・Ｐ（ｋ−１）・１−１（ｋ））
−’・・・（５） Ｐ　（ｋ　）−（１−Ｇ　（ｋ　）・Ｈ（ｋ））・Ｐ（
ｋ−１＞・・・（６） ここで、Ｘ（ｋ）はＸ（ｋ）の推定値、　Ｇ　（ｋ　）
はカルマン利得ベクトル、Ｐ（ｋ）は推定誤差の共分散
を観測雑音の分散σ２で割った行列、■は単位行列であ
る。結局、流入流ｍＱ　（ｋ　）の推定値Ｑ（ｋ＋１）
は次の（７）式にて得られる。

丁 Ｑ（ｋ）−Ｈ（ｋ）　　・Ｘ（ｋ）　　　　　　　・・
・　（７）このようにして、本実施例では自己回帰モデ
ルを得、この自己回帰モデルにカルマンフィルターの理
論を適用することによって計測されたポンプ井の水位及
びポンプの総吐出流量から現在ポンプ井に流入している
流入流量Ｑが推定されるのである。

総吐出流最レンジ演算部１４Ｃでは、現在のポンプ運転
／停止信号に基づいて、予め設定されているポンプ特性
づなわち、第３図に示す総吐出流級対水位特性から総吐
出流量のレンジを演算する。

これは、現在のポンプの運転状態から最小とれ位の吐出
量があるか又最大どれ位の吐出量があるかを求めるもの
であり、１ｑられた最小値をＱｐｎ又最大値Ｑｐｘとす
る。

ここで、第３図中、曲線Ａはポン１１００％回転時の特
性を、曲線Ｂは７０％回転時の特性を、曲線Ｃはロスカ
ーブを示し、曲線Ｃと、曲線Ａ。

Ｂの各交点において総吐出流量が求められる。

次に水位予測部１４Ｄでは、上述のようにして得られた
総吐出流酊の最小値Ｑ　ｐｎ、最大値Ｑｐｘと、設定さ
れた予測時間６丁と現在の水位１−１（ｋ）と前記流入
流全推定値Ｑ（ｋ）とから１０時間先の式及び（９）式
により求められる。

・　Δ　Ｔ／Ａ（ト１　　　（ｋ　　　）　　　）　　
・・・　（８）Ｈｘ−Ｈ（ｋ　）＋（Ｑ（ｋ　）−Ｐｐ
ｍ）　　　　　−・ΔＴ／Ａ　ｌ　（ｋ　）　）・・・
（９）次に、台数制御演算部１４Ｅでは、求められたか
ら前記ポンプの運転台数を以下のようにして決定する。

すなわち、まず、得られた水位最大予測値１」ｘ１水位
最小予測値１−（ｎが各ポンプ毎に設定されている台詞
レベル（台数制御レベル）　Ｈｉｘ、　トｆｉｎ（ｉは
ポンプＮｏ、）を越えるか否かが判定される。

ここで、台詞レベルとは、水位のレベルに応じたポンプ
の運転台数を決定するもので、予め制御パラメータ格納
部１３に格納されているものである。

例えば、 Ｈｘ　＞Ｈｉｘ　　ｏｒ　　１−Ｉｎ　＜ｌ−１１ｎ　
　　　　−（１０）ａｎｄ Ｑ（ｋ　）＜Ｑｐｎ　　ｏｒ　　Ｑ（ｋ　）＞Ｑｐｘ・
１１１）が成立する場合には、持磯中のポンプの内、最
も優先度の高いポンプを起動するか、又は、運転中のポ
ンプの内、Ｒ’ｂ優先度の低いポンプを停止するか否か
を判定する。

具体的な例でシ１明すると、今３台のポンプが運転中の
場合、水位最大予測値）−ｌｘが分利レベルを越えてお
り、かつ、流入流量Ｑ（ｋ）が吐出流量最大値Ｑｐｘを
上回る場合には、４台目のポンプに対して起動指令が出
力される。又、水位最小予測値Ｈｎが分利レベルを下回
り、かつ、流入流ｆｆ１Ｑ（ｋ’）が吐出流量最小（ｉ
ｆｌＱｐｎを下回る場合には、ポンプの１台を停止し、
２台のポンプで運転するように判定される。

このようにして、分利レベルに応じて最適なポンプ起動
／停止判断が実行され、この判断情報は台数制御シーケ
ンス処理部１７を介して起動停止１旨令としてプロセス
入出力処理部１０へ出力され、ポンプ群５の起動／停止
が実行されるのである。

なお、ポンプ井の構造等で推定流入流量の精度が保証さ
れない場合には、（１１）式の条件は考慮せずに、（１
０）式の分利レベルでの判断のみで実行してもよい。

そして、水位目標値演算部１４Ｆでは、ポンプ毎に設定
された前記分利レベル）−１ｉｎ、ＨｉＸに応じた水位
目標値が演算され、ＰＩ制御演算部２０へ供給される。

このＰＩ制御演算部１０では水位目標値と前記検出水位
との偏差に対してＰＩ演算がされる。そして、Ｐ■制御
演算部２０の出力と、バンプレス演算部１９でバンプレ
ス処理が考慮された起動停止指令とからポンプの速度制
御目標値が求められ、プロセス入出力処理部１０へ出力
されてポンプの速度制御が実行されるのである。

なお、本実施例では、ポンプモータを可変速制御するこ
とにより吐出流量を制御する構成としたが、ポンプ吐出
側に設けたバルブの開閉制御により吐出流量を制御する
ようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上の実施例の説明でも明らかなように、本発明のポン
プ制御装置によれば、流入流量に応じたポンプの最適な
運転台数制御を無人にて行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されたポンプ制ｔｉｐ装置の一実
施例の構成図、第２図は台数制御演算部の機能ブロック
図、第３図はポンプの吐出流吊対水位特性を示す図であ
る。 １・・・管渠 ４・・・ポンプ井、 ５・・・ポンプ群、 ６・・・下水処理設備、 ７・・・ポンプ井水位計、 ８・・・吐出流量計、 ９・・・ポンプ制御装置、 １０・・・プロセス入出力処理部、 １４・・・台数制御演算部、 １４Δ・・・逐次最小二乗推定部、 １４Ｂ・・・流入流量推定部、 １４Ｇ・・・総吐出流量レンジ演算部、１４Ｄ・・・水
位予測部、 １４Ｅ・・・台数制御判断部、 １４Ｆ・・・水位目標値演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）管渠から流れ込む汚水、雨水等の下水をポンプ井
   に蓄えた後、複数台のポンプにより下水処理設備へ排出
   するポンプ群の台数制御において、前記ポンプ井に設け
   た水位計及び前記ポンプ群の吐出側に設けた吐出流量計
   で各々検出される水位及び総吐出流量を逐次入力する手
   段と、 入力された水位及び総吐出流量から自己回帰モデルによ
   り前記ポンプ井への流入流量を推定する手段と、 現在のポンプ運転／停止指令及び予め設定されたポンプ
   の吐出流量対水位特性から前記ポンプ群の吐出流量の最
   大値と最小値とを求める手段と、求められた吐出流量の
   最大値及び最小値と、前記推定流入流量値と、現在の水
   位とから所定時間先の水位の最大値及び最小値を予測演
   算する手段と、 求められた水位最大予測値と水位最小予測値とから前記
   ポンプの運転台数を決定する手段と、決定された運転台
   数に応じた水位目標値を算出する手段と、 前記運転台数及び水位目標値に基づいて流量制御を実行
   する手段と、 を具備することを特徴とするポンプ制御装置。