JPS60184994A - ポンプ給水装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、可変速可能なモードルで駆ＦＪｊｈｊるポン
プ給水装置、特に、マイクロコンピュータを使用してデ
ィジタル制御を行ってなるポンプ給水装置に関する。

〔発明の背景〕

従来からの可変速可能なモードルで駆動するポンプ給水
装置を以下で説明する。ポンプの給水管路に圧力センサ
を設けておく。この圧力センサで吐出し圧力を測定し、
この測定吐出し圧力と吐出し目標圧力との偏差をとる。

この偏差が零になるように、即ち測定圧力が目標圧力に
収束するべくポンプの速度制御を行う。以上の目標圧力
への収束方法は、負帰還制御方法と呼ばれる。吐出し目
標を変化させれば、ポンプを連続的に可変運転できる。

この方法を第１図〜第４図を使用して次に説明する。

第１図はポンプ装置の構成図で、１は受水槽、２は吸込
管、６，６は仕切弁、ｔはポンプ、５は逆止め弁、７は
給水管、８は給水管に設けた圧力センサー、９は可変速
モードルである。圧力センサー８は給水管を流れる流体
の圧力を検出し、これに応じた直流の電気信号（を流又
は電圧）を発するものである。第２図はポンプ装置のポ
ンプ４を変速運転した場合の運転特性図であり、横軸に
水量Ｑ、縦軸に圧力Ｈな取って示す。曲線ａはポン１４
０回転速度が最高回転速度＜１００％）で運転している
場合のＱ−Ｈ性能を示し、同様に曲線ｅはポンプの回転
速度が最小回転速度で運転している場合のＱ、　−Ｈ性
能を示す。ポンプの回転速度は連続的な無段変速である
が、便宜上、途中の任意の回転速度でのポンプのＱ−Ｈ
性能を示すと曲線す、ｃ、ｄとなる。

第３図はポンプ装置を可変速運転するための制御装置の
制御の流れを示すブロック図であり、比例積分回路Ｐよ
りは誤差増幅器ｏｐ、比例回路Ｐ、積分回路工、加算器
Ａより成る。また、ＯＴＬは可変速モードル９を変速運
転するだめの制御装置を示す〇 第４図は比例積分回路Ｐよりのタイムチャートを示すも
ので、これに沿って動作説明をする。第１図〜第４図に
於いて、いま使用水量がＱ。のときポンプ４は回転速度
Ｎ、でポンプ性能臼ｉａ上の０８点で運転しているもの
とする。この状態で使用水量が変化し、Ｑ２に減すると
運転点は０゜へ移動し、給水管７内の圧力はＨｌへ上昇
する。

この時、圧力センサー８はこの圧力を検出し、これに対
応した電気信号（直流の電流又は゛電圧）を発する。こ
の圧力センサー８０発する電気信号たとえばＥｌとする
。）と目標値（目標圧力Ｈ０に対応した電気信号たとえ
ばＥ。とする）この偏差Ｅｓ　（ｌｌｌｉｏ−Ｅ、）を
前記誤差増幅回路ｏｐで増幅し、増幅した信号を各々、
比較回路Ｐ、積分回路工にかけ、比例回路Ｐと積分回路
工の出力信号ＩＰ、に工を加算器Ａで加算し、この信号
ＦｌｉＰ＋ＰＩを制御信号として可変速モードル９０制
御装置ＯＴ’Ｌへ出力する。

すなわち第４図に示すように圧力センサーより発する電
気信号Ｂ、は目標圧力Ｈ６に対応する目極値である電気
信号Ｅ。より大であり、両者の偏差ＦｉＳ＝　（Ｆｉｏ
−Ｅ、）は負となる。このため制御信号Ｅｐ＋ｍ工は小
さくなって、ポンプ４及び可変速モードル９の速度は減
じてゆく。前記偏差１！ｉｓ＝　（Ｋｏ−Ｂ、）が０に
なると、制御信号ＭＰ＋Ｅ工は安定し、その信号に応じ
た速度で運転される。この結果、第２図に示すように可
変速モードル９及びポンプ４は回転速度Ｎ４に減速し、
ポンプ性能曲線はｆとなり、ポンプの運転点は０！から
０．へ移動し、目標圧力Ｈ８を一定に保つ。

又、使用水量が増加し、Ｑ４となった場合も前述と同様
に、運転点が０４に移動し、給水管７内め圧力がＨ２へ
低下する。この時、圧力センサー８はこの圧力を検出し
て電気信号Ｋｉを発し、目標値との偏差Ｂ　Ｓ　（Ｈ６
−Ｊ　）が０となるように可変速モードル９を変速する
。尚、この場合偏差１Ｂは正であるので、増速しで回転
数はＮ、となり、ポンプの性能曲線はＧとなる。これに
よりポンプの運転点はＱ４からＯ６へ移動し、目標圧力
はＨ６に一定に保たれる。しかし、以上の従来技術に於
いては以下のような問題点があった。

（１）可変速モードル及びポンプの回転速度が最小回転
速度以下に下がらないように、また最大速度以上に暴走
しないように、さらには自動制御のオフセットを小さく
するために比例積分回路Ｐよりが必要であった。

（２）この比例積分回路ＰＩＤはアナログ制御であり、
目標値の設定、比例積分時間の設定など調ＩＭ部分が多
く、目標値に対する遅れの生じることがある。

（３）この比例積分回路ＰＩＤは経済的に高価であり、
目標圧力と測定圧力との偏差が０となるように変速する
ので、間接的な速度制御となっており、これも応答性の
向上に反するものであった０また、近年では制御のデジ
タル化が進んでおり従来のアナログ構成をデジタル構成
に置き換えることが考えられているが、これによると、
ウォータハンマあるいはチャタリングの発生防止のため
の制御ステップ（従来のＰより回路に相当）が必要にな
る。この制御ステップを実現するためにはあらかじめ記
憶した数式の計算、あるいは、あらかじめ定めた制御パ
ターンを制御過程に従ってたどることが必要になる。し
かし、これにはポンプの吐出し特性、配管特性に合わせ
たソフト開発、あるいはメモリ容量の増加が必要となり
、特に低価格製品に適用する場合は非常に不利となって
しまう。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、吐出し圧力なほぼ一足に保つてゆくこ
とができる給水装置を安価に提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、マイクロコンピュータ等のディジタル処理に
よって実現させてなるものである。具体的には、目標圧
力とポンプ配管からの帰還検出圧力との偏差をめ、該偏
差と指令速度差との関数をもとに算出偏差対応の指令速
度差を算出し、この指令速度差によってポンプ変速を行
わしめるようにしたものである。

きらに詳しく説明すると、本発明は使用水量に応じてポ
ンプの回転数を連続的に変えて、ポンプの吐出し圧力を
ほぼ一定に保ってゆくのに、給水管に設けた圧力センサ
ーによって給水管内の圧力を検出し、これに応じた電気
信号を取り出し、この信号をインターフェースを介して
マイクロコンピュータ−に読込み、内部メモリに記憶し
、又、初期回転速度として任意の回転速度のデータ及び
予じめ定めた演算式に基き、圧力差より指令速度差を演
算してめ、この指令速に差のデータな記憶すると共に、
マイクロコンピュータ−の出力装置より、その初期回転
速度のデータをインターフェースを介して制御信号に変
換し、可変速モードルの制御装置へ出力して初期速度で
運転した後、前記した目標圧力のデータと圧力センサー
の検出データとを比較し、これにより圧力差を、この圧
力差より予じめ定めた演算式によって指令速度差を演算
してめ目標圧力のデータの方が大きい場合には初期回転
速度のデータより指令速度差データを加算し、目標圧力
のデータの方が小さい場合には初期回転数のデータより
指令速度差データを減じ、その結果を出力装置よりイン
ターフェースを介して可変速モードルの制御装置に出力
するとともにそのデータを新しい回転数のデータとして
記憶し、目標圧力のデータと圧力センサーの検出データ
が一致するまで前述の処理を繰り返し行ない、目標回転
速度を得るようにした。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。第５図は本発明の実施
例のポンプ給水装置の制御回路を示し、ＭＯＢは主回路
用のしゃ断器、ＭＯは電磁接触器のコイル、Ｍｃａはそ
の接点、工ＮＶは可変速モードル９の回転速度を変える
ための可変周波インバーター装置（本実施例ではインバ
ーター装置を使用しているが、ポンプ４の駆動用モード
ルの回転速度を変える手段としては一次電圧制御・うす
電流継手、他の変速制御装置でも良いン。４９は過負荷
防止用のサーマルリレー、μｃｏｎは中央演算処理ＣＰ
Ｕ　（以下ＣＰＵと略す。へメモリＭ１揃、流端子Ｅ、
入出力ボートＰ工Ａａ、Ｐ工Ａｂ。

Ｐ工Ａ（Ｊｊどまり構成されるマイク四コンピューター
、’１ＩＦ２はそれぞれ１６進数などのディジタル信号
をアナログ信号に変換したり、アナログ信号をディジタ
ル信号に変換したり、電磁接触器の開閉制御を行なうた
めのインターフェースである。

前記マイクロコンピュータ−μｃｏｎの入出力ボートＰ
工ＡａはインターフェースＦ、を介して圧力センサー８
の出力側に接続し、ここより給水管Ｚ内の圧力を検出し
、μｃｏｎの内部メモリに読み込む。このボートＰ工Ａ
ａによる圧力センサ８からの検出圧力の取込みは、所定
のサンプリング周期によってなｊｏこの検出圧力は負帰
還量であり、目標圧力との間で偏差をとり、偏差Ｏ又は
所定のデッドバリューであるしきい領内になった時、目
標圧力に収束したとみてよい。この目標圧力への収束は
、微小な時間であるが、この収束壕でにあってはサンプ
リング周期Δｔ　（第８図のステップ２６の△ｔに相当
）で何回か負帰還量である検出圧力を取込む必要がある
。この収束するまでのサンプルのサンプル周期毎に検出
圧力は次々に取込凍れ、偏差の算出用の検出圧力となる
。また、前記マイクロコンピュータ−μｃｏｎの入出力
ボートＰ工ＡｂはインターフェースＦ２を介して変速指
令信号を可変周波インバータ装置ＩＮＶへ送るように接
続構成しである。ＯＴＬはトランスＴ、電源ユニットｚ
、始動、停止スイッチＳＳ、電磁接触器ＭＯ，）ランシ
スターＴｒ、リレーＸから成る制御回路を示す。前記制
御装ｆｔｃＴＬに於いて、遮断器ＭＯＢを投入し、始動
・停止スイッチＳＳを閉じるとトランスＴを介して電源
ユニットｚから整流を平滑された安定した電力がマイク
ロコンピュータ−μＱＯｎの電源端子Ｅに送られ運転準
備が完了する。

第６図は吐出し圧力一定給水時の圧力変化とその時の速
度の変化を示した特性図である。さらに詳しく説明する
と、いま目標圧力をＨ８，運転速度なＮ、使用水量をＱ
。、この時のポンプのＱ−Ｈ性能曲線なイとする。

この状態で、使用水量がＱ。からＱｌへ増加したとする
と、ポンプの運転点は０から０１へ移り、圧力は一△Ｈ
１だけ低下する。又、この時の吐出し圧力なＨ８に保つ
ために速度がＮよりＮ１へ増加する。この時の速度の変
化は＋ΔＨ１である０同様に、使用水量がＱ、２．Ｑｓ
、Ｑ４へ変化すると圧力差はそれぞれ、−ΔＨ２，＋△
Ｈｈｍ＋ΔＨ４と変化し、速度はそれぞれ、＋ΔＮ７．
−ΔＮ１１＋−ΔＮ４と変化する。

以上の関係を、横軸に目標圧力Ｈ６と検出圧力との圧力
差ΔＨ，縦軸に今運転している速度と速度が変化した後
の速度との速度差ΔＮを取って示すと第７図の通りとな
る。即ち、この速度差ΔＮと圧力差△Ｈとの関係は曲線
Ａ　（２次曲線）となり、 ΔＮ＝ｆ　（ΔＨン　・・・・・・・・・・・・・・・
（１）で与えられる。

さらに（１）式は圧力差ΔＨが小さいＬ　ｊｏ間では比
例関係にある。このことは換言すると、圧力差をめて（
１）式により、指令速度差に変換できることを意味して
いる。

第８図は運転制御装置の制御の手順な示すフローチャー
トである。これらの図面によりさらに詳しく説明すると
、マイクロコンピュータ−μｃｏｎのメモリＭには第８
図に示すフローチャートに従ってポンプ装置の運転が進
められるようにプログラムを入れておくものである。

まず、ステップ１で初期値の設定を次の逼り行なう。

メモＩＪ　Ｍｌ・・・・・・・・初期回転数Ｗｉｎのデ
ータ、メモＩＪＭ、・・・・・・・・・最低速度Ｈ＝の
データ、メモリＭ　、・・・・・・・・・最高速度Ｎｍ
ａｘデータ、メモＩＪＭ４・・・・・・・・・今運転し
ている速度Ｎｘのデータ、 メモリＭ、・・・・・・・・・目標圧力Ｈ８のデータ、
メモリＭＩＩ・・・・・・・・・電磁接触器ＭＯ１ＯＮ
のデータ ステップ２でＭ、の電磁接触器ＭＯのＯＮデータをアキ
ュムレータ（ＡＯＯ）Ａに移す。ステップ３では、この
ＡＣ！Ｏ−Ａの内容を出カポ−）ＰＩＡＯに移し、出カ
ポ−）ＰＩＡＯはこのＯＮデータをもとに第５図のトラ
ンジスタＴｒをＯＮｊるｏっｔ’）、ボー）ＯＵＴＡの
最下位ビットｂＯのみが「１」であるから、トランジス
ターＴｒが導通し、リレーＸが付勢するため、電磁接触
器ＭＯが付勢しそめ接点Ｍｃａが閉路するものである。

次はステップ４でＭｌに格納の初期回転数のデータをＡ
ＯＣ！−Ａにロードする。ステップ６で入出カポ〜トＰ
工ＡｂにＡｃｅ−Ａ内のデータを送出し、インターフェ
ースＦｚ％’介して可変速モードルの制御装置である可
変周波インバータ装置ＩＮＶヘ出力する。尚この時、ス
テップ５でＡＯＯ−Ａ内のこの速度指令データをメモリ
Ｍ４に格納しておく。このため前記可変速モードルは初
期速度で運転を始める。この後、ステップ８で圧力セン
サー８の検出した信号をインターフェースＦ、を介して
μｃｏｎの入出力ボートＰ工Ａａに読込みＡＣｏ−Ａに
ロードする。

ステップ７ではＭ、に格納の目標圧力Ｈ０のデータをＡ
ＯＯ−Ｂに転送し、そしてステップ９で両者の圧力を比
較する。比較した結果、給水管内の圧力Ｈが目標圧力Ｈ
０よりａ以上大きい場合にはステップ１０へ進み、ステ
ップ１０ではＭ４の格納値である現在の運転速度Ｎｘを
ＡＯＯ−Ａに移丁。ステップ１１ではＭ、の格納値であ
るポンプ最低速度ＮｕをＡＣＣ−Ｂに移す。ステップ１
２では今運転している速度Ｎ’ｘが最低速度Ｍｍに達し
ているか否かを判断し、達している場合には変速しない
で、２６ステツプへ進み、判定した結果、今迎転してい
る速度が最低速度Ｈ＝より大きい場合には次の１３ステ
ツプで再度給水管内の圧力なポートＰ工Ａａを介してμ
ｃｏｎ内部のメモリに読込み、そして１Ａステツプで、
この読込んだ圧力データと目標圧力Ｈ８どの偏差をめ、
この偏差を基に前述した（１）式により指令速度差を演
算してめる。尚、ａはデッドバリュー、即ち不感帯（デ
ッドバンド）となるしきい値を示し、このａ内に偏差が
あった時には、目標圧力に収束でさたとみなし、変速指
令は串さず、ステップ２６に移るＯ 次に１５ステツプで今運転している速度データより１４
ステツプでめた指令速度差のデーターを減じた後ＡＣＣ
−Ａに移し、史に１６ステツプでＡＣＯ−Ａにラッチし
た減算後の結果を更新した速度データとしてメモリＭ４
に格納し、１７ステツプでこの更新（修正）　した速度
データなμｃｏｎの入出力ボートＰ工Ａｂより可変速制
御手段工ＮＶへ出力し、減速指令を発する。この後２６
ステツプで指令速度に達するのに必要な時間△ｔの処理
を行ない、再び７ステツプへもどり、目標圧力と測定圧
力が±ａ以内にあるようこれ以降の処理な繰返し実行す
る。ここでａは目標圧力のヒステリシスである。

さらに説明を続けるが、今、可変速モードル９及びポン
プ４の回転速度が第６図に示すＮで、圧力Ｈ８で特性曲
線イ上の０点で運転しているものとする。このような状
態で使用水量が減少してＯ３になると圧力は上昇する。

圧力が上昇して運転点がＯからＯ８に移動し、給水管内
７の圧力がＨ８に達すると、圧力センサー８はこれを検
知して、電気信号を発する。この圧力Ｈｓと目標圧力Ｈ
８との差は＋△Ｈ３であり、前述した（１）式より速度
差ΔＮをめると一ΔＮｓとなり、今運転している速度Ｎ
よりΔＮｓを減じてＮ−ΔＮ３の速度指令を発する。こ
の結果、速度はＮ、（＝Ｎ−ΔＮＳ）となり運転点はＯ
３より０．へ移り、この点付近で運転を続ける。

また９ステツプで比較した結果、給水管路７の内圧力Ｈ
のデータが目標圧力Ｈ６のデータよりａ以上小さい場合
には、１８ステツプへ進み、１８〜２０ステツプでいま
運転している速度が最高速度Ｎｍａｘに達しているか判
定し、達している場合には変速しないで２６ステツプへ
進み、達していない場合には２１ステツプ以降の処理実
行する０ここの処理では今度は前述と全く逆の作動を行
なう。即ち、圧力差をめ、（１式により指令速度差を演
算し、今度は今運転している速度この値を加え、新規速
度として与えるものである。

更に、圧力差が±ａ以内にある場合には変速しないで２
６ステツプへ進み、この後ステップへもどり測定した圧
力と目標圧力がほぼ一致する迄繰返し、これ以降の処理
を実行する。

ところで、１４．２２ステツプで使用する演算式は（１
）式の代りに前述したように圧力差が１．ｊの範囲内は ΔＮ＝Ｋ　＠△Ｈ・・・・・・・・・・・・・・・（２
）ここでに：比例足数（直線の傾き）である。

で４乏られるので、これを使用するとμｃｏｎのソフト
は更に単純にすることができる。

尚、本実施例の図面＠８図マイクロコンピュータ−の命
令系をｒ８０８０Ｊ相当を使用した例で示しているが、
これに限定されるものではない０以上のように本実施例
によれば可変速モードルの速度指令用の比例積分回路Ｐ
よりが不要となり、経済的に安価となるばかりでなく目
標圧力と測定圧力との圧力差に応じた変速制御幅ΔＮ、
及び待ち時間ｔを適当に決めることによって目標圧力に
対するオフセラトラ小さくし、応答性をよくてることが
できるばかりでなく、従来の間接的な速度指令に対し直
接的な速度指令が可能である。更に、目標圧力への収束
時間も早い利点を持つ０また、暴走防止のため最小回転
速度Ｎｍ及び最大回転速度Ｎｍａｘを設け、この間で運
転するように定めているので圧力降下の生じることがな
く圧力変化も小さく、可変速モードルの制御装置に悪影
響を及ぼすことがない。

このように実施例においては、圧力センサー８の測定圧
力と目標圧力との差を直接的な速度指令差にマイクロコ
ンピュータ−μｃｏｎで演算し、変換するので圧力変化
が小さい場合には小さな速度指令信号を、大きい場合に
は大きな速度指令信号を発するので応答性が良く、目標
値に対するオーバーシュートが小さくなる。

更に本実施例のような給水装置で、需要家の増減による
ポンプ容量の変更、あるいは吐出し圧力などの変更など
が考えられる場合には、ポンプの運転に先立ってマイク
ロコンピュータ−μｃｏｎのメモリＭ内に新たな吐出し
目標圧力、ポンプの運転速度を増減するための変速制御
幅、ポンプの運転限界速度（最大回転速度および最小回
転速度）、さらには給水装置を始動した初期時に暫定的
に定めるポンプの初期回転速度などのデータを人力する
制御ステップを付加すると都合が良い。

〔発明の効果〕

本発明は、アナログ方式でなく、ディジタル方式、特に
マイクロコンピュータによってポンプ給水制御を行って
いること、及びＰより処理を行うことなく、圧力偏差と
指令速度差との関数関係をもとに圧力偏差対応の指令速
度差を得ていること、この指令速度差によって変速ポン
プ運転を行わせたことの故に、応答の向上をはかること
ができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一つの実施例の構成を説明するための
構成図、第２図は従来の給水装置の運転動作を説明する
ための特性曲線図、第３図は従来装置の制御方式を説明
するだめのブロック図、第４図は従来装置の制御特性を
説明するためのタイミンク図、第５図は実施例の運転制
御装置の構成を説明するためのブロック図、第６図、第
７図は圧力差と速度差との関係を示した特性図、第８図
は実施例装置の制御手順を説明するだめのフローチャー
トである。 ４・・・ポンプ、７・・・給水管路、８・・・圧力セン
サー、工ＮＶ・・・可変周波インバータ装置、Ｈｏ・・
・目標圧力 代理人　弁理士　高　橋　明　夫 昇２図 θＪＱａθ４ θ−−チ 第３図 第　４１２１ 坪　５　図 第　６　図 イ α−−−−う− 第　７　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　目標圧力対応の運転速度制御を受けるポンプと
   、該ポンプに連結した給水管路内に設けられ、ポンプ運
   転速度に対応する圧力を検出する圧力センサと、上記目
   標圧力対応の運転速度にポンプの運転速度を収束すべく
   上記圧力センサの検出圧力を所足のサンプリング周期で
   負帰還し、上記目標圧力と各サンプリング時の検出圧力
   との偏差を算出する手段と、ポンプの特性より得た圧力
   偏差と指令速度差との関数から圧力偏差対応の指令速度
   差を算出する圧力偏差−指令速度差変換手段と、該指令
   速度差を取込み、この速度差に応じてそれまでの指令速
   度を修正し、この修正した指令速度によってポンプを運
   転させるポンプ可変速駆動手段と、より成るポンプ給水
   装置。
2. （２）上記圧力偏差がしきい値以下の時には、ポンプの
   運転速度が目標圧力対応に収束したとみなすべく上記指
   令速匿差として零を出力させてポンプ変速させないよう
   にした特許請求の範囲第１項記載のポンプ給水装置。
3. （３）上記関数は、圧力偏差が正の時には負の指苓速度
   差、圧力偏差が負の時には正の指令速度差とし、且つそ
   れぞれの速度差の絶対値はその時の圧力偏差の絶対値の
   大きさに対応した大きさとする特許請求の範囲第１項記
   のポンプ給水装置０（Ａ）　上記現在の運転速度がポン
   プ最低速度又はポンプ最高速度かにある時は指令速度差
   を出力せず速度変速を行わせないようにした特許請求の
   範囲第１項記載のポンプ給水装置。