(57)【要約】【課題】  本発明は、吐出圧力一定制御、あるいは、推定末端圧力一定制御によって制御されている可変電圧・可変周波数電源で駆動されている給水システムの高揚程運転制御方法、および高揚程運転制御システムに関するものである。【解決手段】  本発明の高揚程運転制御方法は、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、およびポンプの流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数に基づいて、ポンプの定格より大きな定格流量、定格揚程、および定格周波数を得る。前記各定格定数は、目標圧力を関数として発生させ、ポンプの速度を許容速度まで上昇させて、高い揚程でポンプを運転する。【選択図】    図１
2006194185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、
前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御する高揚程運転制御方法において、
実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、ポンプ流量の係数、およびポンプの流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数に基づいてポンプの速度を許容速度まで上昇させて、ポンプの定格揚程より大きな揚程でポンプを運転することを特徴とする高揚程運転制御方法。
【請求項２】
ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、
前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御する高揚程運転制御方法において、
実際に要求される流量、前記ポンプの流量−揚程特性を表す少なくとも２組のポンプ特性係数ａ、ｂ、前記ポンプの流量−効率特性を表す少なくとも３組の定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、前記ポンプの定格軸動力、およびポンプの動作可能最大周波数を基にして、高揚程運転を行なうための定格定数を計算し、
前記演算された定格定数を基にして関数を発生させ、
前記関数により、ポンプを定格揚程より高い揚程の第２の定格揚程を設定し、  前記第２の定格揚程を基にして、推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御することを特徴とする高揚程運転制御方法。
【請求項３】
前記ポンプに許容される最大速度に対応した最大周波数を設定しておき、第２の定格周波数≧最大周波数の場合には、前記最大周波数を第２定格周波数として設定することにより、ポンプを安全に運転することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された高揚程運転制御方法。
【請求項４】
給水部と、前記給水部におけるポンプを駆動する駆動制御部と、前記駆動制御部を制御する制御部と、高揚程運転に切り替えられた際に高揚程運転制御を行なう高揚程運転制御ブロックとから少なくとも構成されている高揚程運転制御システムにおいて、
前記高揚程運転制御ブロックは、
実験によって得られたポンプの流量−揚程特性とポンプの流量−効率特性をあらわす二次近似式の係数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、実際に必要とする要求流量ｑre、前記ポンプの定格軸動力ｌN 、および前記ポンプの動作可能最大周波数ｆmax を基にして高揚程運転のための定格定数を演算する定格定数演算器と、
前記定格定数演算器によって演算された第２の定格流量ｑ2N、および第２の定格揚程ｈ2Nと、推定流量ｑ＊および第２の最小圧力設定値ｈ02とを基にして目標圧力を発生させる関数発生器と、
を少なくとも備えていることを特徴とする高揚程運転制御システム。
【請求項５】
前記定格定数演算器における演算結果を目視できる表示装置を備えていることを特徴とする請求項４に記載された高揚程運転制御システム。
【請求項６】
前記高揚程運転制御ブロックは、定格周波数と動作可能最大周波数とを比較する比較器を備えていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載された高揚程運転制御システム。
【請求項７】
前記高揚程運転制御ブロックは、前記定格定数演算器によって演算された結果を一時記憶するＲＡＭと、前記定格定数演算器の演算を行なうプログラムおよび演算結果をチェックするプログラムが記憶されているＲＯＭとを備えていることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載された高揚程運転制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、推定末端圧力一定制御、あるいは、吐出圧力一定制御によって制御されている可変電圧・可変周波数電源で駆動されている給水システムの高揚程運転制御方法、および高揚程運転制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は従来例を説明するための給水制御システムを示すブロック構成図である。図６において、給水制御システムは、水道管１１１から図示されていない各部に給水するためのポンプ、配管、弁等から構成された給水部１１と、給水するためのポンプ等を駆動する駆動制御部２１と、前記駆動制御部２１を制御する制御部３１とから構成されている。
【０００３】
水道管１１１は、給水管１１２、２本の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４、バイパス管１１５にそれぞれ接続され、さらに、下流の前記給水分岐管１１３および給水分岐管１１４に設置されたポンプ１およびポンプ２を介して、前記２本の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４とバイパス管１１５が一緒になって給水本管１１６に接続されている。前記水道管１１１を通る水は、給水分岐管１１３および給水分岐管１１４と給水本管１１６との間に設置されているポンプ１およびポンプ２によって前記各部に汲み上げられる。
【０００４】
ポンプ吸込側圧力検出器１２は、水道管１１１に配設され、前記ポンプ１およびポンプ２への押込圧力ｈｓｕを検出して、後述する給水制御用シーケンス回路３１６へ出力するものである。ポンプ吸込側逆流防止器７は、水道管１１１と給水管１１２との間に配設され、給水管１１２側から水道管１１１側へ水が逆流するのを防止するものである。ポンプ１は、給水分岐管１１３に配設され、ポンプ２は、給水分岐管１１４に配設されている。
【０００５】
ポンプ吐出側逆止弁３およびポンプ吐出側逆止弁５は、ポンプ１およびポンプ２よりも下流の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４に配設され、自身よりも下流からポンプ１およびポンプ２へ水が逆流するのを防止するものである。ポンプ吐出側止水弁４およびポンプ吐出側止水弁６は、ポンプ１およびポンプ２よりも下流の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４に配設され、自身よりも下流からポンプ１およびポンプ２へ水が逆流するのを止水するものである。
【０００６】
保圧用圧力タンク９は、ポンプ吐出側止水弁４およびポンプ吐出側止水弁６よりも下流の給水本管１１６に配設され、給水量が殆どゼロとなる深夜などの時間帯にポンプ１およびポンプ２が始動して停止する頻度、すなわち、始動頻度を少なくさせるため、所定量の加圧水を貯留するものである。
【０００７】
バイパス用逆止弁８は、前記給水管１１２と前記バイパス管１１５との間に配設され、押込圧力ｈｓｕがポンプ１およびポンプ２の運転が不要なくらい高圧であれば、ポンプ１およびポンプ２よりも上流の給水管１１２側からポンプ１およびポンプ２よりも下流の給水本管１１６側へ水を流すためのものである。また、バイパス用逆止弁８は、押込圧力ｈｓｕがポンプ１およびポンプ２の運転を必要とする圧力であれば、ポンプ吐出側止水弁４およびポンプ吐出側止水弁６よりも下流の給水本管１１６側からポンプ１およびポンプ２よりも上流の給水管１１２側へ水が逆流するのを防止するためのものである。
【０００８】
流量検出用フロースイッチ１０は、保圧用圧力タンク９よりも下流の給水本管１１６に配設され、前記給水本管１１６の流量（ポンプ吐出側流量）Ｆｌを検出して給水制御用シーケンス回路３１６へ出力するものである。ポンプ吐出側圧力検出器１０１は、流量検出用フロースイッチ１０よりも下流の給水本管１１６に配設され、ポンプ吐出側圧力（給水圧力、吐出圧力）ｈｉを検出して後述する制御部３１へ出力するものである。
【０００９】
制御部３１は、ポンプ１およびポンプ２からの吐出圧力を一定に制御するものであり、設定変更可能な目標圧力ｈｓを出力する目標圧力設定器３１１と、この目標圧力設定器３１１が出力する目標圧力ｈｓからポンプ吐出側圧力検出器１０１が出力するポンプ吐出側圧力ｈｉを減算して出力する演算器３１２と、前記演算器３１２の出力に基づくディジタル信号の周波数ｆを出力するＰＩＤコントローラ３１３と、前記ＰＩＤコントローラ３１３から出力するディジタル信号の周波数ｆをアナログ信号のインバータ運転周波数指令ｆ1Sに変換して後述するインバータ２１１へ出力するＤ／Ａ（ディジタル・アナログ）変換器３１４と、前記ＰＩＤコントローラ３１３が出力するディジタル信号の周波数ｆをアナログ信号のインバータ運転周波数指令ｆ2Sに変換して後述するインバータ２１２へ出力するＤ／Ａ変換器３１５と、後述する給水制御用シーケンス回路３１６とから構成される。
【００１０】
前記給水制御用シーケンス回路３１６は、前記ポンプ吸込側圧力検出器１２によって検出された前記ポンプ１およびポンプ２への押込圧力ｈｓｕ、および前記流量検出用フロースイッチ１０により検出された前記給水本管１１６の流量（ポンプ吐出側流量）Ｆｌを得る。前記給水制御用シーケンス回路３１６は、前記押込圧力ｈｓｕおよびポンプ吐出側流量Ｆ１を基にしてインバータ２１１および／またはインバータ２１２（インバータ２１１およびインバータ２１２の少なくとも一方）へインバータ運転指令１ｓ、２ｓを出力する。
【００１１】
前記給水制御用シーケンス回路３１６は、少流量検出から保圧、ポンプ１およびポンプ２を停止させるシーケンス制御機能の他、ポンプ１および／またはポンプ２（ポンプ１、２の少なくとも一方）の始動、ポンプ１およびポンプ２の自動交互運転シーケンス制御機能を内蔵するとともに、ポンプ吸込側圧力検出器１２からの押込圧力ｈｓｕが規定値以上であるときのみポンプ１およびポンプ２を運転できるようにインターロックする機能を内蔵している。
【００１２】
駆動制御部２１は、インバータ２１１およびインバータ２１２と、前記インバータ２１１の信号により駆動するモータ２１３と、前記インバータ２１２の信号によって駆動されるモータ２１４とから構成される。前記給水制御用シーケンス回路３１６は、インバータ運転周波数指令ｆ1Sおよびインバータ運転指令１ｓに基づいてモータ２１３を介してポンプ１を制御し、また、インバータ運転周波数指令ｆ2Sおよびインバータ運転指令２ｓに基づいてモータ２１４を介してポンプ２を制御するものである。
【００１３】
前記給水制御システムは、たとえば、本出願人が提案した特願２００３−３５５８４４号に記載されている。
【特許文献１】特願２００３−３５５８４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前記給水制御システムは、たとえば、計画時において、想定していたポンプ揚程が実際に必要とされる揚程よりも小さいという問題が稼働直前になって判明する場合がしばしばある。前記給水制御システムは、ポンプ等の給水設備を発注後、建物の設計変更により、実揚程も変更するような場合がしばしばある。前記のような場合、前記ポンプは、新たに要求されている揚程を満たす大きさに変更する必要がある。
【００１５】
前記ポンプの変更は、ポンプが大型になればなる程、費用の無駄になる。また、前記のような場合を避けるために、計画当初からかなり余裕を持った揚程のポンプを選定することがしばしば行われていた。すなわち、従来の給水制御システムは、前記のような場合を予め想定しているため、実際に必要な揚程より大きい場合にも適応できるように、過大な容量のポンプを備えていた。
【００１６】
以上のような課題を解決するために、本発明は、給水制御システムにおいて、ポンプの容量に余裕のある運転を行うとともに、揚程が不足しても、ポンプを変更することなく、ポンプの揚程不足問題を解消できるポンプの高揚程運転制御方法およびポンプの高揚程運転制御システムを提供することを目的とする。
【００１７】
本発明は、実験によるポンプの流量−揚程特性値を基に二次近似式化して演算する際のポンプ特性定数、および実験によるポンプの流量−効率特性値を表す二次近似式の係数または定数を与えることにより、揚程が不足しても、ポンプを変更することなく、ポンプの揚程不足問題を解消できる高揚程運転制御方法および高揚程運転制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（第１発明）
第１発明の高揚程運転制御方法は、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものであり、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、ポンプ流量の係数、およびポンプの流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数に基づいてポンプの速度を許容速度まで上昇させて、ポンプの定格揚程より大きな揚程でポンプを運転することを特徴とする。
【００１９】
（第２発明）
第２発明の高揚程運転制御方法は、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものであり、実際に要求される流量、前記ポンプの流量−揚程特性を表す少なくとも２組のポンプ特性係数ａ、ｂ、前記ポンプの流量−効率特性を表す少なくとも３組の定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、前記ポンプの定格軸動力、およびポンプの動作可能最大周波数を基にして、高揚程運転を行なうための定格定数を演算し、前記演算された定格定数を基にして関数を発生させ、前記関数により、ポンプを定格揚程より高い揚程の第２の定格揚程を設定し、前記第２の定格揚程を基にして、推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御することを特徴とする。
【００２０】
（第３発明）
第３発明の高揚程運転制御方法は、第１発明または第２発明において、ポンプに許容される最大速度に対応した最大周波数を設定しておき、第２の定格周波数≧最大周波数の場合には、前記最大周波数を第２定格周波数として設定することにより、ポンプを安全に運転することを特徴とする。
【００２１】
（第４発明）
第４発明の高揚程運転制御システムは、給水部と、前記給水部におけるポンプを駆動する駆動制御部と、前記駆動制御部を制御する制御部と、高揚程運転に切り替えられた際に高揚程運転制御を行なう高揚程運転制御ブロックとから少なくとも構成されており、
前記高揚程運転制御ブロックは、実験によって得られたポンプ流量−揚程特性とポンプの流量−効率特性をあらわす二次近似式のポンプ特性係数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、実際に必要とする要求流量ｑre、前記ポンプの定格軸動力ｌN 、および前記ポンプの動作可能最大周波数ｆmax を基にして高揚程運転のための定格定数を演算する定格定数演算器と、前記定格定数演算器によって演算された第２の定格流量ｑ2N、および第２の定格揚程ｈ2Nと、推定流量ｑ＊および第２の最小圧力設定値ｈ02とを基にして目標圧力を発生させる関数発生器とを少なくとも備えていることを特徴とする。
【００２２】
（第５発明）
第５発明の高揚程運転制御システムは、第４発明において、定格定数演算器における演算結果を目視できる表示装置を備えていることを特徴とする。
【００２３】
（第６発明）
第６発明の高揚程運転制御システムは、第４発明または第５発明において、高揚程運転制御ブロックが定格周波数と動作可能最大周波数とを比較する比較器を備えていることを特徴とする。
【００２４】
（第７発明）
第７発明の高揚程運転制御システムは、第４発明から第６発明において、高揚程運転制御ブロックが前記定格定数演算器によって演算された結果を一時記憶するＲＡＭと、前記定格定数演算器の演算を行なうプログラムおよび演算結果をチェックするプログラムが記憶されているＲＯＭとを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、実際に要求される流量が選定されたポンプの定格流量より小さく、前記定格流量に余裕がある場合に、ポンプの速度を許容速度まで上昇せしめ、定格揚程より大きな揚程でポンプを運転することができるように制御することによって、設備稼働直前に判明した揚程不足問題をポンプを変更することなく解決できる。
【００２６】
本発明によれば、ポンプ計画時の揚程決定において、従来のように、必要以上の容量を持ったポンプを設置する必要がなくなるので、より小型のポンプを選定することができる。
【００２７】
本発明によれば、実験によって得られたポンプ効率の二次近似式におけるポンプ係数を基にしてポンプの速度を許容速度まで上昇させて、定格より大きな揚程でポンプを安全に運転することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第１発明）
第１発明の高揚程運転制御方法は、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものである。第１発明の高揚程運転制御方法は、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、ポンプ流量の係数、およびポンプ流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数に基づいて、ポンプの定格より大きな定格流量、定格揚程を得る。
【００２９】
前記各定格定数は、目標圧力を関数として発生させ、ポンプの速度を許容速度まで上昇させて、高い揚程でポンプを運転する。すなわち、第１発明の高揚程運転制御方法は、余裕のある定格流量と、前記定格流量より少ない要求流量に着目し、必要な揚程を得ることができるため、必要以上のポンプ容量を予め備えておく必要がない。
【００３０】
（第２発明）
第２発明の高揚程運転制御方法は、第１発明と同様に、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものである。高揚程運転を行なうための定格定数は、実際に要求される流量ｑre、前記ポンプの流量−揚程特性を表す少なくとも２組のポンプ特性係数ａ、ｂ、前記ポンプの流量−効率特性を表す少なくとも３組のポンプ特性定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、前記ポンプの定格軸動力ｌN 、およびポンプの動作可能最大周波数ｆMAX を基にして演算される。
【００３１】
前記演算された定格定数である第２の定格流量ｑ2N、第２の定格揚程ｈ2Nは、推定流量ｑ＊および最小圧力設定値ｈ02とともに目標圧力となる関数ｈS20 として発生される。前記関数ｈS20 は、定格流量より低い要求流量で定格揚程より高い揚程で推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御を行なうことができる。
【００３２】
（第３発明）
第３発明の高揚程運転制御方法は、ポンプに許容される最大速度に対応したインバータを駆動する際の最大周波数を設定しておく。第２発明における第２の定格周波数が最大周波数と同じか、あるいは、それより大きい場合には、前記最大周波数を第２の定格周波数として設定する。前記第２の定格周波数によって運転されたポンプは、揚程を高くしても、安全な運転となる。
【００３３】
（第４発明）
第４発明の高揚程運転制御システムは、給水ポンプ、逆止弁、配管等を備えた給水部と、前記給水部におけるポンプを駆動する駆動制御部と、前記駆動制御部を制御するシーケンス回路等を含む制御部と、高揚程運転に切り替えられた際に高揚程運転制御を行なう高揚程運転制御ブロックとから少なくとも構成されている。また、前記高揚程運転制御ブロックは、定格定数演算器と、関数発生器を少なくとも備えている。
【００３４】
前記定格定数演算器は、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性とポンプの流量−効率特性をあらわす二次近似式の係数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、実際に必要とする要求流量ｑre、前記ポンプの定格軸動力ｌN 、および前記ポンプの動作可能最大周波数ｆMAX を基にして高揚程運転のための定格定数を演算する。前記関数発生器は、前記定格定数演算器によって演算された第２の定格揚程ｈ2Nと、推定流量ｑ＊、および第２の最小圧力設定値とを基にして目標圧力を発生させる。前記目標圧力は、要求流量で高揚程運転を安全に行なうことができる。
【００３５】
（第５発明）
第５発明の高揚程運転制御システムは、第４発明の定格定数演算器における演算結果を目視できる表示装置を備えている。前記定格定数演算器に入力される値は、当該ポンプを使用した際の実測値であるため、現場に設置された場合に、適合しない場合もある。そこで、前記定格定数演算器によって演算された値は、前記表示装置に表示させて、実行させてもよいか否かを確認してから関数を発生させている。したがって、前記高揚程運転制御システムは、表示装置により確認後、実行に移すため安全である。
【００３６】
（第６発明）
第６発明の高揚程運転制御システムは、第４発明の高揚程運転制御ブロックに定格周波数と動作可能最大周波数とを比較する比較器を備えている。前記比較器において、定格周波数が最大周波数と同じか、あるいは、それより大きい場合には、前記最大周波数を定格周波数として設定する。第６発明は、ポンプに無理のある回転数で運転させることがないため、要求流量で高揚程で運転しても安全である。
【００３７】
（第７発明）
第７発明の高揚程運転制御システムは、第４発明の高揚程運転制御ブロックに定格定数演算器によって演算された結果を一時記憶するＲＡＭと、前記定格定数演算器の演算を行なうプログラムおよび演算結果をチェックや比較を行なうプログラムが記憶されているＲＯＭとが備えられている。前記定格定数演算記憶は、前記ＲＡＭに演算結果を一時記憶するとともに、演算結果を表示装置に表示することができる。また、前記定格定数演算器は、前記ＲＯＭに記憶されているプログラムにしたがって演算を行なう。
【００３８】
本発明は、最初に、実際の要求流量を設定することにより、給水システムのシステム抵抗を演算し、この結果とポンプの揚程特性を示す定数からポンプの無次元化流量計数の近似として、前記システム抵抗に対応した流量／周波数を演算する。また、本発明は、予め入力されている該当ポンプの無次元化効率−流量特性の二次近似式に、前記計算結果の流量／周波数を代入することにより、ポンプの効率を演算することができる。
【００３９】
次に、本発明は、ポンプの定格揚程、定格流量の時のモータ軸動力値を入力することにより、要求流量に対して、実現可能なポンプ揚程を自動的に演算表示する。同時に、この揚程を実現するポンプモータの周波数を演算表示する。この周波数は、予め入力されている該当ポンプの許容最大周波数と比較される。もし、高揚程運転を実現する前記の周波数が許容最大周波数より小さい場合には、演算された周波数を新たに定格周波数として決定する。
【００４０】
逆に、演算された高揚程運転の周波数が許容最大周波数に等しいか、または、許容最大周波数より大きい場合には、高揚程運転の最大周波数を許容最大周波数に制限する。このようにして、ポンプの高揚程運転の揚程、流量、周波数は、表示装置に表示されて目視によって確認される。もし、前記目視できるように表示装置に表示された内容に問題がないと判断された場合には、高揚程運転設定「ＳＥＴ」スイッチをＯＮとすることにより、それぞれのデータがセットされ、従来方式よりも高い揚程のもとで、推定末端圧力一定制御、吐出圧力一定制御でポンプを運転することができる。
【実施例１】
【００４１】
図１は本発明の実施例で、可変電圧、可変周波数電源で駆動される２台のポンプの単独交互運転方式で推定末端圧力一定制御を行う給水制御システムを示すブロック構成図である。図１に示された本発明の給水制御システムは、給水部１１と、駆動制御部２１と、制御部３１と、高揚程運転制御ブロック４１とから構成されている。図１において、図７に示された従来例と同じ部分は、説明を省略する。図１に示された制御部３１において、目標圧力圧力設定部３１１は、推定末端圧力一定制御装置を構成するために、流量の増加につれてその設定値が大きくなり、定格流量で定格揚程になるように自動的に調整される。
【００４２】
演算器３１２は、ポンプ吐出側を圧力検出器１０１でｈｉとして検出し、目標圧力設定器３１１で設定された圧力設定値ｈｓ1 と比較する。前記演算器３１２による比較偏差は、ＰＩＤコントローラ３１３に与えられる。前記ＰＩＤコントローラ３１３は、出力がＤ／Ａ変換器３１４およびＤ／Ａ変換器３１５を通して、インバータ２１１およびインバータ２１２の周波数指令ｆ1S、ｆ2Sとなって出力する。また、前記ＰＩＤコントローラ３１３は、前記ポンプ吐出側圧力検出器１０１で検出されたポンプの吐出圧力ｈｉと、目標圧力設定器３１１で設定された圧力設定値ｈｓ1 とから現在の推定流量ｑ＊を得ることができる。
【００４３】
ポンプ１およびポンプ２は、前記インバータ２１１およびインバータ２１２により、それぞれ可変電圧・可変周波数電源で制御されるモータ２１３およびモータ２１４によって駆動される。給水制御用シーケンス回路３１６は、給水量の少ない深夜、多い日中等、小水量から大水量を検出して、保圧、ポンプ停止等のシーケンス制御を自動的に、また、ポンプ１およびポンプ２を交互に制御する。
【００４４】
前記制御部３１において、切替スイッチ３１７は、スイッチの切り替えにより、通常の制御運転と高揚程制御運転とが切り替えられる。前記切替スイッチ３１７は、通常運転の場合、Ｃ−１側が閉になるように接続されている。また、前記切替スイッチ３１７は、高揚程制御運転の場合、Ｃ−２側が閉になるように切り替えられる。さらに、前記切替スイッチ３１７がＣ−２側に接続されている場合、前記目標圧力設定器３１１は、高揚程運転制御ブロック４１から出力する圧力設定値ｈS2が演算器３１２に与えられる。
【００４５】
図２は本発明の実施例で、高揚程運転制御を行う場合のブロック構成図である。前記高揚程運転制御ブロック４１は、圧力設定器４１１と、Ｄ／Ａ変換器４１２と、推定末端圧力一定制御回路４１３と、高揚程にするための各種定数を演算する定格定数演算器４１４と、セットスイッチ４１５と、演算のためのプログラム等が記憶されているＲＯＭ４１６と、前記プログラムにしたがって演算する際のデータ、および演算結果を一時記憶するＲＡＭ４１７と、前記演算結果に基づく定数を比較する比較器４１８と、各部を制御する制御器４１９とから構成されている。前記ＲＡＭ４１７に記憶された演算結果は、表示装置４２０により目視することができる。
【００４６】
前記推定末端圧力一定制御回路４１３は、推定末端圧力一定制御の圧力設定値を演算し、関数を生成する関数発生器であり、以下、単に関数発生器４１３と記載する。前記関数発生器４１３は、高揚程運転の第２の定格揚程ｈ2N、および高揚程運転の第２の定格流量ｑ2Nを定格定数演算器４１４から受け取る。
【００４７】
前記関数発生器４１３は、流量がゼロの場合の第２の最小圧力設定値ｈ02と、制御部３１によって演算された推定流量ｑ＊を受け取り、Ｄ／Ａ変換器４１２を介して、推定末端圧力一定制御の目標圧力をｈS20 として出力する。前記定格定数演算器４１４は、高揚程運転に必要な第２の定格揚程ｈ2N、第２の定格流量ｑ2N、並びに、これを実現するモータの第２の定格周波数ｆ2Nを生成する。
【００４８】
前記定格定数演算器４１４により生成された、第２の定格揚程ｈ2N、および第２の定格流量ｑ2Nは、前記定格定数演算器４１４への入力である実際に必要な流量ｑre、ポンプの流量−揚程二次近似式の定数ａ、ｂ、ポンプの無次元化効率特性（流量定数−効率特性）の二次近似式の定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と定格軸動力ｌN 、ポンプ装置に許容される最大運転周波数ｆmax に基づいて演算される。前記定数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、実際のポンプを運転することによって得られる実験値からなる。したがって、前記各定数は、前記ポンプを現場に設置された際に稼働させて修正することもできる。
【００４９】
次に、高揚程運転制御のための、第２の定格揚程ｈ2N、第２の定格流量ｑ2N、および第２の定格周波数ｆ2Nをいかに演算するかを説明する。図３は本発明の実施例で、高揚程運転制御を行うためのフローチャートである。図４は図１に示すブロック構成図におけるポンプ押込み側圧力をゼロとして描いたポンプの流量−揚程特性例を示すものである。
【００５０】
図１から図４において、今、実際に必要な流量ｑre（ｐ．ｕ．）であるとした場合、第１の定格揚程ｈ1Nで、実際に必要な流量ｑreとなる摩擦抵抗揚程ｈ1N（ｐ．ｕ．）は、下記(1) 式で表すことができる。
ｈ1N＝（１／ｑre2 ）・ｑ2 ＝ｋn ・ｑ2             ・・・・(1) 
ｋn   ：  摩擦抵抗揚程の計算における流量定数（＝１／ｑre2 ）
すなわち、実際に必要な流量ｑre（ｐ．ｕ．）が前記(1) 式に入力された場合、第１の定格揚程ｈ1Nが計算できるので、図２に示すＲＡＭ４１７における１ＲＥＳ（記憶領域）に結果を記憶する。
【００５１】
前記第１の定格揚程ｈ1Nを任意の流量ｑ（ｐ．ｕ．）に対して描くと、その特性は、図４に示すＯＢＥ曲線のようになる。次に、任意のポンプ運転点におけるポンプ効率を計算する。ポンプ効率は、流量定数Φ＝Ｑ／Ａ2u2 （Ｑ：流量、Ａ2 ：羽根車出口断面積、ｕ2 ：羽根車の円周速度）をＸ軸に取ってプロットすると、ポンプ速度に関係なく、一つの二次曲線上に集まることが知られている。本発明では、前記流量定数Φの近似値として（流量ｑ（ｐ．ｕ．）／モータ周波数ｆ（ｐ．ｕ．））＝ｑ／ｆを取り、ポンプ効率を(2) 式で推定する。
【００５２】
ηｐ＝−Ｃ１（ｑ／ｆ）2 ＋Ｃ２（ｑ／ｆ）＋Ｃ３    ・・・・(2) 
前記Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３：ポンプ効率二次近似式の定数
また、ポンプが第１の定格揚程ｈ1N曲線上の任意の流量ｑで運転している場合、（ｑ／ｆ）は、(3) 式で近似計算できる。
（ｑ／ｆ）＝〔ａ／（ｋn ＋ｂ）〕1/2               ・・・・(3) 
ここに、ａ、ｂ：ポンプ定数
ただし、ポンプの揚程ｈp （ｐ．ｕ．）をｈp ≒ａｆ2 −ｂｑ2 で近似した場合、
ｑ  ：流量（ｐ．ｕ．）＝流量／定格流量＝Ｑ／ＱN 
ｈｐ：ポンプ揚程（ｐ．ｕ．）＝揚程／定格揚程＝Ｈ／ＨN 
ｆ  ：周波数（ｐ．ｕ．）＝周波数／定格周波数＝Ｆ／ＦN 
【００５３】
(3) 式の結果を(2) 式に代入することにより、第１の定格揚程ｈ1N曲線上の任意の流量ｑで運転している場合のポンプ効率が計算できる。すなわち、図３のフローチャートに示すように、（ｑ／ｆ）の演算結果を図２に示すＲＡＭ４１７における２ＲＥＳに記憶し、ηｐを図２に示すＲＡＭ４１７における３ＲＥＳに記憶する。
【００５４】
他方、モータ軸動力ｌ（ｐ．ｕ．）は、(4) 式によって表すことができる。
ｌ＝（ｋn ｑ2 ）×ｑ／ηｐ＝ｋn ｑ3 ／ηｐ        ・・・・(4) 
今、高揚程運転において、定格軸動力ｌN （ｐ．ｕ．）と等しい軸動力のもとで運転するとすれば、(4) 式で、ｌ＝ｌN と置いて、高揚程運転の流量ｑH が(5) 式で計算できる。
【００５５】
ｑH ＝（（ｌN ×ηｐ）／ｋn ）1/3                 ・・・・(5) 
したがって、高揚程の揚程ｈH 、周波数ｆ2 が(6) 、(7) 式で計算できる。
【００５６】
ｈH ＝ｋN ×ｑH2                                  ・・・・(6) 
ｆ2 ＝ｑH ／（ｑ／ｆ）                            ・・・・(7) 
以上の計算を行い、図３に示すように、流量ｑH 、揚程ｈH 、周波数ｆ2 の計算結果は、図２に示すＲＡＭ４１７における４ＲＥＳ、５ＲＥＳ、６ＲＥＳに記憶される。
【００５７】
次に、図２に示す制御器４１９は、ＲＯＭ４１６に記憶されているプログラムに従って、前記ＲＡＭ４１７の前記演算結果をチェックする。前記ポンプ装置に許される最大速度は、モータの動作可能最大周波数ｆmax として、予め定格定数演算器４１４に入力されている。前記モータの動作可能最大周波数ｆmax は、演算を行なうために、図２に示すＲＡＭ４１７における７ＲＥＳに記憶される。前記ＲＡＭ４１７に記憶されたモータの定格周波数ｆ2 とモータの動作可能最大周波数ｆmax は、制御器４１９の制御の基に、比較器４１８によって比較される。
【００５８】
前記制御器４１９は、モータの定格周波数ｆ2 ＜モータの動作可能最大周波数ｆmax と判断した場合、演算された高揚程運転時の流量ｑH 、高揚程運転の揚程ｈH 、定格周波数ｆ2 の値を、それぞれ第２の定格流量ｑ2N、第２の定格揚程ｈ2N、第２の定格周波数ｆ2Nとして決定し、前記ＲＡＭ４１７における８ＲＥＳ、９ＲＥＳ、１０ＲＥＳに記憶させる。前記制御器４１９は、モータの定格周波数ｆ2 ≧モータの動作可能最大周波数ｆmax であると判断した場合、モータの動作可能最大周波数ｆmax を第２の定格周波数ｆ2Nとして選定する。次に、前記制御器４１９は、前記周波数に対応して高揚程運転の流量ｑH 、高揚程運転の揚程ｈH の修正計算を行う。
【００５９】
前記修正計算は、(7) 式で、モータの定格周波数ｆ2 ＝モータの動作可能最大周波数ｆmax として修正した高揚程運転の流量ｑH ′が(8) 式で、(9) 式で修正した高揚程運転の揚程ｈH ′が求まる。
ｑH ′＝（ｑ／ｆ）×ｆMAX                         ・・・・(8) 
ｈH ′＝ｋN ×ｑH ′2                             ・・・・(9) 
前記計算結果は、図３に示すように、ＲＡＭ４１７における８ＲＥＳ、９ＲＥＳ、１０ＲＥＳに記憶される。かくして、定格定数演算器４１４は、任意の要求流量ｑreが入力されることにより、前記ＲＡＭ４１７における８ＲＥＳ、９ＲＥＳ、１０ＲＥＳに、高揚程運転制御のためのパラメータが生成される。
【００６０】
前記制御器４１９は、前記ＲＡＭ４１７に記憶された各パラメータを、安全のために、表示装置４２０に表示し、目視によって確認できるようにしている。確認して、ＯＫであれば、データセットスイッチ４１５をＯＮにする。この結果、前記データは、関数発生器４１３に転送された後、一時記憶される。
【００６１】
次に、前記関数発生器４１３の作用について説明する。前記関数発生器４１３は、第２の定格揚程ｈ2N、第２の定格流量ｑ2N、および推定流量ｑ＊、第２の最小圧力設定値を基にして、ポンプの推定末端圧力一定制御を遂行するための目標圧力ｈS20 を生成するもので、次の(10)式の演算を実行する。
【００６２】
ｈS20 ＝ｈ02＋ｋq （ｈ2N−ｈ02）（ｑ＊／ｑH ）2       ・・・・(10)
ここに、ｈS20   ：  圧力指令（ｐ．ｕ．）  ：  ４１２のＤ／Ａ出力
ｈ02    ：  第２の最小圧力設定（ｐ．ｕ．）
ｋq     ：  流量定数、通常は１．０に設定する。
吐出圧力一定制御の場合には、ｈ02を吐出圧力に設定し、ｋq ＝０に設定する。
ｑ＊    ：  推定流量（ｐ．ｕ．）：制御部３１の中で推定演算された値が関数発生器４１３に入力される。たとえば、以下に示すポンプの流量−揚程特性の二次近似式から演算推定される。
ｈP ≒ａ1 ｆ2 ＋ｂ1 ｆ・ｑ＋ｃ1 ｑ2 
ｈP ：  ポンプ揚程（ｐ．ｕ．）
ｆ  ：  モータ周波数（ｐ．ｕ．）
ｑ  ：  流量（ｐ．ｕ．）
ａ1 、ｂ1 、ｃ1   ：  定数
【００６３】
以上の動作を図４のポンプ揚程ｈ−流量ｑ特性で説明する。従来方式では、推定末端圧力一定制御は、ポンプの定格速度が与える揚程ｈ−流量ｑ特性、ｎ1 （ｆ1 ）を最大揚程特性として、流量低下に対応して、目標揚程曲線ＡＢ′Ｄの圧力になるようにポンプ速度が制御される。通常の場合、Ａ点は、定格揚程、定格流量点である。本発明は、実際に必要な流量がｑreである場合、ポンプ軸動力が一定になるポンプの速度を演算し、ｎ2 （ｆ2 ）の揚程ｈ−流量ｑ特性を第２の揚程特性として、推定末端圧力一定制御を行うものである。この場合、推定末端圧力一定制御の目標揚程曲線は、ＥＦＧのようになる。
【００６４】
すなわち、従来方式よりも、高い揚程のもとで、推定末端圧力一定制御を行うことができる。また、前述のように、ｈ02：を吐出圧力一定制御の揚程に設定し、流量定数ｋq をゼロに設定すれば、高揚程のもとで、吐出圧力一定制御ができる。次に、本発明で、高揚程運転時の流量ｑH を求めるのに、実揚程がゼロの摩擦抵抗揚程のみのシステム抵抗によって演算しているが、それが近似的に可能である理由を説明する。
【００６５】
図５は、代表的なポンプ特性において、システム抵抗に７０％の実揚程が含まれる場合と、実揚程がゼロの摩擦抵抗揚程のみの場合について、本発明の高揚程制御によって増加した流量ｑ−揚程ｈ領域を計算したものである。図５を見ると、要求流量５０％以上では、両者にほとんど差がないことが判る。本高揚程制御は、通常、流量５０％から１００％の範囲で使用されることが多いことから、本発明の実施例では、圧力設定回路をアナログ回路で示したが、目標圧力設定部３１１をディジタル回路に変更すれば、Ｄ／Ａ変換器４１２を省略して、関数発生器４１３から直接ディジタル信号として、ＰＩＤコントローラ３１３に与えることができる。
【００６６】
本発明は、要求流量が選定されたポンプの定格流量より小さく、流量に余裕がある場合に、ポンプの速度を許容速度まで上昇せしめ、定格揚程より大きな揚程でポンプを運転できるように制御することによって、設備稼働直前に判明した揚程不足問題をポンプ装置を変更することなく解決できる。また、ポンプ計画時の揚程決定において、従来のように必要以上の余裕を見る必要がなくなるので、より小型のポンプ装置を選定できる効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。本実施例に記載されているブロックは、周知または公知の回路を使用することができる。また、本実施例に記載されているモータ、ポンプ、弁等は、周知または公知の装置を使用することができる。本発明の実施例は、推定末端圧力一定制御で説明したが、吐出圧力一定制御であっても、同様に制御できることはいうまでもないことである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例で、可変電圧・可変周波数電源で駆動される２台のポンプの単独交互運転方式で推定末端圧力一定制御を行う給水制御システムを示すブロック構成図である。（実施例１）
【図２】本発明の実施例で、高揚程運転制御を行う場合のブロック構成図である。
【図３】本発明の実施例で、高揚程運転制御を行うためのフローチャートである。
【図４】図１に示すブロック構成図におけるポンプ押込み側圧力をゼロとして描いたポンプの流量−揚程特性例を示すものである。
【図５】代表的なポンプ特性において、システム抵抗に７０％の実揚程が含まれる場合と、実揚程がゼロの摩擦抵抗揚程のみの場合について、本発明の高揚程制御によって増加した流量ｑ−揚程ｈ領域を計算したものである。
【図６】従来例を説明するための給水制御システムを示すブロック構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１、２・・・ポンプ
３、５・・・ポンプ吐出側逆止弁
４、６・・・ポンプ吐出側止水弁
７・・・ポンプ吸込側逆流防止器
８・・・バイパス用逆止弁
９・・・保圧用圧力タンク
１０・・・流量検出用フロースイッチ
１０１・・・ポンプ吐出側圧力検出器
１１・・・給水部
１１１・・・水道管
１１２・・・給水管
１１３、１１４・・・給水分岐管
１１５・・・バイパス管
１１６・・・給水本管
１２・・・ポンプ吸込側圧力検出器
２１・・・駆動制御部
２１１、２１２・・・インバータ
２１３、２１４・・・モータ
３１・・・制御部
３１１・・・目標圧力設定器
３１２・・・演算器
３１３・・・ＰＩＤコントローラ
３１４、３１５・・・Ｄ／Ａ変換器
３１６・・・給水制御用シーケンス回路
３１７・・・切替スイッチ
４１・・・高揚程運転制御ブロック
４１１・・・圧力設定器
４１２・・・Ｄ／Ａ変換器
４１３・・・推定末端圧力一定制御回路（関数発生器）
４１４・・・定格定数演算器
４１５・・・セットスイッチ
４１６・・・ＲＯＭ
４１７・・・ＲＡＭ
４１８・・・比較器
４１９・・・制御器
４２０・・・表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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