(57)【要約】【課題】水量と水質（ｐＨ値）の変動が激しい被処理水へのｐＨ調整剤の添加量を最適化し、そのｐＨ値を安定に精度良く制御することのできるｐＨ調整剤の自動注入装置を提供する。【解決手段】処理槽に貯留された被処理水のｐＨを計測するｐＨ計と、処理槽にｐＨ調整剤を注入するポンプと、被処理水のｐＨ値に従ってポンプの作動を制御する演算制御手段とを具備し、特に前記演算制御手段として、前記処理水のｐＨ値と前記調整目標ｐＨ値とに従って前記調整剤注入手段に対するＰＩ制御値またはＰＩＤ制御値を求める演算手段（ＰＩ制御／ＰＩＤ制御）と、前記処理水のｐＨ値が前記調整目標ｐＨ値を越えたときには前記演算手段が求めた制御値を補正する制御値補正手段（オン／オフ制御）とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水にｐＨ調整剤を注入して上記被処理水のｐＨの制御を行うｐＨ調整剤の自動注入装置であって、
被処理水を貯留する処理槽と、この処理槽にｐＨ調整剤を注入する調整剤注入手段と、前記処理槽に設けられたｐＨ測定手段と、このｐＨ測定手段により求められた処理水のｐＨ値に従って前記調整剤注入手段を制御して前記処理槽へのｐＨ調整剤の注入量を最適化する演算制御手段とを具備し、
上記演算制御手段は、前記処理水のｐＨ値と前記調整目標ｐＨ値とに従って前記調整剤注入手段に対するＰＩ制御値またはＰＩＤ制御値を求める演算手段と、前記処理水のｐＨ値が前記調整目標ｐＨ値を越えたとき、または下回ったときには前記演算手段が求めた制御値を補正する制御値補正手段とを備えることを特徴とするｐＨ調整剤の自動注入装置。
【請求項２】
前記演算手段は、ｐＨ調整剤が注入された前記処理槽での被処理水の反応遅れ時間を踏まえたＰＩ制御値を求めるサンプル値ＰＩ制御を実行するものである請求項１に記載のｐＨ調整剤の自動注入装置。
【請求項３】
前記被処理水が酸性であり、前記ｐＨ調整剤がアルカリ性薬品であるとき、
前記制御値補正手段は、前記ｐＨ値が前記調整目標ｐＨ値以下のときには前記演算手段が求めた制御値をそのまま前記調整剤注入手段に対する制御値として出力とし、前記ｐＨ値が前記調整目標ｐＨ値を越えた場合には、前記演算手段が求めた制御値を減じて前記調整剤注入手段に対する制御値として出力するものである請求項１または２に記載のｐＨ調整剤の自動注入装置。
【請求項４】
前記演算制御手段は、所定のタイミング毎に前記処理水のｐＨ値を監視して前記演算手段によりＰＩ制御値またはＰＩＤ制御値を求め、この演算手段が求めた制御値を前記制御値補正手段により補正する第１の制御と、
連続的に前記処理水のｐＨ値を監視して前記演算手段によりＰＩ制御値またはＰＩＤ制御値を求めると共に、この演算手段が求めた制御値を前記制御値補正手段により補正する第２の制御とからなる２段階制御を行うものである請求項１〜３のいずれかに記載のｐＨ調整剤の自動注入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、用水や排水、或いはプロセス水等に対するｐＨ調整剤の添加量を最適化するに適したｐＨ調整剤の自動注入装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
用排水やプロセス水等を中和したり、その水素イオン濃度（ｐＨ）を調整する場合、原水（被処理水）がアルカリ性であれば塩酸や硫酸等の酸性薬品が、また原水が酸性であれば苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）や消石灰（水酸化カルシウム）等のアルカリ性薬品がｐＨ調整剤として用いられる。そして原水を貯留する反応層（処理槽）にｐＨ調整剤を注入することで上記原水の水素イオン濃度（ｐＨ）の調整、例えば中和処理が行われる。
【０００３】
この際、例えば酸性の原水を中和するような場合には、従来一般的にはその目標ｐＨ値（＝７）の前後に上限値Ｈ（例えばＨ＝７．５）と下限値Ｌ（例えばＬ＝６．５）とを設定している。そしてｐＨ調整剤の注入によりｐＨ調整された処理水のｐＨ値をモニタし、そのｐＨ値が下限値Ｌを下回るときにｐＨ調整剤を注入し（注入オン）、上限値Ｈを上回ったときに上記ｐＨ調整剤の注入を停止（注入オフ）するようにオン／オフ制御している。
【０００４】
しかし処理槽に流入する被処理水（原水）の流量やその水質が変動する水系においては、ｐＨ調整剤の最適注入量が変動することが否めない。これ故、上述したようにして一定量のｐＨ調整剤の注入をオン／オフ制御しても、処理水のｐＨ値が大きく変動したり、或いは目標とするｐＨ値に収束させることができなくなると言う問題があった。
【０００５】
そこで処理水のｐＨ値に応じて被処理水（原水）に対するｐＨ調整剤の注入量をフィードバック制御し、ｐＨ調整剤の注入量の最適化を図りながらｐＨ調整を行う手法が提唱されている（例えば特許文献１，２を参照）。この際、処理槽へのｐＨ調整剤の注入後、その効果（結果）が現れてｐＨ計にて測定されるｐＨ値が変化するまでには時間が掛かることが否めない。例えば容量３０００ｍ３の処理槽を用い、１０ｍ３／秒の流量で被処理水を通流させながら上記処理槽にｐＨ調整剤の注入して被処理水を中和する場合、ｐＨ調整剤の注入の開始後、上記処理槽から中和された処理水が得られるまでには５分程度の時間遅れが生じる。そこで従来では、専らその反応遅れ時間を見込んで、具体的にはその制御出力を上記遅れ時間だけ保持しながら上述したフィードバック制御を実行している［サンプル値ＰＩ制御］。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２１２３８７号公報
【特許文献２】
特開２００１−３４７２６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述したサンプル値ＰＩ制御においては、前述したオン／オフ制御に比較して目標とするｐＨ値に収束までに時間が掛かることが否めない。しかも制御出力を保持している期間内に原水（被処理水）の水質や水量等に外乱が生じると、その外乱に対する初期対応に遅れが生じる等の問題がある。特に用水や排水、プロセス水等の原水は、その水量と水質（ｐＨ値）の変動が激しいので、上述したサンプル値ＰＩ制御によって被処理水のｐＨ値を安定に調整することが相当困難であると言う問題がある。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、水量と水質（ｐＨ値）の変動が激しい水系における被処理水へのｐＨ調整剤の添加量を最適化することができ、そのｐＨ値を安定に、しかも精度良く制御することのできるｐＨ調整剤の自動注入装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明の請求項１に係るｐＨ調整剤の自動注入装置は、用排水やプロセス水等からなる被処理水（原水）にｐＨ調整剤を注入してその水素イオン濃度を制御するものであって、
被処理水を貯留する処理槽に設けられて該処理槽にｐＨ調整剤を添加（注入）する調整剤注入手段と、前記処理槽に設けられたｐＨ測定手段（ｐＨ計）と、このｐＨ測定手段により求められたｐＨ値に従って前記調整剤注入手段を制御して前記処理槽へのｐＨ調整剤の注入量を最適化する演算制御手段とを具備し、
特に前記演算制御手段は、前記処理水のｐＨ値と前記調整目標ｐＨ値とに従って前記調整剤注入手段に対するＰＩ制御値またはＰＩＤ制御値を求める演算手段（ＰＩ制御／ＰＩＤ制御）と、前記処理水のｐＨ値が前記調整目標ｐＨ値を越えたとき、また下回ったときには前記演算手段が求めた制御値を補正する制御値補正手段（オン／オフ制御）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また請求項２に係るｐＨ調整剤の自動注入装置は、前記請求項１において、前記演算手段は、ｐＨ調整剤が注入された前記処理槽での被処理水の反応遅れ時間を踏まえたＰＩ制御値を求めるサンプル値ＰＩ制御を実行するものとして実現される。
請求項３に係るｐＨ調整剤の自動注入装置は、前記請求項１または２において前記被処理水が酸性であり、前記ｐＨ調整剤がアルカリ性薬品であるとき、前記制御値補正手段は、前記ｐＨ値が前記調整目標ｐＨ値以下のときには前記演算手段が求めた制御値をそのまま前記調整剤注入手段に対する制御値として出力とし、前記ｐＨ値が前記調整目標ｐＨ値を越えた場合には、前記演算手段が求めた制御値を減じて前記調整剤注入手段に対する制御値として出力するものとして実現される。
【００１１】
更に請求項４に係るｐＨ調整剤の自動注入装置は、前記請求項１〜３のいずれか１項において、前記演算制御手段は、所定のタイミング毎に前記処理水のｐＨ値を監視して前記演算手段によりＰＩ制御値またはＰＩＤ制御値を求め、この演算手段が求めた制御値を前記制御値補正手段により補正する第１の制御と、連続的に前記処理水のｐＨ値を監視して前記演算手段によりＰＩ制御値またはＰＩＤ制御値を求めると共に、この演算手段が求めた制御値を前記制御値補正手段により補正する第２の制御とからなる２段階制御を行うことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るｐＨ調整剤の自動注入装置について説明する。
この装置は概略的には、図１に示すように被処理水（原水）を貯留する所定容量の処理槽１を備えた水系に設けられ、ｐＨ調整剤槽（薬液タンク）２に貯留されているｐＨ調整剤をポンプ３を介して前記処理槽１に注入するように構成される。このポンプ３は容量可変型のものであって、後述する制御信号によりｐＨ調整剤の注入量が可変制御される。また前記処理槽１には、ｐＨ調整剤が添加された被処理水（原水）を撹拌する撹拌機構（図示せず）が設けられると共に、ｐＨ調整剤の添加によりｐＨ調整された処理水の水素イオン濃度（ｐＨ値）を測定するｐＨ計（ｐＨ測定手段）４が設けられる。このｐＨ計４は、例えば前記処理槽１の排出口近傍に設けられる。
【００１３】
そしてこのｐＨ計４にて計測された被処理水（原水）のｐＨ値（ｐＨデータ）は、前記ポンプ３の作動を制御して前記処理槽１に対するｐＨ調整剤の注入量を制御する演算制御手段としての計算機５に入力される。この計算機５は、基本的には演算手段（ＰＩＤ制御機能）５ａを備える。この演算手段５ａは、前記ｐＨデータとその調整目標ｐＨ値とに従い、前記処理槽１に注入されたｐＨ調整剤による被処理水（原水）の反応遅れ時間を見込んで、例えばサンプル値ＰＩ制御により処理槽１に注入するｐＨ調整剤の注入量を、具体的には前記ポンプ３の制御値（ＰＩ制御値）を求める。
【００１４】
尚、上記ＰＩ制御に代えてＰＩＤ制御によりその制御値を求めることも勿論可能である。ちなみにＰＩ制御は、ＰＩＤ制御における微分成分Ｄに対する制御ゲイン（係数）を［０］とし、比例成分Ｉと積分成分Ｉとに従ってその制御値を求めるものとして捉えることができる。またサンプル値ＰＩ制御は、ＰＩ制御により求められる制御値を所定時間毎にサンプルし、そのサンプル値（制御値）を上記所定時間に亘って保持しながらその制御対象（ポンプ３）に出力する制御形態を示している。このようなサンプル値ＰＩ制御により、処理対象水系における応答遅れを見込んだフィードバック制御が実現される。
【００１５】
ところで計算機５は、更に前記ｐＨデータがその調整目標ｐＨ値を越えたか否かを常時判定し、その判定結果に応じて前記ＰＩＤ制御機能５ａが求めたＰＩ制御値を選択的に低減補正して出力して前記ポンプ３の作動を制御する制御値補正機能（オン／オフ制御機能）５ｂを備えている。この制御値補正機能５ｂは、基本的には前記ｐＨデータが前記調整目標ｐＨ値に至っていない場合には前記ＰＩＤ制御機能５ｃが求めたＰＩ制御値をそのまま出力して前記ポンプ３の作動を制御し（オフ動作）、また前記ｐＨデータが調整目標ｐＨ値を越えている場合には、前記ＰＩ制御値を所定値だけ減じて、或いは所定割合だけ減じることでＰＩ制御値を低減補正し、この低減補正したＰＩ制御値を用いて前記ポンプ３の作動を制御する（オン動作）ものである。
【００１６】
このオン／オフ制御は、サンプル値制御のサンプリング時（制御時）であるか、或いは制御値のホールド時であるかに拘わらず動作するものであることが好ましい。具体的には上述した制御値補正機能５ｂは、所定のタイミング毎に前記処理水のｐＨ値を監視してｐＨ制御値を補正する機能と、これよりも短いタイミングで断続的に前記処理水のｐＨ値を監視してＰＩ制御値を補正する機能との２段階の制御形態を備えることが望ましい。
【００１７】
具体的には図２に例示するように前記制御値補正機能５ｂは、処理水のｐＨ値に応じて上述したＰＩＤ制御機能５ａによるサンプル値ＰＩ制御の下でｐＨ調整剤の注入量を増減制御してその適正化を図るに際し、先ずサンプル値の制御タイミングであれば、予め基準となるＰＩ制御出力を算出した状態で前記処理水のｐＨ値を監視する。そして該処理水のｐＨ値がその制御目標ｐＨ値（ｐＨ７）を越えており、ｐＨ調整剤の注入量を増加させるべき制御値が求められている場合には、前記制御値補正機能５ａは上記制御値をそのまま出力する。また処理水のｐＨ値がその制御目標ｐＨ値（ｐＨ７）を下回っており、ｐＨ調整剤の注入量を減少させるべき制御値が求められている場合には、前記制御値補正機能５ａは上記基準ＰＩ制御出力値に［１］以下の所定の係数（例えば７０％）を乗じる等して、その制御値を低減補正して出力する。そしてこの低減補正した制御値をポンプ３に与えて、その作動を制御する。
【００１８】
またこの実施形態においては上述したサンプル値制御のタイミング以外に、このサンプリング周期よりも短い周期（例えばサンプル周期の１／２の周期）で断続的にＰＩ制御出力値を補正している。即ち、その時点でのＰＩ制御出力値を基準として処理水のｐＨ値を監視し、該処理水のｐＨ値がその調整目標ｐＨ値（ｐＨ７）を越えている場合には、前記制御値補正機能５ｂは上記制御値をそのまま出力する。また該処理水のｐＨ値がそのその調整目標ｐＨ値（ｐＨ７）を下回っており、ｐＨ調整剤の注入量を減少させるべき制御出力が求められている場合には、前記制御値補正機能５ｂは上記基準ｐＩ制御値に［１］以下の所定の係数（例えば７０％）を乗じる等して、その制御値を低減補正している。そしてこの低減補正した制御値をポンプ３に与えて、その作動を制御するものとなっている。
【００１９】
このようにして基準ＰＩ制御出力値に対して、その調整タイミングを異にする２段階の処理手順に従って制御値を補正することで、この装置においては単純にサンプル値制御を行う場合よりも、より迅速に処理水のｐＨ値を目標ｐＨ値に近付けながら（収束させながら）、安定した狭い振幅幅でｐＨ調整を行うものとなっている。
【００２０】
より具体的に酸性の被処理水を中和する場合を例に説明すると、この場合にはその調整目標ｐＨ値が［ｐＨ＝７］に設定される。そして計算機５においては概略的には図２に示す処理手順に従って前記ポンプ３の作動を制御する。即ち、計算機５においては、その時点においてポンプ３に与えているＰＩ制御値をホールドしながら〈ステップＳ１〉、ｐＨ計４にて計測される処理水のｐＨ値を求めている〈ステップＳ２〉。そしてその時点が所定のサンプル値制御のタイミングである否かを判定し〈ステップＳ３〉、サンプル値制御のタイミングである場合には計測されたｐＨ値と上記調整目標ｐＨ値との偏差ΔｐＨに従って前記ポンプ３を介するｐＨ調整剤の最適注入量に相当するポンプ３のＰＩ制御値を求めている〈ステップＳ４〉。
【００２１】
この際、計算機５は上記偏差ΔｐＨが正である（調整目標値に至っていない）るか、或いは負である（調整目標値を超えている）かを判定している。より具体的には被処理水のｐＨ値（ｐＨデータ）が、その制御目標値である［ｐＨ＝７］に至っていないか（正；ｐＨデータが［７］未満で酸性である）、或いは制御目標値［ｐＨ＝７］を越えているか（負；ｐＨデータが［７］以上でアルカリ性である）を判定している〈ステップＳ５〉。そして処理水が酸性（偏差が正）である場合には、前述したＰＩ制御値をそのまま出力して前記ポンプ３の作動をフィードバック制御し〈ステップＳ６〉、逆に前記被処理水がアルカリ性（偏差が負）である場合には、例えば前記ＰＩ制御値に７０％を乗じることで該ＰＩ制御値を低減補正し、この低減補正したＰＩ制御値を用いて前記ポンプ３の作動をフィードバック制御している〈ステップＳ７〉。
【００２２】
これに対してサンプル値制御のタイミングでない場合には〈ステップＳ３〉、計算機５はその時点での被処理水のｐＨ値（ｐＨデータ）が、その制御目標値である［ｐＨ＝７］に至っていないか（ｐＨデータが［７］未満で酸性である）、或いは制御目標値［ｐＨ＝７］を越えているか（ｐＨデータが［７］以上でアルカリ性である）を判定している〈ステップＳ８〉。そして処理水が酸性である場合には、前述した如くホールドされているＰＩ制御値（ホールド値）をそのまま出力して前記ポンプ３の作動をフィードバック制御し〈ステップＳ９〉、逆に前記被処理水がアルカリ性である場合には、例えば前記ホールド値に７０％を乗じることで該ＰＩ制御値を低減補正し、この低減補正したＰＩ制御値を用いて前記ポンプ３の作動をフィードバック制御している〈ステップＳ１０〉。
【００２３】
以降、上述した処理を所定の周期で繰り返し実行し、水系での反応遅れ時間を見込んだサンプル値ＰＩ制御と、処理水のｐＨデータに応じた制御値の低減補正の下でｐＨ調整剤の最適化調整を行っている。特にサンプル値制御のタイミングのみならず、その制御タイミングの周期よりも短い周期でその時点における処理水のｐＨ値に応じてＰＩ制御値（ホールド値）を補正しながら出力することで、きめ細かい制御を実行するものとなっている。
【００２４】
例えば図３（ａ）（ｂ）に処理水のｐＨ値の変化とｐＨ調整剤の注入量を増減する制御値との関係を模式的に示すように、或るサンプルタイミングｔ１において処理水のｐＨ値がその調整目標ｐＨ値に満たない場合には、ＰＩ制御の下でｐＨ調整剤の注入量を増加させるべく制御値を求め、このタイミングｔ１がサンプル値制御タイミングであるならば上記制御値をそのままポンプ３に出力している。この結果、処理水のｐＨ値が所定の時間遅れを以て次第に高くなる。そして次のタイミングｔ２において計測される処理水のｐＨ値を調べ、そのｐＨ値がその調整目標ｐＨ値に達していない場合には、このタイミングｔ２がサンプル値制御タイミングでないので、先に出力している制御値（ホールド値）をそのまま出力する。
【００２５】
しかる後、次のタイミングｔ３においては、処理水のｐＨ値が調整目標ｐＨ値に近付いており、このタイミングｔ３がサンプル値制御タイミングであることから、ｐＨ調整剤の注入量を減少させるべく新たな制御値を求める。そしてこの新たな制御値をポンプ３に与えると共に、この制御値をホールドする。そして次のタイミングｔ４においては、処理水のｐＨ値が調整目標ｐＨ値を越えており、サンプル値制御タイミングでないので上記ホールド値を低減補正して出力する。この制御値の低減補正により、時間遅れを伴う処理水のｐＨ値が過度に変化しないように抑制される。
【００２６】
そしてその次のタイミングｔ５においては、このタイミングｔ５がサンプル値制御タイミングであるので、そのときの処理水のｐＨ値に応じて新たな制御値を求め、これを出力する。以降、同様にして処理水のｐＨ値に応じて制御値を補正しながら、処理水のｐＨ値を制御する。
この結果、図３（ａ）に示すように処理水のｐＨ値の大きな変化を抑え、その調整目標ｐＨ値に逸早く収束させることが可能となる。特にｐＨ調整剤の注入量が過剰な場合にだけサンプリングＰＩ制御値を低減補正するので、ｐＨ調整剤の注入量が不足する状態を逸早く解消することができる。
【００２７】
かくして上述した如くして被処理水に対するｐＨ調整剤の注入量をフィードバック制御する自動注入装置によれば、処理水の流量や水質変化に応じてｐＨ調整剤の注入量をサンプル値ＰＩＤ制御の下で最適化制御するに際し、処理水のｐＨ値がその調整目標値を超えている場合には、その制御値を低減補正するので、ＰＩＤ制御の利点とオン／オフ制御の利点とを効果的に融合させることができる。即ち、サンプル値ＰＩＤ制御の下でｐＨ調整剤の注入量を最適化制御しながら、そのＰＩＤ制御値にオン／オフ制御の要素を取り入れてポンプ３の作動を制御するので、ＰＩＤ制御の制御ゲインを高くしても、その制御結果としての処理水のｐＨ値の揺らぎを効果的に抑えることができる。そして制御値のホールド期間に被処理水の流量や水質が急激に変化しても、上述した如く制御ゲインが高く設定されているので、その変化に素早く対応させることができる。この結果、流量や水質が不安定な水系においても、ｐＨ調整剤の注入量を最適化して被処理水のｐＨ値を効果的に調整することが可能となる。
【００２８】
尚、前述したＰＩ制御値を低減する低減補正係数については、その水系の仕様に応じて設定すれば良いものであるが、例えば流量が標準的に１０ｍ３／秒の被処理水を容量３０００ｍ３の処理槽１を用いてｐＨ調整する場合には、低減補正係数を５０〜８０％程度として設定すれば良い。より好ましくは実際の水処理設備におけるｐＨ調整効果に応じて、その低減補正係数を最適化調整するようにすれば良い。またここでは酸性の処理水を中和する例について説明したが、アルカリ性の処理水を中和する場合にも同様に適用することができ、中和処理することに代えて、被処理水を或るｐＨ値に調整する場合にも適用することができる。
【００２９】
また被処理水の種類やｐＨ調整剤の種類に応じて前述した制御条件（制御ゲインや低減補正係数等）を変えても良いことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、流量や水質の変化が激しい水系においても、ｐＨ調整剤の中流量の最適化を図って被処理水に対するｐＨ値を制御性良く調整することができる。しかもサンプル値ＰＩＤ制御の利点とオン／オフ制御の利点を活かして、流量や水質の変化に対して追従性の良いｐＨ調整を行うことができ、その実用的利点が多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るｐＨ調整剤の自動注入装置の要部概略構成図。
【図２】図１に示す自動注入装置における制御手順の一例を示す図。
【図３】本発明におけるｐＨ調整剤の注入制御による効果を説明する為の処理水のｐＨ値変化とその制御値との関係を模式的に示す図。
【符号の説明】
１  処理槽
２  ｐＨ調整剤槽
３  ポンプ
４  ｐＨ計
５  計算機
５ａ  ＰＩＤ制御機能
５ｂ  制御値補正機能
【図１】
2004216232.tif 000003
【図２】
2004216232.tif 000004
【図３】
2004216232.tif 000005