(57)【要約】【課題】ポンプ制御においてハンチングを生じない雨水ポンプの制御装置および制御方法を提供すること。【解決手段】所定流域における雨量および下水流入量に応じて排水路に排水するためのポンプ場に設置され、可変速ポンプを含む複数台のポンプ３０１ａ，３０１ｂ、およびポンプを動かすためのエンジン３０２、ならびにポンプ場から排水路への排水経路に設けられた水門を制御する装置および方法であって、ポンプ場の内水位および外水位を計測し、ポンプ場への流入量を計測し、流域の雨量を計測し、水位、流量および雨量それぞれの計測値を用いて天候モードを判定し、流量および雨量の計測値に基き、ポンプ場への流入量を予測し、予め設定されたポンプの起動・停止水位の補正を行い、流入量の計測値、および流入量予測値に応じてポンプ運転台数を決定し、可変速ポンプの速度を制御し、起動・停止水位の補正値に応じて水門３０３の開閉制御を行うことを特徴とする装置および方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定流域における雨量および下水流入量に応じて排水路に排水するためのポンプ場に設置され、可変速ポンプを少なくとも１台含む複数台のポンプ、および前記ポンプを動かすためのエンジン、ならびに前記ポンプ場から前記排水路への排水経路に設けられた水門を制御する装置であって、
前記ポンプ場の内水位および外水位を計測する水位計と、
前記ポンプ場への流入量を計測する流入量計と、
前記流域の雨量を計測する雨量計と、
前記水位計、流入量計および雨量計それぞれの計測値を用いて天候モードを判定する天候モード判定手段と、
前記流入量計および雨量計の計測値に基き、前記ポンプ場への流入量を予測する流入量予測手段と、
予め設定されたポンプの起動・停止水位の補正を行うポンプ起動・停止水位補正手段と、
前記流入量計の計測値、および前記流入量予測手段の出力に応じてポンプ運転台数を決定するポンプ運転台数制御手段と、
前記可変速ポンプの速度を制御する速度制御手段と、
前記起動・停止水位補正手段の出力に応じて前記水門の開閉制御を行う水門制御手段と、
をそなえたことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、
前記ポンプ起動・停止水位補正手段は、天候モード判定部で判定された天候モードに対応するファジー・ルール・テーブルを用いてポンプ井水位計により計測されたポンプ井水位を入力とし、ポンプ井水位とポンプ井水位の変化率との組合せによるファジー演算によりポンプの起動・停止水位補正値を求めることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の制御装置において、
前記ポンプ台数制御手段の中にポンプ運転台数補正部を有し、設定した条件下においては、内水位が起動水位に達してもあるいは停止水位に達しても新たにポンプの起動・停止を行わないようにしたことを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の制御装置において、
前記ポンプ運転台数制御手段は、数分ないし数１０分後までのポンプ場への流入量を予測する流入量予測機能を有し、天候モードにより降水量が多くないと判断された場合、現在時刻を起点にして一定時間後までの予測流入量を積分した値が閾値を超えない限りポンプの追加起動を行わず、また、天候モードにより降水量が少なくないと判断された場合、一定時間後までの予測流入量を積分した値が閾値を下回らない限り、運転中のポンプを停止しないことを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の制御装置において、
前記速度制御手段は、計測された流入量を目標値、ポンプ回転数を制御量、ポンプ揚水量を被制御量とし、前記流入量に前記ポンプ揚水量が追従するようにポンプの回転数を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項１記載の制御装置において、
流入量計測値の代替として、ポンプ場への流入量を演算する流入量推定部と、
前記流入量推定値の波形整形のためのフィルタと、
を備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項１記載の制御装置において、
流域に設置された雨量計の計測値の代替として、気象レーダにより広域的に観測され、インターネット、専用通信回線等を介して中央指令所から当該ポンプ場の制御装置に配信される雨量を用いたことを特徴とする制御装置。    
【請求項８】
所定流域における雨量および下水流入量に応じて排水路に排水するためのポンプ場に設置され、可変速ポンプを少なくとも１台含む複数台のポンプ、および前記ポンプを動かすためのエンジン、ならびに前記ポンプ場から前記排水路への排水経路に設けられた水門を制御する方法であって、
前記ポンプ場の内水位および外水位を計測し、
前記ポンプ場への流入量を計測し、
前記流域の雨量を計測し、
前記水位、流量および雨量それぞれの計測値を用いて天候モードを判定し、
前記流量および雨量の計測値に基き、前記ポンプ場への流入量を予測し、
予め設定されたポンプの起動・停止水位の補正を行い、
前記流入量の計測値、および前記流入量予測値に応じてポンプ運転台数を決定し、
前記可変速ポンプの速度を制御し、
前記起動・停止水位の補正値に応じて前記水門の開閉制御を行う
ことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、降雨による下水を排水するための雨水ポンプの制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、雨天時に下水道や排水路の水を河川などに排水するためのポンプを制御する方法では、ポンプ井などの水位計測値と設定水位とを比較し、予め決められた水位になったらポンプを起動したり停止したりする制御方法が最も普及している。
【０００３】
しかしながら、この方法では、例えば、水位が上昇してからポンプを起動するため、水位上昇に対してポンプ起動が遅れ、下水道管が満杯になったり、上流部分で水位が上昇したりして浸水被害が起きるおそれがある。
【０００４】
水位上昇を未然に防止するには、降雨状況や流入状況に応じて予め設定された雨水ポンプの起動・停止水位設定値を低く補正し、水位上昇を未然に防ぐように制御する方法がある。
【０００５】
補正手段としては、ファジー推論を適用した方法（例えば特許文献１）や、より多様な状況に対応するために、天候モードによってファジー推論のルール・テーブルを切換える手段を付加した方法（例えば特許文献２）がある。
【０００６】
その他、ポンプ場への流入量を予測し（例えば特許文献３）、雨量や流入量の実績値および予測値、ポンプ井水位、ポンプ起動回数や所要電力量などの評価関数により最適なポンプ群の運転組合せを決定する方法（例えば特許文献４）や、これらポンプの運転台数目標値を最適化し、かつポンプ水位によるフィードバック制御を行う方法およびそれらを組合せた方法（特許文献５）がある。
【特許文献１】特開平９−２９１８８８号公報
【特許文献２】特開平７−２５９１７５号公報
【特許文献３】特開平８−６１２４４号公報
【特許文献４】特開２０００−３２８６４２号公報
【特許文献５】特開２０００−５６８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２に示すような水位を基にしたポンプの起動・停止では、例えば運転ポンプの総吐出量が流入量より大きい場合、ポンプ起動→水位が急激に下降→ポンプ停止→水位が急激に上昇→ポンプ起動、といった不安定な起動・停止を繰返すハンチングが生じ易いという問題がある。
【０００８】
このハンチングは、ポンプ動力の無駄であるばかりでなく、機械の故障の要因ともなり得る。ハンチング回避のために、通常、ポンプの起動と停止にはヒステリシスを持たせているが、とくにポンプ井の容積が小さいポンプ場の場合にはハンチングが起き易い。一方、特許文献３のように、起動・停止回数を含む評価関数を最小化する解が得られれば、ハンチングは減衰することが期待できる。
【０００９】
しかし、現実には最適化問題が必ず解けるとは限らず、しかもフィードフォワードのみの制御は予測計算がうまく行かないときの危険が大きい。特許文献４記載の方法も、水位に基くポンプの起動・停止であり、上述の問題はほぼそのまま残る。
【００１０】
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、ポンプ制御においてハンチングを生じない雨水ポンプの制御装置および制御方法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】
【００１１】
上記目的達成のため、本発明では、次の２つの発明を提供する。
【００１２】
第１の発明は、
所定流域における雨量および下水流入量に応じて排水路に排水するためのポンプ場に設置され、可変速ポンプを少なくとも１台含む複数台のポンプ、および前記ポンプを動かすためのエンジン、ならびに前記ポンプ場から前記排水路への排水経路に設けられた水門を制御する装置であって、
前記ポンプ場の内水位および外水位を計測する水位計と、
前記ポンプ場への流入量を計測する流入量計と、
前記流域の雨量を計測する雨量計と、
前記水位計、流入量計および雨量計それぞれの計測値を用いて天候モードを判定する天候モード判定手段と、
前記流入量計および雨量計の計測値に基き、前記ポンプ場への流入量を予測する流入量予測手段と、
予め設定されたポンプの起動・停止水位の補正を行うポンプ起動・停止水位補正手段と、
前記流入量計の計測値、および前記流入量予測手段の出力に応じてポンプ運転台数を決定するポンプ運転台数制御手段と、
前記可変速ポンプの速度を制御する速度制御手段と、
前記起動・停止水位補正手段の出力に応じて前記水門の開閉制御を行う水門制御手段と、
をそなえたことを特徴とする。
【００１３】
また、第２の発明は、
所定流域における雨量および下水流入量に応じて排水路に排水するためのポンプ場に設置され、可変速ポンプを少なくとも１台含む複数台のポンプ、および前記ポンプを動かすためのエンジン、ならびに前記ポンプ場から前記排水路への排水経路に設けられた水門を制御する方法であって、
前記ポンプ場の内水位および外水位を計測し、
前記ポンプ場への流入量を計測し、
前記流域の雨量を計測し、
前記水位、流量および雨量それぞれの計測値を用いて天候モードを判定し、
前記流量および雨量の計測値に基き、前記ポンプ場への流入量を予測し、
予め設定されたポンプの起動・停止水位の補正を行い、
前記流入量の計測値、および前記流入量予測値に応じてポンプ運転台数を決定し、
前記可変速ポンプの速度を制御し、
前記起動・停止水位の補正値に応じて前記水門の開閉制御を行う
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のように、下水の流入状況に応じてポンプの起動水位、ポンプの運転台数に必要な可変速ポンプの制御を行うため、制御のハンチングを抑制しつつ排水制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１は、実施例１の構成を示すブロック線図である。図２は、実施例１の制御装置２００の制御対象である機器を示す模式図である。対象プロセスは、下水道および排水路の水を河川などに排水するためのポンプ場の排水ポンプ３０１（３０１ａ，３０１ｂ）と、ポンプを動かすためのエンジン３０２と、河川から下水道または排水路への逆流を防ぐ水門３０３と、をそなえる。
【００１７】
排水ポンプ３０１ａ，３０１ｂのうち少なくとも１台のポンプ３０１ｂは、可変速運転できるものとする。また、制御装置２００は、ポンプ場の内水位および外水位を計測する水位計１０３，１０４と、ポンプ場への流入量と計測する流入量計１０２と、流域に設置された雨量計１０１の計測値を取り込むことが可能となっている。制御装置２００は、プログラマブル・ロジック・コントローラまたはそれに相当する計算機として実現される。
【００１８】
次に作用を説明する。実施例１における特徴的な作用の一つは、起動・停止水位補正部２０３において、流入状況に応じて水位設定部２０４によって予め設定した起動水位、停止水位を補正し、ポンプ台数制御部２０５において、補正された起動水位または停止水位の設定値と内水位計１０３により計測した水位計測値とをポンプ台数制御部２０５ａが比較して、ポンプの台数制御を実施する点である。
【００１９】
天候モード判定部２０２（図１）での天候モード判定、起動・停止水位補正部２０３（図１）での起動・停止水位補正による起動水位、停止水位の補正、およびポンプ台数制御部２０５（図１）によるポンプ台数制御の手順は、次の手法によって実現している。
【００２０】
図３に、その手法を示す。すなわち、天候モード判定手段２０２で判定された天候モード（大雨モード、豪雨モード）に対応するファジー・ルール・テーブル（起動水位補正ルールテーブル２０３ａ、停止水位補正ルールテーブル２０３ｂ）を用いて、内水位計１０３により計測されたポンプ井水位を入力とし、ポンプ井水位とポンプ井水位変化率との組合せによるファジー演算により、雨水ポンプの起動水位補正値および停止水位補正値を求める。
【００２１】
そして、この補正値を予め設定された起動水位設定値または停止水位設定値に加算して新たな起動水位、停止水位としている（特許文献１参照）。
【００２２】
図４に、上記ファジー・ルール・テーブルの一例を示す。ファジー・ルールは、ポンプ井水位が高い状態（縦軸がＰＢ側）にあるほど、出力側（補正値）が負の方向に大きく、すなわち設定水位が低くなるように設計されている。
【００２３】
また、ポンプ井水位変化が増加傾向にある、すなわち横軸でＰＢ側にあるほど設定水位が低くなるように設計されている。ファジー数から数値への変換は、公知のＭＩＮ−ＭＡＸ−重心法を用いている。
【００２４】
実施例１の特徴の２つ目は、ポンプ台数制御部２０５の中に比較部２０５ａおよびポンプ運転台数補正部２０５ｂを付加し、設定した条件下においては、内水位計１０３の計測値が起動水位に達しても、または停止水位に達しても新たにポンプの起動・停止を行わないようにした点である。
【００２５】
図５は、実施例１におけるポンプ運転台数補正手段の動作内容を示したフローチャートである。ステップＳ１１で天候モードが大雨でない場合、現在時刻を起点にして一定時間後までの予測流入量を積分した値が閾値を超えない限り、ポンプの追加起動を行わない（ステップＳ１２）。
【００２６】
また、逆にステップＳ２１で天候モードが大雨の場合、一定時間後までの予測流入量を積分した値が閾値を下回らない限り、運転ポンプの停止を行わない（ステップＳ２２）。
【００２７】
流入量を予測するための具体的手段は、一例を挙げれば、レーダ雨量計および地上雨量計を用いて得た雨量データから降雨移動予測を行い、この予測結果に基づき、数１０分後までの降雨量を予測計算する手法がある（特許文献５など参照）。
【００２８】
図６は、本発明の実施例１の特徴の３つ目を示しており、計測された流入量にポンプ揚水量が追従するように、可変速ポンプの回転数制御を実施する点にある。
【００２９】
ポンプ揚水量は、通常計測されていないことを考慮し、まずは揚水量を計算する。揚水量がセンサにより計測されている場合、計測値を利用すればよい。揚水量は、内水位計１０３と外水位計１０４との計測水位の差である実揚程と、ポンプの回転数により変わるポンプ特性曲線、ポンプ周りの損失を考慮して計算される。
【００３０】
実施例１では、回転数制御手段として流入量を目標値、ポンプ回転数を制御量、ポンプ揚水量を被制御量とした公知のＰＩＤ制御部２０６ｂを用いている。出力される回転数を意味する信号は、個々の可変速ポンプ３０１ｂによりそれらに付属する調速器により回転数に変換される。
【００３１】
なお、水門制御部２０７は、外水位計１０４の計測水位が内水位計１０３の計測水位より高くなる場合に水門３０３を閉めて逆流を防ぐ。
【００３２】
実施例１によれば、流入量計１０２の計測水位が急激に増加し、かつ内水位計１０３の計測水位が急上昇した場合、起動水位、停止水位の補正によりポンプの起動水位を低目に補正する。このため、ポンプが早く起動し、起動・停止設定水位を固定する制御方法と比較して、浸水に繋がる水位の急上昇を緩和することができる。
【００３３】
また、雨量計１０１および流入量計１０２の計測値に基き、流入量予測部２０１での流入量予測による予測結果を得て、ポンプ運転台数補正部２０５ｂによるポンプ運転台数の補正を行う。
【００３４】
この補正により、瞬時的な水位変動によらず将来の流入量の増減を見越してポンプを起動するか停止するかの判断を適切に行う。これにより、ポンプのハンチングを抑制することが可能となる。
【００３５】
さらに、上記以外の手法として、ポンプ速度制御部２０６によって流入量に応じた可変速ポンプ３０１ｂの速度制御を行うことで、ポンプ運転台数の変更回数を減らすことができ、ハンチング抑制効果がより顕著となる。
【００３６】
ポンプ速度制御部２０６は、揚水量演算部２０６ａおよびＰＩＤ制御部２０６ｂを有する。そして、揚水量演算部２０６ａは、ポンプ台数制御部２０５の出力、ならびに内水位計１０３、外水位計１０４の計測値が与えられて揚水量を演算し、被制御量としてＰＩＤ制御部２０６ｂに与える。
【００３７】
ＰＩＤ制御部２０６ｂは、揚水量演算部２０６ａから与えられた被制御量を、流入量計１０２から与えられる目標値と比較して調速器３０５を操作し、可変速ポンプ３０１ｂの回転数を制御する。
【００３８】
その際、流入量計１０２の計測値を目標値とすることにより、例えば水位設定値などを目標値とした間接的な可変速制御と比較して、即応性および安定性のよい制御を行うことができる。
【００３９】
（実施例２）
図７ないし図９を参照して、本発明の実施例２を説明する。実施例１と同一要素には、同一符号を付してある。
【００４０】
図７は、本発明の実施例２が制御対象とする機器を示す説明図である。実施例１との相違点は、ポンプ場への流入量を計測する流入量計が利用できない点である。
【００４１】
図８は、制御装置の機能構成を示すブロック線図である。実施例１との相違点は、流入量の計測値を用いる替わりに、流入量を推定するための演算ブロックと推定した流入量の波形を整形するためのフィルタを付加した点である。
【００４２】
実施例２に付加した流入量推定部の作用は、次の通りである。流入量推定部では、内水位およびポンプ揚水量から、下記数式１の演算式により流入量を計算する。推定した流入量に顕著なノイズが載る場合がある。
【００４３】
図９は、フィルタによるノイズ除去の手法を示している。実施例２では、フィルタの具体的な実現方法として、下記数式２のように移動平均化処理を行っている。
【００４４】
この実施例２によれば、流入量計による流入量計測ができなくても実施例１と同様の効果を得ることができる。
【数１】
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【００４５】
（実施例３）
図１０は、本発明の実施例３の制御装置が対象とするプロセスの模式図である。実施例１との相違点は、制御装置が気象レーダ１１により広域的に観測され、インターネット、専用通信回線等を介して、中央指令所１０から当該ポンプ場１２の制御装置に配信される雨量を用いている点である。
【００４６】
実施例３によれば、実施例１と同様の効果を得るに当って流域の何処かに雨量計を設置する必要がないので、多数の雨量計の設置および維持管理の手間を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例１の構成を示す説明図。
【図２】本発明の実施例１が対象とするプロセスの模式図。
【図３】本発明の実施例１における起動・水位補正のための手法を示す説明図。
【図４】本発明の実施例１における起動・水位補正に使用するファジー・ルール・テーブルの例を示す説明図。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１におけるポンプ運転台数補正手段の動作を示すフローチャート。
【図６】本発明の実施例１における回転数制御の動作内容を示す特性図。
【図７】本発明の実施例１における制御対象を示す説明図。
【図８】本発明の実施例２の構成を示すブロック線図。
【図９】本発明の実施例２におけるフィルタの動作を示す特性図。
【図１０】本発明の実施例３における制御対象を示す模式図。
【符号の説明】
【００４８】
１０  中央指令所、１１  気象レーダ、１２  ポンプ場、１０１  雨量計、
１０２  流入量計、１０３  内水位計、１０４  外水位計、２００  制御装置、
２０１  流入量予測手段、２０２  天候モード判定部、
２０３  起動・停止水位補正部、２０３ａ  起動水位補正ルールテーブル、
２０３ｂ  停止水位補正ルールテーブル、２０４  水位設定部、
２０５  ポンプ台数制御部、２０５ａ  比較部、
２０５ｂ  ポンプ運転台数補正部、２０６  ポンプ速度制御部、
２０６ａ  揚水量演算部、２０６ｂ  ＰＩＤ制御部、２０７  水門制御部、
３０１ａ  排水ポンプ、３０１ｂ  可変速ポンプ、３０２  エンジン、
３０３  水門。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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