JPH0123678B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、可変速可能なモートルで駆動するポ
ンプ給水装置、特に、マイクロコンピユータを使
用してデイジタル制御を行つ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トルで駆動するポ
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、３，６は仕切弁、４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は可変速モートルである。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（電流又は電圧）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を取つて示す。曲線ａはポ
ンプ４の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ｂ，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ツク図であり、比
例積分回路PIDは誤差増幅器OP、比例回路Ｐ、
積分回路Ｉ、加算器Ａより成る。また、CTLは
可変速モートル９を変速運転するための制御装置
を示す。

第４図は比例積分回路PIDのタイムチヤートを
示すもので、これに沿つて動作説明をする。第１
図〜第４図に於いて、いま使用水量がQ₀のとき
ポンプ４は回転速度N₂でポンプ性能曲線Ｃ上の
O₁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に減ずると運転点はO₂へ移
動し、給水管７内の圧力はH₁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８の発する電気信号（たと
えばE₁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E₀とする）この偏差ES（E₀−
E₁）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Ｉにかけ、比
例回路Ｐと積分回路Ｉの出力信号EP，EIを加算
器Ａで加算し、この信号EP＋EIを制御信号とし
て可変速モートル９の制御装置CTL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E₁は目標圧力H₀に対応する目標
値である電気信号E₀より大であり、両者の偏差
ES＝（E₀−E₁）は負となる。このため制御信号
EP＋EIは小さくなつて、ポンプ４及び可変速モ
ートル９の速度は減じてゆく。前記偏差ES＝（E₀
−E₁）が０になると、制御信号EP＋EI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トル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O₂からO₃へ移動し、
目標圧力H₀を一定に保つ。又、使用水量が増加
し、Q₄となつた場合も前述と同様に、運転点が
Ｏに移動し、給水管７内の圧力が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E₁を発し、目標値との偏差ES（E₀−E₁）が
０となるように可変速モートル９を変速する。
尚、この場合偏差ESは正であるので、増速して
回転数はN₅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O₅へ移
動し、目標圧力はH₀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
あつた。

(1) 可変速モート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
御のオフセツトを小さくするために比例積分回
路PIDが必要であつた。

(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
整部分が多く、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つて
おり、これも応答性の向上に反するものであつ
た。

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、ウオー
タハンマあるいはチヤタリングの発生防止のため
の制御ステツプ（従来のPID回路に相当）が必要
になる。この制御ステツ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つてたど
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つてしま
う。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、吐出し圧力をほぼ一定に保つ
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、マイクロコンピユータ等のデイジタ
ル処理によつ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合からの帰環検出圧
力との偏差を求め、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
の指令速度差によつてポンプ変速を行わしめるよ
うにしたものである。

さ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つてゆくのに、給水
管に設けた圧力センサーによつて給水管内の圧力
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エースを介してマイクロコン
ピユーターに読込み、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
差を演算して求め、この指令速度差のデータを記
憶すると共に、マイクロコンピユーターの出力装
置より、その初期回転速度のデータをインターフ
エースを介して制御信号に変換し、可変速モート
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つて指令速度差
を演算して求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エース
を介して可変速モート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、本発明の実施例を説明する。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、MCBは主回路用にしや断器、MCは電接接
触器のコイル、Mcaはその接点、INVは可変速
モートル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の駆動用モートルの
回転速度を変える手段としては一次電圧制御・う
ず電流継手、他の変速制御装置でも良い）。４９
は過負荷防止用のサーマルリレー、μconは中央
演算処理CPU（以下CPUと略す。）メモリＭ、電
流端子Ｅ、入出力ポートPIAa，PIAb，PIAcな
どより構成されるマイクロコンピユーター、F₁，
F₂はそれぞれ16進数などのデイジタル信号をア
ナログ信号に変換したり、アナログ信号をデイジ
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エースである。

前記マイクロコンピユーターμconの入出力ポ
ートPIAaはインターフエースF₁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７内
の圧力を検出し、μconの内部メモリに読み込む。
このポートPIAa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つ
てなす。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０又は所定のデツド
バリユーであるしきい値内になつた時、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、この収束までにあつて
はサンプリング周期△ｔ（第８図のステツプ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。この収速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まれ、
偏差の算出用の検出圧力となる。また、前記マイ
クロコンピユーターμconの入出力ポートPIAbは
インターフエースF₂を介して変速指令信号を可
変周波インバーター装置INVへ送るように接続
構成してある。CTLはトランス、電源ユニツト
Ｚ、始動、停止スイツチSS、電磁接触器MC、ト
ランジスタ−Tr、リレーＸから成る制御回路を
示す。前記制御装置CTLに於いて、遮断器MCB
を投入し、始動・停止スイツチSSを閉じるとト
ランスＴを介して電源ユニツト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ユーター
μcon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に圧力変化とそ
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H₀、運転速
度をＮ、使用水量をQ₀、この時のポンプのＱ−
Ｈ性能曲線をイとする。

この状態で、使用水量がQ₀からQ₁へ増加した
とすると、ポンプの運転点はＯからO₁へ移り、
圧力は−△H₁だけ低下する。又、この時の吐出
し圧力をH₀に保つために速度がＮよりN₁へ増加
する。この時の変化は＋△H₁である。同様に、
使用水量がQ₂、Q₃、Q₄へ変化すると圧力差はそ
れぞれ、−△H₂、＋△H₃、＋△H₄と変化し、速度
はそれぞれ、＋△N₂、−△N₃、−△₄と変化する。

以上の関係を、横軸に目標圧力H₀と検出圧力
との圧力差△Ｈ、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△Ｎを取つて示
すと第７図の通りとなる。即ち、この速度差△Ｎ
と圧力差△Ｈとの関係は曲線Ａ（２次曲線）とな
り、 △Ｎ＝ｆ（△Ｈ） ………(1) で与えられる。

さらに(1)式は圧力差△Ｈが小さいｉ、ｊの間で
は比例関係にある。このことは換言すると、圧力
差を求めて(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段を示すフロ
ーチヤートである。これらの図面によりさらに詳
しく説明すると、マイクロコンピユーターμcon
のメモリＭには第８図にフローチヤートに従つて
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、ステツプ１で初期値の設定を次の通り行
なう。

メモリM₁……初期回転数Ninのデータ、 メモリM₂……最低速度Nminのデータ、 メモリM₃……最高速度Nmaxデータ、 メモリM₄……今運転している速度Nxのデー
タ、 メモリM₅……目標圧力H₀のデータ、 メモリM₆……電磁接触器MC、ONのデータ ステツプ２でM₆の電磁接触器MCのONデータ
をアキユムレータ（ACC）Ａに移す。ステツプ
３では、このACC−Ａの内容を出力ポートPIAC
に移し、出力ポートPIACはこのONデータをも
とに第５図のトランジスタTrをONする。つま
り、ポートOUTAの最下位ビツト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MCが付勢しその
接点Mcaが閉路するものである。

次はステツプ４でM₁に格納の初期回転数のデ
ータをACC−Ａにロートする。ステツプ６で入
出力ポートPIAbにACC−Ａ内のデータを送出
し、インターフエースF₂を介して可変速モート
ルの制御装置である可変周波インバータ装置
INVへ出力する。尚この時、ステツプ５でACC
−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トルは初期速
度で運転を始める。この後、ステツプ８で圧力セ
ンサー８の検出した信号をインターフエースF₁
を介してμconの入出力ポートPIAaに読込みACC
−Ａにロードする。

ステツプ７ではM₅に格納の目標圧力H₀のデー
タをACC−Ｂに転送し、そしてステツプ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H₀よりａ以上大きい場合には
ステツプ10へ進み、ステツプ10ではM₄の格納値
である。現在の運転速度NxをACC−Ａに移す。
ステツプ11ではM₂の格納値であるポンプ最低速
度NminをACC−Ｂに移す。ステツプ12では今運
転している速度Nxが最低速度Mmin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、今運転
している速度が最低速度Nmin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をポート
PIAaを介してμcon内のメモリに読込み、そして
14ステツプで、この読込んだ圧力データと目標圧
力H₀との偏差を求め、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求める。尚、ａ
はデツドバリユー、即ち不感帯（デツドバンド）
となるしきい値を示し、このａ内に偏差があつた
時には、目標圧力に収束できたとみなし、変速指
令は出さず、ステツプ26に移る。

次に15ステツプで今運転している速度データよ
り14ステツプで求めた指令速度差のデーターを減
じた後ACC−Ａに移し、更に16ステツプでACC
−Ａにラツ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）した速度データをμconの入出力
ポーPIAbより可変速制御手段INVへ出力、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を繰返し実行する。
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、可変速モートル９
及びポンプ４の回転速度が第６図に示すＮで、圧
力H₀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
Q₃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O₃に移動し、給水管内７の圧力が
H₃に達すると、圧力センサー８はこれを検知し
て、電気信号を発生する。この圧力H₃と目標圧
力H₀との差は＋△H₃であり、前述した(1)式より
速度差△Ｎを求めると−△N₃となり、今運転し
ている速度Ｎより△N₃を減じてＮ−△N₃の速度
指令を発する。この結果、速度はN₃（＝Ｎ−△
N₃）となり運転点はO₃よりO₅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H₀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。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、圧力差を求め、(1)式により指令速度差を演算
し、今後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26ステツプへ進み、この後ステツプへもど
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ｉ、ｊの範
囲内は △Ｎ＝Ｋ・△Ｈ ………(2) ここでＫ：比例定数（直線の傾き）である。

で与えられるので、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、本実施例の図面第８図マイクロコンピユー
ターの命令系を「8080」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。

以上のように本実施例によれば可変速モートル
の速度指令用の比例積分回路PID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△Ｎ、及び待
ち時間ｔを適当に決めることによつて目標圧力に
対するオフセツトを小さくし、応答性をよくする
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。

また、暴走防止のため最小回転速度Nmin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、可変速モートルの制御装置に
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ユーター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
バーシユートが小さくなる。

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
運転に先立つてマイクロコンピユーター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入力す
る制御ステツ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、デイジタル方
式、特にマイクロコンピユータによつてポンプ給
水制御を行つていること、及びPID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つて変速ポンプ運転を行わせ
たことの故に、対応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ためのブロツク図、第
４図は従来装置の制御特性を説明するためのタイ
ミング図、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ツク図、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ためのフロー
チヤートである。 ４……ポンプ、７……給水管路、８……圧力セ
ンサー、INV……可変周波インバータ装置、H₀
……目標圧力。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   運転速度に収束すべく上記圧力センサの検出圧力
   を所定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
   指令速度差との関係から圧力偏差対応の指令速度
   差を算出する圧力偏差一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
   によつ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 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
   べく上記指令速度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 上記関数は、圧力偏差が正の時には負の指令
   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。 ４ 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。