特開 2023-80883 雨水排水ポンプ制御装置、雨水排水システム、雨水排水方法、およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023080883

(43)【公開日】2023-06-09

(54)【発明の名称】雨水排水ポンプ制御装置、雨水排水システム、雨水排水方法、およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   F04B 49/06 20060101AFI20230602BHJP

   E03F 5/22 20060101ALI20230602BHJP

   F04D 15/00 20060101ALI20230602BHJP

【ＦＩ】

F04B49/06 321A

E03F5/22

F04B49/06 321B

F04D15/00 H

F04D15/00 G

F04D15/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021194432

(22)【出願日】2021-11-30

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】時本 寛幸

(72)【発明者】

【氏名】山中 理

(72)【発明者】

【氏名】鳴海 啓太

(72)【発明者】

【氏名】平岡 由紀夫

【テーマコード（参考）】

2D063

3H020

3H145

【Ｆターム（参考）】

2D063DC06

3H020AA05

3H020BA06

3H020BA14

3H020BA21

3H020CA04

3H020CA07

3H020DA04

3H020DA22

3H020EA04

3H020EA12

3H145AA12

3H145AA16

3H145AA23

3H145AA42

3H145BA19

3H145BA35

3H145BA41

3H145CA09

3H145CA14

3H145DA05

3H145DA36

3H145EA15

3H145EA38

(57)【要約】

【課題】 排水ポンプの起動と停止を効率的に行えるようにすること。
【解決手段】 実施形態の雨水排水ポンプ制御装置は、雨水排水施設内のポンプ井に設置される可変速の排水ポンプを起動させる水位を示す第１の起動水位および停止させる水位を示す第１の停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、前記第１の起動水位および前記第１の停止水位に従って前記可変速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行う可変速ポンプ動的制御部を具備する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

雨水排水施設内のポンプ井に設置される可変速の排水ポンプを起動させる水位を示す第１の起動水位および停止させる水位を示す第１の停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、前記第１の起動水位および前記第１の停止水位に従って前記可変速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行う可変速ポンプ動的制御部を具備する、雨水排水ポンプ制御装置。

【請求項2】

前記ポンプ井の水位目標値と現在水位との偏差に応じて、前記可変速の排水ポンプに対する流量指令値に相当するポンプ流量を演算するポンプ流量演算部を更に具備し、
前記可変速ポンプ動的制御部は、前記ポンプ流量に従って前記可変速の排水ポンプの実流量を決定する、
請求項１に記載の雨水排水ポンプ制御装置。

【請求項3】

前記ポンプ井に設置される固定速の排水ポンプを起動させる水位を示す第２の起動水位および停止させる水位を示す第２の停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の前記流入量予測値に応じて変動させ、前記第２の起動水位および前記第２の停止水位に従って前記固定速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行う固定速ポンプ動的制御部を更に具備する、
請求項１又は２に記載の雨水排水ポンプ制御装置。

【請求項4】

前記可変速ポンプ動的制御部および前記固定速ポンプ動的制御部は、一部の機能が共通化されている、
請求項３に記載の雨水排水ポンプ制御装置。

【請求項5】

雨水排水施設内のポンプ井に設置される可変速の排水ポンプおよび固定速の排水ポンプと、
前記可変速の排水ポンプを起動させる水位を示す第１の起動水位および停止させる水位を示す第１の停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、前記第１の起動水位および前記第１の停止水位に従って前記可変速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行う可変速ポンプ動的制御部と、
前記固定速の排水ポンプを起動させる水位を示す第２の起動水位および停止させる水位を示す第２の停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の前記流入量予測値に応じて変動させ、前記第２の起動水位および前記第２の停止水位に従って前記固定速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行う固定速ポンプ動的制御部と
具備する、雨水排水システム。

【請求項6】

可変速ポンプ動的制御部により、雨水排水施設内のポンプ井に設置される可変速の排水ポンプを起動させる水位を示す起動水位および停止させる水位を示す停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、前記起動水位および前記停止水位に従って前記可変速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行うことを含む、雨水排水方法。

【請求項7】

コンピュータに、
雨水排水施設内のポンプ井に設置される可変速の排水ポンプを起動させる水位を示す起動水位および停止させる水位を示す停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、前記起動水位および前記停止水位に従って前記可変速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行う機能を実現させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、雨水排水ポンプ制御装置、雨水排水システム、雨水排水方法、およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年増加する集中豪雨や局所的な大雨（いわゆるゲリラ豪雨）による浸水被害を回避するため、雨水対策が求められている。この状況に対して、国土交通省は、雨水幹線等の浸水対策施設の整備などのハード対策に加えて、雨量情報等の観測データの活用といったソフト対策（ソフトウェア面での対策）による浸水対策事業を推進している。このような背景のもと、これまでに、ソフト対策として、雨水排水施設であるポンプ場内で雨水を貯蔵するポンプ井への雨水流入量の予測に基づく排水ポンプ動的制御技術（「雨水ポンプダイナミック制御技術」ともいう。）が開発されてきた。

【0003】

排水ポンプ動的制御技術は、ポンプ場内のポンプ井へ流入する雨水の流入量を予測し、予測した雨水流入量予測値に応じて、排水ポンプの起動水位および停止水位を可変にし、その変化する起動水位および停止水位に従って、排水ポンプの起動と停止を効率的に行う技術である。この技術により、浸水リスクの抑制やポンプの起動停止回数の低減が見込まれる。

【0004】

一方、一部の地方自治体では、従来の排水ポンプ制御である、ポンプ井水位を見ながら、排水ポンプごとにあらかじめ定められた設定水位により起動や停止を行う水位設定制御を採用していることから、ポンプのチャタリング（不必要なポンプの起動・停止）が発生し、ポンプの起動停止回数が増加する、といった問題がある。これに対し、上述の排水ポンプ動的制御技術を適用することで、浸水リスクを抑制しつつポンプ起動停止回数を低減することが可能であるが、適用対象は、固定速ポンプを採用する雨水排水施設に限られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６２６１９６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、固定速ポンプを採用する雨水排水施設のほか、可変速ポンプを採用する雨水排水施設も増えつつある。こうしたことから、可変速ポンプを採用する雨水排水施設においても、排水ポンプの起動と停止を効率的に行い、浸水リスクの抑制やポンプの起動停止回数の低減を図れるようにすることが望まれる。

【0007】

発明が解決しようとする課題は、排水ポンプの起動と停止を効率的に行うことを可能にする、雨水排水ポンプ制御装置、雨水排水システム、雨水排水方法、およびプログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態の雨水排水ポンプ制御装置は、雨水排水施設内のポンプ井に設置される可変速の排水ポンプを起動させる水位を示す第１の起動水位および停止させる水位を示す第１の停止水位を、前記ポンプ井へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、前記第１の起動水位および前記第１の停止水位に従って前記可変速の排水ポンプの実流量を決定する制御を行う可変速ポンプ動的制御部を具備する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る雨水排水システムの構成の一例を示す図。

【図2】ポンプ実流量制御部５の構成の一例を示す図。

【図3】可変速ポンプ動的制御部２１Ａおよび固定速ポンプ動的制御部２１Ｂの一部の機能が共通化された構成の一例を示す図。

【図4】雨水排水ポンプ制御装置１０による動作の一例を示すフローチャート。

【図5】図４に示される動作をより詳細にした処理手順の一例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

【0011】

（システムの構成）
図１に、実施形態に係る雨水排水システムの構成の一例を示す。

【0012】

実施形態の雨水排水システムが適用される雨水排水施設内（ポンプ場内）には、雨水を貯蔵するポンプ井１００が設けられる。ポンプ井１００には、可変速の排水ポンプ１０１（以下、「可変速ポンプ１０１」と呼ぶ）および固定速の排水ポンプ１０２（以下、「固定速ポンプ１０２」と呼ぶ）が設置される。また、ポンプ井１００には、雨水が流入する雨水流入部１０３、および、ポンプ井１００の現在水位を計測する水位計１０４が備えられる。計測された現在水位のデータは、後述する雨水排水ポンプ制御装置１０（以下、「ポンプ制御装置１０」と略称する場合がある）へ送られる。

【0013】

実施形態の雨水排水システムは、雨水排水ポンプ制御装置１０、可変速ポンプ１０１、固定速ポンプ１０２、水位計１０４等を含む。

【0014】

（雨水排水ポンプ制御装置１０の構成）
雨水排水ポンプ制御装置１０は、例えばコンピュータとして構成される。雨水排水ポンプ制御装置１０に備えられる各種の機能は、コンピュータに実現させるためのプログラムとして構築される。

【0015】

（可変速ポンプ１０１の動作を制御する機能）
雨水排水ポンプ制御装置１０は、可変速ポンプ１０１の動作を制御する機能として、演算部１、ポンプ流量演算部２、および可変速ポンプ動的制御部２１Ａを有する。なお、演算部１およびポンプ流量演算部２は、可変速ポンプ動的制御部２１Ａに含まれるように構成されてもよい。

【0016】

可変速ポンプ動的制御部２１Ａは、排水ポンプ動的制御技術（雨水ポンプダイナミック制御技術）を用いて構築された機能である。可変速ポンプ動的制御部２１Ａは、可変速ポンプ１０１を起動させる水位を示す第１の起動水位および停止させる水位を示す第１の停止水位を、ポンプ井１００へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、第１の起動水位および第１の停止水位に従って可変速ポンプ１０１の実流量を決定する制御を行う。ここでいう実流量とは、可変速ポンプ１０１の制御に実際に適用される流量を指し、当該流量を決定する過程で使用されるポンプ流量（後述）とは区別される。可変速ポンプ動的制御部２１Ａでの具体的な制御は、例えば特許第６２６１９６０号公報に記載される手法を用いて実現してもよい。

【0017】

演算部１は、ポンプ井１００の水位目標値と現在水位との偏差を出力する。ポンプ流量演算部２は、ポンプ井１００の水位目標値と現在水位との偏差に応じて、可変速ポンプ１０１に対する流量指令値に相当するポンプ流量を演算する。

【0018】

具体的には、ポンプ流量演算部２は、ポンプ井１００の水位目標値とポンプ井１００に設置された水位計１０４により計測されたポンプ井１００の現在水位とに基づき、式（１）のＰＩ制御により可変速ポンプ１０１の流量（ポンプ流量）を演算する。

【0019】

ＭＶ＝Ｋ_ｐ（ｅ＋１／Ｔ_I∫ｅdt） ・・・式（１）
ここで、式（１）中の各パラメータは、次のように定義される。

【0020】

ｅ：偏差（本例では、水位目標値－現在水位）
ＭＶ：操作信号（本例では、ポンプ流量）
Ｋ_ｐ：比例ゲイン
Ｔ_I：積分時間
なお、式（１）の偏差ｅの計算では、ポンプ井１００の水位目標値は、流入量予測値を用いて決定されてもよい。例えば、流入量予測値が大きい場合は、式（１）の偏差ｅにおいて、ポンプ井１００の水位目標値を低く、流入量予測値が少ない場合は、式（１）の偏差ｅにおいて、ポンプ井１００の水位目標値を高くする。なお、ポンプ井１００の水位目標値の決定は、この例に限らず、別の手法を用いて決定してもよい。

【0021】

可変速ポンプ動的制御部２１Ａは、ポンプ流量に従って可変速ポンプ１０１の実流量を決定し、決定した実流量でポンプ井１００内の雨水が排出されるように（またはその排出が停止されるように）可変速ポンプ１０１を制御する。

【0022】

可変速ポンプ動的制御部２１Ａは、ポンプ起動停止水位設定部（第１のポンプ起動停止水位設定部）３Ａ、ポンプ起動停止指令決定部（第１のポンプ起動停止指令決定部）４Ａ、およびポンプ実流量制御部（第１のポンプ実流量制御部）５を含む。図２に、ポンプ実流量制御部５の構成の一例を示す。ポンプ実流量制御部５は、ポンプ実流量決定部１１およびポンプ運転部１２を含む。

【0023】

ポンプ起動停止水位設定部３Ａは、流入量予測値を用いて、第１の起動水位および第１の停止水位を設定する。

【0024】

ポンプ起動停止指令決定部４Ａは、第１の起動水位および第１の停止水位のそれぞれと現在水位とを比較し、比較した結果に応じて可変速ポンプ１０１を起動するか停止するかを決定し、起動または停止を示すポンプ起動停止指令を出力する。例えば、現在水位が第１の起動水位以上であれば、可変速ポンプ１０１を起動すると決定し、一方、現在水位が第１の停止水位以下であれば、可変速ポンプ１０１を停止すると決定する。

【0025】

ポンプ実流量制御部５は、ポンプ起動停止指令に従い、ポンプ流量に応じた実流量でポンプ井１００内の雨水が排出されるように（またはその排出が停止されるように）可変速ポンプ１０１を制御する。すなわち、ポンプ実流量制御部５は、ポンプ起動停止指令決定部４Ａで決定したポンプ起動停止指令に応じて、可変速ポンプ１０１を起動する場合は、ポンプ流量演算部２で演算したポンプ流量を、可変速ポンプ１０１を停止する場合は、流量０m³/sを、ポンプ実流量として決定する。この決定は、図２中のポンプ実流量決定部１１により行われる。これにより、ポンプ実流量制御部５で決定したポンプ実流量で可変速ポンプ１０１が運転され、雨水流入部１０３からポンプ井１００へ流入し、ポンプ井１００に貯留している雨水が河川へ排水される。上記運転は、図２中のポンプ運転部１２により行われる。

【0026】

（固定速ポンプ１０２の動作を制御する機能）
また、雨水排水ポンプ制御装置１０は、固定速ポンプ１０２の動作を制御する機能として、固定速ポンプ動的制御部２１Ｂを有する。

【0027】

固定速ポンプ動的制御部２１Ｂは、排水ポンプ動的制御技術（雨水ポンプダイナミック制御技術）を用いて構築された機能である。固定速ポンプ動的制御部２１Ｂは、固定速ポンプ１０２を起動させる水位を示す第２の起動水位および停止させる水位を示す第２の停止水位を、ポンプ井１００へ流入する雨水の流入量予測値に応じて変動させ、第２の起動水位および第２の停止水位に従って固定速ポンプ１０２の実流量を決定する制御を行う。ここでいう実流量とは、固定速ポンプ１０２の制御に実際に適用される流量を指し、当該流量を決定する過程で使用されるポンプ定格流量（後述）とは区別される。固定速ポンプ動的制御部２１Ｂでの具体的な制御は、例えば特許第６２６１９６０号公報に記載される手法を用いて実現してもよい。

【0028】

固定速ポンプ動的制御部２１Ｂは、ポンプ起動停止水位設定部（第２のポンプ起動停止水位設定部）３Ｂ、ポンプ起動停止指令決定部（第２のポンプ起動停止指令決定部）４Ｂ、およびポンプ実流量制御部（第２のポンプ実流量制御部）６を含む。図２に、ポンプ実流量制御部６の構成の一例を示す。ポンプ実流量制御部６は、ポンプ実流量決定部１１およびポンプ運転部１２を含む。

【0029】

ポンプ起動停止水位設定部３Ｂは、流入量予測値を用いて、第２の起動水位および第２の停止水位を設定する。

【0030】

ポンプ起動停止指令決定部４Ｂは、第２の起動水位および第２の停止水位のそれぞれと現在水位とを比較し、比較した結果に応じて固定速ポンプ１０２を起動するか停止するかを決定し、起動または停止を示すポンプ起動停止指令を出力する。例えば、現在水位が第２の起動水位以上であれば、固定速ポンプ１０２を起動すると決定し、一方、現在水位が第２の停止水位以下であれば、固定速ポンプ１０２を停止すると決定する。

【0031】

ポンプ実流量制御部６は、ポンプ起動停止指令に従い、ポンプ定格流量を実流量としてポンプ井１００内の雨水が排出されるように（またはその排出が停止されるように）固定速ポンプ１０２を制御する。すなわち、ポンプ実流量制御部６は、ポンプ起動停止指令決定部４Ｂからのポンプ起動停止指令に応じて、固定速ポンプ１０２を起動する場合は、固定速ポンプ１０２の定格流量を、固定速ポンプ１０２を停止する場合は、流量０m³/sを、ポンプ実流量として決定する。この決定は、図２中のポンプ実流量決定部１１により行われる。これにより、ポンプ実流量制御部６で決定したポンプ実流量で固定速ポンプ１０２が運転され、雨水流入部１０３からポンプ井１００へ流入し、ポンプ井１００に貯留している雨水が河川へ排水される。上記運転は、図２中のポンプ運転部１２により行われる。

【0032】

なお、本実施形態では、可変速ポンプ１０１および固定速ポンプ１０２の両方が設置された雨水排水施設を対象とする構成を例示しているが、これに限定されず、例えば可変速ポンプ１０１が設置されている一方で固定速ポンプ１０２が設置されていない雨水排水施設を対象として発明を実施してもよい。その場合は、図１中において、固定速ポンプ１０２および固定速ポンプ動的制御部２１Ｂ（ポンプ起動停止水位設定部３Ｂ、ポンプ起動停止指令決定部４Ｂ、およびポンプ実流量制御部６を含む）が存在しないものとして扱えばよい。

【0033】

また、図１に示される構成において、可変速ポンプ動的制御部２１Ａおよび固定速ポンプ動的制御部２１Ｂの一部の機能が共通化されていてもよい。

【0034】

図３に、可変速ポンプ動的制御部２１Ａおよび固定速ポンプ動的制御部２１Ｂの一部の機能が共通化された構成の一例を示す。

【0035】

図１に示したポンプ起動停止水位設定部３Ａ，３Ｂは、設定の対象が異なるが、処理に共通性があるため、図３のように１つのポンプ起動停止水位設定部３として構成することができる。同様に、図１に示したポンプ起動停止指令決定部４Ａ，４Ｂも、処理に共通性があるため、図３のように１つのポンプ起動停止指令決定部４として構成することができる。図３のように構成することにより、処理の効率化を図ることができる。

【0036】

次に、図４のフローチャートと図５のフローチャートを参照して、雨水排水ポンプ制御装置１０による動作の一例を説明する。

【0037】

図４に示されるように、雨水排水ポンプ制御装置１０においては、可変速ポンプ１０１と固定速ポンプ１０２のそれぞれに対して、ポンプ実流量が決定され（ステップＳ１）、決定されたポンプ実流量を用いて該当するポンプの運転が行われる（ステップＳ２）。
る。

【0038】

図５に、図４に示される動作をより詳細にした処理手順の一例を示す。

【0039】

図４の場合と同様、以下に示す一連の処理は、可変速ポンプ１０１と固定速ポンプ１０２のそれぞれに対して行われる。

【0040】

最初に、ポンプ毎に、流入量予測値を用いて起動水位および停止水位を設定する処理が行われる（ステップＳ１１）。

【0041】

次に、ポンプ毎に、起動水位および停止水位のそれぞれと現在水位とを比較し、比較した結果に応じて当該ポンプを起動するか停止するかを決定し、起動または停止を示すポンプ起動停止指令を出力する処理が行われる（ステップＳ１２）。

【0042】

制御の対象が固定速ポンプ１０２である場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）、ポンプ定格流量を実流量とし（ステップＳ２１）、ポンプ起動停止指令が起動を示す場合は（ステップＳ２２のＹＥＳ）、ポンプ定格流量で固定速ポンプ１０２を起動する処理が行われる（ステップＳ２３）。一方、ポンプ起動停止指令が停止を示す場合は（ステップＳ２２のＮＯ）、流量０m³/sで固定速ポンプ１０２を停止する処理が行われる（ステップＳ２４）。

【0043】

一方、ステップＳ１３において、制御の対象が可変速ポンプ１０１である場合は（ステップＳ１３のＮＯ）、ポンプ井１００の水位目標値とポンプ井１００に設置された水位計１０４により計測されたポンプ井１００の現在水位とに基づき、ＰＩ制御により可変速ポンプ１０１の流量（ポンプ流量）を演算する処理が行われる（ステップＳ３１）。そして、ポンプ流量を実流量とし（ステップＳ３２）、ポンプ起動停止指令が起動を示す場合は（ステップＳ３３のＹＥＳ）、演算したポンプ流量で可変速ポンプ１０１を起動する処理が行われる（ステップＳ３４）。一方、ポンプ起動停止指令が停止を示す場合は（ステップＳ３３のＮＯ）、流量０m³/sで可変速ポンプ１０１を停止する処理が行われる（ステップＳ３５）。

【0044】

実施形態によれば、可変速ポンプを採用するポンプ場においても、従来の排水ポンプ制御と比較して、浸水リスクの抑制やポンプの起動停止回数の低減を図ることが可能となる。

【0045】

例えば、ポンプ起動停止水位設定部３Ａ，ポンプ起動停止水位設定部３Ｂにより可変速ポンプ１０１，固定速ポンプ１０２のそれぞれの起動水位および停止水位を設定した上で、固定速ポンプ１０２の流量を決定することに加えて、ポンプ井１００の水位目標値とポンプ井１００に設置された水位計１０４により計測されたポンプ井１００の現在水位に基づくＰＩ制御を行うことにより、可変速ポンプ１０１のポンプ流量を決定することができる。決定したポンプ流量を用いて可変速ポンプ１０１の実流量を制御することで、適切なタイミングで必要最小限のポンプの起動や停止を行い、適切な流量で可変速ポンプ１０１および固定速ポンプ１０２を運転することが可能となり、可変速ポンプ１０１および固定速ポンプ１０２を採用するポンプ場において、従来の排水ポンプ制御と比較して、浸水リスクの抑制やポンプの起動停止回数の低減が可能となる。

【0046】

以上詳述したように、実施形態によれば、排水ポンプの起動と停止を効率的に行うことができる。

【0047】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0048】

１…演算部、２…ポンプ流量演算部、３，３Ａ，３Ｂ…ポンプ起動停止水位設定部、４，４Ａ，４Ａ…ポンプ起動停止指令決定部、５，６…ポンプ実流量制御部、１１…ポンプ実流量決定部、１２…ポンプ運転部、２１Ａ…可変速ポンプ動的制御部、２１Ｂ…固定速ポンプ動的制御部、１００…ポンプ井、１０１…可変速ポンプ、１０２…固定速ポンプ、１０３…雨水流入部、１０４…水位計。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】