JP2001038343A - 水処理プロセスの制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、被処理水質によって操作量を
決定する運転操作モデルの信頼性が十分でない場合にも
安定した処理水質を維持できる水処理プロセスの制御方
法および装置を提供することにある。 【解決手段】本発明は、運転操作モデル２００で被処理
水水質により水処理プロセス１０の設定操作量Ｄを求め
ると共に、シミュレータ１００で水処理プロセス１０の
実操作量Ｄ^＊により推定処理水質Ｃを求め、操作量決定
部３００において予め定めた目標処理水質Ｃと推定処理
水質Ｃ^＊の偏差Ｅによって設定操作量Ｄを補正して水処
理プロセス１０の実操作量Ｄ^＊を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は浄水場や下水処理場
などの水処理操作を行う水処理プロセスの制御方法およ
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】河川その他の取水源から取水される原水
には各種の物質が含まれており、浄水場においては取水
した原水を飲料水にするために塩素や凝集剤などの薬品
を注入している。

【０００３】浄水場では、凝集沈殿処理や塩素処理にお
ける凝集剤注入量や塩素注入量などの操作量を適正に行
うことによって処理水のトリハロメタン濃度や濁度を目
標値になるようにしている。浄水場における浄水処理制
御の良否は、多くの需要家によって用いられる水道水の
水質に直接影響するため信頼性を高くすることが要求さ
れる。

【０００４】一方、下水処理場においても処理水質を向
上させて信頼性を高くすることは浄水場と同様に要求さ
れている。

【０００５】ところで、浄水場や下水処理場の水処理プ
ロセスにおける処理時間は数時間にも及ぶために、処理
水質によるフィードバック制御では時間遅れが大きくな
る。このため、原水や下水の被処理水水質から薬品や返
送汚泥の操作量を適正に設定できるような運転操作モデ
ル（凝集剤注入モデルや塩素注入モデル）が導入され、
フィードフォワード制御が試みられてきている。

【０００６】このように、浄水場の制御に計算機を用い
てフィードフォワード制御することは、例えば、特開平
６ー２９６９７３号公報、特開平９ー２０４２１８号公
報などに記載されている。

【０００７】これらの従来例では、操作量を設定する信
頼性の高い運転操作モデル（塩素注入量モデルなど）が
準備できれば、時間遅れのないフィードフォワード制御
が可能となる。しかし、運転操作モデルの信頼性が低い
場合には、所定の処理水質が達成されず、処理水質を所
定レベル以上に維持しようとすると、結局、処理水質に
基づくフィードバック制御を併用しなければならない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、水処理
プロセスに流入する被処理水水質によって操作量を決定
する運転操作モデルの信頼性が十分でない場合には処理
水質が不良となるのを避けられず、結局、フィードバッ
ク制御の併用が不可欠となる。

【０００９】しかし、フィードバック制御を併用したと
しても、制御遅れのため処理水質が不良となるのを避け
られず、一旦、処理不良におちいると、処理水質による
フィードバック制御が操作量に反映されるまでの間、処
理水水質の回復が困難な状況に陥ることになる。

【００１０】一般に、水処理プロセスでの処理時間（原
水や流入下水の被処理水の滞留時間）は数時間を越える
ため、その影響は極めて大きいものになる。

【００１１】本発明の目的は、被処理水水質によって操
作量を決定する運転操作モデルの信頼性が十分でない場
合にも安定した処理水質を維持できる水処理プロセスの
制御方法および装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、被処理水水質によって水処理プロセスの設定操作
量を求めると共に、水処理プロセスの実操作量によって
推定処理水質を求め、予め定めた目標処理水質と推定処
理水質の差によって設定操作量を補正して水処理プロセ
スの実操作量とするようにしたことにある。

【００１３】本発明によれば、水処理プロセスの実操作
量によって求めた推定処理水質と予め定めた目標処理水
質の差によって設定操作量を補正して水処理プロセスの
実操作量としているので、設定操作量を時間遅れなく補
正することができる。従って、被処理水水質によって設
定操作量を決定する運転操作モデルの信頼性が低くても
処理水質を良好に維持することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施例を説明する。

【００１５】図１に本発明の一実施例を示す。

【００１６】図１は本発明を浄水場の制御に適用した例
を示す。

【００１７】図１において、河川等の水源１から取水し
た原水（被処理水）は浄水場（浄水処理プロセス）１０
に導かれる。浄水場１０は、着水井１０Ａ，混和池１０
Ｂ，フロック形成池１０Ｃおよび沈殿池１０Ｄから構成
されている。なお、ろ過池等は図示を省略している。

【００１８】フロック形成池１０Ｂにはアクチュエータ
８により凝集剤（薬品で本発明の操作対象物となる）が
注入される。浄水場１０に流入した原水の水質は水質セ
ンサ５ａで計測され、また、浄水場１０で処理された処
理水質は水質センサ５ｂで計測される。

【００１９】水質センサ５ａ，５ｂで計測された水質情
報（水質データ）はプロセス計算機５００の情報入力部
５０に取込まれる。情報入力部５０に取込まれた水質デ
ータはデータベース３０に格納される。

【００２０】シミュレータ１００はデータベース３０に
格納されている水質データ（プロセスデータ）を用いて
浄水場１０のシミュレーションを行い推定処理水質（処
理水質推定値）Ｃを求めて操作量決定部３００に与え
る。また、運転操作モデル２００はデータベース３０か
ら得た原水水質データ（プロセスデータ）を用いて設定
操作量（操作量設定値）Ｄを求め操作量決定部３００に
与える。

【００２１】プロセス計算機５００の処理の途中結果や
データベース３０のデータ参照などは、オフライン的に
キーボード２０や操作パネル（図示せず）からの操作で
ディスプレイ（ＣＲＴ）１５に表示させる。

【００２２】図２に操作量決定部３００の一例詳細構成
図を示す。

【００２３】運転操作モデル２００から与えられる設定
操作量Ｄと補正演算部３０Ａの操作補正量（操作量補正
値）△Ｄとが加算部３０Ｂで加算される。加算部３０Ｂ
から浄水場１０の実操作量（操作量実際値）Ｄ^＊が得ら
れ、アクチュエータ８とシミュレータ１００に与えられ
る。

【００２４】加算部３０Ｃは目標処理水質（処理水質目
標値）Ｃ^＊とシミュレータ１００から与えられる推定処
理水質Ｃの偏差Ｅを補正量演算部３０Ａに与える。補正
量演算部３０Ａは偏差Ｅに比例した操作補正量△Ｄを出
力する。

【００２５】次に動作を説明する。

【００２６】浄水場（浄水処理プロセス）10は、河川な
どの水源1から原水を取水して浄水処理を行っている。
原水水質と処理水水質の水質データは水質センサ５ａ，
５ｂによって計測され、情報入力部５０によりプロセス
計算機５００に取込まれる。水質データはデータベース
３０に格納される。

【００２７】運転操作モデル２００はデータベース３０
に格納されている原水水質データを用いて設定操作量Ｄ
を算出する。 シミュレータ１００はデータベース３０
に格納されている水質データと操作量決定部３００の実
操作量Ｄ^＊を用いて浄水場１０のシミュレーションを行
い推定処理水質Ｃを求める。なお、浄水場１０の運転開
始時には、シミュレータ１００には操作量決定部３００
の実操作量Ｄ^＊の代わりに運転操作モデル２００の設定
操作量Ｄが与えられる。

【００２８】運転操作モデル２００の設定操作量Ｄとシ
ミュレータ１００の推定処理水質Ｃが操作量決定部３０
０に与えられる。また、運転操作モデル２００はデータ
ベース３０から得た原水水質データ（プロセスデータ）
を用いて設定操作量を求め操作量決定部３００に与え
る。

【００２９】操作量決定部３００は、推定処理水質Ｃと
予め定めた目標処理水質Ｃ^＊とを加算部３０Ｃにおいて
図示の極性で加算し、その偏差Ｅを補正量演算部３０Ａ
に加える。補正量演算部３０Ａは後述するようにして操
作補正量△Ｄを求め加算部３０Ｂに加える。

【００３０】加算部３０Ｂは設定操作量Ｄと操作補正量
△Ｄを図示の極性で加算し、換言すると設定操作量Ｄを
操作補正量△Ｄで補正した実操作量Ｄ^＊を出力する。加
算部３０Ｂの実操作量Ｄ^＊が操作量決定部３００の出力
としてアクチュエータ8に加えられ、浄水場１０の制御
が行われる。

【００３１】また、操作量決定部３００の実操作量Ｄ^＊
はシミュレータ１００にも加えられ、シミュレータ１０
０の推定処理水質Ｃを求めるのに用いられる。

【００３２】プロセス計算機５００は目標処理水質Ｃ^＊
と推定処理水質Ｃが一致するまでこの処理を繰返し実行
する。このような制御の手順を進めるための計算機処理
は、オンラインで数十秒から数分程度の周期で繰り返し
実行される。

【００３３】プロセス計算機５００の処理の途中結果や
データベース３０のデータ参照などは、オフライン的に
キーボード２０や操作パネル（図示せず）からの操作で
ＣＲＴ１５に表示させることもできる。

【００３４】次に、プロセス計算機５００の各構成要素
の詳細を順次説明する。

【００３５】まず、図３を用いて情報入力部５０を説明
する。

【００３６】図３は情報入力部５０で行われる処理の工
程を示している。水質データ読み込み工程５５では、浄
水処理プロセス１０に設置された水質センサ５ａ，５ｂ
で計測された水質データの信号を取り込む。

【００３７】水質データそのものは数十msec程度の短い
周期の情報であるため、データが必要とされる周期での
平均化したデータに変換し情報量を軽減するために、平
均データ算出工程６０では、取り込んだ水質データを予
め設定した時間幅で平均化して出力する。データ出力工
程６５では、平均化処理された水質データをデータベー
ス３０に出力する。

【００３８】オンラインで行われるこれらの処理と並行
して、キーボード２０からの入力によってオフライン的
にデータを入力することもできる。水質データ読み込み
工程５５では、キーボード２０から入力のあったデー
タ、例えば水質分析によって得られた水質データなどを
読み込み、データ出力工程６５へ出力することができ
る。

【００３９】このような情報入力部５０で処理された水
質データはデータベース３０に格納されるが、データベ
ース３０には浄水処理プロセス10の各処理工程での水質
データだけでなく、操作量データや機器の保守管理に関
するデータなども保存されている。

【００４０】図４にシミュレータ１００の構成の概念図
を示す。

【００４１】浄水処理プロセス１０は幾つかの処理工程
から構成されている。浄水処理で最も一般的である凝集
沈殿急速ろ過処理の場合には、着水井１０Ａ，混和池１
０Ｂ，フロック形成池１０Ｃ，沈殿池１０Ｄ、及びろ過
池１０Ｅが直列配置されたプロセスとなっている。

【００４２】シミュレータ１００は、これらの各処理工
程に対応したモジュール構成となっており、対応する処
理工程での現象を再現できる動特性モデルを含んでい
る。各モジュールは独立して機能し、データの入出力の
みを他のモジュールと交換する。

【００４３】例えば、フロック形成池モジュールは、原
水中の濁質成分と凝集剤との反応によって生成するフロ
ックの消長現象をシミュレートできる機能を有する。こ
のためのモデルはデータベース３０内のデータを参照す
るほか、前段の処理工程となる混和池モジュールからの
計算出力結果を入力データとして参照する。また、フロ
ック形成池モジュールの計算出力結果は沈殿池モジュー
ルへの入力データとして用いられる。各モジュールは機
能分担した幾つかのサブルーティンから構成されてい
る。

【００４４】図５にシミュレータ１００の処理手順の一
例を示す。

【００４５】プロセスデータ読み込み工程１０５では、
データベース３０からシミュレーションに必要なデータ
を読み込んで計算に利用できる状態にする。操作量読み
込み工程１１０では操作量決定部３００で求めた実操作
量Ｄ^＊を読み込む。

【００４６】プロセスシミュレータモジュール実行工程
１２０では、三段階の工程で前述したモジュール計算を
行い出力する。三段階の工程は、プロセスデータ参照工
程１２５、プロセス動特性モデル１３０、及びモデル算
出結果出力工程１３５である。

【００４７】推定処理水質算出工程１５０では、プロセ
スシミュレータモジュール実行工程１２０のモデル算出
結果出力工程１３５からの結果出力を操作量決定部３０
０に出力する。

【００４８】図６に運転操作モデル２００の処理手順の
一例を示す。

【００４９】プロセスデータ読み込み工程２１０では、
データベース３０より運転操作モデルの実行に必要な原
水水質データなどの読み込みを行う。

【００５０】運転操作モデル選定工程２２０では、原水
水質の条件などに基づいて運転操作モデルを選定する。
例えば、凝集剤注入量を算出するための凝集剤注入モデ
ルの場合、一つのモデルで幅広い範囲の原水濁度に対応
することが難しいため、原水濁度レベルに応じた高濁度
時モデルと低濁度時モデルを準備して使い分ける。この
場合、予め設定した原水濁度のしきい値によってモデル
を選定する。

【００５１】運転操作モデル算出工程２３０では、デー
タベース３０から読み込まれた最新の水質データと選定
されたモデルにより設定操作量を算出する。ここでのモ
デルは、現象の知見に基づいた物理的モデルや過去の運
転実績の履歴データに基づく統計的なモデル（原水濁
度、ｐＨ、アルカリ度などを説明変数とする重回帰式や
ニューラルネットモデルなど）が用いられる。また、浄
水処理プロセス１０の運転管理者の経験的な知見に基づ
くファジィルールモデルなどを適用することもできる。

【００５２】算出操作量チェック工程２４０では、運転
操作モデル算出工程２３０で算出された設定操作量Ｄが
実際に操作可能な上下限範囲にあるかどうかをチェック
する。操作の上下限リミッタ値から外れている場合に
は、リミッタ値を設定操作量とする。

【００５３】操作量出力工程２５０では、設定操作量Ｄ
を操作量決定部３００に出力する。運転操作モデルを用
いた従来の制御ではこの設定操作量Ｄをアクチュエータ
8に送られる操作量としているが、本発明では操作量決
定部３００によって設定操作量Ｄを補正する。

【００５４】操作量決定部３００は図２に示すように構
成されている。

【００５５】運転操作モデル２００で算定された設定操
作量Ｄとシミュレータ１００で求めた推定処理水質Ｃを
入力する。目標処理水質Ｃ^＊と推定処理水質Ｃを加算部
３０Ｃで加算し、その偏差Ｅを補正量演算部３０Ａに加
える。

【００５６】補正量演算部３０Ａは、偏差Ｅが所定値以
下の場合には操作補正量△Ｄを零にする。したがって、
この場合には運転操作モデル２００の設定操作量Ｄは補
正されずに実操作量Ｄ^＊としてアクチュエータ8に加え
られる。

【００５７】補正量演算部３０Ａは偏差Ｅが所定値を越
える場合には次のようにして操作補正量△Ｄを算出して
設定操作量Ｄを補正する。操作補正量△Ｄは次式に示す
ように偏差Ｅに対する最急降下法で計算する。

【００５８】

【数１】△Ｄ∝ ー (∂Ｅ/∂Ｄ) 最急降下法は式１に示すように、偏差Ｅに対する操作量
Ｄの偏微分、つまり傾きを求めた上で、その傾きに比例
する逆符号の量として操作補正量△Ｄを算出している。
具体的には、図８に示すように偏差Ｅが変化したとする
と、設定操作量ＤがＤａの場合には傾きが正なので操作
量Ｄを減少させるように操作補正量△Ｄを求め、また、
Ｄｂの場合には増加させるように操作補正量△Ｄを求め
る。

【００５９】補正量演算部３０Ａはこのようにして求め
た操作補正量△Ｄを加算部３０Ｂに加え設定操作量Ｄと
加算する。つまり、運転操作モデル２００の設定操作量
Ｄを設操作補正量△Ｄにより補正して実操作量Ｄ^＊とし
てアクチュエータ8に加えられる。

【００６０】操作量決定部３００が出力する実操作量Ｄ
^＊はシミュレータ１００にも入力され、推定処理水質Ｃ
を算出するのに用いられる。

【００６１】このような動作を繰り返し実行して偏差Ｅ
が所定値以下となるようにする。

【００６２】この一連の手順を纏めると図７に示すフロ
ー図のようになる。

【００６３】図７において、設定操作量読み込み工程３
１０では運転操作モデル２００から設定操作量Ｄを読み
込む。目標処理水質参照工程３２０では予め設定した目
標処理水質Ｃ^＊を参照する。推定処理水質読み込み工程
３３０ではシミュレータ１００から推定処理水質の予測
値を読み込む。これらの読み込み処理は、当該操作量の
制御周期と同期させて行われる。

【００６４】操作補正量算出工程３４０では、上述した
ように目標処理水質Ｃ^＊と予測処理水質Ｃとの偏差Ｅに
応じて操作補正量△Ｄを算出し、補正操作量出力工程３
５０で偏差Ｅが所定値以下になるまで補正操作量△Ｄを
シミュレータ１００に出力して繰返し計算を実行する。

【００６５】操作量出力工程３６０では、設定操作量Ｄ
を操作補正量△Ｄにより補正した実操作量Ｄ^＊をアクチ
ュエータ8に出力する。

【００６６】このようにして浄水場の制御をおこなうの
であるが、注入する薬品の実操作量によって求めた推定
処理水質と予め定めた目標処理水質の差によって原水水
質から求めた設定操作量を補正して実操作量としている
ので、設定操作量を時間遅れなく補正することができ
る。従って、原水（被処理水水質）によって設定操作量
を決定する運転操作モデルの信頼性が低くても処理水質
を良好に維持することができる。

【００６７】なお、上述の実施例は浄水処理プロセスの
例を説明したが、下水処理プロセスにも適用することが
できることは明らかなことである。下水処理プロセスに
おける操作量は曝気空気量や返送汚泥量となる。

【００６８】また、目標処理水質と推定処理水質の偏差
によって補正操作量を求めるのは最急降下法に限らず他
の方法であってもよいのは勿論のことである。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、被処理水水質により求
めた設定操作量を水処理プロセスの実操作量によって求
めた推定処理水質と予め定めた目標処理水質の差によっ
て補正して水処理プロセスの実操作量としているので、
設定操作量を時間遅れなく補正することができる。従っ
て、被処理水水質によって設定操作量を決定する運転操
作モデルの信頼性が低くても処理水質を良好に維持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】操作量決定部の一例を示す詳細構成図である。

【図３】本発明の動作を説明するためのフロー図であ
る。

【図４】シミュレータの一例を示す構成図である。

【図５】本発明の動作を説明するためのフロー図であ
る。

【図６】本発明の動作を説明するためのフロー図であ
る。

【図７】本発明の動作を説明するためのフロー図であ
る。

【図８】本発明の動作を説明するための特性図である。

【符号の説明】

１…水源、５…水質センサ、８…アクチュエータ、10…
浄水処理プロセス、15…CRT、20…キーボード、30…デ
ータベース、50…情報入力部、100…シミュレータ、200
…運転操作モデル、300…操作量決定部、500…プロセス
計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 直樹 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 Ｆターム(参考） 4D062 BA21 CA14 EA03 EA32

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理水に水処理操作を行い処理する水処
   理プロセスであって、前記被処理水水質によって前記水
   処理操作の設定操作量を求めると共に、前記被処理水水
   質と前記水処理操作の実操作量によって前記水処理プロ
   セスの推定処理水質を求め、予め定めた目標処理水質と
   前記推定処理水質の差によって前記設定操作量を補正し
   て前記水処理操作の実操作量にするようにしたことを特
   徴とする水処理プロセスの制御方法。
2. 【請求項２】被処理水に水処理操作を行い処理する水処
   理プロセスであって、前記被処理水水質によって前記水
   処理操作の設定操作量を求めると共に、前記被処理水水
   質と前記水処理操作の実操作量によって前記水処理プロ
   セスの推定処理水質を求め、予め定めた目標処理水質と
   前記推定処理水質の偏差の傾きによって補正操作量を求
   めて、前記設定操作量を前記補正操作量により補正して
   前記水処理操作の実操作量にするようにしたことを特徴
   とする水処理プロセスの制御方法。
3. 【請求項３】被処理水に処理を行う操作対象物を加える
   水処理プロセスであって、前記被処理水水質によって前
   記操作対象物の設定操作量を求めると共に、前記被処理
   水水質と前記操作対象物の実操作量によって前記水処理
   プロセスの推定処理水質を求め、予め定めた目標処理水
   質と前記推定処理水質の偏差によって補正操作量を求め
   て、前記設定操作量を前記補正操作量により補正して前
   記操作対象物の実操作量にするようにしたことを特徴と
   する水処理プロセスの制御方法。
4. 【請求項４】取水した原水に薬品を注入して浄水処理す
   る水処理プロセスであって、前記原水水質によって前記
   薬品の設定操作量を求めると共に、前記原水水質と前記
   薬品の実操作量によって前記水処理プロセスの推定処理
   水質を求め、予め定めた目標処理水質と前記推定処理水
   質の偏差による補正操作量によって前記設定操作量を補
   正して前記薬品の実操作量にするようにしたことを特徴
   とする水処理プロセスの制御方法。
5. 【請求項５】被処理水水質によって水処理操作の設定操
   作量を求める手段と、前記被処理水水質と前記水処理操
   作の実操作量によって前記水処理プロセスの推定処理水
   質を求める手段と、予め定めた目標処理水質と前記推定
   処理水質の差によって前記設定操作量を補正して前記水
   処理操作の実操作量として出力する手段とを具備するこ
   とを特徴とする水処理プロセスの制御装置。
6. 【請求項６】被処理水水質によって水処理操作の設定操
   作量を求める手段と、前記被処理水水質と前記水処理操
   作の実操作量によって前記水処理プロセスの推定処理水
   質を求める手段と、予め定めた目標処理水質と前記推定
   処理水質の偏差の傾きによって補正操作量を求めて、前
   記設定操作量を前記補正操作量により補正して前記水処
   理操作の実操作量として出力する手段と、前記実操作量
   に基づき水処理操作を行うアクチュエータとを具備する
   ことを特徴とする水処理プロセスの制御装置。
7. 【請求項７】被処理水水質によって水処理を行う操作対
   象物の設定操作量を求める運転操作モデルと、前記被処
   理水水質と前記操作対象物の実操作量によって前記水処
   理プロセスの推定処理水質を求めるシミュレータと、予
   め定めた目標処理水質と前記推定処理水質の偏差によっ
   て補正操作量を求めて、前記設定操作量を前記補正操作
   量により補正して前記操作対象物の実操作量として出力
   する操作量決定手段と、前記操作量決定手段で求めた前
   記実操作量に基づき水処理操作を行うアクチュエータと
   を具備することを特徴とする水処理プロセスの制御装
   置。
8. 【請求項８】取水した原水に薬品を注入して浄水処理す
   る水処理プロセスにおいて、前記原水水質によって前記
   薬品の設定操作量を求める運転操作モデルと、前記原水
   水質と前記薬品の実操作量によって前記水処理プロセス
   の推定処理水質を求めるシミュレータと、予め定めた目
   標処理水質と前記推定処理水質の偏差による補正操作量
   によって前記設定操作量を補正して前記薬品の実操作量
   として出力する操作量決定手段と、前記操作量決定手段
   で求めた前記実操作量に基づき前記薬品の注入操作を行
   うアクチュエータとを具備することを特徴とする水処理
   プロセスの制御装置。