JP6555083B2

JP6555083B2 - 水温制御システム

Info

Publication number: JP6555083B2
Application number: JP2015215674A
Authority: JP
Inventors: 由紀子大泉; 孝弘塩原
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: JP2016146816A

Description

本発明は、水田の水温制御システムに関する。

稲は、水温によって生育度合いが変化する。適正な水温で稲を育成できれば、収穫量の向上などが期待できることから、水田の水温を制御する技術に関心が高まっている。

例えば、水温を制御するために、給水水源の水温及び水田の水温と水田内の水の体積に基づいて給水後の水温を計算し、適正な給水量を調整する手段が知られている（特許文献１）。

特開２０００−６９８６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術は、給水水源の水温及び水田の水温と水田内の水の体積を計測することなしに給水量が決定できない。水田の正しい体積の算出は、土質毎に違う浸透の度合いや水田の凹凸によるずれといった事象が原因で、困難であった。また、大規模な水田内では、場所によって水温差が生じて、稲の生育状況に差が出るという問題があった。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、水の体積情報を用いることなしに、水田内の水温を精度よく制御することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る水田の水温制御システムは、水田の水温を計測する水温計測装置と、水田へ入水を実行する入水装置と、フィードバック制御を用いて、水温計測装置で計測した水温値と目標とする水温の設定値とを比較して入水装置が備える入水口の開度を決定し、決定した開度になるよう入水装置を動作させる制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、水温計測装置で計測した水温に基づいて、入水装置の入水口の開度調整による入水量の調整を行うことで、水田内の水の体積を計測することなしに、水田内の水温を精度よく自動で調整することが可能となる。

好ましくは、入水装置は、入水する水の方向を調整する入水方向調整手段を備えているとよい。この場合、入水する水の方向を調整できるため、より迅速に水田内の場所による水温差を解消することが可能となる。

好ましくは、フィードバック制御は、Ｐ制御であるとよい。この場合、入水中、水田の水温の値に基づいて入水量を決定するため、設定値の実現をより迅速に行い、その値を安定的に維持することが可能となる。

好ましくは、フィードバック制御は、三位置制御であるとよい。この場合、入水量の微調整を行わないため、プログラムにおける処理を簡潔に行うことが可能となる。

好ましくは、水温計測装置を複数備えているとよい。この場合、水田中の複数地点の水温を計測できるため、現在の水田の水温を精度よく算出することが可能となる。

好ましくは、水温計測装置を複数備えており、水温計測装置が送信する水温情報には、複数の水温計測装置の設置位置を示す位置情報を含み、水温計測装置で計測した水温値と目標とする水温の設定値との比較、及び位置情報により、入水方向調整手段の入水方向を調整するから構成されるとよい。この場合、水田内で水温の低い場所に、低温の水が進行しないよう方向制御することができ、水温制御を精度よく行うことが可能となる。

本発明によれば、水の体積情報を用いることなしに、水田内の水温を精度よく制御することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る水田の水門制御システムのブロック図である。本発明の実施形態１に係る水田の水門制御システムの配置図である。本発明の実施形態１に係る水田の水門制御システムの入水装置のイメージ図である。本発明の実施形態１に係る水田の水門制御システムの動作のフローチャートである。本発明の実施形態２に係る水田の水門制御システムの入水装置のイメージ図である。本発明の実施形態２に係る水田の水門制御システムの配置図である。本発明の実施形態３に係る水田の水門制御システムの配置図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（実施形態１）
まず、図１を用いて、本発明の実施形態１に係る水温制御システム１の構成ならびに処理動作について説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る水温制御システムを示すブロック図である。水温制御システム１は、図１に示すように、水温計測装置１ａと、入水装置１ｂと、制御装置１ｃから構成されている。

各装置の配置を、図２に示す。水温計測装置１ａは水田内に、入水装置１ｂは水田の水口に、制御装置１ｃは水田の水口付近などに設置する。制御装置１ｃと入水装置１ｂは、ケーブル等で接続されている。

まず、水温計測装置１ａは、水温計測装置全体を制御する演算部１１ａと、水温を計測する水温計測部１２ａと、計測した水温を後述する制御装置に送信する通信部１３ａから構成されている。演算部１１ａを構成するハードウェアとしては、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）などが挙げられる。水温計測部１２ａは、サーミスタを用いる。また、通信部１３ａは、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）や無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）といった無線通信機を用いる。また、演算部１１ａと通信部１３ａは一体に構成されていても良い。

入水装置１ｂは、入水口１１ｂと、入水方向調整手段の一実施例である入水口遮蔽部を有する。入水装置１ｂは、制御装置１ｃが決定した入水口遮蔽部を、決定した開度に応じて入水口１１ｂから取水できるように開き、水田の脇を流れている入水用水路から取水し、水田へ水を供給する役割を担っている。例えば、入水装置１ｂとしては、図３に示すように、入水装置１ｂの入水口遮蔽部が、扉Ａと扉Ｂの２枚によって構成されており、これが上下に開閉し、入水量および入水方向を調整できるようになっているとよい。例えば、図２において、領域（い）が日陰になりやすいといった理由で水温が低い場合、水田と比べて水温の低い入水用水路の水が領域（い）に流れ込まないよう、扉Ａのみを開門することもできる。また、扉Ａを１０ｃｍ開口し、扉Ｂを２ｃｍ開口するなど、扉の開度を異ならせて入水口１１ｂを開き、入水方向を調整してもよい。つまり、予め水温が低くなると予想される場所を制御装置１ｃに入力しておき、これを加味して演算部１３ｃが扉Ａまたは扉Ｂの開度を決定することにより入水量および入水方向を調整する。これにより、水田内で水温の低い場所に、低温の水が進行しないよう方向制御することができ、水温制御を精度よく行うことが可能となる。

なお、扉Ａと扉Ｂは、上下に開閉する場合を示したが、扉Ａは扉Ｂ側に、扉Ｂは扉Ａ側にスライドさせる構成としても良い。例えば図２に示す領域（い）側に入水用水路の水を給水させる場合は、扉Ｂを扉Ａ側にスライドさせて、入水口１１ｂの右側の開度を調整する。また、領域（あ）側に入水用水路の水を給水させる場合は、扉Ａを扉Ｂ側にスライドさせる。領域（あ）および領域（い）のそれぞれの領域に給水させたい場合は、扉Ａを扉Ｂ側に、扉Ｂを扉Ａ側にそれぞれスライドさせ、所望の入水量になるよう入水口１１ｂの両側の開度を決定する。これにより、入水量および入水方向を調整できるので、水田内で水温の低い場所に、低温の水が進行しないよう方向制御することができ、水温制御を精度よく行うことが可能となる。

制御装置１ｃは、通信部１２ｃと演算部１３ｃから構成される。通信部１２ｃは、水温計測装置１ａから送信されてきた水温の計測値を受信する。通信部１２ｃを構成するハードウェアとしては、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）や無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）といった無線通信機を用いるとよい。演算部１３ｃは、通信部１２ｃが受信した、水田の水温を基に、フィードバック制御を用いて扉Ａまたは扉Ｂの開度と方向を決定し、入水装置１ｂに指示する。演算部１３ｃを構成するハードウェアとしては、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）などが挙げられる。

フィードバック制御として、Ｐ制御を用いるとよい。Ｐ制御では、水田の水温の、設定値との差に応じて入水装置１ｂの入水口遮蔽部を調整し、入水口の開度と水田へ入水する水の方向を決定する。例えば、図３に示したような入水装置１ｂを用いる場合、設定値が２０℃で水温の計測値が２５℃の場合は１０ｃｍ開門する、設定値が２０℃で水温の計測値が２３℃の場合は５ｃｍ開門するなどして、開度を決定する。また、予め制御装置１ｃに入力された水田内の領域による水温差情報を加味して、扉Ａや扉Ｂの開度に応じて入水口を開口させ、入水方向を決定してもよい。この場合、入水中、水温の値に基づいて入水量や入水方向を決定するため、設定値の実現をより迅速に行い、その値を安定的に維持することが可能となる。

続いて、図４を参照して、本発明の実施形態１に係る水温制御システム１の処理動作について説明する。図４は、本発明の実施形態１に係る水温制御システム１の処理動作を示すフローチャートである。

まず、水温計測装置１ａの水温計測部１２ａが、水田の水温を計測し、通信部１３ａから制御装置１ｃに水温の計測値を送信する。（ステップＳ０１）

次に、制御装置１ｃは、水温計測装置１ａが送信した水温の計測値を通信部１２ｃで受信し、フィードバック制御のひとつであるＰ制御により入水装置１ｂの入水口遮蔽部を調整し、入水口の開度と水田へ入水する水の方向を決定する。（ステップＳ０２）

Ｐ制御として、具体的に以下のような手順で開度を決定する。水田内の現在水温をＮＴ、水田内の理想水温をＯＴとし、ＮＴとＯＴの差をとる。これにより、現在の水温の理想水温との差ｄｉｆｆを求める。
ＮＴ−ＯＴ＝ｄｉｆｆ … （１）
次に、以下に示す式（２）
ＯＷ＝Ｋｐ × ｄｉｆｆ … （２）Ｋｐは定数
を用いて、開口度ＯＷを決定する。Ｋｐは、ステップ応答法や限界感度法といった手法を用いて、予め決定しておく。

次に、制御装置１ｃは、ステップＳ０２で決定した開度だけ入水装置１ｂの入水口遮蔽部を開き、水田に水を引き入れる。（ステップＳ０３）例えば、１０分に１度のように、予め決めておいた間隔でステップＳ０１〜ステップＳ０３の手順を繰り返して、水田の水温が設定値になるよう、調整する。

以上のように、本実施形態に関わる水温制御システムは、水温計測装置１ａと、入水装置１ｂと、制御装置１ｃを備え、制御装置１ｃの入水口の開度と方向調整による入水制御と、水温計測を繰り返し行う。そのため、水田内の場所による水温差を解消することが可能となる。

（実施形態２）
次に、図５と図６を参照して、本発明の実施形態２に係る水温制御システムの構成について説明する。図５は、本発明の実施形態２に係る水温制御システムの入水装置の図で平面図と水田側から見た側面図を示している。図６は設置例である。

入水装置２ｂの入水口遮蔽部は、入水方向調整手段の一実施例である扉Ｃと扉Ｄの２枚によって構成されており、これらがそれぞれ奥側へ左右に開閉し、入水方向を調整できる点で、実施形態１と相違している。設定値との水温差に応じて開度を、水温に基づいて入水方向を調整するのは、実施形態１と共通である。扉Ｃと扉Ｄは、それぞれの扉に駆動部材２１ｂが固定されている。この駆動部材２１ｂは、制御装置１ｃからの指令に基づいて移動するようになっている。駆動部材２１ｂが移動すると、これに固定されている扉Ｃまたは扉Ｄも連動する。例えば、図６において、領域（い）と領域（う）の水温が、日陰になりやすいといった理由で低い場合、水田と比べて水温の低い水路の水が領域（い）と領域（う）に流れ込まないよう、扉Ｄを、角度調節した上で開門する。これにより、水田内で水温の低い場所に、低温の水が進行しないよう方向制御することができ、水温制御を精度よく行うことが可能となる。

入水方向調整手段は、実施形態１，２に挙げた例だけでなく、入水方向を調整できる手段であれば、どのようなものでもよい。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る水温制御システムの構成について説明する。

水温制御システムは、フィードバック制御に三位置制御を用いている点で、実施形態１と相違している。三位置制御は、目標とする制御量の値が、一点でなく、ある範囲内に入っていれば良い時に用いるフィードバック制御の手法のひとつで、場合によってはＰ制御よりも良い精度で制御量の制御が可能となる。本システムでは、開門するときの水田の水温の値と、閉門するときの水田の水温の値が異なる。例えば、設定値±３℃以内の水温が、制御すべき水温の目標範囲である場合、設定値＋３℃以上で開門、設定値−３℃以下で閉門する。この場合、入水量の微調整を行わないため、プログラムにおける処理を簡潔に行うことが可能となる。

（実施形態４）
次に、図７を参照して、本発明の実施形態４に係る水温制御システム１０の構成について説明する。図７は、本発明の実施形態４に係る水温制御システム１０の配置図である。

水温制御システム１０は、水温計測装置１ａが複数ある点で、実施形態１と相違している。本実施形態では、２つの水温計測装置１ａが、各地点の水温の計測値を制御装置１ｃに送信する。２つの水温計測装置１ａは、水田中で最も水温の低い場所、水田中で最も水温の高い場所の２か所に設置する。例えば、水田中で最も水温の低い場所は、図７に示すような、水田の水口付近が挙げられる。水田中で最も水温の高い場所は、図７に示すような、水田の水口から、不要な水を排水する排水口である水尻までの水の流れから外れた場所が挙げられる。制御装置１ｃは、水温計測装置１ａの通信部１３ａから水温の計測値を受信し、その結果で入水口の開度を決定する。制御装置１ｃの演算部１１ａは、入水口の開度を決定するときに、各地点の水温計測値を平均した値を用いる。この場合、水田中の水温の最高値と最低値の平均を用いているため、水田の水温を精度よく算出することが可能となる。

（実施形態５）
本実施形態５は、水田内の各水温計測装置１ａが、設置位置ＩＤを持っている点で、実施形態１〜４と異なっている。水温計測装置１ａから制御装置１ｃに送信する水温情報は、水温の計測値以外に水温計測装置１ａの設置位置を示す位置情報である設置位置ＩＤを含んで送信する。この設置位置ＩＤと水温の計測値を制御装置１ｃの通信部１２ｃが受信すると、制御部１ｃの演算部１３ｃで入水口の開度と入水方向を決定し、入水装置１ｂに送信する。例えば、位置情報Ａの水温の計測値が、位置情報Ｂの水温の計測値より低温であった場合は、入水用水路からの冷水が位置情報Ｂの水温計測装置１ｂに向けて入水されるよう、入水口の開度と入水方向を入水方向調整手段により調整する。このように、制御装置１ｃは、水田内のどの位置の水温が低いか把握できるため、水田内で水温の低い場所に、低温の水が進行しないよう方向制御することができるなど、水温制御を精度よく行うことが可能となる。

以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、入水装置１ｂ，２ｂの近傍に、ヒーターや水温コントローラ等の温度調節器を備えておき、水温計測装置１ａから送信される水温の計測値に基づいて、予め入水温度を調節しておいても構わない。

１…水温制御システム、１ａ…水温計測装置、１１ａ…演算部、１２ａ…水温計測部、１３ａ…通信部、１ｂ、２ｂ…入水装置、１１ｂ…入水口、１ｃ…制御装置、１２ｃ…通信部、１３ｃ…演算部、２１ｂ…駆動部材

Claims

水田の水温を調整する水温制御システムであって、
前記水田の水温を計測する複数の水温計測装置と、
水田へ入水を実行する入水装置と、
フィードバック制御を用いて、前記水温計測装置で計測した水温値と目標とする水温の設定値とを比較して前記入水装置が備える入水口の開度を決定し、決定した前記開度になるよう前記入水装置を動作させる制御装置と、
を備え、
前記入水装置は、入水する水の方向を調整する入水方向調整手段を備え、
前記水温計測装置が送信する水温情報には、複数の前記水温計測装置の設置位置を示す位置情報を含み、
前記水温計測装置で計測した水温値と目標とする水温の設定値との比較、及び前記位置情報により、前記入水方向調整手段の入水方向を調整する水温制御システム。
前記フィードバック制御は、Ｐ制御であることを特徴とする、請求項１に記載の水温制御システム。
前記フィードバック制御は、三位置制御であることを特徴とする、請求項１に記載の水温制御システム。