KR0164682B1 - 분진 농도 추종 제어 시스템 - Google Patents

분진 농도 추종 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 출구로 유출되는 분진의 양을 측정하여 이를 기준으로 하전 전압을 가하는 종래의 분진 농도 추종 제어 방법의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전원 형상에 관계없이 전기 집진기의 입구와 출구로 유입, 유출되는 분진 농도와 그 변화량에 대하여 능동적이고 즉각적으로 하전 전압/전류의 크기를 달리하는 분진 농도 추종 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명인 분진 농도 추종 제어 시스템은 전기 집진기의 입구와 출구측에서 유입, 유출되는 분진 농도를 측정하는 오패시티 미터(Opacity Meter)와 측정된 양을 전기신호로 변환하기 위한 신호변환기와, 신호변환기에 의해 변환된 신호를 이용하여 하전값을 제어하기 위한 PLC와, PLC에 의해 처리된 결과를 Si-TR 콘트롤러에 전송하기 위한 멀티플렉서 및 통신용 컨버터등으로 구성된다.
본 발명에 의하면, 입구측의 분진 농도를 기준으로 예측 제어를 하고, 출구측의 분진 농도를 기준으로 피이드백 제어를 함으로써 집진기의 상태를 정확히 파악하여 불필요한 전력 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 통신 시스템을 이용함으로써 PLC에 의한 데이터값 등을 정확히 Si-TR 콘트롤러에 전달 할 수 있으며, 범용 제어기인 PLC를 사용함으로써 시스템의 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있다는 효과가 있다.

Description

분진 농도 추종 제어 시스템
제1도는 본 발명의 분진 농도 추종 제어 시스템의 구성도.
제2도는 본 발명의 분진 농도 제어 방식의 처리도.
제3도는 분진 농도 추종 제어 프로그램의 구성도.
본 발명은 전기 집진기의 분진 농도 추종 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 집진기의 입구와 출구로 유입, 유출되는 분진 농도와 그 변화량에 대해서 즉각적이고 능동적으로 하전량(전압 또는 전류)의 크기를 변경시키는 분진 농도 추종 제어 시스템에 관한 것이다.
종래의 분진 농도를 이용한 집진기의 제어 방법은 출구로 배출되는 분진의 양을 일정 시간동안 측정하고, 이를 설정치와 비교하여 하전 전압을 결정하는 형태를 취하고 있다.
이와 같이 하면, 입구측으로 유입되는 분진량을 고려하지 않기때문에 유입되는 분진량에 대한 적정값 보다 하전값을 가하거나 적은 하전값을 대한 필요 이상의 전력을 가해주어 집진 전력이 낭비되는 결과가 발생하거나, 많은 양의 분진 유입시 제대로 집진하지 못하는 등의 문제점이 있다.
또한 종래의 제어 방법은 트랜스포머(이하 'TR'라 함) 콘트롤러에 제어기(분진 농도 추종 제어 시스템의 제어기)의 명령이 부정확하게 전달되거나 주변 환경에 의한 노이즈 등의 영향으로 명령의 정확성을 보장할 수 없게 되어 정확한 하전값에 의한 집진을 할 수 없거나, 명령치와 실제 하전되는 값과의 사이에 오차가 발생하여 이로 인한 시스템의 오동작을 가져올 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 전기 집진기는 상시 운전을 하여야 하므로 제어기의 내구성과 신뢰성 검증에 문제가 있고, 열악한 설치 환경에 비추어 제어 시스템 운영의 안정성 문제가 야기될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 출구뿐만 아니라 입구측의 분진 농도까지 감안하여 하전하고, 필드의 분진량에 대한 정확한 하전값을 줌으로써 불필요한 하전 소모 전력을 줄이고 신속 정확하게 제어할 수 있다.
또한 통신 시스템을 이용하여 하전값(하전전압, 전류의 명령치 또는 각종 데이터)을 정확하게 전달하므로 시스템을 안정적으로 운용할 수 있고, 신뢰성 및 안정성이 검증된 제어기를 사용하므로 시스템의 신뢰성 확보와 트러블(Trouble)등의 문제 해결을 쉽게 하여 최적의 상태로 집진기를 운영할 수 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 분진 농도 추종 제어 시스템은 전기 집진진기의 입구와 출구측에서 각각 유입, 유출되는 분진 농도를 측정하기위한 오패시티 미터(Opacity Meter)와 측정된 양을 전기 신호로 변환하기위한 신호 변환기(Signal Transmitter)와 이것에 의해 변환된 신호를 이용하여 하전값을 제어하는 분진 농도 추종제어 콘트롤러와 분진 농도 추종제어 콘트롤러에 의한 하전값을 정류하는 트랜스포머(TR)와 TR을 제어하기 위한 TR 콘트롤러와 분진 농도 추종 제어 콘트롤러에 의한 하전값을 다수의 TR 콘트롤러에 전송하기 위한 멀티플렉서(Multiplexor) 및 통신용 컨버터로 구성된다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 분진 농도 추종 제어 시스템의 구성도를 나타낸 것으로, 제1도의 분진 농도 추종 제어 콘트롤러는 PLC를 사용하였으며, TR은 Si-TR을 사용하였다. PLC는 산업용 프로그램이 가능한 제어기로써 연산 기능과 데이터의 송수신 기능 등을 가지고 있으며, PID제어 기능과 같은 특정한 제어 기능도 가지고 있다. 또한, 산업용으로 대량 생산되는 제품이기 때문에 신뢰성 및 범용성에 문제가 없으며, 제작자만이 알 수 있는 다른 제어기에 비해 수리, 유지, 보수가 편리한 장점이 있다.
본 시스템은 복수의 필드로 구성되어 있는 전기 집진기의 각 필드마다 가중치를 주어 하전량을 조정할 수 있도록 하여 에너지 절감 및 집진 효율을 높이는 최적 제어를 하였다.
또한 본 발명은 PLC에 의해 연산 처리된 결과를 다수의 Si-TR콘트롤러에 송수신하기 위한 통신 시스템을 구축하였다.
즉, 도이치-엔더슨 방정식의 역함수를 이용한 피이드 포워드 루프(Feed Forward Loop)와 PID 알고리즘을 이용한 피이드백 루프(Feedback Loop)에 의해 PLC 내에서 결정된 하전밧을 데이터 통신을 통해 다수의 Si-TR 콘트롤러로 전송한다. 이때 사용되는 기기는 멀티플렉서 BM85와 멀티플렉서에서 발생하는 RS-232신호를 RS-485 신호로 변환하는 기기인 A1000이 있다.
BM85는 멀티플렉서의 일종으로 Modbus 프로토콜로 운영되며 송수신할 데이터를 신속 정확하게 다수의 콘트롤러에 전송할 수 있는 기능을 가지고 있으며, A1000은 변환된 신호를 Si-TR 콘트롤러에 송수신하는 역할을 한다.
Si-TR 콘트롤러는 수신된 데이터(명령치)에따라 Si-TR을 하전시키고, Si-TR로 부터 정보를 입수하여 분진 농도를 추종 제어 시스템의 제어기인 PLC로 송신한다.
출구 분진 농도는 설정치를 변경시킬 필요성이 있을 경우에 대비하여 썸휠(Thumb Wheel)스위치로 외부에서 그 값을 설정할 수 있게 하였다.
제2도는 분진 농도를 추종 제어 방식을 나타낸다. 제2도에 도시한 바와 같이 먼저, 오패시티 미터를 이용하여 전기 집진기의 입구로 유입되는 분진의 농도를 측정하고 이를 기준으로 예측 제어를 하며, 또한 환경 규제치 등을 감안한 설정치를 기준으로 오패시티 미터로 측정된 출구 분진 농도를 피이드백 받아 제어한다.
출구 분진 농도는 환경 규제치로 정해져 있어 일정량 이상의 배출을 금하므로 규제치 이하로 유지되어야한다.
PLC는 측정된 입구와 출구의 분진 농도 값을 이용하여, 입력된 분진 농도 추종 제어 프로그램으로 집진기를 제어하며, 그 구성은 입구 분진 농도에 대해 예측 제어하는 전기 집진기의 집진 효율 방정식인 도이치-엔더슨(Deutsch-Anderson) 방정식의 역함수와 출구 분진 농도를 입력받아 제어하는 PID 알고리즘이다.
두 제어 방법의 변수로는 입구 분진 농도, 출구 분진 농도, 전압/전류 등이 있으며 이 제어 방식에 의해 입구로 유입·유출되는 분진 농도에 따라 전기 집진기의 하전량(전압 또는 전류)이 결정된다.
출구 측에서 측정된 분진 농도를 출구 분진 농도에 대한 설정 값과 비교하여 피이드백 제어에 의해 설정 값에 가까운 출구 분진 농도를 유지시키고, 입구측의 분진 농도를 입력받아 예측 제어하게 되며, 예측 제어의 결과와 피이드백 제어의 결과는 각각 예측 제어, 피이드백 제어, 또는 연산에 의해 하나의 결과치인 최적 제어값을 발생할 수 있도록 하였다. 이 값이 전기 집진기에 하전값으로 주어져 출구로 배출되는 분진량이 환경 규제치 이하가 되도록 한다.
제3도는 분진 농도 추종 제어 프로그램의 구성을 흐름도를 통해 나타낸다. 전기 집진기 입구측의 분진 농도는 오패시티 미터에 의해 4~20mA의 전류신호로 분진 농도를 표시한다. 이 신호는 각 신호 변환기에 의해 0~10V의 전압신호로 변환된다. 변환된 입구 분진 농도 신호는 분진 농도 추종 제어의 제어기인 PLC의 아날로그 입력 모듈로 입력된다. 입력된 신호는 디지털의 형태로 변환되며 이를 일정한 범위의 숫자만을 이용하기 위해 상한을 초과하는 숫자는 상한치로 하한 이하의 값은 하한치로 인식하도록 한다.
일정 범위 안의 아날로그 값들은 신뢰성을 높이기 위해 일정 개수의 평균값을 구한다. 평균 처리에 의한 값은 도이치-앤더슨 방정식의 역함수에 의해 예측 제어를 행하고 그 결과인 하전값을 구한다.
출구측의 오패시티 미터에서 측정된 분진 농도의 값은 입구측과 마찬가지로 4~20mA 형태로 출력되며 이를 0~ 10V로 변환하여 PLC의 아날로그 모듈로 입력되며 일정한 범위의 디지털 형태로 변환된다. 출구 분진 농도 역시 일정 범위를 설정하여 상한과 하한을 초과/미달하는 값들은 각각 상한치와 하한치로 인식되도록 한다.
일정한 개수의 출구 분진 농도 값에 대해서 평균값을 구한다. 평균 계산된 값은 PID알고리즘을 이용한 피이드백 제어에 의해 하전값을 출력한다.
입구 분진 농도에 의한 예측 제어와 출구 분진 농도에 따른 피이드백 제어를 연산하여 전기 집진기의 상태 변화에 능동적인 제어를 한다. 분진 농도 추종 제어의 결과인 하전값을 Si-TR 콘트롤러에 전송하기 위해 데이터 통신을 이용한다. 통신은 PLC의 통신 기능을 이용하여 데이터를 송수신하고 Si-TR 콘트롤러의 상태에 대한 데이터를 받아서 최적 제어 시스템의 구성에 이용한다.
전기 집진기의 입구 분진 농도를 기준으로 하는 예측 제어는 입구로 유입되는 분진량의 변화에 능동적으로 대처하여 피이드 백 제어의 속응성을 보완하여 오차를 신속히 줄이고, 또 역으로 출구 분진 농도를 기준으로 하는 피이드 백 제어는 예측 제어의 편차를 줄임으로써, 예측 및 피이드 백 제어 개념을 혼합한 최적 제어를 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명인 분진 농도 추종 제어 시스템에 의하면, 출구뿐만 아니라 입구측의 분진 농도까지 이용하여 하전을 하기 때문에 필드의 분진량에 대한 정확한 하전값을 주게되어 불필요한 하전 전력을 줄임으로써 집진 소모 전력을 줄일 수 있고, 통신 시스템을 이용하여 하전값을 정확하게 전달하기 때문에 안정적인 시스템을 운영할 수 있으며, 신뢰성 및 안정성이 검증된 제어기를 사용함으로써 신뢰성 확보 및 수리나 트러블슈팅(Trouble Shooting) 등의 문제 해결이 쉬워진다는 효과가 있다.
상기 실시예에서는 분진 농도 추종 제어기로서 PLC에 대해서만 설명하였으나, 이에 한정하지 않고 연상기능이나 데이터의 송수신이 가능한 제어기를 사용하여도 마찬가지 효과가 얻어진다.
통신용 컨버터도 RS-232/RS-485 컨버터 뿐만 아니라 다른 유· 무선 통신용 컨버터도 가능하다.

Claims (11)

  1. 전기 집진기의 입구와 출구측에서 각각 유입, 유출되는 분진 농도를 측정하기 위한 오패시티 미터(Opacity Meter)와, 오패시티 미터에 의해 측정된 양을 전기신호로 변환하기 위한 신호 변환기(Signal Transmitter)와, 상기 신호 변환기에 의해 변환된 신호를 이용하여 하전값을 제어하기 위한 분진 농도 추종제어 콘트롤러와, 상기 분진 농도 추종 제어 콘트롤러에 의한 하전값을 정류하기 위한 트랜스포머(TR)와, 상기 트랜스포머(TR)를 제어하기 위한 TR 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분진 농도 추종 제어 장치는 소정의 출구 분진 농도의 설정치 값을 외부에서 설정할 수 있도록 하기 위한 썸휠(Thumb Wheel) 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분진 농도 추종 제어 콘트롤러는 PLC(Programmable Logic Controller)인 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분진 농도 추종 제어 장치는, 상기 분진 농도 추종 제어 콘트롤러에 의해 연산 처리된 결과를 TR 콘트롤러에 전송하기 위한 통신용 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분진 농도 추종 제어 장치는 상기 분진 농도 추종 제어 콘트롤러에 의해 연산 처리된 결과를 하나 이상의 TR 콘트롤러에 전송하기 위한 멀티플렉서 및 통신용 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 통신용 컨버터는 RS-232/RS-485 컨버터인 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 장치.
  7. (a) 전기 집진기의 입구와 축구측에서 각각 유비, 유출되는 분진 농도를 측정하는 단계와, (b) 입구 분진 농도를 기준으로 예측 제어를 하는 단계와, (c) 출구 분진 농도를 환경 규제치 등의 설정치를 근거로 피이드백 제어를 하는 단계와, (d) 예측 제어의 결과와 피이드백 제어의 결과를 연산하여 하나의 결과치인 제어 값을 발생하는 단계와, (e) 상기 제어값을 TR 콘트롤러에 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전송단계 (e)는 통신 시스템을 이용하여 전송하는 것을 특징으로 하는 부진 농도 추종 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 예측 제어를 하는 단계 (b)는, 변환된 입구 분진 농도 신호를 분진 농도 추종 제어 콘트롤러의 아날로그 입력 모듈로 입력하는 단계와, 상기 입력된 신호를 상,하한 처리하는 단계와, 일정 범위 안의 아날로그 값들로 부터 일정 개수의 평균값을 구하는 단계와, 상기 평균값 처리에 의한 값을 도이치-엔더슨 방정식의 역함수에 의해 예측 제어를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 피이드백 제어를 하는 단계 (c)는, 변환된 출구 분진 농도를 분진 농도 추종 제어 콘트롤러의 아날로그 입력 모듈로 입력하는 단계와, 상기 입력된 신호를 상, 하한 처리하는 단계와, 일정 개수의 출구 분진 농도 값에 대하여 평균값을 구하는 단계와, 상기 평균 계산된 값을 PID 알고리즘을 이용하여 피이드백 제어를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 분진 농도 추종 제어 콘트롤러는 PLC인 것을 특징으로 하는 분진 농도 추종 제어 방법.
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