KR100344353B1 - 디지털제어 및 통신기능을 갖춘 유량조절밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디지털제어 및 통신기능을 갖는 유량조절밸브에 관한 것으로, 비동기 통신방식에 의해 원격제어 및 자기고장진단 등이 가능하며, 밸브 각각의 유니트(Unit)가 개별로 고유 제어특성을 부여받아 요구되는 유량조절기능을 갖고 전체 계통의 총체적 제어, 실시간 통신, 데이터 적산이 가능한 디지털제어 및 통신기능을 갖는 유량조절밸브이다. 본 발명의 목적은 밸브개체의 유량제어능력은 물론 현장에서의 설치, 유지, 정비가 용이하고 원격제어 및 감시기능을 보유하는 단순 구조의 디지털 제어방식 구동제어장치를 사용한 밸브를 개발하여 일반 산업현장에서 경비절감 및 안전성을 확보하고 유지관리의 효율성을 꾀하고자 하는데 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명의 구성은 압력센서, 밸브개체의 직접디지털제어(D.D.C)를 수행하는 마이크로컨트롤러 및 구동부를 하나의 유니트로 하여 구비하는 밸브 구동제어장치로 이루어져, 유량조절 및 통신방식에 의한 디지털제어가 가능하도록 한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

디지털제어 및 통신기능을 갖춘 유량조절밸브{Flow control valve with Digital control and Communication function}
본 발명은 디지털제어 및 통신기능을 갖는 유량조절밸브에 관한 것으로, 더 상세하게는 비동기 통신방식에 의해 원격제어 및 자기고장진단 등이 가능하며, 밸브 각각의 유니트(Unit)가 개별로 고유 제어특성을 부여받아 요구되는 유량조절기능을 갖고 전체 계통의 총체적 제어, 실시간 통신, 데이터 적산이 가능한 디지털제어 및 통신기능을 갖는 유량조절밸브에 관한 것이다.
통상의 유량조절밸브는 일반적으로 압력차를 이용한 전기적 제어방식으로서, 링크(Link)기구, 혹은 전기적 브리지(Bridge)회로를 활용하여 등비율 또는 선형 유량특성을 갖도록 보정하는 방식이다. 모터를 이용하여 밸브 자체의 설정치에 따른 단순한 조절기능으로, 개별 밸브의 유량조절에 국한되어 있어 시스템의 효율적 제어 및 관리를 위해서는 고가의 별개 제어 및 감시 시스템이 요구된다. 또한 차압측정을 위하여 밸브 몸체 혹은 밸브 전,후단의 배관 내에 압력센서를 설치하며, 밸브 몸체 내에 압력센서가 설치되어있는 경우, 밸브 전,후단에서의 유체와류현상으로 정확한 유량측정이 어렵고 센서 고장시 전문가에 의한 밸브몸체의 분해를 요하게 된다. 또한, 배관 내에 센서를 설치하는 경우에는 센서설치를 위한 현장시공 및 교정작업이 별개로 이루어진다. 그 밖의 서보 모터, 스텝핑 모터 혹은 각종 기계적 감속장치를 활용한 밸브들이 있으나 일반 산업현장에서 사용하기에는 복잡하며 고가인 문제점이 있다.
본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 그 목적은 밸브개체의 유량제어능력은 물론 현장에서의 설치, 유지, 정비가 용이하고 원격제어 및 감시기능을 보유하는 단순 구조의 디지털 제어방식 구동제어장치를 사용한 밸브를 개발하여 일반 산업현장에서 경비절감 및 안전성을 확보하고 유지관리의 효율성을 꾀하고자 하는데 있다.
산업현장에서 냉수,온수 및 스팀 등의 개폐 및 유량조절에 사용되는 유량조절밸브에 있어서, 압력센서, 밸브개체의 직접디지털제어(D.D.C)를 수행하는 마이크로컨트롤러 및 밸브를 개폐하는 구동부를 하나의 유니트로 하여 구비하는 밸브 구동제어장치로 이루어지고, 또한 상기 마이크로컨트롤러(7)내에 압력센서(6)에서 얻은 정보로 유량조절을 위한 소프트웨어, 압력계산 및 유량 입/출력 적산 프로그램 등 총체적 제어를 위해 필요한 관련 소프트웨어를 내장하여 유량조절은 물론 직접디지털제어기(17)와 비동기 통신라인(19)으로 연결하여 1개의 직접디지털제어기(17)에서 밸브 32개까지를 디지털방식의 원격제어 및 감시와 자기진단이 가능케 하며, 또한 상기 구동부(8)는 교류모터와 평기어 및 웜(Worm)기어를 이용한 유량조절 버터플라이밸브 구동장치를 갖는 것으로 완성된다.
도 1 은 유량조절용 버터플라이밸브의 구동제어장치 구성도
도 2 는 유량조절 및 제어 일괄작업도
도 3 은 마이크로컨트롤러의 구성도
도 4 는 원격제어 및 감시를 위한 통신라인의 구성도
도 5 는 유량조절 버터플라이 밸브의 웜(Worm)기어를 이용한 구동장치
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) 밸브몸체 (2) 구동제어장치
(3) 유체인입구 (5) 압력센서 연결부
(6) 압력센서 (7) 마이크로컨트롤러
(8) 구동부 (10) 마이크로프로세서
(16) 주컴퓨터 (17) 직접디지털제어기
(19) 비동기 통신라인 (20) 병렬연결
(21) 교류모터 (22) 웜기어
(23) 평기어 (24) 수동핸들
(25) 밸브 디스크
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 고안의 실시예의 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.산업현장에서 냉수,온수 및 스팀 등의 개폐 및 유량조절에 사용되는 유량조절밸브에 있어서,밸브몸체(1)의 상,하류측에 압력 측정용 유체인입구(3)를 설치하고 유체인 입구(3)에서 연결튜브(4)로 압력센서 연결부(5)를 통하여 연결된 압력센서(6)와;원격제어 및 감시용 통신라인(9)을 통하여 직접 디지털 제어기(17)에서 주 컴퓨터(16)로 연결되는 마이크로프로세서(10)가 내장된 마이크로콘트롤러(7)와;교류모터(21)에서 평기어(23)및 웜기어(22)를 통하여 밸브디스크(25)을 개폐시킬 수 있는 구동부(8)가 단일유니트화 된 밸브 구동 제어장치(2)로 이루어진것이다.
상기의 마이크로컨트롤러(7)에서 원격제어 및 감시용 통신라인(9)으로 연결되는 직접 디지털 제어기(17)는 1~32개의 밸브 제어가 가능케 구성한 것이다.
이와 같이 된 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 유량조절용 버터플라이밸브 에서 설명하면, 압력센서(6), 마이크로컨트롤러(7), 구동부(8)가 하나의 유니트(Unit)로 구성되어 구동제어장치(2)를 이루고 있으며 밸브몸체(1)의 배관 상,하류측에 압력 측정용 유체인입구(3)를 설치하고 유체인입구(3)에서 연결튜브(4)로 압력센서 연결부(5)를 통하여 구동제어장치(2)내에 설치된 압력센서(6)로 연결시켜 구성하고, 압력센서(6)로부터 측정된 차압자료를 이용하여 마이크로컨트롤러(7)내에 내장되어 있는 마이크로프로세서(도 3,10)에서 차압 및 유량이 계산되고 입력되어있는 밸브의 압력변화에 따른 고유 유량특성 설정치와 대비하여 유량특성 알고리즘을 적용한 보정 프로그램에 의해 원하는 유량특성으로의 보정량을 설정하고 설정량에 따른 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation)에 의해 모터 회전량을 지시하고 밸브의 위치를 적정 제어하는 전자적 밸브 개폐제어방식의 유량조절이 이루어진다. 상기한 마이크로프로세서(10)의 모든 정보는 도 4 에서 보는 바와 같이 마이크로컨트롤러(7)에서 원격제어 및 감시용 통신라인(9)을 통하여 직접디지털제어기(17)와 비동기 통신라인(19)으로 연결되어 주컴퓨터(16)에서의 전체 시스템 원격제어 및 감시가 가능케 하였다.
또한, 도 3은 마이크로컨트롤러의 구성도로서 마이크로컨트롤러(7)의 주요구성요소인 마이크로프로세서(10)는 통신방식 및 휠드버스방식 프로그램과 제어용 소프트웨어 논리가 구성되도록 한다. 마이크로프로세서(10)의 주요 소프트웨어는 "비동기 통신 프로토콜 구현 알고리즘", "입출력 논리 알고리즘", "유량계산을 위한 압력, 면적계산 데이터베이스 구조", "자체진단 논리", "통신적용 논리", "비례 미적분 제어 알고리즘", "압력차 입력 논리", "출력 펄스폭 분할 논리", "사용자 프로그램 일부 논리", "불휘발성 반도체 기억(EEPROM) 정전,복전 논리", "위치제어 센서에 대한 논리" 등으로 구성된다. 이러한 프로그램이 내장된 마이크로컨트롤러(7)는 다음과 같은 기본적 선택기능을 갖춘다.
· < CTL >(11) : 제어 신호 입력단
- 전류 제어시 : 4 mA ~ 20 mA
- 전압 제어시 : 0 V ~ 10 V
· <CTL Type>(12) : 제어신호를 설정하는 것으로 전류방식과 전압방식을 선택하여 사용할 수 있다.
· <AUTO SET>(13) : 초기 설정시 사용하는 기능으로 "초기 및 종료" 범위를 자동으로 설정 인식한다.
· <MODE SET>(14) : 제어 방식을 선택하는 것으로 다음의 2가지 모드가 있다.
- 가열모드(Heating mode) (+)
4 mA(0 V)입력시 완전닫힘, 20 mA(10 V) 입력시 완전열림으로 동작한다.
- 냉각모드(Cooling Mode) (-)
4 mA(0 V)입력시 완전열림, 20 mA(10 V) 입력시 완전닫힘으로 동작한다.
· <LOCAL/REMOTE>(15)
- <Remote> 선택시 : 직접디지털제어기와 통신에 의해 주컴퓨터에서 모든 제어와 상태를 감시하게 된다.
- <Local> 선택시 : 직접디지털제어기나 현장제어기에서 자동 및 수동으로 모든 제어를 수행한다.
또한, 도 4의 원격제어 및 감시를 위한 통신라인의 구성도에서 보는 바와 같이 원격제어 및 감시를 위한 통신라인의 구성은 주컴퓨터(16)에서 직접디지털제어기(17) 및 현장 밸브(18)들을 연결하는 비동기 통신라인(19)으로 구성되며 주컴퓨터(16)는 다수개의 직접디지털제어기(17)와 연결이 가능하며 하나의 직접디지털제어기(17)에서 1 ∼ 32개의 밸브 제어를 할 수 있다. 직접디지털제어기(17)는 운용자 관리, 통신관리, 이벤트 처리, 시스템 상태관리 등의 모듈을 갖추며, 시스템설정, 관제점 등록, 제어 및 감시, 연속감시, 제어파일관리, 원격시스템 관리, 통신상태감시 등의 주요 모듈을 갖춘다. 직접디지털제어기(17)와 현장의 각각의 밸브(18)들은 비동기통신라인(19)으로 병렬연결(20)되며 각 밸브마다의 고유 제어특성 부여로 밸브(18)개개의 마이크로컨트롤러(7)에서의 피드백(feedback)에 따른 자료를 처리하여 중앙통제가 가능토록 구성한다.
또한, 구동부(8)는 유량조절에 따른 밸브 개폐의 정밀한 동작과 샤프트의 회전 토르크(Torque) 값을 무리없이 전달할 수 있도록 하고, 저렴하고 취득이 용이한 부품을 사용하여 정비유지가 간단한 구조로 한다.
또한, 도 5의 유량조절 버터플라이 밸브의 웜기어(22)를 이용한 구동장치의 예시도에서 보는 바와 같이, 교류모터(21)와 2단 변속의 웜기어(22)를 이용한 유량조절 버터플라이밸브 구동장치의 예로서, 교류모터(21)에서의 동력이 평기어(23) 및 웜기어(22)를 통하여 감속되어 밸브 디스크(25)의 개폐도를 조절하게 되며 경우에 따라서 수동으로 밸브의 개폐가 가능하도록 수동핸들(24)을 설치한다.
(발명의 변형예, 응용예)
상기에 관한 본 발명은 그 실시예에 국한되지 아니하고, 그 구조적 변형이나 설계변경 등은 모두 본 발명에 포함되며, 유량조절밸브의 구동제어장치(2)를 구성함에 있어서 압력센서(6)와 제어부의 마이크로컨트롤러(7)를 하나의 보드상에 배치하는 것, 사용자의 요구에 따른 관리항목만을 바꾼 소프트웨어를 추가 또는 삭제한 마이크로프로세서(10)의 변형, 버터플라이 밸브뿐만이 아닌 모든 종류의 유량조절 밸브에 본 발명의 구동제어장치(2)를 사용할 수 있으며, 구동부(8)는 밸브의 종류, 용량, 크기에 따라 모터의 종류(직류 모터, 서보 모터, 스텝핑 모터 등) 변형 및 감속장치의 기어 종류(헤리컬기어, 평기어 등)와 조합 형태(직결, 랙과 피니언, 링크사용 등)의 변형 등으로 응용할 수 있는 것도 포함한다.
본 발명은 밸브용 제어계통 및 장치로서, 종래의 산업현장에서 스팀, 온수 등의 유량조절밸브의 단순 개폐기능이나 밸브개체의 유량조절에 국한되어 취급되는 것을 밸브개체는 물론 밸브군을 형성하여 집단적으로 통신방식에 의해 원격제어 및 실시간 통신데이터 교환방식이 가능하도록 하며, 밸브 개체가 고유제어특성을 부여받아 유량조절 및 자기고장진단 등을 행하도록 하여 밸브 개체의 오동작을 미연에 방지하며 유체 인입시 발생될 수 있는 기계적 충격의 완화, 비상시의 통신방식에 의한 원격 안전제어, 운전중 순간정전 발생시에도 정보 데이터를 보유하여 복전시 정보처리의 즉각적 수행, 바이패스 장치의 대체효과 등 많은 산업적 효과가 얻어지며 경비절감 및 안전성 확보가 이루어지는 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

  1. 산업현장에서 냉수,온수 및 스팀 등의 개폐 및 유량조절에 사용되는 유량조절밸브에 있어서,
    밸브몸체(1)의 상,하류측에 압력 측정용 유체인입구(3)를 설치하고 유체인 입구(3)에서 연결튜브(4)로 압력센서 연결부(5)를 통하여 연결된 압력센서(6)와;
    원격제어 및 감시용 통신라인(9)을 통하여 직접 디지털 제어기(17)에서 주 컴퓨터(16)로 연결되는 마이크로프로세서(10)가 내장된 마이크로콘트롤러(7)와;
    교류모터(21)에서 평기어(23)및 웜기어(22)를 통하여 밸브디스크(25)을 개폐시킬 수 있는 구동부(8)가 단일유니트화 된 밸브 구동 제어장치(2)로 이루어진것을 특징으로 하는 디지털제어 및 통신기능을 갖춘 유량조절밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러(7)에서 원격제어 및 감시용 통신라인(9)으로 연결되는 직접디지털제어기(17)는 1~32개의 밸브 제어가 가능케 한 것을 특징으로 하는 디지털제어 및 통신기능을 갖춘 유량조절밸브.
  3. 삭제
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