KR100468005B1 - 하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접자동제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접자동제어 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하폐수처리장에서 주로 사용되는 PLC(프로그래머블 로직 콘트롤러)의 제어기술을 개방적인 구조의 컴퓨터(Personal Computer 또는 Workstation Computer) 기반의 제어기술 적용을 통해 컴퓨터의 데이터 처리속도와 다양하게 응용접목이 가능한 시스템의 적용 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컴퓨터에 자료수집 및 전송 카드를 삽입하고 이를 이용하여 계측기기 및 감시기기의 신호를 직접 수집하던가 또는 제어계기 및 제어기기에 신호를 직접 전송하는 것으로 PLC를 이용하지 않으며, 컴퓨터를 통하여 직접 자료의 수집 및 전송하는 시스템 기술에 관한 것이다.
본 발명에 적용되는 하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템은, 현재값을 아날로그 신호(직류 4-20mA)로 전송하는 계측기기와, 현재상태를 디지털 신호(Dry Contact)로 전송하는 감시기기와, 상기 아날로그 신호를 자료수집 및 전송 카드에서 인식이 가능한 상태(다중 절연된 직류 1-5V)로 신호 절연전환을 하는 다중 아날로그 신호 절연전환 입력보드와, 상기 디지털 신호를 자료수집 및 전송 카드에서 인식이 가능한 상태(다중 절연된 5V TTL)로 신호 절연전환하는 다중 디지털 신호 절연전환 입력보드와, 상기 아날로그 신호 및 디지털 신호를 PCI(Peripheral Component Interconnect) 신호 체계로 전환하는 자료수집 및 전송 카드와, PCI 신호 체계를 통하여 수집된 데이터를 연산처리하여 HDD로 저장 및 TCP/IP로 전송하는 컴퓨터의 CPU와, 상기 TCP/IP를 통하여 전송되는 데이터를인터넷을 이용하여 실시간으로 표시 및 데이터베이스로 저장하는 원격지 컴퓨터와, 상기 원격지 컴퓨터에서의 제어명령을 상기 TCP/IP를 통하여 전송받는 호스트 컴퓨터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 적용되는 하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 방법은, 자료수집 및 전송 카드의 초기화를 실행하며, 초기값을 읽어들이는 단계와, 각종 계측기기 및 감시기기에서 전송되는 신호를 PCI 신호 체계에 의하여 아날로그 데이터를 채널별로 0.5초당 20개의 데이터를 수집(Sampling)하여 데이터의 이동평균 과정을 거쳐 여과된 아날로그 데이터를 얻으며, 디지털은 수집(Scanning)된 데이터를 얻는 단계와, 상기 과정에서 얻어진 데이터를 아날로그의 경우 공장자동화의 일반 규격인 절연된 직류 1-5 V의 범위에 있어 계측기기가 정상적인 동작을 하고 있는지 판단하고 디지털의 경우 NC 또는 NO 상태를 인지하여 감지기기의 현재상태를 판단하는 단계와, 에러율 보정을 통하여 계측기기의 오차를 교정한 다음 무효값의 경우에는 Under Range 또는 Over Range를 문자열로 화면표시하고, 감시기기의 디지털 신호에서 채터링(Chattering)을 나타내는 경우에는 에러를 문자열로 화면표시하고, 나머지 유효값의 경우에는 숫자열의 정상 데이터로 인식하고 다음의 연산과정을 준비하는 단계와, 유효값은 신호 범위결정 과정을 거쳐 단위를 포함한 물리량으로 환산하고, 댐핑(Damping)과정을 거쳐 급변하는 신호를 완충시켜 얻은 숫자열의 현재값을 화면표시하는 단계와, 호스트 컴퓨터에 화면표시된 문자열 또는 숫자열을 연월일.txt 형태의 파일로 저장하고, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송 및 다음의 제어과정을 위해 데이터를 임시 저장하는 단계와, 원격지 컴퓨터에서 인터넷을 통하여 호스트 컴퓨터에 접속하여 TCP/IP의 형태로 전송된 데이터를 화면표시하고 제어상태를 호스트 컴퓨터에 전송하는 단계와, 데이터베이스 용도의 컴퓨터에 호스트 컴퓨터에서 전송되는 데이터를 통합하여 관리가 용이하도록 단일의 표준화된 데이터베이스로서 저장하는 단계와,
정밀제어(아날로그 전송출력)하는 경우 현재값과 초기값으로 읽어들인 설정 포인트(Setting Point)와의 물리량의 편차를 연산하여 이에 따른 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 절연된 직류 4-20mA의 아날로그 신호를 제어계기로 전송하는 단계와, ON/OFF 제어를 실행하는 경우 현재값과 초기값으로 읽어들인 시간 및 간격 등의 데이터를 파악함과 동시에 과부하(Over Load)의 신호를 참조하여 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 디지털 제어신호를 제어기기로 전송하는 단계와, 제어되는 각종인자, 현재상황 및 제어출력 등과 같은 데이터를 호스트 컴퓨터에서 화면표시하고 연월일.TXT(yymmdd.TXT) 형태로 저장, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송하는 단계와, 호스트 컴퓨터에서 제어인자, 시간 및 간격을 수정하는 것을 제어시 중요 데이터를 변경하거나, 인터넷을 이용하여 컴퓨터의 데이터베이스에 접속하거나, 원격지 컴퓨터를 통하여 제어를 실행하는 경우에는 사용자 이름, 비밀번호 등과 같은 사용자 확인의 보안과정을 거치고, 인터넷 프로토콜 주소(IP Address), 포트(Port) 등과 같은 접속상황을 한 눈에 볼 수 있도록 화면표시 하며, 기록 및 검색이 가능한 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 자동 제어시스템을 적용함으로써오늘날 여전히 많은 현장에서 사용되는 고가의 설치비용, 결선비용을 요구하는 PLC를 이용한 방법에 비하여 저렴할 뿐만 아니라 유지보수가 용이하여 관리비용 또한 절감할 수 있는 장점을 포함하고 있다. 특히 소프트웨어를 통한 인터넷 전송기술을 기본으로 내장하고 있어, PLC를 이용한 제어기술에 비하여 컴퓨터를 이용한 개방형 표준의 TCP/IP 통신규약을 이용하여 원격지 제어 및 정보의 교환이 가능하며, 분산된 컴퓨터들의 데이터 교환을 설정하고 관리하는데 필요한 정보들을 통합하여 중앙집중식으로 관리할 수 있어 DCS(Distributed Control System)의 장점까지도 포함하여 사용될 수 있다.
본 발명을 통한 제어기술은 기존 방식인 하드웨어에 종속적이며 제한적인 방식에 비하여 소프트웨어를 통한 제어를 구현하는 것으로서 컴퓨터와 연계되는 어떠한 형식으로도 출력 및 입력을 호환할 수 있다는 것이 장점이며, 특히 정보기술(IT)과 환경기술(ET)의 접목을 통한 작업인력의 절감, 경영개선 및 효율성을 증가시킬 수 있으며, 실시간 이용가능한 정보화시스템을 구축을 통한 상호연계 운영을 실현할 수 있다.

Description

하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템 및 그 제어 방법{direct auto control system and control method therof for computer based lead to through internet in sewage and wastewater disposal plant}
본 발명은 하폐수처리장에서 주로 사용되는 PLC(프로그래머블 로직 콘트롤러)의 제어기술을 개방적인 구조의 컴퓨터(Personal Computer 또는 WorkstationComputer) 기반의 제어기술 적용을 통해 컴퓨터의 데이터 처리속도와 다양하게 응용접목이 가능한 시스템의 적용 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컴퓨터에 자료수집 및 전송 카드를 삽입하고 이를 이용하여 계측기기 및 감시기기의 신호를 직접 수집하던가 또는 제어계기 및 제어기기에 신호를 직접 전송하는 것으로 PLC를 이용하지 않으며, 컴퓨터를 통하여 직접 자료의 수집 및 전송하는 시스템 기술에 관한 것이다.
일반적으로 하폐수처리장에 있어서 기존의 자동제어 시스템은 도 1에 도시된 바와같이 각종 계측기기에서 전송출력되는 신호를 각각의 아날로그 신호 절연 장치를 거쳐 PLC의 아날로그 입력 모듈에 연결되고, 각종 감시기기에서 전송출력되는 신호를 각각의 디지털 신호 절연 장치를 거쳐 PLC의 디지털 입력 모듈에 연결되고, PLC에 내장된 프로그램을 통하여 일련의 연산 수행과정을 거처 생성된 자료를 통신 모듈을 통하여 RS-232C의 통신규약(양방향 1대 1의 통신규약으로 전송거리는 약 12m임)을 통하여 컴퓨터에 전송된다. 또한 PLC에서 연산된 결과를 아날로그 전송출력 모듈을 통하여 각각의 아날로그 신호 절연 장치를 거쳐 연결된 각종 제어계기에 전송하며, 디지털 전송출력 모듈을 통하여 각각의 디지털 신호 절연 장치를 거쳐 연결된 각종 제어기기에 전송하여 제어를 실행하는 시스템으로 구성된다. 특히 여기서 사용되는 컴퓨터의 역할은 단지 PLC와 통신으로 각각의 할당된 채널에 해당하는 정보 및 데이터를 주고 받으며, 일정한 형식으로 저장하는 단순한 기능만을 수행한다.
위와 같은 PLC를 이용한 자동제어 시스템에서는 하드웨어뿐만 아니라 통신인터페이스가 제조사에 종속적이며, 네트워킹 기술이 제한적이거나 제조사에 종속적일 뿐만 아니라 비용이 많이 소요된다. 소프트웨어의 경우 가격대비 수행능력은 개선됨에 따라 낮아질 수 있으나 하드웨의 수행속도 및 능력이 정해져 있으므로 지극히 제한적일 수 밖에 없으며, 수행능력 향상을 위해 업그레이드를 요하는 경우 PLC 하드웨어와 소프트웨어의 동시에 업그레이드를 필요로 한다. 특히 PLC의 기술향상에 비해 컴퓨터 기술이 신속하게 향상되고 있으며, 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템은 소프트웨어 변경없이 컴퓨터만 업그레이드함으로써 수행속도 및 성능이 배가될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 컴퓨터 마더보드(Mother Board)의 기능을 최대한 활용함과 동시에 마더보드의 기능을 추가하기 위해 제공되는 슬롯에 자료수집 및 전송 카드를 삽입하여 아날로그 신호 및 디지털 신호를 직접 또는 다중 신호 절연전환 장치를 거쳐 데이터의 수집 및 제어를 구현하며, 또한 컴퓨터의 마더보드에 직접 연결된 CPU(중앙처리장치) 및 RAM(Random Access Memory)을 이용하며, 또한 HDD에 직접 저장 및 인터넷 확장카드를 이용하여 개방형 표준 TCP/IP(인터넷 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜) 규약에 의하여 데이터를 전송함은 물론, 원격지 컴퓨터에서 유.무선 인터넷을 통하여 실시간 데이터를 표시 및 안정적인 제어함과 동시에 원격지 컴퓨터에서 데이터를 통합하여 단일의 표준화된 데이터베이스로서 저장하고 관리함으로써 운전관리 효율 증대 및 비용 절감을 하고자 하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 적용되는 하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템은,
현재값을 아날로그 신호(직류 4-20mA)로 전송하는 계측기기와, 현재상태를 디지털 신호(Dry Contact)로 전송하는 감시기기와, 상기 아날로그 신호를 자료수집 및 전송 카드에서 인식이 가능한 상태(다중 절연된 직류 1-5V)로 신호 절연전환을 하는 다중 아날로그 신호 절연전환 입력보드와, 상기 디지털 신호를 자료수집 및 전송 카드에서 인식이 가능한 상태(다중 절연된 5V TTL)로 신호 절연전환하는 다중 디지털 신호 절연전환 입력보드와, 상기 아날로그 신호 및 디지털 신호를 PCI(Peripheral Component Interconnect) 신호 체계로 전환하는 자료수집 및 전송 카드와, PCI 신호 체계를 통하여 수집된 데이터를 연산처리하여 HDD로 저장 및 TCP/IP로 전송하는 컴퓨터의 CPU와, 상기 TCP/IP를 통하여 전송되는 데이터를 인터넷을 이용하여 실시간으로 표시 및 데이터베이스로 저장하는 원격지 컴퓨터와, 상기 원격지 컴퓨터에서의 제어명령을 상기 TCP/IP를 통하여 전송받는 호스트 컴퓨터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 적용되는 하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 방법은,
자료수집 및 전송 카드의 초기화를 실행하며, 초기값을 읽어들이는 단계와, 각종 계측기기 및 감시기기에서 전송되는 신호를 PCI 신호 체계에 의하여 아날로그 데이터를 채널별로 0.5초당 20개의 데이터를 수집(Sampling)하여 데이터의 이동평균 과정을 거쳐 여과된 아날로그 데이터를 얻으며, 디지털은 수집(Scanning)된 데이터를 얻는 단계와, 상기 과정에서 얻어진 데이터를 아날로그의 경우 공장자동화의 일반 규격인 절연된 직류 1-5 V의 범위에 있어 계측기기가 정상적인 동작을 하고 있는지 판단하고 디지털의 경우 NC 또는 NO 상태를 인지하여 감지기기의 현재상태를 판단하는 단계와, 에러율 보정을 통하여 계측기기의 오차를 교정한 다음 무효값의 경우에는 Under Range 또는 Over Range를 문자열로 화면표시하고, 감시기기의 디지털 신호에서 채터링(Chattering)을 나타내는 경우에는 에러를 문자열로 화면표시하고, 나머지 유효값의 경우에는 숫자열의 정상 데이터로 인식하고 다음의 연산과정을 준비하는 단계와, 유효값은 신호 범위결정 과정을 거쳐 단위를 포함한 물리량으로 환산하고, 댐핑(Damping)과정을 거쳐 급변하는 신호를 완충시켜 얻은 숫자열의 현재값을 화면표시하는 단계와, 호스트 컴퓨터에 화면표시된 문자열 또는 숫자열을 연월일.txt 형태의 파일로 저장하고, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송 및 다음의 제어과정을 위해 데이터를 임시 저장하는 단계와, 원격지 컴퓨터에서 인터넷을 통하여 호스트 컴퓨터에 접속하여 TCP/IP의 형태로 전송된 데이터를 화면표시하고 제어상태를 호스트 컴퓨터에 전송하는 단계와, 데이터베이스 용도의 컴퓨터에 호스트 컴퓨터에서 전송되는 데이터를 통합하여 관리가 용이하도록 단일의 표준화된 데이터베이스로서 저장하는 단계와,
정밀제어(아날로그 전송출력)하는 경우 현재값과 초기값으로 읽어들인 설정 포인트(Setting Point)와의 물리량의 편차를 연산하여 이에 따른 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 절연된 직류 4-20mA의 아날로그 신호를 제어계기로 전송하는 단계와, ON/OFF 제어를 실행하는 경우 현재값과 초기값으로 읽어들인 시간 및간격 등의 데이터를 파악함과 동시에 과부하(Over Load)의 신호를 참조하여 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 디지털 제어신호를 제어기기로 전송하는 단계와, 제어되는 각종인자, 현재상황 및 제어출력 등과 같은 데이터를 호스트 컴퓨터에서 화면표시하고 연월일.TXT(yymmdd.TXT) 형태로 저장, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송하는 단계와, 호스트 컴퓨터에서 제어인자, 시간 및 간격을 수정하는 것을 제어시 중요 데이터를 변경하거나, 인터넷을 이용하여 컴퓨터의 데이터베이스에 접속하거나, 원격지 컴퓨터를 통하여 제어를 실행하는 경우에는 사용자 이름, 비밀번호 등과 같은 사용자 확인의 보안과정을 거치고, 인터넷 프로토콜 주소(IP Address), 포트(Port) 등과 같은 접속상황을 한 눈에 볼 수 있도록 화면표시 하며, 기록 및 검색이 가능한 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 제어시스템에서 하드웨어의 구성도
도 2는 본 발명에서 사용되는 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 자동 제어시스템의 구성도
도 3은 일반적인 컴퓨터 마더보드의 구성도
도 4는 본 발명에서 사용되는 자료수집 및 전송 카드의 기능별 개략도
도 5는 본 발명에서 사용되는 제어시스템에서 호스트 소프트웨어의 세부 순서도
도 6은 본 발명에서 사용되는 제어시스템에서 원격지 소프트웨어의 세부 순서도
도 7은 본 발명에서 사용되는 다중 아날로그 신호 절연전환 입력보드의 기능별 개략도
도 8은 본 발명에서 사용되는 다중 아날로그 신호 절연전환 출력보드의 기능별 개략도
도 9는 본 발명에서 사용되는 다중 디지털 신호 절연전환 입력보드의 기능별 개략도
도 10은 본 발명에서 사용되는 다중 디지털 신호 절연전환 출력보드의 기능별 개략도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
Temp : 온도센서 및 온도 지지전송기
Q : 유량센서 및 온도 지지전송기
COD : 생물화학적 산소요구량 지지전송기
T-N : 암모니아성, 아질산성, 질산성 질소 및 총질소농도 지지전송기
pH : 수소이온농도 센서 및 지지전송기
ORP : 산화환원전위량 센서 및 지지전송기
MLSS : 폭기조혼합액중 미생물량 센서 및 지지전송기
Sludge : 슬러지 농도 센서 및 지지전송기
SS : 부유물질 농도 센서 및 지지전송기
Level : 수위 센서 및 지지전송기
D/P : 압력 및 차압 지지전송기
Power : 전력량 지지전송기
Pump : 다양한 종류 및 다수의 펌프
MC : 다양한 종류 및 다수의 전자접촉 스위치
EOCR : 다양한 종류 및 다수의 과전류보호 계전기
Alarm : 다양한 종류 및 다수의 알람 신호
Relay : 다양한 종류 및 다수의 전자알람 신호
AIISO : 아날로그 입력 신호 절연절환 장치
DIISO : 디지털 입력 신호 절연절환 장치
AOISO : 아날로그 출력 신호 절연절환 장치
DOISO : 디지털 출력 신호 절연절환 장치
PLC : 프로그래머블 로직 콘트롤러
DI : 디지털 입력 모듈
DO : 디지털 출력 모듈
AI : 아날로그 입력 모듈
AO : 아날로그 출력 모듈
Processor : 프로세서 모듈
Memory : 메모리 모듈
Communication : 통신 모듈
Power : 전원 공급부
RS-232C : 통신신호 규약
Computer : 개인용 컴퓨터 및 워크스테이션 컴퓨터
COM Port : 컴퓨터에서 기본으로 지원되는 통신 포트
Ethernet : 인터넷 통신 카드
CPU : 컴퓨터의 중앙연산처리장치
RAM : 컴퓨터의 메모리
HDD : 컴퓨터의 하드디스크
FDD : 컴퓨터의 플로피디스크
Monitor : 컴퓨터의 모니터 및 프로젝터와 같은 표시장치
Printer : 컴퓨터의 프린터와 같은 출력장치
INV : 모터, 교반기, 펌프 및 송풍기 등의 회전수를 제어하는 인버터
C/V : 액체 및 기체 등과 같은 유량의 양을 제어하는 벨브
Positioner : 위치를 결정하는 제어기기
Controller : 다양한 종류 제어기기
Timer : 다양한 종류 및 다수의 타이머
RTSI : Real-Time System Integration
STC : System Timing Controller
DMA : Direct Memory Access
PGIA : Programmable Gain Instrumentation Amplifier
PFI : Programmable Function Input
이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 일반적인 제어시스템에서 하드웨어의 구성내역으로 사용되는 PLC를 사용하지 않으며 그 대신에 컴퓨터 마더보드의 확장 슬롯에 자료수집 및 전송카드를 삽입하여 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템을 구성하였으며, 또한 다양한 계측기기, 제어기기, 감시기기, 제어계기 등의 사양에 부응함과 동시에 충격전압이나 주파수와 같은 노이즈의 영향을 최소화하기 위한 다중 아날로그/디지털 신호 절연전환 입출력보드를 추가한 제어시스템이다.
본 발명에서 하드웨어와 연계되는 신호체계를 살펴보면 다음과 같다.
① 각종 계측기기에서 현재값을 아날로그 신호(직류 4-20mA)로 전송하며 또한 각종 감시기기에서 현재상태를 디지털 신호(Dry Contact)로 전송한다.
② 각각 아날로그 신호는 다중 아날로그 신호 절연전환 입력보드를 거쳐 자료수집 및 전송 카드에서 인식이 가능한 상태(다중 절연된 직류 1-5V)로 신호 절연전환을 하며 또한 각각 디지털 신호는 다중 디지털 신호 절연전환 입력보드(다중 절연된 5V TTL)를 거쳐 신호 절연전환을 한다.
③ 각각 아날로그 신호 및 디지털 신호를 자료수집 및 전송 카드를 통하여 PCI(Peripheral Component Interconnect) 신호 체계로 전환한다.
④ PCI 신호 체계를 통하여 수집된 데이터를 컴퓨터의 CPU 및 RAM에서 연산처리 과정을 거쳐 HDD로 저장 및 TCP/IP로 전송한다.
⑤ TCP/IP를 통하여 전송되는 데이터를 원격지에서 인터넷을 이용하여 실시간으로 표시 및 데이터베이스로 저장하며, 또한 원격지 컴퓨터에서의 제어명령을 TCP/IP를 통하여 다시 호스트 컴퓨터로 전송한다.
⑥ 다음부터는 역순으로 연산처리 과정을 거침으로써 얻어진 신호체계를 자료수집 및 전송 카드를 통하며, 또한 아날로그 및 디지털 신호는 각각 다중 아날로그 신호 절연전환 출력보드(다중 절연된 직류 4-20mA) 및 다중 디지털 신호 절연전환 출력보드(다중 절연된 Dry Contact)를 거쳐 아날로그 제거계기 및 디지털 제어기기를 직접 제어한다.
또한 위의 하드웨어와 연계되는 소프트웨어에서의 신호의 운영체계를 살펴보면 다음과 같다.
① 각종 계측기기 및 감시기기로부터 수집된 중 아날로그는 채널별로 0.5초당 20개의 데이터를 수집(Sampling)하여 이동평균, 정상동작 및 현재상태 판단, 계측기기 및 감시기기 에러율 보정, 물리량으로 환산하는 신호 범위결정, 신호 완충의 Damping과 같은 순서로 진행되어 현재값으로 인식하고, 디지털은 수집(Scanning)된 데이터를 현재값으로 인식하여, 일정시간을 주기로 저장, 화면표시, 데이터베이스, TCP/IP를 이용해 데이터를 전송한다.
② 프로그램에서 사용자가 입력한 출력값(Normal Close, Normal Open)이나 정밀제어의 출력값(아날로그 전송출력)을 공장자동화의 규격신호로 전송하여 제어계기 및 제어기기를 직접제어하며, 또한 제어되는 인자 및 출력값은 일정시간을 주기로 저장, 화면표시, 데이터베이스, TCP/IP를 이용해 데이터를 전송한다.
③ 또한 위에서의 전송되는 입.출력 물리량 및 현재상황 데이터를 인터넷을 이용하여 원격지에서 감시 및 제어가 가능하며, 컴퓨터의 데이터베이스에 입력된 데이터 또한 인터넷을 이용하여 불러올 수 있다.
도 2는 PLC를 이용한 일반적인 제어시스템에서의 하드웨어의 구성도인 도 1과 대별되는 하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템의 하드웨어 구성도를 나타낸 것으로써, 이를 세부적으로 보면 도 3에서와 같은 컴퓨터 마더보드의 기능 및 CPU, RAM을 최대한 활용함과 동시에 확장슬롯에 도 4에서와 같은 자료수집 및 전송카드를 삽입하고 또한 다중 아날로그/디지털 절연전환 입출력보드를 이용한 제어시스템을 구성하였다.
본 발명은, 하폐수처리장에서 자동제어 시스템에 있어서 PLC를 이용한 자동제어시스템을 제외한 개방적 구조의 컴퓨터에 도 4에서와 같은 자료수집 및 전송 카드를 삽입 및 도 7에서 도 10와 같은 다중 아날로그 및 디지털 신호 절연전환 입출력보드를 사용한 도 2에서와 같은 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템이다.
또한 도 4에서와 같은 자료수집 및 전송 카드를 통하여 다중 아날로그 신호의 절연된 직류 1-5V를 직접 입력받고, 직류 1-5V를 직접 출력 및 5V TTL 신호에 의해 디지털 신호를 직접 입출력하며 이러한 데이터를 PCI 신호체계로 전환하여 컴퓨터에서 직접제어가 가능하도록 구성된 카드를 사용한다.
도 5에서와 같이 PCI 신호체계에 의하여 수집된 아날로그 및 디지털 데이터를 0.5초당 20개의 데이터를 수집 및 이동평균의 여과과정을 거쳐, 정상동작 및 현재상태 판단한 다음 각각의 계측기 및 감시기기 에러율 보정을 통한 Under Range 및 Over Range를 문자열로 화면표시 및 기록하고, 디지털에서 Chattering의 경우 에러를 문자열로 화면표시 및 기록하며, 나머지 유효값의 경우에는 숫자열의 정상데이터로 인식하고 다음의 유효값은 신호 범위결정 과정을 거쳐 물리량으로 환산하고 Damping 과정을 거쳐 숫자열로 화면표시하며, 또한 위의 문자열 및 숫자열의 데이터를 저장, TCP/IP로 전송하는 과정의 프로그램 체계를 가진다.
도 6에서와 같이 호스트 컴퓨터에서 제어되는 각종인자, 현재상황 및 제어출력 등과 같은 TCP/IP로 전송되는 데이터를 원격지 컴퓨터에서 화면표시하여 현장상황을 감시 및 제어하는 과정의 프로그램 체계를 가진다.
데이터베이스의 경우는 원격지 컴퓨터 및 호스트 컴퓨터에서 채널, 시간, 일자, Data의 종류 등과 같은 조건의 호출함수로서 데이터베이스 컴퓨터에 요청하면 인터넷을 통하여 호출된 일련의 결과값을 받아들임과 동시에 그래프로 표현하는 프로그램 체계를 가진다.
또한, 원격지 컴퓨터를 통하여 제어를 실행하는 경우나, 데이터베이스에 접속을 하는 경우 사용자 이름, 비밀번호 등과 같은 사용자 확인의 보안과정을 거치며, 또한 인터넷 프로토콜 주소(IP Address), 포트(Port) 등과 같은 접속상황을 한 눈에 볼 수 있도록 화면표시 하며, 기록 및 검색이 가능한 프로그램 체계를 가진다.
도 6에서와 같이 각종 계측기기의 직류 4-20mA의 신호를 연산기, 증폭기, 전압→주파수 변환기, 주파수→광출력 변환기 및 광입력→주파수 변환기, 주파수→전압 변환기, 파형 정형기, 전압→전압 변환기의 과정을 거쳐 다중 절연된 아날로그 신호 직류 1-5V를 생성하여 도 4에서와 같은 자료수집 및 전송 카드에 직접 연결이 가능하게끔 구성된 다중 아날로그 신호 절연절환 입력보드를 사용한다.
도 7에서와 같이 자료수집 및 전송 카드를 통하여 출력되는 신호 직류 1-5V를 증폭기, 연산기, 전압→주파수 변환기, 주파수→광출력 변환기 및 광입력→주파수 변환기, 주파수→전압 변환기, 파형 정형기, 전압→전류 변환기의 과정을 거쳐 다중 절연된 아날로그 신호 직류 4-20mA를 생성하여 각종의 제어계기에 직접 전송출력이 가능하게끔 구성된 다중 아날로그 신호 절연전환 출력보드를 사용한다.
도 8에서와 같이 각종 감시기기에서의 현재상태를 나타내는 디지털 신호(DryContact)를 증폭기, 전압→광출력 변환기 및 광입력→전압 변환기, 파형 정형기, 증폭기, 5V Relay를 거쳐 다중 절연된 Dry Contact 신호를 생성하여 도 4에서와 같은 자료수집 및 전송 카드의 5V TTL 신호의 수준에 직접 연결이 가능하게끔 구성된 다중 디지털 신호 절연절환 입력보드를 사용한다.
도 9에서와 같이 자료수집 및 전송 카드를 통하여 출력되는 5V TTL 신호를 증폭기, 전압→광출력 및 광입력→전압, 파형정형기, 증폭기, 5V Relay를 통하여 다중 절연된 Dry Contact 신호를 생성하여 각종의 온.오프 제어기기에 직접 전송출력하여 제어가 가능하게끔 구성된 다중 디지털 신호 절연전환 출력보드를 사용한다.
상기 도 5 및 도 6과 같이 하드웨어와 연계하여 운영되는 소프트웨어의 세부 순서도를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
① 우선 프로그램을 실행하면, 자료수집 및 전송 카드의 초기화를 실행하며, 또한 다음과 같은 초기값을 읽어들인다.
구획, 장치, 채널, 계측기기 및 제어계기, 감시기기 및 제어기기, 화면표시, 단위, 입출력 신호범위, 구획번호, 최대값, 최소값, 시간, 간격, 설정값, NC(Normal Close), NO(Normal Open)
② 각종 계측기기 및 감시기기에서 전송되는 신호를 PCI 신호 체계에 의하여 아날로그 데이터를 채널별로 0.5초당 20개의 데이터를 수집(Sampling)하여 Data의 이동평균 과정을 거쳐 여과된 아날로그 데이터를 얻으며 또한, 디지털은 수집(Scanning)된 데이터를 얻는다.
③ 위에서 얻어진 데이터를 아날로그의 경우 공장자동화의 일반 규격인 절연된 직류 1-5 V의 범위에 있어 계측기기가 정상적인 동작을 하고 있는지 판단 및 디지털의 경우 NC 또는 NO 상태를 인지하여 감지기기의 현재상태를 판단한다.
④ 에러율 보정을 통하여 계측기기의 오차를 교정한 다음 무효값의 경우에는 Under Range 또는 Over Range를 문자열로 화면표시하고, 감시기기의 디지털 신호에서 Chattering을 나타내는 경우에는 에러를 문자열로 화면표시하고, 나머지 유효값의 경우에는 숫자열의 정상 데이터로 인식하고 다음의 연산과정을 준비한다.
⑤ 유효값은 신호 범위결정 과정을 거쳐 단위를 포함한 물리량으로 환산하고, 또한 Damping 과정을 거쳐 급변하는 신호를 완충시켜 얻은 숫자열의 현재값을 화면표시한다.
⑥ 다음으로는 호스트 컴퓨터에 화면표시된 문자열 또는 숫자열을 연월일.txt 형태의 파일로 저장, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송 및 다음의 제어과정을 위해 Data를 임시 저장한다.
⑦ 다음 원격지 컴퓨터에서 인터넷을 통하여 호스트 컴퓨터에 접속하여, TCP/IP의 형태로 전송된 데이터를 화면표시하고 또한 제어상태를 호스트 컴퓨터에 전송한다.
⑧ 데이터베이스 용도의 컴퓨터에 호스트 컴퓨터에서 전송되는 Data를 통합하여 관리가 용이하도록 단일의 표준화된 데이터베이스로서 저장한다.
⑨ 지금까지가 현장상황을 감시하는 일련의 과정을 나타낸 것이며, 정밀제어(아날로그 전송출력)하는 경우는 현재값과 초기값으로 읽어들인 Setting Point와의 물리량의 편차를 연산하여 이에 따른 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 절연된직류 4-20mA의 아날로그 신호를 제어계기로 전송한다.
⑩ 또한 ON/OFF 제어를 실행하는 경우에는 현재값과 초기값으로 읽어들인 시간 및 간격 등의 데이터를 파악함과 동시에 과부하(Over Load)의 신호를 참조하여 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 디지털 제어신호를 제어기기로 전송한다.
⑪ 제어되는 각종인자, 현재상황 및 제어출력 등과 같은 데이터를 호스트 컴퓨터에서 화면표시하고 연월일.TXT(yymmdd.TXT) 형태로 저장, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송하는 과정을 거치며, 또한 현장상황을 감시 및 제어하는 과정이 프로그램을 종료하지 않는한 계속적으로 진행할 수 있다.
⑫ 데이터베이스의 경우는 원격지 컴퓨터 및 호스트 컴퓨터에서 채널, 시간, 일자, Data의 종류 등과 같은 조건의 호출함수로서 데이터베이스 컴퓨터에 요청하면 인터넷을 통하여 호출된 일련의 결과값을 받아들임과 동시에 그래프로서 표현한다.
⑬ 호스트 컴퓨터에서 제어인자, 시간 및 간격을 수정하는 것과 같은 제어하는데 중요한 사항을 변경하거나, 인터넷을 이용하여 데이터베이스 컴퓨터에 접속하거나, 또는 원격지 컴퓨터를 통하여 제어를 실행하는 경우에는 사용자 이름, 비밀번호 등과 같은 사용자 확인의 보안과정을 거치며, 또한 인터넷 프로토콜 주소(IP Address), 포트(Port) 등과 같은 접속상황을 한 눈에 볼 수 있도록 화면표시 하며, 기록 및 검색이 가능하다.
상기 소프트웨어에서의 신호처리 순서를 거쳐 인터넷을 통하여 원격지 현장상황 감시 및 제어를 구현한다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 자동 제어시스템을 적용함으로써 오늘날 여전히 많은 현장에서 사용되는 고가의 설치비용, 결선비용을 요구하는 PLC를 이용한 방법에 비하여 저렴할 뿐만 아니라 유지보수가 용이하여 관리비용 또한 절감할 수 있는 장점을 포함하고 있다.
특히 소프트웨어를 통한 인터넷 전송기술을 기본으로 내장하고 있어, PLC를 이용한 제어기술에 비하여 컴퓨터를 이용한 개방형 표준의 TCP/IP 통신규약을 이용하여 원격지 제어 및 정보의 교환이 가능하며, 분산된 컴퓨터들의 데이터 교환을 설정하고 관리하는데 필요한 정보들을 통합하여 중앙집중식으로 관리할 수 있어 DCS(Distributed Control System)의 장점까지도 포함하여 사용될 수 있다.
본 발명을 통한 제어기술은 기존 방식인 하드웨어에 종속적이며 제한적인 방식에 비하여 소프트웨어를 통한 제어를 구현하는 것으로서 컴퓨터와 연계되는 어떠한 형식으로도 출력 및 입력을 호환할 수 있다는 것이 장점이며, 특히 정보기술(IT)과 환경기술(ET)의 접목을 통한 작업인력의 절감, 경영개선 및 효율성을 증가시킬 수 있으며, 실시간 이용가능한 정보화시스템을 구축을 통한 상호연계 운영을 실현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 하폐수처리장에서 자동제어 시스템에 있어서,
    현재값을 아날로그 신호(직류 4-20mA)로 전송하는 계측기기와,
    현재상태를 디지털 신호(Dry Contact)로 전송하는 감시기기와,
    상기 아날로그 신호를 자료수집 및 전송 카드에서 인식이 가능한 상태(다중 절연된 직류 1-5V)로 신호 절연전환을 하는 다중 아날로그 신호 절연전환 입력보드와,
    상기 디지털 신호를 자료수집 및 전송 카드에서 인식이 가능한 상태(다중 절연된 5V TTL)로 신호 절연전환하는 다중 디지털 신호 절연전환 입력보드와,
    상기 아날로그 신호 및 디지털 신호를 PCI(Peripheral Component Interconnect) 신호 체계로 전환하는 자료수집 및 전송 카드와,
    PCI 신호 체계를 통하여 수집된 데이터를 연산처리하여 HDD로 저장 및 TCP/IP로 전송하는 컴퓨터의 CPU와,
    상기 TCP/IP를 통하여 전송되는 데이터를 인터넷을 이용하여 실시간으로 표시 및 데이터베이스로 저장하는 원격지 컴퓨터와,
    상기 원격지 컴퓨터에서의 제어명령을 상기 TCP/IP를 통하여 전송받는 호스트 컴퓨터를 포함하여 구성되고,
    상기 신호처리 과정을 역순으로 거침으로써 얻어진 신호체계는 자료수집 및 전송 카드를 통하며, 상기 아날로그 및 디지털 신호는 각각 다중 아날로그 신호 절연전환 출력보드(다중 절연된 직류 4-20mA) 및 다중 디지털 신호 절연전환 출력보드(다중 절연된 Dry Contact)를 거쳐 아날로그 제어계기 및 디지털 제어기기를 직접 제어하고,
    상기 컴퓨터에서는 계측기기 및 감시기기로부터 수집된 아날로그를 채널별로 0.5초당 20개의 데이터를 수집(Sampling)하여 이동평균, 정상동작 및 현재상태 판단, 계측기기 및 감시기기 에러율 보정, 물리량으로 환산하는 신호 범위결정, 신호 완충의 댐핑(Damping)과 같은 순서로 진행되어 현재값으로 인식하고 디지털은 수집(Scanning)된 데이터를 현재값으로 인식하여, 일정시간을 주기로 저장하고 화면표시, 데이터베이스, TCP/IP를 이용해 데이터를 전송하고,
    상기 컴퓨터에서는 사용자가 입력한 출력값(Normal Close, Normal Open)이나 정밀제어의 출력값(아날로그 전송출력)을 공장자동화의 규격신호로 전송하여 제어계기 및 제어기기를 직접제어하며, 제어되는 인자 및 출력값은 일정시간을 주기로 저장하고, 화면표시, 데이터베이스, TCP/IP를 이용해 데이터를 전송하고,
    상기 전송되는 입.출력 물리량 및 현재상황 데이터를 인터넷을 이용하여 원격지에서 감시 및 제어가 가능하며, 컴퓨터의 데이터베이스에 입력된 데이터를 인터넷을 이용하여 불러올 수 있는 것을 특징으로 하는 하폐수 처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 시스템.
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 자료수집 및 전송 카드의 초기화를 실행하며, 초기값을 읽어들이는 단계와,
    각종 계측기기 및 감시기기에서 전송되는 신호를 PCI 신호 체계에 의하여 아날로그 데이터를 채널별로 0.5초당 20개의 데이터를 수집(Sampling)하여 데이터의 이동평균 과정을 거쳐 여과된 아날로그 데이터를 얻으며, 디지털은 수집(Scanning)된 데이터를 얻는 단계와,
    상기 과정에서 얻어진 데이터를 아날로그의 경우 공장자동화의 일반 규격인 절연된 직류 1-5 V의 범위에 있어 계측기기가 정상적인 동작을 하고 있는지 판단하고 디지털의 경우 NC 또는 NO 상태를 인지하여 감지기기의 현재상태를 판단하는 단계와,
    에러율 보정을 통하여 계측기기의 오차를 교정한 다음 무효값의 경우에는 Under Range 또는 Over Range를 문자열로 화면표시하고, 감시기기의 디지털 신호에서 채터링(Chattering)을 나타내는 경우에는 에러를 문자열로 화면표시하고, 나머지 유효값의 경우에는 숫자열의 정상 데이터로 인식하고 다음의 연산과정을 준비하는 단계와,
    유효값은 신호 범위결정 과정을 거쳐 단위를 포함한 물리량으로 환산하고, 댐핑(Damping)과정을 거쳐 급변하는 신호를 완충시켜 얻은 숫자열의 현재값을 화면표시하는 단계와,
    호스트 컴퓨터에 화면표시된 문자열 또는 숫자열을 연월일.txt 형태의 파일로 저장하고, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송 및 다음의 제어과정을 위해 데이터를 임시 저장하는 단계와,
    원격지 컴퓨터에서 인터넷을 통하여 호스트 컴퓨터에 접속하여 TCP/IP의 형태로 전송된 데이터를 화면표시하고 제어상태를 호스트 컴퓨터에 전송하는 단계와,
    데이터베이스 용도의 컴퓨터에 호스트 컴퓨터에서 전송되는 데이터를 통합하여 관리가 용이하도록 단일의 표준화된 데이터베이스로서 저장하는 단계와,
    정밀제어(아날로그 전송출력)하는 경우 현재값과 초기값으로 읽어들인 설정 포인트(Setting Point)와의 물리량의 편차를 연산하여 이에 따른 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 절연된 직류 4-20mA의 아날로그 신호를 제어계기로 전송하는 단계와,
    ON/OFF 제어를 실행하는 경우 현재값과 초기값으로 읽어들인 시간 및 간격 등의 데이터를 파악함과 동시에 과부하(Over Load)의 신호를 참조하여 출력값을 자료수집 및 전송 카드를 통하여 디지털 제어신호를 제어기기로 전송하는 단계와,
    제어되는 각종인자, 현재상황 및 제어출력 등과 같은 데이터를 호스트 컴퓨터에서 화면표시하고 연월일.TXT(yymmdd.TXT) 형태로 저장, TCP/IP의 형태로 전송, 데이터베이스의 형태로 전송하는 단계와,
    호스트 컴퓨터에서 제어인자, 시간 및 간격을 수정하는 것을 제어시 중요 데이터를 변경하거나, 인터넷을 이용하여 컴퓨터의 데이터베이스에 접속하거나, 원격지 컴퓨터를 통하여 제어를 실행하는 경우에는 사용자 이름, 비밀번호 등과 같은 사용자 확인의 보안과정을 거치고, 인터넷 프로토콜 주소(IP Address), 포트(Port) 등과 같은 접속상황을 한 눈에 볼 수 있도록 화면표시 하며, 기록 및 검색이 가능한 단계를 포함하고,
    상기 초기값은 구획, 장치, 채널, 계측기기 및 제어계기, 감시기기 및 제어기기, 화면표시, 단위, 입.출력 신호범위, 구획번호, 최대값, 최소값, 시간, 간격, 설정값, NC(Normal Close), NO(Normal Open)이고,
    상기 현장상황을 감시 및 제어하는 과정은 프로그램을 종료하지 않는 한 계속적으로 진행되고,
    상기 데이터베이스는 원격지 컴퓨터 및 호스트 컴퓨터에서 채널, 시간, 일자, Data의 종류 등과 같은 조건의 호출함수로서 컴퓨터의 데이터베이스에 요청하면 인터넷을 통하여 호출된 일련의 결과값을 받아들임과 동시에 그래프로서 표현하고,
    상기 프로그램에서의 신호처리 순서를 거쳐 인터넷을 통하여 원격지 현장상황 감시 및 제어를 구현하는 것을 특징으로 하는 하폐수처리장에서의 인터넷을 통한 컴퓨터 기반의 직접 자동제어 방법.
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