KR100522793B1 - 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 공업용 로의 전력선에 흐르는 전류를 일정 레벨로 감소시키는 전류감지부; 복수개의 히터에 각각 연결되고, 상기 각각의 히터에 대한 전류제어신호에 따라 상기 히터에 공급되는 전류를 제한하거나 제한하지 않는 전류제한부; 상기 전류감지부에서 감소시킨 전류의 크기를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및 히터별 제어 우선순위와 히터 전체에서 소비되는 전체전력목표치로서 높은값(PWh)과 낮은값(PWl)으로 규정된 구간정보를 저장하고, 상기 A/D 변환부에서 입력된 신호로부터 상기 전력선의 현재 전체전력치를 연산하여 상기 전체전력목표치와 비교한 후, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWl보다 낮은 경우에는 현재 제한(limit) 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위에 따라 비제한(unlimit) 상태로 변경하며, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWh보다 높은 경우에는 현재 비제한 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위의 역순에 따라 제한 상태로 변경하도록 상기 전류제어신호를 생성하여 상기 전류제한부로 전달하는 주제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템 및 그 방법{ System and method to optimize energy consumption of industrial furnaces }
본 발명은 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 공업용 로에 사용되는 다수의 히터들을 현재 소비되고 있는 전체전력량에 따라 개별적으로 제어하여, 전력을 효율적으로 분배할 수 있도록 함과 동시에 최대 전력량을 줄여 전력요금을 최소화할 수 있도록 하기 위한 것이다.
현재 공업용 로(爐)가 다양한 목적에 따라 사용되고 있는바, 공업용 로는 다수개의 히터들을 포함하고 있으며, 히터들에 의하여 발생한 열에 의해 그 기능을 수행한다. 즉, 공업용 로를 운용하기 위해서는 적지 않은 전력이 소비되기 마련이다. 특히 공업용 로의 가동 초기시에는 예열 등의 이유로 피크치 전류가 흐르게 되어 필요 이상의 전력을 소비하게 된다. 하지만 종래의 공업용 로에 있어서는 현재의 전력소비량 등 일정한 측정치만을 디스플레이 장치에 표시하여 줄뿐이었고, 전력소모를 줄이기 위한 기능은 효율적으로 제공하지 못하고 있다. 또한, 공업용 로에서 발생하는 전력의 낭비는 공업용 로를 운영하는 회사뿐아니라 사회 전체적으로도 바람직하지 않다. 그러므로, 공업용 로의 히터를 효율적으로 제어하여 불필요한 전력의 낭비를 줄일 필요가 크다 할 것이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 필요성에 부응하기 위하여 제안된 것으로서, 공업용 로에 사용되는 다수의 히터들을 현재 소비되고 있는 전체 전력량에 따라 개별적으로 제어하여, 전력을 효율적으로 분배할 수 있도록 함과 동시에 불필요한 전력의 낭비를 막을 수 있는 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템은, 공업용 로의 전력선에 흐르는 전류를 일정 레벨로 감소시키는 전류감지부; 복수개의 히터에 각각 연결되고, 상기 각각의 히터에 대한 전류제어신호에 따라 상기 히터에 공급되는 전류를 제한하거나 제한하지 않는 전류제한부; 상기 전류감지부에서 감소시킨 전류의 크기를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및 히터별 제어 우선순위와 히터 전체에서 소비되는 전체전력목표치로서 높은값(PWh)과 낮은값(PWl)으로 규정된 구간정보를 저장하고, 상기 A/D 변환부에서 입력된 신호로부터 상기 전력선의 현재 전체전력치를 연산하여 상기 전체전력목표치와 비교한 후, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWl보다 낮은 경우에는 현재 제한(limit) 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위에 따라 비제한(unlimit) 상태로 변경하며, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWh보다 높은 경우에는 현재 비제한 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위의 역순에 따라 제한 상태로 변경하도록 상기 전류제어신호를 생성하여 상기 전류제한부로 전달하는 주제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템은, 복수의 히터에 흐르는 각각의 전류를 제한 혹은 비제한 상태로 제어하여 공업용 로의 에너지 소비를 최적화시키기 위한 방법에 있어서,상기 공업용 로를 구성하는 복수개의 히터에 제어 우선순위를 부여하고, 상기 히터 전체에서 소비되는 전체전력목표치로서 높은값(PWh)과 낮은값(PWl)으로 규정된 구간정보를 설정하는 제1 단계; 상기 히터 모두를 제한 상태로 제어하는 초기화 제2 단계; 상기 히터 전체에서 현재 소비되는 전체전력치를 산출하는 제3 단계; 및 상기 현재 소비되는 전체전력치와 상기 전체전력목표치를 비교한 후 상기 현재 전체전력치가 상기 PWl보다 낮은 경우에는 현재 제한(limit) 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위에 따라 비제한(unlimit) 상태로 제어하고, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWh보다 높은 경우에는 현재 비제한(unlimit) 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위의 역순에 따라 제한(limit) 상태로 제어한 후 상기 제3 단계로 진행하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템에 관한 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
일반적으로 공업용 로에는 3상 교류전원이 전력선(60)을 통해 인가되는데, 전류감지부(10)는 전력선(60)에 흐르는 전류를 일정 레벨로 감소시키는 기능을 수행한다. 예로서, 0A(ampere) 내지 5000A의 전류가 전력선(60)에 흐른다면 전류감지부(10)는 이 전류를 0A 내지 5A 정도의 레벨로 감소시킨다.
전류제한부(40)는 각각의 히터(50)에 연결되는 구성요소로서, 주제어부(30)로부터 각 히터에 대응하는 전류제어신호를 받아 히터(50)에 공급되는 전류를 제한(limit)하거나 제한하지 않는(unlimit) 기능을 수행한다. 여기서, 제한은 온(ON) 상태를 의미하고, 비제한은 오프(Off) 상태를 의미하며, 전류제어신호는 히터(50)가 동작하도록 할 것인지 혹은 동작하지 않도록 할 것인지를 결정한다. 즉, 전류제한부(40)에 의하여 각각의 히터에 전류가 흐를 것인지의 여부가 결정된다.
전류감지부(10)에서 감소시킨 전류는 A/D 변환부(20)로 입력되어 전류의 크기에 비례하는 디지털 데이터로 변환되는데, A/D 변환부(20)는 주제어부(30)와 일체형(혹은 내장형)으로 구성될 수도 있으나, 별도의 구성요소로서 이루어질 수도 있는 것임은 물론이다. 일체형(혹은 내장형)의 예는 주제어부(30)가 마이크로 프로세서를 이용하여 구성되는 경우에 A/D 변환기 내장형 마이크로 프로세서를 사용하는 것이다.
주제어부(30)는 현재 소비되는 전체전력에 대응하여 히터(50)를 개별적으로 제어하여 불필요한 전력의 낭비를 막고, 전력을 공업용 로의 운용에 보다 중요한 히터에 우선 공급토록 해주는 기능을 수행한다. 이러한 주제어부(30)는 마이크로 프로세서를 이용하여 바람직하게 구성할 수 있다.
주제어부(30)는 히터별 제어 우선순위와 히터 전체에서 소비되는 전체전력목표치에 관한 정보를 메모리(도시되지 않음)에 저장하고 있다. 예로서, 공업용 로에 16개의 히터를 구비하고 있고, 각 히터의 중요도가 "9,10,7,6,8,5,11,4,12,3,2, 13,14,1,16"의 순서라면 이 순서정보를 제어 우선순위로서 저장하고 있는 것이다. 그리고, A/D 변환부(20)에서 변환된 디지털 신호로부터 현재 소비되는 전체전력치를 연산하여 전체전력목표치와 비교한 후, 비교 결과와 제어 우선순위에 따라 히터(50)를 제어할 전류제어신호를 생성하여 전류제한부(40)로 전달한다.
도 2는 전류제한부(40)를 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여 구성한 실시예이다. SCR은 작은 게이트 전류로서 큰 전력을 제어할 수 있는 소자로서, 전류제한부(40)의 기능을 수행하는 용도로 바람직하게 사용할 수 있다. 이 때, SCR의 캐소드(Cathode)는 히터측에 연결되고, 애노우드(Anode)로부터 전력을 공급받으며, 전류제어신호가 게이트(Gate)로 인가된다.
주제어부(30)가 전류제한부(40)로 전달하는 전류제어신호는 전류제한부(40)의 구성에 따라 디지털 신호가 될 수도 있고, 일정 크기를 갖는 전류신호가 될 수도 있다.
그러나, 도 2에 도시한 예와 같이 전류제어신호로서 일정 크기의 전류신호를 전달할 필요가 있는 경우에는 도 3에 도시한 예와 같이 히터(50)에 대한 개별적인 제한 혹은 비제한 신호를 발생시키는 마이크로 프로세서(31)와 마이크로세서(31)에서 생성한 제한 혹은 비제한 신호에 따라 일정 크기의 전류를 발생시키는 전류공급부(32)로서 바람직하게 구성할 수 있다. 이 때, 일정 크기의 전류를 공급하는 기술은 널리 공지되어 사용되고 잇는 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 전체전력목표치를 구간으로 지정하면 히터(50)를 보다 정확하게 제어할 수 있다. 이 경우, 주제어부(30)는 전체전력목표치로서 높은값(PWh)과 낮은값(PWl)으로 규정된 구간정보를 저장한다. 그리고, 현재 전체전력치가 PWl보다 낮은 경우에는 현재 제한 상태에 있는 히터들 중 일정 개수(예: 1개)의 히터를 제어 우선순위에 따라 비제한 상태로 변경하며, 현재 전체전력치가 PWh보다 높은 경우에는 현재 비제한 상태에 있는 히터들 중 일정 개수(예:1개)의 히터를 제어 우선순위의 역순에 따라 제한 상태로 변경하도록 전류제어신호를 생성한다.
이제, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 공업용 로의 에너지 소비 최적화 방법의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
먼저, 공업용 로를 구성하는 복수개의 히터에 제어 우선순위를 부여하고, 히터 전체에서 소비되는 전체전력목표치를 설정한다(제1 단계:S71).
예로서, 공업용 로에 16개의 히터를 구비하고 있고, 각 히터의 중요도가 "9,10,7,6,8,5,11,4,12, 3,2,13,14,1,16"의 순서라면 이 순서정보를 제어 우선순위로서 저장한다. 제어 우선순위 정보는 각 히터에 대응하는 비트를 지정하여 관리하면 바람직하게 실시할 수 있다. 한 예로, 현재 제한(limit) 상태의 히터에 대응하는 비트는 '0'으로, 비제한(unlimit) 상태의 히터에 대응하는 비트는 '1'로 관리하도록 한다.
이제 히터 모두를 제한(limit) 상태로 제어한다(제2 단계:S72). 제2 단계는 초기화 단계이며 공업용 로에 전원을 인가하는 초기상태이다. 그러므로, 히터를 순서대로 제어하여 불필요한 전류(피크치)가 흐르지 않도록 하기 위한 것이다. 상기의 예에서는 제2 단계에서 각 히터에 대응하는 비트 상태는 "0000 0000 0000 0000"이 된다.
제2 단계(S72)를 거쳐 공업용 로가 동작하기 시작하면, 히터 전체에서 현재 소비되는 전체전력치를 산출한 후(제3 단계:S73). 현재 소비되는 전체전력치와 전체전력목표치를 비교한 후 비교 결과와 제어 우선순위에 따라 히터를 제한 혹은 비제한 상태로 제어한다(제4 단계:S74). 제3 단계(S73)와 제4 단계(S74)는 공업용 로가 가동되는 도중 반복적으로 이루어지는 과정이다.
상기의 예로 설명하자면, 제한 상태에서 비제한 상태로 변경된 히터에 대응하는 비트값은 '0'에서 '1'로 바뀌고, 비제한 상태에서 제한 상태로 변경된 히터에 대응하는 비트값은 '1'에서 '0'으로 바뀐다.
한편, 전체전력목표치를 구간으로 지정하면 히터(50)를 보다 정확하게 제어할 수 있다. 즉, 제1 단계(S71)에서는 전체전력목표치로서 높은값(PWh)과 낮은값(PWl)으로 규정된 구간정보를 설정하는 단계를 포함하도록 한다. 즉, 현재 전체전력치가 정상적인 구간에 있는 동안에는 그대로 두고, 일정치보다 높거나 낮을 경우에만 제어하도록 구성할 수 있다.
이 때, 제4 단계(S74)는 현재 전체전력치가 PWl보다 낮은 경우에는(S74-1), 현재 제한 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 제어 우선순위에 따라 비제한 상태로 제어하는 단계(S74-2)와, 현재 전체전력치가 PWh보다 높은 경우에는(S74-3), 현재 비제한 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 제어 우선순위의 역순에 따라 제한 상태로 제어하는 단계(S74-4)를 포함하도록 한다.
이렇게 하는 이유는 현재 소비되는 전체전력치가 목표치보다 낮을 경우에는 동작하지 않고 있는 히터도 동작하도록 제어하되, 우선 순위가 높은 것부터 동작시켜 공업용 로를 효율적으로 가동시키고자 하는 것이다. 또한, 현재 전체전력치가 목표치보다 높을 경우에는 동작하고 있는 히터를 동작하지 않도록 제어하되, 우선 순위가 낮은 것부터 동작을 중지시켜 효율적으로 공업용 로를 가동시키고자 하는 것이다.
본 발명을 사용하면, 공업용 로에서 현재 소비되고 있는 전력량을 효율적으로 분배하여 생산조건에 적합하도록 최적화할 수 있다. 즉, 생산활동에 필요한 최소한의 에너지 양을 그때 그때의 생산조건 및 에너지 소비 상태에 따라 효율적으로 분배할 수 있다. 특히 피크 부하시 순간적인 전압강하 및 단전사태를 예방할 수 있다. 또한, 최대전력량을 최소화하여 전력요금을 최소화할 수 있으며, 분산적 에너지 소비 패턴을 총량적 에너지 소비 패턴으로 변경시켜 전체 전력 소비를 효율적으로 관리할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 소비 최적화 시스템의 구성도,
도 2는 전류제한부를 구성하는 일 실시예,
도 3은 전류신호로서 전류제어신호를 전달하는 주제어부의 실시예,
도 4는 본 발명에 따른 에너지 소비 최적화 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 전류감지부 20: A/D 변환부
30: 주제어부 31: 마이크로프로세서
32: 전류공급부 40: 전류제한부
50: 히터 60: 전력선

Claims (5)

  1. 공업용 로의 전력선에 흐르는 전류를 일정 레벨로 감소시키는 전류감지부;
    복수개의 히터에 각각 연결되고, 상기 각각의 히터에 대한 전류제어신호에 따라 상기 히터에 공급되는 전류를 제한하거나 제한하지 않는 전류제한부;
    상기 전류감지부에서 감소시킨 전류의 크기를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및
    히터별 제어 우선순위와 히터 전체에서 소비되는 전체전력목표치로서 높은값(PWh)과 낮은값(PWl)으로 규정된 구간정보를 저장하고, 상기 A/D 변환부에서 입력된 신호로부터 상기 전력선의 현재 전체전력치를 연산하여 상기 전체전력목표치와 비교한 후, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWl보다 낮은 경우에는 현재 제한(limit) 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위에 따라 비제한(unlimit) 상태로 변경하며, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWh보다 높은 경우에는 현재 비제한 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위의 역순에 따라 제한 상태로 변경하도록 상기 전류제어신호를 생성하여 상기 전류제한부로 전달하는 주제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류제한부는
    캐소드(Cathode)가 상기 히터측에 연결되고, 애노우드(Anode)로부터 전력을 공급받으며, 상기 전류제어신호가 게이트(Gate)로 인가되는 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 공업용 로의 에너지 소비 최적화 시스템.
  3. 삭제
  4. 복수의 히터에 흐르는 각각의 전류를 제한 혹은 비제한 상태로 제어하여 공업용 로의 에너지 소비를 최적화시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 공업용 로를 구성하는 복수개의 히터에 제어 우선순위를 부여하고, 상기 히터 전체에서 소비되는 전체전력목표치로서 높은값(PWh)과 낮은값(PWl)으로 규정된 구간정보를 설정하는 제1 단계;
    상기 히터 모두를 제한 상태로 제어하는 초기화 제2 단계;
    상기 히터 전체에서 현재 소비되는 전체전력치를 산출하는 제3 단계; 및
    상기 현재 소비되는 전체전력치와 상기 전체전력목표치를 비교한 후 상기 현재 전체전력치가 상기 PWl보다 낮은 경우에는 현재 제한(limit) 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위에 따라 비제한(unlimit) 상태로 제어하고, 상기 현재 전체전력치가 상기 PWh보다 높은 경우에는 현재 비제한(unlimit) 상태에 있는 히터들 중 일정 개수의 히터를 상기 제어 우선순위의 역순에 따라 제한(limit) 상태로 제어하는 하고, 상기 제3 단계로 진행하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공업용 로의 에너지 소비 최적화 방법.
  5. 삭제
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