KR100644751B1 - 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축공기의 공급 유량을 조절하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압 수요 측의 공기압 변화에 따라 컴프레서 실에서 공급되는 압축공기의 공급 유량을 능동적으로 조절하여 수요 측의 압력을 안정화시켜 주는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템은 컴프레서 실 내에 위치하는 리저버 탱크의 출구 측과 헤더 라인 사이에 설치되어 외부로부터 입력되는 제어 신호에 따라 내부에 구비된 개폐 밸브의 열림 각도를 가변시켜 상기 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급 유량을 조절하는 유량 조절 수단과; 상기 유량 조절 수단의 출구 측에 구비되어 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급압력을 측정하여 전기 신호로 출력하는 압력 센서와; LCD 표시부와 조작부와 실제 압력치를 산출하고 산출된 실제 압력치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 화면에 출력함과 동시에 기 설정된 압력 설정치와의 차분에 따라 상기 유량 조절 수단의 구동을 제어하는 제어 신호를 출력하도록 장치 전반의 구동을 제어하는 마이컴과, 상기 마이컴에서 출력되는 제어 신호를 전기 신호로 변환하여 상기 유량 조절 수단으로 출력하는 신호 변환부 및 상기 마이컴에서 출력되는 화면 신호를 상기 LCD 표시부로 출력하도록 제어하는 화면 제어부를 포함하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 마이컴은 : 타이머부와, 상기 조작부로부터 입력된 압력 설정치 및 압력 보정치와 각종 프로그램이 저장되어 있는 메모리부와, 상기 압력 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 메모리부에 저장된 압력 보정치를 이용하여 상기 아날로그/디지털 변환부로부터 입력되는 압력 측정치에 대한 실제 압력 측정치를 보정 산출하는 데이터 보정부와, 상기 데이터 보정부에서 출력되는 실제 압력 측정치와 상기 메모리부에 저장되어 있는 압력 설정치 간의 차이에 따른 차분 신호를 생성하고 비례미적분 제어방식을 통해 차분 신호에 대응하는 제어 신호를 펄스 폭 변조하여 상기 신호 변환부로 출력하는 유량 조절 제어부와, 상기 데이터 보정부에서 출력되는 실제 압력 측정치를 상기 타이머부로부터 입력되는 시간 정보 및 상기 메모리부에 저장되어 있는 압력 설정치를 참조하여 시간 변화에 따른 그래프 형태의 화면으로 출력하도록 화면 신호를 생성하는 화면 생성부를 포함하되, 상기 화면 생성부는 상기 메모리부에 저장된 압력 설정치를 점선으로 표시하며, 상기 데이터 보정부로부터 입력되는 실제 압력 측정치를 실선으로 표시하는 것을 특징으로 한다.

공급압력, 능동, PID제어, 유량 조절기

Description

압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템{Active supply pressure control system for compressed air}

도 1은 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템이 적용된 압축공기 공급 시스템의 구성을 도시한 개략도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어 시스템을 구성하는 컨트롤러의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.

도 3은 마이컴에서 출력되는 PWM 신호의 변환 과정을 설명하기 위한 회로도.

도 4는 본 발명에 따른 제어 시스템의 출력 화면을 예시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 유량 조절 수단

300 : 압축 센서

500 : 컨트롤러

510 : 조작부

520 : LCD 표시부

530 : 마이컴

531 : 타이머부, 532 : 메모리부,

533 : 아날로그/디지털 변환부, 534 : 유량 조절 제어부

555 : 화면 생성부

540 : 신호 변환부

541 : 필터부, 542 : 선형 전류 증폭부

550 : 화면 제어부

560 : 증폭부

570 : 통신 인터페이스부

본 발명은 압축공기의 공급 유량을 조절하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압 수요 측의 공기압 변화에 따라 컴프레서 실에서 공급되는 압축공기의 공급 유량을 능동적으로 조절하여 수요 측의 압력을 안정화시켜 주는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템에 관한 것이다.

산업구조의 고도화와 경쟁력 및 생산성 향상을 위하여 각 산업 분야에서는 생산설비의 자동화 추진을 가속화하고 있으며, 공압을 이용한 자동화 추세는 80년대 초반부터 급속한 증가 추세에 있다.

생산설비 자동화에 주요소는 산업용 로봇으로 기구의 단순화를 위하여 대부분의 산업용 로봇이 공압을 주 에너지원으로 사용함에 따라 공압 컴프레서를 비롯한 다양한 공압 관련 기기들이 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되기 시작하였다.

따라서 기본적으로 전기와 공압이 생산설비 자동화의 기본 에너지원으로 인 식되고 있으며, 공압 시스템은 전기 기기에 비하여 안전성이 뛰어나고 단위 체적당 에너지 밀도가 높아서 다양한 생산기기의 주 에너지원으로 사용되고 있다.

그러나 대부분의 공압 시스템은 에너지 효율에 대한 체계적인 고려 없이 운영되고 있어 심각한 전력 낭비가 발생하고 있다. 외국 사례에서 보고된 바에 의하면 생산된 압축공기의 단지 50%만이 생산에 사용되는 반면, 리크에 의해서 25∼30%, 압력 손실에 의해서 10∼15%, 그리고 공압의 오/남용에 의해서 5∼10%의 손실이 발생하고 있다.

또한 공급 공기압의 심각한 요동현상에 따른 생산성 저하를 막기 위해 공급 공기압을 최대로 높게 유지하여 전력을 낭비하고 있으며, 이는 심각한 에너지 낭비요인이다.

즉 실제 압축공기 공급 시스템은 여러 가지 이유로 인하여 심각한 압력 요동이 발생하고 있는 실정이다.

그 대표적인 이유로 에어 컴프레서의 용량에 비해 리저버 탱크의 용량을 턱 없이 작게 선정하여 컴프레서가 잦은 로딩/언로딩을 하게 되어 압축공기 공급에 심각한 요동현상이 나타날 수 있으며, 간선 및 지선 라인의 용량 부족 때문에 과도한 압력이 손실이 발생한다.

또한 밸브와 필터 및 각종 배관 자재들의 부적절한 용량 선정에 의해서 극심한 압력 손실이 초래되기도 한다. 공압 수요의 급변에 따른 공급 공기압의 갑작스런 강하 현상을 막기 위하여 최고 압력으로 압축공기를 공급하므로, 압력 손실에 의하여 심각한 에너지 낭비를 감수하고 있다.

또한 최종 사용단에서 공압 수요를 최소화하기 위해서 레귤레이터 등을 사용해야 함에도 불구하고 공압의 불안정한 요동 현상 때문에 제품 생산에 불량이 발생하는 것을 피하기 위하여 과도하게 높은 압력으로 기기를 작동함으로써, 공압의 낭비와 기기 수명의 감소를 초래하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 공압 수요 측의 공기압 변화에 따라 컴프레서 실에서 공급되는 압축공기의 공급 유량을 능동적으로 조절하여 수요 측의 압력을 안정화시켜 주는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

특히 실시간으로 공급압력 변화 양상을 모니터링 할 수 있는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한 현장 설치 시 전기적인 환경에 따라 압력 센서를 통해 측정된 수요측 공급압력의 오차를 최소화하여 보다 정확하게 공급압력의 유량을 조절할 수 있는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한 개폐 밸브의 개폐에 따라 헌팅 현상이 발생되는 것을 억제할 수 있는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

그리고 통신을 통해 거리의 제약 없이 원격지에서 공압 시스템의 작동 상태를 감시할 수 있도록 하는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템은 컴프레서 실 내에 위치하는 리저버 탱크의 출구 측과 헤더 라인 사이에 설치되어 외부로부터 입력되는 제어 신호에 따라 내부에 구비된 개폐 밸브의 열림 각도를 가변시켜 상기 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급 유량을 조절하는 유량 조절 수단과; 상기 유량 조절 수단의 출구 측에 구비되어 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급압력을 측정하여 전기 신호로 출력하는 압력 센서와; LCD 표시부와 조작부와 실제 압력치를 산출하고 산출된 실제 압력치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 화면에 출력함과 동시에 기 설정된 압력 설정치와의 차분에 따라 상기 유량 조절 수단의 구동을 제어하는 제어 신호를 출력하도록 장치 전반의 구동을 제어하는 마이컴과, 상기 마이컴에서 출력되는 제어 신호를 전기 신호로 변환하여 상기 유량 조절 수단으로 출력하는 신호 변환부 및 상기 마이컴에서 출력되는 화면 신호를 상기 LCD 표시부로 출력하도록 제어하는 화면 제어부를 포함하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 마이컴은 : 타이머부와, 상기 조작부로부터 입력된 압력 설정치 및 압력 보정치와 각종 프로그램이 저장되어 있는 메모리부와, 상기 압력 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 메모리부에 저장된 압력 보정치를 이용하여 상기 아날로그/디지털 변환부로부터 입력되는 압력 측정치에 대한 실제 압력 측정치를 보정 산출하는 데이터 보정부와, 상기 데이터 보정부에서 출력되는 실제 압력 측정치와 상기 메모리부에 저장되어 있는 압력 설정치 간의 차이에 따른 차분 신호를 생성하고 비례미적분 제어방식을 통해 차분 신호에 대응하는 제어 신호를 펄스 폭 변조하여 상기 신호 변환부로 출력하는 유량 조절 제어부와, 상기 데이터 보정부에서 출력되는 실제 압력 측정치를 상기 타이머부로부터 입력되는 시간 정보 및 상기 메모리부에 저장되어 있는 압력 설정치를 참조하여 시간 변화에 따른 그래프 형태의 화면으로 출력하도록 화면 신호를 생성하는 화면 생성부를 포함하되, 상기 화면 생성부는 상기 메모리부에 저장된 압력 설정치를 점선으로 표시하며, 상기 데이터 보정부로부터 입력되는 실제 압력 측정치를 실선으로 표시하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성에 따라 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템은 압력 센서를 통해 측정한 수요 측의 압력 측정치와 압력 설정치 간의 차분에 따라 유량 조절 수단의 개폐 밸브의 열림 각도를 조절하여 헤더 라인 측의 압력 변화에 따라 능동적으로 헤더 라인측의 압력을 안정화시킴으로써, 공급 공기압의 안정화에 따른 필요 최소한의 압력과 유량으로 압축공기를 생산할 수 있어 압축공기 생산에 따른 전력비용을 절감할 수 있다.

특히 압력 센서를 통해 측정된 수요 측인 헤더 라인측의 압력 측정치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 화면에 출력해 줌으로써, 기기의 작동 상태 및 공급압력의 변화 양상을 관리자가 용이하게 확인할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템이 적용된 압축공기 공급 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템이 적용된 대형 플랜트의 압축공기 공급 시스템은 공압 자동화 장치나 플랜트 설비 등에 필요한 양질의 압축공기를 중앙에서 공급하는 것으로, 공기 압축기, 후부 냉각기, 에어 드라이어, 리저버 탱크, 출구 측에 압력 센서가 구비되어 있는 유량 조절 수단, 헤더 라인 등을 포함한다.

이러한 구성에 따라 압축공기 공급 시스템은 리저버 탱크 출구 측과 수요 측인 헤더 라인 사이에 설치되어 있는 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템의 유량 조절 수단에 의해 컴프레서 실에서 공급되는 압축공기의 공급 유량이 수요 측의 공기압 변화에 따라 능동적으로 조절되어 수요 측으로 공급되는 압축공기의 공급압력을 안정화할 수 있다.

즉 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템은 컨트롤러(500)로부터 입력되는 신호에 따라 리저버 탱크 출구 측과 수요 측인 헤더 라인 사이에 설치되어 있는 유량 조절 수단(100)의 내부에 구비된 개폐 밸브의 열림 각도를 가변 조절함으로써, 수요 측으로 공급되는 압축공기의 공급 유량을 가변하여 수요 측의 공급압력을 안정화하는 것이다.

또한 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템의 컨트롤러(500)는 전면에 구비된 조작부(510)로부터 입력되는 조작신호에 따라 압력 센서(300)를 통해 측정된 수요 측인 헤더 라인측의 압력 측정치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 LCD 표시부(520)에 출력해 줌으로써, 기기의 작동 상태 및 공급압력의 변화 양상을 관리자가 용이하게 확인할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템이 적용된 압축공기 공급 시스템은 유량 조절 수단의 출구 측에 설치된 압력 센서를 통해 측정한 수요 측의 압력과 설정 압력 간의 차분에 따라 유량 조절 수단의 개폐 밸브의 열림 각도가 조절됨으로써, 헤더 라인 측의 수요 압력 변화에 따라 능동적으로 헤더 라인측의 압력을 안정화할 수 있어 공급 공기압의 안정화에 따른 필요 최소한의 압력과 유량으로 압축공기를 생산하므로 압축공기 생산에 따른 전력비용을 절감할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템의 구성을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템은 외부 신호에 따라 리저버 탱크 측에서 수요 측인 헤더 라인으로 공급되는 압축공기의 유량을 조절하는 유량 조절 수단(100)과, 헤더 라인으로 공급되는 압축공기의 압력을 측정하는 압력 센서(300) 및 압력 센서(300)로부터 입력되는 측정치에 따라 유량 조절 수단(300)의 구동을 제어하며 측정된 압력 측정치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 표시하도록 제어하는 컨트롤러(500)를 포함한다.

유량 조절 수단(100)은 리저버 탱크의 출구 측과 헤더 라인 사이를 연결하는 연결 관에 설치되어 컨트롤러(500)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 리저버 탱크의 출구 측에서 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급 유량을 조절한다.

즉 본 발명의 실시예에 있어서 유량 조절 수단(100)은 밸브 포지셔너 및 개폐 밸브인 버터플라이 밸브로 구성된 것으로, 미국의 Posle flate사에서 제조된 밸브 포지셔너를 채택하였다.

이 밸브 포지셔너는 공압 엑츄에이터가 장착되어 있는 것으로, 조절 신호를 설정치로 하고 구동축의 위치를 측정치로 하여 공압 엑추에이터의 출력인 공압을 조절하여 연결 관에 설치된 버터플라이 밸브의 개폐 각도를 조절하도록 영구자석과 코일을 이용한 모터 또는 토크모터를 사용한 힘평형식 포지셔너로, 본 건 출원일 이전에 이미 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서 상기와 같이 구성된 유량 조절 수단(100)은 컨트롤러(500)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 밸브 포지션서가 작동하여 공압 엑츄에이터의 구동 공기압을 생성한다. 그리고 생성된 공기압에 의해 밸브 포지셔너에 장착되어 있는 엑츄에이터가 회전 구동하게 된다.

이에 따라 연결 관 내부에 설치되어 있는 버터플라이 밸브가 엑츄에이터의 회전력에 따라 소정의 각도로 개폐된다. 그러므로 수요 측으로 공급되는 압축공기의 공급유량이 조절되어 수요 측의 공급압력을 조절할 수 있게 되는 것이다.

예를 들어 공압 수요의 증가에 따라 공기 압력이 떨어지게 되면 버터플라이 밸브의 열림 각도가 증가한다. 이와 반대로 공압 수요의 감소에 따라 공기 압력이 올라가면 버터플라이 밸브의 열림 각도를 줄여 연결 관의 통과 유량을 감소시키는 수요 측의 공기압력을 조절해준다.

이와 같이 유량 조절 수단의 구동을 제어하는 신호는 컨트롤러에서 출력되는 것으로, 이에 대한 설명은 후술되는 컨트롤러에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.

그리고 압력 센서(300)는 유량 조절 수단(100)의 출구 측에 구비되어 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급압력, 즉 수요측에서 소비되는 압축공기의 공급 압력을 측정하여 전기 신호로 출력한다.

본 발명의 실시예에 있어서 압력 센서(300)는 반도체형 센서 중에서 정전용량형 반도체 센서로서 히스테리시스(Hysteresis)현상이 없고 직선성이 우수하며 소형, 경량으로 진동에도 매우 강하다. 이러한 반도체 압력 센서는 외부 압력을 응력으로 변환하는 다이어프램과 다이어프램에서 발생하는 동력을 전기 신호로 변환하는 변환부로 구성되어 압력에 비례하는 전기 신호인 전압 신호를 출력하는 것으로, 본 건 출원일 이전에 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.

한편 본 발명의 특징적인 양상에 따라 컨트롤러(500)는 PIC 마이크로컴퓨터 기반의 PID제어 알고리즘을 통해 유량 조절 수단의 구동을 제어한다. 즉 컨트롤러(500)는 압력 센서(300)로부터 입력된 압력 측정치와 기 설정된 압력 설정치 간의 차분에 따라 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급 유량을 조절하도록 유량 조절 수단(100)의 구동을 제어한다. 또한 컨트롤러(500)는 압력 센서(300)로부터 입력되는 압력 측정치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 화면에 실시간으로 출력 하도록 제어한다.

즉 본 발명에 따른 컨트롤러(500)는 도 2에 도시된 바와 같이 관리자의 조작 신호를 입력받는 조작부(510)와, LCD 표시부(520)와, 장치 전반의 구동을 제어하는 마이컴(530)과, 마이컴(530)으로부터 입력되는 제어 신호를 전기 신호로 변환하는 신호 변환부(540)와, 마이컴(530)에서 출력되는 화면 신호를 LCD 표시부(520)로 출력하도록 제어하는 화면 제어부(550)를 포함한다. 그리고 컨트롤러(500)는 증폭부(560)와 통신 인터페이스부(570)를 더 포함한다.

조작부(510)는 관리자의 조작 신호를 입력받는 것으로, 컨트롤러 전면에 설치된 LCD 표시부(520)의 하부에 각종 키가 설치되어 있다. 본 발명의 실시예에 있어서 조작부(520)는 LCD 표시부(520)를 통해 출력되는 각종 메뉴, 예를 들면 수요 측에서 필요로 하는 공급 압력을 설정하기 위한 압력 설정 메뉴나 시간 설정을 하기 위한 시간 설정 메뉴 및 주변 환경에 따른 압력 측정치를 보상하기 위한 측정 압력 영점 조절 메뉴 등을 선택하기 위한 △·▽ 방향키와 방향키 조작에 의해 이동된 메뉴를 선택하는 선택키가 구비되어 있다.

한편 마이컴(530)은 조작부(510)로부터 입력되는 조작 신호에 따라 압력 센서(300)로부터 입력되는 압력 측정치에 대한 실제 압력치를 산출하고 산출된 실제 압력 측정치를 시간 변화에 따른 화면 신호로 출력한다. 또한 마이컴(530)은 동시에 실제 압력 측정치와 기 설정된 압력 설정치와의 차분에 따라 유량 조절 수단(100)의 구동을 제어하는 제어 신호를 출력하도록 장치 전반의 구동을 제어한다.

본 발명의 실시예에 있어서 마이컴(530)은 RISC방식으로 명령어 해독이 하드 웨어적으로 이루어진다. 즉 모든 명령어를 하드웨어적으로 해독할 수 있도록 칩 내의 회로가 설계되어 있기 때문에 명령어의 처리 속도가 CISC 방식에 비하여 현저히 빠른 장점이 있는 것으로, 타이머부(531)와 메모리부(532)와 아날로그/디지털 변환부(533)와 데이터 보정부(534) 및 유량 조절 제어부(535)와 화면 생성부(536)를 포함한다.

메모리부(532)는 플래시 메모리 및 EEPROM, SRAM을 포함하는 것으로, 장치 전반의 구동을 제어하는 각종 프로그램 및 조작부로부터 입력된 압력 설정치와 압력 센서로부터 입력되는 압력 측정치 및 압력 보정치가 저장되어 있다.

여기서 압력 설정치라함은 공압 자동화 장치나 플랜트 설비 등에 소요되는 압축공기의 목표 압력치를 의미한다. 그리고 압력 보정치라함은 현장설치 시 현장의 전기적인 환경에 의해 발생되는 노이즈 값을 의미한다. 즉 압력 보정치는 압력 센서를 통해 측정된 압력 측정치와 현장 주변의 전기적인 환경에 의해 컨트롤러가 인식하는 압력 측정치와의 차이가 나타나는 현상을 보정하기 위한 압력치를 의미한다. 본 발명의 실시예에 있어서 전술한 목표 입력값 및 압력 보정값은 관리자의 조작에 따라 설정된다.

그리고 아날로그/디지털 변환부(533)는 압력 센서(300)로부터 입력되는 아날로그 신호인 전기 신호를 디지털 신호를 변환한다. 즉 압력 센서(300)로부터 입력되는 아날로그 전압의 양을 8비트의 디지털 값으로 변환한다. 이에 따라 컨트롤러는 아날로그/디지털 변환부를 통해 압력 센서로부터 입력되는 전기 신호는 마이컴에서 처리 가능한 신호로 변환하게 된다.

그리고 본 발명의 부가적인 실시예에 따르면 컨트롤러(500)는 압력 센서(300)로부터 입력되는 입력 신호가 매우 미약하므로, 압력 센서(300)와 마이컴 즉 아날로그/디지털 변환부(533) 사이에 입력 신호를 소정의 크기로 증폭하는 증폭부(560)가 더 구비되어 있다.

이에 따라 컨트롤러(500)는 증폭부(560)를 통해 아날로그/디지털 변환부(533)로 입력되는 압력 센서의 미약한 신호의 왜곡을 방지함과 동시에 매우 작은 입력 신호의 입력을 증폭하여 출력해준다. 또한 증폭부(560)는 출력에 부하를 달면 출력 전류가 흘러 전력을 공급하게 되지만 입력에는 전류가 거의 흐르지 않아 출력이 입력에 영향을 주지 않게 된다. 즉 이 실시예에 있어서 증폭부(560)는 입력 임피던스가 높고 출력임피던스가 낮아서 구동회로의 부하 효과를 막는 일종의 완충증폭기의 역할을 한다.

이와 같이 디지털 신호로 변환된 압력 측정치는 데이터 보정부를 통해 현재 수요 측의 공급 압력에 대한 실질적인 측정치로 보정된다.

데이터 보정부(534)는 메모리부(532)에 저장된 압력 보정치를 이용하여 아날로그/디지털 변환부(533)로부터 입력되는 압력 측정치에 대한 실제 압력 측정치를 산출한다.

본 발명에 따른 시스템의 컨트롤러로 입력되는 압력 측정치에는 시스템의 현장 설치 시 시스템 주변의 전기적인 환경에 의해 노이즈 성분이 포함되어 있다. 이에 따라 데이터 보정부(534)를 통해 압력 센서로부터 입력되는 압력 측정치에 노이즈 성분에 상응되는 압력 보정치를 보정한다.

즉 데이터 보정부(534)는 시스템을 현장에 설치하는 경우, 현장 주변의 전기적인 환경에 의해 압력 센서로부터 입력되는 압력 측정치와 실제 수요 측 공급압력에 대한 실제 압력 값을 각각 측정하여 두 값에 대한 차분만큼 압력 센서를 통해 입력되는 압력 측정치를 보정 산출한다.

따라서 본 발명에 따른 컨트롤러의 마이컴은 데이터 보정부를 통해 현재 실질적으로 소요되는 압축공기의 공급 압력을 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 유량 조절 제어부를 통해 유량 조절 수단의 구동을 보다 정확하게 작동시킬 수 있는 것이다.

한편 유량 조절 제어부(535)는 데이터 보정부(534)에서 출력되는 실제 압력 측정치와 메모리부(532)에 저장되어 있는 압력 설정치 간의 차이에 따라 유량 조절 수단의 구동을 제어하는 제어 신호를 출력한다.

즉 본 발명의 실시예에 있어서 유량 조절 제어부(535)는 비례미적분 제어기로서, 실제 압력 측정치와 압력 설정치 간의 차이에 따른 차분 신호를 생성한다. 그리고 비례미적분 제어방식을 통해 차분 신호에 대응하는 제어 신호를 생성하고 이를 펄스 폭 변조하여 1V~5V 범위의 신호를 신호 변환부(540)로 출력한다.

이 때 신호 변환부(540)로 출력되는 출력 신호 중 유량 조절 수단에 포함된 개폐 밸브가 최대로 닫히도록 하는 유량 조절 제어부의 최대 폐쇄 제어 신호는 유량 조절 수단에 포함된 개폐 밸브의 최대 닫힘 각도가 소정의 각도를 유지하도록 제한하는 것이 바람직하다.

이에 따라 유량 조절 제어부에서 출력되는 최대 폐쇄 제어 신호에 의해 유량 조절 수단의 버터플라이 밸브의 닫힘 각도를 90%까지 제한함으로써, 버터플라이 밸브가 완전히 닫힘으로 인해 발생되는 헌팅 현상의 발생을 억제할 수 있게 된다.

즉 유량 조절 제어부에서 출력되는 제어 신호에 의해 버터플라이 밸브가 완전히 닫히게 되면, 수요 측인 헤더 라인측의 공급압력이 급격하게 떨어지고 이를 만회하기 위해 밸브가 급격하게 열리는 현상이 반복된다. 그러나 상기와 같이 유량 조절 제어부에서 출력되는 최대 폐쇄 제어 신호 자체를 소프트웨어적으로 제한해 줌으로써, 항상 일정 각도가 열려 있으므로 헌팅 현상의 발생을 억제할 수 있게 되는 것이다. 이와 같이 헌팅 현상의 발생을 억제하는 것은 하드웨어적으로도 가능하다. 예를 들어 버터플라이 밸브의 회전 각도를 제한하도록 연결 관 내부에 회전 방지턱을 사용할 수도 있다.

따라서 본 발명에 따른 마이컴은 실제 압력 측정치와 압력 설정치 간의 차이에 따라 압축공기에 대한 공급압력을 비례미적분 제어 방식을 통해 제어함으로써, 압력 변동 범위 내에서 공급압력을 안정적으로 제어할 수 있다.

특히 유량 조절 수단에 포함된 개폐 밸브가 최대로 닫히도록 하는 유량 조절 제어부의 최대 폐쇄 제어 신호에 의해 유량 조절 수단에 포함된 개폐 밸브의 최대 닫힘 각도가 소정의 각도를 유지하며 열리게 됨으로써, 헌팅 현상의 발생을 억제할 수 있게 되는 것이다.

한편 화면 생성부(536)는 LCD 표시부(520)로 출력되는 출력 화면, 예를 들면 관리자의 조작에 의해 설정된 압력 설정치 및 압력 센서를 통해 측정된 수요 측의 공급 압력 측정치에 대한 텍스트 및 그래프 화면을 출력하도록 화면 신호를 생성한 다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 화면 생성부(536)는 데이터 보정부(534)에서 출력되는 실제 압력 측정치를 타이머부(531)로부터 입력되는 시간 정보 및 메모리부(532)에 저장되어 있는 압력 설정치를 참조하여 시간 변화에 따른 그래프 형태의 화면으로 출력하도록 화면 신호를 생성한다.

특히 화면 생성부(536)는 메모리부(532)에 저장된 압력 설정치를 점선으로 표시하며, 데이터 보정부(534)에서 출력되는 실제 압력 측정치를 실선으로 표시하도록 화면 신호를 출력한다.

따라서 상기와 같은 구성에 따라 본 발명에 따른 컨트롤러를 구성하는 마이컴은 실제 압력 측정치와 압력 설정치 간의 차이에 따른 차분 신호에 대응하는 압축공기에 대한 공급압력을 제어하는 제어 신호를 비례미적분 제어 방식을 통해 생성하고 이를 펄스 폭 변조하여 신호 변환부로 출력 제어함으로써, 압력 변동 범위 내에서 공급압력을 안정적으로 제어할 수 있다.

또한 마이컴은 화면 생성부를 통해 압력 센서에서 측정된 압력 측정치에 대한 실제 압력을 실시간 압력 변화 그래프로 구현하는 화면 신호를 출력해 줌으로써, 공급 압력 변화 양상에 대한 모니터링이 가능하다. 특히 LCD 표시부 상에서 설정 압력을 변경하면 설정 압력 위치에 점선이 나타나며 실선으로 실제 측정 압력을 표시하도록 함으로써, 압력 조절 상황 및 압력 편차 등에 대한 손쉬운 모니터링이 가능하다.

한편 신호 변환부(540)는 마이컴에서 출력되는 제어 신호인 펄스 폭 변조 (PWM)신호를 전기 신호로 변환하여 유량 조절 수단(100)으로 출력하는 것으로, 필터부(541)와 선형 전류 증폭부(542)를 포함한다.

필터부(541)는 평활 회로로 마이컴의 유량 조절 제어부(535)에서 출력되는 펄스 폭 변조 신호를 소정 레벨의 전압 신호로 변환한다. 그리고 선형 전류 증폭부(542)는 필터부(541)에서 출력되는 전압 신호를 전류 신호로 변환한다.

즉 마이컴의 유량 조절 제어부(535)에서 출력되는 펄스폭 변조 신호는 도 3에 도시된 바와 같이 신호 변환부의 저항과 커패시터를 통하여 OP-Amp의 비반전단에 평활화되어 인가된다. 그리고 OP-Amp의 특성에서 출력 전압은 두 입력 사이의 전압 차이를 0으로 만들므로 PWM에 의해서 입력된 만큼의 전압이 FET의 소스에 인가된다.

그리고 FET의 전압-전류 특성은 출력 전류가 입력 전압에 의해 조정되는 형태로 나타나므로 게이트, 드레인, 소스의 세 단자에 외부 바이어스 전압을 적절히 가하므로, 유량 조정 수단으로 출력되는 전기 신호인 전류의 흐름을 제어할 있는 것이다.

따라서 본 발명에 따른 컨트롤러는 전술한 신호 변환부를 통해 유량 조절 제어부에서 출력되는 1V~5V의 PWM신호를 유량 조절 수단의 밸브 포지셔너의 구동에 필요한 4~20㎃의 전류 출력을 제어하여 밸브 포지셔너의 구동을 제어한다.

그리고 화면 제어부(550)는 마이컴(530)에서 출력되는 화면 신호를 LCD 표시부에 표시하도록 제어한다. 즉 본 발명의 실시예에 있어서 화면 제어부(550)는 그래픽 한글 LCD 디스플레이 모듈로 LCD 표시부 구동에 필요한 기능들이 탑재되어 있 다. 예를 들면 백라이트를 온/오프하거나 콘트라스트(contrast)조정, 및 점, 선, 원, 박스 등의 그래픽 기능뿐만 아니라 한글, 영문, 숫자, 특수 문자가 들어 있는 폰트 롬이 내장되어 마이컴에서 출력되는 화면 신호를 LCD 표시부에 표시하도록 제어한다.

이러한 그래픽 한글 LCD 디스플레이 모듈은 본 건 출원일 이전에 이미 공지된 기술이므로 이 모듈의 구성 및 각종 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서 화면 제어부(550)는 마이컴의 화면 생성부(536)에서 출력되는 화면 신호에 따라 LCD 표시부(520) 상에 표시하도록 제어한다. 즉 도 4에 도시된 바와 같이 화면 제어부(550)는 화면 생성부로부터 입력되는 화면 신호에 따라 텍스트 레이어에 관리자의 조작에 의해 설정된 압력 설정치 및 압력 센서를 통해 측정된 수요 측의 실제 공급 압력 측정치에 대한 텍스트 정보를 출력한다. 그리고 그래픽 레이어에 압력 변동에 대한 그래프 화면을 출력한다.

특히 화면 생성부의 제어 신호에 따라 LCD 표시부 상에서 설정 압력은 설정 압력 위치에 점선이 나타나며 실선으로 실제 측정 압력이 표시되도록 함으로써, 관리자는 LCD 표시부에 출력되는 그래프 화면을 통해 압력 조절 상황 및 압력 편차 등에 대하여 용이하게 모니터링 할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 부가적인 실시예에 따르면 컨트롤러(500)는 데이터 보정부(534)에서 출력되는 실제 압력 측정치를 외부로 출력하는 통신 인터페이스부(570)를 더 포함한다.

이 실시예에 있어서 통신 인터페이스부(570)는 RS232C 통신 인터페이스부로, 이 인터페이스부에 근거리 통신을 지원하는 블루투스 모듈이나 TCP/IP 연결 모듈 등을 접속함으로써, 유/무선을 통해 현장에서 측정된 공급압력 데이터를 사무실 모니터 상에서 작동 상태를 파악하는 것이 가능하다.

이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템의 작동 상태를 설명하기로 한다.

먼저 유량 조절 수단(100)의 출구 측에 설치되어 있는 압력 센서(300)로부터 수요 측인 헤더 라인 측의 수요 압력에 대한 압력 측정치가 입력되면, 입력된 압력 측정치는 아날로그/디지털 변환부(533)를 통해 디지털 데이터로 변환된다. 그리고 데이터 보정부(534)를 통해 수요 측의 실제 압력 측정치를 산출한다.

그리고 컨트롤러를 구성하는 마이컴의 유량 조절 제어부(535)는 메모리부에 저장되어 있는 압력 설정치와 데이터 보정부(534)로부터 입력된 실제 압력 측정치 간의 차분에 대응하는 유량 조절 수단의 구동 신호를 출력한다.

이 때 유량 조절 제어부(535)에서 생성되는 제어 신호는 전술한 바와 같이 PID제어방식에 의해 생성되어 펄스 폭 변조된 신호로 신호 변환부를 통해 유량 조절 수단의 밸브 포지셔너의 구동에 필요한 전기 신호로 변환되어 밸브 포지셔너로 출력된다.

이에 따라 유량 조절 수단(100)은 컨트롤러(500)로부터 입력되는 전기 신호에 따라 밸브 포지션서가 작동하여 공압 엑츄에이터의 구동 공기압을 생성한다. 그리고 생성된 공기압에 의해 밸브 포지셔너에 장착되어 있는 엑츄에이터가 회전 구 동하게 된다. 이에 따라 연결 관 내부에 설치되어 있는 버터플라이 밸브가 엑츄에이터의 회전력에 따라 소정의 각도로 개폐되어 수요 측인 헤더 라인 측으로 공급되는 압축 공기의 공급 유량을 조절하게 되는 것이다.

한편 컨트롤러의 마이컴(530)은 데이터 보정부(534)로부터 입력된 실제 압력 측정치를 화면 생성부(536)를 통해 LCD 표시부(520) 상에 표시되는 화면 신호를 출력하도록 제어한다.

즉 화면 생성부(536)는 전술한 바와 같이 데이터 보정부(534)에서 출력되는 실제 측정 압력에 대하여 프로그래밍 기법을 사용하여 측정 압력 값을 LCD 표시부 상의 16진수 좌표계로 변환한다. 그리고 타이머부(531)로부터 입력되는 시간 정보를 이용하여 실시간 모니터링 기능을 구현하도록 변환되어진 16진수 좌표계를 다시 시간의 변화에 대한 16진수 좌표의 변환 과정을 거쳐 15초에 한번 씩 현재의 압력 상태를 표시하도록 화면 신호를 생성하여 화면 제어부(550)로 출력한다.

이에 따라 컨트롤러는 화면 제어부를 통해 화면 생성부로부터 입력되는 화면 신호에 따라 LCD 표시부에 텍스트 정보 및 실시간 변동 압력 그래프를 표시하게 되는 것이다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템은 압력 센서를 통해 측정한 수요 측의 압력과 설정 압력 간의 차분에 따라 유량 조절 수단의 개폐 밸브의 열림 각도를 조절하여 헤더 라인 측의 압력 변화에 따라 능동적으로 헤더 라인측의 압력을 안정화시킴으로써, 공급 공기 압의 안정화에 따른 필요 최소한의 압력과 유량으로 압축공기를 생산할 수 있어 압축공기 생산에 따른 전력비용을 절감할 수 있다.

특히 압력 센서를 통해 측정된 수요 측인 헤더 라인측의 압력 측정치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 화면에 출력해 줌으로써, 기기의 작동 상태 및 공급압력의 변화 양상을 관리자가 용이하게 확인할 수 있다.

또한 데이터 보정부를 통해 측정 압력에 대한 실제 압력 측정치를 산출해줌으로써, 현장 설치 시 전기적인 환경에 따라 압력 센서를 통해 측정된 수요측 공급압력의 오차를 최소화하여 보다 정확하게 공급압력의 유량을 조절할 수 있다.

또한 유량 조절 제어부에서 출력되는 최대 폐쇄 제어 신호에 의해 유량 조절 수단의 버터플라이 밸브의 닫힘 각도를 90%까지 제한함으로써, 버터플라이 밸브가 완전히 닫힘으로 인해 발생되는 헌팅 현상의 발생을 억제할 수 있다.

그리고 통신 인터페이스부를 통해 근거리 통신을 지원하는 블루투스 모듈이나 TCP/IP 연결 모듈 등을 접속함으로써, 유/무선을 통해 현장에서 측정된 공급압력 데이터를 사무실 모니터 상에서 작동 상태를 보다 편리하게 파악하는 것이 가능하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (8)

1. 컴프레서 실 내에 위치하는 리저버 탱크의 출구 측과 헤더 라인 사이에 설치되어 외부로부터 입력되는 제어 신호에 따라 내부에 구비된 개폐 밸브의 열림 각도를 가변시켜 상기 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급 유량을 조절하는 유량 조절 수단과;

   상기 유량 조절 수단의 출구 측에 구비되어 헤더 라인 측으로 공급되는 압축공기의 공급압력을 측정하여 전기 신호로 출력하는 압력 센서와;

   LCD 표시부와 조작부와 실제 압력치를 산출하고 산출된 실제 압력치를 시간 변화에 따른 그래프 형태로 화면에 출력함과 동시에 기 설정된 압력 설정치와의 차분에 따라 상기 유량 조절 수단의 구동을 제어하는 제어 신호를 출력하도록 장치 전반의 구동을 제어하는 마이컴과, 상기 마이컴에서 출력되는 제어 신호를 전기 신호로 변환하여 상기 유량 조절 수단으로 출력하는 신호 변환부 및 상기 마이컴에서 출력되는 화면 신호를 상기 LCD 표시부로 출력하도록 제어하는 화면 제어부를 포함하는 컨트롤러를 포함하고,

   상기 마이컴은 :

   타이머부와, 상기 조작부로부터 입력된 압력 설정치 및 압력 보정치와 각종 프로그램이 저장되어 있는 메모리부와, 상기 압력 센서로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하는 아날로그/디지털 변환부와, 상기 메모리부에 저장된 압력 보정치를 이용하여 상기 아날로그/디지털 변환부로부터 입력되는 압력 측정치에 대한 실제 압력 측정치를 보정 산출하는 데이터 보정부와, 상기 데이터 보정부에서 출력되는 실제 압력 측정치와 상기 메모리부에 저장되어 있는 압력 설정치 간의 차이에 따른 차분 신호를 생성하고 비례미적분 제어방식을 통해 차분 신호에 대응하는 제어 신호를 펄스 폭 변조하여 상기 신호 변환부로 출력하는 유량 조절 제어부와, 상기 데이터 보정부에서 출력되는 실제 압력 측정치를 상기 타이머부로부터 입력되는 시간 정보 및 상기 메모리부에 저장되어 있는 압력 설정치를 참조하여 시간 변화에 따른 그래프 형태의 화면으로 출력하도록 화면 신호를 생성하는 화면 생성부를 포함하되,

   상기 화면 생성부는 상기 메모리부에 저장된 압력 설정치를 점선으로 표시하며, 상기 데이터 보정부로부터 입력되는 실제 압력 측정치를 실선으로 표시하는 것을 특징으로 하는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유량 조절 수단의 개폐 밸브가 최대로 닫히도록 상기 유량 조절 제어부에서 출력되는 최대 닫힘 제어 신호는 상기 유량 조절 수단에 포함된 개폐 밸브의 최대 닫힘 각도가 소정의 각도를 유지하도록 제한하는 것을 특징으로 하는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 신호 변환부는 :

   상기 유량 조절 제어부에서 출력되는 펄스 폭 변조 신호를 소정 레벨의 전압 신호로 변환하는 필터부와,

   상기 필터부에서 출력되는 전압 신호를 전류 신호로 변환하는 선형 전류 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러가 :

   상기 압력 센서로부터 입력되는 신호를 증폭하여 상기 아날로그/디지털 변환부로 출력하는 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러가 :

   상기 데이터 보정부에서 출력되는 실제 압력 측정치를 외부로 출력하는 통신 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기 공급압력 능동서보제어 시스템.
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