KR100683610B1

KR100683610B1 - 보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100683610B1
Application number: KR1020050110879A
Authority: KR
Inventors: 이영일; 정범진
Original assignee: 서울산업대학교 산학협력단
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-02-20

Abstract

본 발명은 보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 방 온도에 직접적으로 영향을 미치는 난방수 온도 및/또는 방바닥 온도를 활용하여 2중의 PID 제어구조를 구성하고 이를 통해서 원하는 설정온도를 보다 잘 추종할 수 있도록 한 보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 설정온도와 방 온도를 비교해서 적절한 방바닥온도(온수온도)의 설정치를 계산하기 위한 제1 PID 제어기; 및 실제 방바닥온도(온수온도) 가 상기 제1 PID 제어기에 의해 계산된 방바닥온도(온수온도)를 추종하도록 PID 제어하는 제2 PID 제어기를 포함하고, 상기 제1 PID 제어기는 상기 설정온도의 설정치와 상기 방 온도를 입력 신호로 받아 PID 제어하고, 상기 제2 PID 제어기는 상기 제1 PID 제어기의 제어신호와 상기 실제 방바닥온도(온수온도)로서 보일러의 온수온도 또는 방바닥 온도를 입력받는 것을 특징으로 한다.

Description

보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling heated room using boiler}

도 1은 종래기술의 일실시예에 의한 보일러를 이용한 난방제어 장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 방법의 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 일실시예의 보일러를 이용한 난방제어 장치의 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예의 보일러를 이용한 난방제어 장치의 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 장치가 전력선 통신에 의해 운영되는 형태의 구성도.

도 6a, b는 각각 본 발명과 기존방법의 방 온도 변화 그래프 도면.

도 7a, b는 각각 본 발명과 기존방법의 바닥온도 변화 그래프 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...보일러 200...방(실내)

210...온도센서 250...습도센서

300...제1 PID 제어기 400...제2 PID 제어기

102, 202, 702...전기콘센트/전력선통신모듈

당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 기존의 통상적인 보일러를 이용한 난방제어는 도 1에 도시한 바와 같이 설정온도에 맞춘 온/오프(on/off) 제어로서 보일러(10) 버너의 제어 동작의 결과가 온수를 덥히고 덥혀진 온수가 방(20) 바닥을 데우고, 데워진 방(20) 바닥의 열기에 의해 공기온도가 영향을 받는 구조로 되어 있어, 식어있는 방을 덥히는 경우 방(20) 바닥이 아주 뜨거워진 이후에야 공기가 원하는 설정온도에 도달하게 되어서, 이때 보일러(10)를 오프시키더라도 이미 뜨거워진 방바닥의 영향으로 방(20)의 온도는 원하는 설정값을 넘어 훨씬 올라가게 되는 등 원하는 온도로 제어하는 것이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 방 온도(실내온도)에 직접적으로 영향을 미치는 난방수 온도 및/또는 방바닥 온도를 활용하여 2중의 PID 제어구조를 구성하고 이를 통해서 원하는 실내 설정온도를 보다 잘 추종할 수 있도록 한 보일러를 이용한 난방제어 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 방 온도(실내온도)에 직접적으로 영향을 미치는 난방수 온도 및/또는 방바닥 온도를 활용하여 2중의 PID 제어구조를 구성하고 이를 통해서 원하는 실내 설정온도를 보다 잘 추종할 수 있도록 한 보일러를 이용한 난방제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 온도 외에 습도도 측정해서 실내 설정온도에 적절한 가감이 되도록 해서 쾌적한 난방이 이루어질 수 있게 하며, 온도 및 습도의 측정을 위한 센서들은 전력선 통신망 등 적절한 통신망을 통해서 전달될 수 있도록 하는 보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 보일러를 이용한 난방제어 방법에 있어서, 설정온도와 방 온도를 비교해서 방바닥온도(온수온도)를 제1 PID 제어에 의해 계산하는 단계; 및 실제 온수온도가 제2 PID 제어에 의해 상기 제1 PID 제어에 의해 계산된 방바닥온도(온수온도)를 추종하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러를 이용한 난방제어 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 PID 제어 및 제2 PID 제어와 관련한 계수값 설정은, 상기 제2 PID 제어에 의해 추종이 잘 되도록 상기 제2 PID 제어의 계수값을 설정한 상태에서 상기 제1 PID 제어의 계수값을 설정한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 난방제어 대상인 상기 방의 습도를 측정하여 그 측정된 값을 상기 제1 PID 제어에서 사용하고, 상기 제1 PID 제어 및 제2 PID 제어를 위한 신호의 송수신이 전력선 통신에 의해 수행되고, 상기 제2 PID 제어에 의해 제어되는 보일러 또는 밸브는 PWM 신호에 의해 제어된다.

본 발명은 상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 보일러를 이용한 난방제어 장치에 있어서, 설정온도와 방 온도를 비교해서 적절한 방바닥온도(온수온도)의 설정치를 계산하기 위한 제1 PID 제어기; 및 실제 방바닥온도(온수온도) 가 상기 제1 PID 제어기에 의해 계산된 방바닥온도(온수온도)를 추종하도록 PID 제어하는 제2 PID 제어기를 포함하고, 상기 제1 PID 제어기는 상기 설정온도의 설정치와 상기 방 온도를 입력 신호로 받아 PID 제어하고, 상기 제2 PID 제어기는 상기 제1 PID 제어기의 제어신호와 상기 실제 방바닥온도(온수온도)로서 보일러의 온수온도 또는 방바닥 온도를 입력받는 것을 특징으로 하는 보일러를 이용한 난방제어 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 방에 설치되어 방의 습도값을 상기 제1 PID 제어기에 입력하는 습도센서를 포함하고, 상기 제1 PID 제어기 및 제2 PID 제어기는 PID 제어를 위한 신호들을 전력선 통신을 통해 송수신하고, 상기 제2 PID 제어기는 제어대상인 보일러 및/또는 밸브를 PWM 신호로 제어한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

한편, 이하의 설명에 있어서, 종래기술에 따른 구성부재와 본 발명에 의한 구성부재가 동일한 경우에는 종래기술에서 사용하였던 도면 부호를 그대로 사용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 방법의 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 일실시예의 보일러를 이용한 난방제어 장치의 구성도, 도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예의 보일러를 이용한 난방제어 장치의 구성도, 도 5는 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 장치가 전력선 통신에 의해 운영되는 형태의 구성도이다. 도 6은 본 발명과 기존방법의 방 온도 변화 그래프 도면이고, 도 7은 본 발명과 기존방법의 바닥온도 변화 그래프 도면이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 방법은, 사용자에 의해 설정된 설정온도와 온도센서(210; 도 5)에 의해 감지된 방 온도를 비교하는 단계(S100); 방 바닥온도(온수온도)를 제1 PID 제어기(300)로 계산하는 단계(S200); 및 제2 PID 제어기(400)가 실제 온수온도를 제어하여 제1 PID 제어기(300)에서 계산된 방 바닥온도(온수온도)에 추종하도록 하는 단계(S300)를 포함 하여 이루어진다. 여기서, 상기 제1 PID 제어 및 제2 PID 제어와 관련한 계수값 설정은 바람직하게 상기 제2 PID 제어에 의해 추종이 잘 되도록 상기 제2 PID 제어의 계수값을 설정한 상태에서 상기 제1 PID 제어의 계수값을 설정한다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 장치는, 사용자에 의해 설정된 설정온도와 온도센서(210)에 의해 감지된 방 온도(실내온도)를 비교해서 방 바닥온도(온수온도)를 계산하기 위한 제1 PID 제어기(300); 실제 방 바닥온도(온수온도)가 제1 PID 제어기(300)에 의해 계산된 온수온도를 추종하도록 PID 제어하는 제2 PID 제어기(400); 방 온도 및/또는 온수온도 등을 감지하기 위한 온도센서(210); 방(200)에 설치되어 방의 습도값을 제1 PID 제어기(300)에 입력하는 습도센서(250)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 제1 PID 제어기(300)는 상기 설정온도의 설정값과 상기 방 온도를 입력 신호로 받아 PID 제어하고, 제2 PID 제어기(400)는 제1 PID 제어기(300)의 제어신호와 상기 실제 온수온도(바닥온도)로서 보일러(100; 또는 밸브(150))와 방(200) 사이의 온수온도를 입력받는다. 제2 PID 제어기(400)는 바람직하게 제어대상인 보일러(100) 및/또는 밸브(150)를 PWM 신호로 제어한다.

한편, 제1 PID 제어기(300), 제2 PID 제어기(400) 및 센서(210)(250) 등은 제어신호 및 센서 신호들을 전력선 통신을 통해 송수신할 수 있다. 본 발명은 전력선 통신을 위해 도 5에 도시한 바와 같이 전기콘센트/전력선통신모듈(102)(202)(702)를 포함한다. 상기한 전기콘센트/전력선통신모듈은 당업자에게 널리 공지되어 있으며, 참고로 http://www.xeline.com/business/business_tech.htm과 같은 웹페이지에서 해당기술 내용을 확인할 수 있으므로, 본 명세서에는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치의 작용을 도 2 내지 도 7을 참조하여 설명한다.

먼저, 본 발명에 적용되는 PID 제어기(300)(400)에 대해 참고로 간략하게 설명하면 다음과 같다. 즉, PID 제어기는 비례(Propotional)/적분(Integral)/미분(Derivative) 제어기를 일컫는 것으로서, 이 PID 제어기의 목적은 실제 플랜트 출력값(

)이 원하는 설정값(

)를 최대한 잘 따르도록 하는 것이고, 제어방법은 설정값과 출력값의 차이

에 대해서 다음과 같은 제어입력 신호(

)를 만들어 내는 것이다.

즉, 제어오차의 크기에 달라지는 비례제어 부분, 누적된 제어오차에 따라 달라지는 적분제어 부분, 제어오차의 변동정도에 따라 달라지는 미분제어 부분의 합으로 제어입력 신호가 달라진다. PID 제어의 계수로서

,

는 각각 비례, 적분, 미분 제어기능의 상대적 크기를 결정한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 사용자가 제어판넬(미도시)를 통해 설정온도(설정치)를 설정하면, 제1 PID 제어기(300)는 온도센서(210)에 의해 감지된 방 온도(실 내온도)와 상기 설정온도를 비교하여, 온수배관(150)를 통해 보일러(100)에서 방(200)으로 배출시킬 방 바닥온도(온수온도)를 적절하게 계산한다(S100)(S200). 이때, 방(200)에 설치된 습도센서(250)에 의해 방의 습도가 감지되고, 감지된 방의 습도는 제1 PID 제어기(300)에 입력되어 온수온도 및/또는 방 온도를 제어하는 데 이용된다. 온도센서(210) 및 습도센서(250)에 의해 감지된 해당 신호값들은 전기콘센트/전력선통신모듈(202)(702)을 통해 보일러 제어기(700)의 제1 PID 제어기(300)에 송신된다.

상기와 같이 제1 PID 제어기(300)에서 온수온도 값이 계산되면, 제2 PID 제어기(400)는 온수배관(150)을 통해 방(200)으로 공급되는 실제 방 바닥온도(온수온도)가 상기 제1 PID 제어기(300)에서 계산한 온도값에 추종하도록 보일러(100)를 PWM 신호로 제어한다(S300). 제2 PID 제어기(400)에서 출력되는 PWM 제어신호는 도 5에 도시한 바와 같이 전기콘센트/전력선통신모듈(102)(702)을 통해 보일러(100)에 송신되고, 상기 PWM 제어신호는 반도체 트랜지스터 또는 릴레이 등과 같은 스위칭 소자(500; 도 3)를 통해 실질적으로 보일러(100)에 인가된다.

상기와 같이 본 발명에 따라 2중의 PID 제어에 의하면, 도 6b 및 도 7b에 도시한 바와 같은 굴곡이 심한 기존방법의 방 온도 및 바닥온도 변화가, 도 6a와 도 7a에 도시한 바와 같은 굴곡이 거의 없는 방 온도변화 및 바닥온도 변화로 된다.

한편, 실내에 여러개의 방이 있고, 각 방별로 온도제어를 하는 경우에는 도 4에 도시한 바와 같이 각 방별로 온수흐름을 제어할 수 있는 밸브(150)를 설치한다. 여기서, 밸브(150)는 PWM 제어신호에 의해 동작할 수 있는 밸브이어야 함은 물 론이다. 이 경우 각 방의 온수온도(바닥온도)는 밸브(150)를 통하는 온수의 흐름을 제어함으로써 이루어진다.

이로써, 본 발명은 2중의 PID 제어구조를 통해 난방제어를 효율적으로 할 수 있게 한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 보일러를 이용한 난방제어 방법 및 장치는, 방 온도에 직접적으로 영향을 미치는 난방수 온도 및/또는 방바닥 온도를 활용하여 2중의 PID 제어구조를 구성하고 이를 통해서 원하는 설정온도를 보다 잘 추종할 수 있도록 하는 이점을 제공한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims

보일러를 이용한 난방제어 방법에 있어서,

설정온도와 방 온도를 비교해서 방바닥온도(온수온도)를 제1 PID 제어에 의해 계산하는 단계; 및

실제 온수온도가 제2 PID 제어에 의해 상기 제1 PID 제어에 의해 계산된 방바닥온도(온수온도)를 추종하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러를 이용한 난방제어 방법.
제1항에 있어서,

난방제어 대상인 상기 방의 습도를 측정하여 그 측정된 값을 상기 제1 PID 제어에 사용하고,

상기 제1 PID 제어 및 제2 PID 제어를 위한 신호의 송수신이 전력선 통신에 의해 수행되고,

상기 제2 PID 제어에 의해 제어되는 보일러 또는 밸브는 PWM 신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 보일러를 이용한 난방제어 방법.
보일러를 이용한 난방제어 장치에 있어서,

설정온도와 방 온도를 비교해서 적절한 방바닥온도(온수온도)의 설정치를 계산하기 위한 제1 PID 제어기; 및

실제 방바닥온도(온수온도) 가 상기 제1 PID 제어기에 의해 계산된 방바닥온도(온수온도)를 추종하도록 PID 제어하는 제2 PID 제어기를 포함하고,

상기 제1 PID 제어기는 상기 설정온도의 설정치와 상기 방 온도를 입력 신호로 받아 PID 제어하고, 상기 제2 PID 제어기는 상기 제1 PID 제어기의 제어신호와 상기 실제 방바닥온도(온수온도)로서 보일러의 온수온도 또는 방바닥 온도를 입력받는 것을 특징으로 하는 보일러를 이용한 난방제어 장치.
제3항에 있어서,

상기 방에 설치되어 방의 습도값을 상기 제1 PID 제어기에 입력하는 습도센서를 포함하고,

상기 제1 PID 제어기 및 제2 PID 제어기는 PID 제어를 위한 신호들을 전력선 통신을 통해 송수신하고,

상기 제2 PID 제어기는 제어대상인 보일러 및/또는 밸브를 PWM 신호로 제어하는 것을 특징으로 하는 보일러를 이용한 난방제어 장치.