KR100985961B1 - 온도 제어 모듈 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도 제어 모듈 및 방법에 관한 것으로서, 온도 측정 대상의 온도 제어를 위해 기설정된 파라미터로부터 입력 수단에 입력되는 아날로그 신호의 종류를 판단하고, 아날로그 신호의 종류에 따라 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 디지털 신호로 변환된 측정 온도 값과 기설정된 목표 값으로 PID 제어를 수행하여 조정 값을 연산하고, 연산된 조정 값 및 기설정된 파라미터를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성한 후, PWM 제어 신호에 따라 연산된 조정 값을 외부로 출력함으로써, 아날로그 입력 모듈, PID 제어 모듈, 아날로그 출력 모듈을 하나의 모듈로 일체화한 온도 제어 모듈 및 방법이 개시된다.

PLC, 온도 제어, 열 전대, 측온 저항체, A/D 변환, PID

Description

온도 제어 모듈 및 방법{ Module and Method for controlling temperature }

본 발명은 온도 제어 모듈 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력, 제어, 출력 기능을 함께 담당하는 일체형 온도 제어 모듈 및 방법에 관한 것이다.

온도 제어 기기는 식품 포장 기계, 각종 공업 요로, 반도체 제조장치, 플라스틱 성형 기계 등 여러 분야에 걸쳐 이용되고 있으며, 최근 고기능, 소형화, 저비용화에 대한 기대가 증대되면서 온도 제어 기기와 PLC(Programmable Logic Controller)와의 접목이 요구되고 있다.

PLC는 기존에 사용하던 제어반(Control Panel) 내의 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 IC 및 트랜지스터 등의 반도체 소자로 대체시켜, 기본적인 시퀀스 제어 기능에 연산 기능을 추가함으로써 프로그램 제어가 가능하도록 한 범용 제어 장치를 말하며, 현재 PLC에서 온도 조절을 위한 방법으로는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어가 가장 보편적으로 사용되고 있다.

PID 제어는 제어 대상의 현재 측정된 값과 미리 설정되어 있는 목표 값을 비교하여, 현재 측정값과 목표 값이 차이가 있는 경우, 출력 값을 조정하여 현재 값이 목표 값이 되게 하는 제어 동작을 말하며, 비례 동작(P), 적분 동작(I), 미분 동작(D)을 조합시킨 제어 방식이다.

PLC를 이용하여 온도 조절을 하려면, 측정 대상의 온도 값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그 입력 모듈과, 변환된 디지털 값으로 PID 연산을 수행하는 PID 제어 모듈과, PID 연산의 결과 값을 아날로그 값으로 출력하는 아날로그 출력 모듈이 필요하다.

도 1은 종래의 PLC를 이용한 온도 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 온도 측정 대상(10)의 현재 측정 온도 값을 입력받아 디지털 값으로 변환하는 아날로그 입력 모듈(20)과, 상기 아날로그 입력 모듈(20)에서 디지털 값으로 변환된 현재 측정 값(PV)을 목표 값(SV)과 비교하여 조작 값(MV)을 연산하는 PID 제어 모듈(30)과, 상기 PID 제어 모듈(30)에서 계산된 조작 값(MV)에 해당하는 아날로그 값을 출력하는 아날로그 출력 모듈(40)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 온도 측정 대상(10)은 가열기(50)와 냉각기(60)를 구비하며, 온도 제어 장치의 제어에 의해 가열기(50)와 냉각기(60)가 구동되어 일정한 온도를 유지하게 된다.

이와 같이 구성된 온도 제어 장치에 있어서, 상기 아날로그 입력 모듈(20)은 상기 온도 측정 대상(10)의 온도 값을 입력받아 디지털 값으로 변환한다.

상기 아날로그 입력 모듈(20)은 사용하는 센서에 따라 바뀔 수 있는데, 현재 사용하는 센서가 측온 저항체일 때는 측온 저항체 모듈로, 현재 사용하는 센서가 열 전대일 때는 열 전대 모듈을 사용한다. 또한, 센서 신호를 변환기(Transducer)에 연결하여 해당 신호를 전류 또는 전압으로 변환하여 입력받는 경우는 전류 입력 모듈 또는 전압 입력 모듈을 사용한다.

상기 PID 제어 모듈(30)은 상기 아날로그 입력 모듈(20)에서 변환된 값 즉, 측정된 값(PV)과 미리 설정된 목표 값(SV)을 비교하여 차이가 있는 경우, 그 차를 없애 현재 값이 목표 값이 되도록 하는 조작 값(MV)을 연산하는 과정을 수행한다.

상기 아날로그 출력 모듈(40)은 상기 PID 제어 모듈(30)의 조작 값(MV)에 해당하는 아날로그 값을 출력하는데, 상기 아날로그 출력 모듈(40)에는 가열을 위한 가열 출력과 냉각을 위한 냉각 출력이 각각 결선되어 있다.

이때, 상기 PID 제어 모듈(30)은 상기 아날로그 출력 모듈(40)을 제어하여, 상기 아날로그 출력 모듈(40)의 가열 출력을 동작시키거나 냉각 출력을 동작시키게 된다.

예를 들어, 온도 측정 대상(10)의 온도를 200℃로 유지한다고 할 때, 목표 값(SV)은 200℃가 된다. 상기 아날로그 입력 모듈(20)에서 입력받은 현재 측정 값(PV)이 200℃보다 낮은 경우, 상기 PID 제어 모듈(30)은 상기 아날로그 출력 모듈(40)의 가열 출력을 동작시켜 온도 측정 대상(10)의 온도를 높이게 된다.

반면에, 상기 아날로그 입력 모듈(20)에서 입력받은 현재 측정 값(PV)이 200℃보다 높은 경우, 상기 PID 제어 모듈(30)은 상기 아날로그 출력 모듈(40)의 냉각 출력을 동작시켜 온도 측정 대상(10)의 온도를 낮추게 된다.

상기 종래의 온도 제어 장치는 온도 제어를 위해, 아날로그 입력 모듈(20), PID 제어 모듈(30) 및 아날로그 출력 모듈(40)을 모두 갖추고 있어야 하며, 이로 인해 PLC 베이스의 슬롯을 3개 이상 점유하게 된다.

이 경우 각 모듈의 운전 설정을 독립적으로 해야하는 불편함이 있고, 각 모듈의 구입으로 인해 시스템 구축을 위한 비용이 증가하게 되며, 규모가 큰 시스템의 경우 PLC 베이스의 슬롯 점유 면적이 증가하여 베이스를 확장하는데 따른 추가 비용이 들어간다는 문제점이 있다.

그리고 아날로그 입력 모듈(20)은 온도 제어 대상 기기의 센서 종류에 따라, 열 전대 입력 모듈, 측온 저항체 입력 모듈, 전류 입력 모듈, 전압 입력 모듈 중 어느 하나를 선택하여 사용해야 하기 때문에, 이종 센서가 설치된 경우, 그에 맞는 아날로그 입력 모듈을 각각 장착해야 한다.

즉, 열 전대와 측온 저항체를 사용하는 경우, 열 전대 입력 모듈과 측온 저항체 입력 모듈을 각각 구비하여야 하므로, 이에 따른 비용 상승의 문제점이 있다.

또한, 아날로그 입력 모듈(20), PID 제어 모듈(30) 및 아날로그 출력 모듈(40)의 입출력 값은 PLC CPU를 통하여 각각 전달되는데, 이 경우 PLC 사용자 프로그램의 스캔 속도가 길어져 제어 성능에 영향을 줄 수 있다.

즉, PLC 사용자 프로그램의 스캔 속도가 짧을 때는 제어 주기도 짧아지므로 원활한 성능을 낼 수 있지만, PLC 사용자 프로그램의 스캔 속도가 길어질 경우 제어 주기도 함께 늘어남으로써 제어 성능에 악 영향을 줄 수 있다.

본 발명의 목적은 온도 제어 장치에 있어서, 아날로그 입력 모듈, PID 제어 모듈, 아날로그 출력 모듈을 하나의 모듈에 일체화하는 온도 제어 모듈 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 한 개의 입력 수단으로 각 온도 센서에 의한 여러 종류의 입력 신호를 처리할 수 있는 온도 제어 모듈 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 입력 신호를 디지털 신호로 변환하고, PID 제어를 통해 조정 값을 연산하며, 조정 값을 외부로 출력하는 모든 동작을 하나의 제어 수단이 담당하도록 하여 제어 성능을 향상시키는 온도 제어 모듈 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 고안된 본 발명의 온도 제어 모듈의 바람직한 실시예는, 온도 측정 대상의 측정 온도 값을 나타내는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 입력 수단과, 기설정된 파라미터를 이용하여 상기 입력 수단에 입력되는 신호의 종류를 판단한 후, 상기 신호의 종류에 따라 상기 입력 수단이 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 제어하고, 상기 디지털 신호로 변환된 측정 온도 값과 기설정된 목표 값으로 PID 제어를 수행하여 조정 값을 연산하는 제어 수단과, 상기 제어 수단의 제어에 따라, 상기 연산된 조정 값을 외 부로 출력하는 출력 수단을 포함하여 이루어진다.

여기서 상기 입력 수단은, 상기 온도 측정 대상의 측정 온도 값을 나타내는 아날로그 신호를 각각 입력받는 제1 입력부 및 제2 입력부와, 상기 제1 입력부에서 전달된 아날로그 신호를 안정화시켜 상기 제2 입력부로 전달하는 신호 안정부와, 상기 제2 입력부에서 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부와, 상기 입력 수단과 상기 제어 수단을 절연하는 제1 절연부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 입력수단에 입력되는 아날로그 신호는 전류 신호, 전압 신호, 열 전대 신호, 측온 저항체 신호 중 적어도 어느 하나이며, 상기 전류 신호는 0 ~ 20mA 또는 4 ~ 20mA의 크기를 가지고 입력되고, 상기 전압 신호는 0 ~ 5V, 1 ~ 5V, 0 ~ 10V, -10 ~ 10V 중 어느 하나의 크기를 가지고 입력되며, 상기 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호는 0 ~ 30mV의 크기를 가지고 입력되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어 수단은, 상기 입력 수단에 입력되는 아날로그 신호가 전류 신호 또는 전압 신호인 경우, 상기 제1 입력부는 상기 전류 신호 또는 전압 신호를 상기 신호 안정부로 전달하도록 하고, 상기 제2 입력부는 상기 전류 신호 또는 전압 신호를 상기 A/D 변환부로 전달하지 않도록 스위치 제어 신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어 수단은, 상기 입력 수단에 입력되는 아날로그 신호가 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호인 경우, 상기 제2 입력부는 상기 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호를 상기 A/D 변환부로 전달하고, 상기 제1 입력부는 상기 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호를 상기 신호 안정부로 전달하지 않도록 스위치 제어 신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 제어 수단은, 외부로부터 상기 기설정된 파라미터를 전달받는 인터페이스부와, 상기 측정 온도 값과 기설정된 목표 값으로 PID 제어를 수행하여 조정 값을 연산하는 PID 연산부와, 상기 기설정된 파라미터 및 조정 값을 저장하는 메모리와, 상기 기설정된 파라미터를 이용하여 상기 입력 수단에 입력되는 신호의 종류를 판단한 후, 상기 신호의 종류에 따라 상기 입력 수단이 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 제어하고, 상기 PID 연산부가 연산한 조정 값 및 상기 기설정된 파라미터를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성한 후, 상기 PWM 제어 신호를 상기 출력 수단에 전달하여 출력 수단이 상기 조정 값을 외부로 출력하는 것을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 출력 수단은, 상기 제어 수단과 출력 수단을 절연하는 제2 절연부와, 상기 PWM 제어 신호에 따라, 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 출력부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 출력부에는 냉각 출력을 위한 결선 및 가열 출력을 위한 결선이 형성되며, 상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 연산된 조정 값을 상기 냉각 출력을 위한 결선 또는 상기 가열 출력을 위한 결선에 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 온도 제어 방법의 바람직한 실시예는, 제어 수단이 온도 측정 대상의 온도 제어를 위해 기설정된 파라미터로부터 입력 수단에 입력되는 상기 온도 측정 대상의 측정 온도 값을 나타내는 아날로그 신호의 종류를 판단하는 단계와, 상기 제어 수단이 상기 아날로그 신호의 종류에 따라, 상기 입력 수단이 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 제어하는 단계와, 상기 제어 수단이 상기 디지털 신호로 변환된 측정 온도 값과 기설정된 목표 값으로 PID 제어를 수행하여 조정 값을 연산하는 단계와, 상기 제어 수단이 연산된 조정 값 및 상기 기설정된 파라미터를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성한 후, 출력 수단으로 전달하는 단계와, 상기 출력 수단이 상기 PWM 제어 신호에 따라, 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제어 수단이 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 제어하는 단계는, 상기 아날로그 신호가 전류 신호 또는 전압 신호인 경우, 신호 안정화 과정을 거쳐 디지털 신호로 변환하도록 입력 수단을 제어하고, 상기 아날로그 신호가 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호인 경우, 신호 안정화 과정 없이 바로 디지털 신호로 변환하도록 입력 수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 출력 수단이 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 단계는, 상기 PWM 제어 신호에 포함된 출력 형태가 가열 출력인 경우, 상기 연산된 조정 값을 가열 출력을 위한 결선에 출력하고, 상기 PWM 제어 신호에 포함된 출력 형태가 냉각 출력인 경우, 상기 연산된 조정 값을 냉각 출력을 위한 결선에 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 온도 제어를 위한 아날로그 입력 모듈, PID 제어 모듈, 아날로그 출력 모듈을 하나의 모듈로 일체화함으로써, PLC 베이스 슬롯의 점유 개수를 줄이고, 개별적인 모듈의 구입으로 인한 비용을 줄일 수 있으며, 시스템 부피를 줄일 수 있다.

그리고, 입력 수단에 입력되는 신호의 종류에 따라 입력 수단 내에서 경로를 달리하여 처리함으로써, 하나의 입력 수단에서 모든 종류의 입력 신호를 처리할 수 있으며, 그로 인해 온도 측정에 사용되는 센서의 종류에 따라 그에 해당하는 입력 모듈을 각각 구비하여야하는 불편을 제거할 수 있다.

또한, 제어 수단에서 입력 수단과 출력 수단을 각각 제어하여 제어 경로를 단순화함으로써, 온도 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 온도 제어 모듈 및 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 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.

도 2는 본 발명의 온도 제어 모듈의 구성을 나타낸 블록도이다.

이에 도시된 바와 같이, 측정 대상의 온도 값에 대한 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 입력 수단(100)과, 상기 입력 수단(100)에 입력되는 신호의 종류에 따라 디지털 신호로 변환하도록 상기 입력 수단(100)을 제어하고, 상기 입력 수단(100)에서 변환된 측정 값과 목표 값을 비교하여 PID 제어하는 제어 수단(200)과, 상기 제어 수단(200)의 제어에 따라, 상기 PID 제어의 결과 값을 외부로 출력하는 출력 수단(300)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 입력 수단(100)은 제1 입력부(110), 제2 입력부(120), 신호 안정부(130), A/D 변환부(140), 제1 절연부(150)를 포함하여 이루어진다.

상기 제1 입력부(110)는 제어 수단(200)의 스위치 제어 신호에 따라, 입력 수단(100)으로 입력되는 전압 신호 또는 전류 신호를 상기 신호 안정부(130)로 전달한다.

상기 전압 신호의 경우 0 ~ 5V, 1 ~ 5V, 0 ~ 10V, -10 ~ 10V 등의 범위를 가지고 입력되며, 상기 전류 신호의 경우 0 ~ 20mA, 4 ~ 20mA 등의 범위를 가지고 입력되기 때문에 신호 안정부(130)에서 신호 안정화 과정을 거쳐야 한다.

상기 제2 입력부(120)는 제어 수단(200)의 스위치 제어 신호에 따라, 입력 수단(100)으로 입력되는 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호를 상기 A/D 변환부(140)로 전달한다.

상기 열 전대 신호 및 측온 저항체 신호는 0 ~ 30mV의 크기를 가지고 입력되 기 때문에 신호 안정화 과정을 거치지 않고 바로 A/D 변환부(140)로 입력된다.

상기 제1 입력부(110) 및 제2 입력부(120)에는 전류 신호, 전압 신호, 열 전대 신호 및 측온 저항체 신호 중 적어도 어느 하나의 동일한 신호가 각각 입력된다. 여기서, 보통, 열전대 신호와 측온 저항체 신호를 모두 입력받는 것이 유리하므로, 상기 입력되는 신호는 열전대 신호와 측온 저항체 신호를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 신호 안정부(130)는 상기 제1 입력부(110)로부터 전달된 전압 신호 또는 전류 신호를 안정화시키는 기능을 하며, 분압부(131)와 입력 버퍼(134)로 이루어진다.

상기 분압부(131)는 상기 제1 입력부(110)로부터 전달된 전압 신호 또는 전류 신호의 크기를 줄여주고, 상기 입력 버퍼(134)는 상기 전압 신호 또는 전류 신호를 증폭시켜 입력 신호를 안정화시켜준다.

상기 신호 안정부(130)에서 안정화된 전압 신호 또는 전류 신호는 제2 입력부(120)를 거쳐 상기 A/D 변환부(140)로 입력된다.

상기 A/D 변환부(140)는 상기 제어 수단(200)의 A/D 변환 제어 신호에 따라, 상기 제2 입력부(120)로부터 전달된 신호를 디지털 신호로 변환시킨다.

즉, 상기 A/D 변환부(140)는 상기 신호 안정부(130) 및 제2 입력부(120)를 거쳐 입력된 전류 신호 또는 전압 신호를 디지털 신호로 변환시키거나, 상기 제2 입력부(120)에서 바로 전달된 열 전대 신호 또는 측온 저항 신호를 디지털 신호로 변환시킨다.

상기 제1 절연부(150)는 광 커플러(Opto Coupler)로 이루어지며, 상기 입력 수단(100)과 상기 제어 수단(200)을 절연하는 기능을 한다.

즉, 상기 제1 절연부(150)는 온도 제어 장치의 신뢰성을 위한 것으로, 상기 입력 수단(100)과 제어 수단(200) 사이에서 노이즈(Noise), 서지 전류(Surge Current) 및 서지 전압(Surge Voltage)을 차단하는 역할을 한다.

상기 제어 수단(200)은 인터페이스부(210), PID 연산부(220), 메모리(230) 및 제어부(240)를 포함하여 이루어진다.

상기 인터페이스부(210)는 PCL CPU와 데이터 통신을 수행하여 온도 제어 장치의 운전에 필요한 미리 설정된 파라미터들을 전달받는다.

상기 기설정된 파라미터에는 입력 파라미터, 제어 파라미터, 출력 파라미터 등이 있으며, 상기 입력 파라미터에는 온도 측정 대상 장치의 입력 센서 타입에 관한 정보가 포함되어 있다.

상기 제어 파라미터는 PID 제어에 필요한 PID 설정 계수 등의 정보가 포함되어 있고, 상기 출력 파라미터에는 가열 출력 또는 냉각 출력 등의 출력 종류에 관한 정보와, 아날로그 출력 또는 온/오프 출력 등의 출력 형태에 관한 정보가 포함되어 있다.

상기 PID 연산부(220)는 상기 A/D 변환부(140)에서 변환된 디지털 값 즉, 측정 값(PV)과 기 설정된 목표 값(SV)을 비교한 후, 측정 값(PV)과 목표 값(SV)에 차이가 있는 경우, 측정 값(PV)이 목표 값(SV)이 되도록 하는 조정 값(MV)을 연산하 는 PID 연산을 수행한다.

상기 메모리(230)는 상기 인터페이스부(210)가 전달받은 기설정된 파라미터들을 저장하고, 상기 PID 연산부(220)가 연산한 조정 값(MV)을 저장한다.

상기 제어부(240)는 상기 인터페이스부(210)가 전달받은 기설정된 파라미터 중에서 입력 파라미터를 이용하여 상기 입력 수단(100)에 입력되는 신호의 종류를 판단한 후, 신호의 종류에 따라 상기 제1 입력부(110) 및 제2 입력부(120)를 제어하는 스위치 제어 신호를 발생한다.

즉, 제어부(240)는 상기 입력 수단(100)에 입력되는 신호가 전류 신호 또는 전압 신호인 경우, 입력되는 신호를 신호 안정부(130)로 전달하도록 제1 입력부(110)를 제어하고, 제2 입력부(120)는 입력되는 신호를 A/D 변환부(140)로 전달하지 않도록 제어하는 스위치 제어 신호를 발생시킨다.

반면에, 상기 입력 수단(100)에 입력되는 신호가 열 전대 신호 또는 측온 저항 신호인 경우, 입력되는 신호를 A/D 변환부(140)로 전달하도록 제2 입력부(120)를 제어하고, 제1 입력부(110)는 입력되는 신호를 신호 안정부(130)로 전달하지 않도록 제어하는 스위치 제어 신호를 발생시킨다

그리고 상기 제어부(240)는 상기 입력 수단(100)에 입력되는 신호의 종류에 따라, A/D 변환부(140)의 동작을 제어하는 A/D 변환 제어 신호를 발생한다.

또한, 상기 제어부(240)는 상기 측정 값(PV)과 목표 값(SV)을 비교하여 PID 연산을 수행하도록 PID 연산부(220)를 제어하고, 상기 PID 연산부(220)에서 연산된 조정 값(MV)을 메모리(230)에 저장한다.

또한, 상기 제어부(240)는 상기 PID 연산부(220)의 조정 값(MV)에 대한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 발생하여 출력 수단(300)에 전달한다. 이때, 상기 PWM 제어 신호에는 출력 종류에 관한 정보와 출력 형태에 관한 정보가 포함된다.

상기 출력 수단(300)은 제2 절연부(310)와 출력부(320)로 이루어진다.

상기 제2 절연부(310)는 제1 절연부(150)와 마찬가지로 광 커플러(Opto Coupler)로 이루어지며, 상기 제어 수단(200)과 출력 수단(300)을 절연하는 기능을 하여 온도 제어 장치의 신뢰성을 확보한다.

상기 출력부(320)는 상기 제어 수단(200)에서 전달된 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호에 따라 상기 PID 연산부(220)의 조정 값(MV)을 외부로 출력한다.

이때, 상기 출력부(320)는 PWM 제어 신호에 포함된 출력 형태에 관한 정보에 따라, 아날로그 출력 또는 온/오프 출력의 형태로 출력할 수 있고, PWM 제어 신호에 포함된 출력 종류에 대한 정보에 따라, 가열 출력을 위한 결선 또는 냉각 출력을 위한 결선으로 출력할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의하면 온도 제어를 위한 아날로그 입력 모듈, PID 제어 모듈, 아날로그 출력 모듈을 하나의 모듈로 일체화함으로써, PLC 베이스 슬롯의 점유 개수를 줄이고, 개별적인 모듈의 구입으로 인한 비용을 줄일 수 있으며, 시스템 부피를 줄일 수 있다.

그리고, 입력 수단에 입력되는 신호의 종류에 따라 입력 수단 내에서 경로를 달리하여 처리함으로써, 하나의 입력 수단에서 모든 종류의 입력 신호를 처리할 수 있으며, 그로 인해 온도 측정에 사용되는 센서의 종류에 따라 그에 해당하는 입력 모듈을 각각 구비하여야하는 불편을 제거할 수 있다.

또한, 제어 수단에서 입력 수단과 출력 수단을 각각 제어하여 제어 경로를 단순화함으로써, 온도 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 온도 제어 모듈을 포함하는 온도 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

여기서, 온도 측정 대상(410)의 측정된 온도 값을 입력받아 디지털 값으로 변환하고, 측정 값을 목표 값과 비교하여 조작 값을 연산하며, 연산된 조작 값에 해당하는 출력을 내는 모든 동작을 온도 제어 모듈(420)이 담당하게 된다.

여기서, 상기 온도 측정 대상(410)은 가열기(430)와 냉각기(440)를 구비하며, 온도 제어 장치의 제어에 의해 가열기(430)와 냉각기(440)가 구동되어 일정한 온도를 유지하게 된다.

상기 온도 제어 모듈(420)의 출력부에는 상기 가열기(430)를 구동하기 위한 가열 출력과 상기 냉각기(440)를 구동하기 위한 냉각 출력이 각각 결선된다.

이때, 상기 온도 제어 모듈(420)에는 입력을 위한 입력 단자대와 출력을 위한 출력 단자대가 구비되며, 이로 인해 PLC 베이스 슬롯의 점유 개수를 2개로 줄일 수 있다.

도 4는 본 발명의 온도 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

이에 도시된 바와 같이, 먼저 제어 수단(200)의 제어부(240)는 인터페이스부(210)를 통해 PCL CPU로부터 온도 제어에 관한 기설정된 파라미터를 전달받아 메모리(230)에 저장한다(S 100).

다음으로, 상기 제어부(240)는 상기 기설정된 파라미터 중 입력 파라미터로부터 입력 수단(100)에 입력되는 신호의 종류를 판단한다(S 110).

상기 단계 S 110의 판단 결과, 상기 입력 수단(100)에 입력되는 신호가 전류 신호 또는 전압 신호인 경우, 상기 제어부(240)는 제1 입력부(110)가 입력되는 신호를 신호 안정부(130)로 전달하도록 하고, 제2 입력부(120)가 입력되는 신호를 A/D 변환부(140)로 전달하지 않도록 하는 스위치 제어신호를 발생한다(S 120).

이어서, 상기 신호 안정부(130)는 상기 전류 신호 또는 전압 신호를 신호 안정화시켜 제2 입력부(120)로 전달한다(S 130).

연이어, 상기 제2 입력부(120)는 상기 신호 안정화된 전류 신호 또는 전압 신호를 A/D 변환부(140)로 전달한다(S 140).

여기서, 상기 신호 안정화된 전류 신호 또는 전압 신호를 바로 A/D 변환부(140)로 전달하지 않는 이유는, 신호 안정부(130)의 입력 버퍼(134) 때문이다. 입력 버퍼(134)는 주로 Op-Amp로 구성되는데, 입력 버퍼(134)를 A/D 변환부(140)와 직접 연결하면 입력 버퍼(134)와 A/D 변환부(140) 사이에 불필요한 패스가 형성된다. 즉, Op-Amp는 입력이 없어도 오프셋(Off Set) 전압을 가지기 때문에 원하지 않 는 출력이 A/D 변환부(140)로 입력될 여지가 있다.

상기 단계 S 110의 판단 결과, 상기 입력 수단(100)에 입력되는 신호가 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호인 경우, 상기 제어부(240)는 제2 입력부(120)가 입력되는 신호를 A/D 변환부(140)로 전달하도록 하고, 제1 입력부(110)가 입력되는 신호를 신호 안정부(130)로 전달하지 않도록 하는 스위치 제어신호를 발생한다(S 150).

다음으로, 상기 A/D 변환부(140)는 제어부(240)의 A/D 변환 제어 신호에 따라, 제2 입력부(120)로부터 전달받은 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어 수단(200)으로 전달한다(S 160). 상기 디지털 신호는 현재 온도 측정 대상의 측정된 온도 값 즉, 측정값(PV)을 나타낸다.

이어서, PID 연산부(220)는 제어부(240)의 제어에 따라, 상기 측정값(PV)과 기설정된 목표 값(SV)을 비교한 후, PID 제어를 수행하여 측정값(PV)이 목표 값(SV)에 이르게 하는 조정 값(MV)을 연산한다(S 170).

연이어, 상기 제어부(240)는 PID 연산부(220)가 연산한 조정 값(MV) 및 메모리(230)에 저장된 출력 파라미터를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성한 후, 출력 수단(300)에 전달한다(S 180).

상기 출력 파라미터에는 출력 종류(가열 출력, 냉각 출력)에 관한 정보와 출력 형태(아날로그 출력, 온/오프 출력)에 관한 정보가 포함된다.

다음으로, 상기 출력 수단(300)은 상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 조정 값(MV)을 외부로 출력한다(S 190).

이때, 상기 출력 수단(300)은 PWM 제어 신호에 포함된 출력 형태에 관한 정보에 따라, 아날로그 출력 또는 온/오프 출력의 형태로 출력하고, PWM 제어 신호에 포함된 출력 종류에 대한 정보에 따라, 가열 출력을 위한 결선 또는 냉각 출력을 위한 결선으로 출력한다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 PLC를 이용한 온도 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 온도 제어 모듈의 구성을 나타낸 블록도.

도 3은 본 발명의 온도 제어 모듈을 포함하는 온도 제어 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 온도 제어 방법을 나타낸 순서도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 입력 수단 110 : 제1 입력부

120 : 제2 입력부 130 : 신호 안정부

131 : 분압부 134 : 입력 버퍼

140 : A/D 변환부 150 : 제1 절연부

200 : 제어 수단 210 : 인터페이스부

220 : PID 연산부 230 : 메모리

240 : 제어부 300 : 출력 수단

310 : 제2 절연부 320 : 출력부

Claims (20)

1. 온도 측정 대상의 측정 온도 값을 나타내는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 입력 수단;

   기설정된 파라미터를 이용하여 상기 입력 수단에 입력되는 신호의 종류를 판단한 후, 상기 신호의 종류가 전류 신호 또는 전압 신호의 아날로그 신호인 경우, 상기 아날로그 신호를 안정화시켜 디지털 신호로 변환하도록 제어하고, 상기 신호의 종류가 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호인 경우, 신호 안정화 과정 없이 바로 디지털 신호로 변환하도록 제어하고, 상기 디지털 신호로 변환된 측정 온도 값과 기설정된 목표 값으로 PID 제어를 수행하여 조정 값을 연산하는 제어 수단; 및

   상기 제어 수단의 제어에 따라, 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 출력 수단을 포함하여 이루어지는 온도 제어 모듈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 입력 수단은,

   상기 온도 측정 대상의 측정 온도 값을 나타내는 아날로그 신호를 각각 입력받는 제1 입력부 및 제2 입력부;

   상기 제1 입력부에서 전달된 아날로그 신호를 안정화시켜 상기 제2 입력부로 전달하는 신호 안정부; 및

   상기 제2 입력부에서 전달된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
3. 제2항에 있어서,

   상기 입력 수단과 상기 제어 수단을 절연하는 제1 절연부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 전류 신호는 0 ~ 20mA 또는 4 ~ 20mA의 크기를 가지고 입력되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
7. 제1항에 있어서,

   상기 전압 신호는 0 ~ 5V, 1 ~ 5V, 0 ~ 10V, -10 ~ 10V 중 어느 하나의 크기를 가지고 입력되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
8. 제1항에 있어서,

   상기 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호는 0 ~ 30mV의 크기를 가지고 입력되는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
9. 제2항에 있어서,

   상기 제어 수단은,

   상기 입력 수단에 입력되는 아날로그 신호가 전류 신호 또는 전압 신호인 경우,

   상기 제1 입력부는 상기 전류 신호 또는 전압 신호를 상기 신호 안정부로 전달하도록 하고, 상기 제2 입력부는 상기 전류 신호 또는 전압 신호를 상기 A/D 변환부로 전달하지 않도록 스위치 제어 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
10. 제2항에 있어서,

    상기 제어 수단은,

    상기 입력 수단에 입력되는 아날로그 신호가 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호인 경우,

    상기 제2 입력부는 상기 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호를 상기 A/D 변환부로 전달하고, 상기 제1 입력부는 상기 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호를 상기 신호 안정부로 전달하지 않도록 스위치 제어 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
11. 제1항에 있어서,

    상기 제어 수단은,

    외부로부터 상기 기설정된 파라미터를 전달받는 인터페이스부;

    상기 측정 온도 값과 기설정된 목표 값으로 PID 제어를 수행하여 조정 값을 연산하는 PID 연산부;

    상기 기설정된 파라미터 및 조정 값을 저장하는 메모리; 및

    상기 기설정된 파라미터를 이용하여 상기 입력 수단에 입력되는 신호의 종류 를 판단한 후, 상기 신호의 종류에 따라 상기 입력 수단이 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 제어하고, 상기 PID 연산부가 연산한 조정 값 및 상기 기설정된 파라미터를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성한 후, 상기 PWM 제어 신호를 상기 출력 수단에 전달하여 출력 수단이 상기 조정 값을 외부로 출력하는 것을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
12. 제11항에 있어서,

    상기 출력 수단은,

    상기 제어 수단과 출력 수단을 절연하는 제2 절연부; 및

    상기 PWM 제어 신호에 따라, 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 출력부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
13. 제12항에 있어서,

    상기 출력부에는 냉각 출력을 위한 결선 및 가열 출력을 위한 결선이 형성되며, 상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 연산된 조정 값을 상기 냉각 출력을 위한 결선 또는 상기 가열 출력을 위한 결선에 출력하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 모듈.
14. 제어 수단이 온도 측정 대상의 온도 제어를 위해 기설정된 파라미터로부터 입력 수단에 입력되는 상기 온도 측정 대상의 측정 온도 값을 나타내는 아날로그 신호의 종류를 판단하는 단계;

    상기 제어 수단은 상기 신호의 종류가 전류 신호 또는 전압 신호의 아날로그 신호인 경우, 상기 아날로그 신호를 안정화시켜 디지털 신호로 변환하도록 제어하고, 상기 신호의 종류가 열 전대 신호 또는 측온 저항체 신호인 경우, 신호 안정화 과정 없이 바로 디지털 신호로 변환하도록 제어하는 단계;

    상기 제어 수단이 상기 디지털 신호로 변환된 측정 온도 값과 기설정된 목표 값으로 PID 제어를 수행하여 조정 값을 연산하는 단계;

    상기 제어 수단이 연산된 조정 값 및 상기 기설정된 파라미터를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성한 후, 출력 수단으로 전달하는 단계; 및

    상기 출력 수단이 상기 PWM 제어 신호에 따라, 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 온도 제어 방법.
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 제14항에 있어서,

    상기 PWM 제어 신호에는 가열 출력 및 냉각 출력 여부에 대한 출력 형태 정 보에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 제어 방법.
19. 제18항에 있어서,

    상기 출력 수단이 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 단계는,

    상기 PWM 제어 신호에 포함된 출력 형태가 가열 출력인 경우, 상기 연산된 조정 값을 가열 출력을 위한 결선에 출력하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 방법.
20. 제18항에 있어서,

    상기 출력 수단이 상기 연산된 조정 값을 외부로 출력하는 단계는,

    상기 PWM 제어 신호에 포함된 출력 형태가 냉각 출력인 경우, 상기 연산된 조정 값을 냉각 출력을 위한 결선에 출력하는 것을 특징으로 하는 온도 제어 방법.

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