KR101314833B1 - 가압 급수 제어 방법 및 이의 제어 장치 및 제어 시스템 - Google Patents

가압 급수 제어 방법 및 이의 제어 장치 및 제어 시스템 Download PDF

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KR101314833B1
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Abstract

본 발명은 가압 급수 제어 방법, 가압 급수 제어 장치 및 이를 포함하는 가압 급수 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 급수 제어 방법은, 급수를 위한 토출관의 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하는 단계; 상기 토출관에 연결된 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계; 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아닌 경우, 가압장 내의 펌프의 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 펌프의 전류, 전압, 전력 중 어느 하나와 상기 압력 변환상수를 이용하여 상기 토출관의 현재 압력을 산출하는 단계; 상기 현재 압력 및 상기 저장된 설정 압력을 비교 판단하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어를 수행하는 단계; 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 크거나 같은 경우, 상기 펌프의 구동을 정지하는 단계; 및 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 작은 경우, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력과 동일해지도록 PID 제어 및 인버터 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

가압 급수 제어 방법 및 이의 제어 장치 및 제어 시스템 {A METHOD OF CONTROLLING PRESSURIZED WATER SUPPLY, AN APPARATUS AND A SYSTEM OF THEREOF}
본 발명은 급수 제어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 가압을 이용하는 급수의 제어 방법, 이를 이용한 제어 장치 및 제어 시스템에 관한 것이다.
서울시 상수도의 경우, 많은 지역이 평지와의 표고차가 심한 고지대와 구릉지로 구성되어 있어, 정수장에서 공급되는 송수압으로는 급수가 불가능한 지역이 많아 가압을 통한 급수를 위하여 많은 개소의 가압장을 운영하고 있다. 이러한 가압장들은 상수도를 사용하는 사용처와 공급하는 정수장의 위치가 서로 멀리 떨어져 있고, 관망의 형태가 다양하여 일반적으로 다수의 위치에 설치된다.
다수의 위치에 설치된 가압장들의 관리 효율화를 위하여 무인 가압장으로 전환되고 있는 실정이며, 무인 가압장의 시스템 안전을 확보하기 위해 제어기를 2중화하여 주제어기와 보조제어기를 이용하고 있다. 주제어기와 보조제어기는 항상 이상여부를 송수신하고, 만일 주제어기에 이상이 발생하면 보조제어기가 시스템의 전체 제어를 수행하게 된다.
그러나, 가압장 제어에 가장 큰 인자인 압력을 측정하는 압력센서에 이상이 발생하는 경우, 주제어기 및 보조제어기 모두에 이상이 발생하지 않더라도 토출관의 압력 자체를 측정할 수 없게 되어 시스템은 온전한 제어를 수행할 수 없는 근본적인 문제가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 가압장 내의 압력센서에 이상이 발생하더라도 가압 제어를 가능하게 하는 가압 급수 제어 방법, 제어 장치, 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 급수 제어 방법은, 급수를 위한 토출관의 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하고, 상기 토출관에 연결된 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하며, 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아닌 경우, 가압장 내의 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나를 측정할 수 있다. 이후, 상기 측정된 펌프의 전류, 전압, 및 전력 중 어느 하나와 상기 압력 변환상수를 이용하여 상기 토출관의 현재 압력을 산출하고, 상기 현재 압력 및 상기 저장된 설정 압력을 비교 판단하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어를 수행하며, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 크거나 같은 경우, 상기 펌프의 구동을 정지하고, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 작은 경우, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력과 동일해지도록 PID 제어 및 인버터 제어를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하기 이전에 상기 현재 압력과 상기 저장된 설정 압력을 비교하여 상기 인버터 제어를 수행하고, 상기 펌프의 전류는 상기 인버터 제어시 모니터링을 위해 측정되는 출력 전류일 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 상기 펌프의 전류는 상기 펌프에 연결된 측정기를 이용하여 측정될 수 있으며, 상기 압력 변환상수는 상전압, 양수량, 모터의 효율, 및 펌프의 효율을 이용하여 산출될 수 있고, 상기 압력 변환상수(c)는
Figure 112013085270134-pat00001
, V는 상전압, Q는 양수량,
Figure 112013085270134-pat00024
는 펌프의 효율,
Figure 112013085270134-pat00025
는 모터의 효율일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부는 10초 내지 30분 마다 판단될 수 있고, 상기 인버터 제어는 전류의 주파수를 조절하여 상기 펌프에 포함된 모터의 회전수를 제어할 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치는, 상수가 입력되는 흡입관; 상기 상수가 배출되는 토출관; 상기 토출관의 현재 압력을 조절하기 위하여 회전속도의 제어가 가능한 모터를 포함하는 펌프; 상기 토출관의 현재 압력을 측정하는 압력센서; 상기 모터의 동작을 제어하기 위한 인버터 제어부, 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 압력센서 판단부, 및 현재 압력과 설정 압력을 비교하여 모터의 동작을 제어하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어부를 포함하는 제어부; 및 상기 토출관의 상기 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하는 데이터 베이스부를 포함하고, 상기 인버터 제어부는 상기 압력센서 판단부에서 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단하는 경우, 상기 펌프의 전류, 전압, 및 전력 중 어느 하나와 상기 압력 변환상수를 이용하여 상기 토출관의 현재 압력을 산출하고, 상기 현재 압력 및 상기 저장된 설정 압력을 비교하여 상기 모터를 제어할 수 있다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템은, 상수가 입력되는 흡입관, 상기 상수가 배출되는 토출관, 상기 토출관의 현재 압력을 조절하기 위하여 회전속도의 제어가 가능한 모터를 포함하는 펌프, 상기 토출관의 현재 압력을 측정하는 압력센서, 상기 모터의 동작을 제어하기 위한 인버터 제어부, 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 압력센서 판단부, 및 현재 압력과 설정 압력을 비교하여 모터의 동작을 제어하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어부를 포함하는 제어부, 및 상기 토출관의 상기 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하는 데이터 베이스부를 포함하는 가압 급수 제어 장치; 상기 토출관의 저장된 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 압력 변환상수, 및 상기 토출관의 현재 압력 및 상기 펌프의 전류의 파형을 송수신하는 서버; 가압장의 가동, 상기 모터의 회전속도, 체크 밸브 및 격리밸브의 개폐를 제어하는 정보, 및 상기 토출관의 현재 압력과 상기 펌프의 전류의 파형을 송수신하는 가압장 제어 컴퓨터; 및 디스플레이부 및 입력부를 포함하는 모바일 단말기를 포함하며, 상기 서버, 상기 가압장 제어 컴퓨터, 상기 모바일 단말기, 및 상기 가압 급수 제어 장치는 유무선 네트워크를 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 디스플레이부는 상기 가압장 급수 제어 장치 및 상기 가압장 제어 컴퓨터로부터 수신받은 데이터를 표시하고, 상기 입력부는 가압장 가동여부 신호, 수동모드 전환 신호, 수동모드 전환시 가압장 가동을 위하여 필요한 데이터를 수신할 수 있다.
본 발명의 가압 급수 제어 방법은 인버터 제어시 모니터링을 위하여 출력되는 전류, 전압, 및 전력 중 어느 하나 또는 측정기로부터 측정된 전류, 전압, 및 전력 중 어느 하나를 압력 변환상수를 적용해 압력으로 변환하여 이용하기 때문에, 압력센서 이상시에도 실시간으로 급수의 가해지는 압력을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 가압 급수 제어 장치 및 제어 시스템은 펌프에 연결되는 측정기만을 추가하여 측정되는 전류, 전압, 및 전력 중 어느 하나 또는 이미 설치된 인버터 제어부에서 출력되는 전류, 전압, 및 전력 중 어느 하나를 이용하여 토출관의 현재 압력을 제어하므로, 적은 비용으로 압력센서 이상으로 가압장의 구동이 정지되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 상수가 이송되는 일반적인 과정을 설명하는 취수장부터 수용가까지의 계통 참고도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가압장의 구성도이다.
도 3는 도 2에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 가압장에서 토출관의 압력을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 토출관의 압력을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 토출관의 압력을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가압장을 포함하는 가압 급수를 제어하기 위한 시스템의 구성도이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명은 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되는 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.　 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.　 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.　 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.　 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1은 상수가 이송되는 일반적인 과정을 설명하는 취수장부터 수용가까지의 계통 참고도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하천 등의 원수지로부터 배수지를 통해 수용가까지 공급하는 과정에는 취수장, 정수장, 송수펌프장, 배수지 및 가압장 등이 포함될 수 있다.
취수장에는 취수용 펌프와 밸브(151), 정수장에는 송수용 펌프와 밸브(152), 송수펌프장 및 가압장에는 가압용 펌프와 밸브(153) 등이 구비되고, 이러한 펌프 및 밸브의 상태를 감지할 수 있는 다양한 센서가 더 구비되게 된다. 정수장에서 배수지로 상수가 공급될 때, 배수지는 정수장보다 고지대에 위치할 수 있으므로 가압장 펌프 및 밸브(153)를 이용하여 상수에 압력을 가한다. 또한, 배수지에서 수용가로 상수가 공급될 때, 수용가는 다양한 고저를 갖는 장소에 위치하므로 배수지로부터 고지대에 위치할 가능성이 높다. 따라서, 가압장이 배수지에서 수용가로 연결되는 관망 사이에 설치되어, 가압용 펌프 및 밸브(153)를 이용하여 상수에 압력을 가하여 수용가에 공급할 수 있게 된다.
상기 취수장, 정수장, 송수펌프장, 및 가압장에 구비된 상기 센서에는 펌프의 상태를 감지하는 펌프 상태감지센서, 격리밸브의 상태를 감지하는 격리밸브 상태감지센서, 체크밸브의 상태를 감지하는 체크밸브 상태감지센서, 토출밸브의 상태를 감지하는 토출밸브 상태감지센서, 및 토출관의 현재 압력을 측정하는 압력센서 등이 포함될 수 있을 것이다.
이러한 센서들이 고장을 일으키는 경우, 각 위치에서의 상태 및 압력을 정확하게 알 수 없어 가압장의 효율적인 운영이 불가능하게 될 것이다. 특히, 압력센서가 고장을 일으키는 경우, 토출관의 현재 압력을 측정하는 것이 불가능하게 되어 토출관으로 배출되는 급수의 양을 조절하기 위한 펌프의 작동을 제어하는 것이 어려워진다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가압장의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 상기 가압장은 흡입관(10), 전극봉 센서(20), 격리밸브(30), 펌프(40), 체크밸브(50), 압력센서(60), 압력센서 판단부(65), 토출관(70), 측정기(80), 제어기(90), 데이터 베이스부(95)를 포함한다.
흡입관(10)은 가압장에 상수를 입력하기 위한 관으로 도 1에 도시된 배수지와 일단이 연결되고, 타단은 가압장 내의 격리밸브(30)와 연결될 수 있다. 또한, 흡입관(10)은 전극봉 센서(20)와 연결되고, 전극봉 센서(20)는 상기 흡입관(10)에 상수가 존재하는지 여부를 판단한다.
격리밸브(30)는 후술되는 펌프(40)와 연결되고, 전극봉 센서(20)의 영향을 받으며, 펌프(40)로 유입되는 상수를 차단하거나 차단을 해제할 수 있다. 만일 흡입관(10)에 상수가 존재하지 않는 경우에 가압장이 동작한다면 모터가 손상될 수 있다. 따라서, 전극봉 센서(20)는 흡입관(10)에 상수가 존재하지 아니하는 경우, 펌프(40)의 동작이 멈춰질 수 있도록 격리밸브(30)에 이에 대한 정보를 전송하고, 격리밸브(30)가 펌프(40)로 유입되는 상수의 경로를 차단한다.
전극봉 센서(20)로부터 전송되는 흡입관(10)에 상수가 존재하지 아니한다는 정보는 디스플레이부(도시하지 아니함)을 통하여 사용자에게 디스플레이 되어 사용자로 하여금 수동으로 격리밸브(30)를 동작시킬 수 있게 할 수 있다. 또는, 바로 유무선 통신을 이용하여 제어기(90)로 전송되어 자동으로 격리밸브(30)의 동작을 멈출수 있을 것이다.
펌프(40)는 흡입관(10)을 통하여 급수된 상수에 압력을 가하여 토출관(70)을 통하여 토출하기 위해 이용된다. 펌프(40)는 모터를 포함하고, 상기 모터의 회전속도를 제어함으로써 토출관(70)의 현재 압력을 제어할 수 있다. 펌프(40)는 토출관(70) 각각에 연결될 수 있고, 복수의 토출관(70)에 대해 하나의 펌프가 연결되어 하나의 토출관 또는 복수의 토출관의 현재 압력을 제어할 수 있다.
체크밸브(50)는 상기 펌프(40)에 연결되어 펌프의 개폐를 결정한다. 상세하게는, 토출관의 현재 압력이 목표로 하는 설정 압력에 다다르는 경우, 펌프는 천천히 구동되거나 구동을 완전히 멈춰야 하는데, 구동이 완전히 멈추는 경우, 토출관(70)의 압력이 높아지므로 상수의 역류가 발생하게 된다. 이 때, 체크밸브(50)를 폐쇄하여 토출관(70)으로부터 펌프(40)로의 상수의 역류를 방지할 수 있게 된다. 이후, 토출관(70)의 압력이 낮아지는 경우, 체크밸브(50)는 개방되어 상수가 토출관(70)으로 유입되도록 할 수 있다.
압력센서(60)는 상기 토출관(70)의 현재 압력을 측정하는 것으로, 토출관(70)과 연결될 수 있다. 압력센서(60)에서 측정된 압력은 펌프(40)에 포함된 모터의 회전속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 가압장에서 이용되는 압력센서(60)는 기계식 압력센서, 전기식 압력센서 또는 반도체식 압력센서일 수 있고, 상기 반도체식 압력센서는 압저항형(piezoresistive), 정전용량형(capacitive), 광형(optical), 또는 압전형(piezoelectric) 등으로 구분할 수 있으며, 압저항형 및 정전용량형 반도체식 압력센서를 사용할 수 있다.
압력센서 판단부(65)는 압력센서(60)와 연결되어 압력센서(60)이 정상적으로 동작하는 여부를 판단할 수 있다. 압력센서(60)가 정상적으로 동작하는지 여부는 압력센서(60)가 토출관(70)의 현재 압력을 측정하여 제어기(90)로 전송하는지 여부 또는 압력센서(60)에서 측정되는 현재 압력이 데이터 베이스부(95)에 저장된 상한 압력 및 하한 압력의 범위를 벗어나는지 여부일 수 있다. 또한, 상기 압력센서 판단부(65)는 10초 내지 10분 간격으로 일정 시간마다 압력센서(60)의 고장여부를 판단할 수 있다.
토출관(70)은 가압장으로부터 배수지로 상수를 배출하기 위한 관으로 도 2에 도시된 바와 같이 일단은 가압장과 연결되고, 타단은 가압장과 연결된 배수지의 배관과 연결될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 토출관(70)은 압력센서(60)와 연결되고, 압력센서(60)를 통해 일정 시간간격으로 토출관(70)의 현재 압력이 측정될 수 있다. 가압장은 복수의 토출관(70)들을 포함할 수 있고, 토출관(70)들은 각각 압력센서(60)와 연결되거나 복수의 토출관(70)들이 하나의 압력센서(60)와 연결되어 토출관의 현재 압력이 측정될 수 있다.
측정기(80)은 펌프(40)와 연결되어 펌프(40) 내에 흐르는 현재 전류, 전압, 전력 중 어느 하나를 측정할 수 있다. 측정기(80)는 변류기 및 변압기를 포함하고, 변류기 또는 변압기 만이 포함된다 하더라도 측정된 현재 전류 또는 현재 전압으로부터 측정되지 아니한 전압, 전류, 또는 전력값을 산출할 수 있음은 당연하다 할 것이다.
제어기(90)는 전극봉 센서(20), 격리밸브(30), 펌프(40), 체크밸브(50), 압력센서(60), 측정기(80), 및 데이터 베이스부(95)와 유무선 통신을 이용하여 신호를 주고 받을수 있으며, 상기 신호들을 이용하여 각 유닛들을 제어할 수 있다. 제어기(90)는 펌프(40)에 포함된 모터의 동작을 제어하기 위한 PID(Proportional Integral Differential) 제어부 및 인버터 제어부를 포함할 수 있다.
상기 PID 제어부는 데이터 베이스부(95)에 저장된 토출관(70)에 대한 상한 압력, 하한 압력, 및 목표 압력에 해당하는 설정 압력과 압력센서(60)를 이용하여 측정되는 토출관(70)의 현재 압력을 비교하여 펌프(40)에 포함된 모터의 회전속도를 제어한다. 상기 PID 제어부는 상기 현재 압력이 상기 설정 압력보다 높은 경우에는 모터의 회전속도를 감소시키고, 상기 설정 압력보다 낮은 경우에는 모터의 회전속도를 증가시킬 수 있다.
또한, 인버터 제어부는 교류의 주파수를 가변으로 하여 모터의 회전속도를 제어할 수 있고, 상세하게는, 주파수를 제어함으로써 시동시에는 모터의 고속회전에 의한 고출력운전이 가능하고, 상기 현재 압력이 상기 설정 압력보다 높을 때에는 주파수를 내려 상기 모터의 회전수를 감소시켜 에너지 절약 구동이 가능하다.
제어기(90)는 압력센서(60)가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 압력센서 판단부(65)를 더 포함할 수 있다. 제어기(90)는 압력센서(60)를 이용하여 토출관(70)의 압력을 측정하고, 모터의 회전속도를 제어한다. 그러나, 압력센서(60)가 비정상적인 동작을 하는 경우에는 상기 토출관(70)의 압력을 정확히 측정할 수 없어 상기 모터의 회전속도를 제어할 수 없고, 토출관(70)에 적절한 가압을 할 수 없게 될 것이다. 따라서, 압력센서 판단부(65)는 일정 시간간격으로 압력센서(60)의 정상 동작 여부를 판단한다.
만일 압력센서 판단부(65)가 압력센서(60)의 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단하는 경우, 제어기(90)는 현재 펌프의 전류, 전압, 전력 중 어느 하나를 이용하여 토출관(70)의 현재 압력을 산출할 수 있다. 토출관(70)의 현재 압력을 산출하기 위한 구체적인 방법은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
데이터 베이스부(95)는 토출관(70)에 대한 상한 압력, 하한 압력, 및 목표 압력에 해당하는 설정 압력과 압력 변환상수를 저장할 수 있다. 상기 압력 변환상수는 압력센서(60)가 비정상적으로 동작하는 경우, 제어기(90)가 현재 펌프의 전류를 이용하여 토출관(70)의 현재 압력을 산출하기 위하여 이용될 수 있는데, 상기 압력 변환상수에 대하여는 도 3을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
또한, 데이터 베이스부(95)는 압력센서(60)를 이용하여 측정되는 토출관(70)의 현재 압력 및 현재 압력이 표시되는 파형, 가압장 내에 흐르는 현재 전류 및 현재 전류가 표시되는 파형을 저장할 수 있다. 저장된 데이터들은 필요한 시기에 제어기(90)로 송출되어 모터의 회전속도를 제어하기 위하여 이용될 수 있다.
도 3는 도 2에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 가압장에서 토출관의 압력을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 가압장이 가동을 시작하면 먼저 이 가동이 최초인지를 판단한다(S31). 가압장의 가동이 최초로 구동된 때에는(S31의 Yes), 상기 데이터 베이스부(95)에 상기 압력 변환상수, 설정 압력, 상한 압력, 및 하한 압력이 저장되어 있지 아니하고, PID제어를 위한 인자들도 아직 설정되기 전일 수 있으므로, 상기 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력은 수동으로 설정할 수 있다.
상기 압력 변환상수는 가압장의 현재 가동이 최초 동작으로 판단된 경우, 3분 내지 10분 동안 초기 운전 실행하여, 초기 운전시의 전류와 압력을 측정하여 이를 바탕으로 설정될 수 있고, PID 인자를 자동 설정할 수 있게 된다. 상기 압력 변환상수는 상술한 방법으로 설정되어 이용될 수도 있고, 가압장 운행시 1시간 내지 24시간 간격으로 재설정될 수도 있다. 또한, 가압장이 복수의 펌프(40)를 포함하는 경우, 상기 압력 변환상수는 펌프(40) 각각에 대해 설정될 수 있고, 몇 개의 펌프(40)에 대해 설정될 수도 있으며, 복수의 펌프(40)에 전체에 대하여 하나의 상수값으로 설정될 수도 있고, 이에 한정되지 아니한다. 상기 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 압력 변환상수, 및 PID 인자는 데이터 베이스부(95)에 저장(S32.5)될 수 있다.
가압장의 가동이 최초로 구동된 경우가 아니라면(S31의 No), 상기 설정 압력, 상한 압력 및 하한 압력을 호출(S33)하고, 상기 토출관(70)의 현재 압력을 상기 압력센서(60)를 이용하여 측정하며, 이를 상기 설정 압력과 비교하여 PID 제어를 수행한다(S34의 Yes). 상기 PID 제어는 도 2를 참조하여 상술한 바와 같으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이후, 인버터 제어를 수행하여 펌프(40)에 포함된 모터의 회전속도를 제어한다(S35). 상기 인버터 제어는 전류의 주파수를 조절함으로써 모터의 회전속도를 제어할 수 있다.
만일 상기 현재 압력이 상기 설정 압력보다 높은 경우(S34의 No)에는 제어기(90)로부터 펌프의 구동을 정지시키는 신호가 송출되어 펌프(40)의 구동이 정지(S34.5)된다. 펌프(40)내의 모터의 회전이 정지되므로 토출관(70)의 현재 압력이 자연감압 되는 것은 당연하다 할 것이다.
압력센서(60)는 일정 시간마다 토출관(70)의 현재 압력을 측정하는데, 바람직하게는 10초 내지 30분 간격으로 측정할 수 있다. 압력센서 판단부(65)는 압력센서(60)이 측정하는 현재 압력이 전송되는지 또는 상한 압력 및 하한 압력의 범위를 일정 시간을 초과하여 벗어나는지 여부를 바탕으로 압력센서(60)가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단한다(S36). 이는 10초 내지 60분 간격으로 반복하여 판단할 수 있다.
압력센서(60)가 정상적으로 동작하는 경우에는(S36의 Yes) PID 제어(S34) 및 인버터 제어(S35)를 반복적으로 수행하고, 일정 시간마다 상기 압력센서(60)의 정상 가동여부를 판단한다(S36). 한편, 압력센서(60)가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단되는 경우에는(S36의 No) 제어기(90)에 이에 대한 오류 신호를 전송하고, 데이터 베이스부(95)로부터 호출된 압력 변환상수를 이용하여 모터의 회전속도 제어에 이용할 수 있다(S37).
압력센서(60)가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단된 경우(S36의 No), 데이터 베이스부(95)로부터 압력 변환상수를 호출(S38)하고, 가압장 내의 펌프의 전류를 측정한다(S39). 상기 펌프의 전류는 다양한 방법으로 측정될 수 있는데, 본 발명에서는 측정기(80)를 이용하여 직접적으로 흐르는 전류를 측정하거나 인버터 제어부에서 출력되는 모니터링을 위한 전류값을 상기 펌프의 전류로 이용할 수 있다.
이와 같은 방법으로 측정된 상기 펌프의 전류와 상기 압력 변환상수를 이용하여 토출관(70)의 현재 압력을 산출할 수 있다. 산출 방법은 다음과 같다.
먼저, 모터의 전력(
Figure 112013085270134-pat00026
)은 단상전력 및 3상전력의 경우 각각 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 단상전력을 이용할 수 있다.
Figure 112013043531318-pat00002
Figure 112013043531318-pat00003
상기 수학식 1 및 수학식 2에서
Figure 112013085270134-pat00004
은 모터의 전력, I는 모터의 전류, V는 상전압,
Figure 112013085270134-pat00005
은 모터의 효율을 지칭한다.
펌프의 능력
Figure 112013043531318-pat00006
는 양수량 Q(m3/min)와 총양정H(m)으로 나타낼 수 있는데, 이는 Q(m3)의 물을 60초동안 H(m) 올리는 것이므로 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013043531318-pat00007
여기서,
Figure 112013043531318-pat00008
는 펌프의 효율을 지칭하고, 펌프의 효율은 동일한 펌프 내에서도 수량에 의하여 변할 수 있다.
가압장 내에서 총양정은 모터의 토크에 영향을 주므로, 가압장의 토출관의 압력과 토크는 비례하게 된다. 모터의 토크와 전력의 관계는 하기 수학식 4와 같다.
Figure 112013085270134-pat00027
여기서,
Figure 112013085270134-pat00010
는 각속도, n은 회전속도(RPM), T'는 모터의 토크이다. 펌프 내에 모터가 1 개 포함되고, 단상전력의 경우, 상기 수학식 4는 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있고,
Figure 112013043531318-pat00011
모터의 전류를 이용하여 양정을 도출하면 하기 수학식 6과 같다.
Figure 112013043531318-pat00012
상기 수학식 6에서
Figure 112013043531318-pat00013
,
Figure 112013043531318-pat00014
,Q,V 는 정하여진 값이므로 이를 다시 표현하면 하기 수학식 7과 같다.
Figure 112013043531318-pat00015
수학식 7을 참조하면, 모터의 전류만 안다면 양정을 도출할 수 있다. 예를 들어, 압력센서(60)가 정상적으로 동작하지 아니하는 경우 모터의 전류를 측정하여 토출관(70)의 현재 압력을 산출할 수 있으므로 가압장 시스템을 안전하게 유지시킬 수 있다. 상기 모터의 전류는 다양한 방법으로 측정될 수 있는데, 이는 도 4 및 5를 참조하여 후술하기로 한다.
모터의 전류가 측정되면 토출관(70)의 현재 압력을 압력 변환상수와 측정된 모터의 전류를 이용하여 산출하고, 이를 상기 설정 압력과 비교하여 PID 제어를 수행한다(S40). 상기 PID 제어는 도 2를 참조하여 상술한 바와 같으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이후, 인버터 제어를 수행하여 펌프(40)에 포함된 모터의 회전속도를 제어한다(S41). 상기 인버터 제어는 전류의 주파수를 조절함으로써 모터의 회전속도를 제어할 수 있다.
도 3을 참조하여 상술한 전류와 압력의 관계를 나타내는 압력 변환상수를 이용하여 펌프(40)의 현재 전류로부터 토출관(70)의 현재 압력을 산출하는 방법은, 펌프(40)의 현재 전압 또는 전력으로부터 토출관(70)의 현재 압력을 산출하는 방법에도 동일하게 적용될 수 있다.
이 때, 압력 변환상수는 전력과 압력 사이의 관계 또는 전압과 압력 사이의 관계를 나타내는 것이고, 측정기(80)는 펌프(40)의 현재 전력 또는 전압을 측정할 수 있다. 또한, 측정기(80)가 전류, 전력 및 전압 중 어느 하나를 측정하면 측정된 값으로부터 전류, 전력 및 전압 중 다른 하나의 값을 산출해 낼 수 있으므로, 펌프(40)의 현재 전류, 전력 또는 전압을 측정하여 토출관(70)의 현재 압력을 산출하여, 압력센서(60) 고장시에도 가압장을 운영할 수 있게 된다.
이후, 압력센서 판단부(65)는 다시 압력센서(60)의 정상 동작여부를 판단하고(S42), 압력센서(60)가 정상적으로 동작하는 경우(S42의 Yes)에는 상기 압력센서(60)를 이용하여 측정된 상기 토출관(70)의 현재 압력과 설정 압력을 비교하여 PID 제어(S34)를 수행하거나 펌프의 구동을 정지시키는 단계(S34.5)를 반복하고, PID제어가 수행되는 경우(S34)에는 인버터 제어를 수행(S35)하고, 압력센서의 정상 동작여부를 판단하는 단계(S36)를 반복한다.
만일 압력센서 판단부(65)가 압력센서(60)의 정상 동작여부를 판단할 때(S42), 압력센서가 정상적으로 동작하지 않는 경우에는(S42의 No) 가압장 내의 펌프의 전류를 다시 측정하고(S39), 측정된 펌프의 전류 및 압력 변환상수를 이용하여 토출관의 현재 압력을 산출하여 설정 압력과 비교하여 PID 제어 수행 여부를 결정하여 PID제어를 수행하고(S40), PID 제어를 수행하지 않는 경우에는 펌프의 구동을 정지시키며(S40.5), PID 제어 수행 시에는 인버터 제어를 수행하고(S41), 압력센서가 제대로 동작되는지를 판단(S42)하는 것을 반복할 수 있다. 또한, 도 3을 참조한 가압 급수의 제어 방법 중 어느 단계에서도 OFF 신호가 입력되면(S43) 가압장의 구동은 정지된다고 할 것이다
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 토출관의 압력을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 압력센서 판단부(65)가 압력센서(60)가 정상적으로 동작하지 않는다고 판단하는 경우(S36의 No), 시스템에 오류 신호를 전송(S37)하고, 데이터 베이스부(95)로부터 압력 변환상수를 호출(S38)한다. 도 2 및 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 압력 변환상수를 이용하여 토출관(70)의 현재 압력을 산출하기 위하여는 펌프의 현재 전류를 측정하여야 한다. 인버터 제어부는 인버터 제어를 수행하면서 모니터링을 위해 펌프의 현재 전류값을 출력하고, 상기 출력 전류가 펌프의 전류일 수 있다(S39a). 이후의 단계들(S40 내지 S43)는 도 3을 참조하여 상술한 대응하는 단계들과 동일하므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 토출관의 압력을 제어하는 방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 압력센서 판단부(65)가 상기 압력센서(60)가 정상적으로 동작하지 않는다고 판단하는 경우(S36의 No), 시스템에 오류 신호를 전송(S37)하고, 데이터 베이스부(95)로부터 압력 변환상수를 호출(S38)한다. 도 2 및 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 압력 변환상수를 이용하여 토출관(70)의 현재 압력을 산출하기 위하여는 펌프의 현재 전류를 측정하여야 한다. 도 5를 참조한 압력 제어 방법에서는 측정기(80)를 이용하여 펌프(40)의 현재 전류를 직접 측정한다(S39b). 이후의 단계들(S30 및 S40 내지 S43)도 도 3을 참조하여 상술한 대응하는 단계들과 동일하므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 도 5 및 도 6을 참조하여 도시된 압력 제어 방법 뿐 아니라, 인버터 제어부에서 출력되는 전압 또는 전력을 이용하거나 측정기(80)를 이용하여 직접 측정된 전압 또는 전력을 펌프(40)의 현재 전압 및 전력으로 이용할 수 있다. 이 경우, 상기 압력 변환상수는 전압 및 압력의 관계 또는 전력 및 압력의 관계를 나타내는 상수값일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가압장을 포함하는 가압 급수를 제어하기 위한 시스템의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 가압장을 포함하는 가압 급수를 제어하기 위한 시스템(600)은 서버(610), 가압장 제어 컴퓨터(620), 모바일 단말기(630), 및 가압장(640)을 포함한다. 서버(610)는 가압장(640)에서 도 2 내지 도 5를 참조하여 가압 급수를 제어할 때 필요한 데이터들을 송출하고, 가압장(640)으로부터 토출관(70)의 현재 압력, 현재 전류등의 데이터를 저장하기 위하여 수신한다.
가압장 제어 컴퓨터(620)는 가압장(640)의 제어기와 정보를 송수신하고, 예를 들어, 가압장의 가동여부, 펌프에 포함된 모터의 회전속도 제어, 체크밸브 및 격리밸브의 개폐여부 등을 제어하기 위한 정보를 가압장과 송수신할 수 있다. 가압장 제어 컴퓨터(620)와 가압장(640)은 유무선 네트워크를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다.
모바일 단말기(630)는 상기 가압장 제어 컴퓨터(620) 및 상기 가압장(640)과 유무선 네트워크를 이용하여 통신할 수 있다. 상기 가압장(640)은 압력센서의 이상여부, 토출관의 현재 압력, 펌프의 현재 전류, 전압 또는 전력 등의 데이터를 상기 가압장 제어 컴퓨터(620) 및 상기 서버(610)에 송출함과 더불어 상기 모바일 단말기(630)에도 송신할 수 있다.
또한, 상기 모바일 단말기(630)는 디스플레이부 및 입력부를 포함하고, 상기 데이터들은 상기 디스플레이부에 표시될 수 있으며, 상기 입력부를 통하여 상기 가압장(640)의 가동여부 ON/OFF 신호, 비상시 수동모드로 전환할 수 있는 수동모드 전환 신호, 수동모드 전환시 가압장 가동을 위하여 필요한 데이터 등을 상기 가압장(640) 및 상기 가압장 제어 컴퓨터(620)로 송신할 수 있다. 상기 모바일 단말기(630)는 휴대폰, PDA, 태블릿 피씨, 및 노트북 중 어느 하나일 수 있으며, 휴대가 가능한 전자 단말기라면 이에 한정되지 아니한다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 급수를 위한 토출관의 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하는 단계;
    상기 토출관에 연결된 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아닌 경우, 가압장 내의 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나를 측정하는 단계;
    상기 측정된 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나와 상기 압력 변환상수를 이용하여 상기 토출관의 현재 압력을 산출하는 단계;
    상기 현재 압력 및 상기 저장된 설정 압력을 비교 판단하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어를 수행하는단계;
    상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 크거나 같은 경우, 상기 펌프의 구동을 정지하는 단계; 및
    상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 작은 경우, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력과 동일해지도록 PID 제어 및 인버터 제어를 수행하는 단계를 포함하는 가압 급수 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계 이전에 상기 현재 압력과 상기 저장된 설정 압력을 비교하여 상기 인버터 제어를 수행하는 단계를 더 포함하고,
    상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나는 상기 인버터 제어시 모니터링을 위해 측정되는 출력 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나는 상기 펌프에 연결된 측정기를 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 변환상수는 상전압, 양수량, 모터의 효율, 및 펌프의 효율을 이용하여 산출된 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압력 변환상수(c)는
    Figure 112013085270134-pat00016
    , V는 상전압, Q는 양수량,
    Figure 112013085270134-pat00028
    는 모터의 효율,
    Figure 112013085270134-pat00029
    는 펌프의 효율인 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계는 10초 내지 30분 마다 판단되는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 제어는 전류의 주파수를 조절하여 상기 펌프에 포함된 모터의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 방법.
  8. 상수가 입력되는 흡입관;
    상기 상수가 배출되는 토출관;
    상기 토출관의 현재 압력을 조절하기 위하여 회전속도의 제어가 가능한 모터를 포함하는 펌프;
    상기 토출관의 현재 압력을 측정하는 압력센서;
    상기 모터의 동작을 제어하기 위한 인버터 제어부, 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 압력센서 판단부, 및 현재 압력과 설정 압력을 비교하여 모터의 동작을 제어하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어부를 포함하는 제어부; 및
    상기 토출관의 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하는 데이터 베이스부를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는 상기 압력센서 판단부에서 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단하는 경우, 상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나와 상기 압력 변환상수를 이용하여 상기 토출관의 현재 압력을 산출하고, 상기 현재 압력 및 상기 저장된 설정 압력을 비교하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나는 상기 압력센서 판단부가 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단하기 이전에 상기 인버터 제어부에서 모니터링을 위해 측정된 출력 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 펌프와 연결된 측정기를 더 포함하고,
    상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나는 상기 측정기를 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 압력 변환상수는 상전압, 양수량, 모터의 효율, 및 펌프의 효율을 이용하여 산출된 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 압력 변환상수(c)는
    Figure 112013085270134-pat00017
    , V는 상전압, Q는 양수량,
    Figure 112013085270134-pat00030
    는 모터의 효율,
    Figure 112013085270134-pat00031
    는 펌프의 효율인 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 압력센서 판단부는 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 10초 내지 60분 마다 판단하는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 전류의 주파수를 조절하여 상기 모터의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 장치.
  15. 상수가 입력되는 흡입관, 상기 상수가 배출되는 토출관, 상기 토출관의 현재 압력을 조절하기 위하여 회전속도의 제어가 가능한 모터를 포함하는 펌프, 상기 토출관의 현재 압력을 측정하는 압력센서, 상기 모터의 동작을 제어하기 위한 인버터 제어부, 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 압력센서 판단부, 및 현재 압력과 설정 압력을 비교하여 모터의 동작을 제어하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어부를 포함하는 제어부, 및 상기 토출관의 상기 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하는 데이터 베이스부를 포함하는 가압 급수 제어 장치를 포함하고,
    상기 토출관의 상기 저장된 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 압력 변환상수, 및 상기 토출관의 현재 압력 및 상기 펌프의 전류의 파형을 송수신하는 서버;
    가압장의 가동, 상기 모터의 회전속도, 체크 밸브 및 격리밸브의 개폐를 제어하는 정보, 및 상기 토출관의 현재 압력과 상기 펌프의 전류의 파형을 송수신하는 가압장 제어 컴퓨터;및
    디스플레이부 및 입력부를 포함하는 모바일 단말기를 포함하는 가압 급수 제어 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 서버, 상기 가압장 제어 컴퓨터, 상기 모바일 단말기, 및 상기 가압 급수 제어 장치는 유무선 네트워크를 이용하여 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는 상기 압력센서 판단부에서 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단하는 경우, 상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나와 상기 압력 변환상수를 이용하여 상기 토출관의 현재 압력을 산출하고, 상기 현재 압력 및 상기 저장된 설정 압력을 비교하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나는 상기 압력센서 판단부가 상기 압력센서가 정상적인 동작이 가능한 상태가 아니라고 판단하기 이전에 상기 인버터 제어부에서 모니터링을 위해 측정된 출력 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 펌프와 연결된 측정기를 더 포함하고,
    상기 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나는 상기 측정기를 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 디스플레이부는 상기 가압장 급수 제어 장치 및 상기 가압장 제어 컴퓨터로부터 수신받은 데이터를 표시하고,
    상기 입력부는 가압장 가동여부 신호, 수동모드 전환 신호, 수동모드 전환시 가압장 가동을 위하여 필요한 데이터를 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 가압 급수 제어 시스템.
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