KR101380063B1 - 변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 보조펌프 운전제어 방법 - Google Patents

변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 보조펌프 운전제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펌프의 회전속도(운전속도)가 제어되는 변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 추가로 기동/정지되는 보조펌프를 제어하기 위한 알고리즘에 관한 것이다.
본 발명에서는 토출압력이 설정압력 미만이고 변속펌프의 운전속도가 최대속도인 경우에 보조펌프의 추가 기동이 요구되며, 토출압력이 설정압력 초과이고 변속펌프의 운전속도가 최저속도인 경우에 보조펌프의 추가 정지가 요구되는 조건에서 현재토출압력과 이전토출압력을 비교하여 추가 기동이 요구되는 조건에서 토출압력이 증가하고 있으면 추가 기동을 지연시키고, 추가 정지가 요구되는 조건에서 토출압력이 감소하고 있으면 추가 정지를 지연시키는 방법이다.
본 발명을 통해 다양한 변속장치의 사용이 가능하고, 펌프 회전속도를 검출하는 고가의 엔코더 장비가 필요없고, 펌프의 불필요한 기동/정지의 발생이 없어지고, 펌프의 추가 기동/정지의 반복현상을 없어지고, 토출압력이 설정압력에 빨리 도달하여 안정화 되도록 함으로써 급수품질이 개선, 배관 및 펌프의 수명을 연장, 에너지 손실을 줄일 수 있는 효과를 가져올 수 있는 부스터펌프시스템의 보조펌프제어 방법에 관한 것이다.

Description

변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 보조펌프 운전제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING SUBSIDIARY PUMP OPERATION FOR BOOSTER PUMP SYSTEM INCLUDED VARIABLE SPEED PUMP}
본 발명은 물을 공급하기 위한 급수설비인 가압급수방식의 부스터펌프시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 보조펌프 제어방식에 관한 것이다.
본 발명의 부스터펌프시스템은 도 1에서 보는 바와 같이 펌프(20)와 펌프를 제어하기 위한 제어반(10)으로 구성된다.
본 발명의 부스터펌프시스템의 제어방식은
첫째, 대수를 가/감하여 펌프들을 제어하는 대수(정속펌프)제어방식
둘째, 도 3의 부스터펌프시스템과 같이 변속장치(인버터)들을 이용하여 펌프의 모터속도를 제어하는 회전수(변속펌프)제어방식
셋째, 도 2의 부스터펌프시스템과 같이 상기 두 방식을 혼합한 제어방식
으로 나뉜다.
부스터펌프시스템은 토출측 급수배관에 수압을 측정하는 압력센서를 두고 실시간 감지를 통해 전송되는 수압(토출압력)이 일정한 압력(설정압력)을 유지하도록 펌프를 제어한다.
도 2는 변속펌프 한 대와 다수의 정속펌프로 구성된 가장 일반적인 부스터펌프시스템이다. 제어장치는 토출(22)측에 설치된 압력센서(23)를 통해 검출된 토출압력이 제어장치(11)에 설정된 설정압력을 유지하도록 하기 위해
토출압력이 설정압력보다 낮아지는 경우: 펌프제어신호를 출력하여 최초로 다수의 펌프(20) 중에서 하나를 선택(13)하고, 제어장치(11)로부터 지령받은 속도제어정보에 따라 변속장치(12, 인버터)를 통해 변환된 속도를 갖는 전원을 모터에 공급하고, 변속펌프(20a)의 속도가 최대가 되면 펌프제어신호를 출력하여 펌프를 선택(13)하고 추가로 정속펌프(20b, 20c, 20d)를 가동시킨다.
토출압력이 설정압력보다 높아지는 경우: 변속펌프(20a)의 속도가 최소가 되면 추가로 펌프제어신호를 출력하여 펌프를 선택(13)하고 정속펌프(20b, 20c, 20d)를 정지시키고, 정속펌프가 모두 정지한 후에 마지막으로 변속펌프(20a)를 정지시킨다.
도 3은 다수의 변속펌프로 구성된 부스터펌프시스템이다. 제어장치는 토출(22)측에 설치된 압력센서(23)를 통해 검출된 토출압력이 제어장치(11)에 설정된 설정압력을 유지하도록 하기 위해
토출압력이 설정압력보다 낮아지는 경우: 펌프제어신호를 출력하여 최초로 다수의 펌프(20) 중에서 하나를 선택(13)하고, 제어장치(11)로부터 지령받은 속도제어정보에 따라 변속장치(12, 인버터)를 통해 변환된 속도를 갖는 전원을 모터에 공급하고, 변속펌프(20a)의 속도가 최대가 되면 펌프제어신호를 출력하여 다음 펌프를 선택(13)하고 추가로 변속펌프(20b, 20c, 20d)를 가동시켜 제어장치(11)로부터 지령받은 속도제어정보에 따라 변속장치(12, 인버터)를 통해 변환된 속도를 갖는 전원을 모터에 공급하는 동작을 동일하게 수행한다.
토출압력이 설정압력보다 높아지는 경우: 변속펌프(20a)의 속도가 최소가 되면 해당 변속펌프를 정지시키고, 펌프제어신호를 출력하여 다음 펌프를 선택(13)하고 속도를 감소시켜 정지시키는 동작을 동일하게 수행한다.
대한민국 특허출원 10-2009-0039836의 '인버터 부스터펌프시스템의 제어방법'이 소개되어 있다. 이 특허에서는 설정압력이 측정압력보다 높으면, 작동중인 펌프의 작동효율이 최고효율에 도달하였는가 판단하는 단계와 펌프의 작동효율이 최고효율에 도달되었을 경우, 대기중인 펌프들 중 어느 한 펌프를 추가 구동하는 단계.(중략)
측정압력이 설정압력보다 높으면, 감소된 구동주파수를 설정된 하한주파수와 비교하는 단계와 구동주파수가 하한 주파수보다 크지 않으면, 구동주파수를 감소시킨 펌프를 정지시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 인버터 부스터펌프시스템을 제어하는 특성을 갖는다.
대한민국 특허 제10-0311391의 '인버터부스터펌프시스템의 체절운전제어방법'이 소개되어 있다. 이 특허에서는 현재 압력이 기동압력보다 작으면 인버터 구동펌프의 운전주파수를 최대로 증가시키는 제4단계와, 상기 제4단계에서 최대주파수로 증가시켜 운전하다가 최대속도 이상의 유량이 되면 스텝 구동펌프중 가장 오래전에 정지했던 펌프를 하나씩 추가로 온시켜 구동시키는 제5단계와, 상기 제3단계에서 현재압력이 기동압력보다 크면 인버터 구동펌프의 운전주파수를 상기 제1단계에서 결정된 하한주파수까지 감소시키는 제6단계와, 상기 제6단계에서 하한주파수 이하로 감소되면 스텝 구동펌프중 가장 오래 전에 켜졌던 펌프를 하나씩 추가로 정지시키는 제7단계로 부스터펌프시스템을 제어하는 특성을 갖는다.
대한민국 실용신안 제20-0389969호의 '인버터 이동방식의 부스터펌프시스템'이 소개되어 있다. 이 고안에서는 자동급수장치인 부스터펌프 시스템에 관한 것으로서, 압력센서에 의해 측정된 현재압력이 부스터 컨트롤부로 입력되면 상기 부스터 컨트롤부는 기 설정된 설정압력과 비교하여 현재압력이 설정압력보다 적다고 판단되면 펌프1을 인버터부에 의해 기동되게 하되 상기 펌프1이 100%의 출력을 내고도 현재압력이 설정압력에 도달하지 못하는 경우 펌프1을 상용전원으로 기동되도록 변경하고, 펌프2를 인버터부에 의해 기동되게 하되 펌프2가 100%의 출력을 내고도 현재압력이 설정압력에 도달하지 못하는 경우 펌프2를 상용전원으로 기동되도록 변경하고 펌프3을 인버터부에 의해 기동되도록하여 가동펌프측 기동동작을 제어되게 하며; 현재압력이 설정압력보다 크다고 판단되면 상기 인버터부에 의해 기동되는
펌프3의 동작을 유지되게 한 상태에서 펌프1 및 펌프2의 상용전원을 순차적으로 OFF되게 한 다음 최종적으로 펌프3의 인버터부에 의한 기동을 정지되도록 하여 가동펌프측 정지동작하는 방법으로 부스터펌프시스템을 제어하는 특성을 갖는다.
도 1에서와 같이 모든 부스터펌프시스템은 다수의 펌프를 병렬로 배치되어 운전된다. 이러한 부스터펌프시스템에 있어서 상기 기술에서 보는 바와 같이 모터의 회전속도를 제어하여 토출배관(22)의 압력을 일정하게 제어 할 수 있도록 적어도 한 대의 변속펌프가 존재한다. 또한, 변속펌프가 포함된 부스터펌프시스템은 최초운전을 변속펌프로 시작하고 최대속도로 운전하였는데도 불구하고 토출압력이 설정압력보다 낮으면 추가로 변속펌프 혹은 정속펌프의 보조펌프를 기동시키게 되며, 운전 중인 변속펌프의 속도가 최저속도로 운전하였는데도 불구하고 토출압력이 설정압력보다 높으면 추가로 변속펌프 혹은 정속펌프의 보조펌프를 정지시키게 되는 제어방법을 공통으로 가지고 있다.
이러한 대부분의 부스터펌프시스템은 다양한 변속장치(12, 인버터)를 사용하고 있고, 펌프의 실제 운전속도를 검출할 수 있는 고가의 엔코더 장비를 갖추기 어렵기 때문에 토출배관(22)에 설치된 압력센서(23)로부터의 토출압력만을 감지하여 제어하게 된다.
따라서, 부스터펌프시스템의 제어장치(11)는 감지된 토출압력에 따라 PID, PI, 퍼지 제어 등 다양한 연산에 의해 산출된 변속펌프에 대한 속도지령값을 출력하지만 실제 변속장치(12)로부터 펌프로 공급하고 실제로 운전되는 변속펌프의 운전속도가 제어장치(11)에 의한 지령속도와 다를 수 있다.
이로 인하여
첫째, 펌프의 추가 기동/정지가 반복될 수 있고,
둘째, 토출압력이 설정압력에 도달하는데 많은 시간이 소요되며,
셋째, 불필요한 펌프의 기동과 정지가 발생한다.
이는 결국 급수품질의 급격한 하락과 배관 및 펌프의 수명을 단축시키고, 에너지 손실을 증가시키는 원인이 된다.
급수품질의 개선과 배관 및 펌프의 수명을 연장시키고, 에너지 손실을 줄이기 위해서,
본 발명에서는 다양한 변속장치의 사용이나 펌프 회전속도를 검출하는 고가의 엔코더 장비를 갖추어 펌프의 회전속도를 피드백 받지 않고,
펌프의 불필요한 기동/정지의 발생을 없애고,
펌프의 추가 기동/정지의 반복현상을 없애고,
토출압력이 설정압력에 빨리 도달하여 안정화 되도록 해야 한다.
본 발명에서는 펌프의 추가 기동/정지가 필요한 조건에 있어서 단순히 현재 속도지령값에 의존하지 않고 현재의 토출압력과 이전의 토출압력을 비교하고,
토출압력의 변화에 따라 펌프의 추가 기동/정지를 판단하도록 한다.
본 발명을 통해
첫째, 다양한 변속장치의 사용이 가능하고,
둘째, 펌프 회전속도를 검출하는 고가의 엔코더 장비가 필요없고,
셋째, 펌프의 불필요한 기동/정지의 발생이 없어지고,
넷째, 펌프의 추가 기동/정지의 반복현상을 없어지고,
다섯째, 토출압력이 설정압력에 빨리 도달하여 안정화 된다.
또한 상기 효과로 인해
첫째, 급수품질이 개선되고,
둘째, 배관 및 펌프의 수명을 연장시킬 수 있고,
넷째, 에너지 손실을 줄일 수 있다.
도 1: 자동제어반과 펌프들로 구성된 부스터펌프 시스템
도 2: 한 대의 변속펌프와 다수의 정속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 제어 구성도
도 3: 다수의 변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 제어 구성도
도 4: 자동제어반 내에 탑재된 제어장치에 프로그래밍 된 제어알고리즘 개략도
도 5: 토출압력에 따른 펌프제어에 있어서 설정압력이 토출압력 초과인 경우에 대한 프로그램 순서도
도 6: 토출압력에 따른 펌프제어에 있어서 설정압력이 토출압력 미만인 경우에 대한 프로그램 순서도
도 4는 무유량감지제어 기능이 포함된 부스터펌프시스템 자동제어알고리즘이다. 시스템이 시작되면 화면정보표시를 포함한 무한반복기능(110)을 수행하게 된다. 이러한 무한반복기능이 수행되는 중에 타이머, 통신, 외부입력 등 각종 인터럽터에 의한 임무(120)를 수행하게 된다.
이 타이머 인터럽터에 의한 기능 중에서 펌프제어를 위한 타이머 인터럽터 임무(130)를 시작(단계131)하게 되고, 다음으로 펌프제어와 관련된 각종 임무(단계132)를 수행하고, 도 5와 도 6에서 설명되는 토출압력과 설정압력을 비교하여 펌프를 제어하는 토출압력에 따른 펌프제어(단계133)를 수행하고 종료(단계134)하게 된다.
도 5는 설정압력과 토출압력을 비교하여 설정압력이 토출압력 초과인 경우에 대한 제어알고리즘의 프로그램 순서도이다.
펌프제어를 위한 타이머 인터럽터에 의해 시작(200)되고, 토출압력이 설정압력 미만인지 판단(단계201)하고 토출압력이 설정압력 미만이면 보조펌프정지지연 플래그와 카운트를 초기화(단계202)하고,
운전중인 변속펌프가 있는지 판단(단계203)하여 운전중인 변속펌프가 없는 경우에는 변속펌프 초기운전을 시작(단계214)하고 종료(단계228)하고, 운전중인 변속펌프가 있는 경우에는 현재 운전중인 변속펌프의 속도가 최대인지 판단(단계205)하여 최대가 아니면 종료(단계228)하고 현재 운전중인 변속펌프의 속도가 최대이면 보조펌프기동지연 플래그가 설정되어 있는지 판단(단계205)하고,
단계205에서 보조펌프기동지연 플래그가 설정되어 있으면 정지되어 있는 대기중인 보조펌프를 기동(단계206)하고 보조펌프관련 플래그와 카운트를 초기화(단계207)하고 종료(단계228)하고,
단계205에서 보조펌프기동지연 플래그가 설정되어 있지 않으면 보조펌프기동지연 카운트가 초기화 되어있는지 판단(단계208)하고, 초기화 되어 있으면 현재토출압력을 이전토출압력으로 저장(단계209)하고 보조펌프기동지연을 카운트(단계210)하고, 초기화 되어 있지 않으면 보조펌프기동지연을 카운트(단계210)하고, 카운트된 보조펌프기동지연이 설정된 보조펌프기동지연 이상인지 판단(단계211)하고,
단계211에서 카운트된 보조펌프기동지연이 설정된 보조펌프기동지연 이상이면 현재토출압력이 이전토출압력 이하인지 판단(단계212)하고 현재토출압력이 이전토출압력이하이면 보조펌프기동지연 플래그를 설정(단계213)하고 종료(단계228)하고, 반대로 현재토출압력이 이전토출압력 이하가 아니면 종료(단계228)하고,
단계211에서 카운트된 보조펌프기동지연이 설정된 보조펌프기동지연 이상이 아니면 종료(단계228)한다.
도 6은 설정압력과 토출압력을 비교하여 설정압력이 토출압력 미만인 경우에 대한 제어알고리즘의 프로그램 순서도이다.
도 5에서 펌프제어를 위한 타이머 인터럽터에 의해 시작(200)되고, 설정압력이 토출압력 초과인지 판단(단계201)하여 그렇지 않으면 설정압력이 토출압력 미만이면 보조펌프기동지연 플래그와 카운트를 초기화(단계202)하고,
운전중인 변속펌프가 있는지 판단(단계217)하고 운전중인 변속펌프가 없으면 종료(단계228)하고 운전중인 변속펌프가 있으면 현재 운전중인 변속펌프의 속도가 최저속도인지 판단(단계218)하여 현재 운전중인 변속펌프의 속도가 최저속도가 아니면 종료(단계228)하고 현재 운전중인 변속펌프의 속도가 최저속도이면 보조펌프정지지연 플래그가 설정되어 있는지 판단(단계219)하고,
단계219에서 보조펌프정지지연 플래그가 설정되어 있으면 운전중인 보조펌프를 정지(단계220)시키고 보조펌프관련 플래그와 카운트를 초기화(단계221)하고 종료(단계228)하고,
단계219에서 보조펌프정지지연 플래그가 설정되어 있지 않으면 보조펌프정지지연카운트가 초기화 되어 있는지 판단(단계222)하고, 초기화 되어 있으면 현재토출압력을 이전토출압력으로 저장(단계223)하고 보조펌프정지지연을 카운트(단계224)하고, 초기화 되어 있지 않으면 보조펌프정지지연을 카운트(단계224)하고, 카운트된 보조펌프정지지연이 설정된 보조펌프정지지연 이상인지 판단(단계225)하고,
단계225에서 카운트된 보조펌프정지지연이 설정된 보조펌프정지지연 이상이면 현재토출압력이 이전토출압력 이하인지 판단(단계226)하고 현재토출압력이 이전토출압력 이상이면 보조펌프정지지연 플래그를 설정(단계227)하고 종료(단계228)하고, 반대로 현재토출압력이 이전토출압력 이상이 아니면 종료(단계228)하고,
단계225에서 카운트된 보조펌프정지지연이 설정된 보조펌프정지지연 이상이 아니면 종료(단계228)한다.
10: 부스터펌프 자동제어반(전기부품과 전자제어장치로 구성)
11: 본 발명의 무유량감지제어 기능을 포함한 부스터펌프시스템 자동제어알고리즘이 적용된 (전자)제어장치
12: 제어장치로부터 전송된 속도지령신호에 따라 변환된 속도를 갖는 전원을 펌프로 공급하는 변속장치
13: 제어장치로부터 전송된 펌프제어신호에 따라 펌프를 선택하는 전기제어장치(전자개폐기, MC)
20: 펌프(합류관, 밸브, 센서 등으로 구성)
21: 저수조로부터 물을 공급받는 흡입부
22: 사용자로 물을 공급하기 위한 토출부
23: 제어장치로 검출된 토출압력을 전송하기 위한 토출부에 설치된 압력센서

Claims (3)

  1. 토출압력이 설정압력 미만인 경우에는 운전중인 변속펌프가 없는 경우에는 변속펌프 초기운전을 시작하고,
    운전중인 변속펌프가 있는 경우에는 현재 운전중인 변속펌프의 운전속도가 최대속도인지 판단하여 최대속도가 아니면 종료하고 최대속도인 경우에는 보조펌프기동지연 플래그가 설정되어 있는지 판단하고,
    보조펌프기동지연 플래그가 설정되어 있으면 대기중인 보조펌프를 기동시키고 보조펌프와 관련된 플래그와 카운트를 초기화하여 종료하고,
    보조펌프기동지연 플래그가 설정되어 있지 않으면 보조펌프기동지연 카운트가 초기화 되어있는지 판단하고 초기화 되어있으면 현재토출압력을 이전토출압력으로 저장하고 보조펌프기동지연 카운트를 수행하고, 보조펌프기동지연 카운트가 초기화 되어있지 않으면 보조펌프기동지연 카운트만 수행하고,
    카운트된 보조펌프기동지연이 설정된 보조펌프기동지연 이상이면 현재토출압력이 이전토출압력 이하이면 보조펌프기동지연 플래그를 설정하고, 카운트된 보조펌프기동지연이 설정된 보조펌프기동지연 이상이 아니거나 현재토출압력이 이전토출압력 이하가 아니면 종료하도록 하는 변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 보조펌프의 추가 기동제어방법
  2. 토출압력이 설정압력 초과인 경우에는 운전중인 변속펌프가 없는 경우에는 종료하고,
    운전중인 변속펌프가 있는 경우에는 현재 운전중인 변속펌프의 운전속도가 최저속도인지 판단하여 최저속도가 아니면 종료하고 최저속도인 경우에는 보조펌프정지지연 플래그가 설정되어 있는지 판단하고,
    보조펌프정지지연 플래그가 설정되어 있으면 운전중인 보조펌프를 정지시키고 보조펌프와 관련된 플래그와 카운트를 초기화하여 종료하고,
    보조펌프정지지연 플래그가 설정되어 있지 않으면 보조펌프정지지연 카운트가 초기화 되어있는지 판단하고 초기화 되어있으면 현재토출압력을 이전토출압력으로 저장하고 보조펌프정지지연 카운트를 수행하고, 보조펌프정지지연 카운트가 초기화 되어있지 않으면 보조펌프정지지연 카운트만 수행하고,
    카운트된 보조펌프정지지연이 설정된 보조펌프정지지연 이상이면 현재토출압력이 이전토출압력 이상이면 보조펌프정지지연 플래그를 설정하고, 카운트된 보조펌프정지지연이 설정된 보조펌프정지지연 이상이 아니거나 현재토출압력이 이전토출압력 이상이 아니면 종료하도록 하는 변속펌프를 포함하는 부스터펌프시스템의 보조펌프의 추가 정지제어방법
  3. 상기 청구항 1과 청구항 2를 포함하고,
    토출압력이 설정압력 미만인 경우에 보조펌프정지지연 플래그와 카운트를 초기화 하고 운전중인 변속펌프가 있는지 판단하고,
    토출압력이 설정압력 초과인 경우에 보조펌프기동지연 플래그와 카운트를 초기화 하고 운전중인 변속펌프가 있는지 판단하도록 하는 변속펌프가 포함된 부스터펌프시스템의 보조펌프 운전제어방법

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