KR101435622B1 - 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량센서를 사용하는 온수기 및 보일러에서 온수사용 중 유량이 변경된 경우 변화된 유량을 계산하고 변화된 유량에 따라 일정시간 동안 열량을 보상하여 온도편차를 최소화하는 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법 {Method for controlling temperature of hot-water according to changing of flow-rate}

본 발명은 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법에 관한 것으로, 구체적으로는 유량센서를 사용하는 온수기 및 보일러에서 온수사용 중 유량이 변경된 경우 발생하는 온수온도의 편차를 최소화하기 위해 유량변화를 판단하여 온수온도를 제어하는 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 온수를 공급하는 온수기 및 보일러(이하 "온수공급장치")는 사용자가 설정한 온도로 물을 가열하여 공급하기 위한 것으로, 얼마나 짧은 시간에 사용자가 설정한 온도에까지 도달할 수 있는지와 온수의 사용량이 변하더라도 설정온도를 그대로 유지하면서 온수를 공급할 수 있는지가 온수공급장치의 성능을 결정짓는 중요한 기준이 된다.

특히, 하나의 온수공급장치에 연결된 온수배관이 여러개로 나뉘어 사용되고 있는 경우에는 온수 사용량이 심하게 변동될 수 있고 그에 따라 공급되는 온수온도 역시도 사용자가 설정한 온도를 벗어나 크게 변동될 수 있기 때문에 온수 사용량이 변하더라도 설정온도와의 편차를 최소화 하는 것이 더욱 더 요구된다.

이를 위해 다양한 제어방법이 종래 제시되어 왔는데, 일반적으로 가장 많이 사용되는 것으로 PID(proportional integral derivation) 제어를 들수 있다. PID 제어는 피드백(FeedBack) 제어의 일종으로 편차에 비례한 신호를 내는 비례동작(P동작)과 잔류편차를 제거하기 위한 신호를 내는 적분동작(I동작) 및 응답을 신속히 하기 위한 미분동작(D동작)을 동시에 하는 것을 말한다.

이러한 PID 제어는 외란, 부품 및 시스템의 오차 등에 의해 발생되는 편차를 개선하는 장점이 있으나, 피드백 지연시간으로 인해 시스템의 안정도(온수제어 시스템에 있어서는 온도편차와 설정온도까지의 도달시간을 말함)를 저하시키는 경향이 있다.

그리하여 피드백 제어시 발생되는 시스템 안정도 저하를 개선하기 위한 방법으로 피드백 제어와 피드포워드(FeedForward) 제어를 함께 사용하기도 한다.

피드포워드 제어는 출력을 변동시키는 요인을 예측하여 예상되는 변화의 발생을 사전에 방지하도록 작동시키는 예측제어의 일종으로, 설정온도와 직수온도의 온도차 및 유량을 이용하여 미리 열량을 계산하여 출력을 결정하는 방식을 말하며, 이를 PID 제어에 따른 열량과 합하여 최종적으로 온수온도를 제어하게 된다.

그러나 이와 같은 방법에 의해서도 유량변화를 감지하는 지연시간, 출력을 변화 시키는 지연시간, 출력이 열전달 되어 온도 변화가 생기는 지연시간 등의 이유로 시스템의 안정도를 개선하는 데는 한계가 있다.

등록특허 제10-1018774호

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창안된 것으로, 유량센서를 사용하는 온수기 및 보일러에서 온수사용 중 유량이 변경된 경우 변화된 유량을 계산하고 변화된 유량에 따라 일정시간 동안 열량을 보상하여 온도편차를 최소화하는 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 유량센서를 사용하는 온수기 및 보일러에서 적용되는 것으로,

유량센서를 통해 유량을 감지하여 변화여부를 판단하는 단계; 유량변화가 있다면 변화된 유량인 변화유량(Δm)을 계산하는 단계; 상기 변화유량(Δm)을 이용하여 보상열량(Qc') 및 보상시간(Tc')을 계산하고, 기존에 저장된 보상열량(Qc) 및 보상시간(Tc)에 누적하여 저장하되, 상기 보상열량(Qc')은 [a * 변화유량(Δm) + b]로 계산되고, 상기 보상시간(Tc')은 [c * 변화유량(Δm) + d]로 계산되며, 상기 a 내지 d 는 열교환기의 열효율 등 온수공급장치의 성능에 따라 결정되는 값으로 실험적으로 구해지는 단계; 상기 보상시간(Tc)의 종료 여부를 판단하는 단계; 상기 보상시간(Tc)의 종료 여부를 판단하는 단계에서 상기 보상시간(Tc)이 진행 중인 경우, 상기 계산된 보상열량(Qc)을 출력열량(Qt)에 포함하여 온수온도를 제어하는 단계; 상기 보상시간(Tc)의 종료 여부를 판단하는 단계에서 상기 보상시간(Tc)이 종료된 경우, 상기 저장된 보상열량(Qc) 및 보상시간(Tc)을 초기화 하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

삭제

바람직하게는 상기 보상열량(Qc) 및 보상시간(Tc)에 누적하여 저장하는 단계 이후, 상기 보상열량(Qc)이 기 설정된 연소정지 기준열량 이하인 경우, 연소 정지 후 착화 및 연소 동작을 수행하는 단계;가 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법에 의하면, 온수 사용 중 유량 증가 또는 감소 시 발생되는 온도편차를 최소화함으로써, 사용자가 설정한 온도의 온수를 일정하게 공급할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온수공급장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법을 나타내는 흐름도,
도 3a 및 도 3b는 유량이 증가하는 경우, 본 발명에 따른 보상열량(Qc)의 적용 전후 유량, 출력열량, 온수온도 변화에 관한 실험결과를 나타낸 그래프,
도 4a 내지 도 4c는 유량이 감소하는 경우, 본 발명에 따른 보상열량(Qc)의 적용 전후 유량, 출력열량, 온수온도 변화에 관한 실험결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온수공급장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 온수공급장치(100)는 입수되는 물의 유량을 감지하는 유량센서(120), 입수되는 물의 온도를 측정하는 직수온도센서(140), 버너의 연소열을 내부에 입수된 물로 전달하는 열교환기(130), 출수되는 물의 온도를 측정하는 온수온도센서(150), 상기 센서들로부터 감지신호를 전송받아 온수온도를 제어하는 콘트롤러(110)를 포함하여 구성된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법은 유량센서를 통해 유량을 감지하여 변화여부를 판단하는 단계(S200), 변화된 유량을 계산하고 이를 이용하여 보상열량 및 보상시간을 계산하는 단계(S210, S220), 상기 계산된 보상시간의 종료여부를 판단하는 단계(S250), 상기 계산된 보상열량을 공급열량에 포함하여 온수온도를 제어하는 단계(S270), 상기 계산된 보상열량 및 보상시간을 초기화하는 단계(S260)를 포함하여 구성된다.

먼저 상기 유량센서(120)로부터 감지된 신호를 콘트롤러(110)에서 전송받아 유량변화 여부를 판단하게 된다(S200).

상기 판단결과, 유량변화가 있다면 콘트롤러(110)는 현재 유량과 이전 유량의 차이 값을 계산하여 변화유량(Δm) 값을 저장한다(S210).

이어서, 콘트롤러(110)는 상기 변화유량(Δm) 값을 이용하여 보상열량(Qc)과 보상시간(Tc)을 계산하는 단계를 수행한다(S220). 이때, 보상열량(Qc)는 [(a*Δm) + b]로 계산되고, 보상시간(Tc)는 [(c*Δm) + d]로 계산되는데, 상기 계산 식에서 볼 수 있듯 변화유량(Δm)에 비례하는 1차함수의 형태이며, 비례상수와 y절편값을 나타내는 a 내지 d는 열교환기의 열효율 등 온수공급장치(100)의 성능에 따라 결정되는 값으로 실험적으로 구해진다. 일 실시예로서, a 내지 d의 값은 상기 변화유량(△m)를 2리터 단위의 증가 또는 감소변화를 주는 여러 단계 별로 온수온도 편차가 최소화되는 값을 각 단계 별로 실험을 통하여 구하게 된다. 자세하게는, 현재 8리터의 유량을 사용하고 온수 온도가 안정화 된 상태에서 유량을 10리터로 변경하였을 경우 온수온도 편차가 최소화 되는 보상열량(Qc)과 보상시간(Tc) 값을 실험을 통해 구하고 이를 선형화 된 수식으로 적용될 수 있는 것이다.

다음으로 콘트롤러(110)는 상기 계산된 보상열량(Qc)과 보상시간(Tc)을 저장하고, 이후 상기 보상시간(Tc) 종료여부를 판단(250)하여 보상시간(Tc)이 종료되었다면 상기 저장된 보상열량(Qc)과 보상시간(Tc)을 초기화하며(S260), 보상시간(Tc)이 진행 중이라면 상기 계산된 보상열량(Qc)을 적용하여 온수온도를 제어한다(S270).

상기 보상시간(Tc)이 진행되는 중에 유량변화가 있는 경우, 콘트롤러(110)는 변화유량(Δm')을 계산하고, 상기와 같은 방법으로 보상열량(Qc') 및 보상시간(Tc')을 계산하여 기 저장된 보상열량(Qc) 및 보상시간(Tc)에 누적하여 더하게 된다(S210, S220).

한편, 상기 보상시간(Tc) 진행 중에 유량변화가 없는 경우에는 기 저장된 보상시간(Tc) 종료여부 만을 판단하여 이하 단계 S260 또는 단계 S260을 수행한다.

보상열량 적용단계(S270)는 최종 출력 열량을 계산하여 온수온도를 제어하는 단계로, 최종 출력열량(Qt)은 PID 제어방법에 의해 계산된 열량(Qp)과 Feed Forward 제어방법에 의해 계산된 열량(Qf)을 합한 값에 상기 변화유량을 이용하여 계산된 보상열량(Qc)을 더하여 결정된다.

도 3a 및 3b는 유량이 증가하는 경우, 본 발명에 따른 보상열량(Qc)을 적용하기 전(도 3a)과 보상열량을 적용한 후(도 3b)에 있어서 각각 유량, 출력열량, 온수온도 변화에 관한 실험결과를 나타낸 그래프이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 유량이 Δm만큼 증가한 경우에 PID 제어와 Feed Forward 제어에 의해 계산된 출력열량(Qp+Qf)으로 온수온도를 제어할 때의 온도편차(Δt1)보다 보상열량(Qc)을 추가하여 온수온도를 제어할 때의 온도편차(Δt2)가 훨씬 작아짐을 볼 수 있다.

또한, 도 4a 및 도 4b는 유량이 감소하는 경우, 본 발명에 따른 보상열량(Qc)을 적용하기 전(도 4a)과 보상열량(Qc)을 적용한 후(도 4b)에 있어서 각각 유량, 출력열량, 온수온도 변화에 관한 실험결과를 나타낸 그래프인데, 상기 유량 증가시와 마찬가지로 보상열량(Qc)을 적용한 경우 온도편차가 작아지게 된다.

한편, 유량이 감소하는 경우에 변화유량(Δm)이 음수값을 갖게 되는데, 변화유량(Δm)이 일정한 값(Δm0)이하로 계산되어 필요한 보상열량(Qc)이 연소정지 기준열량(Qc0)이하가 되는 경우에는 도 4c에 도시된 바와 같이 연소를 정지하고 이후 착화 및 연소동작을 수행하는 방식으로 온수 온도를 제어할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 보일러 또는 온수기 110 : 콘트롤러
120 : 유량센서 130 : 열교환기
140 : 직수온도센서 150 : 온수온도센서

Claims (3)

1. 유량센서를 사용하는 온수기 및 보일러의 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법에 있어서,
   유량센서를 통해 유량을 감지하여 변화여부를 판단하는 단계(S200);
   유량변화가 있다면 변화된 유량인 변화유량(Δm)을 계산하는 단계(S210);
   상기 변화유량(Δm)을 이용하여 보상열량(Qc') 및 보상시간(Tc')을 계산하고, 기존에 저장된 보상열량(Qc) 및 보상시간(Tc)에 누적하여 저장하되, 상기 보상열량(Qc')은 [a * 변화유량(Δm) + b]로 계산되고, 상기 보상시간(Tc')은 [c * 변화유량(Δm) + d]로 계산되며, 상기 a 내지 d 는 열교환기의 열효율 등 온수공급장치의 성능에 따라 결정되는 값으로 실험적으로 구해지는 단계(S220);
   상기 보상시간(Tc)의 종료 여부를 판단하는 단계(S250);
   상기 보상시간(Tc)의 종료 여부를 판단하는 단계(S250)에서 상기 보상시간(Tc)이 진행 중인 경우, 상기 계산된 보상열량(Qc)을 출력열량(Qt)에 포함하여 온수온도를 제어하는 단계(S270);
   상기 보상시간(Tc)의 종료 여부를 판단하는 단계(S250)에서 상기 보상시간(Tc)이 종료된 경우, 상기 저장된 보상열량(Qc) 및 보상시간(Tc)을 초기화 하는 단계(S260);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 보상열량(Qc) 및 보상시간(Tc)에 누적하여 저장하는(S220)단계 이후,
   상기 보상열량(Qc)이 기 설정된 연소정지 기준열량 이하인 경우, 연소 정지 후 착화 및 연소 동작을 수행하는 단계(S240);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량변화 판단을 통한 온수온도 제어방법.

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