KR101688384B1

KR101688384B1 - 연속 용융도금 설비의 도금두께 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101688384B1
Application number: KR1020150097312A
Authority: KR
Inventors: 김근영; 김경록
Original assignee: 주식회사 성화이앤씨; 김근영; 김경록
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2016-12-21

Abstract

본 발명은 도금두께 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러한 도금두께 제어방법은, 목표 도금 두께값(Cw_ref|t=0)을 분사압력 추정 모델식에 대입하여 목표 도금 두께값에 대응하는 분사 노즐 챔버의 압력 설정치(P_ref|t=0)를 연산하고, 이 압력 설정치를 압력 제어기(7)에 인가하여 압력 센서를 이용하여 측정된 압력 실적치(P_fb|t=0)를 실시간으로 압력 제어기(7)로 피드백시켜 제어하는 제 1단계(S100)와; 이 압력 실적치(P_fb|t=0)로부터 도금두께 추정 모델식을 사용하여 실시간으로 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=0)를 추정하는 제 2단계(S110)와; 도금 두께 센서(9) 위치에 도달하는 순간(t=ta)에 측정된 도금 두께 실적치(Cw_fb|t=ta) 와 앞서 추정된 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=0)와의 차이를 계산하여 현 시점(t=ta)에서의 도금 두께 보정 편차(△Cw_bias|t=ta)로 취하는 제 3단계(S120)와; 현 시점(t=ta)에 대하여 추정된 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=ta)와 도금 두께 보정 편차(△Cw_bias|t=ta)를 더하여 최종 도금 두께값(Cw_fb_final|t=ta)으로 설정하는 제 4단계(S130)를 포함하며, 초기에서 도금 두께 측정가능 시점까지는 도금 두께 추정값을 사용하여 제어하고, 도금 측정 가능 시점 이후로는 도금두께 추정값에 오차를 반영하여 제어한다.

Description

연속 용융도금 설비의 도금두께 제어 시스템 및 방법{Control Method of Coating Thickness of molten metal in Continuous Galvanizing Line}

본 발명은 연속 용융도금 설비의 도금두께 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 판이 용융 금속이 들어있는 욕조를 통과할 때 도금되는 두께를 실시간으로 제어할 수 있는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 연속 용융도금설비는 스나우트(Snout)와, 코팅욕조 내의 침지롤로 구성되며, 산세아연도금라인(PGL), 연속아연도금라인(CGL) 등에 주로 적용된다.

이러한 연속 용융도금 설비는 가열로(Furnace)를 통과한 금속 띠(Strip)를 용융 금속 욕조에 연속적으로 침지시킴으로써 도금층을 형성하고, 에어 나이프(Air knife)에 의하여 도금두께가 조절된 후, 조질 압연기(SPM) 및 형상 교정기(T/L) 등을 거치면서 금속 띠를 코팅하게 되는 바, 연속 용융도금 설비는 금속 띠에 도금층을 형성하는 장치이다.

이러한 연속 용융도금 설비에 있어서, 용융 금속 욕조를 통과하여 나오는 금속 판(S)에 묻어 올라오는 용융 도금 물질은 욕조 표면 상부에 설치되어 있는 에어나이프에 의하여 소정의 두께로 깎여진다.

즉, 용융 도금 층의 두께는 에어나이프의 분사 압력과 노즐과 금속 판 사이의 거리에 따라 달라지며, 또한 금속 판의 이송 속도 등에 따라 달라진다.

따라서, 소정 시점의 도금두께를 제어하는 경우, 목표 도금 두께를 설정하고, 이 목표두께를 얻기 위한 금속 판의 이송 속도 및 노즐과 금속 판 사이의 거리를 연산하고, 이 연산결과에 따라 에어나이프의 분사 압력을 운전자가 직접 수동으로 개입하여 조절하게 된다.

이때 소정 시점에서는 금속 판에 묻어 있는 도금 층이 아직 용융 상태이므로 해당 시점에서 도금층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다. 즉, 응고되지 않는 용융 도금 금속의 두께를 측정할 수 있는 적절한 측정기가 아직 기술적으로 실용화 되지 못해 이 시점에서의 도금 두께를 알 수 없다.

현재 운용 중인 도금 두께 측정기는 상온 상태 측정 방식이며 용융 금속 도금 층이 충분히 냉각되는 지점인 하류 지점(약 100m 이상 후단)에 설치되어 운용된다.

따라서 금속 판이 에어나이프에서 일정 시간 동안 이송되어 하류의 도금 두께 센서 위치에 도달하는 시점이 되어야 비로소 도금두께를 측정할 수 있다.

더욱이, 조업상 필요에 의해 금속 판의 이송 속도가 변경되거나, 또는 목표 도금 두께가 변경되는 경우, 운전자가 에어 나이프의 조건, 즉 분사 압력을 변경하여 목표 도금 두께를 얻으려 해도 변경된 조건들에 의하여 도금 두께가 어느 정도 달라졌는지를 실시간으로 알 수 없으며, 하류지점에서 측정된 후에야 할 수 있다.

따라서 조업자가 도금 두께 센서의 값을 관측하면서 수동으로 도금두께를 조절할지라도, 시간지연 특성에 의하여 원활하게 목표 도금 두께를 맞추기가 원리적으로 불가하다.

전술한 바와 같이 연속 용융도금 공정은 제어 관점에서 보면, 에어나이프의 와이핑 시점과 도금 두께 측정 간 시간지연이 나타나는 특성을 지니고 있으므로, 제어 대상인 도금 두께에 대하여 측정된 값을 실시간 피드백(feed back) 값으로 사용하지 못한다.

즉, 현재 설정된 목표 도금 두께값과 동시각에 측정된 실제 도금 두께값은 비동기된 정보쌍이므로 그대로 피이드백 제어에 사용할 수 없다.

따라서 제어 목표값과 feedback용 측정값이 동기화 되는 일반 제어 공정에 사용하는 실시간 feedback 제어 방법을 적용할 수 없다.

이와 같이 시간 지연이 나타나는 공정에 대하여, 관련 공정을 추정하는 모델식을 이용하여 오픈루프(open loop) 제어 방식으로 도금 두께 제어를 실시할 수도 있지만, 이러한 모델식은 다소 오차를 수반하고 있으므로 모델식 만을 이용하는 open loop 제어 방식에는 한계가 있다.

이러한 시간지연특성을 나타내는 연속 용융 도금공정의 용융 도금 두께에 대하여 국내외적으로 나름대로의 제어 방법이 제안되었으나, 제안된 모든 방법들은 도금 두께의 오차를 zero화하는 도금 두께 제어 루프를 구성하지 않고, 목표 도금 두께에 적합한 분사 압력를 추정하는 데에 주안점을 두고 있다.

이러한 방법들은 수식 모델식을 사용하여 변경된 조업 조건에 해당하는 분사 압력값을 추정하여 압력 제어를 실행하여 목표 도금 두께를 맞추려는 간접적인 제어 방법으로서, 원리적으로 오차를 수반하고 있는 모델식에 전적으로 의존하므로 도금 두께 적중률이 낮다.

또한 에어나이프의 분사 압력 제어 응답성을 고려하지 않아 도금조건(라인 속도, 목표 도금 두께, 또는 노즐과 금속 판 사이의 거리 등)이 변경되는 과도기에 도금 두께 성능이 저하되는 현상이 발생하여 결과적으로 제어 성능 및 실효성이 미흡하여 전자동으로 실행되지 않고 부분적으로만 운용되고 있는 문제점이 있다.

결국, 이러한 문제점으로 인하여, 도금 두께의 정밀도가 제품의 품질에 직결되는 도금 금속제품에서는 도금 두께를 실시간으로 제어하지 못함으로써 과도금 상태로 제품을 생산하게 되어 도금 물질의 과도 사용으로 인한 제품 제조비용이 증가하여 가격 경쟁력이 떨어지게 된다.

1) 특허 등록 제10-0815814호(연속도금공정에서의 도금 부착량 제어 방법 및 장치) 2) 특허 등록 제10-1017830호(도금 부착량 제어장치 및 제어 방법)

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연속 용융 도금 두께에 대한 목표값 설정 및 도금 두께 실적값 측정간의 시간 지연이 발생하는 연속 용융 도금 공정에 대하여, 종래의 분사 압력 설정값을 보정하여 도금 두께를 조절하는 간접 도금 두께 제어 방법과는 달리, 도금 두께를 직접 제어하기 위하여 도금 두께 피드백 제어 루프를 외부루프로서 별도로 구성하고 또한 분사 압력 제어루프를 내부에 구성하는 캐스케이드(CASCADE) 방식의 다중 입력 제어 방법을 통하여, 외부 도금두께 제어루프에 의하여 실시간으로 목표 도금 두께를 오차 없이 제어할 수 있으며, 아울러 에어나이프의 와이핑에 대한 물리적 메카니즘을 고려하여 유도된 적중률이 높은 정밀한 도금 두께 예측 모델식을 제안하여 제어 과정에서 필요한 분사 압력 설정값과 도금 두께 실적값을 정확하게 추정하여 제어에 반영함으로써 제어 적중률을 높이고, 또한 분사 압력 제어 응답성을 고려하여 추정한 실시간 도금 두께 추정 설정값을 제어에 적용함으로써, 종래, 조업자가 수동으로 개입하여 도금두께를 조절하거나, 반자동으로 실행되고 있는 용융 도금 두께 제어 방법과는 달리, 제어성능이 우수한 전자동 무인 도금 두께 제어가 가능한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는,

목표 도금 두께값(Cw_ref|t=0)을 분사압력 추정 모델식에 대입하여 목표 도금 두께값에 대응하는 분사 노즐 챔버의 압력 설정치(P_ref|t=0)를 연산하고, 이 압력 설정치를 압력 제어기(7)에 인가하여 압력 센서를 이용하여 측정된 압력 실적치(P_fb|t=0)를 실시간으로 압력 제어기(7)로 피드백시켜 제어하는 제 1단계(S100)와;

이 압력 실적치(P_fb|t=0)로부터 도금두께 추정 모델식을 사용하여 실시간으로 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=0)를 추정하는 제 2단계(S110)와;

도금 두께 센서(9) 위치에 도달하는 순간(t=ta)에 측정된 도금 두께 실적치(Cw_fb|t=ta) 와 앞서 추정된 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=0)와의 차이를 계산하여 현 시점(t=ta)에서의 도금 두께 보정 편차(△Cw_bias|t=ta)로 취하는 제 3단계(S120)와;

현 시점(t=ta)에 대하여 추정된 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=ta)와 도금 두께 보정 편차(△Cw_bias|t=ta)를 더하여 최종 도금 두께값(Cw_fb_final|t=ta)으로 설정하는 제 4단계(S130)를 포함하며,

초기에서 도금 두께 측정가능 시점까지는 도금 두께 추정값을 사용하여 제어하고, 도금 측정 가능 시점 이후로는 도금두께 추정값에 오차를 반영하여 제어하는 도금두께 용융 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는,

금속 판(S) 위에 묻어 있는 도금 물질을 깎아 내는 분사부(3)와;

분사부(3)에 장착되어 유체를 분사시키기 위한 압력을 실시간으로 측정하는 압력측정 센서(5)와;

압력측정 센서(5)에 의하여 감지된 압력값에 의하여 분사부(3)의 분사압력을 실시간으로 제어하는 압력 제어기(7)와;

분사부(3)의 후단에 배치되어, 금속 판에 도금된 물질이 응고된 상태에서 도금 두께(Cw_fb)를 실시간으로 측정하는 상온용 도금 두께 센서(8)와 ;

분사 노즐의 압력(P_ref)을 추정하고, 압력 실적 값(P_fb)으로부터 도금 두께 실적값(Cw*_fb)을 추정하며, 측정된 도금 두께 실적값(Cw_fb)과 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)의 차이(△Cw)인 오차를 실시간으로 계산하며, 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)과 오차(△Cw)를 합산하여 도금 두께 실적값(cw*_fb_final)을 연산하는 제어부(11)와 ;

제어부(11)에 의하여 연산된 결과값에 의하여 도금 두께를 실시간으로 제어하는 도금두께 제어기(13)와;

금속 판(S)이 에어나이프(19) 지점에서 도금 두께 센서(9) 위치까지 이송하는데 소요되는 시간을 산정하는 주 전산기(15) 와 ;

시간 경과에 따라 도금 두께 추정값(Cw*_fb)을 저장하는 저장부(11)를 포함하는 도금 두께 제어 시스템을 제공한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 용융도금 설비의 도금 두께 제어 시스템은, 응답성이 높은 압력제어 루프를 내부루프로 구성하여 분사 압력 설정값을 인가하고, 응답성이 상대적으로 낮은 도금 제어 루프를 외부루프로 구성하여 목표 도금 두께 설정값을 인가한다. 따라서 일차적으로 응답성이 빠른 내부루프인 압력 제어를 통하여 예측한 바에 따라 도금 두께를 신속하게 조절하고, 이차적으로 응답성이 낮지만 도금 두께 오차를 제거하는 외부루프를 통하여 도금 두께 제어를 정확하게 제어하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 용융도금 두께 제어 시스템에 있어서 금속 판이 용융 금속 포트를 통과하며 금속 판 표면에 금속이 도금되는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연속 용융 도금두께 제어 시스템의 전체적인 배치도이다.
도 3은 도 1에 도시된 에어나이프에 의하여 금속 판에 묻은 도금 물질을 소정의 두께로 와이핑하는 상태를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 도금두께 제어 시스템의 제어 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 도금두께 제어 방법을 보여주는 순서도이다.

이하, 본 발명에 따른 연속 용융도금 설비의 용융 도금 두께 제어 방법 및 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용융 도금 두께 제어방법은, 도 5에 도시된 단계별로 진행될 수 있다.

즉, 목표 도금 두께값(Cw_ref|t=0)을 분사압력 추정 모델식에 대입하여 목표 도금 두께값에 대응하는 분사 노즐 챔버의 압력 설정치(P_ref|t=0)를 연산하고, 이 압력 설정치를 압력 제어기(7)에 인가하여 압력 센서를 이용하여 측정된 압력 실적치(P_fb|t=0)를 실시간으로 압력 제어기(7)로 피드백시켜 제어하는 제 1단계(S100)와;

현 시점(t=ta)에 대하여 추정된 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=ta)와 도금 두께 보정 편차(△Cw_bias|t=ta)를 더하여 최종 도금 두께값(Cw_fb_final|t=ta)으로 설정하는 제 4단계(S130)를 포함한다.

그리고, 초기에서 도금 두께 측정가능 시점까지는 도금 두께 추정값을 사용하여 제어하고, 도금 측정 가능 시점 이후로는 도금두께 추정값에 오차를 반영하여 제어한다.

이러한 단계로 진행되는 도금 두께 제어방법에 있어서, 제 1 내지 제 4단계(S100,S110,S120,S130)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 연속 용융도금 라인의 도금 두께 제어 시스템에 의하여 진행될 수 있다.

즉, 도금 두께 제어시스템은 금속 판(S) 위에 묻어 있는 도금 물질을 깎아 내는 분사부(3)와; 분사부(3)에 장착되어 유체를 분사시키기 위한 압력을 실시간으로 측정하는 압력측정 센서(5)와; 압력측정 센서(5)에 의하여 감지된 압력값에 의하여 분사부(3)의 분사압력을 실시간으로 제어하는 압력 제어기(7)와; 분사부(3)의 후단에 배치되어, 금속 판에 도금된 물질이 응고된 상태에서 도금 두께(Cw_fb)를 실시간으로 측정하는 상온용 도금 두께 센서(8)와; 분사 노즐의 압력(P_ref)을 추정하고, 압력 실적 값(P_fb)으로부터 도금 두께 실적값(Cw*_fb)을 추정하며, 측정된 도금 두께 실적값(Cw_fb)과 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)의 차이(△Cw)인 오차를 실시간으로 계산하며, 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)과 오차(△Cw)를 합산하여 도금 두께 실적값(cw*_fb_final)을 연산하는 제어부(11)와; 제어부(11)에 의하여 연산된 결과값에 의하여 도금 두께를 실시간으로 제어하는 도금두께 제어기(13)와; 금속 판(S)이 에어나이프(19) 지점에서 도금 두께 센서(9) 위치까지 이송하는데 소요되는 시간을 산정하는 주 전산기(15)와; 시간 경과에 따라 도금 두께 추정값(Cw*_fb)을 저장하는 저장부(17)를 포함한다.

이러한 구조를 갖는 도금 두께 제어 시스템에 있어서, 제 1단계(S100)은 아래와 같이 진행될 수 있다.

즉, 상기 분사부(3)는 분사유체를 금속 판(S)의 표면에 일정 압력으로 분사하여 도금두께를 깍아낸다.

이러한 분사부(3)는 분사 노즐을 갖춘 에어나이프(19)와; 에어나이프(19)의 분사 노즐 챔버에 소정의 압력을 유지하기 위하여 분사 유체를 보내주는 송풍기 또는 압력제어 밸브(4)로 구성된다.

따라서, 목표 도금두께값이 설정되고, 이 값에 근거하여 분사 압력 설정값이 압력 제어기(7)에 입력되면, 압력 제어기(7)는 송풍기 또는 압력제어 밸브(21)를 제어함으로써 분사유체가 에어나이프(19)를 통하여 일정 압력으로 분사될 수 있도록 한다.

그리고, 분사된 유체의 압력은 압력측정 센서(5)에 의하여 실시간으로 측정되어 피드백되며, 피드백 된 압력값은 압력 제어기(7)로 입력되고, 압력 제어기(7)는 분사부(3)의 분사압력을 실시간으로 제어한다.

이와 같이 압력 제어기(7)가 에어나이프(19)를 제어함으로써 유체를 일정 압력으로 금속 판(S)상에 분사하여 도금을 깍아내는 간접방식인 내부루프(R1)(분사압력 제어루프)에 의하여 도금두께를 1차적으로 제어할 수 있다.

그리고, 내부루프(R1)의 실행과 동시에 도금두께를 직접 조절하는 외부루프(R2)에 의하여 도금두께를 조절할 수 있다. 이러한 외부루프(R2)는 제어부(11)에 의하여 진행될 수 있다.

즉, 상기 제어부(11)는 제 1단계(S100)를 진행하며, 분사압력 추정 모델식에 의하여 분사 노즐의 압력(P_ref)을 추정하는 분사 압력 추정모듈(M1)과;

제 2단계(S110)를 진행하며, 라인 속도(V)와 노즐과 금속 판(S) 사이의 거리(L), 그리고 분사 노즐 챔버에서 측정된 압력 실적 값(P_fb)을 도금두께 추정모델식에 의하여 연산함으로써 도금 두께 실적값(Cw*_fb)을 추정하는 도금두께 추정모듈(M2)과 ;

제 3단계(S120)를 진행하며, 실제 도금두께값(Cw_fb)과 추정된 도금두께값(Cw*_fb)간의 오차(△Cw)를 실시간으로 계산하는 도금두께 오차 연산모듈(M3)과;

제 4단계(S130)를 진행하며, 연산된 오차(△Cw)를 현재 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)에 반영하여 최종 실적값(cw*_fb_final)을 연산하는 도금두께 실적값 연산모듈(M4)을 포함한다.

이러한 구조를 갖는 제어부(11)에 의하여, 도금두께를 제어하는 과정은 아래의 순서로 진행된다.

먼저 도금두께 제어기(13)의 입력부를 통하여 목표 도금 두께값(Cw_ref | t=0)을 입력한다.

그리고, 와이핑 모델식을 이용하여 목표도금 두께값에 대응하는 분사 노즐 챔버의 압력 설정값(P_ref | t=0)을 계산하고, 이 압력 설정값을 압력 제어기(7)에 입력한다.

이 압력 설정값을 계산하는 과정은 다음과 같다,

t = 0 에서 라인의 속도가 [V_ref | t=0] 이며, 에어나이프(19)의 노즐과 금속 판(S)(14) 사이의 거리가 [ L| t=0 ] 이라 가정하고, 운전자가 목표 도금 두께값 [Cw_ref | t=0]을 도금두께 제어기(13)에 인가한다.

라인의 속도(V_ref | t=0) 및 에어나이프(19)의 노즐과 금속 판(S) 사이의 거리(L| t=0) 에 대하여, 분사 압력 추정 모델식(1) 을 이용하여 목표 도금 두께[Cw_ref | t=0] 에 해당하는 적절한 분사 압력 설정값 [P_ref| t=0]을 계산한다.

여기서, 분사 압력 추정 모델식은 다음과 같다.

[P: 노즐 분사 압력, Pa : 주변 대기압, Cw: 도금 두께, V : 라인 속도

L: 노즐과 금속 판 사이의 거리, m: 에어나이프 분사 유체의 기체상수

K: 상수, α: 속도 영향지수 ( 0.5 - 0.05 < α < 0.5 + 0.05 )

β:압력 영향지수 ( -0.5 - 0.05 < β < -0.5 + 0.05 )

γ: 거리 영향지수 ( 1 - 0.1 < β < 1 + 0.1 )]

상기 K, α, β, γ 는 회귀식의 계수이며 실험적으로 결정된다.

이와 같이 계산된 분사 압력 설정값[P_ref|t=0]이 압력 제어기(APR: Automatic Pressure Regulator;7)에 입력단으로 인가된다.

이 압력 설정값이 압력 제어기(7)에 입력되면, 분사압력 센서(5)에 의하여 측정된 압력 실적값(P_fb | t=0)이 실시간으로 압력 제어기(7)로 피드백되어 압력 설정값과 비교 연산되고, 이 연산결과에 의하여 압력 제어기(7)의 출력이 결정되며, 이 출력에 따라 압력제어 밸브(21)의 개도 또는 송풍기의 회전 속도를 조절하여 에어나이프(19)에 공급되는 유체의 압력을 실시간으로 제어하게 된다.

한편, 제 2단계(S110)에 있어서, 도금두께 추정모듈(M2)은 이 압력 실적값(P_fb|t=0)을 역와이핑 모델식에 대입하여 실시간으로 도금두께 실적값(Cw*_fb | t=0)을 추정한다.

여기서 도금 두께 추정 모델식은 분사 압력 추정 모델식의 역함수로서 다음과 같다.

여기서, 상기 수식에 포함된 각 인자의 의미는 분사압력 추정 모델식의 인자들의 의미와 동일하다.

그러나, 도금 두께 센서(9)가 에어나이프(19)로부터 금속 판(S) 진행 방향으로 약 100m 이상 후단에 설치되어 있으므로, 금속 판(S)이 시작 시점(t=0)에 에어나이프(19)로부터 출발하여 도금 두께 센서(9) 위치에 도달하는 순간(t=ti)에 측정된 도금 두께 실적값(Cw_fb|t=ti)은 앞서 추정된 도금두께 실적값(Cw*_fb |t=0)과 시간지연으로 인하여 일치하지 않게 된다.

결국, 현 시점의 분사압력에 대한 실제 도금두께를 실시간으로 파악할 수 없고 일정 시간이 경과한 후에 파악할 수 있게 되므로, t=0 시점부터 즉시 도금두께 실적값을 이용하여 도금두께 제어를 실행할 수 없다.

따라서, 초기인 t=0 시점에서 두께 센서에 의하여 실시간으로 도금두께가 측정되는 시점(t=ti) 까지는 오차를 수반한 상기한 도금두께 추정모듈(M2)에 의하여 도금두께를 제어하게 된다.

그리고, 도금두께가 실시간으로 측정되기 시작하는 현 시점(t=ti)부터는 이러한 오차를 보상할 수 있는 바, 이러한 제 3단계(S120)는 아래와 같은 과정을 통하여 오차를 계산할 수 있다.

즉, 도금두께 오차 연산모듈(M3)은 금속 판(S)이 도금 두께 센서(9) 위치에 도달하는 순간(현시점, t=ti)에 측정된 도금 두께 실적값(Cw_fb|t=ti)과, 앞서 추정된 도금두께 실적값(Cw*_fb|t=0)과 차이를 계산하여 현 시점(t=ti)에서의 도금 두께 보정 오차(△Cw_bias|t=ti)를 연산한다.

이러한 오차는 다음과 같은 과정을 통하여 연산될 수 있다.

먼저, t=0 시점에서 발생한 도금두께 추정오차를 연산한다.

t=0 시점에서의 도금 두께 추정값을 [Cw*_fb|t=0], 에어나이프(19)에 의하여 와이핑된 도금두께 실제값은 [Cw_fb|t=0], t=ti 시점에서 도금 두께 센서(8)에 의하여 측정된 두께 실적값은 [Cw_fb’|t=to]로 정의한다.

시간지연 현상을 고려할 때, 초기인 t=0 시점에서 에어나이프(19)에 의하여 와이핑된 도금두께 실적값은 일정 시간 경과 시점인 t=ti 시점에서 도금 두께 센서(8)에 의하여 측정된 도금 두께 실적치와 같다. 즉,

[Cw_fb|t=0] = [Cw_fb’|t=to]이 성립한다.

따라서 t=0 시점에서 도금 두께 추정 모델식으로부터 계산된 도금두께와, t=ti시점에서 실제 측정된 도금 두께의 차이, 즉, t=0 시점에서 발생한 도금 두께 추정 오차 △Cw 는 다음과 같다.

[ △Cw | t=0 ] = [ Cw_fb | t=0 ] - [ Cw*_fb | t= 0 ]

= [ Cw_fb’ | t=to ] - [ Cw*_fb | t= 0 ]

[[Cw_fb’|t=to]는, t=ti 시점에 도금 두께 센서(8)에 의하여 측정되는 값, [Cw*_fb|t=0] 는 t=0 시점에 도금 두께 모델식에 의하여 계산된 값]

이때, [Cw_fb’|t=ti] 및 [Cw*_fb|t=0]은 주 전산기(15) 내의 데이터 저장 장치(17)에 연속적으로 저장된다.

또한, 시간 ti 는 금속 판(S)이 에어나이프(19) 위치부터 도금 두께 센서(8)의 설치 위치까지의 일정한 거리를 주어진 속력으로 이동할 때 소요되는 시간으로서, 금속 판(S)의 이송 속력을 적분함으로써 계산된 거리가 에어나이프(19)와 도금 두께 센서(8)간 거리와 동일하게 되는 그 시점까지의 소요되는 시간을 산출하면 얻을 수 있으며, 이러한 연산은 주 전산기(15)에 의하여 실시간으로 계산된다.

이러한 과정을 통하여 현 시점(t=ti)에서의 도금 두께 보정 오차(△Cw_bias|t=ti)를 연산한다.

그리고, 제 4단계(S130)에 있어서, t=ti 시점 이후에서는, 도금두께 실적값 연산모듈(M4)에 의하여 진행되는 바, 각 순간 [t=ti+△i]에서 계산된 도금 두께 추정값 [Cw*_fb|t=ti+△i]에 대하여, ti 시간 만큼 앞서 계산된 도금 두께 추정오차[△Cw|t=i]를 반영하여 다음과 같이 보정된 도금 두께 추정값인[ Cw_fb_final|t=ti+△i] 를 이용하여 도금 두께 제어를 실행한다.

[Cw_fb_final|t=ti+△i] = [Cw*_fb|t=ti+△i]+ [△Cw|t=i]

즉, t=ti 시점 이후에서는, 목표 도금 두께값 [cw_ref|t=ti+△i]과 보정된 도금 두께 추정값[Cw_fb_final|t=ti+△i]을 서로 비교하여 외부 제어루프인 도금두께 제어기(13)를 통하여 실시간 도금 두께 제어를 실행한다.

결국, t=0 시점에서 t=ti시점까지(과도기)에는 도금 두께 추정값을 사용하여 피이드백 제어하고, t=ti시점 이후인 과도기 이후 또는 정상기에는 보정된 도금두께 추정값을 사용하여 피이드백 제어를 실시한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 도금 두께 제어 시스템은 내부루프(R1)와 외부루프(R2)로 이루어진 다중 입력 제어 시스템으로 구성된다. 즉, 응답성이 높은 압력제어 루프를 내부루프(R1)로 구성하여 분사 압력 설정값을 인가하고, 응답성이 상대적으로 낮은 도금 제어 루프를 외부루프(R2)로 구성하여 목표 도금 두께 설정값을 인가하는 방식이다.

따라서 1차적으로 응답성이 빠른 내부루프(R1)인 압력 제어를 통하여 예측한 바에 따라 도금 두께를 신속하게 조절하고, 2차적으로 응답성이 낮지만 도금 두께 오차를 제거하는 외부루프(R2)를 통하여 도금 두께 제어를 정확하게 제어하도록 한다.

3: 분사부
5: 압력측정센서
7: 압력 제어기
9: 도금두께 센서
11: 제어부
13: 도금 두께 제어기

Claims

목표 도금 두께값(Cw_ref|t=0)을 분사압력 추정 모델식에 대입하여 목표 도금 두께값에 대응하는 분사 노즐 챔버의 압력 설정치(P_ref|t=0)를 연산하고, 이 압력 설정치를 압력 제어기(7)에 인가하여 압력 센서를 이용하여 측정된 압력 실적치(P_fb|t=0)를 실시간으로 압력 제어기(7)로 피드백시켜 제어하는 제 1단계(S100)와;
이 압력 실적치(P_fb|t=0)로부터 도금두께 추정 모델식을 사용하여 실시간으로 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=0)를 추정하는 제 2단계(S110)와;
도금 두께 센서(9) 위치에 도달하는 순간(t=ta)에 측정된 도금 두께 실적치(Cw_fb|t=ta) 와 앞서 추정된 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=0)와의 차이를 계산하여 현 시점(t=ta)에서의 도금 두께 보정 편차(△Cw_bias|t=ta)로 취하는 제 3단계(S120)와;
현 시점(t=ta)에 대하여 추정된 도금두께 실적치(Cw*_fb|t=ta)와 도금 두께 보정 편차(△Cw_bias|t=ta)를 더하여 최종 도금 두께값(Cw_fb_final|t=ta)으로 설정하는 제 4단계(S130)를 포함하며,
초기에서 도금 두께 측정가능 시점까지는 도금 두께 추정값을 사용하여 제어하고, 도금 측정 가능 시점 이후로는 도금두께 추정값에 오차를 반영하여 제어하고,
제 1단계(S100)의 분사 압력 추정 모델식은 아래의 수식 1로 정의되며,
제 2단계(S110)의 도금 두께 추정 모델식은 분사 압력 추정 모델식의 역함수로서 아래의 수식 2로 정의되는 것을 특징으로 하는 도금두께 용융 제어방법.

----- 수식 1

--------- 수식 2
[P: 노즐 분사 압력, Pa:주변 대기압, Cw:도금 두께, V:라인 속도
L: 노즐과 금속 판 사이의 거리, m: 에어나이프 분사 유체의 기체상수
K: 상수, α: 속도 영향지수 ( 0.5 - 0.05 < α < 0.5 + 0.05 )
β:압력 영향지수 ( -0.5 - 0.05 < β < -0.5 + 0.05 )
γ: 거리 영향지수 ( 1 - 0.1 < β < 1 + 0.1 )]
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제 1항에 있어서,
도금 두께 설정값과 분사 압력 설정값을 동시에 인가하는 이중 설정값( double reference) 인가 방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 도금두께 제어방법.
제 1항에 있어서,
제 1단계(S100)에서는 분사압력을 제어하는 내부루프(R1)에 의하여 제어가 실시되며, 제 2 내지 4단계에서는 도금 두께를 제어하는 외부루프(R2)에 의하여 제어가 실시되는 도금 두께 제어 방법
금속 판(S) 위에 묻어 있는 도금 물질을 깎아 내는 분사부(3)와;
분사부(3)에 장착되어 유체를 분사시키기 위한 압력을 실시간으로 측정하는 압력측정 센서(5)와;
압력측정 센서(5)에 의하여 감지된 압력값에 의하여 분사부(3)의 분사압력을 실시간으로 제어하는 압력 제어기(7)와;
분사부(3)의 후단에 배치되어, 금속 판에 도금된 물질이 응고된 상태에서 도금 두께(Cw_fb)를 실시간으로 측정하는 상온용 도금 두께 센서(8)와 ;
분사 노즐의 압력(P_ref)을 추정하고, 압력 실적 값(P_fb)으로부터 도금 두께 실적값(Cw*_fb)을 추정하며, 측정된 도금 두께 실적값(Cw_fb)과 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)의 차이(△Cw)인 오차를 실시간으로 계산하며, 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)과 오차(△Cw)를 합산하여 도금 두께 실적값(cw*_fb_final)을 연산하는 제어부(11)와 ;
제어부(11)에 의하여 연산된 결과값에 의하여 도금 두께를 실시간으로 제어하는 도금두께 제어기(13)와;
금속 판(S)이 에어나이프(19) 지점에서 도금 두께 센서(9) 위치까지 이송하는데 소요되는 시간을 산정하는 주 전산기(15) 와 ;
시간 경과에 따라 도금 두께 추정값(Cw*_fb)을 저장하는 저장부(17)를 포함하며,
분사부(3)는 분사 노즐을 갖춘 에어나이프(19)와; 에어나이프(19)의 분사 노즐 챔버에 소정의 압력을 유지하기 위하여 분사 유체를 보내주는 송풍기 또는 압력제어 밸브(21)를 포함하며,
목표 도금두께값이 설정되고, 이 값에 근거하여 분사 압력 설정값이 압력 제어기(7)에 입력되면, 압력 제어기(7)는 송풍기 또는 압력제어 밸브(21)를 제어함으로써 분사유체가 에어나이프(19)를 통하여 일정 압력으로 분사되고,
제어부(11)는 분사압력 추정모델식에 의하여 분사 노즐의 압력(P_ref)을 추정하는 분사 압력 추정모듈(M1)과;
라인 속도(V)와 노즐과 금속 판(S) 사이의 거리(L), 그리고 분사 노즐 챔버에서 측정된 압력 실적 값(P_fb)을 도금두께 추정모델식에 의하여 연산함으로써 도금 두께 실적값(Cw*_fb)을 추정하는 도금두께 추정모듈(M2)과 ;
실제 도금두께값(Cw_fb)과 추정된 도금두께값(Cw*_fb)간의 오차(△Cw)를 실시간으로 계산하는 도금두께 오차 연산모듈(M3)과;
연산된 오차(△Cw)를 현재 추정된 도금 두께 실적값(Cw*_fb)에 반영하여 최종 실적값(cw*_fb_final)을 연산하는 도금두께 실적값 연산모듈(M4)을 포함하는 도금두께 제어 시스템.
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제 6항에 있어서,
분사 압력 추정 모델식은 아래의 수식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 도금두께 제어 시스템.

[P: 노즐 분사 압력, Pa:주변 대기압, Cw:도금 두께, V:라인 속도
L: 노즐과 금속 판 사이의 거리, m: 에어나이프 분사 유체의 기체상수
K: 상수, α: 속도 영향지수 ( 0.5 - 0.05 < α < 0.5 + 0.05 )
β:압력 영향지수 ( -0.5 - 0.05 < β < -0.5 + 0.05 )
γ: 거리 영향지수 ( 1 - 0.1 < β < 1 + 0.1 )]
제 6항에 있어서,
도금 두께 추정 모델식은 분사 압력 추정 모델식의 역함수로서 다음과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 도금두께 제어시스템.

[P: 노즐 분사 압력, Pa:주변 대기압, Cw:도금 두께, V:라인 속도
L:노즐과 금속 판 사이의 거리, m:에어나이프 분사 유체의 기체상수
K: 상수, α: 속도 영향지수 ( 0.5 - 0.05 < α < 0.5 + 0.05 )
β:압력 영향지수 ( -0.5 - 0.05 < β < -0.5 + 0.05 )
γ: 거리 영향지수 ( 1 - 0.1 < β < 1 + 0.1 )]