KR101933869B1 - IoT기술에 의한 보일러 온도 자동제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 IoT기술에 의한 산업용 등 대규모 보일러의 온도 자동제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보일러 튜브 및 로를 포함한 보일러의 내부 온도에 대한 변화패턴을 분석하고, 이를 통해 보일러의 이상징후 발생여부를 예측하여 보일러가 안정적으로 동작할 수 있도록 미리 제어함으로써, 보일러의 안정성 및 내고장성을 극대화하고, 보일러의 운용 및 효율을 최적화할 수 있도록 하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

IoT기술에 의한 보일러 온도 자동제어 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL OF A BOILER IOT TECHNOLOGIES}
본 발명은 IoT기술에 의한 산업용 등 대규모 보일러의 온도 자동제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보일러 튜브 및 로를 포함한 보일러의 내부 온도에 대한 변화패턴을 분석하고, 이를 통해 보일러의 이상징후 발생여부를 예측하여 보일러가 안정적으로 동작할 수 있도록 미리 제어함으로써, 보일러의 안정성 및 내고장성을 극대화하고, 보일러의 운용 및 효율을 최적화할 수 있도록 하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 보일러는 LNG(Liquid Natural Gas)등과 같은 가스연료나 기름과 같은 유류연료 등을 연소시켜, 그 연소열을 급수에 전가함으로써, 온수나 증기를 발생시키는 기기를 의미하는 것으로, 가정용에서부터 생산 공장이나 발전설비에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다.
특히, 생산 공장이나 발전설비에 사용되는 산업용 대용량 보일러는 통산 1000개에서 5000개의 많은 보일러 튜브를 사용하고 있으며, 고온고압에서 운용되기 때문에, 보일러의 운용과정에서 과열이 발생하는 경우, 보일러의 튜브(tube, 관)가 손쉽게 파손될 수 있다.
즉, 튜브에서 과열이 발생하는 경우, 튜브의 열전달 효율이 급격하게 하락할 뿐만 아니라 튜브의 크리프(creep) 손상을 가속시켜 해당 튜브의 사용수명을 감소시키며, 결국 뷰트의 손상, 열화 또는 파손 등으로 인해 전체적인 보일러의 운용이 중단될 수 있으므로, 이를 예측하여 사전 예방조치가 매우 중요하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 음향센서 또는 초음파를 이용하여 보일러 튜브의 손상을 감지하는 방법이 개발되어 사용되고 있다.
음향센서를 이용한 보일러 튜브 손상 감지 방법은 급수량과 증기량의 편차, 드럼수위, 로의 내부 압력, 화염상태, 분출음 등을 감지하여 보일러 뷰트의 파열 조짐을 감지하는 기술이다.
그러나 음향센서를 이용한 보일러 튜브 손상 감지 방법은, 주변의 잡음에 대해서 매우 민감하기 때문에, 보일러의 설치 환경에 따라 그 효용성이 급격하게 떨어지는 문제점이 있다. 결과적으로 이미 보일러 튜브가 손상된 경우에만 감지하기 때문에 과열로 인해 보일러 튜브나 로 내부의 과열상태를 미리 예측하기에는 그 한계가 있다.
또한 초음파를 이용한 보일러 튜브의 손상 감지 방법은 보일러 로의 국부적인 화염 편중으로 인한 보일러 튜브의 파손여부를 감지한다. 일반적으로 보일러 튜브는 보일러 내부의 가열부(즉, 로)에 위치하므로 직접적으로 과열상태, 누설 및 파손의 검침을 위한 계측이 운영이 힘들고, 초음파를 이용하는 경우 산업용 대용량 보일러 전체를 감시하기에 그 비용이 많이 소모되는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 산업용 대용량 보일러의 튜브나 로의 공정환경에서 복수의 온도센서로부터 보일러 튜브, 보일러 로를 포함하는 보일러 내부에 대한 온도정보를 수집하여, 보일러 내부의 온도분포를 실시간으로 사용자에게 제공함으로써, 보일러의 이상 유무를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하는 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 상기 복수의 온도센서로부터 수집되는 온도정보를 이용하여 온도변화에 대한 패턴을 분석하여, 이를 통해 보일러에 대한 이상징후 발생을 미리 예측하고, 상기 예측한 결과를 바탕으로 해당 보일러의 연소량과 급수량 등을 조절하여 보일러 온도를 자동으로 제어할 수 있도록 함으로써, 상기 보일러 튜브나 로의 이상징후 발생을 사전에 예방할 수 있도록 하는 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
다음으로 본 발명의 기술 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.
또한 한국등록특허 제0639785호(2006.10.31.)는 보일러 온도 측정 방법에 관한 것으로 보일러 외부 벽면을 에워싸는 형태로 부착한 복수의 광온도계로부터 수집되는 온도값을 이용하여 보일러 내부의 각 지점별 온도값에 대한 분포를 사용자에게 제공하여 보일러 내부 온도를 모니터링할 수 있도록 하는 보일러 온도 측정 방법에 관한 것이다.
상기 선행기술은 복수의 온도센서로부터 수집되는 온도정보를 토대로 보일러 내부의 온도를 모니터링할 수 있도록 하는 점에서 본 발명의 기술적 특징과 일부 유사한 점이 있으나, 상기 선행기술은 단순히 온도정보를 수집하여 이를 사용자에게 제공하는 것에만 그치고 있다.
반면에 본 발명은 복수의 온도센서로부터 수집되는 온도정보를 토대로 보일러 내부의 온도분포에 대한 정보를 사용자에게 제공하는 것뿐만 아니라, 상기 온도정보를 이용하여 온도변화에 대한 패턴을 분석함으로써, 보일러 튜브나 로의 이상징후 발생을 예측하여, 보일러 튜브의 손상을 사전에 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 한국등록특허 제1435416호(2014.08.29.)는 보일러 튜브 감시 장치에 관한 것으로, 발전소 보일러 튜브의 각 위치별 실시간 온도정보를 수집하여, 보일러 튜브의 각 위치별 온도정보를 보일러 튜브의 형상과 매칭시켜 3차원으로 표시하는 기술에 관한 것이다.
상기 선행기술은 복수의 온도센서로부터 수집되는 온도정보를 토대로 온도값에 대한 분포를 3차원으로 표시하여 보일러 내부의 각 위치별 온도정보를 모니터링할 수 있도록 하는 본 발명의 기술적 특징과 일부 유사한 점이 있으나, 반면에 본 발명은 온도정보를 이용하여 보일러 내부의 온도분포를 모니터링하는 것뿐만 아니라, 복수의 온도정보를 분석하여 과열로 인한 보일러 튜브의 손상 및 로의 이상징후를 예측하고, 보일러 온도를 적정온도로 자동으로 제어할 수 있도록 하는 것으로 상기 선행기술은 이러한 본 발명의 기술적 특징에 대해서 전혀 기재하거나 시사하고 있지 않다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 대부분의 선행기술은 보일러 내부의 온도정보를 디스플레이 함으로써, 사용자가 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하는 기술만 기재되어 있을 뿐, 복수의 온도센서로부터 수집되는 온도정보를 분석하여 보일러 내부의 이상징후를 미리 예측하여 이를 방지할 수 있도록 하는 기술에 대해서는 제시된 바가 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작 된 것으로서, 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도정보를 수집하여 보일러 내부의 온도분포를 실시간으로 모니터링하고, 온도정보의 분포에 따라 보일러 온도를 자동으로 제어함으로써, 보일러의 효율을 최적화할 수 있도록 하는 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 복수의 온도센서로부터 수집되는 온도정보를 분석하여 온도변화에 대한 증감패턴을 추출하고, 상기 증감패턴을 기반으로 보일러 내부의 이상징후 발생여부를 미리 예측하여, 이상징후의 발생을 사전에 방지할 수 있도록 보일러의 온도를 자동으로 제어할 수 있도록 하는 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템은 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도감지정보를 실시간 수집하는 온도감지정보 수집부, 상기 수집한 온도감지정보를 이용하여 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 이상징후 감지 및 예측부 및 상기 이상징후 감지결과 및 예측결과에 따라 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 보일러 제어부를 포함하며, 상기 온도감지정보는 온도센서의 ID, 위치정보, 온도값 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 이상징후 감지 및 예측부는, 상기 각 온도센서별로 수집되는 온도감지정보를 이용하여 각 위치별 온도변화에 따른 증감패턴을 추출하고, 상기 추출한 증감패턴의 추세를 분석함으로써, 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 것을 특징으로 하는 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 온도변화에 따른 증감패턴은, 상기 시간에 따른 각 위치별 온도변화를 미리 설정된 단위시간으로 미분하여 시간대비 온도변화율을 측정함으로써, 추출되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보일러 제어부는, 상기 감지결과 및 예측결과에 따라 보일러에 공급되는 연료량, 급수량, 연소용 공기량 또는 이들의 조합을 조절하여 보일러의 온도를 정상범위내로 유지될 수 있도록 제어하거나, 보일러의 구동을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보일러 온도 자동제어 시스템은, 상기 감지결과 및 예측결과, 해당 감지결과 및 예측결과에 대한 위치정보를 사용자에게 제공하는 알림부 및 상기 수집한 온도감지정보를 시간에 따른 온도분포에 대한 3차원 공간으로 표시하여 각 위치별 온도분포를 실시간으로 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하며, 상기 모니터링부는, 상기 3차원 공간으로 표시한 각 위치별 온도분포를 디스플레이에 출력하거나 사용자 단말에 실시간으로 제공하는 것을 특징으로 한다.
아울러 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 방법은, 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도감지정보를 실시간 수집하는 온도감지정보 수집 단계, 상기 수집한 온도감지정보를 이용하여 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 이상징후 감지 및 예측 단계 및 상기 이상징후 감지결과 및 예측결과에 따라 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 보일러 제어 단계를 포함하며, 상기 온도감지정보는 온도센서의 ID, 위치정보, 온도값 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 이상징후 감지 및 예측 단계는, 상기 각 온도센서별로 수집되는 온도감지정보를 이용하여 각 위치별 온도변화에 따른 증감패턴을 추출하고, 상기 추출한 증감패턴의 추세를 분석함으로써, 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 것을 특징으로 하는 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 온도변화에 따른 증감패턴은, 상기 시간에 따른 각 위치별 온도변화를 미리 설정된 단위시간으로 미분하여 시간대비 온도변화율을 측정함으로써, 추출되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보일러 제어 단계는, 상기 감지결과 및 예측결과에 따라 보일러에 공급되는 연료량, 급수량, 연소용 공기량 또는 이들의 조합을 조절하여 보일러의 온도를 정상범위내로 유지될 수 있도록 제어하거나, 보일러의 구동을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보일러 온도 자동제어 방법은, 상기 감지결과 및 예측결과, 해당 감지결과 및 예측결과에 대한 위치정보를 사용자에게 제공하는 알림 단계 및 상기 수집한 온도감지정보를 시간에 따른 온도분포에 대한 3차원 공간으로 표시하여 각 위치별 온도분포를 실시간으로 모니터링하는 모니터링 단계를 더 포함하며, 상기 모니터링부는, 상기 3차원 공간으로 표시한 각 위치별 온도분포를 디스플레이에 출력하거나 사용자 단말에 실시간으로 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 보일러 온도 자동제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 실시간으로 수집되는 온도감지정보를 토대로, 보일러 내부의 이상징후 발생을 미리 예측하여 보일러 온도를 자동으로 제어함으로써, 보일러 내부의 이상징후의 발생을 사전에 방지하여 보일러의 안정성과 내고장성을 향상시킴과 동시에 보일러의 운용 및 효율을 최적화할 수 있도록 하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템에 있어서, 보일러 내부의 온도분포를 분석하여, 보일러의 이상징후를 예측하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템에 있어서, 보일러 온도 자동제어 장치의 내부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서별 온도값의 증감패턴을 추출하여 이상징후를 미리 예측하기 위한 메커니즘을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 일 실시예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의 되어 있지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 아니한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 보일러 온도 자동제어 시스템(10)은, 보일러(500) 튜브 및 로를 포함하여 보일러(500)의 내부에 위치하는 복수의 온도센서(200), 복수의 채널을 통해 복수의 온도센서(200)와 데이터를 송수신하는 센서노드(300), 라우터(400) 및 상기 복수의 온도센서(200)로부터 각 위치별 온도감지정보를 수신하여 처리하는 보일러 온도 자동제어 장치(100)를 포함하여 구성된다.
복수의 온도센서(200), 복수의 센서노드(300), 라우터(400) 및 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 이더넷에 기반한 IP망(유무선)으로 서로 연결되어 데이터를 송수신한다. 물론 이더넷에 뿐만 아니라 모드버스(Modbus) 통신방법 등과 같이 다양한 통신방법을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있으며, 본 발명에서는 상기 데이터를 송수신하기 위한 통신방법에는 그 제한을 두지 않는다.
또한 복수의 온도센서(200)는 보일러(500)의 튜브 및 로를 포함하여 보일러(500)의 내부에 각각 위치하며, 각각의 위치에서 실시간으로 측정한 온도값을 포함한 온도감지정보를 상기 센서노드(300)를 통해 보일러 온도 자동제어 장치(100)로 전송한다.
상기 온도감지정보는, 온도센서(200)에서 측정한 온도값, 해당 온도센서(200)의 ID, 위치정보 또는 이들의 조합을 포함한다.
또한 각각의 센서노드(300)는 복수의 채널(포트)을 구비하고 있으며, 이를 통해 복수의 온도센서(500)와 각각 연결되며, 상기 복수의 온도센서(500)로부터 수신되는 온도감지정보를 취합하거나 개별적으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)로 전송한다.
또한 복수의 센서노드(300)는, 랙 마운트(Rack Mount)형태로 구성되거나, 각각의 센서노드(300)가 임의의 장소에 위치하여 복수의 온도센서(500)와 연결되도록 구성될 수 있다.
또한 복수의 센서노드(300)는 라우터(400)에 각각 연결되거나, 라우터(400)를 포함하여 데이지 체인(daisy chain) 방식으로 상호 연결되어 데이터를 송수신할 수 있다.
데이지 체인 방식으로 연결되는 경우, 상기 복수의 센서노드(300)는, 메시지 방송을 통해 특정 센서노드(300)에 장애발생을 감지하고, 장애발생 노드(300)를 우회하는 통신경로를 재설정할 수 있는 기능을 구비한다. 또한 상기 각각의 센서노드(300)는 양방향 전이중 방식으로 통신을 수행함으로써, 통신 네트워크의 이중화를 간편하게 구현할 수 있도록 함과 동시에 데이터를 안전하게 송수신할 수 있도록 한다.
또한 라우터(400)는 이더넷 또는 지그비(Zigbee)와 같은 통신방법을 이용하여 유무선 통신망과 연결되며, 보일러 온도 자동제어 장치(100)와 복수의 센서노드(300)간 데이터 통신을 지원한다.
또한 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 실시간으로 수집되는 온도감지정보를 분석하여, 보일러(300)의 이상징후 발생을 감지하거나, 이상징후 발생여부를 예측하여 사용자(관리요원)에게 제공한다.
또한 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 온도감지정보를 이용하여 실시간으로 변화하는 보일러(300)의 내부온도를 모니터링하며, 상기 내부온도의 변화 또는 상기 이장징후 발생여부를 예측한 결과에 따라 보일러(500)의 온도를 자동으로 제어한다. 이를 통해, 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 보일러(500)의 열효율을 최적화할 수 있도록 하며, 이상징후 발생을 사전에 방지할 수 있도록 한다.
이러한 산업용의 대규모 보일러에 대한 온도 모니터링과 온도의 원격제어는 인터넷을 통해서 수행될 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 기술을 통칭하여 IoT(Internet of Things) 기술이라고 보며, 물론 본 발명의 보일러 온도 모니터링과 제어는 인터넷을 통해서 제어하는 것에 한정되지 아니하며 그 제한이 없다. 즉, 인터넷 이외의 전용 프로토콜을 사용하여도 무방하다.
한편 이상징후 감지 및 예측은 도 2를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
또한 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 모니터링결과를 3차원으로 모델링하여 디스플레이에 표시하거나 사용자가 구비한 단말에 실시간으로 제공하며, 이를 통해 사용자 또는 현장 관리요원은 보일러(500)의 현재 동작상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이하에서는 보일러 온도 자동제어 장치(100)를 통해 보일러(500)의 이상징후 감지 및 예측하는 과정을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템에 있어서, 보일러 내부의 온도분포를 분석하여, 보일러의 이상징후를 예측하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 보일러(500)의 내부에 각각 위치하는 복수의 온도센서(200)는 보일러(500)의 내부온도를 실시간으로 감지하여 보일러 온도 자동제어 장치(100)로 송신한다(①).
한편 상기 복수의 온도센서(200)는 고온고압에 노출되어 있는 보일러 튜브(특히, 보일러(500)의 재열기 영역과 과열기 영역) 및 보일러 로를 포함한 보일러 내부에 위치하며, 해당 위치에서의 과열여부를 감지하기 위한 근본적인 수단으로써, 자신이 위치한 곳에서 보일러(500) 내부의 온도를 측정한다.
또한 상기 복수의 온도센서(200)는 보일러(500) 튜브가 위치하는 영역 및 로 내부 벽면에 위치되거나, 또는 보일러(500) 튜브의 표면에 구비되어 보일러 튜브(500) 및 보일러(500) 로의 온도를 실시간으로 측정하여 각각의 센서노드(300)로 전송한다.
또한 상기 센서노드(300)는 상기 복수의 온도센서(200)로부터 수신되는 온도감지정보를 보일러 온도 자동제어 장치(100)로 실시간으로 전송한다.
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 복수의 센서노드(300)로부터 수신되는 온도감지정보를 토대로 각 위치별 온도분포를 3차원 공간으로 표시하여 실시간으로 출력하고, 위치별 실시간 온도변화에 대한 모니터링을 수행한다(②).
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는, 상기 수신한 온도감지정보를 이용하여 온도 변화에 대한 증감패턴을 추출하고 이를 분석하여(③), 보일러(500) 내부의 이상징후를 검출하거나, 이상징후의 발생여부를 예측한다(④).
한편 상기 이상징후 검출 및 이상징후 발생여부에 대한 예측은 도 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 모니터링 결과 및 이상징후 발생여부에 대한 예측결과에 따라 보일러(500)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 상기 생성한 제어신호를 보일러 제어기(600)로 송신하여 보일러(500)의 온도를 자동으로 제어할 수 있도록 한다(⑤).
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 이상징후가 감지되거나, 이상징후의 발생여부에 대한 예측결과를 사용자에게 제공함으로써, 이상징후에 대한 조치를 신속하게 수행할 수 있도록 한다(⑥).
도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 본 발명인 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 보일러(500)의 특정 부분에서 과열이 발생한 경우, 이를 인식하여, 보일러(500) 자체의 온도를 자동으로 제어함으로써, 보일러(500)의 결함발생을 사전에 방지할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템에 있어서, 보일러 온도 자동제어 장치의 내부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3에 도시한 바와 같이 보일러 온도 자동제어 장치(100)는, 복수의 온도센서(200)로부터 온도감지정보를 수집하는 온도감지정보 수집부(110), 보일러(500)의 온도분포를 실시간으로 모니터링하는 모니터링부(120), 상기 온도감지정보를 분석하여 이상징후 감지 및 이상징후 발생여부를 예측하는 이상징후 감지 및 예측부(130), 보일러 온도 자동제어 장치(100)를 전반적으로 제어하는 제어부(140), 상기 모니터링 결과, 이상징후 감지 및 예측결과에 따라 보일러(500)의 온도를 자동으로 제어하기 위한 보일러 제어부(150), 모니터링 결과를 출력하는 출력부(160), 이상징후 감지 및 예측결과를 사용자에게 전송하는 알림부(170) 및 데이터베이스(700)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 데이터베이스(700)는 보일러(500) 내부에 위치하는 온도센서(200)의 각각에 대한 위치정보, ID, 과열여부를 판단하기 위해 기준이 되는 임계값 등을 저장한다.
또한 온도감지정보 수집부(110)는 복수의 센서노드(300)를 통해 복수의 온도센서(200)로부터 온도감지정보를 실시간으로 수신하여 수집한다.
또한 모니터링부(120)는, 상기 수신한 온도감지정보를 이용하여 각 위치별 온도분포에 대한 변화를 실시간으로 모니터링한다.
또한 모니터링부(120)는 상기 수집한 온도감지정보를 기반으로 시간 및 공간에 대한 온도분포를 3차원 공간좌표로 생성하여 시각화하고, 이를 디스플레이(미도시)에 출력하거나, 사용자가 구비한 통신단말에 실시간으로 전송할 수 있도록 한다.
한편 상기 공간좌표는 상기 데이터베이스(700)에 저장된 각 온도센서(200)별 위치정보(x, y, z 좌표값)와 ID를 기반으로 공간을 생성하고, 상기 공간에 시간에 따른 온도값을 매핑함으로써, 생성할 수 있다.
또한 이상징후 감지 및 예측부(130)는 상기 각 온도센서(200)별로 수집되는 온도감지정보를 분석하여 온도변화에 대한 증감패턴을 추출한다.
상기 추출한 증감패턴은 과거에 수집한 온도감지정보를 토대로 추출되며, 이를 기반으로 미래의 온도변화에 대한 추세를 예측할 수 있다.
한편 상기 증감패턴을 추출하는 방법은 도 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
또한 이상징후 감지 및 예측부(140)는 상기 추축한 온도변화 증감패턴을 이용하여 보일러(500) 튜브 및 로를 포함한 보일러(500)의 이상징후를 감지하거나, 예측하여 사용자에게 제공할 수 있도록 한다. 이때 사용자에게 제공되는 감지결과 또는 예측결과는 해당 온도센서(200)의 위치정보가 같이 제공되며, 상기 사용자는 상기 위치정보를 이용하여 이상징후가 감지되거나 예측된 위치를 즉각적으로 인식하여 신속하고 정확하게 점검할 수 있다.
또한 보일러 제어부(150)는 이상징후가 감지(예: 과열 등)된 경우에는 해당 보일러(500)의 동작을 정지할 수 있도록 하는 제어신호를 생성하여 보일러 제어기(600)로 전송하며, 상기 보일러 제어기(600)는 상기 수신한 제어신호에 따라 해당 보일러(500)의 동작을 정지하도록 제어한다.
또한 보일러 제어부(150)는 이상징후가 예측되는 경우, 보일러(500)의 온도를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 보일러 제어기(600)로 전송하며, 상기 보일러 제어기(600)는 상기 수신한 제어신호에 따라 해당 보일러(500)의 온도를 안정적인 상태로 제어하여 보일러(500)의 결함발생을 사전에 방지할 수 있도록 한다.
이하에서는 각 온도센서(200)로부터 실시간으로 수집되는 온도감지정보를 분석하여 보일러(500) 내부의 이상징후를 감지하거나 예측하는 방법을 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서별 온도값의 증감패턴을 추출하여 이상징후를 미리 예측하기 위한 메커니즘을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 이상징후 감지 및 예측부(130)는 온도센서(200)별로 측정되는 시간에 따른 온도변화량에 단위시간으로 미분하여 각 온도센서(200)별 온도변화에 대한 증감패턴을 추출한다. 이러한 증감패턴을 이용하여 온도변화에 대한 증감 추세를 예측할 수 있으며, 일정 시간 이후의 온도값을 알아낸다.
예를 들어, 상기 증감패턴을 추출한 결과, 특정 시점에서의 온도값이 42도이고 상기 특정 시점을 포함한 시간구간에서 2초 동안 2도씩 평균적으로 증가하는 추세에 있다면 2초 후에는 44도가 되는 것을 알 수 있다.
한편 상기 단위시간은 짧으면 짧을수록 일정 시간 이후의 온도값을 더욱 정확하게 예측할 수 있다.
또한 이상징후 감지 및 예측부(130)는 상기 추출한 증감패턴에 따라 이상징후의 발생여부를 예측한다.
즉, 이상징후 감지 및 예측부(130)는 일정시간 이후 특정 시점에 대해 예측한 온도값이 미리 설정한 임계값 이상이면 과열이 발생할 것으로 예측하고, 보일러 제어부(150)를 통해 보일러(500)의 온도를 자동으로 제어할 수 있도록 하여, 과열의 발생을 사전에 방지할 수 있도록 한다. 또한 알림부(170)를 통해 사용자가 구비한 단말로 해당 온도센서(200)의 위치정보와 함께 예측결과를 전송한다.
한편 일정시간 이후 특정 시점에 대해 예측한 온도값이 미리 설정한 임계값 미만인 경우에는 보일러(500)의 온도를 제어하지 않지만, 상기 증감패턴이 지속적으로 증가하는 추세에 있는 경우에도 알림부(170)를 통해 사용자에게 현재 보일러(500)의 온도변화에 대한 정보를 전송할 수 있다.
또한 이상징후 감지 및 예측부(130)는 온도변화에 대한 증감패턴이 급격하게 변하는 구간(즉, 미분한 결과가 특정값 이상 또는 무한대로 수렴하는 경우)이 있는 경우에는 이상징후가 발생(예: 보일러 튜브나 보일러 로에서 과열이 발생)한 것으로 간주하여, 보일러 제어부(150)를 통해 해당 보일러(500)의 구동을 정지시키고, 이에 대한 정보를 사용자에게 통보할 수 있다.
아울러 본 발명은 보일러(500)의 온도를 입체적으로 측정하여 온도변화에 대한 증감패턴을 추출한다. 특히 보일러의 온도변화는 상당한 시간을 두고 천천히 진행되다가 갑자가 이상상태로 진행될 수 있으므로, 온도변화를 지속적으로 추적하여 관리함으로써 보일러의 튜브에 대한 수명을 관리할 수 있다.
열부하가 포화상태에서 더 증가하면 튜브 내면에서 증기가 발생하는 핵비등(nucleate boiling) 현상이 생기며, 임계열부하를 초과하면 핵비등에서 막비등(film boiling)이 생기게 된다. 막비등은 가열된 튜브 내면에서 연속적으로 기포가 발생되어 튜브 내면이 증기막으로 둘러싸이는 현상이며, 증기는 물보다 열전달률이 낮아 막비등이 발생되면 튜브의 온도가 급격히 상승되어 튜브가 과열될 우려가 있다. 보일러의 타입에 따라 차이가 있지만 이러한 현상으로 인하여 적절한 온도제어를 수행하여 보일러의 수명을 연장할 필요가 있으며, 갑작스런 사고에 대비하여야 한다.
여기서 온도가 급격히 상승되어 튜브가 과열될 우려가 있는 경우에, 해당 온도변화를 매우 짧은 간격으로 조밀하게 모니터링하고 온도제어를 수행하여야 한다.
아울러 본 발명은 보일러(500)의 내부 온도를 입체적으로 측정하여 온도변화에 대한 증감패턴을 추출한다. 예를 들어 보일러의 특정 위치에서 온도변화에 대한 증감패턴을 분석할 때, 인접한 위치의 온도변화에 대한 증감패턴을 함께 고려할 수 있다. 상기 인접한 위치는 입체적인 거리로 환산하였을 때의 거리를 고려하는 것이 바람직하다. 입체적인 거리라고 하는 것은 실질적으로 보일러의 특정 부위에 온도가 상승할 경우 그 영향을 많이 받는 위치를 가까운 거리로 보고, 영향을 적게 받는 위치를 먼 거리로 환산하는 방법이다. 이는 보일러의 설계 당시에 온도의 증감에 대한 영향을 고려한 열분포에 따라 결정된다. 상기 열분포는 보일러마다 상이할 수 있는데, 해당 보일러가 소정의 출력으로 열공급을 수행할 경우에, 해당 보일러의 열분포가 어떻게 되는지를 나타낸 보일러의 각부에 대한 온도정보를 말한다.
이러한 온도정보는 특정 열공급을 위한 보일러의 출력에 대해서 보일러의 제조업자가 정해 놓은 보일러의 상태에 대한 기준정보일 수 있다. 이러한 기준정보는 보일러의 노후정도에 따라 변경될 수 있으며, 보일러의 이상징후 여부를 판단하는 기준이 된다. 또한 보일러의 각부에 대한 온도센서는 인접한 온도센서와의 거리 정보를 가지고 있을 수 있다. 실제 보일러의 버너에 대한 경사각을 조절할 수 있는 경우, 상기 버너의 경사각을 조절함에 따라 보일러의 특정부위에 대한 온도가 제어될 수 있다. 또한 버너가 복수개 설치되어 있는 경우 버너의 경사각을 조절하여 좀 더 세밀하게 보일러의 온도를 제어할 수 있다. 보일러의 버너는 보통 한 개가 설치되어 있지만, 버너나 튜브가 복수개 설치되어 있는 경우도 고려할 수 있으므로, 보일러의 각 위치에 대한 온도변화에 따라 버너나 튜브의 수량이나 순환(강제) 등을 조절하여 미세하게 상기 온도변화와 연동하여 보일러를 제어할 수 있다.
즉, 특정 위치의 온도변화에 따른 해당 위치뿐만 아니라 인접한 위치의 온도제어는 상기 특정 위치로부터의 거리에 따라 각각 다르게 제어된다. 과열의 징후가 보이는 특정 위치에서 거리가 가까우면 먼 경우보다 온도를 더 민감하게 제어하여야 한다. 보일러에서 가장 온도가 높거나 낮은 위치에서 인접한 위치로 갈수록 온도분포가 양 혹은 음의 정규분포(normal distribution, Gaussian distribution)를 가질 것이다. 따라서 온도의 제어는 상기 양 혹은 음의 정규분포에 대해 각각 음 혹은 양의 정규분포에 해당하는 온도분포를 가지도록 제어함이 바람직하다.
이러한 실제 온도분포와 균일한 온도 유지를 위한 온도제어 방향은 거리에 따라 온도가 파악되어야 하고 또한 제어가 수행되어야 하므로 입체적으로 그 분포를 파악하고 제어하는 것이 평면적으로 파악하고 제어하는 것보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있다.
결국 입체적으로 온도분포를 파악하고, 해당 온도분포가 이상징후로 판단되거나 향 후 예측될 경우 상기 온도분포에 대한 역의 온도분포가 되도록 제어해 나가면서, 해당 온도분포의 변화에 적응해 나간다. 이러한 과정을 수행하는 중에 원하는 온도분포까지 수렴하게 되면, 온도분포에 대한 제어를 완료하면 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 과정은 우선, 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 복수의 온도센서(200)로부터 온도센서(200)별 온도감지정보를 수집한다(S110).
온도센서(200)는 사용자의 선택에 따라 보일러(500) 내부에 위치하며, 특히, 고온고압에 노출되는 보일러(500) 튜브 및 보일러(500) 로에 설치된다.
또한 상기 복수의 온도센서(200)는 위치별 온도를 감지하여, 자신의 위치정보와 ID를 포함한 온도감지정보를 센서노드(300)로 전송하며, 상기 센서노드(300)는 상기 수신한 온도감지정보를 보일러 온도 자동제어 장치(100)로 실시간 전송한다.
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 수집한 온도감지정보를 분석하여 각 온도센서(200)별 온도변화에 대한 증감패턴을 추출한다(S120).
즉, 상기 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 온도감지정보를 이용하여 각 위치별 온도변화에 대한 증감패턴을 추출한다.
상기에서 설명한 것과 같이, 상기 추출한 각 위치별 온도변화에 대한 증감패턴은 시간의 흐름에 따른 온도변화량을 미리 설정한 단위시간으로 미분한 것으로, 과거에 수집된 온도감지정보를 이용하여 현재 상태 및 미래의 온도값을 예측하기 위한 척도가 된다.
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 상기 추출한 위치별 온도변화에 대한 증감패턴을 통해, 현재 시점에서의 이상징후를 감지하거나, 미래에 발생할 수 있는 이상징후를 예측한다(S130).
보일러 온도 자동제어 장치(100)는, 상기 추출한 위치별 온도변화에 대한 증감패턴을 이용하여, 현재 이상징후의 발생여부를 감지한다.
또한 보일러 온도 자동제어 장치(100)는, 상기 추출한 위치별 온도변화에 대한 증감패턴의 추세에 따라 특정 시점 이후의 이상징후 발생여부를 예측한다. 따라서 상기 보일러 온도 자동제어 장치(100)는, 각 위치별로 이상징후 감지 및 예측을 수행하게 된다.
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 상기 예측결과, 특정 시점 이후에 이상징후가 발생될 것으로 예측되는 경우(S140)에는 이상징후가 발생되지 않도록 보일러(500)의 온도를 제어하여, 해당 보일러(500)의 온도가 정상범위내로 유지될 수 있도록 한다(S150).
즉, 보일러 온도 자동제어 장치(100)는, 상기 예측결과에 따라 보일러(500)에 공급되는 연료량, 급수량, 공기량 또는 이들의 조합을 제어할 수 있도록 제어신호를 생성한다.
또한 보일러 온도 자동제어 장치(100)는 유무선 네트워크로 연결된 보일러 제어기(600)로 상기 생성한 제어신호를 송신하여, 상기 보일러 제어기(600)를 통해 보일러(500)의 온도를 자동으로 제어할 수 있도록 한다.
다음으로 보일러 온도 자동제어 장치(100)는, 이상징후가 감지되거나 예측되는 경우에는 해당 온도센서(200)의 위치정보와 함께, 감지 및 예측결과를 사용자의 단말로 전송함으로써, 신속하고 정확하게 해당 위치의 보일러(500) 내부를 점검할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 보일러 온도 자동제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도감지정보를 수집하여, 위치별 온도변화에 대한 패턴을 분석함으로써, 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하고, 이를 토대로 보일러가 안정적으로 동작할 수 있도록 보일러 온도를 미리 제어함으로써, 보일러의 안정성과 내고장성을 극대화하는 한편 보일러의 효율을 최적화할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 상기에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 위주로 상술하였으나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 각 구성요소는 동일한 목적 및 효과의 달성을 위하여 본 발명의 범위 내에서 변경 또는 수정될 수 있을 것이다.
아울러 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10 : 보일러 온도 자동제어 시스템
100 : 보일러 온도 자동제어 장치 110 : 온도감지정보 수집부
120 : 모니터링부 130 : 이상징후 감지 및 예측부
140 : 제어부 150 : 보일러 제어부
160 : 출력부 170 : 알림부
200 : 온도센서 300 : 센서노드
400 : 라우터 500 : 보일러
600 : 보일러 제어기 700 : 데이터베이스

Claims (10)

  1. 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도감지정보를 실시간 수집하는 온도감지정보 수집부;
    수집한 온도감지정보를 이용하여 보일러 내부의 각 위치별 온도변화에 따른 증감패턴을 추출하고, 추출한 증감패턴의 추세를 분석함으로써, 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 이상징후 감지 및 예측부; 및
    상기 이상징후를 감지한 감지결과 및 예측한 예측결과에 따라 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 보일러 제어부;를 포함하며,
    상기 온도변화에 따른 증감패턴은, 상기 시간에 따른 각 위치별 온도변화를 미리 설정된 단위시간으로 미분하여 시간대비 온도변화율을 측정함으로써 추출되고,
    상기 온도감지정보는 온도센서의 ID, 위치정보, 온도값 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 온도 자동제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보일러 제어부는,
    상기 이상징후를 감지한 감지결과 및 예측한 예측결과에 따라 보일러에 공급되는 연료량, 급수량, 연소용 공기량 또는 이들의 조합을 조절하여 보일러의 온도를 정상범위내로 유지될 수 있도록 제어하거나, 보일러의 구동을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 보일러 온도 자동제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보일러 온도 자동제어 시스템은,
    상기 감지결과 및 예측결과, 해당 감지결과 및 예측결과에 대한 위치정보를 사용자에게 제공하는 알림부; 및
    수집한 온도감지정보를 시간에 따른 온도분포에 대한 3차원 공간으로 표시하여 각 위치별 온도분포를 실시간으로 모니터링하는 모니터링부;를 더 포함하며,
    상기 모니터링부는, 상기 3차원 공간으로 표시한 각 위치별 온도분포를 디스플레이에 출력하거나 사용자 단말로 실시간으로 제공하는 것을 특징으로 하는 보일러 온도 자동제어 시스템.
  6. 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도감지정보를 실시간 수집하는 온도감지정보 수집 단계;
    수집한 온도감지정보를 이용하여 보일러 내부의 각 위치별 온도변화에 따른 증감패턴을 추출하고, 추출한 증감패턴의 추세를 분석함으로써, 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 이상징후 감지 및 예측 단계; 및
    상기 이상징후를 감지한 감지결과 및 예측한 예측결과에 따라 보일러의 온도를 자동으로 제어하는 보일러 제어 단계;를 포함하며,
    상기 온도변화에 따른 증감패턴은, 상기 시간에 따른 각 위치별 온도변화를 미리 설정된 단위시간으로 미분하여 시간대비 온도변화율을 측정함으로써 추출되고,
    상기 온도감지정보는 온도센서의 ID, 위치정보, 온도값 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 온도 자동제어 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 보일러 제어 단계는,
    상기 이상징후를 감지한 감지결과 및 예측한 예측결과에 따라 보일러에 공급되는 연료량, 급수량, 연소용 공기량 또는 이들의 조합을 조절하여 보일러의 온도를 정상범위내로 유지될 수 있도록 제어하거나, 보일러의 구동을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 보일러 온도 자동제어 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 보일러 온도 자동제어 방법은,
    상기 감지결과 및 예측결과, 해당 감지결과 및 예측결과에 대한 위치정보를 사용자에게 제공하는 알림 단계; 및
    수집한 온도감지정보를 시간에 따른 온도분포에 대한 3차원 공간으로 표시하여 각 위치별 온도분포를 실시간으로 모니터링하는 모니터링 단계;를 더 포함하며,
    모니터링부는, 상기 3차원 공간으로 표시한 각 위치별 온도분포를 디스플레이에 출력하거나 사용자 단말로 실시간으로 제공하는 것을 특징으로 하는 보일러 온도 자동제어 방법.
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