KR102281169B1 - IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고지대에 연속적으로 설치되는 다단가압장 간의 펌프 구동 세기를 상호 연동제어하여 높은 유수율을 얻을 수 있어 누수에 의한 불필요한 물 낭비를 최소화하는 한편 가압장에 설치된 설비들의 고장을 방지할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템은 서로 다른 고도에 연속적으로 설치되고, 각각 서로 다른 수용가에 상수를 공급하는 것으로서, 펌프의 흡입관 내부에 케비테이션 검출을 위한 제 1전극과, 유량 검출을 위한 제 2 및 제 3전극을 갖는 갈수센서를 포함하는 n개의 가압장과, 상기 각 가압장과 통신망을 통해 연결되는 관리서버를 포함하고, 상기 관리서버는 상기 각 가압장들로부터 설정 압력, 흡입 압력, 토출 압력 및 캐비테이션 검출, 유량 부족 및 유량 없음 정보를 포함하는 갈수 검출정보를 수신하고, 수신된 정보에 기초하여 n번 째 가압장의 흡입 압력이 설정 압력과 상이한 경우 미리 정해진 기준에 기초하여 n-1 번째 가압장의 새로운 설정 압력값을 산출하여 해당 가압장으로 전송하고, n-1 번째 가압장의 갈수 검출정보에 기초하여 펌프 제어신호를 생성하여 각 가압장으로 전송하며, 상기 제 2 전극은 제 1 전극보다는 길고 제 3 전극보다 길이가 짧으며, 상기 각 가압장은 상기 관리서버로부터 수신된 설정 압력값으로 펌프 구동을 제어한다.

Description

IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템{An Apparatus For Interlocked Management of Line Water Booster Station Using IoT}
본 발명은 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고지대에 연속적으로 설치되는 가압장 간의 펌프 구동 세기를 상호 연동제어하여 높은 유수율을 얻을 수 있어 누수에 의한 불필요한 물 낭비를 최소화하는 한편 가압장에 설치된 설비들의 고장을 방지할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 평지와의 표고차가 심한 고지대와 구릉지(산간, 벽지)로 된 지역에서는 정수장에서 공급되는 송수압으로는 급수가 불가능하여, 기계장치의 가압을 통한 급수를 위하여 많은 개소의 다단가압장을 운영하고 있다.
도 1은 일반적인 상수도 계통도로서, 취수장(1)으로부터 수용가(6)까지 상수가 전달되는 계통을 살펴보면, 취수장(1) -> 정수장(2) -> 가압장(3) -> 배수지(4) -> 소규모 가압장(5) -> 수용가(6)와 같은 과정을 통해, 수용가(6)에 상수가 공급된다.
상기에서 고지대나 구릉지(산간,벽지)가 아닌 지역은 소규모 가압장(60)을 통과하지 않고, 배수지(4)에서 바로 수용가(6)가 연결된다.
여기서 수용가(7)를 제외한 취수장(2), 정수장(3), 가압장(4), 배수지(5) 및 소규모 가압장(6)은 상수 관망 전체를 통제하는 중앙 통제실과 통신으로 연결되어, 현장 데이터를 중앙 통제실에 전송하고, 상기 중앙 통제실의 관망 제어에 따라 상수 처리 동작을 한다.
중앙 통제실은 각각의 상수 시설로부터 전송되는 데이터를 저장하고, 이를 분석하여 상수 시설의 현황을 감시하고, 통신을 통해 해당 상수 시설을 원격 제어한다.
여기서 라인 가압장(6)은 수용가(7)에 공급되는 상수의 계획급수 압력을 일정하게 유지시켜주는 기능을 한다.
도 2와 같이 평지와의 표고차가 심한 고지대에는 여러 개의 다단가압장이 설치되어 수용가에 일정한 압력으로 상수를 공급하도록 구성되어 있다. 도 2에는 표고가 가장 낮은 지역에 1 가압장(10)이, 표고가 가장 높은 지역에 제 3 가압장(30)이 설치되고, 그 사이 지역에 제 2 가압장(20)이 설치된 경우이다.
제 1 가압장(10)과 제 2 가압장(20)의 사이, 제 2 가압장(20)과 제 3 가압장(30) 사이에는 메인 급수관(51)을 통해 각 가압장에서 펌프로 가압된 상수가 전달되고, 메인 급수관(51)에 연결되는 다수의 분기 급수관(52)을 통해 상수가 각 수용가(40)에 전달되어 수용가(40)에서 최종 급수된다.
메인 급수관(51)과 분기 급수관(52)을 포함하는 급수관들은 지하에 매립된 형태로 설치되어 있으므로 급수관에 누수가 발생하는 경우가 많다. 통상 누수의 정도를 나타내는 지표가 유수율인데, 유수율은 정수장에서 공급된 총급수량 대비 요금으로 징수되는 수량(수용가에서 사용되는 상수량)의 비율을 나타낸다. 유수율이 높을수록 상수의 누수량이 적다는 것을 의미한다.
급수관을 통해 흐르는 상수의 압력이 클수록 상수의 누수가 많이 발생하므로 적절한 압력으로 상수를 흐르게 하는 것이 필요하다. 이를 위해, 통상 각 라인 가압장(10, 20, 30)에서는 라인 가압장 간의 표고차와 급수량 등을 고려하여 적절한 압력으로 펌프를 구동하여 상수를 수용가로 공급하도록 하고 있다.
일반적으로, 펌프의 구동 압력은 전양정(Total Head)에 기초하여 설정되는데 양정이라 함은 펌프가 물을 급수하는데 있어 보낼 수 있는 수직 높이를 의미한다.
전양정(Total Head)은 실제 수직 높이에 관의 길이, 관의 직경에 따른 손실을 수직 높이로 환산하여 합한 것을 의미하며, 아래의 수학식 1에 의해 산출된다.
[수학식 1]
H=Ha + hfs + hfd
여기서 H는 전양정, Ha는 실양정, hfs는 흡입 마찰 수두, hfd는 토출 수두를 의미한다.
흡입 마찰 수두(hfs) 물이 배관 내에 흐를 때, 물 분자와 벽면의 마찰저항으로 발생하는 에너지의 손실을 수두로 나타낸 것이다.
토출 수두(hfd)는 다음 가압장이 공급받아야 하는 안정된 수두 값으로서, 펌프가 가동되면서 배관 계통에서 물을 밀고 올라가야 하는 정도인 수직 높이를 의미한다.
실양정(Ha)은 액체를 낮은 위치로부터 높은 위치로 펌프를 이용하여 이송할 때 펌프의 직경이나, 관의 길이 등 외부 손실이 없다고 가정했을 때 물을 급수하는데 있어 보낼 수 있는 수직 높이를 의미하며, 아래의 수학식 2에 의해 산출된다.
[수학식 2]
Ha= hs + hd
여기서 hs는 흡입 실양정, hd는 토출 실양정을 의미한다.
흡입 실양정(hs)은 펌프 중심에서 흡입수면까지의 높이, 토출 실양정(hd)은 펌프 중심에서 송출수면 높이를 의미한다.
한편, 각 가압장에서는 전양정에 기초하여 산출된 압력 값에 기초하여 펌프를 구동시켜 급수를 실시하게 되는데, 실제 급수 상황에서는 시공 상의 문제, 시시각각 변하는 현장의 급수량 증감 등의 원인으로 인하여 유수율이 낮아지는 문제가 발생하게 된다.
즉, 초기 설정(최초 설계단계에서 계산된)된 펌프 설정 압력으로 급수를 진행할 경우 앞서 설명한 원인 등으로 인하여 펌프 설정 압력이 불필요하게 높거나 낮은 상황이 발생하게 되고, 이로 인하여 급수관내 cavitation 현상이 발생하거나 필요이상의 압으로 수도가 공급되어 결과적으로 유수율을 감소시키는 문제가 발생하고 있다.
예를 들어, 제 1 가압장(10)과 제 2 가압장(20) 간에 아파트가 신축되는 경우 이 지점에 위치한 수용가(40)들에 공급되는 급수량이 늘어나게 되고 이에 따라 제 2 가압장(20)의 흡입 압력이 부족하게 될 수 있다.
제 2 가압장(20)의 흡입 압력이 부족하게 되면 제 2 가압장(20)의 펌프 가동시 cavitation 현상이 발생하게 되고, 그에 따라 펌프 에어가 발생하여 펌프의 고장 및 단수로 이어질 수 있다. 그리고, 더 나아가 제 3 가압장(30)의 펌프가 고장나는 2차 피해가 발생할 수 있다.
또 다른 예로서, 제 1 가압장(10)과 제 2 가압장(20) 사이 위치한 학교가 폐쇄되는 경우가 발생하면, 제 2 가압장(10)의 흡입압력이 증가하게 되는데, 이러한 경우에는 급수관 내부 압력이 높아짐에 따라 누수량이 증가하여 유수율을 저하시키는 요인이 된다.
상수도의 운영을 관리하기 위한 기술로서, 한국등록특허 제1761859호에는 상수도의 최대 용수 공급과 최소 에너지 비용을 위한 상수도 운영관리 스케줄을 산출하여 그에 따라 상수도 설비를 운영 제어하는 기술이 제시되어 있으나 유수율이나 펌프의 고장 등을 고려한 적절한 가압장 제어에 대해서는 고려하고 있지 않다.
따라서, 실시간 혹은 장기 급수계획의 일환으로 급변하는 수도 급수량에 따른 즉각적인 대응이 이루어지도록 하기 위하여, 상수 공급 수용가에서 사용되는 상수량에 따라 적절한 압력으로 상수를 공급할 수 있는 시스템에 대한 요구가 대두되고 있다.
한편, 펌프 내부의 흡상양정이 높거나, 유속의 급변 또는 와류의 발생, 유로에서의 장애 등에 의해 압력이 국부적으로 포화 증기압 이하로 내려가 기포가 발생되는 현상이 일어날 수 있는데, 이 현상을 캐비테이션(공동화)이라 한다. 펌프에서는 회전차 입구부분에서 발생하는 경향이 크고, 생성된 기포가 액체의 흐름에따라 이동하여 고압부에 이르러 급격히 붕괴하는 현상이 되풀이됨에 따라 펌프의 성능이 저하되어, 진동, 소음을 수반하고 불안정한 상태를 나타내며 나중에는 양수 감소 또는 양수 불능이 된다.
이러한 펌프에서의 캐비테이션 발생을 검출하기 위한 다양한 기술들이 제시되어 있다. 캐비테이션으로 인한 진동이나 소음 발생을 검출하는 진동센서 또는 음향센서를 이용하는 방법, 펌프 케이싱 내부의 유체 온도와 압력 상태에 따른 캐비테이션 발생 임계선을 얻고 이에 기초하여 캐비테이션 발생을 검출하는 방법 등이 대표적이다.
그러나, 대부분의 펌프의 캐비테이션 검출방법은 별도의 센서를 부착하거나 캐비테이션 검출을 위한 복잡한 알고리즘을 설계하여야 하는 문제가 발생하고 있다.
한국등록특허 제1761859호 ‘상수도 운영관리 제어 시스템 및 그 제어 방법’ 한국등록특허 제1907427호 '소규모 가압장 현장 다중화시스템'
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고지대에 연속적으로 설치되는 다단가압장 간의 펌프 구동 세기를 상호 연동제어하여 높은 유수율을 얻을 수 있어 누수에 의한 불필요한 물 낭비를 최소화하는 한편 가압장에 설치된 설비들의 고장을 방지할 수 있는 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 펌프의 흡입관에 설치되는 갈수센서에 캐비테이션 검출을 위한 전극을 구비하여 매우 간단한 방법으로 캐비테이션을 검출할 수 있고, 다단가압장에서 어느 하나의 가압장에서 캐비테이션 발생 시 해당 가압장 뿐만 아니라 다른 가압장의 펌프 회전속도를 제어하여 다른 가압장의 캐비테이션 발생을 미연에 방지할 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템은 서로 다른 고도에 연속적으로 설치되고, 각각 서로 다른 수용가에 상수를 공급하는 것으로서, 펌프의 흡입관 내부에 케비테이션 검출을 위한 제 1전극과, 유량 검출을 위한 제 2 및 제 3전극을 갖는 갈수센서를 포함하는 n개의 가압장과, 상기 각 가압장과 통신망을 통해 연결되는 관리서버를 포함하고, 상기 관리서버는 상기 각 가압장들로부터 설정 압력, 흡입 압력, 토출 압력 및 캐비테이션 검출, 유량 부족 및 유량 없음 정보를 포함하는 갈수 검출정보를 수신하고, 수신된 정보에 기초하여 n번 째 가압장의 흡입 압력이 설정 압력과 상이한 경우 미리 정해진 기준에 기초하여 n-1 번째 가압장의 새로운 설정 압력값을 산출하여 해당 가압장으로 전송하고, n-1 번째 가압장의 갈수 검출정보에 기초하여 펌프 제어신호를 생성하여 각 가압장으로 전송하며, 상기 제 2 전극은 제 1 전극보다는 길고 제 3 전극보다 길이가 짧으며, 상기 각 가압장은 상기 관리서버로부터 수신된 설정 압력값으로 펌프 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 갈수센서의 제 1전극은 펌프의 흡입관 내부에서 캐비테이션을 검출할 수 있는 제 1 높이에 설치되고, 제 2 전극은 상기 제 1 높이보다 낮고 유량 부족을 검출할 수 있는 제 2 높이에 설치되고, 제 3전극은 상기 제 2 높이보다 낮고 유량 없음을 검출할 수 있는 제 3 높이에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 관리 서버는 n 번째 가압장의 캐비테이션 검출 정보에 기초하여 n번째 가압장의 펌프 회전속도를 제어하는 한편, n+1번째 가압장의 설정 압력, 흡입 압력, 토출 압력 및 n 번째 가압장의 캐비테이션 검출 정보에 기초하여 n+1 번째 가압장의 캐비테이션 발생 가능성을 판단하고, n+1 번째 가압장의 캐비테이션 발생 가능성이 있는 것으로 판단되는 경우 n+1 번째 가압장의 펌프 회전속도를 제어하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 관리 서버는 각 가압장의 흡입 또는 토출 압력과 설정 압력값을 비교하고, 압력차가 설정된 오차 범위를 벗어나는지 여부에 따라 누수 진단을 하고, 각 가압장의 흡입 또는 토출 압력과 설정 압력값의 누적 데이터와 실제 측정되는 흡입 또는 토출 압력의 변화 추이를 통하여 누수 발생을 예측하며, 상기 각 가압장들로부터 수신되는 설정 압력, 흡입 압력 및 토출 압력 정보의 통계를 분석하여 시간 또는 기간별 각 가압장의 목표 설정 압력값을 산출하고, 산출된 목표 설정 압력값을 실시간으로 상기 각 가압장으로 전송하는 것이 가능하다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 각 가압장 별로 누수율 최소화를 통하여 높은 유수율을 얻을 수 있어 물 낭비를 최소화함으로서 상수도 운영의 경제적 효과를 높일 수 있다.
또한, 실제 가압장에서 필요로 하는 펌프 설정 압력값에 기초하여 펌프를 구동시켜 가압장에 설치된 펌프나 상수도관의 수명이 단축 및 파손되는 것을 방지함으로써 A/S 또는 교체 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 각 가압장의 펌프에서 발생하는 캐비테이션을 용이하게 검출할 수 있어 펌프의 잘못된 구동이나 펌프의 손상을 방지할 수 있고, 다단가압장에서 연동되는 가압장의 캐비테이션을 미연에 방지하여 원활하게 가압장을 운영할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 일반적인 상수도 계통도로서, 취수장으로부터 수용가까지 상수가 전달되는 계통을 나타낸 것이다.
도 2는 평지와의 표고차가 심한 고지대에 여러 개의 라인가압장이 설치된 경우를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템의 목표 압력값 설정 예시를 나타낸 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 캐비테이션 검출이 가능한 갈수센서의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
제 1 실시예
도3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템의 구성을 나타낸 것으로서, 평지와의 표고차가 심한 고지대에 여러 개의 라인가압장이 설치되어 수용가에 일정한 압력으로 상수를 공급하도록 구성된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따르면 본 발명은 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템은 제 1 고도에 설치되어 수용가에 상수를 공급하는 제 1 가압장(100)과, 제 1 고도보다 높은 고도에 설치되어 수용가에 상수를 공급하는 적어도 하나 이상의 가압장(200, 300)과 각 가압장과 통신망을 통해 연결되는 관리서버(600)를 포함한다.
이때, 각 가압장에는 가압장 내의 각 설비의 상태 예를 들어 흡입 압력이나 토출 압력을 측정하기 위한 압력 센서와 펌프의 정상 작동 여부를 검출하기 위한 각종 접점의 수집을 위한 제어기가 설치될 수 있고, 이 제어기는 각 센서와 접점에서 수집한 데이터를 저장, 전송하며, 펌프 등 각종 설비를 제어하기 위한 프로그램이 탑재되었다.
이때, 각 가압장들(100, 200, 300)에 설치된 가압장 제어기들은 압력 센서에서 측정한 흡입 압력과 토출 압력 및 설정 압력 정보를 정해진 주기 또는 관리서버(600)의 요청시 또는 압력 이상 발생시 관리 서버(600)로 전송한다.
압력 이상 발생 여부는 흡입 압력 또는 토출 압력 값과 설정 압력값 간의 차가 미리 정한 오차 범위를 벗어나는 경우 이상이 발생한 것으로 판단한다.
도 3의 실시예에서는 표고가 가장 낮은 지역에 제 1 가압장(100)이, 표고가 가장 높은 지역에 제 3 가압장(300)이 설치되고, 그 사이 지역에 제 2 가압장(200)이 위치한 것으로 예시하였으나, 적어도 2개 이상의 가압장이 연결되는 라인 가압장 시스템에 모두 적용될 수 있다.
각 가압장들(100, 200, 300)은 설정된 압력으로 펌프를 구동하여 더 높은 표고 위치한 가압장 또는 수용가(400)에 상수가 공급되도록 한다.
즉, 각 가압장과 가압장 사이에는 메인 급수관(510)이 설치되어 낮은 표고에 위치한 가압장에서 가압 펌핑된 상수는 메인 급수관(510)을 통해 더 높은 표고에 위치하는 가압장에 전달된다.
또한, 각 메인 급수관(510)에는 다수의 분기 급수관(520)이 연결되어, 각 가압장에서 가압 펌핑된 상수는 분기 급수관(520)을 통해 각 수용가(400)에 전달되어 수용가(400)에서 상수가 사용된다.
도 4는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템의 설정 압력값 산출 예시를 나타낸 시스템 구성도로서, 본 발명은 각 가압장의 펌프 설정 압력을 최대 유수율을 얻을 수 있도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 설정 압력값은 아래의 수학식 1에 의해 산출된 전양정 값이 될 수 있다.
전양정이란 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 양수할 때 펌프가 물에 주어야 하는 압력(수두)을 의미하는 것으로서, 수학식 1과 같이 외부 요인을 반영하지 않은 실양정(Ha)과 외부 요인에 의해 발생하는 흡인 마찰 수두(hfs), 토출 수두(hfd) 및 안전율(S)의 합으로 산출할 수 있다.
[수학식 1]
H=(Ha + hfs + hfd) x S
이때, 실양정(Ha)은 액체를 낮은 위치로부터 높은 위치로 펌프를 이용하여 이송할 때, 흡입면과 토출면까지의 수직 거리인 각 가압장간의 표고차로서, 1가압장(100)과 2가압장(200) 간의 실제 표고차, 제 2 가압장(200)과 제 3 가압장(300) 간의 실제 표고차(수두차)인 50m를 의미한다.
흡입 마찰 수두(hfs)는 물이 배관 내에 흐를 때, 물 분자와 벽면의 마찰저항과 배관의 길이에 의해 발생하는 에너지의 손실을 수두로 나타낸 것으로서, 배관 구경에 따라 마찰 저항이 다르기 때문에, 배관 구경별 계수를 차등 부여한다.
이때, 계수는 100당 추가되는 손실 수두로서, 예시적으로 아래의 표를 참조하면, 50mm 관경을 갖는 배관의 계수는 0.8 이므로, 1000m 떨어진 제 3 가압장(300)과 제 2 가압장(200) 간의 흡입 마찰 수두 10 x 0.8 = 8m가 된다.
<메인 급수관 관경에 따른 계수 예시>
관경 50 65 80 100 150 200 250 300
계수 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.2
토출 수두(hfs)는 다음 가압장이 공급받아야 하는 안정된 수두 값으로서, 펌프가 가동되면서 배관 계통에서 물을 밀고 올라가야 하는 정도인 수직 높이를 의미한다.
이때, 관의 직경에 따른 손실이 없다고 가정할 경우 펌프의 압력 1kg 당 10m 올려줄 수 있으므로, 토출 수두(hfs)는 제 3 가압장(300)의 설정 압력 2kg에 해당하는 20m의 값이 산출된다.
또한, 안전율(S)은 시공 환경에 따라 급수관이 곡선 구간 또는 절곡 구간 등을 포함하는 등 급수관 설치 구조 등의 가변성으로 인한 압력 손실이 발생에 대응되는 할증값을 의미하는 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 예시적으로 안전율 10%를 반영하였다.
이에 따라 수학식 1을 참조하면, 제 2 가압장(200)의 설정 압력은 실양정 값 50m, 흡입 마찰 수두값 8m, 토출 수두값 20m 및 안전율 1.1을 반영한 값 즉, (50+8+20)*1.1=85.8m가 산출된다.
이때, 압력 1kg 당 10m 올려줄 수 있으므로 제 2 가압장(200)의 전양정 85.8m를 충족하기 위한 압력은 85.8/10 즉, 8.58kg이 된다.
아울러, 제 2 가압장(200)의 설정 압력값 8.58kg을 반영하여 제 1 가압장(100)의 설정 압력 값을 산출하면 제 1 가압장(100)의 전양정 값은 (50+8+85)*1.1=157.3m가 산출된다.
이때, 압력 1kg 당 10m 올려줄 수 있으므로 제 1 가압장(100)의 전양정 157.3m를 충족하기 위한 압력은 157.3/10 즉,15.73kg이 된다.
한편, 관리서버(600)는 각 가압장들로부터 설정 압력, 흡입 압력 및 토출 압력에 대한 정보를 수신하면, 각 가압장의 흡입 압력과 설정된 흡입 압력과의 차이를 산출하고, 압력 차이가 미리 정해진 오차 범위를 벗어날 경우 각 가압장의 펌프 설정 압력값을 단계적으로 조절한다.
즉, 토지 사용 허가에 따른 현장의 여건에 따라 설계 제원대로 시공되지 않을 경우, 급수 수용가의 증감 또는 관로 연장의 증가, 실양정 변화와 같이 시시각각 변하는 현장의 급수량으로 인하여 펌프의 구동 압력(전양정) 변화가 요구되는 경우가 있다.
이를 만족시키는 압력이 설정되지 못하는 경우 캐비테이션에 의한 펌프의 공회전과 펌프 소손, 필요 이상의 가압 펌핑에 의한 유수율저하 등의 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명은 여러 요인으로 인해 발생하는 각 가압장의 압력 변동에 대응하여 공회전에 의한 불필요한 유지보수비용을 절감하고 최대 유수율을 확보할 수 있도록 각 가압장의 펌프 설정 압력이 목표압력이 될 때까지 제어하는데 특징이 있다.
구체적으로 설명하면, 제 3 가압장(300)의 펌프 설정 압력과 제 3 가압장(300)으로부터 전송받은 흡입 압력의 차가 오차 범위를 벗어나는지 여부를 판단한다.
그리고, 관리 서버(600)는 제 3 가압장(300)의 흡입 압력과 펌프 설정 압력 차가 오차 범위를 벗어날 경우 제 2 가압장(200)의 펌프 설정 압력값을 미리 정해진 단위로 조정하여 제 2 가압장(200)에 전송하고, 제 2 가압장(200)에서는 신규 펌프 설정 압력값으로 펌프를 구동한다.
이어서, 관리 서버(600)는 제 2 가압장(200)의 신규 설정 압력값과 제 2 가압장(200)의 흡입 압력을 측정하고, 측정된 제 2 가압장(200)의 흡입 압력과 신규 설정 압력 차가 오차 범위를 벗어나는지 여부를 판단한다.
이때, 제 2 가압장(200)의 신규 설정 압력값과 흡입 압력값의 차가 오차 범위를 벗어날 경우 제 1 가압장(100)의 설정 압력값을 미리 정해진 단위로 조정하여 제 1 가압장(100)에 전송하고, 제 1 가압장(100)에서는 신규 설정 압력값으로 펌프를 구동한다.
이후, 관리 서버(600)는 제 3 가압장(300)과 제 2 가압장(200)의 흡입 압력이 목표하는 압력이 될 때 까지 제 2 가압장(200) 및 제 1 가압장(100)의 펌프 설정 압력 값을 조정한다.
예시적으로, 제 3 가압장(300)의 펌프 설정 압력이 2kg, 제 2 가압장(200)의 펌프 설정 압력 8.58kg, 제 1 가압장(100)의 펌프 설정 압력 15.73kg으로 설정된 것으로 가정했을 때 실제 제 3 가압장(300)에서 측정되는 흡입 압력이 1kg일 경우 제 3 가압장(300)은 각 수용가에 정상적으로 급수를 할 수 없다.
이에 따라, 관리 서버(600)는 제 2 가압장(200)의 펌프 설정 압력을 미리 정해진 단위 예시적으로 0.1kg을 올린 8.6kg 으로 구동하도록 제어 신호를 전송하여 제 2 가압장(200)의 펌프가 8.6kg의 압력으로 구동되도록 한다.
또한, 관리 서버(600)는 제 2 가압장(200)의 흡입 압력이 8.6kg이 되는지 여부를 판단하여, 흡입 압력이 8.6kg의 오차 범위를 벗어날 경우 제 1 가압장(100)의 펌프 설정 압력을 미리 정해진 단위, 예시적으로 0.2kg 올린 15.93kg의 압력으로 구동되도록 한다.
이후, 각 가압장으로부터 흡입 압력 정보를 지속적으로 수신하고 제 3 가압장(300)의 흡입 압력이 2kg이 될 때 까지 제 2 가압장(200)과 제 1 가압장(100)의 펌프 설정 압력을 증가시킨다.
한편, 본 발명은 관리서버(600)가 각 가압장으로부터 수신된 흡입 압력 또는 토출압력을 설정 압력값을 비교하여 압력차가 미리 정해진 오차 범위를 벗어날 경우 누수가 발생한 것으로 진단하고 이를 관리자 또는 작업자 단말에 경고 알람을 전송할 수 있다.
또한, 본 발명은 관리서버(600)가 각 가압장의 흡입 또는 토출 압력과 설정 압력값의 지속적으로 누적하여 저장하고, 누적된 압력 데이터와 실제 측정되는 흡입 또는 토출 압력의 변화 추이를 통하여 누수 발생을 예측할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 관리서버(600)는 각 가압장들로부터 수신되는 설정 압력 정보, 흡입 압력 정보 및 토출 압력정보의 통계를 분석하여 시간 또는 기간별 각 가압장의 목표 설정 압력값을 산출하고, 산출된 목표 설정 압력값을 실시간으로 각 가압장으로 전송할 수 있다.
즉, 수용가에서 요구되는 상수 공급량은 시간대별 또는 계절 변화에 따른 기간별로 다를 수 있다. 이에, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 관리서버(600)가 실시간으로 각 가압장으로부터 수신되는 각 압력정보(S, SP, DP)에 기초한 제어 이외에 통계 분석을 통하여 목표 압력값으로 각 가압장의 펌프 설정 압력값을 자동으로 설정할 수도 있다.
제 2 실시예
도 5는 본 발명에 따른 캐비테이션 검출이 가능한 갈수센서의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
제 2 실시예는 갈수센서의 구조적인 특징과 갈수센서를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템의 제어방법에 관한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 갈수센서(20)는 각 가압장에 설치된 펌프의 흡입관(10)의 내측으로 복수개의 전극(21 ~ 23)이 배치된 형태를 갖는다.
일반적인 갈수센서가 2개의 전극을 갖고 2개의 전극의 길이가 같은 것과 달리 본 발명의 갈수센서(20)는 3개의 전극을 갖고 각 전극의 길이가 다르게 구성된다.
본 발명의 갈수센서(20)는 제 1 내지 3 전극(21, 22, 23)을 갖는다. 제 1 전극(21)은 흡입관(10)의 내부에 제 1 높이(h1)에 위치한다. 제 1 높이(h1)는 흡입관(10)의 상부에 매우 가까운 위치로서 캐비테이션이 발생하는 경우 기포에 의해 수분이 검출되지 않는 위치이다. 제 2 전극(22)은 제 1 높이(h1)보다 낮은 위치인 제 2 높이(h2) 높이에 위치한다. 이 높이는 흡입관(10) 내부에 유량이 부족한지 여부를 검출할 수 있는 높이이다. 제 3 전극(23)은 제 2 높이(h2)보다 낮은 위치인 제 3 높이(h3) 높이에 위치한다. 이 높이는 흡입관(10) 내부를 흐르는 유량이 없는 경우 이를 검출할 수 있는 높이이다.
종래 갈수센서는 2개의 전극이 흡입관 내부로 충분한 깊이만큼 삽입되어 흡입관 내부를 흐르는 유량이 검출되는지 여부에 따라 유량이 부족한지 여부만을 검출할 수 있다. 그에 반해, 본 발명의 갈수센서(20)는 유량이 충분한지 여부 외에 유량이 없는 경우와 캐비테이션이 발생하는 경우까지 검출할 수 있어 갈수 검출정보가 펌프 구동에 있어 보다 유용한 정보로 활용될 수 있다.
도 3과 같은 시스템에 있어서, 각 가압장(100 ~ 300)은 제 1 실시예에서 설명한 정보인 설정 압력, 흡입 압력 및 토출 압력 정보 외에 갈수센서(20)로부터 검출된 갈수 검출정보를 관리서버(400)로 전송한다. 갈수 검출정보는 캐비테이션 검출정보, 유량 부족 정보 및 유량 없음 정보를 포함한다.
관리서버(400)는 제 1 실시예에서 설명한 각 가압장의 펌프 설정압력 제어 외에 갈수 검출정보까지 고려한 펌프 구동 제어를 수행한다.
관리서버(400)는 제 1 가압장(100)에서 캐비테이션 검출 정보를 수신하는 경우 제 1 가압장(100)의 펌프 회전속도가 현재 속도보다 감소하도록 제어할 수 있다. 한편, 제 1 가압장(100)의 펌프 회전속도 감소 제어가 제 1 실시예에 따른 제어조건과 상충하는 경우에는 토출밸브의 개도율을 조절하는 방식으로 캐비테이션을 해소할 수 있다. 즉, 제 1 실시예에 따라 결정된 각 가압장의 펌프 압력 구동조건에 따라 캐비테이션 발생 시의 적절한 해소 조치를 취함으로써 보다 안정적인 다단 가압장의 운영이 가능하게 된다.
관리서버(400)는 제 1 가압장(100)에서 발생한 캐비테이션을 해결하는 한편, 제 2 가압장(200)과 제 3 가압장(300)의 설정 압력, 흡입 압력, 토출 압력 정보에 기초하여 제 2 가압장(200) 또는 제 3 가압장(300)의 캐비테이션 발생 가능성을 판단하고, 후단의 가압장의 캐비테이션 발생 가능성이 있는 것으로 판단되는 경우 후단의 가압장의 펌프 회전속도를 제어하거나 토출밸브의 개도율을 조절하는 제어신호를 생성하여 후단의 가압장으로 전송할 수 있다.
전단의 가압장에서 캐비테이션이 발생한 경우 전단 가압장과 후단 가압장 간의 상수 수요량 및 각 가압장의 설정 압력에 따라 후단 가압장에서도 흡상 양정 상승, 와류 발생, 유속 변화 등의 원인으로 캐비테이션이 발생할 수 있다.
따라서, 관리서버(400)는 이러한 조건들을 판단하여 후단 가압장의 캐비테이션 연동 발생 우려가 있는 경우 펌프 회전속도를 제어하거나 토출밸브의 개도율을 조절하는 사전 조치를 취할 수 있으며, 이는 상술한 바와 같이, 제 1 실시예에서의 제어조건에 따라 적절한 사전 조치를 선택적으로 취할 수 있음은 물론이다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10 : 흡입관 20 : 갈수센서
21 : 제 1 전극 22 : 제 2 전극
23 : 제 3 전극 100 : 제 1 가압장
200 : 제 2 가압장 300 : 제 3 가압장
400 : 수용가 510 : 메인 급수관
520 : 분기 급수관 600 : 관리 서버

Claims (6)

  1. 서로 다른 고도에 연속적으로 설치되고, 각각 서로 다른 수용가에 상수를 공급하는 것으로서, 펌프의 흡입관 내부에 케비테이션 검출을 위한 제 1전극과, 유량 검출을 위한 제 2 및 제 3전극을 갖는 갈수센서를 포함하는 n개의 가압장과;
    상기 각 가압장과 통신망을 통해 연결되는 관리서버를 포함하고,
    상기 관리서버는 상기 각 가압장들로부터 설정 압력, 흡입 압력, 토출 압력 및 캐비테이션 검출, 유량 부족 및 유량 없음 정보를 포함하는 갈수 검출정보를 수신하고, 수신된 정보에 기초하여 n번 째 가압장의 흡입 압력이 설정 압력과 상이한 경우 미리 정해진 기준에 기초하여 n-1 번째 가압장의 새로운 설정 압력값을 산출하여 해당 가압장으로 전송하고, n-1 번째 가압장의 갈수 검출정보에 기초하여 펌프 제어신호를 생성하여 각 가압장으로 전송하며,
    상기 제 2 전극은 제 1 전극보다는 길고 제 3 전극보다 길이가 짧으며, 상기 제 1전극은 펌프의 흡입관 내부에서 캐비테이션을 검출할 수 있는 제 1 높이에 설치되고, 제 2 전극은 상기 제 1 높이보다 낮고 유량 부족을 검출할 수 있는 제 2 높이에 설치되고,
    상기 각 가압장은 상기 관리서버로부터 수신된 설정 압력값으로 펌프 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 관리 서버는 n 번째 가압장의 캐비테이션 검출 정보에 기초하여 n번째 가압장의 펌프 회전속도 제어 또는 토출밸브의 개도율을 조절하고, n+1번째 가압장의 설정 압력, 흡입 압력, 토출 압력 및 n 번째 가압장의 캐비테이션 검출 정보에 기초하여 n+1 번째 가압장의 캐비테이션 발생 가능성을 판단하고, n+1 번째 가압장의 캐비테이션 발생 가능성이 있는 것으로 판단되는 경우 n+1 번째 가압장의 펌프 회전속도를 제어 또는 토출밸브의 개도율을 조절하는 것을 특징으로 하는 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관리 서버는 각 가압장의 흡입 또는 토출 압력과 설정 압력값을 비교하고, 압력차가 설정된 오차 범위를 벗어나는지 여부에 따라 누수 진단을 하는 것을 특징으로 하는 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 관리 서버는 각 가압장의 흡입 또는 토출 압력과 설정 압력값의 누적 데이터와 실제 측정되는 흡입 또는 토출 압력의 변화 추이를 통하여 누수 발생을 예측하는 것을 특징으로 하는 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관리서버는 상기 각 가압장들로부터 수신되는 설정 압력, 흡입 압력 및 토출 압력 정보의 통계를 분석하여 시간 또는 기간별 각 가압장의 목표 설정 압력값을 산출하고, 산출된 목표 설정 압력값을 실시간으로 상기 각 가압장으로 전송하는 것을 특징으로 하는 IoT를 이용한 라인 가압장 간 연동 관리 시스템.
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