KR102285651B1 - 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제어부가 수위감지 유니트로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 수위 변화율을 테일러 급수(Taylor series)를 이용하여 연산하는 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법은 수위감지 유니트(4)가 저수조(1)의 수위를 실시간 측정하는 단계(S110)와, 제어부(5)가 수위감지 유니트(4)로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 측정 수위와 설정 수위(OMWL ; Operated Middle water Level)를 비교하는 단계(S120)와, 측정 수위가 설정 수위(OMWL)보다 낮으면, 펌프의 기동을 정지하는 단계(S130)와, 측정 수위가 설정 수위설정 수위(OMWL)와 같으면, 펌프의 정지 상태 또는 기동 상태를 그대로 유지하는 단계(S140)와, 측정 수위가 설정 수위보다 높으면, 수위 변화율(LCR ; Level change rate)을 테일러 급수(Taylor series)를 이용하여 연산하고, 수위 변화율(LCR)이 100% 이상이면 수중펌프의 작동을 긴급모드로 전환하는 단계(S150)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING WATER LEVEL CHANGE OF SUBMERSIBLE PUMP FOR DRAINAGE}
본 발명은 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제어부가 수위감지 유니트로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 수위 변화율(LCR ; Lavel Change Rate)을 테일러 급수(Taylor series)를 이용하여 연산하는 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법에 관한 것이다.
대한민국 특허출원공개 제10-2020-0140426호(2020년 12월 16일, 공개)에 "수중펌프의 운전제어장치, 시스템 및 방법"이 소개되어 있다.
상기 수중펌프의 운전제어장치는 복수의 수위센서 및 인버터와의 통신을 수행하는 통신부 및 복수의 수위센서로부터 수신된 수위정보를 기초로 인버터를 제어하여 수중펌프가 온/오프(on/off) 운전을 하도록 하는 제어부를 포함하되, 제어부는, 수위정보를 이용하여 수중펌프의 온구간과 오프구간을 검출하고, 검출된 구간을 이용하여 이전 구간의 전체 중 온구간의 비율을 산출하며, 산출된 온구간의 비율 및 이전 구간에 대한 수중펌프의 운전속도를 이용하여 운전속도가 재조정되도록 인버터를 제어한다.
그러나, 상기 수중펌프의 운전제어장치는 인버터를 이용하여 펌프의 작동을 제어하기 때문에 제작 비용이 많이 상승하고, 복수개의 수위센서로 언급되어 있어, 플로트 타입의 수위센서를 사용할 경우, 수위센서의 응답 속도가 느려, 전체적인 제어속도가 느려지게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 제어부가 수위감지 유니트로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 수위 변화율을 테일러 급수를 이용하여 연산함으로써, 저렴한 비용으로 수위가 설정 위치(제어하고자 하는 수위)에서 유지되도록 빠르게 제어할 수 있는 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법은,
수위감지 유니트가 저수조의 수위를 실시간 측정하는 단계와,
제어부가 수위감지 유니트로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 측정 수위와 설정 수위를 비교하는 단계와,
측정 수위가 설정 수위보다 낮으면, 수중펌프의 기동을 정지하는 단계와, 측정 수위가 설정 수위설정 수위와 같으면, 펌프의 정지 상태 또는 기동 상태를 그대로 유지하는 단계와,
측정 수위가 설정 수위보다 높으면, 수위 변화율을 테일러 급수를 이용하여 연산하고, 수위 변화율이 100% 이상이면 수중펌프의 작동을 긴급모드로 전환하는 단계를 포함하고,
상기 수위 변화율을 테일러 급수를 이용하여 연산하고, 수위 변화율이 100% 이상이면 수중펌프의 작동을 긴급모드로 전환하는 단계(S150)에서,
수위 변화율(LCR)은 아래 [수학식 1]과 같으며, 상기 수위 변화율(LCR)은 변화 예측량에 실제 수위 패턴에 대한 테일러 급수의 2차항까지 고려한 2차 예측 보정값을 보정하여 연산하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112021013522088-pat00001
여기서, h는 수위이고, t는 시간이다.
상기 긴급모드는 4단계로 구분되며, 1단계는 100%〈 수위 변화율〈 110%이고, 2단계는 110%〈 수위 변화율〈 120%이고, 3단계는 120%〈 수위 변화율〈 150%이고, 4단계는 150%〈 수위 변화율인 것을 특징으로 한다.
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펌프가 1대이고, 펌프의 모터가 BLDC 모터(BrushLess Direct current motor)인 경우,
(1) 긴급모드가 1단계일 때, 1단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하며,
예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하고,
(2) 긴급모드가 2단계일 때, 2단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하며,
예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하고.
(3) 긴급모드가 3단계일 때, 3단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하며,
예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하고,
(4) 긴급모드가 4단계일 때, 4단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다. 그리고, 예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 에러 처리하고, 에러 경보를 발령하는 것을 특징으로 한다.
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이것에 의해, 본 발명에 따른 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법은 수위의 증가를 미리 예측할 수 있어, 저렴한 비용으로 수위가 설정 위치에서 유지되도록 빠르게 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 저수조의 내부에 1대의 수중펌프가 배치되고, 1대의 수중펌프가 제어부에 의해 제어되는 것을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 테일러 급수의 고계차항(higher order terms)과 수위 변화율의 정밀도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 일반적으로, 배수용 수중펌프(2)는 저수조(1)의 내부에 배치되어, 저수조(1)로 유입된 물을 수직 파이프(3)를 통해 저수조의 외부로 펌핑하게 되며, 저수조(1)의 내부에 배치된 수위감지 유니트(4)가 저수조(1)의 수위를 감지하여 제어부(5)로 제공함으로써, 제어부(5)가 수위감지 유니트(4)로부터 입력되는 데이터를 근거로 수중펌프(2)의 작동을 제어하게 된다.
도 1은 저수조의 내부에 1대의 수중펌프가 배치되고, 1대의 수중펌프가 제어부에 의해 제어되는 것을 도시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기와 같은 수중펌프에 있어서, 본 발명에 따른 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법은 다음과 같다.
수위감지 유니트(4)가 저수조(1)의 수위를 실시간 측정하는 단계(S110)와,
제어부(5)가 수위감지 유니트(4)로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 측정 수위와 설정 수위(OMWL ; Operated Middle water Level)를 비교하는 단계(S120)와,
측정 수위가 설정 수위(OMWL)보다 낮으면, 펌프의 기동을 정지하는 단계(S130)와,
측정 수위가 설정 수위(OMWL)와 같으면, 펌프의 정지 상태 또는 기동 상태를 그대로 유지하는 단계(S140)와,
측정 수위가 설정 수위보다 높으면, 수위 변화율(LCR ; Level change rate)을 테일러 급수(Taylor series)의 2차항까지 이용하여 연산하고, 수위 변화율(LCR)이 100% 이상이면 수중펌프의 작동을 긴급모드로 전환하는 단계(S150)를 포함한다.
상기 펌프의 기동을 정지하는 단계(S130)와, 펌프의 정지 또는 기동 상태를 그대로 유지하는 단계(S140)에서는 S110 단계로 피드백한다.
상기 수중펌프의 작동을 긴급모드로 전환하는 단계(S150)에서,
상기 테일러 급수의 2차항까지 이용한 수위 변화율(LCR)은 아래 수학식 1과 같으며, 수학식 1은 수위 변화율을 테일러 급수의 2차항까지 근사하여 적용한 것이고, 본 발명은 2차항까지 적용한다. 도 3의 그래프는 1차항, 2차항 등과 같은 차항이 많아질수록 수위 변화율의 정밀도가 높아지는 것을 나타낸 것이다.
Figure 112021013522088-pat00002
여기서, h는 수위이고, t는 시간이다.
예를 들어, 표 1은 펌프가 기동하고 있지 않고 저수조의 수위가 급격이 차오르는 상황으로, 실제 수위 패턴에 대한 테일러급수의 2차항까지 고려한 변화예측량과 수위 변화율을 나타낸 도표이다.
수위(mm) 변화수위(mm) 예측 오차(%) LCR(%)
시간(초) 실제 수위변화 패턴 1차항까지 고려한 예측수위 2차항까지 고려한 예측수위 실제 1차 예측 2차 예측 1차 예측 2차 예측 실제 변화율 1차항 고려 2차항 고려
0.4 290 260.00 275.25 47.5 17.50 32.8 63.16 31.05 119.59 118.86 120.20
0.5 350 313.75 334.00 60 23.75 44.0 60.42 26.67 120.69 120.67 121.34
0.6 422.5 380.00 405.25 72.5 30.00 55.3 58.62 23.79 120.71 121.12 121.33
0.7 507.5 458.75 489.00 85 36.25 66.5 57.35 21.76 120.12 120.72 120.67
0.8 605 550.00 585.25 97.5 42.50 77.7 56.41 20.26 119.21 119.89 119.68
0.9 715 653.75 694.00 110 48.75 89.0 55.68 19.09 118.18 118.86 118.58
1.0 837.5 770.00 815.25 122.5 55.00 100.3 55.10 18.16 117.13 117.78 117.47
1.1 972.5 898.75 949.00 135 61.25 111.5 54.63 17.41 116.12 116.72 116.41
1.2 1120 1040.00 1095.25 147.5 67.50 122.8 54.24 16.78 115.17 115.72 115.41
테일러 급수의 1차항을 이용한 수위 예측의 계산식은 아래 수학식 2 및 수학식 3과 같으며, 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 계산하면, 표 1에서와 같이 오차가 많아 2차 수위곡선에 적용하기 어려운 것으로 판단된다.
Figure 112021013522088-pat00003
Figure 112021013522088-pat00004
여기서, h는 수위이고, t는 시간이며, h'는 1차 예측 보정값이고, HOT(high order term)는 고계차항을 의미한다.
따라서, 본 발명은 테일러 급수의 2차항까지 고려하여 수위 예측을 하고, 테일러 급수의 2차항을 이용한 수위 예측의 계산식은 아래 수학식 4 및 수학식 5와 같으며, 수학식 4 및 수학식 5를 이용하여 계산하면, 표 1에 나타난 것처럼 1차항에 비해 오차가 많이 줄어들어, 실제 곡선과 비슷한 것을 알 수 있다.
Figure 112021013522088-pat00005
Figure 112021013522088-pat00006
여기서, h"는 2차 예측 보정값이다.
한편, 상기 긴급모드는 4단계로 구분되며, 1단계는 100%〈 LCR〈 110%이고, 2단계는 110%〈 LCR〈 120%이고, 3단계는 120%〈 LCR〈 150%이고, 4단계는 150%〈 LCR이다.
(1) 긴급모드가 1단계일 때,
도 1에 도시된 것처럼, 펌프가 1대이고, 펌프의 모터가 BLDC 모터인 경우,
1단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위(2차항까지 고려한 예측수위)와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다.
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그리고, 예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수(현재의 설정 회전수에서 10% 증가한 회전수)가 회전로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다.
삭제
(2) 긴급모드가 2단계일 때,
도 1에 도시된 것처럼, 펌프가 1대이고, 펌프의 모터가 BLDC 모터인 경우,
2단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다.
삭제
삭제
그리고, 예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다.
삭제
(3) 긴급모드가 3단계일 때,
도 1에 도시된 것처럼, 펌프가 1대이고, 펌프의 모터가 BLDC 모터인 경우,
3단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다. 그리고, 예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다.
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(4) 긴급모드가 4단계일 때,
도 1에 도시된 것처럼, 펌프가 1대이고, 펌프의 모터가 BLDC 모터인 경우, 4단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지한다. 그리고, 예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 에러 처리하고, 에러 경보를 발령한다.
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상기와 같은 본 발명에 따른 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법은 제어부가 수위감지 유니트로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 수위 변화율을 테일러 급수를 이용하여 연산함으로써, 인버터를 사용하지 않아도 수위의 증가를 미리 예측할 수 있어, 저렴한 비용으로 수위가 설정 위치에서 유지되도록 빠르게 제어할 수 있는 장점이 있다.
1 : 저수조 2 : 수중펌프
3 : 수직 파이프 4 : 수위감지 유니트
5 : 제어부

Claims (7)

  1. 수위감지 유니트(4)가 저수조(1)의 수위를 실시간 측정하는 단계(S110)와,
    제어부(5)가 수위감지 유니트(4)로부터 실시간 측정 수위를 제공받아, 측정 수위와 설정 수위를 비교하는 단계(S120)와,
    측정 수위가 설정 수위보다 낮으면, 펌프의 기동을 정지하는 단계(S130)와,
    측정 수위가 설정 수위와 같으면, 펌프의 정지 상태 또는 기동 상태를 그대로 유지하는 단계(S140)와,
    측정 수위가 설정 수위보다 높으면, 수위 변화율을 테일러 급수를 이용하여 연산하고, 수위 변화율이 100% 이상이면 수중펌프의 작동을 긴급모드로 전환하는 단계(S150)를 포함하고,
    수위 변화율을 테일러 급수를 이용하여 연산하고, 수위 변화율이 100% 이상이면 수중펌프의 작동을 긴급모드로 전환하는 단계(S150)에서,
    수위 변화율(LCR)은 아래 [수학식 1]과 같으며, 상기 수위 변화율(LCR)은 변화 예측량에 실제 수위 패턴에 대한 테일러 급수의 2차항까지 고려한 2차 예측 보정값을 보정하여 연산하고,
    [수학식 1]
    Figure 112021052269900-pat00007

    여기서, h는 수위이고, t는 시간이다.
    상기 긴급모드는 4단계로 구분되며, 1단계는 100%〈 LCR〈 110%이고, 2단계는 110%〈 LCR〈 120%이고, 3단계는 120%〈 LCR〈 150%이고, 4단계는 150%〈 LCR이고,
    펌프가 1대이고, 펌프의 모터가 BLDC 모터인 경우,
    (1) 긴급모드가 1단계일 때, 1단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하며,
    예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하고,
    (2) 긴급모드가 2단계일 때, 2단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하며,
    예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하고,
    (3) 긴급모드가 3단계일 때, 3단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하며,
    예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 다음 설정 회전수로 펌프의 회전수를 높이고, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하고,
    (4) 긴급모드가 4단계일 때, 4단계에 대응하는 설정 회전수로 펌프를 구동하고, 예측 수위와 측정 수위를 비교하여 예측 수위가 측정 수위보다 높으면, 측정 수위가 설정 수위에 도달할 때까지 현재의 펌프 기동 상태를 유지하고, 예측 수위가 측정 수위와 같거나 낮으면, 에러 처리하고, 에러 경보를 발령하는 것을 특징으로 하는 배수용 수중펌프의 수위변화 제어방법.
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