KR102341182B1 - 지능형 스마트 수문 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 형태는 수문 개방 높이를 측정하는 수문 높이 센서; 수문 상태를 표시하는 인터페이스인 HMI(Human Machine Interface) 기기; 수문 전체 개방 높이 대비하여 측정되는 수문 개방 높이를 퍼센트(%)와 높이(m)의 디지털 수치로서 상기 HMI 기기에 표시하는 지능형 스마트 제어기;를 포함할 수 있다.

Description

지능형 스마트 수문 제어 시스템{System for controlling sluice gate}

본 발명은 지능형 스마트 수문 제어 시스템으로서, 수문의 개방 및 닫힘을 제어 감시하는 수문 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 수문은 하천의 본류에서는 홍수를 방수로에 분류시키는 지점에, 지류에서는 본천 홍수의 역류를 방지하는 지점에 각각 설치된다.

또한, 수문은 저수지 또는 수로 등에 설치되어 저수된 물을 가뭄 대비용으로 또는 홍수 시 저류용으로 쓰인다. 수문의 주요 고장 원인은 홍수 시 나무, 가정용 폐기물 등의 협잡물이 수문 근처에서 부유 또는 침전되어서 수문이 개폐할 때 끼임 등의 문제가 발생한다. 이때 수문이 비정상 정지상태에서 구동모터가 정상운전을 하면 권양기의 구성요소인 기어와 축 등이 파손되는 경우이다. 이러한 고장은 지역 주민의 생명과 재산을 위협하는 심각한 수해로 나타난다.

이를 방지하고자 수문의 상승 또는 하강시 리미트 값을 두어 그 값을 초과하는 경우 관리자가 이를 확인하여 수문의 동작을 정지시키는 방법을 사용하였다.

그러나 이와 같은 방법은 관리자가 항상 수문의 상태를 항상 모니터링 하여야 하며, 조작명령의 입력이 늦어 수문의 동작을 멈추지 못하는 경우 수문뿐만 아니라 권양기를 동작시키는 모터에 과부하가 걸려 파손되는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2015-0040395호

본 발명의 기술적 과제는 관리자 조작없이도 권양기의 모터에 과부하가 걸리지 않도록 제어할 수 있는 수문 제어 수단을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 형태는 수문 개방 높이를 측정하는 수문 높이 센서; 수문 상태를 표시하는 인터페이스인 HMI(Human Machine Interface) 기기; 수문 전체 개방 높이 대비하여 측정되는 수문 개방 높이를 퍼센트(%)와 높이(m)의 디지털 수치로서 상기 HMI 기기에 표시하는 지능형 스마트 제어기;를 포함할 수 있다.

상기 지능형 스마트 수문 제어 시스템은, 수문을 개방하거나 닫도록 권양기를 동작시키는 모터; 상기 모터를 구동시키는 인버터;를 포함하며, 상기 지능형 스마트 제어기는, 수문 개방이나 수문 닫히도록 모터를 제어하는 경우, 모터 구동의 초기 시점시에는 수문 움직임 속도가 제1속도가 되도록 상기 인버터를 제어하며, 미리 설정된 중간 시점에서는 수문 움직임 속도가 제1속도보다 빠른 제2속도가 되도록 상기 인버터를 제어하며, 미리 설정된 최종 시점에서는 수문 움직임 속도가 상기 제2속도보다 느린 제3속도가 되도록 하며, 상기 초기 시점의 제1속도에서 중간 시점의 제2속도로서 경사지게 증속되도록 하며, 상기 중간 시점의 제2속도에서 최종 시점의 제3속도로서 경사지게 감속되도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

상기 지능형 스마트 제어기는, 수문을 개방하고자 하는 경우 수문 열림 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송하며, 수문을 닫고자 하는 경우 수문 닫힘 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송하며, 수문의 개방 속도 또는 닫힘 속도를 감속시키고자 하는 경우 감속 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송할 수 있다.

상기 지능형 스마트 제어기는, 모터에 부하가 걸려 동작되지 않는 모터 부하 발생 시에는, 상기 수문 열림 요청 신호 또는 수문 닫힘 요청 신호에도 불구하고 모터의 동작을 정지시키도록 하는 모터 정지 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송할 수 있다.

상기 지능형 스마트 수문 제어 시스템은, 수문의 움직임이 정지되었는지를 감지하는 풋 브레이크 센서(Foot Break Sensor); 수문 닫힘이 완료되었는지를 감지하는 수문 닫힘 센서;를 포함하며, 상기 지능형 스마트 제어기는, 상기 수문 열림 요청 신호에도 불구하고 수문 개방이 완료되지 않은 상태에서 수문 움직임이 정지되었음이 감지되는 모터 부하가 발생하거나, 또는 상기 수문 닫힘 요청 신호에도 불구하고 수문 닫힘이 완료되지 않은 상태에서 수문 움직임이 정지되었음이 감지되는 모터 부하가 발생하는 경우. 상기 모터의 동작을 정지시키도록 하는 모터 정지 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송할 수 있다.

상기 모터 부하가 발생하는 경우 모터의 동작을 정지시킨 후, 모터 동작 정지 후에 설정된 동작 재개 시간이 도래하면 수문을 상승시키는 모터 동작을 수행하는 제1단계와, 제1단계 수행 후에 상기 동작 재개 시간이 도래하면 수문을 하강시키는 모터 동작을 수행하는 제2단계를 설정된 반복 횟수만큼 반복적으로 수행하고, 제1단계와 제2단계의 반복이 완료된 후에, 상기 수문 열림 요청 신호 또는 수문 닫힘 요청 신호에 따른 모터 동작을 재개할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면 눈금 지침과 같은 아날로그 방식으로 수문 개방 높이를 관리자에게 알려주었으나, 본 발명은 수문 개방 높이를 퍼센트(%)와 높이(m)의 디지털 수치로 표시해줌으로써, 가독성을 높일 수 있으며, 아울러 정확한 수문 개방 레벨을 알려줄 수 있다.

또한 본 발명의 실시 형태에 따르면 초기에는 서서히, 중간에 빠른 속도 마지막에 천천히 속도제어를 하도록 제어함으로써, 급격한 모터 제어로 인한 모터 부하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 스마트 수문 제어 시스템의 개념 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지능형 스마트 수문 제어 시스템의 상세 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 디지털 수치로서 수문 개방 정도를 표시한 HMI 기기의 예시 그림.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수문 움직임 속도를 시간대별로 다르게 제어하는 예시 그림.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 모터 부하 발생시에 모터 동작을 정지시키는 예시 그림.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 모터 부하 발생시에 수문에 걸린 협잡물을 제거하기 위한 모터 제어 과정을 도시한 그림.

이하, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 스마트 수문 제어 시스템의 개념 구성도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지능형 스마트 수문 제어 시스템의 상세 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 디지털 수치로서 수문 개방 정도를 표시한 HMI 기기의 예시 그림이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수문 움직임 속도를 시간대별로 다르게 제어하는 예시 그림이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 모터 부하 발생시에 모터 동작을 정지시키는 예시 그림이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 모터 부하 발생시에 수문에 걸린 협잡물을 제거하기 위한 모터 제어 과정을 도시한 그림이다.

본 발명의 지능형 스마트 수문 제어 시스템은, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 수문 개방 높이를 측정하는 수문 높이 센서(110)와, 수문 상태를 표시하는 인터페이스인 HMI(Human Machine Interface) 기기와, 수문 전체 개방 높이 대비하여 측정되는 수문 개방 높이를 퍼센트(%)와 높이(m)의 디지털 수치로서 HMI 기기(140)에 표시하는 지능형 스마트 제어기(100)를 포함할 수 있다. 이밖에 수문을 개방하거나 닫도록 권양기를 동작시키는 모터(160)와, 모터(160)를 구동시키는 인버터(150)와, 수문의 움직임이 정지되었는지를 감지하는 풋 브레이크 센서(Foot Break Sensor;120)와, 수문 닫힘이 완료되었는지를 감지하는 수문 닫힘 센서(130)를 더 포함할 수 있다. 이하 상술한다.

수문 높이 센서(110)는, 수문 개방 높이를 측정하는 센서이다. 권양기에 의하여 수문이 상승하거나 하강하는데, 이러한 수문 개방 높이를 측정하는 센서이다. 수문 높이 센서(110)는, 적외선 센서, 카메라 센서 등의 다양한 센서 등이 활용될 수 있을 것이다.

풋 브레이크 센서(Foot Break Sensor;120)는, 수문의 움직임이 정지되었는지를 감지하는 센서이다. 수문에 움직임 센서를 부착하여 수문 정지 여부를 센싱할 수 있으며, 또는 카메라를 통해 수문 정지 여부를 센싱할 수 있다.

수문 닫힘 센서(130)는, 수문 닫힘이 완료되었는지를 감지하는 센서이다. 수문이 댐을 완전히 폐쇄시켰는지를 감지하는 센서로서, 마찬가지로 다양한 센서가 활용될 수 있다.

모터(160)는, 수문을 개방하거나 닫도록 권양기를 동작시킨다. 수문은 제방의 배수로에 설치되어 저수량을 조절하기 위해 물을 저수하거나 방류하는 역할을 한다. 이러한 수문은 양측 하부로부터 각각 일체로 길게 돌출된 축이 바닥에 고정 설치된 고정 브라켓을 회동되게 관통하는 방식으로 제방의 배수로에 설치되며, 따라서 수문은 고정 브라켓에 지지되며 고정 브라켓이 권양기에 의하여 상승 또는 하강되어 수문의 개방 또는 닫힘이 이루어진다. 모터(160)는 이러한 권양기를 동작시키게 된다.

인버터(150)는 모터(160)를 구동시키는 제어 신호를 생성하여 모터(160)를 제어한다. 모터(160)의 구동 전압을 발생시키며, 또한 모터(160)의 회전 속도를 조절할 수 있어, 결과적으로 모터(160)에 의해 움직이는 권양기의 동작을 제어할 수 있게 된다.

HMI 기기(140)는, 수문 상태를 표시하는 인터페이스이다. HMI(Human Machine Interface)는, 알려진 바와 같이 시각이나 청각과 관련 지어진 인간의 아날로그적인 인지의 세계와 컴퓨터나 통신의 디지털을 처리하는 기계의 세계를 연결하는 인터페이스를 말한다. 일반적으로 터치스크린패널이 하나의 HMI의 예시일 수 있다.

지능형 스마트 제어기(100)는, PLC(programmable logic controller)로서 구현되는데, 로직, 시퀀싱, 타이밍, 카운팅, 연산과 같은 특수한 기능을 수행하기 위하여 프로그램 가능한 메모리를 사용하고 여러 종류의 기계나 프로세서를 제어하는 디지털 동작을 수행한다.

PLC로 구현되는 지능형 스마트 제어기(100)는, 수문 전체 개방 높이 대비하여 측정되는 수문 개방 높이를 퍼센트(%)와 높이(m)의 디지털 수치로서 HMI 기기(140)에 도 3과 같이 표시한다. 기존에는 눈금 지침과 같은 아날로그 방식으로 수문 개방 높이를 관리자에게 알려주었으나, 본 발명은 수문 개방 높이를 퍼센트(%)와 높이(m)의 디지털 수치로 표시해줌으로써, 가독성을 높일 수 있으며, 아울러 정확한 수문 개방 레벨을 알려줄 수 있게 된다.

나아가, 지능형 스마트 제어기(100)는, 초기에는 서서히, 중간에 빠른 속도 마지막에 천천히 속도제어를 하도록 제어한다. 급격한 모터 제어는, 결과적으로 수문 움직임으로 인한 모터(160)에 부하가 걸릴 수 있으므로, 초기에는 서서히, 중간에 빠른 속도 마지막에 천천히 속도제어를 하도록 제어한다.

이를 위해 지능형 스마트 제어기(100)는, 수문 개방이나 수문 닫히도록 모터(160)를 제어하는 경우, 도 4와 같은 속도 제어를 수행한다. 즉, 모터(160) 구동의 초기 시점시에는 수문 움직임 속도가 제1속도가 되도록 인버터(150)를 제어하며, 미리 설정된 중간 시점에서는 수문 움직임 속도가 제1속도보다 빠른 제2속도가 되도록 인버터(150)를 제어하며, 미리 설정된 최종 시점에서는 수문 움직임 속도가 제2속도보다 느린 제3속도가 되도록 한다. 그리고 초기 시점의 제1속도에서 중간 시점의 제2속도로서 경사지게 증속되도록 하며, 중간 시점의 제2속도에서 최종 시점의 제3속도로서 경사지게 감속되도록 인버터(150)를 제어함으로써, 인버터(150)의 급격한 속도 변화가 없게 하여 모터 부하를 경감시킬 수 있게 된다.

한편, 지능형 스마트 제어기(100)는, 수문 개방 또는 수문 닫힘 동작을 제어하기 위하여 인버터(150)에 모터 제어 요청 신호를 전송하는데, 즉, 수문을 개방하고자 하는 경우 수문 열림 요청 신호를 생성하여 인버터(150)에 전송하며, 수문을 닫고자 하는 경우 수문 닫힘 요청 신호를 생성하여 인버터(150)에 전송하며, 수문의 개방 속도 또는 닫힘 속도를 감속시키고자 하는 경우 감속 요청 신호를 생성하여 인버터(150)에 전송한다.

이와 같이 인버터(150)는, 지능형 스마트 제어기(100)의 요청에 따라서 모터(160)의 구동을 제어하게 되는데, 이때, 이물질이 혼합된 협잡물이 존재하여 수문이 안 움직일 수 있다. 수문이 안 움직이는데 수문을 움직이도록 하는 권양기를 동작시키는 모터(160)를 계속 회전시키고자 할 경우 모터 부하가 발생하여 모터(160)가 타는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이럴 경우 모터(160) 구동을 정지시켜 모터(160)를 보호할 필요가 있다.

이와 같이 모터(160)의 안전 보호 수단으로서, 지능형 스마트 제어기(100)는, 모터(160)에 부하가 걸려 동작되지 않는 모터 부하 발생 시에는, 도 5와 같이 수문 열림 요청 신호 또는 수문 닫힘 요청 신호에도 불구하고 모터(160)의 동작을 정지시키도록 하는 모터 정지 요청 신호를 생성하여 인버터(150)에 전송하도록 한다.

구체적으로는, 지능형 스마트 제어기(100)는, 수문 열림 요청 신호에도 불구하고 수문 개방이 완료되지 않은 상태에서 수문 움직임이 정지되었음이 감지되는 모터 부하가 발생하거나, 또는 상기 수문 닫힘 요청 신호에도 불구하고 수문 닫힘이 완료되지 않은 상태에서 수문 움직임이 정지되었음이 감지되는 모터 부하가 발생하는 경우. 모터(160)의 동작을 정지시키도록 하는 모터 정지 요청 신호를 생성하여 인버터(150)에 전송하도록 한다.

다만, 협잡물이 수문에 걸려 수문이 안 움직일 수 있으니 협잡물을 물에 떠내려가게 하여 수문을 원활하게 움직이게 할 필요가 있다. 즉, 수문을 하강 시키고자 하는데 수문 바닥면에 협잡물이 달라붙어 수문 하강이 안 이루어지는 경우 반대로 수문을 임시적으로 상승시켜 협잡물을 물에 떠내려가게 할 필요가 있다. 반대로 수문을 상승 시키고자 하는데 수문 바닥면에 협잡물이 달라붙어 수문 상승이 안 이루어지는 경우 반대로 수문을 임시적으로 하강시켜 협잡물을 물에 떠내려가게 할 필요가 있다.

이를 위하여 도 6에 도시한 바와 같이 모터 부하가 발생하는 경우 모터(160)의 동작을 정지시킨 후, 모터 동작 정지 후에 설정된 동작 재개 시간이 도래하면 수문을 상승시키는 모터 동작을 수행하는 제1단계와, 제1단계 수행 후에 상기 동작 재개 시간이 도래하면 수문을 하강시키는 모터 동작을 수행하는 제2단계를 설정된 반복 횟수만큼 반복적으로 수행하고, 제1단계와 제2단계의 반복이 완료된 후에, 상기 수문 열림 요청 신호 또는 수문 닫힘 요청 신호에 따른 모터 동작을 재개하도록 한다.

따라서 모터(160) 구동에도 불구하고 협잡물에 의하여 수문이 멈추어 모터(160)에 과부하가 걸릴 경우, 모터(160)를 교대로 번갈아 상승 및 하강 동작이 반복되도록 하여 협잡물이 물에 떠내려가도록 하여, 정상적인 수문 제어 복구가 가능하게 될 수 있다.

한편, 본 발명의 지능형 스마트 수문 제어 시스템은, 하천 또는 강의 수위를 감지하여 PLC(programmable logic controller)로 구현된 지능형 스마트 제어기에서 자동으로 개방과 닫힘을 할 수 있도록 구현할 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 지능형 스마트 수문 제어 시스템은, 하천 또는 강의 수위를 감지하는 수위 감지 센서를 구비한다. 따라서 지능형 스마트 제어기는, 수위 감지 센서를 통해 감지되는 하천 또는 강의 수위에 따라서 개방과 닫힘을 자동으로 제어할 수 있게 된다.

상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.

100:지능형 스마트 제어기 110:수문 높이 센서
120:풋 브레이크 센서(Foot Break Sensor)
130:수문 닫힘 센서 140:HMI 기기
150:인버터 160:모터

Claims (7)

1. 수문 개방 높이를 측정하는 수문 높이 센서;
   수문 상태를 표시하는 인터페이스인 HMI(Human Machine Interface) 기기;
   수문 전체 개방 높이 대비하여 측정되는 수문 개방 높이를 퍼센트(%)와 높이(m)의 디지털 수치로서 상기 HMI 기기에 표시하는 지능형 스마트 제어기;
   수문을 개방하거나 닫도록 권양기를 동작시키는 모터;
   상기 모터를 구동시키는 인버터;
   수문의 움직임이 정지되었는지를 감지하는 풋 브레이크 센서(Foot Break Sensor);
   수문 닫힘이 완료되었는지를 감지하는 수문 닫힘 센서;를 포함하고,
   상기 지능형 스마트 제어기는, 수문 개방이나 수문 닫히도록 모터를 제어하는 경우, 모터 구동의 초기 시점시에는 수문 움직임 속도가 제1속도가 되도록 상기 인버터를 제어하며, 미리 설정된 중간 시점에서는 수문 움직임 속도가 제1속도보다 빠른 제2속도가 되도록 상기 인버터를 제어하며, 미리 설정된 최종 시점에서는 수문 움직임 속도가 상기 제2속도보다 느린 제3속도가 되도록 하며, 상기 초기 시점의 제1속도에서 중간 시점의 제2속도로서 경사지게 증속되도록 하며, 상기 중간 시점의 제2속도에서 최종 시점의 제3속도로서 경사지게 감속되도록 상기 인버터를 제어하며,
   상기 지능형 스마트 제어기는, 수문을 개방하고자 하는 경우 수문 열림 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송하며, 수문을 닫고자 하는 경우 수문 닫힘 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송하며, 수문의 개방 속도 또는 닫힘 속도를 감속시키고자 하는 경우 감속 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송하고,
   상기 지능형 스마트 제어기는, 모터에 부하가 걸려 동작되지 않는 모터 부하 발생 시에는, 상기 수문 열림 요청 신호 또는 수문 닫힘 요청 신호에도 불구하고 모터의 동작을 정지시키도록 하는 모터 정지 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송하며,
   상기 지능형 스마트 제어기는, 상기 수문 열림 요청 신호에도 불구하고 수문 개방이 완료되지 않은 상태에서 수문 움직임이 정지되었음이 감지되는 모터 부하가 발생하거나, 또는 상기 수문 닫힘 요청 신호에도 불구하고 수문 닫힘이 완료되지 않은 상태에서 수문 움직임이 정지되었음이 감지되는 모터 부하가 발생하는 경우, 상기 모터의 동작을 정지시키도록 하는 모터 정지 요청 신호를 생성하여 상기 인버터에 전송하며,
   상기 모터 부하가 발생하는 경우 모터의 동작을 정지시킨 후, 모터 동작 정지 후에 설정된 동작 재개 시간이 도래하면 수문을 상승시키는 모터 동작을 수행하는 제1단계와, 제1단계 수행 후에 상기 동작 재개 시간이 도래하면 수문을 하강시키는 모터 동작을 수행하는 제2단계를 설정된 반복 횟수만큼 반복적으로 수행하고,
   제1단계와 제2단계의 반복이 완료된 후에, 상기 수문 열림 요청 신호 또는 수문 닫힘 요청 신호에 따른 모터 동작을 재개하는 지능형 스마트 수문 제어 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서, 상기 지능형 스마트 수문 제어 시스템은,
   하천 또는 강의 수위를 감지하는 수위 감지 센서;를 포함하며,
   상기 지능형 스마트 제어기는, 상기 수위 감지 센서를 통해 감지되는 하천 또는 강의 수위에 따라서 개방과 닫힘을 자동으로 제어하는 지능형 스마트 수문 제어 시스템.
   
   

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