KR102461463B1 - 보일러 온도 자동제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 IoT기술에 의한 산업용 등 대규모 보일러의 온도 자동제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 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.
본 발명에 따르면 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 있는 효과가 있다.

Description

보일러 온도 자동제어 시스템{AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROLL SYSTEM FOR BOILER}

본 발명은 IoT기술에 의한 산업용 등 대규모 보일러의 온도 자동제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 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.

기존의 산업용 보일러는 몇 가지 경우의 수만 의존하는 제한적 자동제어시스템을 구성하고 있다.

이 때문에, 현재 산업용 보일러는 보일러 스스로가 가동 중 각 상황을 실시간 판단하여 스스로 최적의 판단을 내리는 소위 "지능형 자동 보일러 제어(Intelligent Automatic Boiler Control : IABC)" 기능을 만족하고 있지 않다.

이러한 실정을 감안하여, 최적의 연소구간을 실시간 스스로 판단하여 제어하는 "지능형 자동 연소 제어(Intelligent Automatic Combustion Control : IACC)" 기능과, 드럼내 워터의 최적수위 구간을 실시간 스스로 판단하여 제어하는 "지능형 드럼 레벨제어(Intelligent Drum Level Control : IDLC)" 기능과, 이와 동시에 보일러 가동 시 화학적 특성을 이용하여 NOx 등의 공기클러스터의 분해를 토안 연소가능 산소를 증가시키고 NOx 등의공해 요소를 제거함으로 지능형 자동 연소 제어기능에서의 연소 제어성을 향상시킴으로 연소 효율 및 친 환경성을 동시에 증진시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

KR 10-2018-0060158 A KR 10-2015-0071678 A

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서 부터 온도정보를 수집하여 보일러 내부의 온도분포를 실시간으로 모니터링하고, 온도정보의 분포에 따라 보일러 온도를 자동으로 제어함으로써, 보일러의 효율을 최적화할 수 있도록 하는 시스템를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도감지정보를 실시간 수집하는 온도감지정보 수집부와; 수집한 온도감지정보를 이용하여 보일러 내부의 각 위치별 온도변화에 따른 증감패턴을 추출하고, 추출한 증감 패턴의 추세를 분석함으로써, 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 이상징후 감지 및 예측부와; 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 포함하며, 상기 보일러 제어부는 상기 보일러에 공급되는 연료량의 증가량과 감소량의 정보를 상기 시간대비 온도변화율과 결합하여 온도 변화량을 결정하며, 상기 온도센서는 복수의 음향송신기와 음향수신기를 구비하며, 상기 음향송신기는 서로 다른 주파수, 출력, 파형의 음향을 송신하며, 상기 음향수신기는 상기 음향송신기로부터 송신되는 음향을 수신하며, 상기 보일러 제어부는 상기 음향수신기에 수신되는 음향의 속도를 계산하여 상기 보일러 내부의 온도를 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 보일러 제어부는 상기 음향수신기가 특정 음향을 수신했을 때, 어느 음향송신기로부터 송신된 음향인지를 확인하기 위해 상기 음향의 파향을 확인하는 것을 특징으로 한다.

상기 음향의 파형은 음향의 출력을 단계적으로 높이거나 단계적으로 낮추는 방식으로 변형되는 것을 특징으로 한다.

상기 음향의 파형은 음향의 출력의 증가 횟수와 감소 횟수를 다르게 조정하거나, 음향의 파형의 위상을 반대로 뒤집는 방식으로 변형되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 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 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템을 나타낸 개념도.
도 2는 자동제어시스템에 구비된 보일러 온도 자동제어 장치의 내부 구성을 나타낸 블럭도.
도 3은 자동제어시스템을 이용하여 보일러 온도를 자동으로 제어하는 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 음향 기체온도 측정장치의 구성을 나타낸 배치도.
도 5는 기체온도 측정장치의 구조를 나타낸 사시도.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "보일러 온도 자동제어 시스템"(이하, '자동제어시스템'이라 함)을 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보일러 온도 자동제어 시스템을 나타낸 개념도이며, 도 2는 자동제어시스템에 구비된 보일러 온도 자동제어 장치의 내부 구성을 나타낸 블럭도, 도 3은 자동제어시스템을 이용하여 보일러 온도를 자동으로 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명의 자동제어시스템(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.

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.

도 3에 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, S140)

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 경우에는 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.(S160)

한편, 도 4는 음향 기체온도 측정장치의 구성을 나타낸 배치도이며, 도 5는 기체온도 측정장치의 구조를 나타낸 사시도이다.

본 발명의 온도센서(200)는 보일러(500)의 내부에 설치되며, 보일러(500) 내부에서 음향의 전달속도를 측정하여 온도를 역으로 계산하는 방식을 사용하는 수단이다. 이를 위해 온도센서(200)는 복수의 음향송신기와 음향수신기를 구비하며, 각각의 음향송신기는 서로 다른 주파수, 출력, 파형의 음향을 송신하며, 각각의 음향수신기는 음향송신기로부터 송신되는 음향을 수신한다. 그리고 보일러 제어기(600)는 음향수신기에 수신되는 음향의 주파수, 출력, 파형으로부터 어느 음향송신기로부터 발생된 음향인지를 확인한다. 그리고 해당 음향을 송신한 음향송신기의 출력 음향의 파형과, 음향수신기가 수신한 음향의 파형을 비교하여 전파시간(time-of-flight)을 계산한다.

전파시간은 특정 음향송신기로부터 특정 음향수신기로 음향이 전파되는데 걸린 시간으로서, 음향의 속도에 반비례한다. 보일러(500)에 내부에 설치되는 음향송신기와 음향수신기는 정해진 위치에 설치되어 있으므로, 사용중인 보일러(500)에서 복수의 음향송신기와 음향수신기 사이의 거리에 대한 정보는 이미 제어기(600)에 저장되어 있다.

기체의 온도와 음향의 속도는 아래의 식으로 표시된다.

여기서 C는 음향의 속도이며, R은 기체상수, T는 기체의 절대온도, M은 질량수, κ는 단열계수이다. 즉, 일반 상수인 R과 κ 외에 질량수인 M의 값을 알 수 있고, 음향송신기와 음향수신기 사이의 음향의 송수신 시점을 계산할 수 있으며 음향의 속도를 계산할 수 있으므로, 역으로 기체의 온도(T)를 계산할 수 있다.

도 4에는 총 8개의 송수신기가 도시되어 있는데, 도 4에 도시된 송수신기는 음향송신기와 음향수신기가 일체형으로 구성된 형태이다.

또한 도 5에 도시된 송수신기는 보일러(500)의 측면에 설치되는 수단으로서, 혼(Horn)과 피에조 마이크로폰 등의 구성으로 이루어진 송수신기를 나타낸다.

특히 음향수신기가 특정 음향을 수신했을 때, 어느 음향송신기로부터 송신된 음향인지를 확인하기 위해 출력이나 주파수를 확인하지만, 이외에도 음향의 파향을 확인함으로써 출처를 확인할 수도 있을 것이다. 즉, 복수의 음향송신기가 송신하는 음향의 파형을 특정 형태가 되도록 조절할 수 있다.

음향의 파형은 출력이나 주파수와 연계하여 변형될 수 있지만, 음향의 출력을 단계적으로 높이거나 단계적으로 낮추는 방식으로 변형할 수 있다. 또한, 출력의 증가 횟수와 감소 횟수를 다르게 조정하거나, 음향의 파형의 위상을 반대로 뒤집어서 송신할 수도 있다.

본 발명에서는 복수의 음향송신기가 음향의 파형을 개별적으로 변형하여 송신하고, 복수의 음향수신기는 수신되는 음향의 파형을 각각 감지한다. 그리고 음향의 파형을 그래프로 이미지화하고, 송신 음향의 파형과 수신 음향의 파형을 이미지로 비교하여 동일성을 확인한다. 그리고 이를 통해 해당 음향을 송신한 음향송신기를 확인한 후, 음향송신기와 음향수신기 사이의 거리를 이용하여 음향의 속도를 계산한다. 그리고 위의 수학식 1에서 보일러(500) 내부의 온도를 계산한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 자동제어시스템 100 : 보일러 온도 자동제어장치
200 : 온도센서 300 : 센서노드
400 : 라우터 500 : 보일러
600 : 보일러 제어기

Claims (4)

1. 보일러 내부에 위치하는 복수의 온도센서로부터 온도감지정보를 실시간 수집하는 온도감지정보 수집부와;
   수집한 온도감지정보를 이용하여 보일러 내부의 각 위치별 온도변화에 따른 증감패턴을 추출하고, 추출한 증감 패턴의 추세를 분석함으로써, 보일러의 이상징후를 감지하거나 예측하는 이상징후 감지 및 예측부와;
   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 포함하며,
   상기 보일러 제어부는 상기 보일러에 공급되는 연료량의 증가량과 감소량의 정보를 상기 시간대비 온도변화율과 결합하여 온도 변화량을 결정하며,
   상기 온도센서는
   복수의 음향송신기와 음향수신기를 구비하며, 상기 음향송신기는 서로 다른 주파수, 출력, 파형의 음향을 송신하며, 상기 음향수신기는 상기 음향송신기로부터 송신되는 음향을 수신하며,
   상기 보일러 제어부는 상기 음향수신기에 수신되는 음향의 속도를 계산하여 상기 보일러 내부의 온도를 계산하며,
   상기 보일러 제어부는 상기 음향수신기가 특정 음향을 수신했을 때, 어느 음향송신기로부터 송신된 음향인지를 확인하기 위해 상기 음향의 파형을 확인하되,
   상기 음향의 파형은 음향의 출력을 단계적으로 높이는 증가 횟수와 단계적으로 낮추는 감소 횟수를 다르게 조정함과 동시에 파형의 위상을 반대로 뒤집는 방식으로 변형되며,
   상기 음향수신기는 수신된 음향의 파형을 그래프로 이미지화하고, 송신 음향의 파형과 수신 음향의 파형을 이미지로 비교하여 동일성을 확인하는 것을 특징으로 하는, 보일러 온도 자동제어 시스템.
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