KR20000012563A

KR20000012563A - 열처리기기용 온도공정제어장치

Info

Publication number: KR20000012563A
Application number: KR1019990057009A
Authority: KR
Inventors: 박준용
Original assignee: 오진석
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 1999-12-13
Publication date: 2000-03-06
Also published as: KR100303065B1

Abstract

본 발명은 요업, 제철, 석유화학, 냉난방, 냉온창고, 농장 등에서 이용하는 각종 로나 열처리장치 등의 온도를 제어하는 열처리기기용 온도공정제어장치에 관한 것으로, 종래의 온도공정제어장치가 정밀한 온도제어가 불가능하고, 다양한 열처리기기에 적용할 수 없음을 해결한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치는, 열처리기기의 온도를 전기량으로 검출하는 온도센서와; 상기 온도센서의 출력신호를 디지털회로에서 인식할 수 있는 전기신호로 변환해주는 트랜스듀서와; 상기 트랜스듀서의 출력신호를 분석하여 PID제어방식으로 온도를 제어하며, PID제어기의 계수 설정에 자동동조기법을 이용하고 설정된 계수가 오차범위를 벗어날 때는 백워드기법으로 계수를 보정하는 마이크로컨트롤러와; 상기 마이크로컨트롤러의 제어신호에 따라 열처리기기로 입력되는 전력을 스위칭하는 스위칭소자와; 상기 마이크로컨트롤러와 동일한 온도공정제어방식을 가지며, 더불어 화면상에 온도변화를 디스플레이하고, GUI(Graphical User Interface)방식으로 온도를 제어할 수 있도록 프로그래밍된 컴퓨터와; 상기 마이크로컨트롤러와 상기 컴퓨터가 네트워크를 구성하여, 원거리에 위치한 상기 컴퓨터가 상기 마이크로컨트롤러를 통하여 열처리기기의 온도공정제어가 가능하도록 해주는 통신모듈을 포함하여 구성되어, 일차적으로는 상기 컴퓨터에서 상기 마이크로컨트롤러를 I/O처럼 제어하여 온도공정제어를 수행하고, 상기 컴퓨터 고장시에는 제어권이 마이크로컨트롤러로 이전하는 fail-safe 개념을 갖는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 마이크로컨트롤러와 컴퓨터는 온도상승구간의 최대기울기(R)와, 오버슈팅이 발생하여 다시 셋포인트까지 돌아오기까지의 시간(L1)의 1/2을 지연시간(L)으로 하여 자동동조기법에 의해 PID제어기의 계수를 설정하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 열처리기기용 온도공정제어장치는 PID제어방식과, 자동동조기법, 백워드기법을 적용하여 정밀한 온도제어가 가능하고, 자동동조기법의 적용으로 다양한 열처리기기의 온도공정제어에 적용할 수 있다. 또한, GUI방식의 도입으로 운영자가 간편하게 온도를 제어할 수 있고, 통신모듈을 사용하여 원거리에서도 온도공정제어가 가능하다는 이점이 있다.

Description

열처리기기용 온도공정제어장치{temperature process control system for heating system}

본 발명은 요업, 제철, 석유화학, 냉난방, 냉온창고, 농장 등에서 이용하는 각종 로(爐)나 열처리기기 등 잠열이 대단히 많은 열처리 시스템의 온도를 제어하는 온도공정제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정밀한 온도공정제어가 가능하고, GUI(Graphical User Interface)방식으로 간편하게 온도공정제어가 가능한 열처리기기용 온도공정제어장치에 관한 것이다.

각종 로나 열처리기기는 공업용, 조리용, 요업용, 취미용 등 산업이나 실생활에서 사용되지 않는 곳이 없을 정도로 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히 전기로는 온도공정제어가 다른 로에 비해 간단하고, 용재에 불순물이 들어가지 않기 때문에 공업용 로로 많이 이용되고 있다. 또한, 공방이나 가정에서 소규모로 도자기의 건조와 같은 공예품의 제작시에도 흔히 이용된다.

이러한 로와 열처리기기의 온도공정제어에 있어서, 고부가가치인 열처리분야와 요업 분야는 정밀한 온도공정제어와 여러 단계의 소성공정을 요구한다. 어떤 온도에서 어느 정도의 시간동안 소성하느냐에 따라서 물성이 달라지기 때문에 이 분야에서의 온도공정제어는 매우 중요하다고 할 수 있다.

상기와 같은 열처리분야에서는 정밀한 온도공정제어가 필요하지만 종래의 열처리기기용 온도공정제어장치는 상기와 같은 요구를 만족시키지 못한다. 그리고 모든 제어개념이 전자, 정보산업의 급속한 발달로 인해 종래에 수행하던 수동 및 시퀀스적인 제어에서 자동제어관리 개념으로 바뀌고 있는 추세이다. 그러나 종래의 열처리기기용 온도공정제어장치는 멀티제어, 통신제어, 화면제어, 연동제어 등의 개념이 없는 8비트 마이크로프로세서를 이용한 단독제어개념을 가진 제어기이다. 따라서, 간단한 제어동작만 수행하고, 기계어를 기본으로 프로그램한 제어기이므로 다양한 알로리즘을 적용하기 어려워 정밀한 온도공정제어를 할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 진행중인 처리값들을 디스플레이하지 못한다. 따라서, 고장유무의 판단이 어렵고 오동작시 원인을 찾기가 대단히 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 프로그램의 수정과 보완이 어렵기 때문에 제어기의 기능을 추가하려면 전체 프로그램을 수정해야 하는 불편함이 있다. 그리고 제어기의 계수를 실험적인 기법이나 시행오차법을 적용하여 제어대상마다 설정해야 하며, 한 대의 제어기로 한 대의 시스템만 제어할 수 있기 때문에 제어기의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 정밀한 온도공정제어가 가능한 열처리기기용 온도공정제어장치의 제공을 제1목적으로 한다.

그리고 다양한 열처리기기의 온도공정제어에 사용할 수 있도록 제어기의 계수를 자동으로 세팅할 수 있는 범용성을 지닌 열처리기기용 온도공정제어장치의 제공을 제2의 목적으로 한다.

그리고 원거리에서도 화면을 통하여 온도공정제어가 가능한 열처리기기용 온도공정제어장치의 제공을 제3의 목적으로 한다.

도1은 본 발명에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치의 블럭도.

도2는 본 발명에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치의 시스템 구성도.

도3은 자동동조기법을 설명하기 위한 도면.

도4는 본 발명에 따른 온도공정제어프로그램의 전체적인 순서도.

도5는 본 발명에 따른 온도공정제어프로그램이 실행될 때의 제어화면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전기로 3 : 온도센서

10 : 온도공정제어기 11 : 마이크로컨트롤러

13 : 트라이악 19 : 메인컴퓨터

21 : RS-232C 통신모듈 23 : RS-485 통신모듈

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치는, 열처리기기의 온도를 전기량으로 검출하는 온도센서와; 상기 온도센서의 출력신호를 디지털회로에서 인식할 수 있는 전기신호로 변환해주는 트랜스듀서와; 상기 트랜스듀서의 출력신호를 분석하여 PID제어방식으로 온도를 제어하며, PID제어기의 계수 설정에 자동동조기법을 이용하고 설정된 계수가 오차범위를 벗어날 때는 백워드기법으로 계수를 보정하는 마이크로컨트롤러와; 상기 마이크로컨트롤러의 제어신호에 따라 열처리기기로 입력되는 전력을 스위칭하는 스위칭소자와; 상기 마이크로컨트롤러와 동일한 온도공정제어방식을 가지며, 더불어 화면상에 온도변화를 디스플레이하고, GUI(Graphical User Interface)방식으로 온도를 제어할 수 있도록 프로그래밍된 컴퓨터와; 상기 마이크로컨트롤러와 상기 컴퓨터가 네트워크를 구성하여, 원거리에 위치한 상기 컴퓨터가 상기 마이크로컨트롤러를 통하여 열처리기기의 온도공정제어가 가능하도록 해주는 통신모듈을 포함하여 구성되어, 일차적으로는 상기 컴퓨터에서 상기 마이크로컨트롤러를 I/O처럼 제어하여 온도공정제어를 수행하고, 상기 컴퓨터 고장시에는 제어권이 마이크로컨트롤러로 이전하는 fail-safe 개념을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이크로컨트롤러와 컴퓨터는, 자동동조기법에 의해 PID제어기의 계수를 자동으로 설정하는데 있어서, 온도상승구간의 최대기울기(R)와, 오버슈팅이 발생하여 다시 셋포인트(set point)까지 돌아오기까지의 시간(L1)의 1/2을 지연시간(L)으로 하여 자동동조기법에 의해 PID제어기의 계수를 자동으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 통신모듈은, 상기 컴퓨터에서 다수개의 열처리기기를 제어할 수 있도록 분산형 데이터수집모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치의 일 실시예를 블럭도로 나타낸 것으로 제어대상이 전기로인 경우이다.

도1을 살펴보면, 전기로(1)가 있고, 전기로(1)의 다음 단에는 온도센서(3)가 있고, 온도센서(3)의 다음 단에는 증폭기(5)가 있다. 증폭기(5)의 다음 단에는 A/D 컨버터(7), 제1통신모듈(9), 마이크로컨트롤러(11)가 있다. 다시 마이크로컨트롤러(11)는 제2통신모듈(15)을 통해 메인컴퓨터(퍼스널컴퓨터)와 연결된다. 그리고 마이크로컨트롤러(11)의 제어를 받는 LCD(15)와 트라이악(13)이 있다.

상기 온도센서(3)는 전기로의 온도를 전기량(전압)으로 측정하기 위한 구성이고, 상기 증폭기(5)는 온도센서(3)가 출력한 전압을 증폭하기 위한 구성이다.

상기 온도센서(3)는 전기로의 온도에 비례하는 전압을 출력한다. 그러나 이러한 온도센서(3)는 출력하는 전압이 매우 미세한 수 mV 정도이다. 따라서, 0~5[V] 정도의 전압에서 동작하는 디지털회로에서는 수 mV의 전압은 취급하기에 부적당하다. 또한, 온도를 측정하는 주변환경에서 유입되는 고주파잡음 등의 영향을 받아 온도센서(3)의 출력전압에 노이즈가 침입할 수 있으므로 이러한 문제점을 해결하기 위해 상기 증폭기(5)를 이용하여 온도센서(3)의 출력전압을 증폭하도록 구성한 것이다. 온도센서(3)가 출력한 수 mV의 전압은 증폭기(5)에 의해 증폭되어 수 V 로 된다.

상기 증폭기(5) 외에도 센서(3)의 출력신호를 필터링하고, 노이즈에 강하도록 설계할 필요가 있다. 예를 들면 온도센서의 다음 단에 필터를 삽입한 다음 증폭하도록 구성하던가, 노이즈가 칩입하지 못하도록 정전차폐를 시키는 등의 설계가 바람직하다. 도1에는 상세한 구성은 도시하지 않고 가장 중요한 증폭기(5)만 도시하였다.

다음으로, 증폭기(5) 다음 단의 A/D 컨버터(7)는 온도센서(3)가 출력한 전압을 디지털회로에서 인식할 수 있도록 디지털화시키기 위한 구성이다.

다음으로, 마이크로컨트롤러(11)는 실질적인 온도공정제어를 담당하는 부분으로, 본 실시예에서는 Microchip사에서 개발한 PIC 마이크로컨트롤러를 이용하였다. PIC 마이크로컨트롤러는 원칩으로 구성되어 A/D 컨버터나 타이머, 메모리, I/O 등 다양한 주변장치를 내장하고 있으며 가격도 저렴하여 근래에 각광받고 있는 마이크로컨트롤러이다. 본 실시예에서는 마이크로컨트롤러(11)가 A/D 컨버터를 내장하고 있지 않아, 마이크로컨트롤러(11)의 외부에 A/D 컨버터(7)를 따로 구성하였으나, A/D 컨버터(7)가 내장된 마이크로컨트롤러(11)를 사용한다면 본 실시예를 따르지 않고, 마이크로컨트롤러(11)의 외부에 별도의 A/D 컨버터를 구성하지 않아도 된다. 이럴 경우 온도공정제어장치의 구성은 훨씬 간단해질 것이다.

상기 마이크로컨트롤러(11)는 온도공정제어프로그램을 실행하여 온도공정제어를 행한다. 본 실시예에서 이용한 온도공정제어 알고리즘을 간략히 설명하면, 기본적으로 PID제어방식이며, 제어기의 계수를 자동으로 설정하도록 자동동조기법을 도입하였으며, 계수설정이 오차범위를 벗어나는 경우에 대비하여 계수를 백워드기법으로 보정하도록 하였다. 온도공정제어프로그램에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다. 마이크로컨트롤러(11)는 LCD(15)를 통하여 온도공정제어결과나 여러가지 사항들을 디스플레이한다.

다음으로, 상기 제1통신모듈(9)은 상기 A/D 컨버터(7)와 마이크로컨트롤러(11)를 통신으로 연결시켜주기 위한 구성으로, 본 실시예에서는 RS-232C와 RS-485, 그리고 통신프로토콜을 이용하여 구성하였다. 상기 RS-232C는 직렬통신에 많이 이용되는 인터페이스방식이며, 상기 RS-485는 분산시스템에서 데이터를 취합할 때 많이 이용하는 인터페이스방식이다. 본 실시예에서는 전기로의 온도를 원거리에서도 제어할 수 있도록 상기와 같은 RS-232C를 도입하였고, 또한 다수개의 전기로를 1개의 제어장치로 제어할 수 있도록 RS-485를 도입하였다. 그러나 제어해야 할 전기로나 열처리기기가 다수개가 아닌 1개일 때는 RS-485를 이용하지 않아도 되며, 원거리가 아닌 근거리에서 온도공정제어를 한다면 RS-232C를 이용하지 않고 바로 원보드(On-board)로 온도공정제어기를 구성해도 된다.

다음으로, 상기 트라이악(13)은 상기 마이크로컨트롤러(11)의 제어신호를 받아 전기로(1)로 입력되는 전력을 스위칭하기 위한 구성이다. 전력전자분야의 발달로 전력용 반도체소자가 여러가지 개발되어 있다. 그리고 대규모 전력용 반도체도 개발되어 있다. 교류전력을 양방향으로 제어할 수 있는 전력용 반도체소자로서 대표적인 것이 상기 트라이악이다. 본 실시예에서는 트라이악(13)을 스위칭소자로 사용하였지만 주변환경이 열악하여 스위칭소자로 반도체소자를 사용하기 어려운 곳에는 본 실시예를 따르지 않고 기계적 스위칭소자인 릴레이를 사용하여 구성하는 것도 가능하다.

다음으로, 상기 제2통신모듈(17)은 앞서 제1통신모듈(9)과 동일한 RS-232C와 RS-485, 통신프로토콜을 이용하여 구성하였으며, 이는 메인컴퓨터(19)에서 다수개의 온도공정제어기로부터 데이터를 취합하거나, 다수개의 온도공정제어기로 데이터를 송신할 수 있도록 구성한 것이다. 또한, 상기 제2통신모듈(17)의 도입으로 약 1.2km까지 원거리제어가 가능해진다.

다음으로, 상기 메인컴퓨터(19)는 GUI방식에 의한 그래픽화면처리로 온도공정제어및 감시, 관리 등이 쉽도록 프로그램되어 있으며, 마이크로컨트롤러(11)와 연동하여 전기로(1)의 온도를 제어하기 위하여 제2통신모듈(17)로 연결하였다.

공장과 같은 대규모시스템의 경우에는 구내의 모든 시스템을 중앙제어실의 메인컴퓨터에서 GUI방식으로 제어하는 것이 일반적이다. 따라서, 본 온도공정제어장치도 GUI방식으로 제어가 가능하도록 퍼스널컴퓨터(메인컴퓨터)를 도입하고 온도공정제어프로그램을 적절히 구성하였다. 온도공정제어프로그램은 메인컴퓨터(19)에서 작동되도록 윈도우즈를 운영체제로 하여 작성하였으며, 언어로는 객체지향적 언어인 'Visual C'를 이용하였다. 객체지향적 언어의 사용으로 상기 온도공정제어프로그램은 업그레이드 및 유지보수 기능이 탁월하다.

그리고 본 실시예에서는 상기 마이크로컨트롤러(11)를 중심으로 한 온도공정제어기(10)와 메인컴퓨터(19)에서 이중으로 온도공정제어가 가능하도록 구성하였다. 온도공정제어기(10)에는 마이크로컨트롤러(11)와 LCD(15)가 구성되어 있기 때문에 단독으로 전기로(1)의 온도를 제어하고, 제어결과를 LCD(15)를 통해 디스플레이할 수 있다. 물론 메인컴퓨터(19)를 이용한 GUI방식에 비할 바는 못되지만 LCD(15)를 통해서 문자나 간단한 그래픽으로 제어결과를 디스플레이하는 것은 가능하다. LCD(15)에 디스플레이된 내용에 따라 운영자는 온도를 재설정하거나 적당한 조취를 취하게 된다.

이와 같은 방식으로 온도공정제어기(10) 단독으로 온도공정제어를 행할 수 있고 또한, 온도공정제어기(10)와 메인컴퓨터(19)가 연동하여 전기로(1)의 온도를 제어할 수도 있다. 메인컴퓨터(19)와 온도공정제어기(10)가 연동하여 온도를 제어할 때는 온도공정제어기(10)가 메인컴퓨터(19)의 I/O 역할을 한다. 즉, 온도공정제어기(10)의 마이크로컨트롤러(11)는 온도센서(3)가 측정한 전기로(1)의 온도값을 제2통신모듈(17)을 통해 메인컴퓨터(19)로 전송해준다. 메인컴퓨터(19)는 온도제어프로그램에 의해 현재 전기로(1)의 온도상태를 파악하고, 적당한 제어신호를 제2통신모듈(17)을 통해 마이크로컨트롤러(11)로 출력한다. 마이크로컨트롤러(11)는 메인컴퓨터(19)로부터 다운로드한 데이터 즉, 제어신호에 따라 트라이악(13)을 제어하여 전기로(1)의 온도를 제어한다.

이와 같이 마이크로컨트롤러(11) 단독으로 온도공정제어가 가능하고 또한, 메인컴퓨터(19)와 연동으로 온도공정제어가 가능하도록 구성한 이유는 온도공정제어시스템의 이중화를 기한 것으로 본 실시예에서는 fail-safe 알고리즘을 적용하였다. 예기치 않은 사고로 메인컴퓨터(19)가 작동을 멈추게 되면 마이크로컨트롤러(11)로 제어권을 넘겨 마이크로컨트롤러(11)를 중심으로 한 온도공정제어기(10)에서 단독으로 전기로(1)의 온도공정제어를 행하도록 구성하였다.

다음으로, 도2(a)는 본 실시예에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치의 단일 시스템 구성도로, 1개의 전기로(1)의 온도를 원거리에서 제어할 때의 개략적인 구성도이고, 도2(b)는 온도공정제어장치의 다중 시스템 구성도이다.

도2(a)를 살펴보면, 본 실시예에 따른 온도공정제어장치(10)는 전기로(1)로부터 온도신호를 입력받고, 전기로(1)로 동작신호를 출력한다. 그리고 메인컴퓨터(17)와 RS-232C 통신모듈(21)를 통해 연결된다.

도2(b)을 살펴보면, N개의 전기로가 있고, 각각의 전기로에는 본 발명에서 구성한 온도공정제어기가 연결되고, RS-485 통신모듈(23)에 N개의 온도공정제어기가 연결되어 있다. RS-485 통신모듈(23)은 RS-232C 통신모듈(21)에 연결되고, 상기 RS-232C 통신모듈(21)은 메인컴퓨터(17)와 연결된다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 온도공정제어장치는 RS-485와 RS-232C 통신모듈(21, 23)을 이용하며, 이럴 경우 제어가능거리가 약 1.2km까지 연장된다.

다음으로 본 발명에서 적용한 온도공정제어 알고리즘에 대해서 설명한다.

기본적인 제어알고리즘은 다음 식(1)과 같은 PID 제어알고리즘이다.

e(k) : 에러 M₀: 에러가 0일 때 조작량 K_p: 비례대

T_s: 샘플링주기 T_i: 적분시간 T_d: 미분시간

본 발명에서는 최고의 제어정밀도를 얻기 위하여 PID제어기로 구성하였고, 제어가 정상상태임을 판정하기 위한 영역인 정정대 영역을 온도 단계별로 목표값 1%에서 0.2% 사이에 설정하는 실험적인 기법을 적용하였다.

또한, 본 발명에서는 PID제어기의 계수를 자동으로 설정하기 위하여 자동동조기법을 이용하였고, 저온영역에서 자동동조기법에 의한 계수설정이 오차범위를 벗어나는 경우가 있으므로 계수를 백워드기법으로 보정하도록 하였다. 백워드기법은 공지의 기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

모든 열처리기기의 온도특성이 동일한 것은 아니다. 즉, 입력전력에 대한 출력이 기기마다 다르기 때문에 동일한 전력을 동일한 시간동안 공급하더라도 온도변화는 다르다. 이러한 이유로 종래에 개발되었던 대부분의 온도공정제어기는 특정 열처리기기만을 대상으로 온도공정제어를 행할 수 있다. 즉, 전용의 온도공정제어기로만 이용가능한 것이다. 따라서, 제어대상이 달라지면 그에 맞는 온도공정제어기를 따로 구입해야 하므로 경제적으로 큰 부담이 가는 문제점이 있었다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 즉, 제어대상에 유동적인 범용의 온도공정제어기를 실현하기 위하여 상기와 같은 자동동조기법을 적용하였다. 도3은 본 발명에서 적용한 자동동조기법을 설명하기 위한 예시 도면이다.

도3의 그래프에서 횡축은 시간축이고 종축은 온도축이다. 즉, 도3의 그래프는 시간에 따른 전기로(1)의 온도변화를 그래프로 도시한 것이다.

자동동조기법은 일단, 제어하고자 하는 전기로(1)의 특성을 실험을 통하여 데이터베이스화 해놓는다. 그리고 작성해놓은 데이터베이스에 따라 온도공정제어를 행하게 된다. 제어대상에 대한 실험은 마이크로컨트롤러(11)나 메인컴퓨터(19)에서 일단, 임의의 온도(set point1)를 지정하고, 트라이악(13)을 제어하여 전기로(1)에 전원을 투입하고, 시간의 경과에 따른 온도변화를 온도센서(3)를 통해 측정한다. 온도를 측정하여 지정한 온도(set point1)에 도달하면 트라이악(13)을 오프시켜 전기로(1)로 유입되는 전원을 차단한다. 즉, 전기로(1)를 전기적으로 오프시킨다. 그리고 온도센서(3)를 통해 계속해서 전기로(1)의 온도변화를 측정한다. 온도는 관성이 대단히 크기때문에 전기로(1)를 오프시킨다고 해서 바로 온도가 상승을 멈추는 것이 아니고 도3과 같이 오버슈트(overshoot)가 발생한다. 온도공정제어나 모터제어 등 관성을 가지는 대상을 제어하는 것은 이러한 오버슈트때문에 정밀한 제어가 어렵다.

전기로(1)를 오프시킨 후 어느 정도 시간이 지나면 전기로(1)의 온도는 상승을 멈추고 하강하게 된다. 온도가 하강하여 앞서 설정한 온도값(set point1)에 도달하면, 처음 오버슈트가 일어난 후 이때까지의 시간(t1~t2) 즉, L1을 측정하고, 온도상승구간(ramp 구간)의 기울기(R1)를 측정한다. 그리고 R1중 최대 기울기를 R로 결정하고, L1의 1/2을 L로 결정한다. R과 L이 결정되면 지골라-니콜스기법에 의해 PID 제어에 필요한 파라미터값을 구하게 되고, 파라미터값에 따라 온도공정제어를 행하게 된다. PID제어기의 계수를 구하는데 지골라-니콜스기법은 많이 이용되고 있는 기법이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

그리고 보다 정밀한 계수값을 구하기 위해서 제2의 온도세팅값(set point2)을 다시 설정하여 앞서와 유사한 방법으로 온도를 다시 제2세팅값(set point2)까지 상승시키고 설정한 온도(set point2)에 도달하면 트라이악(13)을 오프시킨다. 두번째로 온도를 상승시키는 구간에서 기울기(R2)를 측정하고 기울기 중 최대의 기울기를 R로 결정한다. 그리고 제1세팅값(set point1)에 도달한 후 다시 제2세팅값(set point2)에 도달할 때까지의 시간(t1~t3), L2를 측정하고, L2의 1/2을 L로 결정하여 지골라-니콜스기법에 의해 PID 제어에 필요한 파라미터값을 구한다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치의 프로그램을 첨부한 순서도를 참조하여 설명한다.

도4는 온도공정제어프로그램의 전체적인 순서도이다. 순서도를 살펴보면, 스타트하여 일단, 모니터상에 기본적인 온도공정제어화면을 디스플레이한다.(S1) 다음으로, 운영자가 원하는 온도나, 임의의 온도를 유지시키고자 하는 시간 또는 단계별로 온도를 제어할 필요가 있을 때 각 단계를 입력한다.(S2) 다음으로, 제어모드를 선택하게 되는데 단단계 모드로 온도를 제어할 것인지 다단계 모드로 온도를 제어할 것인지를 선택하게 된다.(S3) 단단계 모드가 선택되었을 경우에는 도중에 온도를 유지하는 구간없이 설정된 온도까지 온도를 상승시킨다.(full on control, S4) 설정된 온도까지 온도가 상승되면 트라이악을 오프시켜 온도 상승을 억제하고, 온도가 상승되어 가는 과정을 드로잉(drawing)하게 될 그래프폼(graph form)을 모니터상에 디스플레이하게 된다.(S5) 다음으로, 온도를 일정하게 유지하고(hold control), 현재의 온도를 디지털값과 그래프로 디스플레이한다.(S9)

한편, 다단계 모드가 선택되었을 경우에는 온도가 상승되어 가는 과정을 드로잉하게 될 그래프폼을 모니터상에 디스플레이하고(S6) 다음으로, 온도를 상승시킨다.(ramp coontrol, S7) 전기로의 온도가 설정된 온도에 도달하면 이제부터는 일정하게 온도를 유지하는 단계(hold control)로 들어간다.(S8) 그리고 현재의 온도를 디지털값과 그래프로 디스플레이한다.(S9) 1단계에 대한 온도값과 그래프 디스플레이하는 과정이 끝나면 온도상승 단계가 마무리되었는지를 검사하고(S10) 다음 단계가 있으면 다시 상기의 과정을 반복하고, 다음 단계가 없으면 종료한다.

도5는 온도공정제어프로그램을 실행한 제어화면을 도시한 것으로, 도5에 도시된 바와 같이 윈도우즈상에서 GUI방식으로 실행되므로 운영자가 간단한 조작만으로도 온도를 제어할 수 있고, 처음으로 접하는 운영자라도 별 어려움없이 손쉽게 온도공정제어를 할 수 있다. 도5에 도시된 그래프에서 횡축은 시간축이고 종축은 온도축이다. 도5에서는 시간축이 650분까지이고, 온도축이 1600°까지 도시되어 있으며 4단계로 온도가 상승되어 가는 과정이 그래프로 도시되어 있다. 온도가 시간변화에 따라 상승하는 구간은 램프컨트롤(ramp control)단계이고, 온도가 시간변화에 대해 일정한 구간은 백워드기법에 의해 온도를 일정하게 유지하는 홀드컨트롤(hold control)단계이다. 1단계에 대한 온도상승과 온도유지가 마무리되고 2단계로 온도를 임의의 온도로 유지시킬 때는 다시 램프컨트롤과정과 홀드컨트롤과정을 반복한다.(S3~S10) 최종 단계까지 상기의 과정을 반복한다.

상기 도5에 나타낸 화면은 어디까지나 일 실시예에 의한 것이며, 본 온도공정제어프로그램은 시간축과 온도축이 제한되지 않도록 프로그램되어 있다. 즉, 운영자가 단계별 온도와 온도유지시간 등을 입력하면, 이에 맞게 그래프폼을 그리는 함수가 시간축과 온도축을 적당히 설정하여 축을 디스플레이하게 된다. 또한, 램프시간(ramp time)과 홀딩시간(holding time)을 공정에 맞게 자유롭게 조정이 가능하도록 프로그램되어 있다.

온도공정제어프로그램이 실행되는 동안 온도를 상승시켜야 할 부분에서는 트라이악(13)을 온시켜 전기로(1)에 전원을 인가한다. 전기로(1)에 전원이 인가되면, 인가된 전원이 열에너지로 변환되어 전기로(1)의 온도가 상승한다. 온도센서(3)는 실시간으로 전기로(1)의 온도에 비례하는 전압을 출력하게 되고, 마이크로컨트롤러(11)는 일정한 주기로 온도센서(3)의 출력전압을 체크한다.

마이크로컨트롤러(11)와 메인컴퓨터(19)가 통신모듈(17)로 연결되어 온도공정제어를 할 때는 마이크로컨트롤러(11)에서 체크한 온도값이 메인컴퓨터(19)로 전송된다. 그리고 체크된 온도는 메인컴퓨터(19)의 모니터상에 디스플레이되기 때문에 운영자는 실시간으로 제어의 전공정을 화면을 통해 알 수 있다. 그리고 메인컴퓨터(19)에서 온도공정제어가 이루어질 때는 온도센서(3)의 출력전압에 해당하는 데이터를 마이크로컨트롤러(11)가 도1의 제2통신모듈(17)을 통해 전송하게 되지만, 온도공정제어기(10) 단독으로 온도공정제어를 행할 때는 마이크로컨트롤러(11)가 온도센서(3)의 출력전압을 분석하여 설정된 온도값과 비교하여 제어기로서 동작한다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 열처리기기용 온도공정제어장치는 PID제어방식과, 자동동조기법, 백워드기법을 적용하여 정밀한 온도공정제어가 가능하다. 그리고 자동동조기법의 적용으로 다양한 열처리기기의 온도공정제어에 적용할 수 있다. 또한, GUI방식의 도입으로 운영자가 간편하게 온도를 제어할 수 있고, 통신모듈을 사용하여 원거리에서도 화면을 통하여 온도공정제어가 가능하다는 이점이 있다. 본 열처리기기용 온도공정제어장치는 요업, 제철, 석유화학, 냉난방, 냉온창고, 농장 등에서 사용하는 각종 로나 열처리기기의 온도공정제어에 이용가능하다.

Claims

열처리기기의 온도를 전기량으로 검출하는 온도센서와;

상기 온도센서의 출력신호를 디지털회로에서 인식할 수 있는 전기신호로 변환해주는 트랜스듀서와;

상기 트랜스듀서의 출력신호를 분석하여 PID제어방식으로 온도를 제어하며, PID제어기의 계수 설정에 자동동조기법을 이용하고 설정된 계수가 오차범위를 벗어날 때는 백워드기법으로 계수를 보정하는 마이크로컨트롤러와;

상기 마이크로컨트롤러의 제어신호에 따라 열처리기기로 입력되는 전력을 스위칭하는 스위칭소자와;

상기 마이크로컨트롤러와 동일한 온도공정제어방식을 가지며, 더불어 화면상에 온도변화를 디스플레이하고, GUI(Graphical User Interface)방식으로 온도를 제어할 수 있도록 프로그래밍된 컴퓨터와;

상기 마이크로컨트롤러와 상기 컴퓨터가 네트워크를 구성하여, 원거리에 위치한 상기 컴퓨터가 상기 마이크로컨트롤러를 통하여 열처리기기의 온도공정제어가 가능하도록 해주는 통신모듈을 포함하여 구성되어,

일차적으로는 상기 컴퓨터에서 상기 마이크로컨트롤러를 I/O처럼 제어하여 온도공정제어를 수행하고, 상기 컴퓨터 고장시에는 제어권이 마이크로컨트롤러로 이전하는 fail-safe 개념을 갖는 것을 특징으로 하는 열처리기기용 온도공정제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러와 컴퓨터는, 자동동조기법에 의해 PID제어기의 계수를 자동으로 설정하는데 있어서,

온도상승구간의 최대기울기(R)와, 오버슈팅이 발생한 후 다시 셋포인트(set point)로 돌아오기까지의 시간(L1)의 1/2을 지연시간(L)으로 하여 자동동조기법에 의해 PID제어기의 계수를 자동으로 설정하는 것을 특징으로 하는 열처리기기용 온도공정제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 통신모듈은, 상기 컴퓨터에서 다수개의 열처리기기를 제어할 수 있도록 분산형 데이터수집모듈을 포함하여 구성되는 열처리기기용 온도공정제어장치.