KR20110014302A - I2c bus를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치 - Google Patents

I2c bus를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밸브구동용 전동 액추에이터(ELECTRIC ACTUATOR FOR VALVE CONTROL)를 제어하기 위한 제어장치에 I2C BUS를 적용하여 제어용 배선수를 감소시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치는 액추에이터 내부에 장착된 각 부분을 PCB를 사용하여 모듈화하고, 모듈내부에 I2C BUS 소자인 I/O EXPANDER, A/D CONVERTER, D/A CONVERTER 등을 장착하여 I2C BUS를 통해 제어 할 수 있게 만들며, 모듈과 모듈은 I2C BUS를 사용하여 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치는 배선을 단순화함으로써 제품 조립에 소비되는 시간과 비용을 절감하고, 새로운 선택사양의 추가가 용이하며, 자재관리를 단순화 할 수 있는 장점을 사용자에게 제공한다.
Figure P1020090071871
I2C ACTUATOR VALVE 밸브개폐기

Description

I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치{AN ELECTRIC ACTUATOR CONTROLLER FOR VALVE CONTROL USING I2C BUS}
밸브구동용 전동 액추에이터(이하, 액추에이터)는 산업현장에서 수처리, 유처리, 기체 제어를 위해 많이 사용하는 밸브(VALVE)를 원거리에서 조작할 수 있도록 모터,감속기,각종 한계스위치(LIMIT SWITCH), 조작 명령 입력 수단등을 구비한 기기이다.
액추에이터는 사용자가 원하는 만큼 밸브를 구동시키기 위해 모터(MOTOR)를 정/역으로 회전시키고, 모터로 감속기를 구동하여 회전력을 증가시킨 뒤 장작된 밸브를 구동하고, 그 결과를 사용자가 알아볼 수 있도록 해당 신호를 릴레이(RELAY), 4-20mA CURRENT LOOP 등으로 사용자에게 전송한다.
기술의 발달로 액추에이터 제어장치에 다양한 종류의 CPU(CENTRAL PROCESSING UNIT)가 사용되고 있어, 정밀한 제어가 가능해지고 다양한 부가기능이 탑재되고 있으나, 그에 비례하여 필요한 배선수가 증가하여 제품을 생산하는데 있어 필요한 시간과 비용이 증가되고 있다.
본 발명의 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치에 사용되 는 I2C BUS는 기판 내부에서 CPU와 EEPROM, D/A COVERTER, A/D CONVERTER 등의 상호 통신을 위해 개발된 저속의 통신용 프로토콜이다. 기존의 부품에 덧붙여 디지털 신호를 입출력할 수 있는 I/O EXPANDER, LCD등의 부품이 속속 추가로 개발되고 있다. 신호를 전송하는 SDA, 동기용 클록펄스를 전송하는 SCL의 두선만을 사용하여 최대 400 KBIT의 속도로 통신할 수 있다. MULTI DROP 방식을 사용하고, 칩이 고유한 ID를 가지게 하여 최대 1024개까지 한 회선에 접속할 수 있다.
또한 MASTER- SLAVE 방식으로 동작하는 것도 특징인데, CPU를 제외한 각 칩들은 데이터를 처리할 능력이 없다. 모든 데이터의 처리 및 제어는 CPU가 각 칩들의 상태를 읽거나 쓰는 동작을 통해 제어한다. 따라서 CPU를 제외한 칩들은 가격이 저렴한 장점이 있다.
최대 속도가 400 KBIT이므로 고속의 기기에는 운용할 수 없어 그 이용이 제한적이나, 본 발명의 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치는 감속기의 초당 회전수가 수 회내지 수십회에 불과하여 I2C BUS를 사용하여도 충분한 통신 속도를 확보할 수 있다.
현재 기술의 발달로 액추에이터 제어장치에 CPU를 사용하여 성능과 신뢰성을 높이면서 다양한 부가기능을 장착한 제품이 출시되고 있는 상태이다. 하지만 CPU의 사용에는 그 특성상, CPU 주변으로 제어용 배선이 집중되는 문제점이 있고, 다양한 기능의 장착에는 일반적으로 배선수도 함께 증가하는 경향이 있다.
액추에이터 제어장치가 장착되는 부분은 매우 협소한 공간이여서 배선수의 증가는 생산작업의 어려움으로 직결된다. 일부 FLAT CABLE과 고밀도 콘넥터의 사용 등으로 배선의 복잡도를 경감시키고 있으나, 배선수를 줄이는 근본적인 방법은 아니여서 그 효용성은 한계를 가지게 된다.
또한 기존의 방법은 액추에이터가 현장에 설치된 후에 새로운 기능의 추가에 어려움이 있고, 일정한 동작 수명을 가지고 있는 부품의 유지 및 보수에도 상당한 어려움이 따른다.
도 2는 기존의 방법으로 구성된 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치의 구성을 보여주는 도면이다. CPU와 현장에서 액추에이터를 구동하는데 필요한 LOCAL SWITCH 및 DISPLAY 등으로 구성된 CPU BOARD부, 액추에이터와 외부회로를 연결하는 TERMINAL BLOCK부, 모터(MOTOR)와 모터를 구동하는 REVERSING CONTACTOR부 그리고 현재 위치를 검출하는 LIMIT SWITCH부 등으로 구성되는데, 정보처리를 위해 배선이 CPU로 집중되는 것을 보여준다. 실제로는 여기에 더하여 직류 전원공급과 기타 배선이 더해져서 더욱 복잡한 모습을 보여준다.
본 발명의 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치는 앞에서 열거한 기존 배선방식을 적용한 액추에이터 제어장치의 단점을 해결하기 위하여 액추에이터 각 회로를 몇 개의 모듈로 분할 하고, 각 모듈은 기판화하며, CPU와 각 모듈 사이에는 I2C BUS용 칩들을 사용하여 INTERFACE 시키도록 한다. 기존의 I2C BUS 배선은 기판내부에서 사용되던 것에 비해 본 발명에서는 모듈과 모듈을 연결하 는 배선으로 I2C BUS를 사용하는 것이 특징이며, 배선은 직류전원과 함께 콘넥터로 처리하여 하나의 콘넥터는 VCC, GND, SDA, SCL로 구성되고, 모든 모듈과의 접속에는 동일한 콘넥터를 반복적으로 연결하는 것만으로 신호의 결선이 마무리된다.
본 발명의 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치는 기존의 방법으로 결선한 제품에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫째로 배선이 간소화되고 동일한 배선을 연속적으로 사용하므로 제품의 생산에 필요한 시간과 비용을 줄일 수 있고, 불량률도 감소시킨다.
둘째로 특정 모듈이 어디에 위치하던지 상관이 고유의 ID만으로 인식이 되므로 상황에 따라 융통성있는 생산이 가능하다.
세째로 새로운 기능의 추가가 용이하다.
네째로 신규인력에 대한 교육비 및 시간을 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치의 구성을 보여주는 도면이다. 3상 전원으로 동작되는 밸브구동용 전동액추에이터 제어장치에 I2C BUS를 적용하여 설명하면 다음과 같다.
첫째로 그 구성은 I2C MASTER로 동작하여 전체 I2C 칩들을 제어하는 CPU(101)와 I2C BUS 인터페이스를 갖는 표시용 LCD로 구성된 DISPAY(102) 및 현장에서 액추에이터를 조작하는데 필요한 LOCAL SWITCH로 구성된 CPU BOARD(100)와 전체의 전원이 되는 3상 전원이 입력되고, 원격에서 사용자의 동작 명령이 입력되며 릴레이를 통해 각종 신호를 출력할 수 있는 TERMINAL BOARD(200)와 3상 전원의 상태를 감시하는 3 PHASE SENSING CIRCUIT와 모터를 구동하는 가역접촉기(REVERSING CONTACTOR)로 구성된 POWER BOARD(300)와 액추에이터의 현재 개도상태(OPENING PERCENT)를 각종 한계스위치와 POTENTIOMETER의 저항값 변화로 전송하는 LIMIT SWITCH BOARD(400)와 모듈들을 연결하는 I2C BUS(500)와 모터(600)로 이루어진다.
세부적으로 구성을 살펴보면, TERMINAL BOARD(200)는 사용자가 원격에서 액추에이터를 동작시키는 명령을 입력하는 원격 입력부(202)와 액추에이터의 상태정보를 릴레이를 통해 출력시키는 릴레이 출력부(203), CPU로 I2C BUS를 통해 원격 입력부의 신호를 전달하고, CPU의 출력신호로 RELAY를 구동해 원격으로 출력시키는 I/O EXPANDER(201)로 구성되며, CPU는 I/O EXPANDER의 상태를 읽는 동작을 통해 원격 입력부의 명령을 받아들이고, I/O EXPANDER에 쓰기 동작을 통해서 필요한 RELAY를 구동할 수 있다.
204는 I2C BUS를 통해 전압이나 전류를 아날로그 값으로 출력하는 상태를 보여주는 예로, CPU를 통해 D/A CONVERTER에 쓰기 동작을 하는 것으로 원하는 아날로그 수치를 출력할 수 있다.
POWER BOARD(300)는 액추에이터 내부에서 필요한 전원을 공급하기 위한 POWER SUPPLY(302)와 입력되는 3상의 불량 유무를 검사하여 상 회전 방향과 결상 유무를 출력하는 3 PHASE SENSING CIRCUIT(303)와 모터를 정역시키는 가역접촉기(304) 3 PHASE SENSING CIRCUIT의 신호를 받아들이고, 가역접촉기를 구동하는 신호를 출력하는 I/O EXPANDER(301)로 구성된다.
LIMIT SWITCH BOARD(400)는 닫침 토크 스위치(CTS), 열림 토크 스위치(OTS), 닫침 한계 스위치(CLS), 열림 한계 스위치(OLS) 신호와 현재 개도값(OPENING PERCENTAGE)을 POTENTIOMETER(403)를 통해 입력받는다. 각 스위치 값은 디지틀 값이므로 I/O EXPANDER(401)을 통해 입력받고, 가변저항의 값은 A/D CONVERTER(402)를 통해 입력받게 된다.
두번째로 그 동작을 살펴보면, CPU(101)는 액추에이터가 동작을 하지않는 상태에서도 항상 최신 상태정보를 유지할 필요가 있으므로 CPU는 모든 I/O EXPANDER인 201과 301과 401 및 A/D CONVERTER(402)를 순차적으로 읽는 동작을 반복한다. 이 때 LOCAL SWITCH(103)나 원격 입력부(202)를 통해 사용자의 동작 입력이 입력되고, 상태정보를 검사하여 이상이 없으면 모터(600)를 정방향이나 역방향으로 동작시킬 수 있도록 특정한 가역접촉기(304)를 동작시킨다. 또한 사용자가 정지신호를 입력하거나, 한계스위치의 동작이 검출되거나, POTENTIOMETER(403)로 특정값이 입력되면 가역접촉기를 정지시키게 된다. 모든 상태 정보는 DISPLAY(102)와 릴레이 출력부(203)를 통해 실시간으로 출력된다. 이 때, 모든 I2C BUS 소자의 ID는 공유하는 배선상에서는 유일(UNIQUE)하여야 하며, 동일한 ID를 가진 I2C BUS 소자가 존재하면 오류가 발생한다.
도 3은 모듈 하나의 구성을 보여주는 도면으로 하나의 모듈은 하나 혹은 다수개의 I2C BUS 소자로 구성된다. 또한 연결용 콘넥터(203, 204)는 전원과 신호를 동시에 전달할 수 있도록 4개의 배선으로 구성되며, 연결용 콘넥터(203, 204)는 하나는 입력용으로 사용하고, 하나는 출력용으로 사용하여 다른 모듈과 연결된다.
구조가 간단하므로 연결용 콘넥터나 I2C BUS 소자의 추가 장착이 용이한 것도 장점이다.
현재 밸브구동용 전동 액추에이터 제조사는 국내에 수 개 회사를 비롯해 전세계에 수십여개 크고 작은 회사가 경쟁하고 있을 정도로 산업화가 성숙되어 있다.
시장조사를 통해 검토한 결과, 현재까지 조사한 모든 제조사들이 기존의 배선방식으로 액추에이터를 제조하고 있어, 본 발명의 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동액츄에이터 제어장치는 상당한 원가 경쟁력 및 기술 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 판단된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치의 구성을 보여주는 도면
도 2는 기존의 방법으로 구성된 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 모듈 하나의 구성을 보여주는 도면.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : CPU BOARD 101 : CPU
102 : DISPLAY 103 : LOCAL SWITCH
200 : TERMINAL BLOCK 201,301,401 : I/O EXPANDER
202 : 원격 입력부 203 : 릴레이 출력부
300 : POWER BOARD 302 : POWER SUPPLY
303 : 3 PHASE SENSING CIRCUIT 304 : 가역접촉기
400 : LIMIT SWITCH BOARD 402 : A/D CONVERTER
500 : I2C BUS 600 : MOTOR

Claims (3)

  1. 도 1과 같이 CPU BOARD(100)와 TERMINAL BOARD(200)와 POWER BOARD(300)와 LIMIT SWITCH BOARD(400)와 I2C BUS(500)로 구성된 것을 특징으로 하는 I2C BUS를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    도 3과 같이 하나의 모듈에 전원과 신호를 전달하는 콘넥터(203, 204)를 두개 이상으로 구성한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    도 3의 모듈과 모듈을 연결할 수 있도록 VCC, GND, SDA, CLK의 4선으로 구성 된 배선구조.
KR1020090071871A 2009-08-05 2009-08-05 I2c bus를 사용한 밸브구동용 전동 액추에이터 제어장치 KR20110014302A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102242985B1 (ko) * 2020-10-22 2021-04-21 (주)케이.브이.에이 내,외부노이즈 및 외란이 방지되는 역상계전방법 및 역상계전기.

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