KR20140010623A - 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시퀀스 자동제어 및 피드-백 방식을 병행하여 일정한 관말 압력을 유지하는 발명에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상수 관망의 변동, 수요량의 급격한 변동 등에도 불구하고 별도의 수정 작업 없이 일정하고 정확한 관말 압력을 유지한다. 또한, 효율적인 압력 조절 장치의 작동으로 인해 관로의 사용 기한이 연장되고 관로의 유지 비용 감소 및 사고 발생률을 감소시킨다.

Description

상수 관망 내 자동 압력 제어 방법 및 이를 포함하는 시스템{A method for automatic controlling of pressure and a system comprising the same in water network}
본 발명은 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시퀀스 자동제어 및 피드-백 방식을 병행하여 일정한 관말 압력을 유지하는 발명에 관한 것이다.
배수지(10)는 해당 수요처의 수요량에 따라 상수를 배수한다. 다만, 상수의 수요량은 일정하지 않고 지속적으로 변하는 특성을 가지고 있다. 이에 따라 상수 관망(30) 내의 압력이 일정하게 유지되기 어려우며, 수요처에서 요구되는 적정 압력에 비해 높거나 낮은 압력을 가지는 문제점이 발생한다.
보다 상세하게는 상수 관망(30) 내의 압력이 적정 압력보다 높은 경우, 관로 누수 증가 및 파손으로 인해 관로의 수명이 단축된다.
또한, 상수 관망(30) 내의 압력이 적정 압력보다 낮을 경우에는 수요처로 상수가 적절하게 공급되지 못하며, 상수 관망 내 부압이 발생하여 공기나 오염 물질이 유입되어 오염된 상수를 공급하는 문제가 있다.
따라서, 종래 기술은 이러한 문제를 해결하기 위해 1) 데이터 베이스(20)에 미리 저장된 데이터를 이용한 실험 및 계산을 통해 압력 조절 장치(50)의 토출 압력을 설정 및 제어(40)하는 시퀀스 자동제어 방식(도 1a 참조)과 2) 측정된 관말 압력(31) 및 관말 설정 압력의 차에 의해 PID 제어 등의 제어 알고리즘을 이용하여 압력 조절 장치의 압력을 제어(40)하는 피드-백(FB; feed-back) 방식(도 1b 참조)을 사용한다. 상기 방식들은 압력의 제어가 용이한 배수지와 상수 관망 사이에서 압력 조절 장치에 의해 실시된다.
다만, 상기 방식들에도 문제점이 존재한다.
시퀀스 자동제어 방식은 토출 압력의 설정 당시에는 정확한 수치라 하더라도 인구의 증감, 소비 성향의 변화 등에 따른 수요량의 변동과 관로의 신설, 철거 등에 따른 상수 관망 변동 사항을 반영하기 어려워 주기적으로 갱신 작업이 필요하다.
피드-백 방식 역시 수요량의 변동 및 관망 변동 사항에 따라 제어를 위한 매개 변수를 조정해야하며, 급격한 수요량 변동에 대응이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 피드-백 방식에 의한 압력 조절 장치의 빈번한 작동은 압력 조절 장치의 고장 및 수명 단축을 야기하여 빈번한 누수 사고를 유발한다.
(특허문헌 1) KR10-2011-0097040 A
본 발명의 일 실시 예는 시퀀스 자동제어 방식과 피드-백 방식을 병행하여, 별도의 수정 작업 없이도 현재의 관망의 상태를 반영하여 관말 압력을 일정하게 유지하는 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 미리 저장된 데이터 및 수집된 기상 데이터 등을 통해 보다 정확한 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 시퀀스 자동제어 방식과 피드-백 방식을 병행하여, 효율적으로 작동하는 자동 압력 제어 시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은 상류에 압력 조절 장치가 구비된 상수 관망의 관말 압력을 제어하는 방법에 있어서, (a) 저장된 데이터 통해 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)이 연산되는 단계; (b) 관로 저항 계수(r)가 연산되는 단계; (c) 상기 연산된 관로 저항 계수(r)와 측정된 관말 압력(Pe)을 이용하여 FB 토출 압력(Pb2)을 연산하는 단계; (d) 상기 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)과 상기 FB 토출 압력(Pb2)을 비교하는 단계; 및 (e) 상기 비교 결과에 따라 상기 압력 조절 장치를 조절하여 압력 조절 지점의 토출 압력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관말 압력 조절 방법을 제공한다.
또한, (b), (c)의 연산 단계는 하기의 수식을 이용하는 것이 바람직하다. Pe = Pb - r·Qz + C 여기에서, Pb는 압력 조절 지점의 토출 압력으로서 (b)의 연산시 Pb, Pe는 저장된 통계 수치에 따른 토출 압력 (c)의 연산시 Pb=Pb2이고, Qz는 압력 조절 지점의 토출 유량이고, 그리고 C는 압력 조절 지점과 관말 지점의 표고차임.
또한, 상기 관로 저항 계수(r)는 데이터베이스에 미리 저장된 통계 수치인 것이 바람직하다.
또한, 상기 데이터 베이스는 기상 데이터 수집부에 의해 수집된 통계 수치를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, (d) 단계는, 상기 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1) 및 상기 FB 토출 압력(Pb2)을 비교하여 상기 양 압력의 차이가 소정의 값을 초과하는 경우, 상기 토출 압력을 상기 FB 토출 압력(Pb2)으로 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소정의 값은, 상기 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)의 10%인 것이 바람직하다.
또한, 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법에 의해 제어되는 자동 압력 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 시퀀스 자동제어 방식 및 피드-백 방식을 병행하여, 상수 관망의 변동, 수요량의 급격한 변동 등에도 불구하고 별도의 수정 작업 없이 일정하고 정확한 관말 압력을 공급한다.
또한, 미리 저장된 통계 수치 및 기상 데이터 통계 수치를 포함하여 보다 정확한 관망 상태를 파악할 수 있다.
또한, 효율적인 압력 조절 장치의 작동으로 인해 조절 장치의 동작이 안정적이고 장치의 고장 확률이 감소하여 사용 기한이 연장된다. 또한, 이에 따라 장치의 유지 비용도 감소한다.
또한, 일정한 관말 압력의 제공을 통해 관로가 받는 압력차가 감소하여 관로의 균열 등을 방지하며 관망의 누수 사고 발생률이 감소시킨다.
도 1a는 종래 기술에 따른 시퀀스 자동제어 방식의 관말 압력 제어 방법의 개념도이다.
도 1b는 종래 기술에 따른 피드-백 방식의 관말 압력 제어 방법의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자동 압력 제어 방법의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연산 모듈의 순서도이다.
용어의 정의
이하에서 "시퀀스 자동제어 토출 압력"이란, 종래의 관말 압력 제어 방법 중 하나인 시퀀스 자동제어 방식을 적용하여 연산된 토출 압력을 의미한다.
이하에서 "FB(feed-back) 토출 압력"이란, 종래의 관말 압력 제어 방법 중 하나인 피드-백 방식을 적용하되 이하에서 설명하는 수학식 1을 적용하여 연산된 토출 압력을 의미한다
이하에서, 연산되는 수학식은 하기와 같은 수학식 1이며, 여기에서, Pe는 관말 지점의 관말 압력, Pb는 압력 조절 지점의 토출 압력, r은 관로 저항 계수, Qz는 압력 조절 지점의 토출 유량, C는 압력 조절 지점과 관말 지점의 표고차이다.
Figure pat00001
1. 본 발명에 따른 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법의 구성의 설명
도 2 내지 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법의 구성에 대해 설명한다. 본 발명은 일례로써 상류에 압력 조절 장치(50)가 구비된 상수 관망의 관말 압력을 제어하도록 사용된다.
도 2를 참조하면, 배수지(10)와 관망(30)이 연결됨에 있어서, 관말 압력을 조절하기 용이한 배수지(10)와 관망(30) 사이에 압력 조절 장치(50)가 위치한다.
압력 조절 장치(50)는 압력 조절 장치(50)가 위치하는 지점(이하 "압력 조절 지점")의 압력을 조절하기 위한 어떠한 방식도 가능함은 물론이며, 발명의 일례로써 펌프 또는 밸브를 통해 조절한다.
압력 조절 장치(50)는 압력 조절 지점의 압력 및 유량을 측정하기 위한 압력계(51) 및 유량계(52)를 포함한다. 압력계(51) 및 유량계(52)는 이를 통해 측정된 데이터가 연산에 이용되도록 제어부(100)에 연결된다(도 2 참조).
또한, 관망(30)은 수요처에 상수를 공급하기 위한 관로의 집합으로서, 관망(30)의 어느 한 지점에 관말의 압력을 측정하기 위한 관말 압력계(31)가 위치한다. 관말 압력계(31) 역시 이를 통해 측정된 데이터가 연산에 이용되도록 제어부(100)에 연결된다(도 2 참조).
제어부(100)는 데이터 측정 모듈(110), 관로 저항 계수(r) 연산 모듈(120), 토출 압력 연산 모듈(131,132) 및 토출 압력(Pb) 제어 모듈(150)을 포함하며, 관말 압력을 일정하게 제어하도록 토출 압력(Pb)을 조절한다.
데이터 측정 모듈(110)은 압력 조절 지점의 압력계(51), 유량계(52) 및 관말 지점의 관말 압력계(31)와 연결되며, 이로부터 측정된 데이터를 모두 포함한다.
관로 저항 계수(r) 연산 모듈(120)은 데이터 베이스(200)에 미리 저장된 데이터 또는 데이터 측정 모듈(110)에 포함된 상기 측정된 데이터를 수학식 1에 대입하여 관로 저항 계수(r)를 연산한다.
토출 압력 연산 모듈(131,132)은 시퀀스 자동제어 토출 압력 연산 모듈(131) 및 FB(feed-back) 토출 압력 연산 모듈(132)을 포함하며, 토출 압력(Pb)을 연산한다.
시퀀스 자동제어 토출 압력 연산 모듈(131)은 데이터 베이스(200)에 저장된 통계수치를 기반으로 하여 수요 예측 모델을 통해 예측 수요량에 따른 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)을 연산한다.
상기 수요 예측 모델은 계절, 요일뿐만 아니라 기상 데이터 수집부(300)에 의해 수집된 날씨(예를 들어, 온도, 습도 강수량, 풍속 등)에 대한 데이터를 기반으로 다양한 시간 간격을 가지는 시간대별 상수 수요량을 예측하여 연산한다.
FB 토출 압력 연산 모듈(131)은 관로 저항 계수(r) 연산 모듈(120)에서 연산된 관로 저항 계수(r), 데이터 베이스에 미리 저장된 표고차(C), 측정된 토출 유량(Qz) 및 관말 압력(Pe)을 수학식 1에 대입하여 FB 토출 압력(Pb2)을 연산한다.
토출 압력 제어 모듈(150)은 상기 연산된 시퀀스 자동제어 토출 압력 및 FB 토출 압력을 비교하여, 비교 결과에 따라 토출 압력을 제어하도록 압력 조절 장치(50)를 조절한다.
제어부는 데이터 베이스(200) 및 기상 데이터 수집부(300)와도 연결된다. 데이터 베이스(200)는 과거의 압력 조절 지점의 압력 및 유량, 관말 지점의 압력에 관한 통계 수치를 포함하여 수요 예측 모델을 이용한 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)의 연산 및 관로 저항 계수(r) 연산에 사용된다.
또한, 기상 데이터 수집부(300)는 날씨(예를 들어, 온도, 습도, 강수량, 풍속 등)와 같은 기상 정보에 따른 수요량을 수집하며, 수집된 데이터는 데이터 베이스(200) 미리 저장된 통계 수치에 포함된다.
2. 본 발명에 따른 상수 관망 내 자동 압력 제어 시스템 동작의 설명
도 2 내지 3을 참조하여 본 발명에 따른 상수 관망 내 자동 압력 제어 시스템의 동작을 설명한다.
배수지(10)에서 공급하는 상수 등은 상수 관망(30)을 통해 각 가정 또는 수요처로 공급된다. 이때 수요량에 관계없이 일정한 관말 압력을 유지하는 것이 중요한바, 전술한 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법을 사용한다.
데이터 베이스(200)에는 다양한 데이터가 저장되어 있을 수 있으며, 본 발명의 일례에 따르면, 기상 데이터를 포함하는 압력 조절 장치 지점의 압력 및 유량, 관말 지점의 관말 압력, 압력 조절 지점 및 관말 지점의 표고차에 대한 통계 수치가 미리 저장된다.
상기 미리 저장된 데이터 및 수요 예측 모델을 사용하여 시간대별 상수 수요량을 예측하고, 이에 따른 압력 조절 지점의 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)을 결정한다.(S100)
상기 수요 예측 모델은 저장된 통계 수치를 기반으로 상수 수요량을 예측 가능한 어떠한 모델도 가능하며, 시간대 역시 제한이 없음은 물론이다.
다음, 데이터 베이스에 미리 저장된 통계 수치를 이용하여 수학식 1에 대입하면, 미리 저장된 데이터를 반영한 관로 저항 계수(r)가 연산 된다(S200). 연산된 관로 저항 계수(r)는 미리 저장된 데이터에 의한 관망의 상태가 반영된 계수이다.
다음, 상기에서 연산된 관로 저항 계수(r) 및 데이터 베이스에 미리 저장된 표고차(C), 측정된 유량(QZ) 및 관말 압력(Pe)을 수학식 1에 다시 대입한다. 이를 통해 연산된 토출 압력은 FB(feed-back) 토출 압력(Pb2)이라 지칭한다(S300). 이는 측정된 관말 압력을 토출하기 위해 압력 조절 지점에서 토출되어야 하는 압력을 나타낸다.
다음, 연산된 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1) 및 FB 토출 압력(Pb2)을 비교한다(S400).
상기 양 압력의 차이(｜Pb1 - Pb2｜)가 소정의 값(α) 이하가 되는 경우, S100에 의해 예측된 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)은 적절한 관말 압력을 유지하고 있으므로 압력 조절 장치(50)는 압력 조절 지점의 토출 압력이 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)이 되도록 제어한다(S500).
반면, 상기 양 압력의 차이(｜Pb1 - Pb2｜)가 소정의 값(α)을 초과하는 경우, 수요 예측 모델에 의한 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)이 현재 관망 상태를 반영하기에 적절하지 않음을 나타낸다. 소정의 값(α)은 발명의 일례로써 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)의 10%일 수 있다.
따라서, 이와 같은 경우, 압력 조절 지점의 토출 압력이 FB 토출 압력(Pb2)이 되도록 압력 조절 장치(50)를 제어한다.(S500')
또한, 이와 같이 압력 조절 지점의 토출 압력이 FB 토출 압력(Pb2)이 되도록 제어하는 경우, 수학식 1에 측정된 데이터를 대입하여 새로운 관로 저항 계수(r)를 연산하여 업데이트 한다(S600).
이와 같은 과정을 통해, 별도의 수정 작업 없이도 현재 관망 상태를 지속적으로 반영할 수 있으며, 기존에 저장된 데이터를 이용하는 시퀀스 자동제어 방식뿐만 아니라 현재 측정된 관말 압력을 통해 토출 압력을 조절하는 피드-백 방식을 병행하여 효율적으로 토출 압력 조절 및 일정한 관말 압력 공급이 가능하다.
이와 같은 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법을 이용하는 장치를 제공하여 전술한 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상의 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
10 : 배수지
20 : 데이터 베이스
30 : 관망
31 : 관말 압력계
40 : 제어부
50 : 압력 조절 장치
51 : 압력계
52 : 유량계
100 : 제어부
110 : 데이터 측정 모듈
120 : 관로 저항 계수(r) 연산 모듈
131 : 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1) 연산 모듈
132 : FB 토출 압력(Pb2) 연산 모듈
150 : 토출 압력(Pb) 제어 모듈
200 : 데이터 베이스
300 : 기상 데이터 수집부

Claims (7)

  1. 상류에 압력 조절 장치가 구비된 상수 관망의 관말 압력을 제어하는 방법에 있어서,
    (a) 저장된 데이터를 통해 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)이 연산되는 단계;
    (b) 관로 저항 계수(r)가 연산되는 단계;
    (c) 상기 연산된 관로 저항 계수(r)와 측정된 관말 압력(Pe)을 이용하여 FB 토출 압력(Pb2)을 연산하는 단계;
    (d) 상기 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)과 상기 FB 토출 압력(Pb2)을 비교하는 단계; 및
    (e) 상기 비교 결과에 따라 상기 압력 조절 장치를 조절하여 압력 조절 지점의 토출 압력을 제어하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    상수 관망 내 자동 압력 제어 방법
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 (b), (c)의 연산 단계는 하기의 수식을 이용하는 것을 특징으로 하는,
    상수 관망 내 자동 압력 제어 방법.
    Pe = Pb - r·Qz + C
    여기에서, Pb는 압력 조절 지점의 토출 압력으로서 (b)의 연산시 Pb, Pe는 저장된 통계 수치에 따른 토출 압력 (c)의 연산시 Pb=Pb2이고, Qz는 압력 조절 지점의 토출 유량이고, 그리고 C는 압력 조절 지점과 관말 지점의 표고차임
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관로 저항 계수(r)는,
    데이터베이스에 미리 저장된 통계 수치인 것을 특징으로 하는,
    상수 관망 내 자동 압력 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 데이터 베이스는,
    기상 데이터 수집부에 의해 수집된 통계 수치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    상수 관망 내 자동 압력 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1) 및 상기 FB 토출 압력(Pb2)을 비교하여 상기 양 압력의 차이가 소정의 값을 초과하는 경우,
    상기 토출 압력을 상기 FB 토출 압력(Pb2)으로 제어하는 것을 특징으로 하는,
    상수 관망 내 자동 압력 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소정의 값은,
    상기 시퀀스 자동제어 토출 압력(Pb1)의 10%인 것을 특징으로 하는,
    상수 관망 내 자동 압력 제어 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법에 의해 제어되는,
    상수 관망 내 자동 압력 제어 시스템.
KR1020120077113A 2012-07-16 2012-07-16 상수 관망 내 자동 압력 제어 방법 및 이를 포함하는 시스템 KR20140010623A (ko)

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