KR20200029838A - 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법 - Google Patents
사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일실시예는, 상수도 공급경로에 설치되어, 물의 잔류염소 농도 및 유량을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하여 측정값을 송신하는 스마트 측정기기, 상기 상수도 공급경로에 설치되어, 상기 상수도 공급경로에 소독제를 투입하는 염소설비, 및 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 측정값에 기초하여 상수도 공급경로에서 잔류염소 감소속도를 예측하고, 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 상기 염소설비의 소독제 투입량을 제어하는 메인서버를 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
상수도 시설은 물을 저수조에 모으고, 소정의 약품을 투입하여 정수를 수행한 후 가정이나 건물 등에 보급한다. 상수도 시설에는 저수조에 저장된 물에 대한 약품 처리를 제어할 수 있도록 하는 제어 시스템이 구축되어 있다. 하지만, 이러한 제어 시스템은 저수조에 물이 실시간으로 빠져나가고 들어옴에 따라 발생하는 물의 수질 변화를 관리자가 매번 확인하여 직접 약품 투입량을 결정하여야 한다. 따라서, 이러한 제어 시스템에서는 관리자가 관리를 소홀히 하는 경우, 저수조에 약품 투입이 정확히 수행되지 않아 물의 수질이 떨어질 수 있다.
관리자의 관리 없이도, 저수조에서 시시각각으로 변화하는 물의 수질에 따라 적절한 약품 투입량을 결정하고 자동으로 투입하는 방법이 존재한다. 그러나, 저수조에 유입되는 물의 유량이나 수질을 기준으로 단순 비례제어 방법으로 약품 투입량을 결정하는 경우, 상수도 관말까지 잔류염소 농도가 기준값 이상으로 유지되는 것을 보장할 수 없다. 그러므로, 상수도 관말의 잔류염소 농도를 기준값 이상으로 유지하고, 동시에 상수도 상류부터 하류까지 잔류염소 분포를 고르게 유지할 수 있는 제어시스템에 관한 수요가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 사물인터넷 기반의 스마트 수질계측기를 이용하여 상수도 공급경로에서 각 지점의 잔류염소 농도를 실시간으로 측정하고, 측정값을 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측하며, 예측된 잔류염소 감소속도를 이용하여 염소설비에서 투입해야 할 소독제(염소) 양을 제어할 수 있는 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 사물인터넷 기반의 스마트 수질계측기의 측정값을 이용하여 적정 염소설비 설치 위치를 판단하거나, 상수도 공급경로에서 수질이상을 감지할 수 있는 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템은, 상수도 공급경로에 설치되어, 물의 잔류염소 농도 및 유량을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하여 측정값을 송신하는 스마트 측정기기, 상기 상수도 공급경로에 설치되어, 상기 상수도 공급경로에 소독제를 투입하는 염소설비, 및 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 측정값에 기초하여 상수도 공급경로에서 잔류염소 감소속도를 예측하고, 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 상기 염소설비의 소독제 투입량을 제어하는 메인서버를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인서버는, 상기 스마트 측정기기 및 상기 염소설비와 네트워크를 통하여 데이터를 송수신하는 통신부, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 측정값에 기초하여 잔류염소 감소속도 계수를 예측하는 잔류염소 감소속도 예측부, 및 상기 잔류염소 감소속도 예측부에서 예측한 잔류염소 감소속도에 기초하여 상기 염소설비의 소독제 투입량을 제어하는 염소설비 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 잔류염소 감소속도 예측부는, 미리 산출된 수체반응계수 실험값이 없는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 유량 측정값에 기초하여 상기 염소설비가 설치된 상류지점에서 상기 스마트 측정기기가 설치된 하류지점까지 물이 이동하는 체류시간을 실시간으로 예측하고, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 잔류염소 감소속도를 예측하며, 미리 산출된 수체반응계수 실험값이 있는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 예측하고, 상기 미리 산출된 수체반응계수 실험값과 상기 예측된 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측하며, 상기 염소설비 제어부는, 예측된 잔류염소 감소속도를 이용하여 상기 하류지점의 잔류염소 농도가 하부한계값 이상으로 유지되기 위한 상류지점의 잔류염소 요구농도를 산출하고, 상기 상류지점의 잔류염소 요구농도를 얻기 위하여 상류지점에 투입할 소독제 투입량을 산출하며, 산출된 소독제 투입량만큼 소독제를 투입하도록 상기 염소설비를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템은, 상기 예측된 잔류염소 감소속도, 상기 스마트 측정장치로부터 수신된 유량, 잔류염소 농도, 수온, 전기전도도, pH를 실시간으로 저장하는 저장부를 더 포함하며, 상기 잔류염소 감소속도 예측부는, 실시간으로 측정된 수온, 전기전도도, pH가 상기 저장부에 저장된 기존의 수온, 전기전도도, pH와 일정범위 내에서 유사한 경우의 잔류염소 감소속도를 상기 저장부에서 검색하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도와 상기 검색된 잔류염소 감소속도를 비교하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도를 보정하는 동작을 더 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템은, 상수도 공급경로에 설치되어, 물을 외부로 배출시키는 드레인설비를 더 포함하고, 상기 메인서버는, 상기 체류시간의 증가에 의해 상기 염소설비 제어부가 산출한 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부한계값보다 큰 경우, 상기 드레인설비가 물을 배출하도록 제어하는 드레인 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인서버는, 상기 염소설비 제어부가 산출한 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부임계값을 초과하는 경우, 상기 염소설비를 추가로 설치할 위치를 선정하는 재염소설비 위치선정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법은, 상수도 공급경로에 설치된 스마트 측정기기가 물의 잔류염소 농도 및 유량을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하고 측정값을 메인서버로 송신하는 수질측정단계, 메인서버가 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 측정값에 기초하여 상수도 공급경로에서 잔류염소 감소속도를 예측하는 잔류염소 감소속도 예측단계, 및 메인서버가 상기 잔류염소 감소속도 예측단계에서 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 상수도 공급경로에 설치된 염소설비의 소독제 투입량을 제어하는 염소설비 제어단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 잔류염소 감소속도 예측단계는, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 유량 측정값에 기초하여 상기 염소설비가 설치된 상류지점에서 상기 스마트 측정기기가 설치된 하류지점까지 물이 이동하는 체류시간을 실시간으로 예측하는 체류시간 예측단계, 및 미리 산출된 수체반응계수 실험값이 없는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 잔류염소 감소속도를 예측하고, 미리 산출된 수체반응계수 실험값이 있는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 예측하고, 상기 미리 산출된 수체반응계수 실험값과 상기 예측된 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측하는 예측 수행 단계를 포함하고, 상기 염소설비 제어단계는, 메인서버가 상기 예측된 잔류염소 감소속도를 이용하여 상기 하류지점의 잔류염소 농도가 하부한계값 이상으로 유지되기 위한 상류지점의 잔류염소 요구농도를 산출하는 잔류염소 요구농도 산출단계, 및 메인서버가 상기 상류지점의 잔류염소 요구농도를 얻기 위하여 상류지점에 투입할 소독제 투입량을 산출하며, 산출된 소독제 투입량만큼 소독제를 투입하도록 상기 염소설비를 제어하는 소독제 투입 제어단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법은, 상기 예측된 잔류염소 감소속도, 상기 스마트 측정장치로부터 수신된 유량, 잔류염소 농도, 수온, 전기전도도, pH를 시간순으로 저장부에 저장하는 기록단계를 더 포함하며, 상기 잔류염소 감소속도 예측단계는, 실시간으로 측정된 수온, 전기전도도, pH가 상기 저장부에 저장된 기존의 수온, 전기전도도, pH와 일정범위 내에서 유사한 경우의 잔류염소 감소속도를 상기 저장부에서 검색하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도와 상기 검색된 잔류염소 감소속도를 비교하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도를 보정하는 보정단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법은, 상기 체류시간의 증가에 의해 상기 잔류염소 요구농도 산출단계에서 산출된 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부한계값보다 큰 경우, 상기 메인서버가 상수도 공급경로에 설치된 드레인설비를 동작시켜 물을 배출하도록 제어하는 드레인 제어단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법은, 상기 잔류염소 요구농도 산출단계에서 산출된 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부임계값을 초과하는 경우, 상기 염소설비를 추가로 설치할 위치를 선정하는 재염소설비 위치선정단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상수도 공급경로에서 하류지점의 잔류염소 농도를 기준값 이상으로 정확하게 유지할 수 있고, 상수도 공급경로에서 잔류염소 농도의 시간적, 공간적 균일성을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 사물인터넷 기반의 스마트 수질계측기의 측정값를 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측할 수 있고, 온도, 수소이온농도, 전기전도도 값을 이용하여 잔류염소 감소속도를 보정할 수 있으며, 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 염소설비의 염소투입량을 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 사물인터넷 기반의 스마트 수질계측기의 측정값를 이용하여 상수도 공급경로에서 염소설비가 설치되어야 할 지점을 선정할 수 있고, 드레인설비의 동작여부를 결정할 수 있으며, 상수도 공급경로에서 수질이상을 감지할 수 있다.
도 1은 상수도 공급경로 상에 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템의 구성을 표시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템의 구성들을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 재염소설비가 없는 상수도 공급경로의 잔류염소 농도와 재염소설비가 있는 상수도 공급경로의 잔류염소 농도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 기존의 재염소설비 동작에 따른 잔류염소 농도 그래프와 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법이 상수도 공급경로에 적용된 경우 예측되는 잔류염소 농도 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템의 구성들을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 재염소설비가 없는 상수도 공급경로의 잔류염소 농도와 재염소설비가 있는 상수도 공급경로의 잔류염소 농도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 기존의 재염소설비 동작에 따른 잔류염소 농도 그래프와 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법이 상수도 공급경로에 적용된 경우 예측되는 잔류염소 농도 그래프이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 상수도 공급경로(1) 상에 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템의 구성을 표시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
상수도는 강물이나 지하수를 취수하고 정수하여 정수된 물을 가정이나 기업 등의 수용가(Costomer, CO)에 공급하는 시스템을 말한다. 상수도는 정수장(Purification Plant, PP), 배수지(Distri1buting Reservoir, DR), 배관(Pipe)을 포함할 수 있다. 정수장(PP)은 취수된 물을 정수하여 공급하는 설비이며, 배수지(DR)는 정수된 물을 일시적으로 저장하였다가 공급하는 저장설비이다. 본 명세서에서는 정수장(PP)에서 정수된 물이 배관을 따라 수용가(CO)로 공급되는 경로를 상수도 공급경로(1)라고 부르기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템은, 상수도 공급경로(1)에 설치되어, 물의 잔류염소 농도 및 유량을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하여 측정값을 송신하는 스마트 측정기기(Smart Meter, SM), 상수도 공급경로(1)에 설치되어, 상수도 공급경로(1)에 소독제를 투입하는 염소설비(200), 및 스마트 측정기기(SM)로부터 수신한 측정값에 기초하여 상수도 공급경로(1)에서 잔류염소 감소속도를 예측하고, 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 염소설비(200)의 소독제 투입량을 제어하는 메인서버(100)를 포함할 수 있다.
스마트 측정기기(SM)는 잔류염소 농도, 유량, 수온, 전기전도도, pH 등의 수질에 관련된 항목들을 실시간으로 측정하여 측정값을 송신할 수 있는 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 기반의 장치이다. 스마트 측정기기(SM)는 유량만을 측정하는 스마트 유량계(smart Flow Meter, FM)와, 잔류염소 농도(residual chlorine concentration, C), 수온(T), 전기전도도(electrical conductivity), 수소이온농도(pH)를 측정하는 스마트 수질계측기(smart water Quality Meter, QM)를 포함할 수 있다. 또는, 스마트 측정기기(SM)는 하나의 장치에서 수질에 관련된 항목들을 모두 측정하는 장치일 수도 있다.
스마트 측정기기(SM)는 상수도 공급경로(1)에 설치될 수 있다. 스마트 유량 측정기기 및 스마트 수질 측정기기는 정수장(PP)에서 배관으로 물이 공급되는 지점(Node 0), 배수지(DR)에서 배관으로 물이 공급되는 지점(Node 1), 배관에서 수용가(CO)로 물이 공급되는 지점(Node 2)에 설치될 수 있다. 이에 한정되지 않고, 스마트 측정기기(SM)는 배관의 분기점이나 배관에서 배수지(DR)로 물이 공급되는 지점 등 다양한 위치에 설치될 수 있다.
염소설비(200)는 물에 포함되어 있는 병원성 미생물 등을 제거하기 위하여, 염소 등의 소독제를 물에 투입하는 장치이다. 염소설비(200)는 정수장(PP), 배수지(DR) 등에 설치될 수 있으며, 정수장(PP)이나 배수지(DR)와 먼 지점의 배관에 설치될 수도 있다. 정수장(PP)이 아닌 지점에 설치되는 염소설비(200)를 재염소설비(200)라고 말할 수 있다. 재염소설비(200)는 정수장(PP)에서 이미 염소가 투입되어 정수된 물에 염소 등의 소독제를 추가로 투입하여 물의 잔류염소 농도를 최저한계값 이상으로 유지한다.
염소설비(200)는 차염저장탱크(210), 차염투입 정량펌프(220), 소금저장탱크(230), 차염발생기(240)를 포함할 수 있다. 염소(chlorine, Cl)는 차아염소산나트륨(NaOCl)의 형태로 물에 투입될 수 있다. 차염은 차아염소산나트륨을 말한다. 차염저장탱크(210)는 차염을 저장하고, 차염투입 정량펌프(220)는 필요한 양만큼의 차염을 정확히 물에 투입할 수 있다. 차염은 장시간 보관시 분해되어 농도가 낮아지는 등의 문제가 있다. 소금저장탱크(230)는 소금(NaCl)을 저장하고, 차염발생기(240)가 소금저장탱크(230)의 소금을 이용하여 차염을 실시간으로 생성하여 차염저장탱크(210)로 공급할 수 있다. 염소설비(200)는 메인서버(100)의 염소설비 제어명령(①, ②)에 따라 필요한 양만큼의 차염을 물에 투입한다.
드레인설비(300)는 배관에 설치되어 배관 내부의 물을 외부로 배출시키는 장치이다. 드레인설비(300)는 배관 내부에 장시간 체류하는 물을 외부로 배출시키므로, 배관에 체류하는 물의 체류시간을 감소시킨다. 드레인설비(300)는 메인서버(100)의 드레인 제어명령(③)에 따라 필요한 양만큼의 물을 외부로 배출시킨다.
메인서버(100)는 스마트 측정기기(SM)로부터 측정값을 수신하고, 수신한 측정값에 기초하여 염소설비(200) 및 드레인설비(300)를 제어할 수 있다. 메인서버(100)는 통신부(110), 저장부(120), 표시부(130), 잔류염소 감소속도 예측부(140), 재염소설비 제어부(150), 드레인 제어부(160), 재염소설비 위치선정부(170), 수질이상 감지부(180)를 포함할 수 있다.
통신부(110)는 스마트 측정기기(SM), 염소설비(200), 드레인설비(300) 등의 사물인터넷 기반 설비와 네트워크를 통해 연결되어 데이터를 송수신한다. 표시부(130)는 스마트 측정기기(SM)의 측정값, 염소설비(200)의 소독제 투입량, 드레인설비(300)의 물 배출량, 실시간으로 예측되는 물의 체류시간(t1-t0), 잔류염소 감소속도 등을 관리자가 인식할 수 있도록 표시할 수 있다. 저장부(120)는 스마트 측정기기(SM)가 제공하는 각종 측정값, 염소설비(200)의 염소 투입량, 드레인설비(300)의 물 배출량, 실시간으로 예측되는 물의 체류시간(t1-t0), 잔류염소 감소속도 등을 실시간으로 저장하여 보관한다.
잔류염소 감소속도 예측부(140)는 스마트 유량계(FM)로부터 수신한 실시간 유량을 이용하여 물의 체류시간을 아래 수학식 1을 이용하여 예측할 수 있다. 본 명세서에서 상류지점은 아래첨자 u로 표시하고, 하류지점은 아래첨자 d로 표시하며, 도 1의 지점(Node)의 번호를 아래첨자로 기재하여 해당 지점에서의 값임을 표시한다.
td-tu: 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값, (td-tu)b: 상류지점에서 하류지점까지 기준 체류시간, Qub: 상류지점의 기준 유량, Qu: 상류지점의 실시간 유량 측정값.
도 1을 참조하면, 정수장(PP)에서 물이 공급되어 배수지(DR)를 거쳐 수용가(CO)로 수송되므로, 정수장(PP)이 상류이고 배수지(DR)가 하류인 제1 구간과 배수지(DR)가 상류이고 수용가(CO)가 하류인 제2 구간으로 구분하고, 각 구간에서 체류시간을 예측할 수 있다. 또는, 필요에 따라 정수장(PP)이 상류이고 수용가(CO)가 하류인 통합 구간에서 체류시간을 예측할 수 있다.
예를 들어, 제1 구간에서, 상기 수학식 1의 상류지점에서 하류지점까지 기준 체류시간((td-tu)b)과 기준 유량(Qub)은 미리 측정되어 저장부(120)에 저장되어 있는 값이므로, 스마트 유량계(FM 0)가 측정한 상류지점의 실시간 유량(Qu)을 수신하고 상기 수학식 1에 대입하여, 상류지점에서 하류지점까지 실시간 체류시간(td-tu)을 예측할 수 있다.
잔류염소 감소속도 예측부(140)는 예측된 물의 체류시간(td-tu)과 스마트 수질계측기(QM)로부터 수신한 실시간 잔류염소 농도(C)를 이용하여 하류지점의 잔류염소 농도를 아래 수학식 2를 이용하여 예측할 수 있다.
Cd: 하류지점의 잔류염소 농도, Cu: 상류지점의 잔류염소 농도, k: 잔류염소 감소속도 계수, td-tu: 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값
상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값(td-tu)은 실시간으로 산출되며, 상류지점의 잔류염소 농도(Cu)와 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)는 실시간으로 측정되는 값이므로, 잔류염소 감소속도 계수(k)를 아래 수학식 3과 같이 예측할 수 있다.
Cd: 하류지점의 잔류염소 농도, Cu: 상류지점의 잔류염소 농도, k:잔류염소 감소속도 계수, (td-tu): 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값
예를 들어, 제1 구간에서, 상류지점에서 하류지점까지 실시간 체류시간(td-tu)은 예측되어 있는 값이고, 스마트 수질계측기(QM 0)가 측정한 상류지점의 잔류염소 농도(Cu)와 스마트 수질계측기(QM 1-1)가 측정한 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)를 수신하여, 수학식 3에 대입하면 실시간 잔류염소 감소속도 계수(k)를 예측할 수 있다.
잔류염소 감소속도 계수(k)는 수체반응(bulk flow reaction) 계수(kb)와 관벽반응(pipe wall reaction) 계수(kw)가 함께 고려된 값이다. 수체반응계수(kb)는 정수장(PP)에서 실험(bottle test)를 통하여 도출할 수 있는 값이다. 실험을 이용하여 수체반응계수(kb)를 알고 있는 경우, 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량은 아래의 수학식 4를 이용하여 예측할 수 있다.
△Cud kw: 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량, Cd: 하류지점의 잔류염소 농도, Cu: 상류지점의 잔류염소 농도, kb: 수체반응계수, td-tu: 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값.
수체반응계수(kb)는 실험을 통해 알고있는 값이고, 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값(td-tu)은 예측되어 알고있는 값이므로, 상기 수학식 4에 실시간으로 측정되는 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)와 상류지점의 잔류염소 농도(Cu)값을 대입하여 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)을 예측할 수 있다. 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)을 예측하면, 수체반응계수(kb)를 알고 있으므로 수체반응에 의한 잔류염소 감소량을 알 수 있고, 전체적인 잔류염소 감소속도를 알 수 있다.
잔류염소 감소속도 계수(k)의 크기 또는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)과 실험결과로 알고있는 수체반응계수(kb) 크기에 따라 잔류염소 농도(C)의 감소속도가 변화한다. 따라서, 본 명세서에서 잔류염소 감소속도를 예측하는 것은 곧 잔류염소 감소속도 계수(k)를 예측하거나 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)을 예측하는 것으로 이해될 수 있다.
잔류염소 감소속도 예측부(140)는 수질에 관련된 다른 항목들을 함께 고려하여 실시간으로 산출된 잔류염소 감소속도를 검증 및 보정할 수 있다. 저장부(120)에는 예측된 잔류염소 감소속도 계수(k) 또는 예측된 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw), 스마트 측정장치로부터 수신된 유량(Q), 잔류염소 농도(C), 수온(T), 전기전도도, 수소이온농도(pH)가 시간순으로 함께 저장된다.
잔류염소 감소속도 예측부(140)는 실시간으로 측정된 수온, 전기전도도, 수소이온농도가 저장부(120)에 저장된 기존의 수온, 전기전도도, 수소이온농도와 일정범위 내에서 유사한 경우의 잔류염소 감소속도를 저장부(120)에서 검색하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도와 상기 검색된 잔류염소 감소속도를 비교하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도를 보정하는 동작을 더 수행할 수 있다.
잔류염소 감소속도는 수온, 물의 전기전도도, pH 등의 다양한 요소들에 의해 영향을 받는다. 따라서 이러한 수질에 관련된 항목들의 값이 유사한 상태라면 잔류염소 감소속도 계수(k) 값들 또는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)들의 차이가 작은 것이 정상이고, 만약 수질에 관련된 항목들의 값이 유사한 상태에서 잔류염소 감소속도 계수(k) 값 또는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)이 일정 범위 이상으로 변동하는 경우에는 예측 또는 스마트 측정기기(SM)에 오류가 있는 것으로 판단될 수 있다.
만약 오류가 있는 것으로 판단된다면, 잔류염소 감소속도 예측부(140)는 실시간으로 측정되는 수온, 물의 전기전도도, 수소이온농도 값과 유사한 범위일 때의 잔류염소 감소속도 계수(k)들 또는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)들을 저장부(120)에서 검색하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도 계수(k) 값 또는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)과 가장 가까운 검색된 잔류염소 감소속도 계수(k) 또는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)을 최종 예측값으로 선택하는 보정을 수행할 수 있다.
염소설비 제어부(150)는 잔류염소 감소속도 예측부(140)에서 예측한 잔류염소 감소속도에 기초하여 염소설비(200)의 소독제 투입량을 제어한다. 염소설비 제어부(150)는 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)가 하부한계값(CrfL) 아래로 내려가지 않도록 필요한 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출한다. 하부한계값(CrfL)은 잔류염소가 병원성 미생물 등에 소독효과를 유지하기 위한 최저기준을 말한다. 예를 들어, 하부한계값은 0.1 mg/L 일 수 있다. 잔류염소 농도의 하부한계값(CrfL)은 필요에 따라 변경될 수 있다.
염소설비 제어부(150)는 실시간으로 예측되는 잔류염소 감소속도 계수(k)를 이용하여 아래의 수학식 5에 따라 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출할 수 있다.
DCu: 상류지점의 잔류염소 요구농도, CrfL: 하류지점의 잔류염소 농도의 하부한계값, k: 잔류염소 감소속도 계수 예측값, td-tu: 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값.
수학식 5를 이용하여, 실시간으로 예측되는 잔류염소 감소속도 계수(k)와 상류지점에서 하류지점까지 체류시간(td-tu)을 고려할 때, 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)가 적어도 하부한계값(CrfL)이 되기 위해 필요한 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출할 수 있다. 즉, 상류지점의 잔류염소 농도(Cu)를 상기 수학식 5에 의해 산출되는 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)보다 높게 유지하면, 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)가 하부한계값(CrfL) 이상으로 유지될 수 있고, 병원성 미생물 등에 의한 오염을 방지할 수 있다.
염소설비 제어부(150)는 이미 알고 있는 수체반응계수(kb) 및 실시간으로 예측되는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)을 이용하여 아래의 수학식 6에 따라 따라 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출할 수 있다.
DCu: 상류지점의 잔류염소 요구농도, CrfL: 하류지점의 잔류염소 농도의 하부한계값, △Cud kw: 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량 예측값, kb: 수체반응계수 실험값, td-tu: 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값.
수학식 6을 이용하여, 실시간으로 예측되는 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량 예측값(△Cud kw), 상류지점에서 하류지점까지 체류시간(td-tu) 및 수체반응계수 실험값(kb)을 고려할 때, 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)가 적어도 하부한계값(CrfL)이 되기 위해 필요한 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출할 수 있다. 즉, 상류지점의 잔류염소 농도(Cu)를 상기 수학식 6에 의해 산출되는 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)보다 높게 유지하면, 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)가 하부한계값(CrfL) 이상으로 유지될 수 있고, 병원성 미생물 등에 의한 오염을 방지할 수 있다.
염소설비 제어부(150)는 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출한 다음, 실시간으로 물에 투입되어야 할 소독제 양을 산출할 수 있다. 염소설비 제어부(150)는 아래 수학식 7에 따라 실시간 소독제 주입량(Rd)을 산출할 수 있다.
Rd: 소독제 투입량, DCu: 상류지점의 잔류염소 요구농도, Qu: 상류지점의 실시간 유량 측정값.
염소설비 제어부(150)는 상기 수학식 7에 따라 투입해야 할 소독제 투입량(Rd)를 산출하고, 산출된 소독제 투입량(Rd)만큼 소독제를 물에 투입하도록 염소설비(200)를 제어(예를 들어, 도 1의 ①)할 수 있다.
염소설비 제어부(150)는 정수장(PP)에서 이미 소독제가 투입된 물에 다시 소독제를 투입하는 재염소설비(도 1의 200b)가 투입해야할 소독제 투입량(Rd)을 아래 수학식 8에 따라 산출할 수 있다.
Rd: 소독제 투입량, DCu: 상류지점의 잔류염소 요구농도, Cp: 기존 잔류염소 농도, Qu: 상류지점의 실시간 유량 측정값.
도 1을 참조하면, 배수지(DR)에 설치된 제2 염소설비(200b)는 제1 염소설비(200a)에서 소독제가 투입된 물에 다시 소독제를 투입하는 재염소설비이다. 따라서 배수지(DR)를 상류지점으로 하고 수용가(CO)를 하류지점으로 하는 구간에서, 제2 염소설비(200b)의 소독제 투입량(Rd)은 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)에서 상류지점에 유입되는 물의 기존 잔류염소 농도(Cp)를 차감한 값에 상류지점의 실시간 유량(Qu)를 곱한 값이 된다.
메인서버(100)의 드레인 제어부(160)는 체류시간의 증가에 의해 염소설비 제어부(150)가 산출한 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)가 상부한계값(CrfH)보다 큰 경우, 드레인설비(300)가 물을 배출하도록 제어할 수 있다. 또는 드레인 제어부(160)는 체류시간(td-tu)이 일정 기준값 이상으로 예측되는 경우 드레인설비(300)가 물을 배출하도록 제어할 수도 있다.
상류지점에서 하류지점까지 물이 이동하는 체류시간(td-tu)이 길어지는 경우 체류시간의 증가에 따라 물의 잔류염소 농도(C)는 계속하여 감소되므로, 체류시간이 길어지기 전에 투입된 소독제 투입량으로는 하류지점에서 잔류염소 농도(Cd)가 하부한계값(CrfL) 이상으로 유지될 것을 보장하기 어렵다. 따라서 드레인설비(300)가 물을 상수도 공급경로(1)의 외부로 배출하여 물의 체류시간(td-tu)을 감소시키고, 물이 하류지점에 도달하였을 때의 잔류염소 농도(Cd)가 하부한계값(CrfL)보다 크게 할 수 있다.
드레인 제어부(160)는 염소설비 제어부(150)가 산출한 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)가 상부한계값(CrfH)보다 큰 경우, 드레인설비(300)가 물을 배출하도록 제어할 수 있다. 상류지점에서 하류지점까지 물이 이동하는 체류시간(td-tu)이 길어지면 하류지점에서 잔류염소 농도(Cd)를 하부한계값(CrfL) 이상으로 유지하기 위해 요구되는 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)가 증가한다. 체류시간의 증가는 상류지점에 투입되는 염소를 포함하는 소독제 투입량(Rd)을 증가시키며, 상류지점에 인접한 배관에 연결된 수용가(CO)에서는 잔류염소 농도(C)가 높은 물을 공급받게 될 수 있다. 잔류염소 농도(C)가 높은 물은 사람이 인식할 수 있을 정도로 염소 냄새가 나는 문제가 있다. 따라서 염소 냄새를 인식하지 못할 정도의 잔류염소 농도(C)를 상부한계값(CrfH)으로 정하고, 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)가 상부한계값(CrfH)보다 크게 산출되는 경우, 드레인설비(300)를 동작시키면 체류시간(td-tu)이 감소되고 잔류염소 요구농도(DC)도 감소되어 소독제 투입량(Rd)도 감소시킬 수 있다.
수질이상 감지부(180)는 스마트 측정기기(SM)로부터 실시간으로 수신되는 잔류염소 농도, 유량, 수온, 전기전도도, 수소이온농도 등의 수질관련 항목들 및 잔류염소 감소속도 예측부(140)가 예측하는 잔류염소 감소속도 등을 감시하고 판단하여 수질에 문제가 발생하였는지 여부를 판단하고, 수질에 이상이 발생한 경우 표시부(130)를 통하여 관리자에게 알림을 제공할 수 있다. 수질이상 감지부(180)는 저장부(120)에 저장된 데이터를 특정 기간마다 분석하여 수질이상 여부를 판단할 수도 있다. 수질이상 감지부(180)는 수질에 관련된 항목들의 값이 설정된 범위 밖으로 벗어나는 경우 수질에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다.
재염소설비 위치선정부(170)는 염소설비 제어부(150)가 산출한 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)가 상부한계값(CrfH)을 초과하는 경우(도 4의 그래프 1(G1)에서 Node 0의 농도(Ci)참조), 염소설비(200)를 추가로 설치할 위치를 선정할 수 있다. 염소설비(200)가 설치된 상류지점에서 염소설비(200)가 없는 말단의 하류지점까지를 하나의 구간으로 구획할 때(즉, 도 4의 Node 0부터 Node 2까지를 하나의 구간으로 구획할 때), 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)가 상부한계값(CrfH)을 초과하고 소독제 투입량(Rd)이 과도하게 산출된다면, 상류지점과 하류지점 사이의 임의의 지점에 염소설비(200)를 추가로 설치할 필요가 있다.
재염소설비 위치선정부(170)는 상류지점과 하류지점 사이의 임의의 지점을 중간지점으로 가정하고, 상류지점부터 중간지점까지를 제1 구간으로 구획하고 중간지점부터 하류지점까지를 제2 구간으로 구획할 수 있다. 중간지점에 염소설비(예를 들어, 도 1의 200b)가 설치된다고 가정하면 상류지점의 염소설비(예를 들어, 도 1의 200a)가 투입하는 소독제 투입량은 감소될 것이다. 재염소설비 위치선정부(170)는 제1 구간에서 상류지점의 염소설비(200a)가 투입하는 제1 소독제 투입량(Rda)과 제2 구간에서 중간지점에 설치된 것으로 가정한 염소설비(200b)가 투입하는 제2 소독제 투입량(Rdb)을 산출할 수 있으며, 제1 소독제 투입량(Rda)과 제2 소독제 투입량(Rdb)의 합이 현재 투입해야 할 상류지점에서의 소독제 투입량(Rd)보다 적다면, 염소설비(200)의 추가 설치가 필요한 것으로 판단할 수 있다. 또는, 제1 소독제 투입량(Rda)과 제2 소독제 투입량(Rdb)의 합이 현재 투입해야 할 상류지점에서의 소독제 투입량(Rd)보다 많더라도, 제1 소독제 투입량(Rda)에 따른 상류지점의 잔류염소 농도(Cu)와 제2 소독제 투입량(Rdb)에 따른 중간지점(m)의 잔류염소 농도(Cm)가 각각 상부한계값(CrfH)보다 낮다면, 염소설비(200)의 추가설치가 필요한 것으로 판단할 수 있다. 또한, 중간지점의 위치는 제1 소독제 투입량(Rda)과 제2 소독제 투입량(Rdb)의 합이 가장 작은 지점으로 결정할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템을 이용한 제어 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비(200) 제어 방법의 흐름도이고, 도 4는 재염소설비(200)가 없는 상수도 공급경로(1)의 잔류염소 농도와 재염소설비(200)가 있는 상수도 공급경로(1)의 잔류염소 농도를 나타내는 그래프이다. 도 4의 그래프는 가로축이 도 1의 상수도 공급경로(1)의 각 지점들(Node 0, 1, 2)에 대응하도록 도시되었다.
본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비(200) 제어 방법은, 상수도 공급경로(1)에 설치된 스마트 측정기기(SM)가 물의 잔류염소 농도(C) 및 유량(Q)을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하고 측정값을 메인서버(100)로 송신하는 수질측정단계(S10), 메인서버(100)의 잔류염소 감소속도 예측부(140)가 상기 스마트 측정기기(SM)로부터 수신한 측정값에 기초하여 상수도 공급경로(1)에서 잔류염소 감소속도를 예측하는 잔류염소 감소속도 예측단계(S20), 메인서버(100)의 잔류염소 감소속도 예측부(140)가 상기 잔류염소 감소속도 예측단계에서 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 상수도 공급경로(1)에 설치된 염소설비(200)의 소독제 투입량(Rd)을 제어하는 염소설비 제어단계(S30)를 포함할 수 있다.
먼저, 수질 측정단계(S10)는 실시간으로 수행되며 일정 주기로 반복적으로 수행될 수 있다. 수질 측정단계(S10)에서 상수도 공급경로(1)에 설치된 복수의 스마트 측정기기(SM)는 물의 잔류염소 농도 및 유량을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하고 측정값을 메인서버(100)로 송신한다. 스마트 측정기기(SM)는 측정값들을 저장하고 있다가 메인서버(100)의 요청이 있으면 메인서버(100)로 측정값을 송부하도록 구성할 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 정수장(PP)에서 배관으로 물이 공급되는 지점(Node 0)에 제1 스마트 수질계측기(QM 0) 및 제1 스마트 유량계(FM 0)가 설치될 수 있다. 또한, 제2 염소설비(200b)가 설치된 지점(Node 1)의 전단(1-1)에 제2 스마트 수질계측기(QM 1-1) 및 제2 스마트 유량계(FM 1-1)이 설치되고, 후단(1-2)에 제3 스마트 수질계측기(QM 1-2) 및 제3 스마트 유량계(FM 1-2)가 설치될 수 있다. 또한, 수용가(CO)가 위치하는 상수도 공급경로(1) 말단 지점(Node 2)에 제4 스마트 수질계측기(QM 2) 및 제4 스마트 유량계(FM 2)가 설치될 수 있다.
각 지점에 설치된 스마트 측정기기(SM)는 해당 지점에서 수질에 관련된 항목들을 측정하여 메인서버(100)로 전송한다. 예를 들어, 제1 스마트 수질계측기(QM 0)는 설치된 지점에서 잔류염소 농도(C0)를 측정하고 메인서버(100)로 전송하며, 제2 스마트 수질계측기(QM 1-1)는 설치된 지점에서 잔류염소 농도(C1-1)를 측정하고 메인서버(100)로 전송할 수 있다.
다음으로, 수질 측정단계(S10)에서 측정된 값에 기초하여 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)가 수행된다. 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)는 실시간으로 수행되며 일정 주기로 반복적으로 수행될 수 있다. 염소설비(200)가 설치된 상류지점에서 다음 염소설비(200)가 설치되기 전의 하류지점까지를 하나의 구간으로 구획할 때, 상수도 공급경로(1)에는 복수의 구간이 존재할 수 있고, 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)는 각 구간마다 수행될 수 있다. 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)는 필요한 경우 관리자의 설정에 따라 복수의 구간을 하나의 구간으로 판단하고 수행될 수도 있다.
잔류염소 감소속도 예측단계(S20)는 스마트 측정기기(SM)로부터 수신한 유량 측정값에 기초하여 상기 염소설비(200)가 설치된 상류지점에서 상기 스마트 측정기기(SM)가 설치된 하류지점까지 물이 이동하는 체류시간을 실시간으로 예측하는 체류시간 예측단계(S21) 및 미리 산출된 수체반응계수 실험값이 없는 경우, 스마트 측정기기(SM)로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값(C)과 예측된 체류시간(td-tu)에 기초하여 잔류염소 감소속도를 예측(S22a)하고, 미리 산출된 수체반응계수 실험값(kb)가 있는 경우, 스마트 측정기기(SM)로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값(C)과 예측된 체류시간(td-tu)에 기초하여 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)을 예측하고, 미리 산출된 수체반응계수 실험값(kb)와 예측된 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△Cud kw)을 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측(S22b)하는 예측 수행 단계(S22)를 포함할 수 있다.
먼저, 체류시간 예측단계(S21)에서, 예를 들어, 제1 구간(Node 0부터 Node 1까지)의 상류지점(Node 0)의 기준 유량(Q0b)과 상류지점에서 하류지점까지 기준 체류시간((t1-t0)b)은 알고 있는 값이며, 실시간으로 제1 스마트 유량계(FM 0)에서 측정되는 상류지점 유량값(Q0)을 상기 수학식 1에 대입하여, 제1 구간에서 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값(t1-t0)을 예측할 수 있다. 동일한 방법으로, 제2 구간(Node 1부터 Node 2까지)의 상류지점(Node 1-2)의 기준 유량(Q1-2b)과 상류지점에서 하류지점까지 기준 체류시간((t2-t1-2)b)은 알고 있는 값이며, 실시간으로 제3 스마트 유량계(FM 1-2)에서 측정되는 상류지점 유량값(Q1-2)을 상기 수학식 1에 대입하여, 제2 구간에서 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값(t1-t0)을 예측할 수 있다.
다음으로, 예측 수행 단계(S22)에서, 수체반응계수 실험값(kb)이 없는 경우(S22a) 예를 들어, 체류시간 예측단계(S21)에서 제1 구간(Node 0부터 Node 1까지)에서 상류지점(Node 0)부터 하류지점(Node 1)까지 체류시간 예측값(t1-t0)을 예측하였고, 스마트 수질계측기(QM 0, QM 1-1)에서 상류지점(Node 0)의 잔류염소 농도(C0), 하류지점(Node 1-1)의 잔류염소 농도(C1-1)가 측정되므로, 상기 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 잔류염소 감소속도 계수(k)를 예측할 수 있다. 또는, 수체반응계수 실험값(kb)이 있는 경우(S22b) 예를 들어, 체류시간 예측단계(S21)에서 제1 구간(Node 0부터 Node 1까지)에서 상류지점(Node 0)부터 하류지점(Node 1)까지 체류시간 예측값(t1-t0)을 예측하였고, 스마트 수질계측기(QM 0, QM 1-1)에서 상류지점(Node 0)의 잔류염소 농도(C0), 하류지점(Node 1-1)의 잔류염소 농도(C1-1)가 측정되고, 수체반응계수(kb)를 알고 있으므로, 상기 수학식 4를 이용하여 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량(△C01 kw)을 예측할 수 있고, 전체적인 잔류염소 감소속도를 예측할 수 있다. 동일한 방법으로 제2 구간(Node 1부터 Node 2까지)의 잔류염소 감소속도도 예측할 수 있다.
다음으로, 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)는 실시간으로 측정된 수온, 전기전도도, 수소이온농도가 상기 저장부(120)에 저장된 기존의 수온, 전기전도도, 수소이온농도와 일정범위 내에서 유사한 경우의 잔류염소 감소속도를 상기 저장부(120)에서 검색하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도와 상기 검색된 잔류염소 감소속도를 비교하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도를 보정하는 보정단계(S23)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)에서 예측된 체류시간 및 잔류염소 감소속도에 기초하여 염소설비 제어단계(S30)가 수행된다. 염소설비 제어단계(S30)는 메인서버(100)의 염소설비 제어부(150)가 예측된 잔류염소 감소속도를 이용하여 하류지점의 잔류염소 농도(Cd)가 하부한계값(CrfL) 이상으로 유지되기 위한 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출하는 잔류염소 요구농도 산출단계(S31), 및 메인서버(100)의 염소설비 제어부(150)가 상류지점의 잔류염소 요구농도(DCu)를 얻기 위하여 상류지점에 투입할 소독제 투입량(Rd)을 산출하며, 산출된 소독제 투입량(Rd)만큼 소독제를 투입하도록 염소설비(200)를 제어하는 소독제 투입 제어단계(S32)를 포함할 수 있다.
먼저, 잔류염소 요구농도 산출단계(S31)에서, 예를 들어, 제1 구간(Node 0에서 Node 1까지)의 하류지점(Node 1-1)의 잔류염소 농도(C1-1)를 하부한계값(CrfL) 보다 같거나 크게 결정하면, 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)에서 예측된 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값(t1-1-t0) 및 잔류염소 감소속도 예측값(k)을 이용하여 상기 수학식 5에 따라 상류지점의 잔류염소 요구농도(DC0)를 결정할 수 있다.
또는, 예를 들어, 제2 구간(Node 1에서 Node 2까지)의 하류지점(Node 2)의 잔류염소 농도(C2)를 하부한계값(CrfL) 보다 같거나 크게 결정하면, 잔류염소 감소속도 예측단계(S20)에서 예측된 상류지점에서 하류지점까지 체류시간 예측값(t2-t1-2), 수체반응계수 실험값(kb) 및 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량 예측값(△Cud kw)을 이용하여 상기 수학식 6에 따라 상류지점(Node 1)의 잔류염소 요구농도(DC1)를 결정할 수 있다.
다음으로, 소독제 투입 제어단계(S32)를 수행한다. 예를 들어, 제1 구간(Node 0에서 Node 1까지)에서 산출된 잔류염소 요구농도(DC0)와 상류지점(Node 0)의 실시간 유량 측정값(Q0)를 상기 수학식 7에 대입하여 소독제 투입량(Rd0)를 산출할 수 있다. 메인서버(100)의 염소설비 제어부(150)는 산출된 소독제 투입량(Rd0)만큼 소독제를 투입하라는 명령을 제1 염소설비(200)에 전달(도 1의 ①)한다. 염소설비(200a)는 메인서버(100)로부터 수신한 명령(도 1의 ①)에 따라 소독제 투입량(Rd0)만큼 물에 소독제를 투입한다. 이미 소독제가 투입된 물에 다시 소독제를 투입하는 재염소설비(200b)에 투입되는 소독제 투입량(Rd1-2)은 상기 수학식 8에 의해 산출될 수 있다. 메인서버(100)의 염소설비 제어부(150)는 산출된 소독제 투입량(Rd1-2)만큼 소독제를 투입하라는 명령을 제2 염소설비(200b)에 전달(도 1의 ②)한다.
이상으로 설명한 바와 같은 방법으로, 본 발명의 일실시예는 잔류염소 감소속도를 실시간으로 예측하고 상류지점에서 유지해야 할 잔류염소 요구농도(DCu)를 산출한 다음, 상류지점에 투입해야 할 소독제 투입량(Rd)을 정확하게 산출하고 투입함에 따라 안정적이고 효과적인 염소 소독을 수행할 수 있다.
도 5는 기존의 재염소설비 동작에 따른 잔류염소 농도 그래프와 본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템 및 방법이 상수도 공급경로(1)에 적용된 경우 예측되는 잔류염소 농도 그래프이다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 정수장(PP)(Node 0)과 관말지점(Node 2) 사이 지점(Node 1)에 재염소설비(200b)를 설치하고 기존의 제어방법으로 소독제 투입량을 결정하는 경우는 상류지점(예를 들어, Node 1)의 잔류염소 농도값의 최고값(C1-2H)과 최저값(C1-2L)의 차이가 크고, 하류지점(예를 들어, Node 2)에서 잔류염소 농도값의 최고값(C2H)과 최저값(C2L)의 편차가 커서 하부한계값(CrfL) 이하로 잔류염소 농도(C2)가 내려가는 문제가 있다. 기존의 염소설비 제어는 단순히 유량이나 수질 중의 몇몇 항목에 기초하여 단순 비례 제어를 통해 소독제의 투입량을 결정하므로, 물의 체류시간의 실시간 변화나 수질이나 온도에 따라 변화할 수 있는 잔류염소 감소속도를 산출할 수 없었다.
이에 비하여, 본 발명의 일실시예에 따르면 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 각 구간에서 하류지점의 잔류염소 농도(C1-1, C2)를 결정하고 상술한 잔류염소 감소속도 예측단계(S20) 및 잔류염소 요구농도 산출단계(S31)에 따라 상류지점의 잔류염소 요구농도(DC0, DC1-2)를 정확하게 예측할 수 있다. 따라서 하류지점에서 잔류염소 농도가 하부한계값 아래로 내려가지 않는다.
잔류염소 감소속도는 계절, 수온, 수질 등에 의하여 변화하므로 상류지점의 잔류염소 요구농도(DC0, DC1-2)는 최고값(DC0H, DC1-2H)과 최저값(DC0L, DC1-2L) 사이에서 다양하게 예측될 수 있다. 그러나 본 발명의 일실시예에 따르면 임의의 지점(Node 1)에서 시간에 따른 잔류염소 요구농도의 최고값(DC1-2H)과 최저값(DC1-2L)의 차이를 축소할수 있다. 즉, 상수도 공급경로(1) 상에서 시간에 따른 잔류염소 농도를 균등화할 수 있다. 또한, 상수도 공급경로(1)의 상류지점(Node 1)과 하류지점(Node 2) 사이의 잔류염소 농도의 차이를 축소할 수 있다. 즉, 상수도 공급경로(1) 상에서 위치에 따른 잔류염소 농도를 균등화할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 (a)에서 임의의 상류지점(Node 1)에서 측정될 수 있는 잔류염소 농도(C)의 최고값(C1-2H)과 최저값(C1-2L)의 차이(Gap 1a)보다, 본 발명의 일실시예에 따른 도 5의 (b)에서 임의의 상류지점(Node 1)에서 예측되는 잔류염소 요구농도(DC)의 최고값(DC1-2H)과 최저값(DC1-2L)의 차이(Gap 2a)가 작다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따르면, 임의의 상류지점에서 시간에 따라 변동될 수 있는 잔류염소 농도(C)가 균등화될 수 있다.
또한, 도 5의 (a)에서 임의의 상류지점(Node 1)과 하류지점(Node 2)에서 측정될 수 있는 잔류염소 농도(C)의 평균값의 차이(Gap 1b)보다, 본 발명의 일실시예에 따른 도 5의 (b)에서 임의의 상류지점(Node 1)과 하류지점(Node 2)에서 측정될 수 있는 잔류염소 농도(C)의 평균값의 차이(Gap 2b)가 작다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따르면, 상류지점과 하류지점 사이에서 위치에 따라 변화하는 잔류염소 농도(C)가 균등화될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비(200) 제어 방법은, 예측된 잔류염소 감소속도, 스마트 측정장치로부터 수신된 유량(Q), 잔류염소 농도(C), 수온(T), 전기전도도, 수소이온농도(pH)를 시간순으로 관련하여 저장부(120)에 저장하는 기록단계(S40)를 더 포함할 수 있다. 기록단계(S40)는 메인서버(100)가 데이터를 수신하거나 메인서버(100)에서 예측값 또는 산출값을 계산하는 즉시 실시간으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비(200) 제어 방법은, 저장부(120)에 저장된 수질에 관련된 항목들의 값이나 잔류염소 감소속도 등의 값이 일정 범위를 벗어나는 경우 수질이상이 있는 것으로 판단하는 수질이상 판단단계(S50)를 더 포함할 수 있다. 저장부(120)에 수질이상 여부를 판단하기 위한 범위를 저장할 수 있고, 수질이상 판단단계(S50)는 항상 실시간으로 동작하도록 설정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비(200) 제어 방법은, 체류시간의 증가에 의해 상기 잔류염소 요구농도 산출단계(S31)에서 산출된 상류지점의 잔류염소 요구농도(DC)가 상부한계값(CrfH)보다 큰 경우, 메인서버(100)의 드레인 제어부(160)가 상수도 공급경로(1)에 설치된 드레인설비(300)를 동작시켜 물을 배출하도록 제어하는 드레인 제어단계(S60)를 더 포함할 수 있다. 드레인 제어단계(S60)는 잔류염소 요구농도 산출단계(S31)에서 잔류염소 요구농도(DC)가 산출되는 즉시 수행되거나, 잔류염소 요구농도(DC)가 일정기간 이상 상부한계값(CrfH)보다 크게 기록되는 경우 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 사물인터넷 기반 지능형 염소설비(200) 제어 방법은, 잔류염소 요구농도 산출단계(S31)에서 산출된 상류지점의 잔류염소 요구농도(DC)가 상부한계값(CrfH)을 초과하는 경우, 염소설비(200)를 추가로 설치할 위치를 선정하는 재염소설비 위치선정단계(S70)를 더 포함할 수 있다. 재염소설비 위치선정단계(S70)는 일정 주기마다 수행될 수 있다. 재염소설비 설치 여부를 판단하는 과정과 위치를 결정하는 구체적인 방법은 상술하였으므로 생략한다.
이상으로 설명한 본 발명의 일실시예에 따르면, 상수도 공급경로에서 하류지점의 잔류염소 농도를 기준값 이상으로 정확하게 유지할 수 있고, 상수도 공급경로에서 잔류염소 농도의 시간적, 공간적 균일성을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 사물인터넷 기반의 스마트 수질계측기의 측정값를 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측할 수 있고, 온도, 수소이온농도, 전기전도도 값을 이용하여 잔류염소 감소속도를 보정할 수 있으며, 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 염소설비의 염소투입량을 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 사물인터넷 기반의 스마트 수질계측기의 측정값를 이용하여 상수도 공급경로에서 염소설비가 설치되어야 할 지점을 선정할 수 있고, 드레인설비의 동작여부를 결정할 수 있으며, 상수도 공급경로에서 수질이상을 감지할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
SM: 스마트 측정기기
QM: 스마트 수질계측기
FM: 스마트 유량계
PP: 정수장
DR: 배수지
CO: 수용가
1: 상수도 공급경로
100: 메인서버
110: 통신부
120: 저장부
130: 표시부
140: 잔류염소 감소속도 예측부
150: 염소설비 제어부
160: 드레인 제어부
170: 재염소설비 위치선정부
180: 수질이상 감지부
200: 염소설비
210: 차염저장탱크
220: 차염투입 정량펌프
230: 소금저장탱크
240: 차염발생기
300: 드레인설비
QM: 스마트 수질계측기
FM: 스마트 유량계
PP: 정수장
DR: 배수지
CO: 수용가
1: 상수도 공급경로
100: 메인서버
110: 통신부
120: 저장부
130: 표시부
140: 잔류염소 감소속도 예측부
150: 염소설비 제어부
160: 드레인 제어부
170: 재염소설비 위치선정부
180: 수질이상 감지부
200: 염소설비
210: 차염저장탱크
220: 차염투입 정량펌프
230: 소금저장탱크
240: 차염발생기
300: 드레인설비
Claims (11)
- 상수도 공급경로에 설치되어, 물의 잔류염소 농도 및 유량을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하여 측정값을 송신하는 스마트 측정기기;
상기 상수도 공급경로에 설치되어, 상기 상수도 공급경로에 소독제를 투입하는 염소설비; 및
상기 스마트 측정기기로부터 수신한 측정값에 기초하여 상수도 공급경로에서 잔류염소 감소속도를 예측하고, 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 상기 염소설비의 소독제 투입량을 제어하는 메인서버를 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 메인서버는
상기 스마트 측정기기 및 상기 염소설비와 네트워크를 통하여 데이터를 송수신하는 통신부;
상기 스마트 측정기기로부터 수신한 측정값에 기초하여 잔류염소 감소속도 계수를 예측하는 잔류염소 감소속도 예측부; 및
상기 잔류염소 감소속도 예측부에서 예측한 잔류염소 감소속도에 기초하여 상기 염소설비의 소독제 투입량을 제어하는 염소설비 제어부를 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템. - 청구항 2에 있어서,
상기 잔류염소 감소속도 예측부는
미리 산출된 수체반응계수 실험값이 없는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 유량 측정값에 기초하여 상기 염소설비가 설치된 상류지점에서 상기 스마트 측정기기가 설치된 하류지점까지 물이 이동하는 체류시간을 실시간으로 예측하고, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 잔류염소 감소속도를 예측하며, 미리 산출된 수체반응계수 실험값이 있는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 예측하고, 상기 미리 산출된 수체반응계수 실험값과 상기 예측된 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측하며,
상기 염소설비 제어부는
예측된 잔류염소 감소속도를 이용하여 상기 하류지점의 잔류염소 농도가 하부한계값 이상으로 유지되기 위한 상류지점의 잔류염소 요구농도를 산출하고, 상기 상류지점의 잔류염소 요구농도를 얻기 위하여 상류지점에 투입할 소독제 투입량을 산출하며, 산출된 소독제 투입량만큼 소독제를 투입하도록 상기 염소설비를 제어하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 예측된 잔류염소 감소속도, 상기 스마트 측정장치로부터 수신된 유량, 잔류염소 농도, 수온, 전기전도도, pH를 실시간으로 저장하는 저장부를 더 포함하며,
상기 잔류염소 감소속도 예측부는
실시간으로 측정된 수온, 전기전도도, pH가 상기 저장부에 저장된 기존의 수온, 전기전도도, pH와 일정범위 내에서 유사한 경우의 잔류염소 감소속도를 상기 저장부에서 검색하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도와 상기 검색된 잔류염소 감소속도를 비교하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도를 보정하는 동작을 더 수행하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상수도 공급경로에 설치되어, 물을 외부로 배출시키는 드레인설비를 더 포함하고,
상기 메인서버는
상기 체류시간의 증가에 의해 상기 염소설비 제어부가 산출한 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부한계값보다 큰 경우, 상기 드레인설비가 물을 배출하도록 제어하는 드레인 제어부를 더 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템. - 청구항 3에 있어서,
상기 메인서버는
상기 염소설비 제어부가 산출한 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부임계값을 초과하는 경우, 상기 염소설비를 추가로 설치할 위치를 선정하는 재염소설비 위치선정부를 더 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 시스템. - 상수도 공급경로에 설치된 스마트 측정기기가 물의 잔류염소 농도 및 유량을 포함하는 복수의 수질에 관련된 항목들을 측정하고 측정값을 메인서버로 송신하는 수질측정단계;
메인서버가 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 측정값에 기초하여 상수도 공급경로에서 잔류염소 감소속도를 예측하는 잔류염소 감소속도 예측단계;
메인서버가 상기 잔류염소 감소속도 예측단계에서 예측된 잔류염소 감소속도에 기초하여 상수도 공급경로에 설치된 염소설비의 소독제 투입량을 제어하는 염소설비 제어단계를 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 잔류염소 감소속도 예측단계는
상기 스마트 측정기기로부터 수신한 유량 측정값에 기초하여 상기 염소설비가 설치된 상류지점에서 상기 스마트 측정기기가 설치된 하류지점까지 물이 이동하는 체류시간을 실시간으로 예측하는 체류시간 예측단계; 및
미리 산출된 수체반응계수 실험값이 없는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 잔류염소 감소속도를 예측하고,
미리 산출된 수체반응계수 실험값이 있는 경우, 상기 스마트 측정기기로부터 수신한 잔류염소 농도 측정값과 상기 예측된 체류시간에 기초하여 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 예측하고, 상기 미리 산출된 수체반응계수 실험값과 상기 예측된 관벽반응에 의한 잔류염소 감소량을 이용하여 잔류염소 감소속도를 예측하는 예측 수행 단계를 포함하고,
상기 염소설비 제어단계는
메인서버가 상기 예측된 잔류염소 감소속도를 이용하여 상기 하류지점의 잔류염소 농도가 하부한계값 이상으로 유지되기 위한 상류지점의 잔류염소 요구농도를 산출하는 잔류염소 요구농도 산출단계; 및
메인서버가 상기 상류지점의 잔류염소 요구농도를 얻기 위하여 상류지점에 투입할 소독제 투입량을 산출하며, 산출된 소독제 투입량만큼 소독제를 투입하도록 상기 염소설비를 제어하는 소독제 투입 제어단계를 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 예측된 잔류염소 감소속도, 상기 스마트 측정장치로부터 수신된 유량, 잔류염소 농도, 수온, 전기전도도, pH를 시간순으로 저장부에 저장하는 기록단계를 더 포함하며,
상기 잔류염소 감소속도 예측단계는
실시간으로 측정된 수온, 전기전도도, pH가 상기 저장부에 저장된 기존의 수온, 전기전도도, pH와 일정범위 내에서 유사한 경우의 잔류염소 감소속도를 상기 저장부에서 검색하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도와 상기 검색된 잔류염소 감소속도를 비교하고, 실시간으로 예측된 잔류염소 감소속도를 보정하는 보정단계를 더 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 체류시간의 증가에 의해 상기 잔류염소 요구농도 산출단계에서 산출된 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부한계값보다 큰 경우, 상기 메인서버가 상수도 공급경로에 설치된 드레인설비를 동작시켜 물을 배출하도록 제어하는 드레인 제어단계를 더 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 잔류염소 요구농도 산출단계에서 산출된 상류지점의 잔류염소 요구농도가 상부임계값을 초과하는 경우, 상기 염소설비를 추가로 설치할 위치를 선정하는 재염소설비 위치선정단계를 더 포함하는, 사물인터넷 기반 지능형 염소설비 제어 방법.
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