KR20210121529A - 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치 - Google Patents

2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치 Download PDF

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KR20210121529A
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Abstract

본 발명은 다목적 댐이나 저수지, 보에 설치되어 방류하는 물의 양을 조절하기 위하여 수문의 개도를 검출하는 장치에 관한 것으로, 베이스 플레이트(105)에 축이 지지되고 회전하는 수문의 권양기 축(111)에 일단이 기어열로 결합된 이송스크류(110)와; 상기 이송스크류(110)의 나사에 결합된 이송너트(109)와 함께 상기 베이스 플레이트(105)에 고정된 가이드 샤프트(114)를 따라 좌우로 이동하는 이동블럭(102)과; 상기 이송스크류(110)에 타이밍벨트(119)로 연결되어 상기 수문 권양기축(111)의 회전량에 비례하여 회전하는 정밀엔코더(116)와; 상기 베이스 플레이트(105)에 고정 설치되며, 상기 이동블럭(102)에 중간부가 고정된 타이밍벨트(107)로 연결되어 회전되는 광역엔코더(120);를 포함하여 이루어지며; 상기 정밀엔코더(116)의 회전수는 광역엔코더(120)의 값을 분석하여 계산하고, 상기 정밀엔코더(116)의 회전수에 정밀엔코더(116)의 분해능을 곱하고 이 값에 정밀엔코더(116)의 값을 더하여 수문개도를 계산한다.

Description

2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치{An Apparatus for measuring radial gate opening position using two absolute encoders}
본 발명은 다목적 댐이나 저수지, 보 등에 설치되어 방류하는 물의 양을 조절하는 수문의 개도를 검출하는 장치에 관한 것으로, 전원 공급이 차단된 때에도 개도의 변화를 측정할 수 있고, 높은 분해능으로 먼거리를 측정하기 위하여 절대형 엔코더 2개를 이용하는 이중 절대형 엔코더 방식의 수문개도 검출장치에 관한 것이다.
다목적 댐이나 저수지, 보, 항만 갑문 등의 수문개도 측정은 대규모 물을 관리하는 중요한 업무로서 정확한 수문개도 측정장치는 매우 중요한 설비 중 하나이다.
종래에는 이러한 수문의 구동축에 연결되어 회전량을 측정하는 방식으로 4자리 또는 5자리의 숫자 휠로 구성된 기계식 카운터를 주로 사용하였다. 이 카운터는 1 단위 숫자가 0, 2, 3, .., 9로 증가하고 다시 0으로 바뀔 때 10 단위 숫자 휠이 1단위 증가하고, 다시 10자리 숫자휠이 0, 2, 3, .., 9로 증가하고, 다시 0으로 바뀔 때 100 자리 숫자 휠이 1단위 증가하는 방식으로 구성되어 있다. 이 기계식 카운터의 숫자 휠의 값을 검출하는 방법은 숫자 단위당 1, 2, 4, 8의 값을 갖는 4개의 자석과 리드 릴레이로 구성된 BCD(Binary-Coded Decimal notation;2진화 십진법) 방식을 이용하여 숫자 값을 표시하게 되는데, 이 리드 릴레이는 자석에 의해 ON, OFF 되어 숫자 값을 표시하여 출력하게 된다. 이때 리드 릴레이는 약한 자력선에 의해 접점이 붙거나 떨어지는 매우 취약한 구조로 되어 있어서, 약한 써지 전압에도 접점이 소손되어 동작이 정상적으로 이루어지지 않는 현상이 빈번히 발생하고, 숫자가 바뀔 때 숫자와 숫자 사이에 자석이 없는 구간을 지날 때 순간적으로 값이 0으로 출력되는 현상이 발생하여 설비의 가동이 정지되는 문제점이 있다.
한편, 종래 다른 수문개도 계측방식으로는 수문개도장치의 한 축에 증분형 엔코더를 부착하여 축의 회전량에 따라 발생하는 펄스를 적산하고, 이 적산된 펄스 값에 펄스당 이송거리 계수를 곱하여 수문개도를 계측하는 방식이 이용되기도 한다. 이러한 증분형 엔코더를 이용하는 경우 비교적 간편하게 수문개도를 계측할 수 있는 장점이 있으나, 정전이 발생하거나 증분형 엔코더의 연결케이블에 이상이 생기거나 컨트롤러가 정상적으로 작동하지 않는 때에 수문을 열거나 닫으면 이 동안에 발생한 펄스를 잃어버리게 되어 그 만큼 수위 값의 오차가 발생하는 문제가 있었다.
한편, 종래 또 다른 수문개도 계측방식으로는 한 개의 절대형 엔코더를 이용하는 방식이 있는데, 이 방식은 긴 이동거리를 측정하려면 엔코더 앞단에 높은 비율의 감속기어를 설치하여 절대치 엔코더의 1회전 이내로 감속하여 사용해야 한다. 이러한 감속기어는 기어의 백래시(Backlash)에 의한 큰 오차가 발생하게 되며, 전체 이동거리를 엔코더의 분해능으로 나눈 절대형 엔코더의 정밀도는 이동거리가 길면 길수록 상대적으로 떨어지는 문제점이 발생하게 된다. 예를 들면, 수문개도가 50m인 대형 취수탑에 1000펄스 분해능을 갖는 절대형 엔코더를 사용하는 경우, 펄스당 최소 분해능은 50000/1000 = 50mm 즉 5cm로, 일반 수문개도 측정기에서 요구하는 최소 분해능인 1cm 이내를 만족하지 못하여 사용할 수 없게 된다.
한국등록특허 제10-0968791호(2010.07.01.등록) 한국등록특허 제10-0273465호(2000.09.02.등록) 한국등록특허 제10-1839067호(2018.03.09.등록) 한국등록특허 제10-1841821호(2018.03.19.등록)
다목적 댐이나 조정지 댐 혹은 저수지의 수문, 항만의 수문이나 갑문의 개도는 물의 방류량과 직결되므로 정확한 수문개도의 측정은 대규모 물을 관리하는 수자원 운영에 필수적인 요소가 된다. 특히 홍수기에 물의 방류량 조절에 결정적인 요소가 되는 수문개도의 측정이 부정확하다면 예기치 못한 하류지역의 침수로 이어지는 중대한 상황이 발생할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 첫째, 높은 분해능으로 먼 거리를 안정적으로 측정하는 정밀한 측정기능을 갖는 수문개도 검출장치를 제공하는데 있다.
종래의 수문개도 검출방식은 리드와 자석으로 구성된 R/D 컨버터를 사용하는데, 이 R/D 컨버터의 동작원리는 각 숫자를 나타내는 얇은 필름 밑에 이 숫자에 해당하는 이진부호 형태에 직경이 약 3mm 정도의 자석이 삽입되어 있으며, 이 자석이 있으면 리드 릴레이가 도통(Close) 되고 자석이 없으면 리드 릴레이가 개방(Open) 되는 원리로 작동된다. 만일 자석이 있어도 정상보다 자력이 약하면 리드 릴레이가 도통(Close) 되지 않는 경우가 발생하고, 반대로 정상보다 자력이 강하면 다른 리드 릴레이가 도통(Close) 되는 오류가 발생하며, 특히 숫자가 바뀌는 경우 즉 자석이 회전 할 때 ‘0’이 출력되는 심각한 현상이 발생한다.
본 발명에서는 전원이 OFF 되어도 엔코더 축의 위치를 검출이 가능한 절대형 엔코더 2개를 정밀한 기어로 연결하여 mm 단위로 100m 길이까지 정확한 수문개도의 검출이 가능하도록 개선하였다.
본 발명의 두번째 목적은, 측정의 기준점이 되는 정밀한 영점설정 및 상하한 리미트 설정기능을 갖는 수문개도 검출장치를 제공하는데 있다.
종래의 리미트 검출방식은 도 8에 도시된 바와 같이 원판형 캠과 리미트 스위치 방식으로 검출하므로, 수문의 전 행정을 다수의 기어열로 감축하여 1회전 내로 회전하도록 구성되므로 검출위치를 조정하려면 캠의 고정용 나사를 풀고 원판형 캠을 회전시켜 리미트 스위치가 동작하는 위치에 캠을 고정시켜야 한다. 이때 원판형 캠의 각도 조절이 매우 까다로운 문제로 만일 수문행정이 50m인 취수문의 경우 캠 각도 1도에 해당하는 거리는 50000/360 = 138.8 mm 에 해당되어 통상적 수문 운영에 필요한 정밀도 10mm를 초과하여 큰 오차를 발생한다. 만일 영점설정이 잘못 설정되어 있는 경우, 예를 들어 수문의 영점이 10cm 가량 위로 설정되어 있다고 가정할 때 수문이 10cm 미만인 경우에는 여수로에 많은 물이 방류되고 있는데도 불구하고 수문 개도값은 ‘0’으로 표시된다. 왜냐하면 통상적으로 수문 개도값은 음(-)개도는 수문이 여수로 콘크리트 밑으로 파고들어가는 경우이므로 사용하지 않고 양(+) 개도값만 사용한다.
본 발명의 세 번째 목적은, 부채꼴 형상의 수문에서 수문의 이동궤적을 들어 올리는 와이어로프의 감긴 길이에 대한 직선화된 수식을 산출하는 래디얼게이트(Radial gate) 직선화 기능을 갖도록 하는데 있다.
종래에는 수문의 전 행정에 대하여 수백 개의 지점에 대하여 와이어로프의 감긴 길이에 대한 실제 수문의 개도를 도 9에 도시된 바와 같이 미리 계산해 놓은 표를 이용하여 개도 값을 환산하는 방식으로 운영되어 수문을 동작하면서 현재 개도를 즉시 파악하지 못하는 부정확성이 있어서 수문 운영에 많은 지장을 초래하였다.
따라서, 본 발명에서는 수문을 들어 올리는 와이어로프의 감긴 길이에 대하여 실제 수문의 궤적을 엑셀로 수학식을 작성하여 정확하게 계산한 값을 수문개도 연산장치에 삽입하여 실시간으로 와이어로프의 감긴 길이에 대한 실제 수문의 정밀한 개도값을 출력하도록 하는 기능을 부가하였다.
본 발명의 네 번째 목적은 산출된 결과치를 다양한 통신수단으로 출력하여 사용의 편의성을 제공하는 갖도록 하는데 있다.
종래에는 R/D 컨버터에서 출력되는 BCD 형태로만 출력되어 개도값을 현장 지시계에 표시하고, 또한 제어실로 전송하기 위하서는 BCD 분배기라는 장치를 반드시 사용하여야 정확한 개도 값 전송이 가능하였다. 본 발명에서는 BCD 출력과 함께 RS-232C 혹은 RS-485형태의 통신방식으로 개도 값을 출력함으로써, 현장지시계는 RS-232C 방식의 표시장치를 사용하여 개도 값을 표시하고, 제어실로의 전송은 BCD 방식으로 출력함으로써 BCD 분배기가 불필요하도록 구성하여 설비의 구성이 간결하여 비용이 절감되고 고장요소도 현저히 저감토록 하였다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 첫째, 높은 분해능으로 먼 거리를 안정적으로 측정하기 위해 전원이 OFF 되어도 엔코더 축의 위치를 검출이 가능한 절대형 엔코더 2개를 정밀한 기어로 연결하여 mm 단위로 100m 길이까지 정확한 수문개도의 검출이 가능하도록 한 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치를 제공한다.
둘째, 본 발명에서 측정의 기준점이 되는 정밀한 영점설정 및 상하한 리미트 설정기능을 제공하기 위해 수문의 회전축에 적정한 감속 비율을 갖는 기어로 결합된 스크류와 이 스크류의 회전에 따라 좌우로 이동하는 너트를 포함한 이동블럭으로 구성하여 종래의 캠 장치가 1회전하는데 반해, 본 발명은 50~150회전으로 확대하여 조정범위를 넓힐 수 있도록 하고, 상기 이동블럭 위에 미세조정장치를 결합하여 세밀한 조정이 가능하도록 한다.
셋째, 본 발명은 부채꼴 형상으로 된 수문의 이동궤적을 수문을 들어 올리는 와이어로프의 감긴 길이에 대한 직선화된 수식을 산출하기 위하여 수문의 중요한 파라메터인 수문의 반경과 수문의 힌지점 좌표, 권취드럼의 지름, 와이어로프의 수 등을 입력하고 고정버퍼로부터 권취드럼까지의 전체 와이어로프의 길이를 구하고, 이 전체 와이어로프의 길이를 1cm 간격으로 조밀하게 수문의 이동궤적을 계산하는 엑셀식을 작성하여 계산하도록 하였다.
넷째, 본 발명은 산출된 결과치를 다양한 통신수단으로 출력하여 사용의 편의성을 제공하는 기능을 위하여 수문개도검출장치 내부에 PLC 연산기능을 수행하는 보드를 수납하여 종래의 BCD 출력방식과 아울러 RS-232C 또는 RS-485 통신기능을 가지, MODBUS-RTU 프로토콜을 지원하도록 하였다.
본 발명에 의한 수문개도 검출장치는 종래 수문개도 검출방식이 리드와 자석으로 구성된 R/D 컨버터를 사용하는데 순간적으로 출력값이 ‘0’이 출력되는 현상과 써지전압에 취약한 점이 있는데 반해, 2개의 절대형 엔코더를 정밀기어로 연결하여 mm 단위로 100m 길이까지 정확한 개도검출이 가능하고 릴레이로 출력하여 노이즈 내량(耐量)이 크게 향상 되었고, 수문의 개도량의 기준이 되는 영점설정과 하한리미트, 상한리미트의 설정은 정확하고 안정적으로 작동되어야 하는데, 종래의 원판형 캠방식은 1회전에 수문의 전행정, 즉 45m를 압축해 놓음에 따라 원판형 캠의 회전각도 1도가 125mm에 해당하여 적용 현장에서 요구하는 10mm 이내로 조정하기가 매우 어려움이 있는데 비하여, 본 발명은 수문의 회전축에 적정한 감속 비율을 갖는 기어로 결합된 스크류와 이 스크류의 회전에 따라 좌우로 이동하는 너트를 포함한 이동블럭으로 구성하여 50~150회전으로 확대하여 조정범위를 넓혔으며, 이동블럭 위에 미세조정장치를 결합하여 mm단위로 세밀한 조정이 가능하여 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 래디얼 게이트의 직선화 연산은 수문의 중요한 파라메터인 수문의 반경과 수문의 힌지점 위치, 권취드럼의 지름, 와이어 로프의 수 등을 입력하고 고정점으로부터 권취드럼까지의 전체 와이어로프의 길이를 구하고, 이 전체 와이어로프 길이를 1cm 간격으로 조밀하게 수문의 이동궤적을 계산하는 엑셀식을 작성하여 수문개도를 계산하도록 하였으며, 실제로 많은 대규모 댐의 수문에 적용하여 수문개도장치의 지시값과 레이저 거리측정기로 측정한 값과의 비교 실험을 통하여 정밀도를 입증하였다.
또한, 수문개도값을 출력하는 방법에 있어서 종래에는 BCD 방식으로만 출력이 가능하였으나, 본 발명에서는 BCD 방식과 함께 RS-232C 또는 RS-485 통신기능을 보유하여 MODBUS- RTU 형식으로 개도값을 출력하여 다른 장비와 데이터 전송이 원활하며, 특히 RS-232C 방식으로 현장지시계에 개도 값을 표시하여 종래의 BCD 분배기가 불필요하도록 구성하여 설비의 구성이 간결하여 비용이 절감되고 고장요소도 현저히 저감토록 하였다.
도 1은 본 발명에 따른 수문개도검출장치를 개략적으로 도시한 정면도 및 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 영점검출부 개념도,
도 3는 본 발명에 따른 래디얼게이트형 수문의 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 스필웨이 곡면 상세보상의 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 래디얼게이트형 수문의 직선화 프로그램 일례,
도 6은 본 발명에 따른 래디얼게이트형 수문의 개도를 계산한 표의 예,
도 7은 본 발명에 따른 수문개도 검출장치 연산보드의 블럭도,
도 8은 종래의 원판형 캠 방식의 리미트장치 구성도,
도 9는 종래의 여수로 수문 개도율 조견표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수문개도 검출장치(100)의 전체 구성을 개략적으로 도시한 정면도와 평면도로, 이는 베이스 플레이트(105)에 축이 지지되고 회전하는 수문의 권양기 축(111)에 일단이 기어열로 결합된 이송스크류(110)와; 상기 이송스크류(110)의 나사에 결합된 이송너트(109)와 함께 상기 베이스 플레이트(105)에 고정된 가이드 샤프트(114)를 따라 좌우로 이동하는 이동블럭(102)과; 상기 이송스크류(110)에 타이밍벨트(119)로 연결되어 상기 수문 권양기축(111)의 회전량에 비례하여 회전하는 정밀엔코더(116)와; 상기 이동블럭(102)에 중간부가 고정된 타이밍벨트(107)로 연결되어 회전되는 광역엔코더(120)를 포함하여 이루어져 있으며; 상기 정밀엔코더(116)의 회전수는 광역엔코더(120)의 값을 분석하여 계산하고, 상기 정밀엔코더(116)의 회전수에 정밀엔코더(116)의 분해능을 곱하고 이 값에 정밀엔코더(116)의 값을 더하여 수문개도를 계산하도록 되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 수문개도검출장치(100)는 수문의 기준점을 검출하기 위한 영점검출장치(101)와 수문의 개폐에 따라 수문의 권양기축(111)으로부터 회전량을 전달받아 회전하는 이동조절기어(112)와 이에 결합되어 회전하는 이송스크류(110)와, 내부에 백래시를 배제하기 위하여 일렬로 배치된 2개의 이송너트(109)가 결합되어 이송스크류(110)의 회전에 의해 좌우로 이동하는 이동블럭(102)과, 상기 이동블럭(102)의 이동량에 대한 수문의 개도를 지시하기 위하여 이동블럭(102)에 부착된 지시침(123)이 일종의 자와 같은 형태인 지시스케일(103)을 가리키도록 되어 있어 전원 공급이 차단된 때에도 개도의 변화를 측정할 수 있고, 이들 장치를 정확히 조립하고 결합하기 위한 베이스플레이트(105)와, 상기 이동블럭(102)을 흔들리지 않고 정확하게 이동하도록 지지하는 가이드샤프트(114)와, 이송스크류(110)의 회전량을 정밀타이밍풀리(117a,117b)와 정밀타이밍벨트(119)를 통하여 정밀엔코더(116)에 전달하며, 정밀엔코더(116)는 절대형 엔코더로서 이송스크류(110)의 회전위치를 검출하도록 구성되어 있다.
또한, 광역타이밍벨트(107)는 이송스크류(110)의 회전에 따라 좌우로 이동하는 이동블럭(102)에 고정플레이트(122)로 결합되어, 좌우로 이동한 거리에 해당하는 만큼 광역타이밍풀리(121a)를 회전시키면 광역타이밍풀리(121a)에 결합된 광역엔코더(120)의 축이 회전하게 되며, 이때 광역엔코더(120)는 광역타이밍풀리(121a)의 회전량을 계측하여 이동블럭(102)의 이송량을 계측하게 된다. 이때 장력조절장치(108)는 광역타이밍벨트(107)의 장력을 적절히 조절하는 역할을 하게 된다.
상기 이동블럭(102)에는 수문이 과도하게 아래로 혹은 위로 이송되어 설비가 파손되는 현상을 방지하기 위한 한계위치를 검출하는 장치로서 원점설정, 하한 리미트, 상한 리미트, 비상상한 리미트가 설치되어 있으며, 이들을 미세하게 검출하기 위한 미세조정장치로서 영점설정을 미세하게 조정하도록 하는 영점조절장치(106a)와 수문의 하강한계 위치를 설정하는 하한조절장치(106b), 상승 한계위치를 설정하는 상한 조절장치(106c), 더 이상 상승하면 수문설비에 심각한 파손을 방지하기 위한 비상상한 조절장치(106d)가 설치되어 각 위치를 정밀하게 조정하도록 한다.
또한, 하한조절장치(106b)는 수문이 자동모드로 하강할 때 더 이상 하강하지 않도록 수문을 정지시키는 역할을 수행하는 하한위치를 설정하는 장치이다.
상기 영점조절장치(106a), 하한 조절장치(106b), 상한 조절장치(106c), 비상 상한 조절장치(106d)는 각각 베이스 플레이트(105)의 대응되는 위치에 설치된 영점검출장치(101), 하한 검출센서(113b), 상한 검출센서(113c), 비상상한 검출센서(113d)가 설치되어 있다.
도 2는 도 1에 도시된 영점검출장치(101)의 세부 구성도로, 상기 영점검출장치(101)는 힌지(131)를 축으로 회전하며 토션스프링(132)에 의해 일방향으로 편향된 ‘L’자 형태의 회전블럭(130)과, 상기 회전블럭(130)의 일측에 조립되어 상기 영점조절장치(106a)에 접촉하는 회전 베어링(134)과, 상기 회전블럭(130)의 타측에 형성된 회전접점이 접촉하거나 이격되는 고정접점(133)을 포함하여 이루어지며, 상기 회전블럭(130)의 회전접점은 토션스프링(132)에 의하여 고정접점(133)에 접촉된 상태를 유지하며, 상기 이동블럭(102)이 하강방향으로 이동하여 영점조절장치(106a)의 로드가 회전 베어링(134)을 밀면 회전블럭(130)이 회전하여 회전접점이 고정접점(133)에서 이격되며, 이 시점을 영점설정 위치로 간주하도록 되어 있다.
이를 다시 설명하면, 수문이 하강하면 이동블럭(102)은 도 2에서 좌측으로 이동하게 되며, 이동블럭(102)에 설치된 영점조정장치(106a)가 회전베어링(134)에 접촉하면 회전블럭(130)은 회전블럭 힌지(131)를 중심으로 시계방향으로 회전하게 되고, 토션스프링(132)에 의해 평상시 고정접점(133)에 밀착되어 있던 회전블럭(130)이 떨어지게 된다. 이때 개도연산보드(104; 도 7 참조)는 이 위치를 수문의 영점으로 설정하게 된다. 이 영점검출장치(101)는 일반적인 리미트 스위치가 어느 정도의 유격 및 공차를 내포하고 있어서 작동하는 위치가 부정확하여 영점설정에 오차를 유발하게 되는 점을 개선하기 위하여 고안하였다.
한편, 도 1의 좌측 하단에 도시된 영점허가스위치(118)는 운영자의 예기치 않은 조작으로 영점검출장치(101)가 작동하여 임의의 위치에서 수문의 영점이 설정되어 수문 개도값이 초기화되는 현상을 방지하기 위한 것으로, 수문의 영점을 설정할 때에는 영점허가스위치(118)를 올린 후 수문을 내리면서 물의 흐름이 차단되는 시점에서 수문의 하강을 정지하고 영점설정을 수행하며, 영점설정이 완료된 후에는 영점허가스위치(118)를 내려 임의 위치에서 수문의 영점이 설정되는 현상을 방지하는 기능을 수행한다.
도 3은 래디얼 게이트 수문(140)의 구성도이다.
수문은 물을 방류하지 않을 때에는 수문 끝점(146)이 차수용 고무패드 위에 놓여져 있으며, 물을 방류하려는 경우에 도시 생략된 전동기로 윈치드럼(141)을 회전시켜 와이어로프(148)를 감거나 풀어 수문의 개도를 조절한다. 이때, 래디얼 게이트 수문(140)은 수문 힌지점(144)을 중심으로 상승 혹은 하강하게 되는데, 와이어로프(148)는 한 끝단이 로프 고정점(142)에 고정되고, 다른 끝은 고정롤러(143)와 이동롤러(147)에 수회 감긴 다음 윈치드럼(141)에 감긴다.
일반적으로 수문의 개도를 계산하기 위하여 로프 고정점(142)으로부터 윈치드럼(141)에 감기는 와이어로프(148)의 전체 합산한 길이를 계측하여 연산하는데, 이때 와이어로프(148)의 감긴 길이를 계측하여 수문 끝점(146)의 궤적을 계산하고 월류 바닥면(149)과의 간격을 수학식으로 연산하는 과정은 비직선적이고 매우 까다로운 과정을 거쳐 산출된다.
도 3에 표시된 윈치드럼(141)의 중심점과 수문의 힌지점(144)의 거리(L1)는 수학식 1과 같이 산출한다.
Figure pat00001
여기서, XA, YA 는 윈치드럼(141)의 중심점의 좌표이고, XC, YC 는 수문의 힌지점(144)의 좌표이다.
또한, 수문의 힌지점(144)과 이동롤러(147)의 중심거리(R1)는 수학식 2와 같이 산출한다.
Figure pat00002
여기서, XC, YC 는 수문의 힌지점(144)의 좌표이고, XD, YD 는 이동롤러(147)의 중심점의 좌표이다.
또한, 윈치드럼(141)의 중심점과 이동롤러(147)의 중심거리(L4)는 수학식 3과 같이 산출한다.
Figure pat00003
여기서, XA, YA 는 윈치드럼(141)의 중심점의 좌표이고, XD, YD 는 이동롤러(147)의 중심점의 좌표이다.
이때, 수문의 힌지점(144)을 중심으로 윈치드럼(141)의 중심점과 이동롤러(147)의 중심의 사이각(A2)는 수학식 4에 의하여 구한다.
Figure pat00004
여기서, L1은 윈치드럼(141)의 중심점과 수문의 힌지점(144)의 거리로 고정된 값이며, R1은 수문의 힌지점(144)과 이동롤러(147)의 중심거리로 고정된 값이다. 따라서 수문의 힌지점(144)을 중심으로 윈치드럼(141)의 중심점과 이동롤러(147)의 중심의 사이각(A2)은 윈치드럼(141)의 중심점과 이동롤러(147)의 중심거리(L4)에 종속된 1차함수로 표현된다.
한편, 고정롤러(143)와 이동롤러(147) 사이의 거리(L3)는 고정롤러(143)의 중심과 수문의 힌지점(144)의 거리(L2)와 수문의 힌지점(144)과 이동롤러(147)의 중심거리(R1)은 고정된 값이며, 윈치드럼(141)의 중심점과 이동롤러(147)의 중심의 사이각(A2)에서 고정된 사이각(A3)의 차이를 뺀 값으로 수학식 5와 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, 일반적으로 수문은 수십 톤에 달하는 무게이므로 인양하중을 경감하기 위하여 와이어로프(148)를 고정롤러(143)와 이동롤러(147) 사이를 다수 왕복하여 감아서 들어 올리는데 감긴 회수를 3회라 하면 와이어로프(148)의 가닥수는 6개이므로 하중은 1/6로 경감된다.
이때, 로프 고정점(142)에서부터 윈치드럼(141)에 감기는 전체 와이어로프(148)의 길이(L)는 이동롤러(147)의 직경을 D라고 할 때 수학식 6과 같이 산출된다.
Figure pat00006
여기서, L5는 윈치드럼(141)의 직경(D0)과 이동롤러(147)의 직경(D1)에 외접하는 원주길이이며 수학식 7과 같이 산출된다.
Figure pat00007
본 발명에서는 일련의 계산을 검증하기 위하여 CAD프로그램을 이용하여 실제 치수로 수문의 수문의 힌지점(144)을 중심으로 윈치드럼(141)의 중심점과 이동롤러(147)의 중심의 사이각(A2)과 수문의 힌지점(144)을 중심으로 윈치드럼(141)의 중심점과 수문의 끝점(146)의 사이각(A3)과 윈치드럼(141)의 중심점과 수문의 힌지점(147)의 거리(L1)와 수문의 힌지점(144)과 이동롤러(147)의 중심거리(R1), 수문의 힌지점(144)과 수문의 끝점(146)을 작화하여 사이각(A3)을 산출하여 검증한다.
또한, 여기에 수문의 반경 즉 힌지점(144)와 수문의 끝점(144)의 거리(R0)를 대입하여 수문 끝점의 XG, YG위치를 수학식 8, 9와 같이 산출한다.
Figure pat00008
Figure pat00009
도 4에 월류바닥면(149)의 바닥면은 평면이 아니라 월류하는 물이 원활히 흐를 수 있도록 수리학에 의한 곡선으로 형성되어 있어서 수문이 들어 올려지면서 수문의 끝점(146)이 연속적으로 변하므로 한 지점에서 볼 때 X축으로 이동한 거리(dXG)만큼 그때의 월류바닥면(149)의 상승한 높이(dYg_Tab(dXG))를 산출하여 수문의 끝점(146)의 Y축의 높이(YG)에서 빼주어 실제로 수문의 끝점(146)과 월류바닥면(149)의 상승한 높이(YGH)의 차이만큼 실제로 물이 흘러가는 높이를 산출한다.
Figure pat00010
또한, 일련의 계산을 용이하게 하기 위하여 엑셀 프로그램을 작성하여 윈치드럼(141)의 중심점과 이동롤러(147)의 중심거리(L4)의 길이를 1cm 단위 길이만큼 전체 와이어로프(148)의 길이를 산출하고, 수문의 끝점(146)의 직교좌표를 산출하여 Y축의 위치와 월류바닥면(149)과의 간격 즉 수문의 개도를 산출한다.
도 5는 본 발명에 따른 래디얼 게이트형 수문의 직선화 프로그램 일례를 보여주고 있다.
도 6은 위에서 서술한 방법으로 수문의 닫힘 위치에서 최대 열림 위치까지 수문 전행정에 대하여 전체 와이어로프(148)의 길이(L)에 대한 엔코더 수문개도(A)와 실제 래디얼게이트 수문개도(A')를 산출한 표이다. 여기서 도 6에 표시된 '엔코더 수문개도'는 후술하는 수학식 11과 같이 정밀엔코더(116)와 광역엔코더(120)의 측정값을 분석하여 계산한 개도값(A)이며, '래디얼 수문개도'는 최종적인 라디얼게이트 직선화 개도값(A')이다.
결과적으로 정밀엔코더(116)와 광역엔코더(120)의 측정값을 토대로 계산한 엔코더 개도값(A)과 이에 대한 래디얼게이트 직선화 개도값(A')의 값만 추출하여 2차원 배열의 데이터 테이블을 작성하여 마이크로 프로세서(151)의 메모리에 저장하고, 마이크로 프로세서(151)는 정밀엔코더(116)와 광역엔코더(120)의 측정값을 토대로 계산한 엔코더 개도값(A)을 계산함과 동시에 2차원 배열의 데이터 테이블을 참조하여 래디얼게이트 직선화 개도값(A')을 연산하도록 프로그램을 작성하였다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수문개도 컨트롤러의 블럭 구성도를 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 개도연산보드(104)에는 정밀엔코더(116)로부터 신호가 입력되는 정밀엔코더 입력부(150)와, 광역엔코더(120)로부터 신호가 입력되는 광역엔코더 입력부(154)와, 상기 정밀엔코더(116)와 광역엔코더(120)의 측정 신호를 분석하여 수문개도값을 계산하는 마이크로프로세서(151)가 구비되어 있다. 또한, 상기 개도연산보드(104)에는 전원 공급을 위한 DC/DC 컨버터(165)와, 각종 파라메타 및 변수가 저장되는 FRAM메모리(155)와, 외부 장치와의 통신을 위한 직렬데이터 전송부(157)와, 액면 레벨 값을 외부로 출력하는 수문 개도값 출력부(159)와, 장치의 동작 범위를 제한하기 위한 리미트 신호를 외부 제어장치로 전송하는 리미트 신호 출력부(162)가 구비된다.
도면 중 부호 156은 영점신호 입력부, 158은 영점허가 스위치 입력부, 161은 리미트 스위치 입력부, 164는 직류 전원을 의미한다.
상기 마이크로프로세서(151)는 정밀엔코더 입력부(150) 및 광역엔코더 입력부(154)를 통하여 입력되는 신호를 분석하여 수문개도 값을 계산하게 되는데, 이 과정은 앞에서 기술한 바와 같이 이송 스크류(110)가 회전하면 정밀타이밍벨트(119)에 의하여 정밀엔코더(116)가 회전하며, 동시에 이송 스크류(110)와 이송너트(109)로 결합된 이동블럭(102)이 좌우로 이송되며, 이동블럭(102)에 결합된 광역타이밍벨트(107)에 의해 광역엔코더(120)가 회전하게 된다. 따라서 정밀엔코더(116)가 1회전할 때 광역엔코더(120)의 값은 상수k의 배수만큼 증가하거나 감소하게 된다. 이를 역으로 이용하면 광역엔코더(120)의 값을 분석하여 정밀엔코더(116)의 회전수를 계산하여 전체 수문개도를 환산할 수 있게 된다. 여기서 수문개도(A)와 광역엔코더(120)의 값(b), 정밀엔코더(116)가 1회전당 광역엔코더(120)의 값 상수(k), 정밀엔코더(116)의 회전당 펄스수(c), 정밀엔코더(116)의 값(d), 정밀엔코더(116)의 펄스당 수문의 이송거리 상수(k1) 라고 할 때 수문개도(A)를 계산하는 식은
Figure pat00011
이 된다.
또한, 마이크로 프로세서(151)의 내부에는 정밀엔코더(116)와 광역엔코더(120)의 측정 신호를 분석하여 개도 값을 계산하는 프로그램이 내장되는 Flash 메모리와, 각종 변수가 저장되는 SRAM이 구비되어 있다. 상기 마이크로프로세서(151)에는 USB포트(152)가 연결되는데, 이 USB포트(152)에는 노트북 컴퓨터(153) 등이 연결되어 동작 프로그램을 전송하거나 파라메터 값을 전송하여 설정할 수 있도록 한다.
상기 FRAM 메모리(155)는 전원이 차단되어도 내용이 지워지지 않는 불휘발성 메모리로서, 노트북 컴퓨터(153)나 외부 장치에서 전송하는 파라메터 값을 저장하거나 중요한 변수값을 저장하는 기능을 수행하게 된다.
상기 직렬 데이터 전송부(157)는 LCD & Key 보드 등과 같은 개도값 표시기(115)와 통신을 하는 회로로서 여기에 연결된 키보드를 통하여 파라메터의 입력 또는 수정이 이루어지며 동작상태가 개도값 표시기(115)에 표시되게 된다. 또한 키보드가 눌린 상태 또는 장치의 상태 및 경보 상태가 발생하면 부저를 통하여 표시될 수 있도록 하는 기능도 수행하게 된다.
또한, 직렬 데이터 전송부(157)에는 CDMA 모뎀, LTE 모뎀, WIFI, ZIGBEE 등 무선으로 신호를 변환하여 데이터를 송수신하는 기능도 수행하게 된다.
상기 수문개도값 출력부(159)는 마이크로프로세서(151)에 의해 계산된 절대수위 값을 상위 감시장치(160)에 출력하는 기능을 수행하며, 리미트신호 출력부(162)는 도 1에 도시된 영점검출장치(101)와 하한검출센서(113b), 상한검출센서(113c), 비상상한 검출센서(113d)의 작동상태와 USB포트(152)를 통하여 입력된 파라메터에 의한 설정위치값에 도달하거나 초과하면 신호를 출력하는 기능을 수행한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 정밀엔코더 영점값과 광역엔코더 영점값은 측정에서 기초가 되는 중요한 값이므로 연속해서 3개를 저장하며, 전원 공급 후 파라메터를 읽는 과정에서 3개의 값을 비교하여 이중 하나의 값이 틀리더라도 나머지 2개의 값이 일치하면 올바른 값으로 인식하도록 하여 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하였다.
이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 수문개도검출장치
101 : 영점검출장치
102 : 이동블럭
103 : 지시스케일
104 : 개도연산보드
105 : 베이스 플레이트
106a : 영점조절장치
106b : 하한조절장치
106c : 상한조절장치
106d : 비상상한조절장치
107 : 광역타이밍벨트
108 : 장력조절장치
109 : 이송너트
110 : 이송스크류
111 : 권양기축
112 : 이동조절기어
113b : 하한검출센서
113c : 상한검출센서
113d : 비상상한 검출센서
114 : 가이드 샤프트
115 : 개도값 표시기
116 : 정밀엔코더
117a,117b : 정밀타이밍풀리
118 : 영점허가스위치
119 : 정밀타이밍벨트
120 : 광역엔코더
121a,121b : 광역타이밍풀리
122 : 고정플레이트
123 : 지시침
130 : 회전블럭
131 : 힌지
132 : 토션스프링
133 : 고정접점
134 : 회전베어링
140 : 래디얼 게이트 수문
141 : 윈치드럼
142 : 로프 고정점
143 : 고정롤러
144 : 수문 힌지점
145 : 수문 반경
146 : 수문 끝점
147 : 이동 롤러
148 : 와이어 로프
149 : 월류 바닥면
150 : 정밀엔코더 입력부
151 : 마이크로프로세서
152 : USB포트
153 : 노트북 컴퓨터
154 : 광역엔코더 입력부
155 : FRAM메모리
156 : 영점신호 입력부
157 : 직렬 데이터 전송부
158 : 영점허가 스위치 입력부
159 : 수문 개도값 출력부
160 : 상위 감시장치
161 : 리미트 스위치 입력부
162 : 리미트 신호 출력부
163 : 상위 제어장치
164 : 전원
165 : DC/DC컨버터

Claims (9)

  1. 베이스 플레이트(105)에 축이 지지되고 회전하는 수문의 권양기 축(111)에 일단이 기어열로 결합된 이송스크류(110)와;
    상기 이송스크류(110)의 나사에 결합된 이송너트(109)와 함께 상기 베이스 플레이트(105)에 고정된 가이드 샤프트(114)를 따라 좌우로 이동하는 이동블럭(102)과;
    상기 이송스크류(110)에 타이밍벨트(119)로 연결되어 상기 수문 권양기축(111)의 회전량에 비례하여 회전하는 정밀엔코더(116)와;
    상기 이동블럭(102)에 중간부가 고정된 타이밍벨트(107)로 연결되어 회전되는 광역엔코더(120)를 포함하여 이루어지며;
    상기 광역엔코더(120)의 값을 분석하여 정밀엔코더(116)의 회전수를 계산하고 전체 수문개도(A)를 아래의 식으로 환산하도록 된 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
    A = { f(b / k) * c + d } * k1
    (여기서, b : 광역엔코더(120)의 값, k : 정밀엔코더(116) 1회전당 광역엔코더(120)의 값 상수, c : 정밀엔코더(116)의 회전당 펄스수, d : 정밀엔코더(116)의 값, k1 : 정밀엔코더(116)의 펄스당 수문의 이송거리 상수이다)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동블럭(102)에는 수문이 과도하게 아래로 혹은 위로 이송되어 설비가 파손되는 현상을 방지하기 위한 한계위치를 검출하는 장치로서 원점설정, 하한 리미트, 상한 리미트, 비상상한 리미트가 설치되고, 이들을 미세하게 검출하기 위한 미세조절장치로서 영점설정을 조절하는 영점조절장치(106a), 수문의 하강한계 위치를 설정하는 하한조절장치(106b), 상승 한계위치를 설정하는 상한조절장치(106c), 더 이상 상승하면 수문설비에 심각한 파손을 방지하기 위한 비상상한 조절장치(106d)가 설치되어 각 위치를 정밀하게 조절하도록 된 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송너트(109)는 이송스크류(110)와의 백래시를 배제하기 위하여 2개가 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동블럭(102)에는 지시침(123)이 부착되고, 상기 베이스 플레이트(105)에는 이동블럭(102)의 이동거리에 대한 수문의 개도를 나타내는 지시스케일(103)이 부착되어 직관적으로 수문의 개도를 확인할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
  5. 청구항 1 내지 4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출장치는 수문의 개도값을 숫자로 표시하는 개도값 표시기(115)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 영점설정을 위한 영점조절장치(106a)측에는 영점검출장치(101)가 근접설치되되, 상기 영점검출장치(101)는 힌지(131)를 축으로 회전하며 토션스프링(132)에 의해 일방향으로 편향된 ‘L’자 형태의 회전블럭(130)과, 상기 회전블럭(130)의 일측에 조립되어 상기 영점조절장치(106a)에 접촉하는 회전 베어링(134)과, 상기 회전블럭(130)의 타측에 형성된 회전접점이 접촉하거나 이격되는 고정접점(133)을 포함하여 이루어지며, 상기 회전블럭(130)의 회전접점은 토션스프링(132)에 의하여 고정접점(133)에 접촉된 상태를 유지하고, 상기 이동블럭(102)이 하강방향으로 이동하여 영점설정 영점조절장치(106a)의 로드가 회전 베어링(134)을 밀면 회전블럭(130)이 회전하여 회전접점이 고정접점(133)에서 이격되는 시점을 영점설정 위치로 간주하도록 된 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수문의 영점설정에 있어서 부주의에 의한 회전블럭(130)의 접점과 고정접점(133)이 이격되어 임의의 위치에서 영점이 설정되어 수문 개도값이‘0’이 되는 현상을 방지하기 위해, 영점허가 스위치(118)를 통하여 이 영점허가 스위치(118)가 ‘영점허가’인 상태에서만 영점설정이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 수문개도를 이용하여 수문을 들어 올리는 와이어로프의 감긴 길이에 대한 직선화된 수식을 산출하기 위하여 수문의 반경, 중심점, 윈치의 위치, 권취드럼의 직경, 와이어 가닥수의 기구학적인 파라메터를 입력하고, 수문의 전 행정에 대하여 와이어로프의 전체 길이를 계산하고, 이 와이어로프의 감긴 길이를 줄여가면서 수문의 끝지점의 궤적을 계산한 표를 작성하고, 이 표에서 정밀엔코더(116)와 광역엔코더(120)를 토대로 계산한 개도값(A)과 이에 대한 래디얼게이트 직선화 개도값(A')의 값만 추출하여 2차원 배열의 데이터 테이블을 작성하여 메모리에 저장하고, 마이크로 프로세서(151)는 저장된 2차원 배열을 참조하여 정밀엔코더(116)와 광역엔코더(120)를 이용하여 계산한 개도값(A)에 대한 래디얼게이트 직선화 개도값(A')을 연산하도록 프로그램이 작성된 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산된 수문 개도값을 숫자 단위마다 1,2,4,8로 구성된 출력소자를 통한 BCD 출력 방식과 함께 RS-232C나 RS-485통신 방식으로 Modbus-RTU 프로토콜로 수문 개도값을 출력하는 것을 특징으로 하는 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치.
KR1020200038345A 2020-03-30 2020-03-30 2개의 절대형 엔코더를 이용한 수문개도 검출장치 KR102329758B1 (ko)

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