KR20230088015A - 가스 제어 및 차단 시스템 - Google Patents

Abstract

가스 제어 및 차단 시스템이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템은 밸브의 위치를 식별하고, 상기 밸브의 동작을 제어하는 밸브 제어 장치, 상기 밸브 제어 장치와 무선으로 통신 연결되어. 상기 밸브 제어 장치로부터 상기 밸브의 위치를 수신하고, 상기 밸브 제어 장치로 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신하는 중앙 제어 장치를 포함하고, 상기 밸브 제어 장치는, 상기 밸브로부터 누출되는 가스를 감지하는 센서 모듈을 포함하고, 상기 중앙 제어 장치는, 상기 센서 모듈에서 상기 가스의 감지 여부를 식별하고, 식별된 상기 가스의 감지 여부에 따라, 상기 밸브 제어 장치로 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신할 수 있다.

Description

가스 제어 및 차단 시스템{SYSTEM OF CONTOLLING AND SHUTTING OFF GAS FLOW}

본 발명은 가스 제어 및 차단 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 가스 제어 및 차단 시스템은 중앙 제어 장치와 밸브 제어 장치가 무선으로 통신 연결되고, 중앙 제어 장치를 이용하여 밸브 제어 장치의 동작을 제어함으로써, 밸브의 위치를 제어하고, 가스의 흐름을 제어 및 차단할 수 있다.

도시가스, 석유화학, 가스플랜트와 같은 대단위 면적에서 운용되는 고위험 시설물 및 설비에 대하여, 가스 밸브 차단 및 제어 장치에 대하여, 유선통신으로 밸브의 차단 및 제어가 가능하다.

대규모 설비에서, 가스의 흐름을 제어 및 차단하는 밸브에 대하여, 지속적인 모니터링과 즉각적인 대응을 요구하는 무선통신기술에 대한 요구가 증가하고 있다.

산업용 IoT(IIoT, Industrial Internet on Things)를 기반으로, 밸브의 동작을 제어 및 차단하는 장치는, 고위험 시설물의 특성에 따라 신뢰성 및 보안성이 높은 산업용 무선통신 기술이 요구된다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템은 중앙 제어 장치와 밸브 제어 장치를 무선으로 통신 연결하고, 중앙 제어 장치에서 밸브 제어 장치로 무선으로 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 전송하여, 밸브의 동작을 제어할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템은, 밸브 제어 장치의 센서 모듈에서 가스 누출을 감지할 수 있고, 중앙 제어 장치는 가스 누출이 감지된 경우, 설정된 동작 순서 및 방법에 따라 각각의 밸브 제어 장치에 신호를 전송함으로써, 긴급 상황에 따라 설정된 동작 순서 및 방법에 따라 밸브를 제어할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템은 밸브의 위치를 식별하고, 상기 밸브의 동작을 제어하는 밸브 제어 장치, 상기 밸브 제어 장치와 무선으로 통신 연결되어. 상기 밸브 제어 장치로부터 상기 밸브의 위치를 수신하고, 상기 밸브 제어 장치로 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신하는 중앙 제어 장치를 포함하고, 상기 밸브 제어 장치는, 상기 밸브로부터 누출되는 가스를 감지하는 센서 모듈을 포함하고, 상기 중앙 제어 장치는, 상기 센서 모듈에서 상기 가스의 감지 여부를 식별하고, 식별된 상기 가스의 감지 여부에 따라, 상기 밸브 제어 장치로 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신할 수 있다.

상기 중앙 제어 장치는, 상기 센서 모듈에서 상기 가스를 감지한 경우, 상기 밸브 제어 장치의 동작에 관하여 설정된 동작 및 순서에 기초하여, 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 상기 밸브 제어 장치로 송신할 수 있다.

상기 중앙 제어 장치는, 상기 밸브의 위치 및 상기 가스의 감지 여부에 기초하여, 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템은, 무선으로 연결된 밸브 제어 장치를 통하여, 밸브의 위치를 모니터링할 수 있고, 통신 선로의 유지 보수에 필요한 시간, 인력 및 비용을 절감할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템은, 무선으로 통신 연결된 밸브 제어 장치를 제어함으로써, 화재, 폭발 등에 의하여 중앙 제어 장치와 밸브 제어 장치 간의 유선 통신 선로의 소손 내지 손실에 의하여 제어가 불가능한 상황을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템의 중앙 제어 장치 및 밸브 제어 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 로거의 개략적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템을 이용한 밸브의 위치를 제어하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 다른 가스 제어 및 차단 시스템의 플랫폼을 나타낸 도면이다.
도 5는 고도화 센서 및 무선 통신을 이용한 산업용 IoT 기반 가스차단장치의 개략적인 블록도를 나타낸 도면이다.
도 6은 산업용 IoT 기반 가스차단장치의 개요를 나타낸 도면이다.
도 7은 밸브 인터페이스를 고려한 가스차단 제어 시스템의 아키텍쳐를 나타낸 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 데이터 송수신 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 인공지능 상황인지 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 10은 일실시예에 따른 상황인지 기반 제어전략 수립 개요를 나타낸 도면이다.
도 11은 일실시예에 따른 데이터 기반 제어 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 12는 일실시예에 따른 EMAT 센서 시스템 아키텍쳐를 나타낸 도면이다.
도 13은 일실시예에 따른 양자기반 가스감지 시스템의 아키텍쳐 및 계층별 구성, 도 14는 모듈별 인터페이스를 나타낸 도면이다.
도 15는 일실시예에 따른 고정밀 가스차단 제어 회로, 도 16는 일실시예에 따른 가스차단 제어장치의 방폭함체, 도 17은 일실시예에 따른 방폭 기준을 만족하는 전용 안테나를 나타낸 도면이다.
도 18은 일실시예에 따른 밸브 제어 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 19는 일실시예에 따른 가스센싱 회로 고도화를 위한 개선 회로를 나타낸 도면이다.
도 20은 일실시예에 따른 일체형 무선 검지 차단 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 21 및 도 22는 일실시예에 따른 가정용 실증 환경 구성 및 소규모 업소용 실증 환경 구성을 나타낸 도면이다.
도 23은 일실시예에 따른 배관 Thickness 감지 전자기음향변환기(EMAT) 탐촉자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 24는 일실시예에 따른 양자 기반 가스감지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 25는 일실시예에 따른 산업용 사물인터넷 기반 연동 규격을 나타낸 도면이다.
도 26은 일실시예에 따른 방폭형 가스차단 제어장치 및 가스누출 고도화 장치 연동 IIoT 기반 시설물 안전관리 플랫폼을 나타낸 도면이다.
도 27은 전자기음향변환기 탐촉자의 현장 조건별 부착 방법을 나타낸 도면이다.
도 28은 일실시예에 따른 양자 기반 가스감지 시스템의 신호처리를 나타낸 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템의 중앙 제어 장치(100) 및 밸브 제어 장치(210)의 개략적인 블록도이다.

도 1을 참조하면, 가스 제어 및 차단 시스템은 중앙 제어 장치(100) 및 밸브 제어 장치(210)를 포함할 수 있다. 일례로, 중앙 제어 장치(100)는 Device OS(105), Communication Module Control I/O(110), Wibro D/D(115), LTE D/D(120), System(125), File System(130), GPIO(135), Sensor Proxy Function(140), RS232/PPP(145) 또는 통신 모듈(150)을 포함할 수 있다. 일례로, 밸브 제어 장치(210)는 데이터 로거(Data Logger)(215), RS232/PPP(220), 6loWPAN(225), ZigBee Coordinator(230), RS232(235) 또는 센서 모듈(240)을 포함할 수 있다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)의 통신 모듈은 RDNIS USB D/D(155), M2M DM/MIH(160), CM(165), ERP(170), OMA-DM(175), D/D(180), 또는 MAC/PHY(185)를 포함할 수 있다. 일례로, 밸브 제어 장치(210)의 센서 모듈(240)은 온도 센서(245), 습도 센서(250), 입력 센서(255), 전력 센서(260), 위치 센서(265), 속도 센서(270), 카메라 센서(275) 또는 가스 센서(280)를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 가스 제어 및 차단 시스템의 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)는 무선으로 통신 연결될 수 있다. 예를 들어, 가스 제어 및 차단 시스템은 비면허 대역의 통신 기술 또는 주파수(예: RoLa, WirelessHART, 433MHz, 900MHz, 2.4GHz 등), 면허 대역의 통신 기술(NB-IoT, CAT-M1, LTE, P-LTE, 5G 등)을 이용하여, 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)를 무선 통신으로 연결할 수 있다.

예를 들어, 가스 제어 및 차단 시스템에서 무선 통신을 이용하여 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)간의 데이터 내지 신호를 송수신할 수 있다.

일실시예에 따르면, 밸브 제어 장치(210)는 센서 모듈(240)에서 측정 내지 수집한 밸브의 위치, 가스 누출 여부, 온도, 습도, 압력, 전력, 위치, 속도 등을 식별할 수 있다. 일례로, 데이터 로거(215)는 센서 모듈(240)에서 계측, 수집한 각종 데이터를 저장할 수 있다.

일실시예에 따르면, 중앙 제어 장치(100)는 밸브 제어 장치(210)로부터, 센서 모듈(240)에서 측정 내지 수집한 밸브의 위치, 가스 누출 여부, 온도, 습도, 압력, 전력, 위치, 속도 등을 수신할 수 있다. 일례로, 밸브 제어 장치(210)는 무선 통신을 이용하여, 데이터를 중앙 제어 장치(100)로 전송할 수 있다.

일례로, 가스 센서(280)는 VOC(Volatile Organic Compounds) 센서, 가연성 가스 센서, 수소 가스 센서를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 중앙 제어 장치(100)는 밸브 제어 장치(210)로 밸브의 위치를 제어하기 위한 신호를 전송할 수 있다. 밸브는 배관에 흐르는 유체의 흐름을 제어하기 위한 장치로, 예를 들어, 구동 방식에 따라 유압식 밸브, 전기모터식 밸브, 차단 방식에 따라 볼 밸브, 글로브 밸브 등이 적용될 수 있다.

예를 들어, 밸브는 작동기(actuator)의 구동에 따라 위치가 제어되고, 유체의 흐름, 예를 들어 가스의 흐름을 제어할 수 있다. 일실시예에 따르면, 밸브 제어 장치(210)는 중앙 제어 장치(100)로부터 수신한 밸브의 위치를 제어하기 위한 신호를 작동기로 전송할 수 있다. 작동기는 수신한 신호에 따라 동작하여, 밸브의 위치를 제어할 수 있다. 예를 들어, 작동기는 가스, 전기, 액체 또는 기타 에너지원을 사용하는 모터, 실린더 등의 장치로 밸브에 선형 또는 회전 운동을 제공하는 장치를 의미할 수 있다.

일례로, 밸브 제어 장치(210)는 하우징을 더 포함할 수 있다. 밸브 제어 장치(210)의 데이터 로거(215), 센서 모듈(240) 등은 하우징 내부에 위치하여, 주위 환경에 의한 오동작을 방지할 수 있다. 하우징은 방폭 기능을 구비하여, 밸브 제어 장치(210)를 보호할 수 있다.

일실시예에 따르면, 중앙 제어 장치(100)는 통신 모듈(150)을 이용하여 밸브 제어 장치(210)와 무선으로 통신할 수 있다. 예를 들어, 통신 모듈의 RDNIS USB D/D(155), M2M DM/MIH(160), CM(165), ERP(170), OMA-DM(175), D/D(180), 또는 MAC/PHY(185)는 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)가 무선으로 통신하기 위한 프로토콜을 의미할 수 있다.

일례로, 밸브 제어 장치(210)는 데이터 로거(215)에 포함된 통신 모듈을 이용하여, 중앙 제어 장치(100)와 통신할 수 있다. 밸브 제어 장치(210)의 통신 모듈은 도 2에서 설명한다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)의 Device OS(105)는 중앙 제어 장치(100)의 운영 체제를 의미할 수 있다. 일례로, Communication Module Control I/O(110)은 통신 모듈의 입력 및 출력을 제어할 수 있다. 일례로, Wibro D/D(115) 또는 LTE D/D(120)는 Wibro 또는 LTE 통신 방식에 따른 인터페이스를 제공할 수 있다. 일례로, RS232/PPP(145)는 RS232 프로토콜에 따른 인터페이스를 제공할 수 있다.

일례로, 밸브 제어 장치(210)의 RS232/PPP(220), 6loPWAN(225), Zigbee Coordinator(230)는 각각 RS232, 6loPWAN, Zigbee 프로토콜 내지 통신 방식을 위한 인터페이스를 제공할 수 있다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)는 암호화된 무선 통신을 이용하여 통신 연결될 수 있다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)는 설정된 동작에 따라 밸브 제어 장치(210)로 밸브의 위치를 제어하기 위한 신호를 전송할 수 있다. 고압 고온의 공정 또는 가연성, 폭발성 물질을 이용한 플랜트와 같은 대규모 설비에서, 사고 상황 내지 사고 발생 위치에 따라 동일한 설비에 대한 비상 정지(emergency shut down)를 위한 동작이 다르게 결정될 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어 장치(100)는 비상 정지에 대응하여 설정된 동작에 따라 밸브 제어 장치(210)로 신호를 전송하고, 밸브의 위치를 제어할 수 있다.

일례로, 가스 제어 및 차단 시스템의 밸브 제어 장치(210)에서 획득한 데이터를 수집하여, 서버에 저장할 수 있다. 일례로, 서버에 저장된 데이터를 활용하여, 가스 제어 및 차단 시스템에서 중앙 제어 장치(100)는 알람 조건, 예컨대 가스 누출이 발생한 경우, 가스를 차단하기 위한 제어 신호를 밸브 제어 장치(210)로 전송할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 로거(215)의 개략적인 블록도이다.

도 2를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 데이터 로거(215)는 센서 인터페이스(305), A/D 컨버터(310), 제어부(315), 메모리(320), 전원 공급부(325), 디스플레이 모듈(330), RTC(335) 또는 통신 모듈(340)을 포함할 수 있다.

일례로, 센서 인터페이스(305)는 센서 모듈(240)에서 측정, 계측, 수집한 센싱값, 예컨대 아날로그 데이터를 전압값으로 변환하여, 계측한 아날로그 데이터를 증폭하거나, 노이즈를 필터링하는 신호 처리를 수행할 수 있다.

일례로, A/D 컨버터(310)는 센서 인터페이스(305)에서 증폭 또는 노이즈 필터링을 수행한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 일례로, 통신 모듈(340)은 A/D 컨버터에서 변환한 디지털 데이터를 무선 통신을 이용하여 게이트웨이 또는 원격지 서버로 전송하여, 중앙 제어 장치(100)와 무선으로 통신 연결되도록 할 수 있다.

일례로, 메모리(320)는 A/D 컨버터(310)에서 변환한 디지털 데이터를 저장할 수 있다. 일례로, 전원 공급부(325)는 외부로부터 공급된 전원, 예컨대 입력된 상용 전원을 이용하여 전원을 공급하거나, 또는 밸브 제어 장치(210)에 포함된 내부 전원을 이용하여 전원을 공급할 수 있다. 일례로, 디스플레이 모듈(330)은 A/D 컨버터(310)에서 변환한 디지털 데이터, 예컨대 밸브의 위치, 온도, 습도, 압력, 속도, 가스 누출 여부 등을 표시할 수 있다. 일례로, 데이터 로거(215)는 RTC(335)(Real Time Clock)를 이용하여, 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)의 시각 동기화를 수행할 수 있다.

일례로, 통신 모듈(340)은 근거리 통신 모듈(345), 원거리 통신 모듈(350) 또는 안테나(355)를 포함할 수 있다. 일례로, 근거리 통신 모듈(345)은 Zigbee, ISA100.11a와 같은 통신 기술 등에 따라 근거리에 설정된 게이트웨이와 통신할 수 있다. 일례로, 센서 모듈(240)에 포함된 각각의 센서들은 Zigbee 내장 센서일 수 있다. 일례로, 원거리 통신 모듈(350)은 Wibro, 3G, LTE, 5G 등의 통신 기술을 이용하여 밸브 제어 장치(210)와 중앙 제어 장치(100)를 통신 연결할 수 있다.

일례로, 통신 모듈(340)은 도 1에 도시된 중앙 제어 장치(100)의 통신 모듈에 포함된 RDNIS USB D/D(155), M2M DM/MIH(160), CM(165), ERP(170), OMA-DM(175), D/D(180), 또는 MAC/PHY(185) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 일례로, 통신 모듈(340)은 비면허 대역의 통신 기술 또는 주파수(예: RoLa, WirelessHART, 433MHz, 900MHz, 2.4GHz 등), 면허 대역의 통신 기술(예: NB-IoT, CAT-M1, LTE, P-LTE, 5G 등)에 따라 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)를 무선으로 통신 연결할 수 있다.

일례로, 가스 제어 및 차단 시스템에서 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)의 무선 통신을 이중화 또는 이원화될 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)의 무선 통신은 주회선 및 보조회선을 포함하여 이중화된 통신 또는 제1 방식 내지 제1 통신 사업자의 통신 네트워크를 이용한 제1 통신 및 제2 방식 내지 제2 통신 사업자의 통신 네트워크를 이용한 제2 통신으로 이원화될 수 있다.

일례로, 밸브 제어 장치(210)는 데이터 로거(215)의 통신 모듈을 이용하여, 다른 밸브 제어 장치(210)와 통신 연결될 수 있다. 일례로, 가스 누출을 감지하는 경우, 가스 누출 정보를 라우팅되어 있는 다른 밸브 제어 장치(210)로 전송할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스 제어 및 차단 시스템을 이용한 밸브(500)의 위치를 제어하는 동작을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 중앙 제어 장치(100)는 네트워크(600)를 통해 밸브 제어 장치(210)와 무선으로 통신 연결될 수 있다. 일례로, 중앙 제어 장치(100)는 네트워크를 통해 밸브(500)의 위치를 제어하기 위한 신호를 밸브 제어 장치(210)로 전송할 수 있다. 밸브 제어 장치(210)는 중앙 제어 장치(100)로부터 수신한 신호에 따라, 작동기(400)를 동작하고, 밸브(500)의 위치를 제어할 수 있다. 밸브(500)는 밸브가 연결된 배관(700-1, 700-2. 700-3)을 따라 수송되는 유체의 흐름을 제어할 수 있다.

다양한 실시예들에 따른 가스 제어 및 차단 시스템은, 긴급 상황에 따라 설정된 동작 및 순서에 따라, 밸브(500)의 위치를 제어하는 신호를 중앙 제어 장치(100)에서 밸브 제어 장치(210)로 전송할 수 있다.

예를 들어, 밸브 제어 장치(210-22)의 가스 센서에서 누출된 가스가 감지된 경우, 밸브 제어 장치(210-22)에서 가스가 누출된 경우에 대응하여 설정된 동작 및 순서에 따라 밸브의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어 장치(100)는 밸브 제어 장치(210-22)가 위치한 배관(710-2)에 위치하는 밸브(500-21, 500-22, ??, 500-2m)의 위치를 제어하는 신호를 밸브 제어 장치(210-21, 210-22, ??, 210-2m)으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어 장치(100)가 밸브 제어 장치(210-21, 210-22, ??, 210-2m)로 전송하는 신호는, 밸브(500-21, 500-22, ??, 500-2m)를 모두 닫도록, 예컨대 유체가 더 이상 수송되지 않도록 밸브(500-21, 500-22, ??, 500-2m)의 위치를 제어하는 신호일 수 있다.

예를 들어, 배관(700-1)에 연결된 설비(미도시)의 온도, 압력, 설비 고장 등이 발생한 경우, 설비 고장에 대응하여 설정된 동작 및 순서에 따라 밸브의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 설비의 온도가 설비가 정상 동작하는 온도인 정상 동작 온도 이상이고, 설비의 동작을 즉시 멈추어야 하는 셧다운(shutdown) 온도 미만인 경우, 중앙 제어 장치(100)는 배관(700-1)에 연결된 밸브 제어 장치(210)(200-11, 200-12, ??, 200-1m)로 수송되는 유체의 양이 감소 또는 증가하도록 하는 신호를 전송할 수 있다.

예를 들어, 배관(700-1)에 연결된 설비와 배관(700-2)에 연결된 설비에 의한 공정이 연계되어 수행되고, 배관(700-1)에 연결된 설비의 이상 또는 배관(700-1)에 위치한 밸브 제어 장치 (200-11, 200-12, ..., 200-1m)에서 가스 누출을 감지한 경우, 중앙 제어 장치(100)는 밸브 제어 장치 (200-11, 200-12, ..., 200-1m) 및 밸브 제어 장치 (200-21, 200-22, ..., 200-2m)로 밸브의 위치를 제어하는 신호를 전송할 수 있다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)가 긴급 상황 감지시에 각각의 밸브(500)를 순차적으로 동작하도록 하는 신호를 밸브 제어 장치(210)로 전송할 수 있다. 대규모 플랜트에서 설비 이상 등으로 인하여 비상 정지(emergency shut down)을 진행하는 경우, 유기적으로 연관된 각각의 공정이 순차적으로 셧다운 되도록 설정될 수 있다. 중앙 제어 장치(100)는 설정된 동작 및 순서에 따라 각각의 밸브가 순차적으로 설정된 위치에 위치하도록 하는 신호를 밸브 제어 장치(210)로 전송할 수 있다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)는 밸브 제어 장치(210)로부터 수신한 데이터에 기초하여, 긴급 상황을 판단할 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어 장치(100)는 밸브 제어 장치(210)로부터 무선으로 수신한 데이터, 예컨대 온도, 습도, 압력, 가스 누출 여부, 밸브의 위치와 같은 데이터에 기초하여 긴급 상황을 판단할 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어 장치(100)는 밸브의 동작 이상, 배관에 연결된 설비의 이상, 화재, 폭발 등과 같이 긴급 상황을 판단할 수 있다. 중앙 제어 장치(100)는 긴급 상황을 판단하고, 판단된 긴급 상황에 따라 밸브 제어 장치(210)로 밸브의 위치를 제어하는 신호를 전송할 수 있다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)는 이상이 발생한 설비 또는 화재 등과 같은 사고가 발생한 위치에 따라 밸브 제어 장치(210)로 밸브의 위치를 제어하는 신호를 전송할 수 있다.

일례로, 밸브 제어 장치(210)는 무선으로 게이트웨이(미도시)에 통신 연결되고, 게이트웨이는 데이터 서버(미도시)와 유선으로 통신 연결될 수 있다. 일례로, 중앙 제어 장치(100)는 서버와 유선 또는 무선으로 통신 연결될 수 있다. 일례로, 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210)가 무선으로 통신 연결되는 것은, 중앙 제어 장치(100)와 밸브 제어 장치(210) 사이에 연결되는 회선 중 일부가 무선으로 연결되는 것을 의미할 수 있다.

일례로, 중앙 제어 장치(100)는 밸브 제어 장치(210)의 센서 모듈(240)로부터 수집한 데이터를 이용하여, 밸브의 동작을 결정할 수 있다. 예를 들어, 가스 제어 및 차단 시스템에서, 센서 모듈(240)로부터 수집된 데이터를 서버에 저장하여, 가스 사용 시설에 대한 상황별 인지를 위한 데이터 베이스를 구축할 수 있다. 중앙 제어 장치(100)는 서버에 저장된 데이터를 이용하여, 정상 상황, 위험 상황, 사고 상황을 구분할 수 있다. 예를 들어, 서버에 저장된 데이터를 이용하여, 정상 상황, 위험 상황, 사고 상황을 구분하기 위한 알고리즘을 구축할 수 있다. 중앙 제어 장치(100)는 정상 상황, 위험 상황, 사고 상황을 구분하기 알고리즘을 이용하여, 센서 모듈(240)로부터 수집된 데이터에 따라 정상 상황, 위험 상황, 사고 상황을 판단할 수 있다.

일례로, 서버에 저장된 데이터를 이용하여, 정상 상황, 위험 상황, 사고 상황을 구분하기 위한 딥러닝 모델을 학습시킬 수 있다. 중앙 제어 장치(100)는 학습된 딥러닝 모델에 센서 모듈(240)로부터 수집된 데이터를 입력하여, 정상 상황, 위험 상황, 사고 상황을 구분할 수 있다.

딥러닝 모델의 학습 알고리즘은, 예를 들어, 지도형 학습(supervised learning), 비지도형 학습(unsupervised learning), 준지도형 학습(semi-supervised learning) 또는 강화 학습(reinforcement learning)을 포함할 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 딥러닝 모델은, 복수의 인공 신경망 레이어들을 포함할 수 있다. 인공 신경망은 심층 신경망(DNN: deep neural network), CNN(convolutional neural network), RNN(recurrent neural network), RBM(restricted boltzmann machine), DBN(deep belief network), BRDNN(bidirectional recurrent deep neural network), 심층 Q-네트워크(deep Q-networks) 또는 상기 중 둘 이상의 조합 중 하나일 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 딥러닝 모델은 하드웨어 구조 이외에, 추가적으로 또는 대체적으로, 소프트웨어 구조를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 다른 가스 제어 및 차단 시스템의 플랫폼을 나타낸 도면이다.

도 4의 (a)는 스마트 폰과 같은 사용자 단말에서 실행되는 가스 제어 및 차단 시스템의 플랫폼을 나타내고, (b)는 웹페이지에서 실행되는 가스 제어 및 차단 시스템의 플랫폼을 나타낸다.

도 4의 (a)와 (b)와 같이, 사용자는 가스 제어 및 차단 시스템의 플랫폼을 이용하여 중앙 제어 장치(100)로부터 밸브 제어 장치(210)로 전송하는 신호를 결정할 수 있다. 사용자는 가스 제어 및 차단 시스템의 플랫폼을 이용하여, 밸브의 위치, 온도, 습도, 가스 누출 여부 등과 같은 밸브 제어 장치(210)에서 수집, 계측하는 데이터를 확인할 수 있다.

일례로, 도 4 (a)와 같이 모바일 기반의 어플리케이션 등을 이용하여 가스 제어 및 차단 시스템의 플랫폼을 구현할 수 있다.

산업용 사물인터넷(IIoT)기반의 가스 차단·제어 기술 및 장치 개발 필요성이 필요하다. 가스3법에 의해 관리되는 도시가스, 석유화학, 가스플랜트의 경우 대단위 면적에 대하여 효율적인 비용으로 고위험 시설물 및 설비에 대한 지속적인 모니터링과 즉각적인 대응을 위해 무선통신기술에 대한 요구가 증가하고 있다.

산업용 IoT기반 가스 밸브 차단·제어 장치는 법규에 의해 유선통신으로만 가능하였던 차단·제어 부분을 산업용 무선통신 기술을 적용하여 무선통신에 의해 밸브의 차단·제어가 가능하도록 개발하는 제품이 필요하나 현재 국내 가스 밸브의 차단·제어 장치는 유선통신에 의한 제품만 존재하여 무선통신에 의한 제품이 필요한 실정이다.

산업용 IoT기반 차단·제어 장치는 신뢰성과 보안성이 높은 산업용 무선통신 기술 기반의 제품으로 플랜트와 같은 대단위 시설물에 적용할 계획으로 해당 개발품은 기존 유선 차단·제어 장치와 비교하여 통신 공사에 사용되는 막대한 공사비용과 유지보수 비용의 절감 효과와 재난상황 시 유선선로 차단에 의한 동작 불능 상태를 미연에 예방하며 즉각적인 대응이 가능할 것으로 기대된다.

또한 플랜트와 같은 고위험 시설물에 설치 운영이 가능한 방폭 성능을 갖춘 무선 밸브 차단제어 장치가 필요함. 차단이 가능한 밸브 15종에 대하여 적용이 가능한 무선 차단 장치는 현재 KGS CODE AA632 가스누출경보차단장치 제조의 시설·기술·검사 기준에서 가스누출경보차단장치로 “경보차단장치는 검지부, 제어부 및 차단부로 구성되어 있는 구조로서, 유선으로 연동하여 원격개폐가 가능하고 누출된 가스를 검지하여 경보를 울리면서 자동으로 가스 통로를 차단하는 구조로 한다.”로 규정되어 있어 차단을 위해선 유선으로 연동하여야 함을 규정하고 있다.

상기의 규정에 의한 제한으로 설치된 기존 유선에 의한 차단장치는 재난 상황에서 일어날 수 있는 유선 선로의 끊김/차단과 같은 경우 동작 불능 상태가 되어 대형재난으로 연결될 수 있다.

최근 IIoT 기술의 발달로 기존 무선통신의 문제점이었던 신뢰성과 보안성을 극복할 수 있어 산업용 양방향 무선통신 및 제어기술 적용 시 상기의 유선통신의 문제점을 보완하여 대형재난 상황에 대처할 수 있다.

또한 플랜트와 같은 대단위의 시설물에 산업용 양방향 무선통신기반 차단장치의 개발/적용은 유선에 비해 설치/운영비용이 60% 이상 절감됨에 따라 기존방식보다 보급화 할 수 있어 가스안전에 기여할 수 있다.

예를 들어, 가스누출 차단장치는 무선 원거리 통신 방식(예: LTE, NB-IoT 등), 가스감지기능, 차단 기능, 양방향통신기능, 방폭기능, 상용전원 및 배터리를 포함할 수 있다.

이와 함께 기존 검지부에 활용되는 가스누출, 온도, 압력, 유량, 잔량 등의 감지기술과 함께 배관의 부식 및 비접촉 가스누출 감지 기술을 개발, 무선 차단·제어장치와 연계하여 고도화된 기능 검증을 위한 실증이 필요할 수 있다.

EMAT(전자기음향) 탐촉자는 광범위한 온도 범위를 갖는 대규모 배관의 두께를 상시 모니터링하고 데이터를 전송하여 배관의 부식으로 인한 수명(부식율)을 예측하여 배관의 교체시점 예측을 통하여 가스누출을 미연에 방지하고, 부식을 최소화할 수 있는 공정조건을 확보함으로써 가스시설의 안전성을 확보하고 생산성을 향상시킬 수 있다.

기존 압전소자 방식의 초음파두께 측정은 젤형태 매질이 필요함에 따라 약 60~70℃ 이상의 고온 및 0℃ 이하의 경우 적용이 불가능 하나 비접촉식 방식인 EMAT(전자기음향) 기술을 이용한 방식은 본 한계의 극복하여 스팀배관과 같은 고온배관에서 사용이 가능하여, 배관 및 압력용기의 두께(Thickness)를 측정함으로써 배관 및 압력용기의 부식율을 산출하여 수명을 예측할 수 있음. 따라서 저온 및 고온 배관에서 사용가능한 방폭인증을 만족하는 EMAT탐촉자 센서를 개발이 필요하다.

EMAT 센서를 통해 구조물(배관) 및 압력용기의 두께 및 광역에서의 손상을 실시간적으로 모니터링을 통해 배관 수명을 예측하고 부식을 최소할 할 수 있는 공정조건을 확보할 수 있다.

원거리 가스 농도 검출을 위한 양자(Quantum)기술 기반 검지 장치는 기존 휴대용 라이다 센서의 감지거리 30m대비 감지거리를 연장확대 가능하고, 광학스캐너 또는 PZT(Pan·Tilt·Zoom)시스템 적용 및 영상화 기술 개발을 통해서 반도체·디스플레이·도시가스·석유화학단지 등의 가스를 취급하는 시설물의 가스 누출 농도 및 누출 위치를 원거리에서 조기 감지함으로써, 가스안전관리 도도화에 기여할 수 있다.

도 5는 고도화 센서 및 무선 통신을 이용한 산업용 IoT 기반 가스차단장치의 개략적인 블록도를 나타내고, 고도화 장치(EMAT센서 및 양자기반 가스누출검지 장치)를 이용한 무선 가스차단, 제어 장치의 가스누출 검지를 할 수 있다.

기존 검지부에 활용되는 가스누출센서, 온도센서, 압력센서, 유량센서, 안전밸브개폐센서, 잔량검출, 액체누출감지센서 등과 함께 고도화된 센싱 기술을 위해 EMAT센서 이용한 배관 안전성 평가 자료, 양자기술기반의 가스 검지 데이터를 연동한 밸브 차단과 센서데이터의 통합 DB를 통한 인공지능 상황 인지 알고리즘 개발을 통한 밸브 차단·제어를 할 수 있다.

인공지능 상황 인지 알고리즘에 의한 제어전략 수립, 단계적/협력적 제어동작 수행, 제어동작 피드백 평가, 사고 후 대응전략 평가 등을 수행하는 제어부를 산업용 IoT 기술을 활용할 수 있다.

실증 환경을 모사한 실증 테스트 환경을 조성하고, 개발되는 알고리즘을 단계적으로 실증하며, 동작하는 센서융합모듈, 통신모듈, 제어모듈, 피드백모듈을 동작샘플, 시제품, 사용제품 등의 단계별로 실제 적용 및 사업화에 요구되는 동작 및 기준 등에 대한 실증을 병렬적 Bottom-up 실증(PBV; Parallel Bottom-up Verification) 방법을 통해 진행할 수 있다.

가스 플랜트와 같은 고위험 지역에 적용하기 위한 산업용 가스차단·제어장치의 경우는 현장 부합성을 확보하기 위해서 방폭설계·개발을 통한 방폭인증을 할 수 있다.

산업용 IoT 기반 가스차단장치의 적용 분야는 가정, 소규모사업장, 가스충전 및 제조시설, 석유화학플랜트 등 다양한 환경에 적용이 가능하다.

도 6은 산업용 IoT 기반 가스차단장치의 개요를 나타낸 도면이다.

도 6과 같이, 산업용 IoT 기반 가스차단장치는 스마트 디바이스, 시스템 제어 전략, 검지 장치, 빅데이터, AI 알고리즘을 포함할 수 있다.

산업용 사물인터넷(IIoT)기반 가스 차단·제어 장치는 가스차단·제어장치 연동을 위한 산업용 고정밀 가스누출 감지 장치를 포함할 수 있고, 고신뢰성과 보안성을 제공하는 산업용 사물인터넷 기술 검토 및 적용될 수 있다. 산업용 사물인터넷(IIoT)기반 방폭형 가스차단·제어장치 및 가스누출 고도화 장치 연동 플랫폼을 활용할 수 있다.

산업용 IoT기반 스마트 차단·제어 장치는 가스 사용시설 센서(가스누출, 온도, 압력, 유량, 밸브개폐, 잔량, 액체누출) 기반으로 DB를 구축하고, 센서 데이터를 활용한 지능형 상황 인지 알고리즘 설계(퍼지로직, 신경회로망 활용)할 수 있다.

누출검지 고도화 장치 개발(EMAT센서)는 배관 두께 감지 EMAT 탐촉자, 배터리 구동이 가능한 EMAT 탐촉자 구동 시스템, EMAT 탐촉자 두께 감지 알고리즘을 포함할 수 있다.

누출검지 고도화 장치(양자기술기반 광역 가스검지 장치)는 단일광자 기반 가스 검지 시스템, 가스누출 농도 측정 고도화 신호처리 및 시스템 운영, 스캐너 및 PZT 기반의 영상화 기술을 포함할 수 있다.

도 7은 밸브 인터페이스를 고려한 가스차단 제어 시스템의 아키텍쳐를 나타낸 도면이다. 가스차단 제어장치에서 밸브의 액추에이터에 명령을 내려, 포지션을 제어하고, 모터의 엔코더 등의 모니터링을 통하여 정상 동작 제어가 되는지 확인할 수 있다.

가스차단 제어장치는 사용 장소 및 목적에 맞는 방폭 규격을 선정하고, 선정된 방폭 규격에 따라 방폭 기능을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내압방폭은 방폭인증 함체 및 안테나 함체를 포함할 수 있다. 가스차단 제어장치의 본질방폭을 위한 회로를 설계할 수 있다.

가스차단 제어장치는 고신뢰성 및 보안성을 제공하는 산업용 사물인터넷(IIoT) 기술이 적용될 수 있다.

비면허 대역(RoLa, WirelessHART, 433MHz, 900MGHz, 2.4GHz) 통신기술이 적용될 수 있고, 가스차단·제어를 하기 위해서 사용되는 무선통신 기술은 고도의 신뢰성과 보안성을 가질 수 있다.

예를 들어, 2.4GHz 대역의 WirelessHART 또는 ISA100.11a 통신 기술을 이용하여 에너지 시설물 모니터링 및 제어를 할 수 있다. 비면허 대역의 통신 기술을 이용하여 차단·제어 및 모니터링을 위해서는 보안기능이 있는 무선통신 기술이 적용될 수 있다.

면허 대역을 이용한 이동통신사의 통신기술이 적용될 수 있다. 예를 들어, ·NB-IoT, CAT-M1, LTE(or P-LTE), 5G와 같이 이동통신사업에서 제공하는 통신 방식이 적용될 수 있다. 가스누출 또는 제어는 고도의 신뢰성과 응답성을 가져하므로, 5G 또는 LTE기반 통신 기술이 적용될 수 있고, 석유화학플랜트의 경우, Private-LTE 망을 통한 통합 서비스인 P-LTE 기반 통신이 적용될 수 있다.

도 8은 일실시예에 따른 데이터 송수신 시나리오를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 가스차단 제어장치는 고신뢰성과 보안성을 제공하는 통신기술이 적용되어, 모니러링 및 차단·제어 신뢰성을 확보하기 위한 데이터 통신 시나리오가 적용될 수 있다.

다중 가스 누출 센서, 계측 센서를 활용하여 가스 사용 시설에 대한 데이터를 수집하여 상황별 인지에 필요한 데이터 베이스를 구축하고, 이를 통해 지능 알고리즘을 구현함과 동시에 추후 제어 동작 결정 시에 상황 판단의 근거 데이터로 활용하는 센서융합 DB를 구축할 수 있다.

현장 데이터에 의한 환경 인지 알고리즘 설계할 수 있고, 정상상황, 위험상황, 사고 상황을 구분할 수 있는 수준으로 전문가 규칙에 의한 퍼지로직을 통한 상황 추론 알고리즘을 설계하고, 이를 통해 가스 사용 환경에 대한 평가를 수행함으로써 적절한 대응을 이끌어내기 위한 지능형 환경인지 알고리즘을 설계할 수 있다. 추론된 결과에 따라 정상, 위험, 사고 수준에 알맞은 제어 전략을 수립하고 무선 통신을 통해 적절한 제어 신호를 전송할 수 있다.

데이터에 따른 가스 사용 환경에 대한 상황별 구분을 입출력 데이터로 하는 지능형 모델의 신경회로망 모델을 이용한 입출력 데이터 학습을 나타낼 수 있다.

도 9는 일실시예에 따른 인공지능 상황인지 알고리즘을 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 가스누출센서, 온도센서, 압력센서 등의 센서 데이터를 인공지능 상황인지 알고리즘에 입력하여, 상황인지 결과를 출력할 수 있다.

인공지능 학습 및 추론 알고리즘을 통한 지능형 상황인지 알고리즘은 정상 알림, 위험 신호 호출, 능동적 사고 대비 차단 등으로 위험 단계를 설정하여 제어부의 제어 동작 생성 기능을 수행할 수 있다.

지능형 상황인지 알고리즘은 가스 사용 상태 및 사고 위험 인지 등의 상황인지를 위해 기존의 안전관리 절차서를 기준으로 전문가 지식을 통한 규칙을 수립하고 이를 퍼지로직으로 구현하여 단계적 절차에 의한 상황 인지 과정을 지능적으로 처리할 수 있는 알고리즘, 다양한 센서의 데이터를 통합하여 학습 과정을 거친 신경회로망 알고리즘을 통해 센서 입력에 대한 현장 상황 인지 추론의 관계를 학습함으로써 지능형 상황인지 알고리즘을 의미할 수 있다.

도 10은 일실시예에 따른 상황인지 기반 제어전략 수립 개요를 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 상황인지 기반 제어전략 수립은, 센서 데이터를 융합하여 제어전략을 수립하는 센서 데이터 융합 모델, 또는 상황인지에 의하여 제어전략을 수립하는 모델을 의미할 수 있다.

상황 인지에 의한 전략적 차단 제어 로직은, 지능형 상황인지 알고리즘을 통한 상황 인지를 수행하고 그 결과에 알맞은 제어 및 차단 전략을 수립하도록 하며, 이를 통해 가스 사용 환경에 적합한 단계적 차단, 흐름적 차단, 전체 차단 등의 단계 및 범위에 대한 차단 제어 전략을 수립하여 무선 통신을 통한 스마트 디바이스의 차단 기능 수행을 지능적으로 제어할 수 있다.

도 11은 일실시예에 따른 데이터 기반 제어 시나리오를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 가스차단 제어장치는 다양한 차단 방법 및 통신 제어를 위한 프로토콜 정의할 수 있고, 다수의 센서 데이터 추론 결과와 원격지의 스마트 디바이스별 제어 신호 송수신을 위한 프로토콜을 정의함으로써 한 가지 사례에 적용된 스마트 디바이스를 통한 무선 검지 차단 솔루션의 표준 사용 조건을 제시함으로써 다양한 환경에서의 유연한 적용 기능을 부여할 수 있다. 다양한 단계별, 모듈별 기능에 대한 세부 기능 정의과 프로토콜 정의 등을 통해 제어 동작의 전략을 수립하고, 실질적인 제어 동작에 대해 규정함으로써 지능형 상황인지에 의한 스마트 가스 검지차단제어 장치의 핵심인 레이어 구조를 다음과 같이 정의하고 이를 구현할 수 있다.

가스차단 제어장치는 실증 환경에서의 설치, 운용, 제어, 피드백 등의 제어 전략을 수립하여 장치 및 서비스 구동에 관한 매뉴얼을 작성 및 검증하여 제공할 수 있다.

무선검지차단장치는 장치의 현장 부함화, 실증의 실효성, 기능의 안정적 구현, 제약의 최소화(방폭, 방진, 방수 등 환경별 요건)를 위한 범용 최적 설계 방법이 적용될 수 있다.

도 12는 일실시예에 따른 EMAT 센서 시스템 아키텍쳐를 나타낸 도면이다.

도 12를 참조하면, EMAT기반 Thickness 측정 시스템 아키텍처는 전자기음향을 방출하고 반사파를 수집하는 탐촉자(Sensor 부), 전자기음향을 방출하기 위한 순간적인 펄스전압을 만들고, 수집되는 반사파를 고속으로 수집하여 분석하는 계측/통신부(Pulser/Receiver), 수집된 데이터를 분석하여, 고정도의 Thickness를 분석하는 신호분석 Algorithm, ·배관의 온도, 압력, Thickness 이력의 상관성 분석을 통하여 배관부식을 최소화할 수 있는 조건 산출 솔루션을 포함할 수 있다.

도 13은 일실시예에 따른 양자기반 가스감지 시스템의 아키텍쳐 및 계층별 구성, 도 14는 모듈별 인터페이스를 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, 양자기반 가스감지 시스템 아키텍쳐는 양자기반으로 검출된 가스농도를 통합 플랫폼에서 표출할 수 있다.

일례로, 양자기반 가스감지를 위한 Source 및 Detector는 SPD(Single Photon Detector)를 이용한 가스농도 검출 시스템, Lidar를 이용한 가스농도 검출 시스템이 적용될 수 있다.

양자 Sources/Detector 내장을 위한 방폭함체가 설계될 수 있고, Optical부와 영상화를 위한 CCTV를 내장할 영상취득 방폭 함체가 설계될 수 있다. 내부 발생열을 외부로 빼기 위한 Heat Sink 구조가 설계될 수 있고, 방폭함체에·Laser Source/Detector 및 제어/계측부가 들어갈 수 있다. 내부 발생열을 외부로 빼기 위한 Heat Sink 구조 및 인터페이스가 적용될 수 있다.

양자기반 가스감지 장치는 방폭형 PZT 구동장치 및 내장함체를 포함할 수 있고, 양자광학부와 CCTV광학부 사이에 원기둥 형태의 PZT 구동장치 함체, 방폭 인증을 만족하는 Pan, Tilt 기능(모터 선정 및 구동부 설계)을 포함할 수 있다.

산업용 사물인터넷(IIoT)기반 방폭형 가스차단·제어장치는 고정밀 가스차단·제어회로를 포함할 수 있고, 밸브 Poistion 제어 및 모니터링 회로, 엔코더, 리미트 센서 등, 밸브 기타 센서 값 센싱 회로를 포함할 수 있고, 산업용 사물인터넷(IIoT) 모듈 장착 가능한 구조를 가질 수 있다. Emergency 상황시 신속한 밸브 Position제어를 위한 고속 MCU내장하고, 플랜트 현장에 부합하는 내환경성을 가지도록 설계될 수 있다.

도 15는 일실시예에 따른 고정밀 가스차단 제어 회로, 도 16는 일실시예에 따른 가스차단 제어장치의 방폭함체, 도 17은 일실시예에 따른 방폭 기준을 만족하는 전용 안테나를 나타낸 도면이다.

도 18은 일실시예에 따른 밸브 제어 알고리즘을 나타낸 도면이다.

도 18을 참조하면, 가스차단 제어장치는 가스차단·제어 시나리오 적용 기술이 적용될 수 있다. 가스밸브 차단·제어 조건에 따라 도출된 동일 배관의 다수의 밸브 제어 순서 및 시나리오 적용될 수 있다. 대부분의 플랜트의 경우, Emergency밸브에 대해서 제어 매뉴얼이 작성되어 비치되어 있고, 가스차단 제어장치는 제어 매뉴얼에 따라 동작할 수 있다.

가스차단 제어장치는, 가스차단 제어장치 연동을 위한 산업용 고정밀 가스누출 감지 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방폭형 가스센싱 함체, UPS기능을 위한 배터리 내장 함체(1차 전지)를 포함할 수 있고, ·한국가스안전공사 방폭인증(Ex de IIC IP68)된 것일 수 있다.

가스차단 제어장치는, 고정밀 가연성·VOC·수소가스 센싱 회로를 포함할 수 있고, 밸브 차단을 위한 계측 신뢰성 고도화를 위하여, 100% 계측 신뢰성을 가질 수 있다. 검출 가스 종류별로 센서 선정 및 구동/센싱 회로가 적용될 수 있다.

가스센싱 회로 고도화를 위하여, 가스센서 구동을 위한 정전압 회로 적용(안정적인 센서 Exciting 전압 인가), 센서 Calibration을 위한 아날로그 가변 저항 반영(Slope, Offset Calibration)될 수 있다.

도 19는 일실시예에 따른 가스센싱 회로 고도화를 위한 개선 회로를 나타낸 도면이다.

가스차단 제어장치는 가스감지농도 및 가스차단 제어연동 정보 디스플레이, 예를 들어 LCD 모듈을 포함할 수 있다. 가스차단·제어장치 연동기술은 가스누출 정보를 라우팅되어 있는 가스차단·제어 장치로 직접 전송하거나, 가스누출 정보를 통합 플랫폼 서버로 전송할 수 있다.

고신뢰성 및 보안성을 제공하는 산업용 사물인터넷(IIoT) 기술이 적용될 수 있고, 비면허 대역 통신기술 적용 통신모듈 또는 면허 대역 통신기술(예: NB-IoT or CAT-M1 or LTE or 5G) 적용 통신모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스차단 제어장치는 분리형 통신모듈 또는 일체형 통신모듈을 포함할 수 있다.

가스차단 제어장치는 전파 수신 감도 측정, 가스 차단 시험 평가 시스템을 통하여, 제품의 성능 및 안전성이 검증될 수 있다. 가스차단 제어장치는 실환경에서 실증을 통해, 성능 및 안전성이 검증될 수 있다.

지능형 상황인지알고리즘 내장 펌웨어 개발 및 무선검지차단장치을 통해, 인공지능을 활용한 지능형 상황인지 알고리즘을 펌웨어 형태로 개발하여 장치에 하드웨어로 지능형 상황인지알고리즘 및 무선검지차단장치가 적용될 수 있다. 펌웨어 내부에 지능 알고리즘을 탑재함으로써 사용 환경이 동일한 환경에 대해서는 쉽게 기존의 장치를 대체하여 스마트 환경 감시 역할을 수행하도록 구성할 수 있으며, 아울러 레이어 형태의 표준 프로토콜을 적용시킴으로써 규모가 다르지만 유사한 형태의 사용 환경에 대해 지능형 환경 인지는 물론 상황별로 대응책을 전략적으로 선택, 수행할 수 있는 통합 시스템 개발이 가능하다.

도 20은 일실시예에 따른 일체형 무선 검지 차단 장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 20을 참조하면, Power Supply Unit는 상용전원을 주로 하며, 비상 동작 배터리 내장할 수 있다. AI Firmware는 센서 데이터를 통한 인공지능 알고리즘을 통해 상황판단, 제어전략선택의 기능을 수행하는 로직을 구현하여 펌웨어로 구현될 수 있다. 1. 상황판단 - 가스누출검지, 과열방지, 설정압력이상 경고 구분하여 상황 판단, 2. 제어전략선택 - 단순 경고 알람, 간접적인 부분차단, 전체 차단 등의 대응수준에 따라 원격지의 장치를 제어하는 신호 송출할 수 있다.

Coupling Module은 데이터 송수신에 따른 프로토콜 내장할 수 있다. Sensor Fusion Module은 무선 통신 모듈에 수신되는 센서들의 데이터를 전처리 후 정해진 프로토콜에 맞도록 가공 처리 및 신호 데이터 생성할 수 있다. Strategic Control Module은 설정된 시나리오에 알맞은 제어 수준을 결정하고 원격지 차단 장치 및 밸브 등에 대한 제어 신호 생성 및 무선 모듈을 통한 전송할 수 있다. Communication Board는 보안 및 신뢰성을 확보할 수 있는 통신 기능을 탑재하여 원격지의 센서 및 차단장치의 신호를 무선 송수신하는 기능을 수행할 수 있고, 통신 방식은 LTE, BLE, NB-IoT, LoRa 등을 적용함으로써 통신거리, 통신 대상에 따라 다양한 방식의 통신방식을 적용할 수 있다. Sensors는 가스 사용 시설에 설치 가능한 가스누출검지(gas detector)센서, 온도센서, 압력 센서, 유량센서, 습도센서 등의 신호 수집할 수 있다. Actuators는 가스 차단 및 제어에 사용되는 차단밸브, 삼방밸브, 압력조정기, 방출밸브 등의 구동 장치를 의미할 수 있다.

도 21 및 도 22는 일실시예에 따른 가정용 실증 환경 구성 및 소규모 업소용 실증 환경 구성을 나타낸 도면이다.

AI기반 지능형 알고리듬은 퍼지로직에 의한 상황 분별 알고리즘일 수 있다. 전문가 지식에 의한 안전관리 및 위험성 평가 과정은 널리 알려진 정성적 평가 방법으로 이를 퍼지로직을 통해 구현함으로써 이식성 및 범용성을 높인 알고리즘을 의미할 수 있다.

AI기반 지능형 알고리듬은 신경회로망에 의한 상황 학습 알고리즘일 수 있다. 센서 데이터 융합 및 학습 과정을 신경회로망을 통해 구축함으로써 지능형 상황 학습 알고리즘을 개발할 수 있다.

퍼지 및 신경회로망의 정보를 이용한 펌웨어는 스마트 디바이스 장치 내에 지능형 추론 및 학습 기능을 내장한 펌웨어 형태일 수 있고, 이식성, 통합성, 표준형의 장치 구현이 가능하다.

펌웨어 탑재를 통한 지능형 무선검지차단장치는 지능형 펌웨어를 활용한 다양한 기능 수행을 위한 무선검지차단장치의 지능화, 기능 구현에 필요한 인공지능 기능 지원할 수 있다.

다중 통신 환경 구축이 가능한 단거리, 근거리 무선 통신 모듈은 사용자의 지리적 여건, 스마트 디바이스 설치 환경, 사용 환경의 다양성에 대한 유동적 대응을 위한 장치의 통신 환경을 구축할 수 있다.

데이터 통신 및 피드백 신호 수발신을 위한 통신 알고리즘은 정확한 기능 구현 및 보안 성능 향상될 수 있다.

실증 시험을 위한 시험 신호 및 평가 신호를 통한 테스트 로직 설계를 통해, 실증 단계에서 요구되는 기능의 검증, 테스트 환경 구축, 테스트 결과 분석, 평가를 위한 신호 송출, 제어 방법론 제시 등을 수행하는 테스트 로직 설계될 수 있다.

예를 들어, LPG 사용환경에서, 단순 검지 및 차단 장치 일체형, LNG 사용환경 : 집단공급시설(아파트 등)의 검지 차단 통합 제어 시스템, 가정용 무선 검지 차단 장치(단일 검지부, 다중 검지부, 통합 제어부), 검지 가스는 LPG, LNG, CO (1000ppm 검출 가능한 센서 활용 계획)일 수 있고, 무선 설비에 의한 원격지 검지부, 차단부 활용할 수 있다.

독립 검지부와 제어부 사이에 무선/AI 기능 내장된 제어부에 의해 무선 제어 신호 송출할 수 있다.

AI 기능 세부 내용에 대하여, 안전관리자 상태 판단과 비교하여 평가될 수 있는 센서에 의한 사용 상태 판단(퍼지 로직), 상태에 맞는 안전관리 조치 결과와 비교하여 평가될 수 있는 상태에 따른 대응 방안 선택(신경 회로망)이 포함될 수 있다.

원격지 차단부의 연동/전략 제어 실행에 관하여, 연동/전략 제어는 부분 차단 또는 전체 차단을 선택하는 기능을 수행할 수 있고, AI 기능에 의해 판단과 예측을 결정하고 단계적인 실행에 의한 부분적 차단(일부 가스 흐름 유지)과 전체 차단(전체 가스 흐름을 차단하거나, 가스 공급원으로부터 차단)을 선택적으로 판단하고 제어할 수 있다.

사용환경의 성격에 따라 검지해야 하는 가스 종류는 선택이 가능하며, LPG, LNG, CO를 포함할 수 있다. 또한, 산소농도, 온도, 습도, 정전기 등을 측정하는 서를 더 포함할 수 있고, 설치 장소에 따라 소규모 작업장의 경우 밀페공간의 산소농도 측정할 수 있다. 암모니아, 독성가스, 수소 등의 가스에 대한 검지가 필요할 수 있다.

도 23은 일실시예에 따른 배관 Thickness 감지 전자기음향변환기(EMAT) 탐촉자의 구성을 나타낸 도면이다.

EMAT 탐촉자에 대해서 자기장 검증 장치를 이용한 상호 간섭에 의한 영향 및 자기장 기초 데이터를 이용할 수 있다.

전자기음향변환기는 배터리 구동이 가능한 탐촉자 구동 시스템(Pulser/Receiver)을 포함할 수 있다. 광대역 임피던스 분석기와 자기특성 측정장치를 이용하여 Pulser코일과 Receiver코일을 포함할 수 있다.

도 24는 일실시예에 따른 양자 기반 가스감지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

양자기반 가스감지 시스템은 광학부, 제어/계측부를 포함할 수 있고, PZT구동장치를 가지는 방폭형 단일광자 Source/Detector 내장 방폭함체를 포함할 수 있다.

양자기반 가스감지 시스템에 가스누출 농도 측정 고도화 신호처리 및 시스템 운영기술이 적용될 수 있다. 가스누출 농도 측정 정밀도 개선을 위한 신호처리 알고리듬, 가스누출 농도 측정 정밀도 개선을 위한 시스템 운영기술이 적용될 수 있다.

도 25는 일실시예에 따른 산업용 사물인터넷 기반 연동 규격을 나타낸 도면이다. 양자기반 가스감지 시스템은 산업용 사물인터넷 가스차단 제어장치와 연동될 수 있다. IIoT기반 시설물 안전관리 플랫폼 기반의 가스차단·제어장치 연동될 수 있다.

도 26은 일실시예에 따른 방폭형 가스차단 제어장치 및 가스누출 고도화 장치 연동 IIoT 기반 시설물 안전관리 플랫폼을 나타낸 도면이다. IIoT 기반 시설물 안전관리 플랫폼은 미들웨어 기반으로 데이터 수집 서버를 포함할 수 있다. IIoT 기반 시설물 안전관리 플랫폼은 다수의 가스센싱장치 및 가스차단·제어장치 데이터 수집 및 DB저장하고, 알람 조건 발생시, 시나리오에 따른 가스차단·제어 신호 전송할 수 있다.

다른 예로, IIoT 기반 시설물 안전관리 플랫폼은 웹기반 서비스 서버를 포함할 수 있고, UI/UX 기반의 실시간 모니터링 서비스를 제공하고, 실시간 모니터링 및 대응 시나리오 편집할 수 있다.

개인, 소규모사업장, 가스충전 및 제조시설과 같이 규모별로 적용될 수 있고, 스마트 장치 및 솔루션의 실증을 위해 규모별 실증 환경에 대한 물리적 환경 구현할 수 있다. 실증 환경 내에서 무선검지차단장치의 시험한 성능에 기초하여, 상황 및 환경을 구축하여 주어진 조건에 적절한 인지 성능 확인 및 제어 동작 수행 등에 문제가 없는지를 실증을 통해 확인하고, 현장 상황에 맞는 사용 조건 분석, 사용 환경 분석, 법적 사항 확인, 안전관리 절차서 적용 등을 통한 다양한 측면에서의 실증 환경 시험을 위해 적절한 시험 방법 및 평가 기준을 개발할 수 있다. 실증 환경 구축 및 장치 설치에 따른 매뉴얼 개발하고, 실증 후 상품화 및 사업화, 유지 보수 관련 효율성 검증, 추가 요구 장치의 설계를 위한 매뉴얼 개발할 수 있다.

도 27은 전자기음향변환기 탐촉자의 현장 조건별 부착 방법을 나타낸 도면이다. 배관 Thickness 감지 전자기음향변환기(EMAT) 탐촉자는 산업용 사물인터넷(IIoT) 가스차단·제어장치와 연동될 수 있다.

도 28은 일실시예에 따른 양자 기반 가스감지 시스템의 신호처리를 나타낸 도면이다. 양자 기반 가스감지 시스템은 가스누출 농도 측정 고도화 신호처리 및 시스템 운영기술 고도화를 위하여, Multi-point averaging으로 정밀도를 향상시킬 수 있다.

양자기반 가스감지 시스템은 ·Noise를 최소화할 수 있는 광학 필터 적용될 수 있고, 스캐너 및 PZT기반의 영상화 기술이 적용되어, 광학 스캐너 또는 기구틸팅 기술을 이용한 2D 스캔 기술, CCTV영상 정합기술 개발을 통한 가스누출 시각화 기술이 적용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성되어 마그네틱 저장매체, 광학적 판독매체, 디지털 저장매체 등 다양한 기록 매체로도 구현될 수 있다.

본 명세서에 설명된 각종 기술들의 구현들은 디지털 전자 회로조직으로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어로, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 구현들은 데이터 처리 장치, 예를 들어 프로그램가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 컴퓨터들의 동작에 의한 처리를 위해, 또는 이 동작을 제어하기 위해, 컴퓨터 프로그램 제품, 즉 정보 캐리어, 예를 들어 기계 판독가능 저장 장치(컴퓨터 판독가능 매체) 또는 전파 신호에서 유형적으로 구체화된 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다. 상술한 컴퓨터 프로그램(들)과 같은 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 인터프리트된 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기록될 수 있고, 독립형 프로그램으로서 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서의 사용에 적절한 다른 유닛으로서 포함하는 임의의 형태로 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에서 하나의 컴퓨터 또는 다수의 컴퓨터들 상에서 처리되도록 또는 다수의 사이트들에 걸쳐 분배되고 통신 네트워크에 의해 상호 연결되도록 전개될 수 있다.

컴퓨터 프로그램의 처리에 적절한 프로세서들은 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들 둘 다, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 판독 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 둘 다로부터 명령어들 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 요소들은 명령어들을 실행하는 적어도 하나의 프로세서 및 명령어들 및 데이터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터를 저장하는 하나 이상의 대량 저장 장치들, 예를 들어 자기, 자기-광 디스크들, 또는 광 디스크들을 포함할 수 있거나, 이것들로부터 데이터를 수신하거나 이것들에 데이터를 송신하거나 또는 양쪽으로 되도록 결합될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어들 및 데이터를 구체화하는데 적절한 정보 캐리어들은 예로서 반도체 메모리 장치들, 예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Video Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 롬(ROM, Read Only Memory), 램(RAM, Random Access Memory), 플래시 메모리, EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 등을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적 논리 회로조직에 의해 보충되거나, 이에 포함될 수 있다.

또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용매체일 수 있고, 컴퓨터 저장매체 및 전송매체를 모두 포함할 수 있다.

본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.

마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100: 중앙 제어 장치
210: 밸브 제어 장치
215: 데이터 로거
240: 센서 모듈

Claims (3)

1. 가스 제어 및 차단 시스템에 있어서,
   밸브의 위치를 식별하고, 상기 밸브의 동작을 제어하는 밸브 제어 장치 및
   상기 밸브 제어 장치와 무선으로 통신 연결되어. 상기 밸브 제어 장치로부터 상기 밸브의 위치를 수신하고, 상기 밸브 제어 장치로 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신하는 중앙 제어 장치
   를 포함하고,
   상기 밸브 제어 장치는,
   상기 밸브로부터 누출되는 가스를 감지하는 센서 모듈을 포함하고,
   상기 중앙 제어 장치는,
   상기 센서 모듈에서 상기 가스의 감지 여부를 식별하고, 식별된 상기 가스의 감지 여부에 따라, 상기 밸브 제어 장치로 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신하는, 가스 제어 및 차단 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 제어 장치는,
   상기 센서 모듈에서 상기 가스를 감지한 경우, 상기 밸브 제어 장치의 동작에 관하여 설정된 동작 및 순서에 기초하여, 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 상기 밸브 제어 장치로 송신하는, 가스 제어 및 차단 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 제어 장치는,
   상기 밸브의 위치 및 상기 가스의 감지 여부에 기초하여, 상기 밸브의 동작을 제어하기 위한 신호를 송신하는, 가스 제어 및 차단 시스템.
   
   

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