KR920008028B1 - 급탕기의 온도 제어장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

급탕기의 온도 제어장치

제1도는 본 발명의 실시예를 나타낸 가스급탕기의 제어장치의 기농적 구성을 나타내는 기능 블럭도.

제2도는 본 실시예의 가스급탕기의 구성을 나타낸 개략도.

제3도는 본 실시예에 있어서의 미분회로를 나타낸 회로도.

제4도는 본 발명의 작동 설명을 위한 타임챠트이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

17 : 유량센서(수량 검지수단)

18 : 입수온 더미스터(입수온도 검지수단)

19 : 출탕온 더미스터(출탕온도 검지수단)

40 : 제어장치(온도제어장치)

45 : 미분회로

51 : 피이드포워드 제어(피이드포워드 제어수단)

52 : 피이드백 제어(피이드백 제어수단)

본 발명은 버너의 연소등에 의하여 물을 가열하는 급탕기의 온도 제어장치에 관한 것으로, 특히 열교환기로부터 유출하는 출탕온도를 검지하는 온도센서를 구비하고 그 센서의 검지신호에 의거하여 가열량을 주로 마이크로 컴퓨터(마이컴)에 의하여 피이드백 제어하는 것에 관한 것이다.

종래 기술로서 예를 들면, 가스급탕기 등의 연소식 급탕기에서는 사용자가 희망하는 출탕온도가 얻어지도록 하기 위하여 온도센서에 의하여 출탕온도를 검지하여 피이드백 제어하는 것이 있다. 이 피이드백 제어에서는 단지 출탕온도와 설정온도(기준온도)와의 편차에 의한 비례동작의 제어만이 아니라 열교환기 등의 열용량등에 따른 잔류편차(또는 정상편차)에 의하여 출탕온도가 불안정하게 되지 않도록 하기 위하여 비례동작과 함께 적분동작이 행해지는 PI동작(비례+적분동작)의 제어가 행해지고, 또 급탕량의 변경이나 열교환기내로의 입수온도의 변화등의 외란이 있었을 경우에도 응답지연이나 출탕온도의 변화를 작게하기 위하여 미분동작을 조합한 PID동작(비례+적분+미분동작)에 의하여 제어하는 것이 일본국 특개소 61-21240호 공보, 일본국 특개소 63-83546호 공보등에 소개되어 있고, 이들의 공보에 소개된 피이드백 PID제어를 위한 제어회로나 제어기에서는 마이크로 컴퓨터(이하 마이컴이라 칭한다)가 사용되는 것이 전제가 되고 있다.

그러나 출탕온도를 검지하기 위한 더미스터등의 온도센서의 검지온도신호를 디지탈 신호로 AD변환하여 마이컴에 입력할 때, 예를 들면 0.1sec주기로 독출되는 경우에는 P동작 및 I동작에서는 더미스터 등의 온도 검지소자에 의하여 검지되는 피측정온도가 출탕온도를 0.5℃정도의 차로 검출할 수 있으면 좋으나, D동작을 확실하게 행하기 위해서는 더미스터에 의한 검지온도에 대하여 예를 들면 0.03℃정도까지 세분화되어 그차가 독출될 필요가 있다. 그 때문에 이와 같이 세분화하여 온도신호를 마이컴에 입력하기 위해서 온도센서의 검지온도 신호를 디지탈 신호로 AD변환하여 입력하기 위한 입력포트가 다수 필요하게 되어 마이컴의 하드부담이 커진다. 또 포트수의 증가수에 따라 프로그램도 동시에 복잡하게 되기 때문에 개발기간이 길어져 개발비용이 증대한다는 문제가 있다.

본 발명은 마이컴을 사용한 온도 제어장치에 있어서, 출탕온도의 변화에 대응하여 신속하게 가열량을 조절할 수가 있고 우수한 출탕온도 특성이 얻어짐과 동시에 그 개발에 있어서 비용이나 기간등의 부담을 감소시킬 수 있는 급탕기의 온도 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 열교환기에 공급되는 수량을 검지하는 수량 검지수단과, 상기 열교환기로의 물의 유입온도를 검지하는 입수온도 검지수단과, 상기 열교환기로부터 유출되는 탕수의 온도를 검지하는 출탕온도 검지수단과, 상기 수량 검지수단에 의하여 검지되는 수량과 상기 입수온도 검지수단에서 검지되는 유입온도를 소정시간마다 독출하여 가열량을 결정하는 피이드포워드 제어수단과, 상기 출탕온도 검지수단에서 검지되는 유출온도를 소정시간마다 독출하고 그 유출온도와 기준온도의 편차에 의거하여 상기 피이드포워드 제어수단의 상기 가열량을 소정시간마다 보정하여 갱신함과 동시에 상기 출탕온도 검지수단에 의하여 검지되는 유출온도를 미분하는 미분회로를 구비하고, 그 미분회로에 의한 상기 유출온도의 미분치를 소정시간마다 독출하고 그 미분치에 의거하여 상기 피이드포워드 제어수단의 상기 가열량을 소정시간마다 보정하여 갱신하는 피이드백 제어수단으로 이루어진 기술적 수단을 채용한다.

본 발명의 온도 제어장치에서는 수량 검지수단에 의하여 검지되는 수량과 입수온도 검지수단에서 검지되는 유입온도가 소정시간마다 독출되어, 가열량이 피이드포워드 제어수단에 의하여 결정된다. 또 피이드포워드 제어수단에 의한 가열량은 출탕온도 검지수단에서 검지되어 소정시간마다 독출되는 유출온도와 기준온도의 편차와, 미분회로에 의하여 미분되어 소정시간마다 독출되는 유출온도의 미분치에 의거하여 피이드백 제어수단에 의해 소정시간마다 보정되어 갱신된다.

본 발명에서는 소정시간마다 독출되는 유출온도와 그 미분치에 의거하여 가열량이 피이드백 제어에 의하여 보정되어 갱신된다. 따라서 온도변화에 대하여 신속하게 반응하여 가열량을 변경할 수가 있다.

또, 이를 위한 유출온도의 미분치가 미분회로에 의하여 연산되기 때문에, 출탕온도 검지수단에서 검지되는 온도를 독출하기 위한 입력장치에 있어서의 온도에 대한 세분화는 기준온도와의 편차를 식별할 수 있을 정도이면 좋다.

따라서 각 온도 검지수단에 의하여 검지되는 검지온도 신호를 AD변환하여 디지탈 신호로 하는데 있어서, 포트수를 다수로 할 필요가 없기 때문에 마이컴의 하드에 있어서의 부담을 적게 할 수가 있다. 또 그것을 처리하기 위한 프로그램이 간략화되기 때문에 시스템의 개발기간을 단축할 수가 있어 개발비용을 삭감할 수가 있다.

다음에 본 발명의 온도 검지소자에 의한 온도 제어장치를 실시예에 의거하여 설명한다.

제2도에 그 개략을 나타낸 가스급탕기(1)에서는 급탕기 케이스(10)의 내부에 버너 플레이트(11)가 배치되고, 급탕기 케이스(10)에 의하여 연소실(10a)과 혼합실(10b)이 형성되어 급탕기 케이스(10)의 아래쪽에 연소용 공기를 공급하는 송풍기(12)를 구비하고 있다. 송풍기(12)는 스크롤 케이싱(12a)내에 임펠라(12b)를 구비하고, 도시하지 않은 모터에 의하여 임펠라(12b)를 회전 구동한다.

스크롤 케이싱(12a)에는 연료가스를 분출하는 노즐(13)이 설치되고, 급탕기 케이스(10) 및 버너 플레이트(11)는 송풍기(12)에 의하여 공급되는 1차 공기만으로 연소하는 전 1차 공기 연소기를 형성하며, 연소가스는 도시하지 않는 배기구로부터 급탕기 케이스(10)밖으로 배출된다.

연소실(10a)내에는 버너 플레이트(11)의 근방에 스파크 방전을 행하는 스파커전극(14), 화염검지를 위한 프레임 로드(15)가 설치되어 있다.

또 연소실(10a)내에는 도시하지 않은 물공급원 및 급탕구와 각각 접속된 열교환기(16)가 설치되고, 열교환기(16)의 상류에는 열교환기(16)에 유입되는 물의 유량과 수온을 각각 검지하는 유량센서(17)와 입수온 더미스터(18)가 구비되고, 열교환기(16)의 하류에는 가열된 탕수의 온도를 검지하기 위한 출탕온 더미스터(19)가 구비되어 있다.

또한 혼합실(10b)내에는 송풍기(12)에 의해 공급되는 혼합공기를 균등하게 버너 플레이트(11)에 공급하기 위하여 다수의 구멍이 설치된 정류판(10c)이 배치되어 있다.

연료가스를 노즐(13)에 공급하는 연료관(20)에는 상류측으로부터 차례로 원 전자밸브(21), 주 전자밸브(22), 연료가스의 하류측의 압력을 전류치에 따라 조절하는 조속기 비례밸브(23), 연료가스를 차단하기 위한 전자밸브(24)가 각각 설치되고, 전자밸브(24)의 상류와 하류는 오리피스(25)를 구비한 바이패스관(20a)에 의하여 연통되어 있다. 오리피스(25)는 드로틀 성능을 높이기 위하여 설치된 것으로, 전자밸브(24)가 폐쇄상태인 경우에는 노즐(13)을 대신하여 오리피스(25)에 의하여 연료공급량이 제한되어 소연소량이 얻어진다.

제어장치(40)는 제1도에 나타낸 바와 같이 마이크로 컴퓨터(마이컴)로서의 중앙처리장치(CPU)(50), ROM(41), RAM(42), 각 센서 및 더미스터로부터의 아날로그 신호를 처리하기 위한 멀티플렉서나 디지탈 신호로 변환하기 위한 AD변환기등을 가지는 입력 인터페이스(43), 출력 인터페이스(44)를 주 구성으로 하고, 사용자에 의해 조작되어 희망하는 출탕온도를 설정하기 위한 제어기(40a), 미분회로(45)와 도시하지 않은 안전회로를 구비하여 점화제어 및 연소제어의 각 제어를 행한다.

미분회로(45)는 제3도에 나타낸 바와 같이 출탕온 더미스터(19)와 분압용 저항기(46)에 의해 얻어지는 출탕온도 신호를 콘덴서(47), 연산증폭기(48), 저항기(49)에 의하여 미분하는 것으로, 출탕온 더미스터(19)의 온도변화분에 따른 출력이 단자(45a)에 출탕온도 신호의 미분치로서 얻어진다.

CPU(50)는 ROM(41)내의 프로그램에 의하여 필요한 각 제어동작을 행하는 것으로, 입력 인터페이스(43)로부터의 각 입력에 의거한 연산처리를 행하여 연산결과에 따라 출력 인터페이스(44)를 거쳐 각부를 다음과 같이 구동 제어한다.

점화제어에서는 유량센서(17)에 의한 통수신호가 전달되면 미리 설정된 시이퀀스로 송풍기(12), 스파커전극(14), 원 전자밸브(21), 주 전자밸브(22)를 각각 제어하여 점화를 행한다.

연소제어에서는 각 더미스터의 저항치로부터 얻어지는 온도신호와, 열교환기(16)를 통과하는 수량에 따라 발생되는 유량센서(17)로부터의 펄스신호 및 제어기(40a)에 의한 설정온도에 의거하여 연소량(Q)을 결정하고, 이 결정된 연소량(Q)에 의거하여 송풍기(12), 전자밸브(24), 조속기 비례밸브(23)를 제어한다.

여기서는 연소량(Q)을 결정하기 위한 CPU(50)의 연소제어 기능부로서 피이드포워드 제어(FF제어)(51)와 피이드백 제어(FB제어)(52)로서의 비례동작(53) 및 미분동작(54)이 행해진다. FF제어(51)는 운전개시후에 출탕온 더미스터(19)에서 검지되는 탕온(Tout)과 설정온도(Tset)와의 편차(dt)가 소정조건 ｜dt｜≤y이 될 때까지의 동안에 행해지는 제어동작이다. FF제어(51)에서는 제어기(40a)에 의한 설정온도(Tset), 입수온 더미스터(18)에서 검지되는 입수온도(Tin), 유량센서(17)에서 검지되는 수량(W)이 소정시간 마다의 사이클에서 CPU(50)에 독출되고 또 미리 산출된 열교환율(/eff)로부터

Q(FF)=(Test-Tin)×w/eff

로 연소량 Q(FF)를 결정한다.

따라서 FF제어(51)에서는 CPU(50)의 독출시간 마다 연소량 Q(FF)가 갱신되고, 갱신되는 연소량 Q(FF)에 의거하여 송풍기(12) 및 조속기 비례밸브(23)가 제어된다. FB제어(52)는 탕온(Tout)의 변화에 따라 상기의 조건 ｜dt｜≤y이 되었을 때에 출탕온도를 안정시키기 위하여 행하는 연소량 보정제어에서 설정온도(Test)와 탕온(Tout)과의 편차에 의한 비례동작(53)과 외란에 의한 탕온(Tout)의 변화에 따라 연소량을 신속하게 보정하기 위한 미분동작(54)이 행해진다.

이들 비례동작(53), 미분동작(54)은 CPU(50)에 의해 소정시간마다 반복하여 독출되는 탕온(Tout)과, 탕온(Tout)의 미분치(△Tout)에 의거하여 얻어지는 비례보정량(P), 미분보정량(D)을 상기의 FF제어(51)에 의한 연소량 Q(FF)에 대하여 독출될 때 마다 반복하여 가산하는 동작이다.

FB제어(52)로서의 연소량 Q(FB)은

Q(FB)=Q(FF)+P+D

으로 기본적으로 구해지고, 시간스텝(n)에 대하여 연소량, 비례보정량, 미분보정량을 각각 Q(FB)n, Pn, Dn이라하면,

Q(FB)n=Q(FB)n-1+Pn+Dn

으로 구해지고, 각 값이 독출될 때마다 차례로 갱신되는 것이다.

여기서, 비례동작(53)에 의한 비례보정량(P)은 설정온도(Test)와 탕온(Tout)의 편차와 수량(W)으로부터

P=E(Test-Tout)·W

로 구해진다. 여기서 E는 비례정수이다.

또 미분동작(54)에 의한 미분보정량(D)은,

D=△Tout×r

로 구해진다. 여기서 △Tout는 상기의 미분회로(45)에서 구해진 탕온(Tout)의 미분치이고 r은 정수이다.

연소제어에서는 이렇게 하여 얻어진 연소량(Q)에 대응하는 ROM(41)내의 데이터에 의거하여 송풍기(12)를 제어한다.

여기서는 결정된 연소량(Q)에 대응한 송풍기(12)의 제어전압 데이터가 ROM(41)에 기억되어 있어 연소량(Q)이 가해지면 그것에 대응한 데이터가 사용되는 가스 종류에 따라 CPU(50)의 연산처리에 의하여 독출되고, 그것에 의거한 전압이 송풍기(12)에 인가된다.

또 조속기(가버너) 비례밸브(23)로의 통전전류치는 검출되는 송풍기(12)의 회전수에 의거하여 결정된다.

다음에 이상의 구성으로 이루어진 본 실시예의 가스 급탕기(1)의 작동을 제4도를 참고하여 설명한다.

사용자가 제어기(40a)에 의하여 출탕온도를 설정하고 도시하지 않은 수도콕크를 조작하여 급탕을 개시하면 소정의 시이퀀로 점화가 행해진다.

착화가 프레임 로드(15)에 의해 검지되면 FF제어(51)가 행해지고, 제어기(40a), 각 센서 및 더미스터의 신호에 의거하여 FF제어(51)의 연소량 Q(FF)가 계산되며, 그것에 의거하여 송풍기(12)와 조속기 비례밸브(23)가 제어된다.

그후 탕온(Tout)이 소정조건 ｜dt｜≤y이 되면, FB제어(52)에 의하여 연소량의 보정제어가 행해져 필요한 탕온(TO)으로 가열된다.

급탕중에 예를 들면, 시간(t1)에 사용자에 의해 급탕량이 변경되어, 실선(A)으로 나타낸 바와 같이 급탕량이 감소하면 탕온(Tout)은 실선(B)으로 나타낸 바와 같이 상승한다.

이때 출탕온 더미스터(19)에 검지되는 검지온도(T(t))는 입력 인터페이스(43)에서 디지탈 신호로 변환되나, 여기서 설정온도(Test)와 탕온(Tout)과의 차를 검지하기 위하여 필요한 정도만큼 세분화되어 있을 뿐 이라고 하면, 탕온(Tout)의 다소의 변화만으로는 그 변화를 검지할 수 없어 탕온(Tout)의 변화량이 커졌을 때에 비로소 그 변화가 검지되기 때문에, 파선(c)으로 나타낸 바와 같이 실제의 탕온변화에 대하여 지연이 발생한다. 이 때문에 FB제어(52)에 있어서의 비례동작(53)에서는 제어량을 신속하게 변경할 수가 없다.

그러나 본 실시예에서는 미분회로(45)를 구비하고 있기 때문에 미분회로(45)에 의하여 탕온의 변화가 실선(D)으로 나타낸 바와 같이 출탕온도(Tout)의 미분치(△Tout)로서 즉시 얻어져, 파선(E)으로 나타낸 종래의 경우와 같이 미분치가 지연되어 나타날 수가 없다.

따라서 이 미분치(△Tout)에 의거하여 FB제어(52)의 미분동작(54)에 있어서 미분보정량(D)이 구해져, 탕온(Tout)의 변화에 따라 제어량을 신속하게 변형할 수가 있다.

이 결과 연소량을 신속하게 보정할 수가 있어 출탕온도를 안정시킬 수가 있다.

이상과 같이 본 실시예에서는 피이드백 제어에 있어서의 미분제어가 미분회로의 미분치에 의거하여 출탕온도의 변화에 의거하여 연소량이 신속하게 변경되기 때문에, 출탕온도를 설정온도에 확실하게 접근할 수가 있다.

본 실시예에서는 피이드백 제어에 있어서 적분동작을 하고 있지 않으나, 미분회로를 구비하고 있어 외란등에 의한 출탕온도의 변화가 즉시 검지되고, 그것에 따라 제어량을 신속하게 변경할 수 있기 때문에 응답성이 좋은 우수한 온도제어 특성을 얻을 수가 있다.

또 이 미분제어를 위한 탕온의 미분치는 미분회로에 의하여 연산되기 때문에 출탕온 더미스터에서 검지되는 검지온도 신호를 마이컴에 입력하기 위한 입력포트수를 비례제어에 있어서 필요한 정도로 세분화하는 것만으로 좋기 때문에, 입력포트수를 작게 설정할 수 있어 마이컴의 하드부담을 작게 할 수가 있다. 또 그것을 처리하기 위한 프로그램이 간략화되기 때문에 개발기간을 단축할 수 있어 개발비용을 삭감할 수가 있다.

본 실시예에서는 가스 급탕기를 나타냈으나 탕수식 난방기, 바닥난방, 세트럼히팅에서도 좋다.

또 가열원은 가스, 석유등에 의한 연소기기에 한정되지 않고 전기 가열에 의한 것이더라도 좋다.

Claims (1)

1. 열교환기에 공급되는 수량을 검지하는 수량 검지수단과; 상기 열교환기로의 물의 유입온도를 검지하는 입수온도 검지수단과; 상기 열교환기로부터 유출되는 탕수의 온도를 검지하는 출탕온도 검지수단과; 상기 수량 검지수단에 의하여 검지되는 수량과 상기 입수온도 검지수단에서 검지되는 유입온도를 소정시간마다 독출하여 가열량을 결정하는 피이드포워드 제어수단과; 상기 출탕온도 검지수단에서 검지되는 유출온도를 소정시간 마다 독출하고, 그 유출온도와 기준온도와의 편차에 의거하여 상기 피이드포워드 제어수단의 상기 가열량을 소정시간 마다 보정하여 갱신함과 동시에, 상기 출탕온도 검지수단에 의하여 검지되는 유출온도를 미분하는 미분회로를 구비하고; 그 미분회로에 의한 상기 유출온도의 미분치를 소정시간마다 독출하고, 그 미분치에 의거하여 상기 피이드포워드 제어수단의 상기 가열량을 소정시간 마다 보정하여 갱신하는 피이드백 제어수단으로 이루어진 급탕기의 온도제어장치.

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