KR101900678B1 - 스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법에 관한 것으로, 펌프일체형수문이 배치되는 배수펌프장의 수로와 내외 수위에 대한 데이터를 수집하는 수위감지부와, 상기 수위감지부에서 수집한 수위유입량 Data Logger와, 수위감지부의 수위를 분석하여 펌프수문의 개폐를 제어하는 수문제어부와, 상기 데이터를 분석하여 펌프운전모드를 제어와 펌프제어부에서 펌프의 저수위 구동시에도 펌프를 헌팅과 캐비테이션이 발생하지 않으며 최고수위를 상승할 경우 설계용량을 증가시키는 등 스마트하게 구동하도록 펌프수문제어부를 구성한다. 따라서, 수문을 사전 대비 예방운전을 가능하게 하고, 펌프의 구동을 제어하여 펌프가 설치되는 유역의 침수를 방지케 하여 국민의 생명과 재산손실을 방지하는 안전과 경제적 효과를 제공한다.

Description

스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법{Apparatus and operating method for Smart Pump Gate}

본 발명은 스마트 펌프일체형수문에 관한 것으로, 더 상세하게는 내수위 급상승에 사전 대응하는 제어문제와, 부지 제약으로 적은 용량의 유수지에서 펌프의 구동으로 유수지의 급격한 수위 변동으로 발생하는 헌팅 문제와, 유수지의 저수위 상태에서 펌프구동으로 인한 캐비테이션 문제와, 유입량 과다로 인한 최고수위 도달시 과부하 문제를 해결하는 펌프수문제어부를 구성하여, 펌프의 고장을 방지하고 원활한 구동을 구현할 수 있는 스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로, 배수구역 내에서 발생하는 강우를 포함한 내수를 외측으로 배출시키기 위하여 배수문과 배수펌프장을 유역의 하부에 배치하여 평소에는 배수문을 통하여 자연배수시키다가 외수측 수위가 상승하면 배수문을 폐쇄시켜서 내측으로 역류를 차단하고 내수측 수위가 일정 수위 이상으로 상승하면 배수펌프장을 구동하여 강제배수시켜서 배수구역 내의 침수를 방지하고 있다.

좀 더 상세하게 살펴보면, 종래 배수펌프장의 치수 문제는, 강이나 하천 제방 이나 방조제 등의 수로에 제수문을 설치하여 평소에는 개방하여 상류측 내수를 하류측 외수로 자연배수시키다가, 집중호우나 장마 또는 태풍 등으로 강우량이 증가 하여 외수위가 일정이상으로 상승하면 일차적으로 수문을 하강시켜서 수로를 폐쇄 시켜서 외수가 내수측으로 유입되는 것을 차단한다. 이 때 수문을 폐쇄하면 외수의 내수측 유입은 차단할 수 있지만 내수가 자연배수가 불가능하게 되며 강우가 지속되면 내수위도 상승하게 되고 별도의 강제배수시설이 없는 저지대의 주택이나 농경지는 침수하게 되어 커다란 수해를 입는 문제점이 있었다.

따라서, 저지대의 주택이나 농경지의 침수로 인한 수해 방지를 위해 배수펌프장 또는 빗물펌프장을 설치하는데, 이에 소요되는 배수펌프장 및 유수지 부지 구입비, 배수펌프장 건설용 토목 및 수문부공사비, 배수펌프 및 전기시설 자재비, 천정크레인 및 부속설비비, 기계전기공사비 등 막대한 예산소요 뿐만 아니라 배수펌프장의 집수정에서 발생하는 악취로 인하여 주민들의 배수펌프장 설치를 반대하는 님비(NIMBY)현상으로 인하여 적소에 배수펌프장을 필요하지만 설치하지 못하는 문제점이 있었다.

특히, 해안에 위치한 도시나 큰 강과 연결된 도시의 하천 주위 저지대 밀집 지역에서는 이미 도시가 성숙하여서 배수펌프장을 설치할 공간이 없을 뿐만 아니라 중앙정부나 지방자치단체는 토지소유주의 매우 높은 토지보상 요구로 인하여 사업을 확정하지 못함으로써, 배수펌프장 건설을 소요에 부응하여 실현시키지 못하고 있다. 따라서, 매년 발생하는 태풍이나 최근 빈발하는 게릴라성 집중호우나 장마 등이 발생할 때 외수위가 갑자기 상승하고 내수위도 동시에 상승하면 부득이 저지대가 침수되어 인명피해와 커다란 재산 손실을 입는 문제점이 매년 반복되고 있다.

종래의 기술은 침수구역과 설계강우량을 결정하고, 그에 따라 펌프와 유수지 의 면적을 계획하면 그에 적합한 펌프의 토출량(Q)과 양정(H)이 결정되고 산업규격에 따라 제작 설치된 후 운영된다. 이렇게 설치된 펌프의 용량(Q)이나 양정(H)으로는 현장에서 지구 온난화와 기상이변으로 단시간의 집중호우나 폭우로 유입되는 증가된 용량(Q)에 대처하는 것은, 지금까지 수행된 설계 가정을 변경하지 않는 한 불가능하여 부득이 저지대가 침수되어 인명피해와 커다란 재산손실을 입는 문제점이 빈발하고 있다.

이와 같은 종래의 배수펌프장의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 수문본체에 개구부를 형성하고 이 개구부에 펌프를 일체화시킨 펌프일체형수문을 출원하여 등록받은 바 있다.

(대한민국 등록특허 제10-0497044호(펌프 일체형 수문 및 그 구동방법), 대한민국 특허등록번호 제10-0712604호(힌지식 수문 및 그 구동방법), 대한민국 특허등록번호 제10-1049099호(펌프 일체형 수문)).

이와 같은 종래기술의 구성은 모두 사각판형 수문본체에 펌프를 일체화하여 수문본체를 폐쇄한 상태에서 내외수위가 설정수위에 도달하면 수문의 개폐와 펌프의 구동과 정지를 자동으로 구동하도록 유기적으로 제어하는 수문제어부를 가지는 공통점이 있다.

즉, 특허문헌 1 발명에 언급된 수문부, 권양부, 펌프부, 수문제어부와, 특허문헌 2 발명에서 언급된 수문, 개폐부, 펌프, 수문제어부와, 특허문헌 3 발명에서 언급된 수문본체, 개폐기, 펌프, 수문제어부는 이에 해당되거나 이들 중 일부에 해당된다.

이러한, 특허문헌 1 및 2 발명은 수문의 개폐결정은 내수위가 외수위보다 낮을 경우 폐쇄하고, 펌프는 수문이 폐쇄된 상태에서 설정된 내수위의 구동과 정지 수위 사이를 온(On)오프(Off)하면서 구동하도록 하는 수문제어부의 기능이 제시되어 있다.

그러나 이들 종래의 기술은 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 범세계적인 지구 온난화와 기상이변으로 인하여 강우형태가 국지적이고 기습적 집중호우 형태로 발생함으로써, 강우의 상승속도가 매우 빠른데 비하여 종래의 기술은 이를 신속히 대처하지 못하고 있다. 예를 들어, 2017년 부산광역시 일원에서 발생한 침수사고처럼 대구경(大口經) 배수펌프를 다수 배치한 대형 배수펌프장인데도 불구하고, 수문이 개방된 상태에서 펌프를 구동시킬 경우 내외수의 차단이 불가능하여 역류가 발생하므로 펌프는 수문이 완전 폐쇄된 이후 펌프가동수위에 도달한 것을 감지하여야만 순차적으로 가동되도록 구성되어 있다. 이는 유수지의 실제 수위는 펌프가동수위를 이미 초과하였음에도 불구하고 펌프일체형수문이 실제 수위에 대응하여 빠르게 닫히도록 구성되어 있지 않음으로서 수문에 탑재된 펌프가 구동할 수 없어서 많은 침수피해가 발생하였다. 즉, 종래의 기술은 집중호우나 태풍 등 다양한 기상조건으로 내수위가 급격하게 상승하는데 부응하여 선제 대응할 수 있도록 펌프일체형수문이 구성되지 않아서 침수가 발생하는 구조적인 문제가 있다.

2) 또한, 펌프일체형수문을 채택한 배수펌프장은 도시주변 저지대 밀집지역 의 경우 도시화와 고도화로 종래의 배수펌프장을 설치할 공간이 없는 문제점을 해결하기 위하여 수로의 수문에 펌프를 일체화시킴으로서 설치공간의 부지확보 문제는 해결할 수 있었다. 한편, 강화(증가)되는 강우강도 설계기준, 동일한 배출량을 배출하는데 적은 대수(臺數)의 펌프가 더 경제적인 점, 기계기술의 발달로 토출수의 토출속도의 증가 경향 등으로 인하여 펌프 구동시 일시에 많은 양의 내수가 펌프를 통하여 토출될 때 펌프와 가까운 유수지의 수위는 급격하게 하강하게 된다. 이 때 내수위를 감지하는 수위계는 급격히 하강한 수위를 감지하여 펌프를 정지시키게 된다. 곧 이어서 불안정한 유수지의 내수위는 반대로 급격하게 상승하게 되어 펌프구동수위를 감지함으로 펌프는 다시 구동하게 되는 헌팅(hunting)현상이 발생한다. 이와 같은 헌팅현상은 좁은 유수지로 인하여 펌프의 잦은 기동과 정지로 안정적인 배수 작업이 불가능할 뿐만 아니라 펌프와 전동기가 고장을 일으키는 주요 원인이 되고 있다.

3) 한편, 펌프일체형수문을 채택한 배수펌프장은 상기와 같은 설치장소의 부지 제약으로 인하여 유수지의 수위가 급변하여 불안정한 상태에서 갑자기 펌프의 운전범위를 벗어나는 저수위에서 구동하게 됨으로써 펌프의 날개깃 사이에서 기포 (氣泡)의 발생으로 인한 심한 진동으로 펌프의 정상적인 구동을 불가능하게 하거나 심한 경우 파손시키는 공동(空洞, cavitation)현상이 발생하게 된다. 대부분의 배수펌프는 동력을 외부의 프로그램에 의하여 차단하지 않을 경우, 비정상 운전 조건에서도 장시간 구동하게 되므로 펌프 전동기의 과부하로 인한 이상신호 감지로 강제 정지시키는 경우와 공동현상은 펌프의 가장 큰 고장 원인으로서 배수를 적기에 할 수 없을 뿐만 아니라 펌프를 제조공장에서 수리하는 동안 침수에 대처할 수 없는 유지관리상의 문제점이 있다.

4) 그리고, 종래의 기술은 배수펌프장이 계획 초기에 적합한 펌프의 토출량(Q)과 양정(H)이 결정되어 설치되고 나면, 현장에서 기상이변으로 단시간의 집중호우나 폭우로 유입되는 증가된 용량에 대처하여 펌프의 용량을 증가하여 운전하는 것은 지금까지 수행해 온 설계 가정을 변경하지 않는 한 과부하가 발생하여 부득이 저지대가 침수되는 문제점이 있다.

대한민국등록특허번호 제10-0497044호 대한민국등록특허번호 제10-0712604호 대한민국등록특허번호 제10-1049099호

상기에 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 내수위의 급격한 상승속도에 대응하도록 펌프수문의 개폐와 펌프의 구동이 사전 대응할 수 있도록 계통을 구성하여, 집중호우가 국지적이고 기습적으로 발생하거나 강우의 상승속도가 급상승하는 경우에도 사전 대응운전 구현이 가능한 스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 부지제약으로 좁아진 유수지의 내수위가 급격하게 상승 하강하는 것을 방지할 수 있도록 펌프의 구동을 변경시킴으로서 펌프의 잦은 기동과 정지로 펌프와 전동기가 고장을 일으키는 헌팅(hunting)현상을 방지하는 스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 부지제약으로 좁아진 유수지의 내수위가 급격하게 하강하는 것을 방지할 수 있도록 펌프의 구동을 변경시킴으로서 펌프의 날개깃 사이에서 기포 발생으로 인한 심한 진동으로 펌프의 정상적인 구동을 불가능하게 하는 공동(cavitation)현상을 방지할 수 있는 스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 설치된 전체 대수의 펌프를 구동하여도 유수지의 내수위가 급격하게 최고수위까지 상승하는 경우 펌프의 구동을 증속(增速)변경시킴으로서 펌프의 토출량과 양정을 설계용량보다 증가시켜서 운전할 수 있는 스마트 펌프일체형수문 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스마트 펌프일체형수문은, 수로에 설치되어서 수로를 개방하여 내수를 외수측으로 자연유하시키고 폐쇄하여 외수의 역류를 차단하는 펌프수문과, 펌프수문에 일체로 결합되어서 내수를 외수측으로 강제배수시키는 펌프로 이루어진 펌프일체형수문에 있어서, 호우 등 수위급상승시 펌프수문을 사전 대응운전이 가능하게 하고, 헌팅과 캐비테이션으로 인한 불안정 운전과 고장을 방지하며, 최고수위에 도달하는 호우시에도 구동을 구현할 수 있도록 펌프수문제어부가 구비되고; 펌프수문제어부는, 상기 펌프일체형수문이 배치되는 배수펌프장에 설치되어 강우량을 감지하는 강우량감지부와, 상기 배수펌프장에 설치되어서 상기 배수펌프장의 흡입 및 토출수로와 펌프수문의 내외측 수위에 대한 데이터를 수집하는 내외수위감지부와, 내외수위감지부에 연결되어서 내외수위 감지부로부터 전달된 데이터를 분석하여 펌프수문의 개폐시기와 개폐속도를 제어하는 수문제어부와, 내수위감지부 및 강우량감지부에 연결되어서 내수위감지부 및 강우량감지부에서 수집한 수위 및 유입량 데이터를 저장하는 수위유입량 Data Logger와, 상기 수위유입량 Data Logger와 수문제어부에 연결되어서 수위유입량 Data Logger의 수위 및 유입량 정보와 수문제어부의 수문폐쇄 정보를 수집하여 펌프의 운전모드를 판별하여 펌프의 구동대수를 제어하는 펌프제어1부 및 상기 유수지 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부로 이루어진 펌프운전모드제어부와, 상기 펌프의 저수위 구동에 따른 유수지의 급격한 수위 변동으로 발생하는 헌팅(hunting)을 펌프제어2부의 유기적 변속제어로 방지하는 헌팅제어부와, 상기 펌프의 저수위 구동에 따른 유수지의 급격한 수위 저하로 발생하는 캐비테이션을 펌프제어2부의 유기적 변속제어로 방지하는 캐비테이션제어부를 포함하며; 상기 내외수위 감지부 및 수위유입량 Data Logger의 데이터를 분석하여 수문제어부, 펌프운전모드제어부, 펌프제어부를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스마트 펌프일체형수문의 다른 특징은, 전원부에서 전원을 공급하고 아날로그신호를 검출하여 연산처리하며 제어신호가 입출력되는 PLC부와, PLC부에 연결되고 수동자동 및 시스템을 조작하며 연산된 데이터가 표시되는 제어판넬부와, 제어판넬부에 연결되고 수문개폐장치 및 펌프를 동작시키며 인버터를 제어하는 인버터부와, 인버터부에 연결되는 하드웨어시스템부와, 제어판넬부에 연결되어 원격지에서 펌프일체형수문의 제어상태를 모니터링 또는 제어하는 모니터링부를 포함하여서 이루어지며; PLC부는, 제어전원을 관리하는 전원부와, 수위정보, 온도, 강우량 등을 감지하는 아날로그검출부와, PLC부의 각종 연산을 프로그램에 따라 수행하는 연산처부와, 제어신호를 입출력(I/O)을 처리하는 제어신호입출력부를 포함하고; 제어판넬부는, 제어판넬의 수동자동조작을 선택할 수 있는 수동자동조작부와, 자동으로 선택되었을 경우 시스템의 자동운전모드로 전환하는 시스템조작부와, 제어결과를 표시하는 데이터표시부를 포함하며; 인버터부는, 수문개폐장치를 변속운전하는 수문개폐장치동작부와, 펌프를 변속운전하는 펌프동작부와, 인버터를 제어시키는 인버터제어부를 포함하고; 하드웨어시스템부는, 펌프수문1, 펌프수문2, 펌프1, 펌프2, 정전시 비상전원을 공급하는 비상발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 스마트 펌프일체형수문의 또 다른 특징은, 펌프수문제어부는, 상기 강우량감지부 및 배수펌프장의 흡입 및 토출수로와 펌프수문의 내외측 수위에 대한 데이터를 수집하는 수위감지부에서 유수지의 펌프정지수위(LWL)보다 하부구간 (Hi0) 상하 두 지점의 수위(L1, L2)를 연속적으로 측정하여, 그 두 지점 사이를 도달하는 측정상승속도(Vd)를 구하고 설정상승속도(Ve)와 비교하여 측정상승속도(Vd)가 설정상승속도(Ve)보다 빠르면 수문제어부에서 사전 대응운전으로 펌프수문을 신속 폐쇄시키도록 지시하며, 펌프의 구동시작수위(PSL)를 상승속도비율 만큼 낮은 수위에서 구동되도록 제어수단을 구성하여서, 폭우로 인하여 유수지의 수위가 급상승하는 것에 사전 대응하여 내수위급상승제어를 구현하도록 구비된다.

본 발명의 스마트 펌프일체형수문의 또 다른 특징은, 헌팅제어부는, 상기 수위유입량 Data Logger의 데이터를 분석하여 펌프구동수위(PSL)와 펌프정지수위(LWL) 사이 구간(Hi1)에서는 측정내수위(Hid)가 헌팅발생수위(Hhd) 보다 낮을 경우, 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부에서 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 유기적으로 제어함으로서, 펌프 구동시 유수지 내수위의 급변동으로 발생하는 헌팅을 방지하도록 구비된다.

본 발명의 스마트 펌프일체형수문의 또 다른 특징은, 캐비테이션제어부는, 상기 수위유입량 Data Logger의 데이터를 분석하여 펌프구동수위(PSL)와 펌프정지수위(LWL) 사이 구간(Hi1)에서는 측정내수위(Hid)가 캐비테이션발생수위(Hcd) 보다 낮을 경우, 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부에서 유기적인 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어함으로서 펌프 구동시 유수지 내 저수위 구동으로 발생하는 캐비테이션을 방지하도록 구비된다.

상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스마트 펌프일체형수문 구동방법은, 청구항 1의 스마트 펌프일체형수문을 구동하는 방법으로서, 펌프수문제어부를 초기화하는 단계(S1)와, 유수지의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와, 내수위감지부에서 감지한 정보와 내수위속도측정부에서 감지한 정보로 내수위 상승속도를 연산하는 단계(S20)와, 유수지에 유입되는 유입량을 유입량예측부에서 예측하는 단계(S30)와, 강우량감지부에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger에서 데이터화하는 단계(S50)와, 유수지의 L1, L2 수위 측정상승속도(Vd)를 설정상승속도(Ve)와 비교하여 측정상승속도(Vd)가 빠를 경우 수문제어부의 펌프수문(25) 폐쇄 시작지점을 급변경하고, 속도를 급제어하는 단계(S60)를 포함하며; 내수위 급상에 사전 대응하는 내수위 급상승제어 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스마트 펌프일체형수문 구동방법은, 펌프수문제어부를 초기화하는 단계(S1)와, 유수지의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와, 유수지에 유입되는 유입량을 유입량예측부에서 예측하는 단계(S30)와, 강우량감지부에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger에서 데이터화하는 단계(S50)와, 유수지의 측정수위(Hid)가 헌팅발생수위(Hhd)보다 낮을 경우 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부에서 유기적인 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어하는 단계(S70)와, 상기 펌프를 펌프제어2부에서 인버터부의 펌프동작부의 변속(감속)으로 구동시키는 단계(S80)를 포함하며; 유수지 내수위의 급변동으로 발생하는 헌팅방지 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스마트 펌프일체형수문 구동방법은, 청구항 1의 스마트 펌프일체형수문을 구동하는 방법으로서, 펌프수문제어부를 초기화하는 단계(S1)와, 유수지의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와, 유수지에 유입되는 유입량을 유입량예측부에서 예측하는 단계(S30)와, 강우량감지부에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger에서 데이터화하는 단계(S50)와, 유수지의 측정내수위(Hid)가 캐비테이션발생수위(Hcd)보다 낮을 경우 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프(40)의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부에서 유기적인 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어하는 단계(S70)와, 상기 펌프를 펌프제어2부에서 인버터부의 펌프동작부의 변속(감속)으로 구동시키는 단계(S80)를 포함하며; 유수지 내 저수위 상태에서 펌프의 구동으로 발생하는 캐비테이션을 방지하는 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스마트 펌프일체형수문 구동방법은, 청구항 1의 스마트 펌프일체형수문을 구동하는 방법으로서, 펌프수문제어부(100)를 초기화하는 단계(S1)와, 유수지의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와, 유수지에 유입되는 유입량을 유입량예측부에서 예측하는 단계(S30)와, 강우량감감지부에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger에서 데이터화하는 단계(S50)와, 유수지 내수위가 펌프구동수위(PSL2) 이상 구간(Hi3)에서 배치된 전체 펌프가 구동하도록 펌프운전모드제어부에서 제어하는 단계(S90)와, 유수지 내수위가 최고수위(HiL)에 도달하는 것이 감지하는 단계(S100)와, 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부에서 유기적인 증속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어하는 단계(S70)와, 상기 펌프를 펌프제어2부에서 인버터부의 펌프동작부의 변속(증속)으로 구동시키는 단계(S80)를 포함하며; 유수지 내 고수위 상태에서 전체 펌프의 용량을 증가시켜서 침수를 방지하는 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같은 본 발명은, 1) 펌프일체형수문이 배치되는 배수펌프장의 수로와 내외수위에 대한 데이터를 수집하는 수위감지부와, 상기 수위감지부에서 수집한 수위유입량 Data Logger와, 수위감지부의 수위를 분석하여 펌프수문의 개폐를 제어하는 수문제어부와, 상기 데이터를 분석하여 펌프운전모드의 제어와 펌프제어부에서 펌프의 저수위 구동시에도 펌프를 스마트하게 구동하도록 펌프수문제어부를 구성한다. 따라서, 수문을 사전 대비 예방운전을 가능하게 하고, 펌프의 구동을 제어하여 펌프가 설치되는 유역의 침수를 방지케 하여 국민의 생명과 재산손실을 방지하는 안전과 경제적 효과를 제공한다.

2) 또한, 본 발명은, 비록 펌프일체형수문을 설치한 배수펌프장의 유수지와, 유수지가 주변 저지대 밀집지역의 도시화와 고도화로 부지확보가 어려워 설치공간이 좁을 경우에도, 강화(증가)되는 강우강도 설계기준을 만족시키면서, 유수지의 내수위(Hid)를 펌프의 기동과 정지 회수를 최적화하는 헌팅방지수단을 제공한다. 따라서, 불안정한 유수지 내수위의 급격한 변화를 방지하여 펌프의 잦은 기동과 정지로 전동기가 고장을 방지케 하여 안정적으로 배수펌프장의 운전이 가능하게 하고 침수로 인한 재난을 방지하는 안전과 경제적 효과를 제공한다.

3) 그리고, 본 발명은, 비록 펌프일체형수문을 설치한 배수펌프장의 유수지와, 유수지가 주변 저지대 밀집지역의 도시화와 고도화로 토지확보가 어려워 설치공간이 좁을 경우에도, 강화(증가)되는 강우강도 설계기준을 만족시키면서, 실시간 캐비테이션 발생을 예측하여 토출량(Q)과 양정(H)의 변동으로 캐비테이션이 발생할 경우 펌프의 토출량(Q)을 제어하도록 펌프제어부를 구성하여 펌프의 저수위 구동으로 발생하는 캐비테이션을 방지하는 수단을 제공한다. 따라서, 펌프의 캐비테이션을 방지함으로서 펌프의 가장 큰 고장 원인을 제거하고 안정적으로 배수펌프장의 운전이 가능하게 하고 침수로 인한 재난을 방지하는 안전과 경제적 효과를 제공한다.

4) 나아가, 배수펌프장이 그에 적합한 펌프의 토출량(Q)과 양정(H)이 결정되어 설치되어도, 현장에서 기상이변으로 단시간의 집중호우나 폭우로 유입되는 증가된 용량에 대처하도록 펌프의 변속(증속)제어로 토출량(Q)을 증가시키는 펌프수문제어부를 구성한다. 따라서, 일시적인 집중호우로 인한 수위 상승을 방지하는 운전이 가능하게 되며, 이에 따라 침수로 인한 재난을 방지하는 안전과 경제적 효과를 제공한다.

5) 그리고, 본 발명은, 국내외 원격지의 펌프일체형수문을 모니터링부에서 배수펌프장의 모니터링 및 제어운전이 가능하게 하고 침수로 인한 재난을 방지하는 안전과 경제적 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 측면도와 펌프수문제어부를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 제1실시 예를 나타내는 평면도 및 정면도
도 3은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 펌프수문제어부 제어 구성 블록도
도 4는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 펌프수문제어부의 제어흐름을 나타내는 블록도
도 5는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 펌프수문제어부의 제어 상세흐름을 나타내는 블록도
도 6은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 내외수위, 각 펌프의 기동 및 정지 위치를 나타내는 설명도
도 7은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 내수위 급상승제어를 나타내는 제어흐름도
도 8은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 헌팅제어를 나타내는 제어흐름도
도 9는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 캐비테이션제어를 나타내는 제어흐름도
도 10은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 집중호우시 도달 최고수위제어를 나타내는 제어흐름도

이와 같이 구성된 스마트 펌프일체형수문의 구성방법을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예들을 참조하면 명확해 질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 정의에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 측면도와 펌프수문제어부를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 제 1 실시 예를 나타내는 평면도 및 정면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 펌프수문제어부 제어 구성 블록도이다.

도 4는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 펌프수문제어부의 제어흐름을 나타내는 블록도이고, 도 5는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 펌프수문제어부의 제어 상세흐름을 나타내는 블록도이고, 도 6은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 제 1 실시 예의 내외수위, 각 펌프의 기동 및 정지 위치를 나타내는 설명도이며, 도 7은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 내수위 급상승제어를 나타내는 제어흐름도이다.

도 8은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 헌팅제어를 나타내는 제어흐름도이고, 도 9는 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 캐비테이션제어를 나타내는 제어흐름도이고, 도 10은 본 발명에 따른 스마트 펌프일체형수문의 집중호우시 도달 최고수위제어를 나타내는 제어흐름도이다.

본 발명의 스마트 펌프일체형수문은 도 1 내지 도 3에서 도시한 바와 같이, 수로(10)와 외수로(12) 사이를 구분하는 수문구조물(14)의 문틀(15) 사이에 설치되고, 도 1의 수문개폐장치(24)에 의하여 문틀(15)과의 개폐로 내수의 수위조절과 외수의 유입을 차단시키는 수문본체의 전후면을 관통하는 복수의 개구부(16)를 형성하며, 개구부(16)에 내수를 외수측으로 강제배수시키는 펌프(40)를 횡축(橫軸) 또는 입축(立軸)으로 플렌지 결합한다. 상기 펌프(40)의 외수측에는 외수의 내수측으로 역류를 차단하는 플랩밸브(22)를 결합하며 펌프수문(25)과 수문개폐장치(24)를 연결하는 스핀들(23)을 통하여 수문개폐장치(24)의 개폐동력을 전달하도록 구성한다. 상기 수문구조물(14)에는 강우계(30), 내수위계(31) 및 외수위계(32)를 배설하여 내외측 수위감지신호를 펌프수문제어부(100)로 보내고, 펌프수문제어부(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 수문개폐장치(24)와 펌프(40)를 유기적으로 제어시키도록 구성된다.

상기 펌프일체형수문(20)은 펌프수문(25), 펌프(40), 수문개폐장치(24), 플랩밸브(22)로 구성된다.

상기 펌프수문(25)은 내수의 수위조절과 외수의 내수측으로 유입을 차단하도록 형성된 수문본체가 문틀(15)을 따라 상하 승강하여 개폐하도록 얇은 판(板)요소로 구성된다. 이러한 수문본체는 펌프(40)에 비하여 강성(剛性, Rigidity, k)이나 질량(m)이 작고 펌프(40)의 진동수와 펌프의 하중을 집중하중으로 반영하여 계산한 수문본체의 저차(低次)(1차 내지 5차) 모드에서 고유진동수(ωn)와 수문본체에 일체화된 펌프(40)의 회전시 발생하는 펌프(40)의 주파수의 차이가 근접하면 공진이 발생한다. 따라서 이러한 공진(共振)이 발생하지 않도록 수문본체의 강성(强性)과 강성(剛性)을 갖도록 수문본체 부재를 선정 배치하는 것이 바람직하다.

상기 펌프(40)는 도 1 내지 2처럼, 토출부, 몸체부, 전동부로 이루어져 있으며 횡축으로 펌프수문(25)에 탑재하거나 미도시한 입축으로 탑재할 수도 있으며, 후술하는 펌프제어부(120)에서 펌프의 구동대수와 유량 또는 양정을 펌프회전수에 의하여 제어할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 수문개폐장치(24)는 전동부, 감속부, 자중강하부, 자동변환부, 수동구동부 및 이중스핀들부를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다. 특히 전동부는 후술하는 수문제어부(110)에서 펌프수문(25)의 개폐속도를 증속 또는 정상속도 2중으로 구동할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 펌프일체형수문(20)은 제 1 실시 예로 펌프수문(25, G1,G2,G3), 펌프(40, P1,P2,P3), 수문개폐장치(24, A1,A2,A3), 플랩밸브(22, F1,F2,F3)를 각 3조 구성하여 배치한 배수펌프장을 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이 배열하는 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 펌프수문(25) 1련에 펌프(40)는 1대 (이하 제 2 실시 예라 함) 또는 다수 설치할 수도 있고, 펌프수문(25)의 대수 또한 배출해야 할 펌프(40)의 토출량에 따라서 배설을 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 펌프수문제어부(100)는 도 3 내지 도 10에 도시한 바와 같이, PLC부(300), 제어판넬부(400), 인버터부(500)로 구성되어 있고, 이는 펌프수문(25)과 펌프(40)를 제어하는 수문제어부(110)와 펌프제어부(120)에 각각 연결되어 있다.

여기서, 펌프수문제어부(100)의 PLC부(300)는, PLC부(300)의 전원을 관리하고 펌프수문제어부(100)에 전원을 공급하는 전원부(310)와, 내외수위계(30, 31)의 정보 등을 검출하는 아날로그검출부(320)를 형성하고, 프로그램에 의하여 연산처리하는 연산처리부(330) 및 제어신호를 입출력하는 제어신호입출력부(340)를 구성한다.

제어판넬부(400)는, 현장에서 직접제어하거나 자동으로 운전을 선택하는 수동자동조작부(410)와, 시스템을 조작하는 시스템조작부(420)와, 각종 데이터를 표시하는 데이터표시부(430)를 구성한다. 인버터부(500)는, 수문개폐장치(24)의 변속을 동작시키는 수문개폐장치동작부(510)와, 펌프(40)를 하기 식3에 의하여 변속(감속 또는 증속)운전을 동작시키는 펌프동작부(520)와, 인버터를 제어하는 인버터제어부(530)를 구성한다. 이렇게 시스템을 분석 제어하는 정보는 모니터링부(700)를 통하여 원격지로 전송되고, 펌프수문1,2(610, 620)와 펌프1,2(630, 640)를 유기적으로 제어하며, 전원부(310)의 전원이 가용하지 않을 때 비상발전기(650)를 구동시키도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 수문제어부(110)는, 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 내외수위감지부(160, 165)에서 감지한 수위(Hod, Hid)와 수문폐쇄설정수위(Hgc)와 수문개방설정수위(Hgo)를 비교하여 내외수위 조건에 따라 수문의 폐쇄 (Hod > Hid or Hod > Hgc)와 개방(Hod < Hid or Hod < Hgo)을 결정하도록 구성한다.

또한, 상기 펌프제어부(120)는 펌프제어1부(121), 펌프제어2부(122) 및 펌프운전모드제어부(190)로 구성되며, 도 4 및 도 10에 도시한 바와 같이, 내외수위계(31,32)에서 감지한 수위(Hod, Hid)를 디지털신호로 내외수위감지부(160, 165)에서 전환한다. 유수지(13)의 LWL 하부 L1지점의 측정시작시각 T1과 L1의 상부 L2 지점의 측정종료시각 T2를 실시간으로 감지하여 내수위속도측정부(170)에서 내수위 측정상승속도(Vd)를 아래 수식(식1)에 의하여 연산하고 그 연산값(Vd)과 설정상승속도(Ve)와 비교하여 유입량예측부(180)로 보내도록 구성한다.

(식 1)

여기서, L2: 유수지 LWL 하부지점의 수위, m, L1: 유수지 LWL 하부지점 L2의 하부지점의 수위, m, T 2: L2에 도달하는 시각, T1: L1에 도달하는 시각.

한편, 유입량예측부(180)에서는 측정유입량(Qd)을 수식(식2)에 의하여 연산하고 그 연산값(Qd)과 설정유입량(Qe)과 비교하여 수위유입량 Data Logger(150)에서 실시간 데이터파일로 저장된다.

(식2)

여기서, A : 유수지(13)의 면적(B x L), m²

그리고, 강우량감지부(140)의 디지털 강우량 정보는 수위유입량 Data Logger(150)로 전송되어 유수지(13)의 수위유입량 판정의 데이터로 저장되도록 구성된다.

설정유입량(Qe)은 상기 수식(식2)에서 같이 유수지(13) 면적(A)은 동일하고 수위 상승속도는 설계시의 예상 상승속도로 설정하면 설정유입량(Qe)을 추정할 수 있다.

따라서, 수문제어부(110)는 내외수위감지부(160, 165)와 수위유입량 Data Logger(150)의 데이터를 분석하여 상기 내수위 측정상승속도(Vd)가 설정상승속도(Ve)가 빠른 상승속도정보를 접수하면 수문제어부(110)는 펌프수문제어부(100)에 수문개폐장치(24)의 폐쇄속도를 빠른 속도로 사전 대응운전을 실시하도록 지시하고, 보통 상승속도정보를 접수하면 수문제어부(110)는 펌프수문제어부(100)에 수문개폐장치(24)의 폐쇄속도를 평상시로 구동하도록 2중으로 대응하도록 구성한다.

나아가, 펌프제어부(120)의 펌프운전모드제어부(190)는 수위유입량 Data Logger(150)의 수위 및 유량정보와 수문제어부(110)의 수문폐쇄정보를 수집하여 펌프(40)의 운전모드를 판별하여 펌프의 구동대수(N=1,2,3...n)를 제어하는 펌프제어1부(121)와 펌프의 유량(Q), 회전수(R), 양정(H)의 관계를 아래 수식(식3)과 같이 공지의 상사법칙(相似法則)을 이용하여 상승 또는 저감시키도록 조절하는 펌프제어2부(122)를 구성하여 펌프수문제어부(100)에서 유기적으로 펌프(40)를 제어하도록 구성된다.

- (식3)

여기서, Q2, Q1은 펌프의 토출량 m³/min, R2, R1은 펌프의 회전수 rpm, H2, H1은 양정, m이고, 첨자 1은 어떤 측정상태에서 유량(Q1), 회전수(R1), 양정(H1)을 나타내고 첨자 2는 제어하고자 하는 상태의 유량(Q2), 회전수(R2), 양정(H2)이다.

따라서, 유량(Q)을 증가시키거나 저감시키기 위해서는 펌프의 회전수(R)나 양정(H)을 조절하면 되고, 양정(H)을 조절하기 위해서는 유량(Q)이나 회전수(R)를 조절하면 된다.

여기서, 펌프운전모드제어부(190)는 선행조건이 측정외수위(Hod)가 측정내수 위(Hid)보다 높거나 수문폐쇄수위(Hgc) 이상으로 이미 펌프수문(25)은 수문제어부(110)에서 폐쇄시킨 상태를 유지하고 있다.

이와 같이 구성된 스마트 펌프일체형수문의 구동방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 1, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 펌프 1대 설치의 제 2 실시 예의 경우, 펌프일체형수문(20)을 펌프수문제어부(100)에서 유기적으로 제어하도록 설정값을 초기화하는 초기화 단계(S1)를 거친다. 그리고, 유수지(13)의 펌프정지수위 LWL 이하에서 발생하는 수위정보를 입수하여 내수위가 급상승하는 경우 사전 대응운전을 위하여 아날로그검출부(320)에서 유수지(13)의 L1, L2의 수위를 감지하고, 내수위감지부(160)에서 L1, L2, T1, T2를 디지털 신호로 감지한 단계(S10)를 거친다. 그리고, 내수위속도측정부(170)에서 내수위 측정상승속도(Vd)를 측정하는 단계(S20)와, 유수지(13)의 유입량을 유입량측정부(180)에서 측정유입량(Qd)을 측정하는 유입량측정단계(S30)의 정보와, 강우량감지부(140)에서 감지한 강우량을 반영한 유수지(13)의 수위 및 유입량 정보를 수위유입량 Data Logger(150)에 저장하는 단계(S50)를 거친후, 종합적인 수위 및 유입량의 정보를 PLC부(300)의 연산처리부(330)에서 연산하여 유수지(13) 내수위의 급상승여부를 판단하여 급상승이라고 판단되면 수문제어부(110)의 수문폐쇄속도를 폐쇄상승속도에 비례하여 수문개폐장치동작부(510)를 작동시키는 단계(S60)에서 폐쇄시킨다.

이에 비하여, 도 2 및 도 6에 도시한 바와 같이, 펌프 3대 설치의 제 1 실시 예의 경우, 측정내수위(Hid)가 PSL3 이상이므로 내수위감지부(160)에서 감지한 수위 L1, L2, 상부에 있으므로 펌프수문(25, G1)은 상기 제 2 실시 예와 같이 이미 내수위상승속도를 확인하여 펌프수문(25, G1)이 폐쇄된 상태이므로 나머지 펌프수문(25, G2, G3)은 그러한 과정을 생략하고 폐쇄된 상태에 있다.

다음, 도 1, 도 6 및 도 8에 도시한 바와 같이, 펌프 1대 설치의 제 2 실시 예의 경우, 유수지(13) 내의 펌프일체형수문(20)을 펌프수문제어부(100)에서 유수지(13)의 유입량을 유입량측정부(180)에서 측정유입량(Qd)을 측정하는 유입량측정 단계(S30)의 정보와 강우량감지부(140)에서 감지한 강우량을 반영한 유수지(13)의 수위 및 유입량 정보를 수위유입량 Data Logger(150)에 저장하는 단계(S50)에서 종합적인 수위 및 유입량의 정보를 PLC부(300)의 연산처리부(330)에서 연산하여 유수지(13) 측정내수위(Hid)가 Hi1 및 Hi2의 수위범위에서 헌팅발생수위(Hhd)를 판단하여 헌팅발생수위(Hhd)라고 판단되면 상기 수식(식3)에 따라 유량(Q), 회전수(R), 양정(H)의 관계(S70)에서 펌프제어2부(122)를 변속 제어시키도록 요구하는 단계(S80)의 제어신호에 따라 펌프(40)의 회전수(R)를 인버터부(500)의 펌프동작부(520)에서 변속시킨다. 이렇게 펌프의 회전수(R)를 감속시켜서 양정(H) 변화를 감소시키게 된다. 펌프 구동시 유수지(13)의 거동이 펌프(40)가 구동하면 일시에 많은 양의 내수가 펌프(40)를 통하여 토출될 때 유수지(13)의 수위는 불규칙적으로 급격하게 하강하게 된다. 이러한 상태의 내수위를 감지하는 수위계(31)는 내수위가 펌프정지수위(LWL1) 이하로 급격히 하강하는 것을 감지하여 펌프(40, P1)를 정지시키게 되고, 이렇게 펌프(40, P1)가 정지되면 곧 이어서 불안정한 유수지(13)의 내수위는 급격하게 상승하게 되어 펌프구동수위(PSL)를 감지함으로 펌프(40, P1)는 다시 구동하게 되는 등 내수위가 급등락하는 헌팅(hunting) 현상을 펌프(40, P1)의 회전수(R)를 감속시켜서 유량(Q)과 양정(H) 변화를 유도하여 내수위의 불규칙적인 거동을 방지할 수 있게 된다.

이에 비하여, 도 2, 도 6 및 도 8에 도시한 바와 같이, 펌프 3대 설치의 제 1 실시 예의 경우, 측정내수위(Hid)가 PSL3 이상이므로 헌팅발생수위 구간인 Hi1과 Hi2 범위 상부에 있으므로 모든 펌프(40, P1, P2, P3)는 전부하(Full Load)로 구동하여도 헌팅은 발생하지 않는다.

나아가, 도 1, 도 6 및 도 8에 도시한 바와 같이, 펌프 1대 설치의 제 2 실시 예의 경우, 유수지(13) 내의 펌프일체형수문(20)을 펌프수문제어부(100)에서 유수지(13)의 유입량을 유입량예측부(180)에서 측정유입량(Qd)을 측정하는 유입량측정단계(S30)의 정보와 강우량감지부(140)에서 감지한 강우량을 반영한 유수지(13)의 수위 및 유입량 정보를 수위유입량 Data Logger(150)에 저장하는 단계(S50)를 갖는다. 이 단계(150)에서, 종합적인 수위 및 유입량의 정보를 PLC부(300)의 연산처리부(330)에서 연산한다. 그리고, 유수지(13) 측정내수위(Hid)가 도 6에 도시한 Hi1 및 Hi2의 수위범위에서 캐비테이션발생수위(Hcd)를 판단하여 캐비테이션발생수위(Hcd)라고 판단되면 상기 수식(식3)에 따라 유량(Q), 회전수(R), 양정(H)의 관계(S70)에서 펌프제어2부(122)를 변속 제어시키도록 요구하는 단계(S80)의 제어신호에 따라 펌프(40, P1)의 회전수(R)를 인버터부(500)의 펌프동작부(520)에서 변속시킨다.

이렇게 펌프(40, P1)의 회전수(R)를 감속시켜서 유량(Q)과 양정(H) 변화를 감소시킴으로서 저수위 영역(Hi1 & Hi2)에서 펌프(40, P1)의 구동수위(PSL1)와 정지수위(LWL1)를 안정되게 유지할 수 있도록 하여 펌프(40, P1)가 캐비테이션이 발생하는 저수위(Hcd)에서 안정적인 구동을 할 수 있게 된다.

이에 비하여, 도 2, 도 6 및 도 8에 도시한 바와 같이, 펌프 3대 설치의 제 1 실시 예의 경우, 측정내수위(Hid)가 PSL3이므로 캐비테이션 발생수위 구간인 Hi1과 Hi2 범위 상부에 있으므로 모든 펌프(40, P1, P2, P3)는 전부하(Full Load)로 구동하여도 캐비테이션은 발생하지 않게 된다.

아울러, 도 5 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 펌프 1대 설치의 제 2 실시 예의 경우와 펌프 3대 설치의 제 2 실시 예 공히 헌팅이나 캐비테이션은 측정내수위(Hid)가 Hi1 & Hi2 이하에서만 발생한다. 그리고 PSL2 이상에서는 제 1 실시 예에 해당되는데, 이 경우에는 모든 펌프(40, P1, P2, P3)를 전부하(Full Load)로 구동시킨다.

그리고, 도 2, 도 6 및 도 10에 도시한 바와 같이, 펌프가 1대 설치된 제 2실시 예 또는 펌프 3대 설치의 제 1 실시 예의 경우, 측정내수위(Hid)가 Hi3 구간에 있으면 모든 펌프(40, P1, P2, P3)는 전부하(Full Load)로 구동하게 된다. 만약 측정내수위(Hid)가 HiL에 도달할 경우 상기 수식(식3)에 따라 유량(Q), 회전수(R), 양정(H)의 관계(S70)에서 펌프제어2부(122)를 변속제어시키도록 요구하는 단계(S80)의 제어신호에 따라 펌프(40, P1, P2, P3)의 회전수(R)를 인버터부(500)의 펌프동작부(520)에서 변속(증속)시켜서 집중호우로 증가된 유량(Q)을 토출시킬 수 있게 된다.

10 : 내수로 12 : 외수로
13 : 유수지 14 : 수문구조물
15 : 문틀 16 : 개구부
20 : 펌프일체형수문
22 : 플랩밸브 23 : 스핀들
24 : 수문개폐장치 25 : 펌프수문
30 : 강우계 31 : 내수위계
32 : 외수위계 40 : 펌프
100 : 펌프수문제어부 110 : 수문제어부
120 : 펌프제어부 122 : 펌프제어1부
123 : 펌프제어2부 140 : 강우량감지부
150 : 수위유입량 Data Logger 160 : 내수위감지부
165 : 외수위감지부 170 : 내수위속도측정부
180 : 유입량예측부 190 : 펌프운전모드제어부
200 : 헌팅제어부 210 : 캐비테이션제어부
300 : PLC부 310 : 전원부
320 : 아날로그검출부 330 : 연산처리부
340 : 제어신호입출력부 400 : 제어판넬부
410 : 수동자동조작부 420 : 시스템조작부
430 : 데이터표시부 500 : 인버터부
510 : 수문개폐장치동작부 520 : 펌프동작부
530 : 인버터제어부 600 : 하드웨어시스템부
610 : 펌프수문1 620 : 펌프수문2
630 : 펌프1 640 : 펌프2
650 : 비상발전기 700 : 모니터링부
Hod : 측정외수위 Hid : 측정내수위
HiL : 내측최고수위 Hgc : 수문폐쇄설정수위
Hgo : 수문개방설정수위 Hi1 : 구간(PSL1-LWL1)
Hi2 : 구간(PSL1-PSL2) Hi3 : 구간(PSL2-PSL3)
LWL : 펌프정지수위 LWL1 : P1펌프정지수위
LWL2 : P2펌프정지수위 LWL3 : P3펌프정지수위
PSL : 펌프기동수위 PSL1 : P1펌프기동수위
PSL2 : P2펌프기동수위 PSL3 : P3펌프기동수위
L1 : 유수지 L1지점의 수위 L2 : 유수지 L2지점의 수위
T1 : L1 수위측정시간 T2 : L1 수위측정시간

Claims (9)

1. 수로(10)에 설치되어서 수로(10)를 개방하여 내수를 외수측으로 자연유하시키고 폐쇄하여 외수의 역류를 차단하는 펌프수문(25)과, 펌프수문(25)에 일체로 결합되어서 내수를 외수측으로 강제배수시키는 펌프(40)로 이루어진 펌프일체형수문(20)에 있어서,
   수위급상승시 펌프수문(25)을 사전 대응운전이 가능하게 하고, 헌팅과 캐비테이션으로 인한 불안정 운전과 고장을 방지하며, 최고수위에 도달하는 호우시에도 구동을 구현하도록 펌프수문제어부(100)가 구비되고;
   펌프수문제어부(100)는,
   상기 펌프일체형수문(20)이 배치되는 배수펌프장에 설치되어 강우량을 감지하는 강우량감지부(140)와,
   상기 배수펌프장에 설치되어서 상기 배수펌프장의 흡입 및 토출수로와 펌프 수문(25)의 내외측 수위에 대한 데이터를 수집하는 내외수위감지부(160, 165)와,
   내외수위감지부(160, 165)에 연결되어서 내외수위감지부(160, 165)로부터 전달된 데이터를 분석하여 펌프수문(25)의 개폐시기와 개폐속도를 제어하는 수문제어부(110)와,
   내수위감지부(160) 및 강우량감지부(140)에 연결되어서 내수위감지부(160) 및 강우량감지부(140)에서 수집한 수위 및 유입량 데이터를 저장하는 수위유입량 Data Logger(150)와,
   상기 수위유입량 Data Logger(150)와 수문제어부(110)에 연결되어서 수위유입량 Data Logger(150)의 수위 및 유입량 정보와 수문제어부(110)의 수문 폐쇄 정보를 수집하여 펌프(40)의 운전모드를 판별하여 펌프(40)의 구동대수를 제어하는 펌프제어1부(121) 및 유수지(13) 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프(40)의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부(122)로 이루어진 펌프운전모드제어부(190)와,
   상기 펌프(40)의 저수위 구동에 따른 유수지(13)의 급격한 수위 변동으로 발생하는 헌팅(hunting)을 펌프제어2부(122)의 유기적 변속제어로 방지하는 헌팅제어부(200)와,
   상기 펌프(40)의 저수위 구동에 따른 유수지(13)의 급격한 수위 저하로 발생하는 캐비테이션(cavitation)을 펌프제어2부(122)의 유기적 변속제어로 방지하는 캐비테이션제어부(210)와,
   전원부(310)에서 전원을 공급하고 아날로그신호를 검출하여 연산처리하며 제어신호가 입출력되는 PLC부(300)와, PLC부(300)에 연결되고 수동자동 및 시스템을 조작하며 연산된 데이터가 표시되는 제어판넬부(400)와, 제어판넬부(400)에 연결되고 수문개폐장치(24) 및 펌프(40)를 동작시키며 인버터를 제어하는 인버터부(500)와, 인버터부(500)에 연결되는 하드웨어시스템부(600)와, 제어판넬부(400)에 연결되어 원격지에서 펌프일체형수문(20)의 제어상태를 모니터링 또는 제어하는 모니터링부(700)를 포함하고;
   인버터부(500)는, 수문개폐장치(24)를 변속운전하는 수문개폐장치동작부(510)와, 펌프(40)를 변속운전하는 펌프동작부(520)와, 인버터를 제어시키는 인버터제어부(530)를 포함하며;
   상기 내외수위감지부(160, 165) 및 수위유입량 Data Logger(150)의 데이터를 분석하여 수문제어부(110), 펌프운전모드제어부(190), 펌프제어부(120)를 제어하도록 구성되고;
   수문제어부(110)는 사각판형 수문본체에 펌프를 일체화하여 수문본체를 폐쇄한 상태에서 내수위가 설정수위에 도달하면 수문의 개폐와 펌프의 구동과 정지를 자동으로 구동하도록 유기적으로 제어되며;
   인버터부(500), 인버터제어부(530), 펌프동작부(520)를 통하여 펌프의 회전수를 변속시키고;
   유수지(13) 측정내수위(Hid)가 캐비테이션 발생 수위 구간(Hi1 및 Hi2)의 수위범위에서 캐비테이션발생수위(Hcd)를 판단하여 캐비테이션발생수위(Hcd)라고 판단되면 하기 수식에 따라 유량(Q), 회전수(R), 양정(H)의 관계에서 펌프제어2부(122)를 변속 제어시키는 제어신호에 따라 펌프(40, P1)의 회전수(R)를 인버터부(500)의 펌프동작부(520)에서 변속시키는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문.
   수식 :

   

   
   Q2, Q1은 펌프의 토출량 m³/min,
   R2, R1은 펌프의 회전수 rpm,
   H2, H1은 양정, m
   
2. 청구항 1에 있어서, 펌프수문제어부(100)는,
   전원부(310)에서 전원을 공급하고 아날로그신호를 검출하여 연산처리하며 제어신호가 입출력되는 PLC부(300)와, PLC부(300)에 연결되고 수동자동 및 시스템을 조작하며 연산된 데이터가 표시되는 제어판넬부(400)와, 제어판넬부(400)에 연결되고 수문개폐장치(24) 및 펌프(40)를 동작시키며 인버터를 제어하는 인버터부(500)와, 인버터부(500)에 연결되는 하드웨어시스템부(600)와, 제어판넬부(400)에 연결되어 원격지에서 펌프일체형수문(20)의 제어상태를 모니터링 또는 제어하는 모니터링부(700)를 포함하여서 이루어지며;
   PLC부(300)는, 제어전원을 관리하는 전원부(310)와, 수위정보, 온도, 강우량 등을 감지하는 아날로그검출부(320)와, PLC부(300)의 각종 연산을 프로그램에 따라 수행하는 연산처리부(330)와, 제어신호를 입출력(I/O)을 처리하는 제어신호입출력부 (340)를 포함하고;
   제어판넬부(400)는, 제어판넬의 수동자동 조작을 선택할 수 있는 수동자동조작부(410)와, 자동으로 선택되었을 경우 시스템의 자동운전모드로 전환하는 시스템조작부(420)와, 제어결과를 표시하는 데이터표시부(430)를 포함하며;
   인버터부(500)는, 수문개폐장치(24)를 변속운전하는 수문개폐장치동작부(510)와, 펌프(40)를 변속운전하는 펌프동작부(520)와, 인버터를 제어시키는 인버터제어부(530)를 포함하고;
   하드웨어시스템부(600)는, 펌프수문1(610), 펌프수문2(620), 펌프1(630), 펌프2(640), 정전시 비상전원을 공급하는 비상발전기(650)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문.
   
3. 청구항 1에 있어서, 펌프수문제어부(100)는,
   상기 강우량감지부(140) 및 배수펌프장의 흡입 및 토출수로와 펌프수문(25)의 내외측 수위에 대한 데이터를 수집하는 수위감지부(160, 165)에서 유수지(13)의 펌프정지수위(LWL)보다 하부 구간(Hi0) 상하 두 지점의 수위(L1, L2)를 연속적으로 측정하여, 그 두 지점 사이를 도달하는 측정상승속도(Vd)를 구하고 설정상승속도(Ve)와 비교하여 측정상승속도(Vd)가 설정상승속도(Ve)보다 빠르면 수문제어부(110)에서 사전 대응운전으로 펌프수문(25)을 신속 폐쇄시키도록 지시하며, 펌프(40)의 구동시작수위(PSL)를 상승속도비율 만큼 낮은 수위에서 구동되도록 제어수단을 구성하여서, 폭우로 인하여 유수지(13)의 수위가 급상승하는 것에 사전 대응하여 내수위급상승제어를 구현하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문.
   
4. 청구항 1에 있어서, 헌팅제어부(200)는,
   상기 수위유입량 Data Logger(150)의 데이터를 분석하여 펌프구동수위 (PSL)와 펌프정지수위(LWL) 사이 구간(Hi1)에서는 측정내수위(Hid)가 헌팅발생수위(Hhd) 보다 낮을 경우, 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프(40)의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부(122)에서 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 유기적으로 제어함으로서, 펌프(40) 구동시 유수지(13) 내수위의 급변동으로 발생하는 헌팅을 방지하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문.
   
5. 청구항 1에 있어서, 캐비테이션제어부(210)는,
   상기 수위유입량 Data Logger(150)의 데이터를 분석하여 펌프구동수위 (PSL)와 펌프정지수위(LWL) 사이 구간(Hi1)에서는 측정내수위(Hid)가 캐비테이션 발생수위(Hcd) 보다 낮을 경우, 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프(40)의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부(122)에서 유기적인 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어함으로서 펌프(40) 구동시 유수지(13) 내 저수위 구동으로 발생하는 캐비테이션을 방지하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문.
   
6. 청구항 1의 스마트 펌프일체형수문을 구동하는 방법으로서,
   펌프수문제어부(100)를 초기화하는 단계(S1)와,
   유수지(13)의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부(160)에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와,
   내수위감지부(160)에서 감지한 정보와 내수위속도측정부(170)에서 감지한 정보로 내수위 상승속도를 연산하는 단계(S20)와,
   유수지(13)에 유입되는 유입량을 유입량예측부(180)에서 예측하는 단계(S30) 와,
   강우량감지부(140)에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부(180)에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger(150)에서 데이터화 하는 단계(S50)와,
   유수지(13)의 L1, L2수위 측정상승속도(Vd)를 설정상승속도(Ve)와 비교하여 측정상승속도(Vd)가 빠를 경우 수문제어부(110)의 펌프수문(25) 폐쇄 시작지점을 급변경하고, 속도를 급제어하는 단계(S60)를 포함하며;
   내수위 급상에 사전 대응하다 내수위 급상승제어 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문의 구동방법.
   
7. 청구항 1의 스마트 펌프일체형수문을 구동하는 방법으로서,
   펌프수문제어부(100)를 초기화하는 단계(S1)와,
   유수지(13)의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부(160)에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와,
   유수지(13)에 유입되는 유입량을 유입량예측부(180)에서 예측하는 단계(S30) 와,
   강우량감지부(140)에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부(180)에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger(150)에서 데이터화 하는 단계(S50)와,
   유수지(13)의 측정수위(Hid)가 헌팅발생수위(Hhd)보다 낮을 경우 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프(40)의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부(122)에서 유기적인 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어하는 단계(S70)와,
   상기 펌프(40)를 펌프제어2부(122)에서 인버터부(500)의 펌프동작부(520)의 감속으로 구동시키는 단계(S80)를 포함하며;
   유수지(13) 내 수위의 급변동으로 발생하는 헌팅방지 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문의 구동방법.
   
8. 청구항 1의 스마트 펌프일체형수문을 구동하는 방법으로서,
   펌프수문제어부(100)를 초기화하는 단계(S1)와,
   유수지(13)의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부(160)에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와,
   유수지(13)에 유입되는 유입량을 유입량예측부(180)에서 예측하는 단계(S30) 와,
   강우량감지부(140)에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부(180)에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger(150)에서 데이터화 하는 단계(S50)와,
   유수지(13)의 측정내수위(Hid)가 캐비테이션발생수위(Hcd)보다 낮을 경우 내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프(40)의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동제어하는 펌프제어2부(122)에서 유기적인 변속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어하는 단계(S70)와,
   상기 펌프(40)를 펌프제어2부(122)에서 인버터부(500)의 펌프동작부(520)의 감속으로 구동시키는 단계(S80)를 포함하며;
   유수지(13) 내 저수위 상태에서 펌프(40)의 구동으로 발생하는 캐비테이션을 방지하는 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문의 구동방법.
   
9. 청구항 1의 스마트 펌프일체형수문을 구동하는 방법으로서,
   펌프수문제어부(100)를 초기화하는 단계(S1)와,
   유수지(13)의 펌프정지수위(LWL) 하부 2개소(L1, L2) 수위와 측정시각(T1, T2)을 측정하는 내수위감지부(160)에서 내수위를 감지하는 단계(S10)와,
   유수지(13)에 유입되는 유입량을 유입량예측부(180)에서 예측하는 단계(S30) 와,
   강우량감감지부(140)에서 감지한 강우량 정보와 상기 유입량예측부(180)에서 감지한 정보를 실시간으로 저장하는 수위유입량 Data Logger(150)에서 데이터화 하는 단계(S50)와,
   유수지(13) 내 수위가 펌프구동수위(PSL2) 이상 구간(Hi3)에서 배치된 전체 펌프(40)가 구동하도록 펌프운전모드제어부(190)에서 제어하는 단계(S90)와,
   유수지(13) 내 수위가 최고수위(HiL)에 도달하는 것이 감지하는 단계(S100) 와,
   내수의 유량(Q)과 양정(H)을 펌프(40)의 회전수(R)를 변속제어시켜서 연동 제어하는 펌프제어2부(122)에서 유기적인 증속제어로 유량(Q)과 양정(H)을 제어하는 단계(S70)와,
   상기 펌프(40)를 펌프제어2부(122)에서 인버터부(500)의 펌프동작부(520)의 증속으로 구동시키는 단계(S80)를 포함하며;
   유수지(13) 내 고수위 상태에서 전체 펌프(40)의 용량을 증가시켜서 침수를 방지하는 구동을 가능하게 구성하는 것을 특징으로 하는 스마트 펌프일체형수문의 구동방법.

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