KR101907427B1 - 소규모 가압장 현장 다중화시스템 - Google Patents

Abstract

중앙 통제실과 소규모 가압장 간을 이더넷(Ethernet) 기반의 통신으로 변경하고, 메모리 모듈을 이용한 데이터 백업을 구현하여 통신 이상 발생 시에도 현장 데이터의 유실을 방지하고, 수동운전과 자동운전 절체시에도 모터 정지 없이 연속적인 운전이 가능하도록 한 소규모 가압장 현장 다중화시스템에 관한 것으로서, 상수도 관망 전체를 제어하는 중앙 통제실과 접속하여 데이터를 송수신하고 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지하는 소규모 가압장을 포함하고, 상기 소규모 가압장은 상기 중앙 통제실과 이더넷 통신으로 연결되어 데이터 통신을 수행하고, 현장에서 수집한 데이터를 백업하여 저장하며, 자동 제어 및 수동 제어를 연동하여 다중화 방식으로 펌프를 제어하여 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지해주는 다중 제어기를 구비한다.

Description

소규모 가압장 현장 다중화시스템{Field multiplexing system of small pump station}

본 발명은 소규모 가압장 현장 다중화시스템에 관한 것으로, 특히 중앙 통제실과 소규모 가압장 간을 이더넷(Ethernet) 기반의 통신으로 변경하고, 메모리 모듈을 이용한 데이터 백업을 구현하여 통신 이상 발생 시에도 현장 데이터의 유실을 방지하고, 수동운전과 자동운전 절체시에도 모터 정지 없이 연속적인 운전이 가능하도록 한 소규모 가압장 현장 다중화시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 평지와의 표고차가 심한 고지대와 구릉지로 된 지역에서는 정수장에서 공급되는 송수압으로는 급수가 불가능하여, 가압을 통한 급수를 위하여 많은 개소의 가압장을 운영하고 있다.

도 1은 일반적인 상수도 계통도로서, 취수장(2)으로부터 수용가(7)까지 상수가 전달되는 계통을 살펴보면, 취수장(2) -> 정수장(3) -> 가압장(4) -> 배수지(5) -> 소규모 가압장(6) -> 수용가(7)와 같은 과정을 통해, 수용가(7)에 상수가 공급된다. 상기에서 고지대나 구릉지가 아닌 지역은 소규모 가압장(6)을 통과하지 않고, 배수지(5)에서 바로 수용가(7)가 연결된다.

여기서 수용가(7)를 제외한 취수장(2), 정수장(3), 가압장(4), 배수지(5) 및 소규모 가압장(6)은 상수 관망 전체를 통제하는 중앙 통제실(1)과 통신으로 연결되어, 현장 데이터를 상기 중앙 통제실(1)에 전송하고, 상기 중앙 통제실(1)의 관망 제어에 따라 상수 처리 동작을 한다.

상기 중앙 통제실(1)은 각각의 상수 시설로부터 전송되는 데이터를 저장하고, 이를 분석하여 상수 시설의 현황을 감시하고, 통신을 통해 해당 상수 시설을 원격 제어한다.

여기서 소규모 가압장(6)은 수용가(7)에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지시켜주는 작용을 하며, 라인 가압장이라고 부르기도 한다.

도 2는 상기 중앙 통제실(1)과 소규모 가압장(6) 간의 상수 관망 제어를 위한 제어 구성도로서, 중앙 통제실(1)과 소규모 가압장(6) 간에는 유선의 통신 라인(8)으로 연결된다.

소규모 가압장(6)은 모뎀을 이용하여 상기 중앙 통제실(1)과 직렬 통신 방식으로 데이터 통신을 한다.

이러한 소규모 가압장(6)은 수용가(7)에 공급되는 상수의 압력이 일정하게 유지되도록 제어하는 PLC와 PID 컨트롤러(12)로 이루어진 자동 제어반(11), 사용자의 수동 조작에 따라 가변 저항을 이용하여 상기 상수의 압력을 제어하는 수동 조작반(12), 상기 자동 제어반(11) 및 수동 조작반(12)의 제어에 따라 펌프를 구동시키는 제1 및 제2 모터(15)(16)를 구동시켜 수용가에 공급되는 상수의 압력을 조절하는 제1 및 제2인버터(13)(14)를 포함하여 구성된다.

여기서 제1 및 제2 모터(15)(16)와 제1 및 제2 인버터(13)(14)는 시스템 안정화를 위해 이중화로 구현한 것이다.

이와 같이 구성되는 일반적인 소규모 가압장(6)은 현장 데이터를 수집하여 모뎀을 통해 상기 중앙 통제실(1)로 전송하게 된다. 아울러 소규모 가압장(6)은 수동운전과 자동운전을 절체할 경우, 일시적으로 모터(15)(16)를 정지시키고, 절체가 완료되면 모터를 다시 기동시키는 방식으로 모터를 제어한다.

아울러 PLC를 업그레이드하거나 PLC 고장으로 다른 제품으로 교체한 경우, PLC와 PC를 연결하여 프로그램을 상기 PLC에 다운로드 하는 방식으로 업그레이드 또는 프로그램 설치를 수행하게 된다.

한편, 상수도 관망 제어를 위한 종래의 상수 제어 시스템이 하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 4> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 현장에서만 확인 가능한 가압급수설비의 상태감시 데이터를 효율적으로 연계 및 활용하기 위하여, 가압 급수장에는 유, 무선 정보전송 제어부를 구비하고, 이 장치를 통하여 연계된 데이터를 저장, 관리, 분석하기 위하여 급수운영 관리용 서버, 가압급수설비를 원격에서 실시간으로 감시할 수 있도록 하기 위하여 휴대용 개인정보 통신단말기(PDA)를 구비한다.

이러한 구성을 통해, 가압장 내에서만 확인 가능한 가압급수 설비의 운영상태를 PDA를 이용하여 가압 급수장 이외의 원격지에서도 실제 현장과 같이 상태 파악과 점검을 가능하게 하여 급수운영 분석 알고리즘을 기반으로 효율적인 가압 급수량 조절과 가압장 관리를 할 수 있게 된다.

또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 급수를 위한 출수관의 설정 압력, 상한 압력, 하한 압력, 및 압력 변환상수를 저장하고, 출수관에 연결된 압력센서가 정상적으로 동작하지 않으면 가압장 내의 펌프의 전류, 전압 및 전력 중 어느 하나를 측정하고, 측정된 펌프의 전류, 전압, 및 전력 중 어느 하나와 상기 압력 변환상수를 이용하여 출수관의 현재 압력을 산출한다. 아울러 상기 현재 압력 및 상기 저장된 설정 압력을 비교 판단하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어를 수행하며, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 크거나 같은 경우, 상기 펌프의 구동을 정지하고, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력보다 작은 경우, 상기 현재 압력이 상기 저장된 설정 압력과 동일해지도록 PID 제어 및 인버터 제어를 하여, 가압 급수를 제어한다.

또한, <특허문헌 3> 에 개시된 종래기술은 최적화 연산을 위한 수리해석 데이터, 최적화 설정 파라미터 및 이력 데이터를 이용하여 생산한 수요량 데이터를 기반으로 수리해석 및 최적화 통합 시뮬레이션을 수행하여, 최적의 펌프운전 스케줄 및 수리해석 결과를 도출한다.

또한, <특허문헌 4> 에 개시된 종래기술은 상수도 사업장의 유출유량의 공급 및 수요 정보를 비교적 정확하게 예측하고, 24시간 최적운영을 위한 운영관리 일정을 산출함으로써, 이를 통해서 상수도 사업장을 실시간 제어하여 최대 용수 공급 및 최소 에너지 비용으로 운영할 수 있도록 한다.

대한민국 등록특허 10-0663718호(2006.12.26. 등록)(가압 급수 운영 시스템) 대한민국 등록특허 10-1314833호(2013.09.27. 등록)(가압 급수 제어방법 및 이의 제어 장치 및 제어 시스템) 대한민국 공개특허 10-2016-0043845호(2016.04.22. 공개)(상수관망 수운영 시스템 및 운영방법) 대한민국 공개특허 10-2016-0080101호(2016.07.07. 공개)(상수도 운영관리 제어 시스템 및 그 제어방법)

그러나 상기와 같은 일반적인 소규모 가압장 및 종래기술은 중앙 통제실과 소규모 가압장 간의 통신 이상 발생시 현장 데이터 수집이 불가능하며, 수동운전과 자동운전을 절체할 경우 일시적으로 모터를 정지하므로, 연속 운전을 구현할 수 없는 단점이 있다.

또한, 일반적인 소규모 가압장 및 종래기술은 제어측 전원이 차단되거나 불규칙할 경우 데이터 손실이 발생하거나 가압장 시스템이 정지되는 단점이 있고, PLC나 PID 모듈의 문제 발생 시 모터가 정지되어, 상수를 수용가에 공급할 수 없는 단점이 있다.

또한, 일반적인 소규모 가압장 및 종래기술은 PLC 고장으로 제품을 교체하면, 반드시 PC를 PLC와 연결하여 프로그램을 다운로드해야 하는 불편함이 있으며, 제어용 필수 데이터(예를 들어, PID 데이터) 보관이 어렵다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 중앙 통제실과 소규모 가압장 간을 이더넷(Ethernet) 기반의 통신으로 변경하고, 메모리 모듈을 이용한 데이터 백업을 구현하여 통신 이상 발생 시에도 현장 데이터의 유실을 방지하고, 수동운전과 자동운전 절체시에도 모터 정지 없이 연속적인 운전이 가능하도록 한 소규모 가압장 현장 다중화시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 제어기로 입력되는 전원의 안정화를 도모하고, 펌프 제어를 다중화하여 하나의 제어기에 문제가 발생하여도 모터 정지 없이 연속 운전을 도모할 수 있도록 한 소규모 가압장 현장 다중화시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 PLC 교체시에도 PC 연결 없이 프로그램 다운로드가 가능하고, 중요 데이터는 PLC에서 백-업 할 수 있도록 한 소규모 가압장 현장 다중화시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소규모 가압장 현장 다중화시스템은 상수도 관망 전체를 제어하는 중앙 통제실과 접속하여 데이터를 송수신하고 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지하는 소규모 가압장을 포함하고,

상기 소규모 가압장은 상기 중앙 통제실과 이더넷 통신으로 연결되어 데이터 통신을 수행하고, 현장에서 수집한 데이터를 백업하여 저장하며, 자동 제어 및 수동 제어를 연동하여 다중화 방식으로 펌프를 제어하여 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지해주는 다중 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다중 제어기는 상기 중앙 통제실과 이더넷 통신으로 데이터를 인터페이스 하기 위한 이더넷 통신 모듈과 현장에서 수집한 데이터를 메모리 모듈을 통해 백업하는 PLC; 사용자의 수동 조작에 따른 펌프 제어 신호를 발생하는 수동 조작반; 상기 PLC와 상기 수동 조작반과 연동하여 펌프를 제어하는 PID 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 PLC는 PID 제어를 기반으로 한 펌프 제어 데이터를 생성하고, 생성한 펌프 제어 데이터를 인버터로 출력하여 상수 압력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 PLC는 부품 교체 후 또는 프로그램 업그레이드시 제어 프로그램을 상기 메모리 모듈을 통해 다운로드 받는 것을 특징으로 한다.

상기에서 PLC는 PID 제어를 수행한 후 수용가에 공급되는 상수의 토출 압력, PID값, 목표 값, 제어량, 가동시간, 펌프 상태, 펌프 가동 여부 정보를 기반으로 상수 압력 제어를 위한 최적 값을 도출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 PLC는 상기 목표 값과 상기 제어량을 비교하여 각 점에 대한 편차를 추출하고, 일정 시간대 편차 제곱의 합이 최소가 되는 구간을 산정하여 최적 값을 도출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 PLC는 상기 목표 값과 제어량의 트랜드를 분석하고, 트랜드 분석 결과와 기존 도출된 패턴을 비교하여, 설정된 기준 값 이상의 차이가 발생하면 주변 환경이 변화된 것으로 판단을 하고, 환경 변화에 대한 상태 점검용 알람을 발생하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 다중 제어기는 상기 PLC와 PID 컨트롤러 및 수동 조작반이 상호 연동하여, 자동 운전과 수동운전 시 모터 정지 없이 연속적으로 운전을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 소규모 가압장은 삼상 교류 전원(R, S, T)을 공급받아 구동 전원을 공급해주며, 정전 시 내부 배터리에 충전된 전원으로 일정시간 동안 전원 공급을 유지하는 무정전 전원장치(UPS); 상기 무정전 전원장치에서 공급되는 전원을 소정의 직류 전압으로 변환하여 공급해주는 전원 공급장치(SMPS)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 소규모 가압장은 상기 PLC와 PID 컨트롤러와 수동조작반에서 각각 출력되는 펌프 제어 신호 중 어느 하나를 이용하여 상기 펌프를 동작시키는 모터를 구동시키는 제1 및 제1 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 중앙 통제실과 소규모 가압장 간을 이더넷(Ethernet) 기반의 통신으로 변경하고, 메모리 모듈을 이용한 데이터 백업을 구현함으로써, 중앙통제실과 소규모 가압장 간의 안정적인 통신 확보가 가능하고, 통신 이상 시 PLC에서 데이터를 수집할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 수동운전과 자동운전 절체시에도 PLC와 PID 컨트롤러 및 수동 조작반 간의 연동을 통해, 모터 정지 없이 연속적인 운전이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 무정전 전원장치를 이용하여 제어기(다중 제어기)에 입력되는 전원의 안정화를 도모할 수 있으며, 펌프 제어에 PLC와 PID 컨트롤러 및 수동 조작반의 연동을 통해 제어기를 다중화함으로써, 하나의 제어기에 문제가 발생하여도 모터 정지 없이 연속 운전을 도모해주는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 PLC 교체시에도 PC 연결 없이 메모리 모듈을 이용하여 프로그램 다운로드가 가능하고, 중요 데이터는 PLC에서 백-업할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 상수도 계통도,
도 2는 종래 소규모 가압장 제어 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 소규모 가압장 현장 다중화시스템의 구성도,
도 4는 도 3의 소규모 가압장에 구비되는 전원 장치의 구성도,
도 5는 도 3의 PLC와 그에 연계되는 장치 간의 구성 개념도,
도 6은 도 3의 PID 컨트롤러 및 그 주변 장치의 예시도,
도 7 및 도 8은 도 3의 제1 및 제2 인버터 및 그 주변 회로도,
도 9는 본 발명에서 목표 값과 제어량의 트랜드 분석 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소규모 가압장 현장 다중화시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소규모 가압장 현장 다중화시스템의 개략 구성도이다.

본 발명에 따른 소규모 가압장 현장 다중화시스템은 중앙 통제실(1) 및 소규모 가압장(100)을 포함한다.

중앙 통제실(1)은 상수도 관망 전체를 제어하는 역할을 하는 것으로서, 상기 소규모 가압장(100)과 이더넷(Ethernet) 통신으로 연결되어 현장 데이터를 수집하고, 이를 기반으로 현장 수 처리 시설의 상황을 실시간으로 인지하고, 현장 시설의 상태 인식에 따른 제어 명령을 상기 소규모 가압장(100)으로 전송하는 역할을 한다.

상기 소규모 가압장(100)은 상기 중앙 통제실(1)과 접속하여 데이터를 송수신하고 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지해주는 역할을 한다.

이러한 소규모 가압장(100)은 상기 중앙 통제실(1)과 이더넷 통신으로 연결되어 데이터 통신을 수행하고, 현장에서 수집한 데이터를 백업하여 저장하며, 자동 제어 및 수동 제어를 연동하여 다중화 방식으로 펌프를 제어하여 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지해주는 다중 제어기(110)를 포함한다.

상기 다중 제어기(110)는 상기 중앙 통제실(1)과 이더넷 통신으로 데이터를 인터페이스 하기 위한 이더넷 통신 모듈과 현장에서 수집한 데이터를 메모리 모듈(114)을 통해 백업하는 PLC(111), 사용자의 수동 조작에 따른 펌프 제어 신호를 발생하는 수동 조작반(113), 상기 PLC(111)와 상기 수동 조작반(113)과 연동하여 펌프를 제어하는 PID 컨트롤러(112)를 포함한다.

상기 PLC(111)는 부품 교체 후 또는 프로그램 업그레이드시 제어 프로그램을 상기 메모리 모듈(114)을 통해 다운로드 받는 것이 바람직하며, PID 제어를 수행한 후 수용가에 공급되는 상수의 토출 압력, PID값, 목표 값, 제어량, 가동시간, 펌프 상태, 펌프 가동 여부 정보를 기반으로 상수 압력 제어를 위한 최적 값을 도출하여, 수용가의 상수 압력을 제어한다.

바람직하게, 상기 PLC(111)는 상기 목표 값과 상기 제어량을 비교하여 각 점에 대한 편차를 추출하고, 일정 시간대 편차 제곱의 합이 최소가 되는 구간을 산정하여 최적 값을 도출한다. 아울러 상기 목표 값과 제어량의 트랜드를 분석하고, 트랜드 분석 결과와 기존 도출된 패턴을 비교하여, 설정된 기준 값 이상의 차이가 발생하면 주변 환경이 변화된 것으로 판단을 하고, 환경 변화에 대한 상태 점검용 알람을 발생하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 소규모 가압장(100)은 삼상 교류 전원(R, S, T)을 공급받아 구동 전원을 공급해주며, 정전 시 내부 배터리에 충전된 전원으로 일정시간 동안 전원 공급을 유지하는 무정전 전원장치(UPS)(141), 상기 무정전 전원장치(141)에서 공급되는 전원을 소정의 직류 전압으로 변환하여 공급해주는 전원 공급장치(SMPS)(142)를 포함한다. 무정전 전원장치(141)를 이용함으로써 제어측 전원이 차단되거나 불규칙할 경우에도 전원의 안정성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 상기 소규모 가압장(100)은 상기 PLC(111)와 PID 컨트롤러(112)와 수동조작반(113)에서 각각 출력되는 펌프 제어 신호 중 어느 하나를 이용하여 상기 펌프를 동작시키는 제1 및 제2 모터(131)(132)를 구동시키는 제1 및 제1 인버터(121)(122)를 포함한다. 상기 제1인버터(121)는 제1모터(131)를 동작시키고, 제2인버터(122)는 제2모터(132)를 동작시킨다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 소규모 가압장 현장 다중화시스템의 동작을 첨부한 도면 도 1 내지 도 9를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 소규모 가압장(100)과 중앙 통제실(1)은 이더넷 통신으로 연결되어, 소규모 가압장(100)에서 수집한 현장 데이터를 상기 중앙 통제실(1)로 전송하고, 상기 중앙 통제실(1)은 수집한 현장 데이터를 기반으로 소규모 가압장(100)의 제어를 위한 제어 명령을 생성하여 상기 소규모 가압장(100)에 전달한다.

소규모 가압장(100)과 중앙 통제실(1) 간에 이더넷 통신으로 연결됨으로써, 기존 모뎀을 이용한 직렬 통신에 비하여 안정적인 통신을 확보할 수 있게 된다.

한편, 수용가에 공급하는 상수의 압력을 일정하게 유지하기 위하여, 소규모 가압장(100)은 다중 제어기(110)의 PLC(111)와 PID 컨트롤러(112)와 수동 조작반(113)을 상호 연동하여, 수용가에 공급하는 상수의 압력을 일정하게 유지하면서 상수를 수용가에 공급해준다.

여기서 PLC(111)는 도 5에 도시한 바와 같이, 제어 프로그램 및 업그레이드 프로그램이 저장된 메모리 모듈(114)을 접속하기 위한 입력 포트(111a)를 구비하고, 상기 입력 포트(111a)를 통해 메모리 모듈(114)을 장착하고, 제어 프로그램을 다운로드 받는다. 실제 PLC(111)의 장애로 부품을 교체한 경우, 퍼스널컴퓨터(PC)를 PLC(111)와 연결한 후, 제어 프로그램을 다운로드 받게 되는 데, 이 경우 퍼스널컴퓨터를 PLC(111)의 위치로 이동시키거나 PLC(111)를 퍼스널컴퓨터가 있는 장소로 이동시켜야 하는 불편함이 있다. 이에 대비하여 본 발명은 메모리 모듈(114)을 이용함으로써, PLC(111)의 부품(특히, CPU 교체) 교체시에도 제어 프로그램을 편리하게 PLC(111)에 다운로드 할 수 있게 되는 것이다.

아울러 상기와 같이 메모리 모듈(114)을 PLC(111)에 장착시킴으로써, PLC(111)에서는 현장에서 수집한 현장 데이터(특히, 필수 데이터로서 PID 데이터)를 상기 메모리 모듈(114)에 백업하여, 상기 중앙 통제실(1)과의 통신 이상으로 현장 데이터를 상기 중앙 통제실(1)로 전송할 수 없는 경우에도, 데이터 유실을 방지할 수 있는 장점이 있게 된다.

상기 소규모 가압장(100)은 수용가 수압을 일정하게 유지해야 하는 아주 중요한 역할을 하므로, 입력되는 전원의 안정성 확보가 매우 중요하다.

이를 위해서, 본 발명은 도 4에 도시한 바와 같이, 무정전 전원장치(UPS)(141)를 이용하여, 다중 제어기(110)에 항상 안정적으로 전원을 공급해준다. 무정전 전원장치(141)를 이용하게 되면 제어측 전원이 차단되거나 불규칙할 경우에도 시스템 구동에 필요한 전원을 안정적으로 공급해줄 수 있게 된다.

전원 공급장치(142)는 상기 무정전 전원장치(141)에서 공급되는 전원을 소정의 직류 전원(+24V)으로 만들어, 공급해주게 된다.

도 4에서 참조부호 143은 팬을 의미하고, 참조부호 144는 도어 감지 센서를 의미한다.

상기 PLC(111)는 수용가의 상수 압력을 제어하는 과정에서 수집한 다양한 데이터를 기반으로 상수 압력을 일정하게 유지하기 위한 제어 최적 값을 도출하고, 이를 기반으로 펌프를 제어한다.

여기서 최적 값 도출을 위해 PID 제어 값을 이용한다.

PID 제어는 기본적으로 피드백(feedback) 제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력 값(output)을 측정하여 얻고자 하는 참조 값(reference value) 혹은 설정 값(setpoint)과 비교하여 편차를 계산하고, 이 편차를 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산하는 구조로 되어 있다.

상수관망에서는 일정한 수압을 유지하는 것이 중요한데 수압을 유지하기 위해 펌프 제어 시 이 PID 값을 이용하여 제어를 하게 된다.

PID 제어는 PI 제어에 제어 응답속도를 고려한 것이다. PI 제어로 목표 값에 일치시킬 수 있지만 일정 시간이 필요하며, 이렇게 목표 값에 도달하는 시간을 조절하기 위해 미분 제어를 추가한 것이, PID 제어이다. 순간적으로 제어량을 조작해 목표 값에 도달하는 시간을 줄일 수 있으며, 이로 인해 조작량이 급격하게 증가하는 구간이 발생한다.

따라서 본 발명은 상기 PID 제어를 통해 얻은 데이터를 이용하여 펌프 제어를 위한 최적 값을 도출한다.

예컨대, PLC(111)는 PID 제어를 수행한 후 현장 데이터 수집 장치와 통신으로 연계하여, 수용가에 공급되는 상수의 토출 압력, PID값, 목표 값, 제어량, 가동시간, 펌프 상태, 펌프 가동 여부 정보를 입력받는다. 이렇게 획득한 데이터는 최적 값 도출을 위한 기초 데이터로 활용되며 각 연산에 사용된다.

이어, 상기 목표 값과 제어량의 데이터를 비교한다. 목표 값(SV)을 기준으로 하여 제어량(PV)의 데이터를 비교하면, 각 점에 대해 편차가 발생하는 데, 일정 시간 대비 편차(E) 제곱의 합이 최소가 되는 구간을 산정하여 하기의 [수학식 1] 을 이용하여 최적 값을 도출한다.

즉, 편차 제곱의 합이 최소가 되는 구간에서의 PID 값과 목표 값을 도출한다.

이렇게 도출되는 최적 값을 기반으로 펌프 제어 신호(AO01-, AO01+, AO02-, AO02+)를 발생하여, 제1 및 제2 인버터(121)(122)에 전달한다.

한편, PLC(111)는 상기 목표 값과 제어량의 트랜드(Trand)를 분석한다.

목표 값과 제어량의 트랜드 분석 시 적확한 PID 값이 설정되면 일정한 패턴으로 나타나는데, 도출된 값들과 비교했을 때 그 차이가 크면 알람을 발생한다.

이는 주변 환경의 변화(펌프고장, 누수, 물 사용량 증가 등)나 목표 값이 변경되는 이유로 볼 수 있으며, 알람을 띄워 사용자로 하여금 신속하게 상태점검을 할 수 있도록 한다.

제어량과 목표 값이 비슷하게 진행하다가 도 9에 도시한 화살표 부분과 같이 끝 부분이 튀는 경우 이상이 발생한 것으로 판별한다. 수치 적으로 상기 구간에서 ΣE의 값이 증가한다면 주변 환경 변화로 인식하고, 알람을 발생한다.

아울러 PID 컨트롤러(112)도 도 6에 도시한 바와 같이, 피드백 제어를 통해 상기 수압을 일정하게 유지하기 위한 펌프 제어 신호(PID-, PID+, PID2-, PID2+)를 생성하여 분배기(153)에 전달하게 된다. 여기서 PID 컨트롤러(112)에서 수용가에 공급되는 상수의 압력을 제어하기 위해 펌프 제어 값을 산출하는 것은, 기존 PID 컨트롤러에서 펌프 제어 값을 산출하는 방식과 동일하므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 분배기(153)는 상기 펌프 제어 신호를 제1인버터(121)와 제2인버터(122)용으로 분리하여, 각각의 인버터에 전달한다.

도 6에서 참조부호 151은 유량계로서, 수용가에 공급해주는 상수 압력을 측정하여 상기 PID 컨트롤러(112) 및 PLC(111)에 전달해주는 역할을 하고, 참조부호 152는 배수지로부터 공급되는 상수의 압력을 측정하여 상기 PLC(111)에 전달해주는 유량계를 나타낸다.

한편, 현장에서 사용자가 수동 조작반(113)을 조작하여, 펌프를 수동 조작으로 제어할 수 있다. 수동 조작반(113)은 가변 볼륨으로 이루어져, 상수 압력 조절을 위해 가변 볼륨을 조절하면, 그에 대응하게 펌프 제어 신호로 변경되어 제1 및 제2 인버터(121)(122)로 출력된다.

여기서 본 발명의 특징으로서 수동운전(수동 조작반)과 자동운전(PLC, PID 컨트롤러)시, 상호 연동을 통해 제어기를 다중화하여, 어느 하나의 제어기에 문제가 발생하여도 제1 및 제2 모터(131)(132)의 정지 없이, 지속적인 운전을 유지한다. 도 3에서 제1 및 제2 인버터(132)(122) 및 제1 및 제2 모터(131)(132)는 시스템의 안정화를 위해 이중화로 구현한 것이며, 둘 중 하나만 동작을 하고, 나머지 하나는 대기 상태를 유지한다.

제어기를 다중화하기 위해서 다중 제어기(110)의 PLC(111), PID 컨트롤러(112) 및 수동 조작반(113)에서 각각 출력되는 신호는 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 인버터(121)(122)에 각각 전달된다.

제1 및 제2 인버터의 구성 및 동작은 동일하므로, 이하, 제1인버터(121)에 대해서만 설명하기로 한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 제1인버터(121)에는 원격 제어용(REM)으로 PID 컨트롤러(112)에서 출력되는 펌프 제어신호(PID-, PID2)와 PLC(111)에서 출력되는 펌프 제어신호(AO01-, AO01+)와 수동 조작반(113)에서 출력되는 펌프 제어 신호(VR) 중 어느 하나가 입력된다. 여기서 펌프 제어의 원칙은 원격 제어이며, 수동은 수동운전으로 전환한 경우에서만 제어에 이용된다.

상기 3개의 제어 신호는 스위치에 의해 스위칭 되어, 어느 하나의 펌프 제어신호만이 제1인버터(121)에 전달된다. 기본적으로 PLC(111)의 제어가 1순위이고, 다음으로, PID 컨트롤러의 제어이며, 수동 제어가 마지막 순위가 된다. 원격 자동 제어시에는 기본적으로 PLC(111)에서 출력되는 펌프 제어신호가 제1인버터(121)에 전달되며, 상기 PLC(111)에 장애가 발생하면 스위치에 의해 PID 컨트롤러(112)의 펌프 제어신호가 제1인버터(121)에 전달된다. 아울러 운전을 자동 운전에서 수동 운전으로 전환하면 수동 조작반(113)에서 출력되는 펌프 제어신호가 제1인버터(121)에 전달된다.

이러한 본 발명은 자동운전에서 수동운전으로 전환하여도, 제1인버터(121)에는 지속적으로 펌프 제어신호가 전달되는 방식이어서, 운전 전환시에도 모터 정지 없이 지속적으로 운전을 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 PLC(111)와 PID 컨트롤러(112) 및 수동 조작반(113)에서 각각 출력되는 신호를 모두 이용하고, 이를 스위치를 이용하여 선택하는 방식이므로, 3개의 제어기에 의한 다중화를 구현할 수 있게 된다. 이러한 다중화의 구현으로 펌프 제어에 더욱 안정성을 확보할 수 있게 되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

본 발명은 상수 관망 시설에서 수용가에 일정한 수압을 유지시켜주는 소규모 가압장에서 상수 압력을 제어하는 기술에 적용된다.

1: 중앙 통제실
100: 소규모 가압장
101 : 이더넷 네트워크
110: 다중 제어기
111: PLC
112: PID 컨트롤러
113: 수동 조작반
114: 메모리 모듈
121, 122: 제1 및 제2 인버터
131, 132: 제1 및 제2 모터

Claims (10)

1. 상수도 관망 전체를 제어하는 중앙 통제실과 접속하여 데이터를 송수신하고 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지하는 소규모 가압장을 포함하고,
   상기 소규모 가압장은 상기 중앙 통제실과 이더넷 통신으로 연결되어 데이터 통신을 수행하고, 현장에서 수집한 데이터를 백업하여 저장하며, 자동 제어 및 수동 제어를 연동하여 다중화 방식으로 펌프를 제어하여 수용가에 공급되는 상수의 압력을 일정하게 유지해주는 다중 제어기를 포함하고,
   상기 다중 제어기는 상기 중앙 통제실과 이더넷 통신으로 데이터를 인터페이스 하기 위한 이더넷 통신 모듈과 현장에서 수집한 데이터를 메모리 모듈을 통해 백업하는 PLC; 사용자의 수동 조작에 따른 펌프 제어 신호를 발생하는 수동 조작반; 상기 PLC와 상기 수동 조작반과 연동하여 펌프를 제어하는 PID 컨트롤러를 포함하며,
   상기 PLC는 제어 프로그램 및 업그레이드 프로그램이 저장된 메모리 모듈을 접속하기 위한 입력 포트를 구비하고, 상기 입력 포트를 통해 상기 메모리 모듈을 장착하고, 제어 프로그램을 다운로드 받으며,
   상기 PLC는 PID 제어를 통해 획득한 PID 값, 현장 데이터 수집장치를 통해 획득한 수용가에 공급되는 상수의 토출 압력, 목표 값, 제어량, 가동시간, 펌프 상태, 펌프 가동 여부 정보를 기반으로 상수 압력 제어를 위한 최적 값을 도출하며,
   상기 PLC는 상기 목표 값과 제어량의 트랜드를 분석하고, 트랜드 분석 결과와 기존 도출된 패턴을 비교하여, 설정된 기준 값 이상의 차이가 발생하면 주변 환경이 변화된 것으로 판단을 하고, 환경 변화에 대한 상태 점검용 알람을 발생하는 것을 특징으로 하는 소규모 가압장 현장 다중화시스템.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에서, 상기 PLC는 PID 제어를 기반으로 한 펌프 제어 데이터를 생성하고, 생성한 펌프 제어 데이터를 인버터로 출력하여 상수 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 소규모 가압장 현장 다중화시스템.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 3에서, 상기 PLC는 부품 교체 후 또는 프로그램 업그레이드시 제어 프로그램을 상기 메모리 모듈을 통해 다운로드 받는 것을 특징으로 하는 소규모 가압장 현장 다중화시스템.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에서, 상기 PLC는 상기 목표 값과 상기 제어량을 비교하여 각 점에 대한 편차를 추출하고, 일정 시간대 편차 제곱의 합이 최소가 되는 구간을 산정하여 펌프 제어를 위한 최적 값을 도출하는 것을 특징으로 하는 소규모 가압장 현장 다중화시스템.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에서, 상기 다중 제어기는 상기 PLC와 PID 컨트롤러 및 수동 조작반이 상호 연동하여, 자동 운전과 수동운전 시 모터 정지 없이 연속적으로 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 소규모 가압장 현장 다중화시스템.
   
9. 청구항 1에서, 상기 소규모 가압장은 삼상 교류 전원(R, S, T)을 공급받아 구동 전원을 공급해주며, 정전 시 내부 배터리에 충전된 전원으로 일정시간 동안 전원 공급을 유지하는 무정전 전원장치(UPS); 상기 무정전 전원장치에서 공급되는 전원을 소정의 직류 전압으로 변환하여 공급해주는 전원 공급장치(SMPS)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소규모 가압장 현장 다중화시스템.
   
10. 청구항 1에서, 상기 소규모 가압장은 PLC와 PID 컨트롤러와 수동조작반에서 각각 출력되는 펌프 제어 신호 중 어느 하나를 이용하여 상기 펌프를 동작시키는 모터를 구동시키는 제1 및 제2 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소규모 가압장 현장 다중화시스템.
    
    
    
    
    
    

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