KR20100013025A

KR20100013025A - 이더넷과 rs-485 통신 및 백넷프로토콜을 사용하는직접디지탈제어기와 모터제어반을 일체형으로 장착한지능형 지열시스템제어반.

Info

Publication number: KR20100013025A
Application number: KR1020080074505A
Authority: KR
Inventors: 윤석길
Original assignee: 윤석길
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-09

Abstract

본 발명은 신생에너지인 땅 속의 열(Geothermal energy)을 이용하여 부하에서 필요로 하는 냉온수를 생산하는 지열히트펌프시스템(Geothermal heat pump system)에 전기동력을 공급하는 모터제어반과 이더넷 및 RS-485통신과 백넷프로토콜을 사용하고 독자적인 프로그램으로 지열시스템를 제어·감시·관리하는 직접디지탈제어기를 장착한 지열시스템제어반을 일체형으로 하는 지능형 지열시스템제어반에 관한 것이다.

본 발명에 따라, 독립된 지열모터제어반과 지열시스템제어반을 일체형으로 함으로써 공사비를 절감하고 지열 관련 데이터의 신뢰도를 향상시키고 경보발생시 최단의 동선(動線) 내에서 즉시 조치를 취할 수 있는 장점이 있다.

또한, 지열시스템제어반에 장착되는 직접디지탈제어기는 메인컴퓨터가 다운되거나 통신에 문제가 발생되더라도 자체의 독립적 프로그램으로 지열시스템의 댓수제어와 순차제어를 수행할 수 있는 장점이 있으며, 이더넷 또는 RS-485통신과 백넷프로토콜을 사용하여 빌딩제어시스템과 네트워크를 구성하여 공조설비 및 보일러 냉동기등의 다른 열원설비와 전기설비등과 서로 연계 운전하는 지능형 지열시스템제어반에 관한 것이다.

모터제어반(MCC : Motor Control Center), 지열히트펌프(GHP ; Geothermal Heat Pump), 지열순환펌프(GWCP ; Geothermal Water Circulation Pump), 빌딩자동제어시스템(BAS ; Building Automation System), 백넷(BACnet ; Building Automation and Control Networks), 직접디지탈제어기(DDC ; Direct Digital Controller)

Description

이더넷과 RS-485 통신 및 백넷프로토콜을 사용하는 직접디지탈제어기와 모터제어반을 일체형으로 장착한 지능형 지열시스템제어반.{omitted}

본 발명은 지열시스템 중에서 지열히트펌프와 지열순환펌프 및 버퍼순환펌프에 전력을 공급하는 모터제어반과 이를 제어·감시·관리하는 조절기로 이더넷통신 및 RS-485통신과 BACnet 프로토콜을 사용하는 직접디지탈제어기를 일체형으로 장착한 지능형 지열시스템제어반에 관한 것으로써, 직접디지탈제어기의 독립적(Stand Alone) 프로그램을 통하여 지열시스템를 댓수제어와 순차제어를 하고, 빌딩자동제어시스템을 네트워크로 구성하여 메인컴퓨터에서 지열시스템과 타 기계설비와 전기실비를 연계운전할 수 있도록 하고, 지열히트펌프의 유량부족으로 인한 트립(Trip) 발생을 전자식과전류계전기(EOCR)의 아날로그 신호와 압력스위치 및 유체흐름스위치의 디지털 신호를 시퀀스로 구성하여 트립을 사전에 방지하는 지능형 지열시스템제어반에 관한 것이다.

지열시스템를 설치 운영함에 있어서, 105kw(35RT) 이상의 용량으로 국가의 지원이나 의무적으로 설치하는 곳에서는 지열시스템를 통하여 발생하는 열생산량, 전력소비량, 가동시간, 지열수와 냉온수 급·환수온도를 매일 모니터링하여 에너지 관리공단의 중앙서버(Main Server)에 전송할 수 있는 모니터링시스템을 설치하여야 한다. 이에 따라 지열시스템의 전력사용량을 반드시 측정하여야 함에따라 해당 모터제어반에 전력변환기를 장착하여야 한다.

종래 지열시스템의 전력사용량을 측정하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.

도 6은 지열시스템 모터제어반이 독립되지 않고 타 장비와 혼합 배열된 모터제어반(600)으로, 지열설비만의 전력사용량을 측정하기 위하여 해당 모터제어반마다 변류계CT(611)와 전력변환기WTD(612)를 장착하여야 하고 배관·배선(613)을 지열시스템제어기(610)까지 포설하여야 한다. 지열히트펌프나 지열순환펌프 및 버퍼순환펌프의 수량이 N세트가 설치되었다면 전력사용량을 측정하기 위해서 N개의 변류계, N개의 전력변환기, N개의 배관·배선, N개의 아날로그 입력부(AI)가 필요하여 이에 따르는 공사비의 증대와 N개의 평균 전력사용값에 대한 오차등으로 건물주와 검사기관의 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 일반적으로 지열시스템용으로 N개의 변류계(611)와 N개의 전력사용량계(612)는 지열업체가 장착하는 관계로 준공 이후 운전 중 발생되는 하자에 대하여 모터제어반 제작업체와 지열시스템 설치업체가 서로 하자책임을 전가하는 문제점이 발생되고, 가장 큰 문제점으로는 지열시스템용 모터제어반의 설치위치가 지열시스템이 설치된 위치와 상당거리 떨어져 있거나 건축물이나 기계장비 또는 배관 등으로 설비운영자의 시선을 가리고 있어 지열설비의 운전과 관리에 커다란 불편함을 주고 있고 예기치 못한 돌발 상황이 발생하였을 경우에 신속한 조치를 할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 대한민국 등록특허 10-0506488호에 등록된 지열을 이용한 히트펌프시스템 및 그 제어장치는 도 5와 같이 유닛조절기(510)와 지열히트펌프(521)와 지열순환펌프(522) 및 지열교환기(523)를 하나의 팩키지로 하는 유닛을 발명하였다. 상기의 특허에서 유닛의 수량이 2세트이상의 복수일 경우에 유닛의 조절기(510)로는 유닛의 댓수제어와 순차제어를 수행할 수 없다. 때문에 유닛조절기의 상위 레벨인 메인컴퓨터(500)를 설치하고 네트워크로 연결하여 유닛조절기의 독립된 프로그램(Stand Alone)이 아닌 메인컴퓨터의 프로그램에 의하여 유닛의 댓수제어와 순차제어를 수행하도록 하였다.

그러나 상기의 특허는 다음과 같은 문제점이 있다. 메인컴퓨터(500)가 다운되거나 각 유닛조절기와 메인컴퓨터와의 통신두절(512)이나 유닛조절기와 유닛조절기 사이의 통신두절(511)이 발생되었을 경우에는 유닛의 댓수제어와 순차제어를 할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같이 메인컴퓨터의 다운이나 유닛조절기와의 통신이 두절되었을 경우에 각 유닛의 조절기에 입력되고 저장된 각종 데이터를 메인컴퓨터에서 모니터링을 할 수 없어 지열시스템의 열생산량, 전력사용량, 가동시간, 지열수와 냉온수의 급환수온도등의 지열데이터를 자동으로 산출하거나 적산할 수가 없고 에너지관리공단의 중앙서버에 데이터를 전송할 수 없는 문제점이 있다.

지열히트펌프 운전 중 발생되는 트립의 원인에는 여러 가지가 있으나 가장 흔한 것으로 지열히트펌프로 유입되는 지열수나 냉온수 유량이 기준량 이하로 떨어질 경우에 발생한다. 유량부족의 주요원인으로 전자개폐기의 고장이거나 접점불량, 순환펌프모터의 불량, 바이패스 제어밸브의 불량, 배관내 이물질 축적등으로 트립되어 냉온수 열원을 적시에 생산하지 못 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 지열시스템용 모터제어반과 직접디지탈제어기를 장착한 지열시스템제어반을 일체형으로 하여, 직접디지탈제어기의 프로토콜에 빌딩제어시스템의 표준 전용 프로토콜인 백넷을 사용하고, 메인컴퓨터의 프로그램과는 상관없는 직접디지탈제어기 자체의 독자적 프로그램으로 지열시스템를 댓수제어와 순차제어를 할 수 있도록 하고, 빌딩제어시스템과의 네트워크를 통하여 데이터를 주고 받을 수 있도록 하는 지능형 지열시스템제어반을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지열용 모터제어반을 독립형으로 하여, 수배전반으로부터 인가되는 3Ø4W/380Vac의 전원을 공급받아 지열시스템에 전기를 공급하여 단 1개의 변류계와 전력변환기 만을 장착하여 지열시스템의 전체 전력사용량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

빌딩제어시스템의 메인컴퓨터가 설치되지 않는 건물이나, 설치되어 있더라도 메인컴퓨터가 다운되거나 유닛의 조절기가 통신두절로 인하여 지열시스템을 순차제어 또는 댓수제어를 할 수 없고 지열 관련데이터를 자동으로 모니터링할 수 없는 문제점을 해결하기 위하여 지열제어반의 제어기로 독립된 프로그램에 의하여 제어 ·감시·관리를 할 수 있는 충분한 입출력 관제용량을 가진 직접디지탈조절기를 장착하여 순차제어와 댓수제어를 할 수 있도록 하며, 직접디지탈조절기의 프로토콜로 백넷을 사용하여 지열시스템와 빌딩제어시스템을 네트워크로 구성하여 데이터의 업-다운(Up-Down)을 자유롭게 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 지열히트펌프의 운전 중 지열수나 냉온수의 유입유량 부족으로 인하여 발생되는 트립을 방지하기 위하여 모터제어반에 전자식과전류계전기(EOCR)를 장착하여 과전류, 부족전류, 결상, 역상, 지락등의 정보와 4∼20mA 정격전류신호를 Modbus나 RS-485 통신으로 직접디지탈제어기의 통신부에 직접 입력하고, 순환펌프의 토출배관에 유체흐름스위치(Liquid Flow Switch)와 압력스위치(Pressure Switch)를 장착하여 접점 신호를 직접디지탈제어기의 디지털입력부(DI)에 접속하여 프로그램을 통한 강제명령(Override)을 하고, 유체흐름스위치와 압력스위치의 접점을 시퀀스로 구성하여 지열히트펌프의 운전 중 트립을 방지하는 것이다.

본 발명에 따른 직접디지탈제어기와 모터제어반을 일체형으로 장착한 지능형 지열시스템제어반은 다음과 같은 효과가 있다.

지열시스템용 모터제어반과 자동제어반을 일체형으로 함으로써, 도 7과 같이 모터제어반(700)의 주전원인입반에 단 1개의 변류계(710)와 전력변환기(720)만으로 지열시스템의 전체 전력소비량을 측정할 수 있기 때문에, 도 6과 같은 종래의 모터제어반(610)에서와 같이 N개의 변류계(611)와 N개의 전력변환기(612)를 설치할 필요가 없고 N개용 배관·배선(613)이 불필요하기 때문에 많은 공사비의 절약과 전력 변환기와 직접디지탈제어기가 함께 장착되어 출력신호용 케이블 길이가 짧아(721) 선저항이 거의 무시할 정도로 출력신호의 정확도를 높일 수 있어 데이터의 신뢰도를 더욱 높일 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 지능형 지열시스템제어반과 지열시스템이 동일한 장소에 함께 설치되어 설비운영자가 장비의 운전상태를 시각과 청각을 통하여 일목요원하게 제어·감시·관리할 수 있고 이상 발생시 신속한 조치를 취할 수 있는 장점이 있다.

지열시스템제어반에 장착되는 직접디지탈제어기의 프로토콜로 백넷 프로토콜을 사용함으로써, 빌딩의 기계설비나 전기설비를 제어·감시하는 빌딩제어시스템의 메인컴퓨터와 이더넷통신이나 RS-485통신에 의한 네트워크를 구성하여 지열시스템와 보일러 및 냉동기등의 타 열원설비와 공기조화설비등의 기계설비와 전기설비를 상호 유기적 운전되도록 하여 효율성과 경제성을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다.

가장 커다란 효과로는, 빌딩제어시스템의 메인컴퓨터가 설치되지 않은 빌딩이나 설치되었더라도 메인컴퓨터의 다운이나 통신두절이 되더라도, 직접디지탈제어기가 독자적인 프로그램을 수행하여 지열시스템를 댓수제어와 순차제어를 할 수 있어 지열시스템를 안정적으로 운전할 수 있는 장점이 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직접디지탈제어기와 모터제어반을 장착한 일체형 지능형 지열시스템제어반을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접디지탈제어기와 모터제어반을 일체형으로 한 지능형 지열시스템제어반의 외형도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접디지탈제어기의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열히트펌프의 트립 방지 시퀀스 및 계통도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접디지탈제어기와 빌딩제어시스템과의 네트워크 구성도이다.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접디지탈제어기(151)를 장착한 지열시스템 자동제어반(150)과 모터제어반(110,120,130,140)을 일체형으로 한 지능형 지열시스템제어반(100)으로, 좌측 첫 번째 열에는 주전원인입반(110)을 배열하여 수배전반으로부터 인가되는 3Ø4W/380Vac의 전원이 공급되도록 하여 전면 도어에는 전압게이지(111)와 전류게이지(112)를 장착하여 공급되는 메인전원의 전압과 전류를 감시할 수 있도록 한다.

두 번째 열에는 일반적으로 지열시스템에서 가장 큰 동력을 필요로 하는 지열히트펌프용 모터제어반(120)을 배열하여 도어에 조작핸들, 전자식과전류계전기(121), 수동/자동선택스위치, 기동푸시버튼스위치, 정지푸시버튼스위치, 리셋푸시버튼스위치를 장착하고, 세 번째 열에는 지열순환펌프용 모터제어반(130)을 배열하고, 다음에는 버퍼순환펌프용 모터제어반(140)을 배열한다.

일체형 지열시스템제어반의 우측에는 자동제어반(150)을 배열하여 도어에 직접디지탈제어기(151)를 장착하여 빌딩제어시스템과 인터페이싱(Interfacing)이 가능하도록 프로토콜로 백넷을 사용하고 이더넷통신이나 RS-485 통신으로 네트워크를 구성한다.

또한 지열자동제어반(150)의 도어에는 지열히트펌프의 가동상태, 지열순환펌프의 가동상태, 버퍼순환펌프의 가동상태, 지열히트펌프의 이상경보 및 냉방모드와 난방모드를 파이롯트램프(152)로 표시하고, 지열시스템제어반의 수동/자동선택스위치, 지열시스템제어반 시스템 전체의 온-오프(On-Off) 명령과 지열시스템의 이상 경보와 부저 정지 및 리셋버튼(153)을 장착한다.

도 2는 직접디지탈제어기의 구성도로 온도센서, 전압, 전류를 입력하는 아날로그입력(AI)부(210), 운전상태 및 이상경보등의 접점을 입력하는 디지털입력(DI)부(220), 기동/정지 및 온/오프(ON/OFF)제어하는 디지털출력(DO)부(240), 인버터나 구동기등을 비례제어하는 아날로그출력(AO)부(230), 전원부(250), 메인컴퓨터와의 LAN통신을 위한 이더넷통신부(260)와 RS-485통신부(270), LCD표시부(280)와 사용자의 데이터입력부(290)로 구성된다. 본 발명에 장착되는 직접디지탈제어기는 기본적으로 32점의 관제점을 수용할 수 있으며, 더 많은 관제용량이 필요한 경우에는 확장모듈(Extention Module)을 장착하여 최대 160점까지 관제용량을 확장할 수 있다.

본 발명의 직접디지탈제어기의 댓수제어와 순차제어 방법을 기술하면, 마이크로프로세서에 입력된 설정온도값(Setting Value)과 버퍼탱크나 냉온수배관 또는 냉온수헤더에 설치한 온도센서로부터 입력되는 측정온도값(Present Value)을 비교하여 설정온도값에 도달될 때까지 제 1번 지열히트펌프를 가동하여 정해진 시간에 설정온도값에 도달하지 못하면 제 2번 지열히트펌프를 가동시키고 다시 비교하여 제 3번 지열히트펌프를 가동시키는 방법으로 지열히트펌프의 댓수제어를 수행한다. 설정온도값에 도달한 이후는 가장 먼저 가동된 순서로 지열히트펌프를 정지시킨다. 익일의 지열히트펌프의 가동 순서는 전일의 제 1번 지열히트펌프가 최종 순위로 되고, 전날 제 2번 지열히트펌프가 제 1번으로 되고 제 3번이 제 2번으로 되는 방법 으로 순차제어를 수행한다. 상기의 댓수제어와 순차제어는 메인컴퓨터의 프로그램과는 별개의 직접디지탈제어기의 독립된 프로그램에 의하여 수행하는 것이다. 또한 직접디지탈제어기를 통하여 분당/일간/주간/월간/년간 단위로 지열시스템의 열생산량, 가동시간, 전력소비량, 지열수와 냉온수온도를 입력하고 적산하며, 이 데이터를 직접디지탈제어기의 이더넷 통신 단자를 통하여 에너지관리공단의 중앙서버에 전송한다.

도 3은 지열히트펌프(300)의 운전 중, 지열히트펌프로 유입되는 지열수나 냉온수의 유량부족으로 인한 트립(trip)을 방지하기 위하여 전자식과전류계전기로부터 RS-485통신(313)으로 데이터를 전송받아 펌프부하의 전류값(4∼20mA)을 프로그램에 적용하고, 지열순환펌프와 버퍼순환펌프의 토출 배관에 유체흐름스위치(311)와 압력스위치(312)를 설치하여 접점신호를 직접디지탈제어기의 디지털입력단(DI)에 접속하여 프로그램에 의한 강제명령으로 트립을 방지한다. 또한 유체흐름스위치의 접점(321)과 압력스위치의 접점(322)으로 시퀀스를 구성하여 지열히트펌프의 유량부족으로 인한 트립을 사전 방지한다.

도 4는 빌딩제어시스템(400)의 표준 전용프로토콜인 백넷(423)을 사용하는 직접디지탈제어기(445)를 장착하여 이더넷통신(421)이나 RS-485통신(422)으로 메인컴퓨터(410)와 네트워크를 구성하여 기계설비자동제어시스템(420)과 전기설비자동제어시스템(430)등과 함께 지열설비자동제어시스템(440)도 제어·감시할 수 있도록 하여 빌딩제어시스템으로 타 설비와 통합적으로 연계 운영토록 하여 효율적이고 경제적인 시설관리를 할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 지능형 지열시스템제어반 외형도.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직접디지탈제어기의 구성도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 지열히트펌프 트립방지 시퀀스도와 계통도.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 빌딩제어시스템과의 네트워크 구성도.

도 5는 종래 기술에 따른 유닛조절기와 메인컴퓨터의 네트워크 구성도.

도 6은 종래 기술에 따른 지열시스템 전력사용량 계측 시퀀스 참조도.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 지열시스템 전력사용량 계측 시퀀스 참조도.

Claims

지열시스템중 전기를 동력으로 하는 지열히트펌프, 지열순환펌프, 버퍼순환펌프용 모터제어반;

상기 모터제어반과 지열시스템제어반에 백넷 프로토콜을 사용하여 빌딩제어시스템의 메인컴퓨터와 네트워크가 가능한 직접디지탈제어기를 장착한 지열설비자동제어반;

상기 지열시스템 모터제어반과 자동제어반을 일체형으로 하는 지능형 지열시스템제어반.
지열히트펌프의 운전 중 트립을 방지하기 위하여,

지열순환펌프와 버퍼순환펌프의 모터제어반에 전자식과전류계전기를 장착하여 RS-485 통신으로 직접디지탈제어기에 접속;

지열순환펌프와 버퍼순환펌프의 토출 배관에 유체흐름스위치와 압력스위치를 장착; 하여

RS-485에 의한 지열순환펌프와 버퍼순환펌프의 아날로그 전류값과 유체흐름스위치와 압력스위치의 접점을 통하여 직접디지탈제어기의 프로그램을 강제 동작(override)하게 하고;

유체흐름스위치와 압력스위치의 접점을 시퀀스회로로 구성하여 지열히트펌프 전자접촉기를 오프(OFF)시켜 지열히트펌프의 유량부족으로 인한 트립을 방지하는 지능형 지열시스템제어반.
지열시스템제어반의 직접디지탈제어기와 빌딩제어시스템의 메인컴퓨터가 서로 통신이 두절되거나;

빌딩제어시스템의 메인컴퓨터가 다운되거나;

빌딩제어시스템의 메인컴퓨터가 설치되지 않았더라도;

직접디지탈제어기의 독립적 프로그램에 의하여 지열시스템을 댓수제어와 순차제어할 수 있는 지능형 지열시스템제어반.
지열시스템의 열생산량, 운전시간, 전력소비량, 온도등의 데이터를 분당/일간/주간/월간/년간 단위로 저장하고 적산하는 지능형 지열시스템제어반.
상기 4항에 있어서, 지열시스템의 열생산량, 운전시간, 전력소비량, 온도등의 데이터를 중앙서버에 전송할 수 있는 지능형 지열시스템제어반.