에스에스앤아이 - 상수도 밸브 수충격 감소 제어 시스템

Author(s):
이창환 팀장 - SS&I

Industry:
Water/Wastewater

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
정전 및 압력 차에 의한 펌프 및 밸브를 충격으로부터 보호하려면 상수도 송수관에 가해지는 압력을 외부의 힘에 의해 조절하면서 닫을 필요가 있다.

The Solution:
상수도 처리장에는 수도의 원활한 흐름을 위해 고가의 펌프와 밸브를 사용하는데, 이 때 발생하는 수충격에 대한 피해를 막기 위해 저렴하고 성능이 향상된 제어 시스템을 개발하여 정전 및 압력 차에 의한 펌프 및 밸브의 파손을 막았다.

개발 배경 :
일반적으로 가정의 수도에 연결되는 상수도 처리장에는 수도의 원활한 흐름을 위해 펌프를
설치하여 상수되는 압력을 높이게 된다. 이 펌프 및 밸브의 가격은 용량이 크므로 상당한 고가의 펌프 및 밸브를 사용하게 된다.
펌프 및 밸브는 정전 시에 전기 공급이 차단되어 급격히 닫히게 된다. 이때, 밸브에는 송수 중이던 물의 압력이 그대로 전달이 되어 밸브에 커다란 충격이 가해지게 된다. 또한, 이때 밸브에 막혀 역류되는 물에 의해 펌프 또한 상당한 압력을 받게 되어 밸브 및 펌프가 파손되는 일이 종종 발생이 된다. 게다가, 두 번째 경우는 펌프의 전단 및 후단, 펌프의 전단 및 후단에 물리적인 힘에 의해서 커다란 압력 차이가 발생이 되면 마찬가지로 펌프 및 밸브에 심각한 충격이 가해진다.
위의 두 가지 경우와 같이 정전 및 압력 차에 의한 펌프 및 밸브를 충격으로부터 보호하려면 상수도 송수관에 가해지는 압력을 외부의 힘에 의해 조절하면서 닫을 필요가 있다. 이에 따라 역지 밸브에 유압 제어 시스템을 설치하여 정전 및 압력 차가 커졌을 경우에 밸브의 개도 및 압력을 제어하면서 밸브를 닫아주게 된다. 그리하면, 정전 및 압력 차에 의한 펌프 및 밸브의 파손을 막을 수 있게 된다.

본론 :

하드웨어

그림 1. 시스템 구성도

기본적인 구성은 위의 그림과 같이 되어 있다. 시스템은 평상시에는 인가되는 전원을 사용하다가 정전이 되면 배터리의 전원을 이용하여 시스템을 제어하게 된다. 실시간으로 압력 및 온도 밸브의 현재 위치(개도)등을 모니터링 하도록 구성되어 있다. 또한, 정전 신호는 정전이 되면 디지털 신호로 5VDC TTL 신호를 출력하고, 이 신호를 검출하여 정전이 되었는지 아닌지를 모니터링 하게 된다.
유압 실린더에는 역지 밸브에 걸리는 압력을 계산하여 신속하게 역지 밸브를 제어할 수 있도록 실시간으로 유압의 압력을 유지시켜준다. 이 압력은 펌프에 의해 일정하게 유지가 되며, 이 펌프를 제어하는 신호는 카드의 디지털 출력 접점을 이용하여 유지한다.

그림 2. 실제 역지 밸브 사진

위의 그림과 같이 역지 밸브 상단에 유압 실린더를 장착하여 밸브의 열림 닫힘을 제어한다. 또한 밸브 후단에는 압력 센서가 부착이 되어 실시간으로 밸브에 걸리는 압력을 체크한다. 밸브의 개도는 엔코더를 사용하여 각도로 환산하여 모니터링 하도록 구성되어 있다.

소프트웨어

그림 3. 메인 프로그램 화면

위의 그림은 제어 프로그램의 메인 화면이다. 메인 프로그램은 셋팅부, 모니터링부, 분석부 등의 세가지로 구성되어 있다. 또한 자동 제어 및 수동 제어 두 가지로 분류되어 임의 동작도 가능하다.

그림 4. 셋팅부 프로그램 화면

위의 그림과 같이 셋팅부에는 밸브가 동작되는 시험조건 설정 및 밸브의 종류에 따른 선택 등의 기능을 갖고 있다. 여기서 설정한 조건에 따라 밸브의 제어 선도 및 시간이 달라지게 된다.

그림 5. 셋팅부 프로그램 화면

위와 같이 밸브의 종류를 선택하여 제어하고자 하는 시퀀스를 설정하게 된다. 여기서는 급폐쇄 구간, 일시 정지 구간, 선형 제어 구간을 나누어 각각 셋팅 할 수 있다. 이처럼 밸브의 제어 구간을 세 구간으로 나눈 이유는 밸브에 가해지는 물에 의한 충격을 최소화 하기 위함이다. 셋팅이 완료되면 이 값들이 실제 밸브를 제어하는 물리량 및 시간으로 적용된다.

그림 6. 셋팅부 프로그램 화면

위의 그림은 실제 프로그램 구동 화면이다. 앞서 셋팅부에서 셋팅한 값들에 의해 실시간으로 밸브의 개도 및 압력을 제어하면서 밸브를 닫게 된다. 여기에 사용된 제어 방법은 PID 제어 및 램프 제어 방법이며 LabVIEW PID Toolkit 을 사용하였다.

그림 7. 프로그램 블록다이어그램 구성도

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
수충격 감소제어 시스템을 도입하게 되어 다음과 같은 이점을 얻게 되었다.

1. 기존에 구성되어 있던 고가의 제어 시스템 대신에 저렴하고 성능이 향상된 제어 시스템으로 비용을 절감하였다.
2. 정전 및 압력 차에 의한 펌프 및 밸브의 파손을 막을 수 있었다.
3. 이 시스템은 검증 단계를 거처 최종적으로 전국의 상수도 승압장에 설치 예정이다.

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이창환 팀장
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