KR20120098061A

KR20120098061A - 프로그램가능 로직 제어기의 열전대 입력모듈에서의 온도추정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120098061A
Application number: KR1020110017753A
Authority: KR
Inventors: 권재일
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-09-05
Also published as: CN102654758A; US20120219035A1

Abstract

프로그램가능 로직 제어기(PLC)의 열전대 입력모듈에서의 온도추정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 온도추정 방법은, 열전대 입력부의 채널을 선택하여, 선택된 채널을 통해 입력되는 아날로그 신호인 열기전력을 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로 변환된 상기 열기전력에 대응하는 온도를 추정한다. 본 발명에 의하면, PLC 열전대 입력모듈의 열기전력의 온도변환시 발생하는 변환속도를 개선할 수 있다.

Description

프로그램가능 로직 제어기의 열전대 입력모듈에서의 온도추정 장치 및 방법{TEMPERATURE ESTIMATION APPARATUS AND METHOD IN THERMOCOUPLER INPUT MODULE OF PLC}

본 발명은 온도추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프로그램가능 로직 제어기(Programmable Logic Controller; 이하, 'PLC'라 함)의 증설모듈인 열전대 입력모듈에서 사용하기 위한 온도추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 열전대(thermocouple)는, 제베크(seebeck)효과를 이용하여 넓은 범위의 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 장치로서, 두 개의 서로 다른 금속이 만나면서 생성된다. 제베크전압이라 불리는 작은 전압이 열을 받을 때 두 금속의 접합에서 생성되는데, 그 크기는 금속의 형태에 의존하고, 접합부의 온도에 직접적으로 비례하며, 일반적으로 100 mV 이하이다. 열전대의 전압과 온도 특성은 다소 비선형이고, 열전대의 전반적인 온도변화폭은 -250℃에서 2000℃이다.

PLC의 증설모듈 중 하나인 열전대 입력모듈은, 열전대에서 발생하는 열기전력을 아날로그 전기신호 입력으로 하여, 아날로그/디지털 변환기를 거친 후 디지털 신호로 출력한다. 여기서 아날로그/디지털 변환기를 거친 디지털 신호를 실제 온도로 변환하는 과정이 필요하다.

종래의 열전대 입력모듈은, 실제 온도로 변환할때, 매 단위의 온도마다 테이블을 작성하여, 입력되는 디지털 신호에 해당하는 온도를 찾는 방식을 사용하는데, 이 경우 변환속도가 매우 지연되는 문제점이 있으며, 이에 의해 열전대 입력모듈의 성능이 열화하는 문제점이 있다.

또한, 온도변환 테이블을 제어부의 운영체제(O/S) 프로그램 내에 저장하기 위하여 대용량의 메모리를 필요로 하므로, O/S 프로그램의 용량에 의해 가격 경쟁력을 저해하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서,열전대 온도변환시 연산속도를 빠르게 하여, 열전대 입력모듈의 성능을 개선하기 위한 열전대 입력모듈에서의 온도추정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 금속의 접합부에서 발생하는 열에 의해 발생하는 전압(열기전력)을 입력하는 다수의 채널을 구비하는 입력부, 아날로그 신호인 상기 열기전력을 수신하여 디지털 신호로 변환하기 위한 변환부, 및 상기 입력부와 변환부를 제어하는 제어부를 구비하는, 본 발명의 프로그램가능 로직 제어기(PLC)의 열전대 입력모듈에서의 온도추정 장치에서, 상기 제어부는, 디지털 신호로 변환된 상기 열기전력에 대응하는 온도를, 온도추정 함수에 의해 추정한다. 이때, 상기 온도추정 함수는,

에 의해 정의되는 것이 바람직하고, 이때, T(x)는 열기전력 x에 따른 온도이고, a 내지 e는 변수이며, 상기 열기전력이 입력되는 열전대 입력부의 종류와 온도범위에 의해 변경되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 온도추정 방법은, 열전대 입력부의 채널을 선택하는 단계; 선택된 채널을 통해 입력되는 아날로그 신호인 열기전력을 디지털 신호로 변환하는 단계; 및 디지털 신호로 변환된 상기 열기전력에 대응하는 온도를 추정하는 단계를 포함하고, 상기 열전대 입력부의 채널별 온도추정이 허용되었는지 여부를 확인하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 열기전력에 대응하는 온도를 추정하는 단계에서, 상기 추정은

을 통해 수행하는 것이 바람직하며, 이때, T(x)는 열기전력 x에 따른 온도이고, a 내지 e는 변수이며, 이는 상기 열기전력이 입력되는 열전대 입력부의 종류와 온도범위에 의해 변경되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 종래의 PLC 열전대 입력모듈의 구성을 그대로 유지하면서, 열전대 온추정 함수를 이용한 온도추정을 통해, 종래의 온도변환시 발생하는 변환속도를 개선하고, 온도변환 테이블을 삭제하면서 발생하는 O/S 프로그램 코드용량을 최소화하여, PLC 입력모듈의 성능과 경제성을 동시에 높일 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 PLC 열전대 입력모듈의 일실시예 구성도이다.
도 2는 종래의 PLC 열전대 입력모듈의 온도변환 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 종래의 온도변환 테이블의 일예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열전대 입력모듈에서의 온도추정 방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도 5a는 종래의 온도변환 방법에 의해 변환한 기준온도를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 본 발명에 따른 온도추정 방법에 의해 추정한 추정온도를 나타낸 그래프이다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 종래의 PLC 열전대 입력모듈의 온도변환 방법을 먼저 설명한 후, 본 발명에 따른 온도추정 방법의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 PLC 열전대 입력모듈의 일실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 입력모듈은, 열전대 입력부(10), 아날로그 멀티플렉서(20), 증폭부(30), 아날로그/디지털(Analog/Digital, 'A/D'라 함) 변환부(40), 절연부(50) 및 제어부(60)를 포함하여 구성된다. 본 발명이 적용되는 입력모듈에서, 제어부(60)는, 바람직하게는 마이크로프로세서 유닛(Micro Processor Unit; 'MPU'라 함)이다.

열전대 입력부(10)는, 금속의 접합부에서 발생되는 열에 의해 발생하는 전압(열기전력)을 입력하는 기능을 담당한다. 도 1에서는, n(n은 자연수)개의 채널(CH1~CHn)에 각각 열전대 입력부(10)가 존재하는 것을 예를 들어 설명한 것이다.

아날로그 멀티플렉서(20)는, n개의 채널(CH1~CHn)로부터 입력되는 신호 중, 실제 변환할 입력을 선택하는 기능을 담당하고, 증폭부(30)는, 바람직하게는 연산 증폭기(operational amplifier)로서, 입력신호를 A/D변환부(40)가 증폭하기에 적정한 전압으로 증폭하는 기능을 담당한다. A/D변환부(40)는 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 기능을 담당한다.

절연부(50)는, 바람직하게는 포토 커플러(photocoupler)로서, PLC 열전대 입력모듈 내의 아날로그 회로와 디지털 회로를 절연하고, 신호를 제어부(60)로 전달하는 기능을 담당한다.

제어부(60)는, 위에서 설명한 바와 같이, 바람직하게는 MPU로서, 위의 멀티플렉서(20), 증폭부(30), A/D변환부(40) 및 절연부(50)를 제어하는 기능을 담당하며, 변환된 디지털 신호를 수신하여, 온도로 변환하는 기능을 담당한다.

도면에 도시되지는 않았으나, PLC 열전대 입력모듈은, 전원입력부를 구비하여, PLC 열전대 입력모듈에 구동전원을 공급할 수 있다. 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.

이하, 도 2를 참조로 종래의 열전대 입력모듈의 온도변환 방법을 설명한 후, 도 3을 참조로 본 발명의 열전대 입력모듈의 온도추정 방법을 설명하는 것으로 한다.

도 2는 종래의 PLC 열전대 입력모듈의 온도변환 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 PLC 열전대 입력모듈의 온도변환 방법은, 우선, 제어부(60)가 열전대 입력부(10)의 채널별 변환이 허용되었는지 여부에 대한 설정사항을 확인한다(S21). 제어부(60)의 확인결과, 채널변환이 허용되지 않은 경우에는(S22), 데이터를 초기화하고(S23), 종료한다.

S22에서, 채널변환이 허용된 경우에는, 아날로그 멀티플렉서(20)를 제어하여, 실제 변환할 열전대 입력부(10)의 채널을 선택하여(S24), 해당 신호를 증폭한다. 이후, 제어부(60)는 A/D 변환부(40)가 아날로그/디지털 변환을 수행하기 위해 필요한 레지스터를 산출하여(도시되지 않음), 열전대 입력부(10)에서 입력된 열기전력의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다(S25).

이후, 제어부(60)는 절연부(50)를 거쳐 수신한 디지털 신호에 해당하는 실제 온도를 온도변환 테이블에서 검색한다(S26). 도 3은 종래의 온도변환 테이블의 일예시도로서, 각 기전력에 해당하는 디지털 신호에 대한 온도값을 1℃ 단위로 변환하여 둔 테이블이다. 이를 위하여, 제어부(60)는, 도시되지는 않았으나, PLC 열전대 입력모듈에 저장부를 구비한다. 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 온도변환 테이블은, 열전대의 열기전력에 관한 테이블로서, 1℃ 단위의 열기전력(mV)으로 구성된다. 예를 들어, 열전대 K타입에서, 0mV는 0℃를 의미하며, 52.759mV는 1,310℃를 의미한다.

이와 같이, 종래의 PLC 열전대 입력모듈에서는, A/D 변환된 열기전력을 온도 테이블 내에서 1대 1로 대소를 비교하여, 열기전력 측정치와 기준 열기전력값이 일치할 때까지 비교검색을 진행한다. 예를 들어, 도 1의 열전대 입력부(10)에서 입력되는 값이 K타입의 열전대이고, 변환한 열기전력이 47.336mV이며, 제어부(60)는 온도변환 테이블에서 해당 기전력에 해당하는 온도인 1,160℃를 출력할 것이다.

즉, 열전대 온도변환 테이블의 검색을 전 테이블에 대하여 수행하여(S27), 검색하여 변환한 온도를 출력하게 된다(S28). 이와 같은 과정을 통해 PLC 열전대 입력모듈의 변환을 종료하게 된다.

즉, 위와 같이, 종래의 PLC 열전대 입력모듈에서는, 1℃단위마다 지정된 온도변환 테이블을 검색하여, 온도변환 값을 출력하는데, 열전대의 특성상 넓은 온도범위(-250~2000℃)를 검색하여야 하므로, 변환속도 지연을 발생시켜 PLC 열전대 입력모듈의 연산속도 성능을 저해하게 된다. 또한, 위와 같은 넓은 온도범위의 열기전력 데이터를 제어부(60)에 저장하기 위해서는, 대용량의 메모리가 필요하게 되어, 가격 경쟁력이 저하하게 된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 온도추정 장치는, 도 1의 장치와 다르지 않으며, 제어부(60)가 온도변환 테이블을 검색하여 온도변환을 수행하는 종래기술과 달리, 본 발명의 온도추정 장치의 제어부(60)는, A/D 변환된 디지털 값을 온도변환 함수에 입력하는 것으로 열기전력에 해당하는 온도를 추정하여, 해당하는 실제 온도값을 도출하는 것을 특징으로 한다.

이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 열전대 입력모듈에서의 온도추정 방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 온도추정 방법은, 제어부(60)가 열전대 입력부(10)의 채널별 온도추정이 허용되었는지 여부에 대한 설정사항을 확인한다(S31). 제어부(60)의 확인결과, 온도추정이 허용되지 않은 경우에는(S32), 데이터를 초기화하고(S33), 종료한다.

S32에서, 채널변환이 허용된 경우에는, 아날로그 멀티플렉서(20)를 제어하여, 실제 추정할 열전대 입력부(10)의 채널을 선택하여(S34), 해당 신호를 증폭한다(도시되지 않음). 이후, 제어부(60)는 A/D 변환부(40)가 아날로그/디지털 변환을 수행하기 위해 필요한 레지스터를 산출하여(도시되지 않음), 열전대 입력부(10)에서 입력된 열기전력의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다(S35).

이후, 본 발명의 PLC 열전대 입력모듈의 제어부(60)는 절연부(50)를 거쳐 수신한 디지털 신호에 해당하는 실제 온도를 추정한다(S36). 구체적으로는, 본 발명의 제어부(60)는, A/D 변환된 디지털 신호를 온도추정 함수에 입력하여, 해당하는 실제 온도를 출력하는 것이다(S37).

구체적으로, 제어부(60)는, 온도추정에 사용되는 온도추정 함수는 다음의 수학식과 같다.

여기서, T(x)는 추정된 온도로서, 4차함수이며, x는 열기전력(mV)이고, a 내지 e는 변수로서, 열전대의 타입, 온도구간에 따라 달라진다. 예를 들어, K타입의 열전대에서 0~250℃ 구간에서, a=-0.004174, b=0.090509, c=-0.584159, d=25.590167 및 e=-0.066700이다.

다음의 표는 소정의 열기전력에 대하여, 도 3의 온도변환 테이블에서 변환한 기준온도와, 본 발명의 제어부가 추정한 추정온도를 비교한 것이다.

열기전력(mV)	기준온도(℃)	추정온도(℃)	오차(℃)
0	0	-0.07	0.07
2.023	50	49.99	0.01
4.096	100	99.99	0.01
6.138	150	150.00	0.00
8.138	200	199.97	0.03
10.153	250	250.01	0.01

위의 표에서 살펴본 바와 같이, 종래의 온도변환 방법에서 얻은 기준온도와, 본 발명의 온도추정 방법에서 얻은 추정온도는, 약 0.1℃ 이내의 오차범위를 만족하는 것을 알 수 있다.

즉, 250개의 데이터(0~250℃의 데이터를 1℃마다 저장)를 저장하기 위해 64비트×250만큼의 데이터 용량을 요구하던 종래의 온도변환 장치 및 방법에 비해, 본 발명의 온도추정 장치 및 방법은, 변수 5개(a~e)만 저장해두면 되므로, 64비트×5만큼의 데이터 용량만을 요구하면서, 훨씬 빠른 시간 내에 온도추정을 수행할 수 있다.

다만, 위에서 설명한 변수는, K타입 열전대의 일부 온도구간에 한정된 것이며, 열전대의 종류 및 온도범위에 따라 온도추정에 관련된 변수는 변경될 수 있을 것이며, 그 변수에 정확한 값에 상관없이, 본 발명의 보호범위에 의해 보호받을 수 있을 것임은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.

도 5a는 종래의 온도변환 방법에 의해 변환한 기준온도를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명에 따른 온도추정 방법에 의해 추정한 추정온도를 나타낸 그래프로서, 양자 모두 K타입 열전대의 온도범위에 따른 그래프를 도시한 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 변환에 의한 기준온도와 본 발명에 의한 추정온도는, K타입 온도구간에서 0.1℃의 오차범위를 만족함을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 PLC 열전대 입력모듈에서의 온도추정 장치 및 방법에 의하면, 종래의 PLC 열전대 입력모듈의 구성을 그대로 유지하면서, 열전대 온추정 함수를 이용한 온도추정을 통해, 종래의 온도변환시 발생하는 변환속도를 개선하고, 온도변환 테이블을 삭제하면서 발생하는 O/S 프로그램 코드용량을 최소화하여, PLC 입력모듈의 성능과 경제성을 동시에 높일 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성 수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.

컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산 배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 열전대 입력부 20: 아날로그 멀티플렉서
30: 증폭부 40: A/D변환부
50:절연부 60: 제어부

Claims

금속의 접합부에서 발생하는 열에 의해 발생하는 전압(열기전력)을 입력하는 다수의 채널을 구비하는 입력부, 아날로그 신호인 상기 열기전력을 수신하여 디지털 신호로 변환하기 위한 변환부, 및 상기 입력부와 변환부를 제어하는 제어부를 구비하는 프로그램가능 로직 제어기(PLC)의 열전대 입력모듈에서의 온도추정 장치에 있어서,
상기 제어부는, 디지털 신호로 변환된 상기 열기전력에 대응하는 온도를, 온도추정 함수에 의해 추정하는 온도추정 장치.
제1항에 있어서, 상기 온도추정 함수는, 다음의 수학식에 의해 정의되는 온도추정 장치.

(여기서, T(x)는 열기전력 x에 따른 온도이고, a 내지 e는 변수이며, 상기 열기전력이 입력되는 열전대 입력부의 종류와 온도범위에 의해 변경됨)
열전대 입력부의 채널을 선택하는 단계;
선택된 채널을 통해 입력되는 아날로그 신호인 열기전력을 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
디지털 신호로 변환된 상기 열기전력에 대응하는 온도를 추정하는 단계를 포함하는 온도추정 방법.
제3항에 있어서,
상기 열전대 입력부의 채널별 온도추정이 허용되었는지 여부를 확인하는 단계를 더 포함하는 온도추정 방법.
제3항에 있어서, 상기 열기전력에 대응하는 온도를 추정하는 단계에서, 상기 추정은 다음의 수학식을 통해 수행하는 온도추정 방법.

(여기서, T(x)는 열기전력 x에 따른 온도이고, a 내지 e는 변수이며, 상기 열기전력이 입력되는 열전대 입력부의 종류와 온도범위에 의해 변경됨)