[논문]스마트 컨트롤 밸브 개발에 관한 연구

최영규

doi:10.17661/jkiiect.2019.12.6.582

스마트 컨트롤 밸브 개발에 관한 연구
A Study on the Development of Smart Control Valve 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.12 no.6, 2019년, pp.582 - 590

최영규 (Department of Computer Engineering, Korea National University of Transportation)

초록
AI-Helper

우리나라는 저출산·고령화가 진행함에 따라 전체 인구의 14%를 웃도는 고령사회에 진입함으로써 1인 세대의 증가라는 사회변화에 직면해 있다. 고령사회에서 1인 세대 증가로 인한 가스화재 사고를 예방할 수 있는 효과적인 방법은 컨트롤 밸브를 설치하여 설정시간이 지나면 강제적으로 가스를 차단하는 방법이다. 본 연구에서는 밸브 핸들을 돌리지 않고 택트 스위치를 눌러 모터를 이용하여 웜기어와 헬리컬 기어로 동력을 전달하여 밸브를 좌우 회전하여 개폐 할 수 있게 개발하였고, 컨트롤러와 탈부착이 쉽게 전용 밸브를 개발함으로써 조립 및 검사가 용이하고, 부품 수 및 제품 사이즈를 줄여 원가 절감을 통해 경쟁력을 강화할 수 있도록 개발하였다. 또한 내구성 시험을 통해 12초에 한 번씩 ON/OFF 반복하여 34시간 동안 10,000번을 수행하는 동안 안정적으로 동작 할 수 있도록하여 9년 이상을 사용할 수 있도록 개발하였다. 개발 방법은 Solid works와 Altium Designer 툴을 활용하여 기구 및 PCB 설계를 진행하였고, Firmware 개발은 IAR Embedded Workbench 환경에서 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As Korea's low fertility and aging progress, Korea is facing a social change such as an increase of one generation by entering an aging society that has raised 14% of the population. An effective way to prevent a gas fire accident caused by an increase in one generation in an aging society is to install a control valve to forcibly shut off the gas after a set time. In this study, we developed a valve that can be opened and closed by rotating the valve left and right by transmitting power to the worm gear and the helical gear by using a motor by pressing the switch. It is easy to assemble and inspect by developing a dedicated valve that is easy to attach and detach. It was developed to enhance competitiveness by reducing cost by reducing the number of parts and product size. In addition, through endurance test, it was developed to be used for more than 9 years by repeating ON / OFF once every 12 seconds so that it can operate stably for 10,000 times for 34 hours. The instrument and PCB were designed using solid works and Altium Designer tools. Firmware development was developed in IAR Embedded Workbench environment.

주제어

표/그림 (26)

그림 그림 1. 최근 7년간 원인별 주택화재 발생현황 Fig. 1. Housing fires by cause in the last 7 years
그림 그림 2. 최근 7년간 연령별 주택화재 발생현황 Fig. 2. Housing fires by age in the past 7 years
그림 그림 3. 국내와 해외의 중간밸브 형태 비교 Fig. 3. Comparison of domestic and overseas intermediate valve types
그림 그림 6. 웜기어 설계 Fig. 6 Worm gear Design
그림 그림 4. 캠이 부착된 헬리컬 기어 설계 Fig. 4. Helical Gear Design with Cam
그림 그림 5. 헬리컬 기어 상하 구조 Fig. 5.Helical gears up and down structure
그림 그림 7. 본체 케이스 설계 Fig. 7. Body case design
그림 그림 8. 건전지 케이스 설계 Fig. 8. Battery case design
그림 그림 9. PCB가 실장된 내부 기구설계 부품 조립도 Fig.9. Assembly diagram of internal mechanism design parts with PCB
그림 그림 10. 밸브 기구 설계 및 실제 구현 밸브 Fig.10. Valve mechanism design and practical implementation valve
그림 그림 11. 조립 결과 Fig.11. Assembly results
그림 그림 12. S3F8S19 MCU 회로도 Fig. 12. S3F8S19 MCU schematic
그림 그림 13. 전원 입력 회로도 Fig. 13. Power input circuit diagram
그림 그림 14. 음성 출력 회로도 Fig. 14. Voice output circuit diagram
그림 그림 15. DC 모터 구동 회로도 Fig. 15. DC motor drive circuit diagram
그림 그림 16. 좌우 리미트 스위치 회로도 Fig. 16. left and right limit switch schematic
그림 그림 17. 2D PCB 설계 Fig. 17. 2D PCB design
그림 그림 18. 3D 부품과 PCB 설계 Fig. 18. 3D component and PCB design
그림 그림 19. Solidworks에서 변환된 PCB 스텝 파일 결과 Fig. 19. PCB step files results converted from Solidworks
그림 그림 20. 밸브 OFF 상태의 웜기어 위치 Fig. 20. Worm gear position with valve off
표 표 1. 두개의 리미트 스위치를 이용한 4가지밸브 위치 판단 알고리즘 Table 1. Four valve positioning algorithms using two limit switches
표 표 2. 밸브 좌우 회전 알고리즘 Table 2. Valve left and right rotation algorithm
그림 그림 21. 가스타이머 테스트 조립 결과 Fig. 21. Gas timer test assembly result
그림 그림 22. 내구성 검사 장비 Fig. 22. Durability inspection equipmentt
표 표 3. 밸브 ON/OFF 함수 Table 3. Valve ON / OFF function
표 표 4. 개발제품과 타사제품과의 특성 비교 Table 4. Comparison of characteristics between developed and other companies' products

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존의 컨트롤러 밸브는 휴즈콕 밸브를 열기 위해 핸들을 왼쪽으로 돌려 스프링을 압축함과 동시에 밸브가 열린 상태로 고정한 후 가스 사용 설정시간이 지나면 고정핀을 제거하여 압축 스프링 힘으로 휴즈콕 밸브를 회전시켜 차단하는 방식을 사용하였다. 본 논문에서는 스마트 컨트롤러와 전용 밸브를 쉽게 탈부착이 가능하도록 개발함으로써 조립이 단순하고, 내구성 검사 장비를 이용하여 성능 검사가 용이하고, 밸브 핸들을 돌리지 않고 택트 스위치를 눌러 웜기어와 헬리컬 기어로 동력을 전달하여 밸브를 좌우 회전하여 개폐 할 수 있게 개발하였다. 내구성 검증은 자체 개발한 검사장비를 이용하여 12초에 한 번씩 ON/OFF 반복하여 34시간 동안 10,000번을 수행하는 동안 안정적으로 동작함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 가스타이머 전용으로 개발된 휴즈콕 밸브를 건전지구동식으로 모터를 구동하여 차단하는 방식으로 개발하였다. 가스타이머를 구성하는 부품들을 Solidworks 툴로 설계한 후 CNC(Computer Numeri cal Control)로 하나하나 가공하여 그림 21과 같이 조립하여 최종적인 가스타이머를 완성하였다.
본 연구에서는 해외에서도 설치가 가능한 중간밸브와 타이머가 일체형인 컨트롤 밸브를 개발하여 고령자가 쉽게 사용할 수 있도록 택트 스위치(Tact switch)로 밸브를 열고 닫을 수 있도록 개발한다.

제안 방법

Altium 이용한 PCB 설계시 각 부품에 대한 풋프린트(footprint) 라이브러리 제작 시에 실제 부품 3D 모양을 추가하여 라이브러리로 생성한 것을 활용하여 설계를 하면 2D에서 3D PCB로 그림 전체를 3D로 그림 18과 같이 변환을 한 후에 STEP AP203/214 파일로 변환하여 Solidworks 툴에서 파일을 열어 하나의 PCB 부품으로 그림 19와 같이 하나의 부품으로 생성한다. 그림 11에서 설계한 모든 3D 부품을 조립하여 동작 시뮬레이션을 진행하 면서 제품 개발을 진행하였다.
L9110S DC 모터 드라이버 IC와 고성능 DC 소 형기어모터(GB12F-Red)를 사용하여 그림 15와 같이 회로를 설계하여 밸브를 죄우 회전을 할 수 있도록 하였다. 소형기어모터는 DC 4.
PCB 설계는 Altium Designer 툴을 활용하여 그림 17과 같이 2D PCB를 설계를 하였다. 그림 17의 PCB 기판에 1번으로 표기된 원은 15∅ 홀로 그림 8과 같이 컬트롤러 핸들과 헬리컬 기어, 밸브 핸들이 결합하여 회전체에 대한 동심축의 역할을 하도록 하는 홀이다.
가스타이머 성능 테스트를 위한 내구성 시험은 분당 5~20회 속도로 10,000회 개폐 반복 조작 후 작동에 이상 유무를 확인할 수 있도록 내구성 검사 장비를 그림 22와 같이 제작하여 진행하였다. 제품의 내구성 실험을 위해 검사장비를 이용하여 12초에 한번씩 밸브를 ON/OFF 반복하여 1일 10시간씩 34시간 동안 진행하여 10,000번을 수행한 결과 기구 및 회로에 문제가 없이 안 정적으로 동작함을 확인하였다.
가스타이머가 안정적으로 동작할 수 있도록 전류 소비가 적고, ON / OFF 회로를 갖는 특성을 가진 CMOS 고내압 레귤레이터 IC인 S-812C 시리즈를 사용하여 DC모터 6V와 MCU 3V 구동전압을 공급할 수 있도록 그림 13과 같이 설계하였다^[4].
사용자의 편리성을 추가하기 위해 사용자가 사용하던 밸브 중간밸브 사용습관처럼 핸들을 눌러 왼쪽방향으로 90도 회전시켜 밸브를 열 수 있는 방법과 택트 스위치를 눌러 자동을 밸브가 열리고 닫힐 수 있도록 개발을 하였다. 밸브회전을 위한 모터 구동시 헬리컬 기어의 캠위치는 그림 20과 같이 좌우에 배치된 리미트 스위치를 활용해 표 1과 같이 4가지 경우(00,01,10,11)로 밸브 위치를 검사하도록 펌웨어를 진행 하였다.
밸브에 동력 전달하기 위해 택트 스위치를 눌러 모터 축에 연결된 웜기어를 회전시켜 90도 방향으로 헬리컬 기어에 동력을 전달하기 때문에 좁은 공간에서 감속기 설계가 매우 중요하다. 본 연구에서는 헬리컬 기어 중심축에 밸브 핸들을 연결하여 좌우로 90도 회전할 수 있도록 설계를 하였다.
사용자의 편리성을 추가하기 위해 사용자가 사용하던 밸브 중간밸브 사용습관처럼 핸들을 눌러 왼쪽방향으로 90도 회전시켜 밸브를 열 수 있는 방법과 택트 스위치를 눌러 자동을 밸브가 열리고 닫힐 수 있도록 개발을 하였다. 밸브회전을 위한 모터 구동시 헬리컬 기어의 캠위치는 그림 20과 같이 좌우에 배치된 리미트 스위치를 활용해 표 1과 같이 4가지 경우(00,01,10,11)로 밸브 위치를 검사하도록 펌웨어를 진행 하였다.
탈부착이 가능하도록 설계된 밸브 구조는 그림 10과 같이 밸브 핸들과 밸브 고정 커버, 본체 연결 날개로 구성되어 있다. 전용 밸브는 모터로부터 동력을 전달받아 90도 좌우 회전을 할 수 있도록 설계를 하였다. 전용 밸브와 컨트롤러(Controller)를 연결하기 위해 그림 9과 10의 U자 형태의 날개를 눌러 쉽게 본체에 삽입하여 고정할 수 있고, 컨트롤러 분리 시에도 날개의 U자 부분을 살짝 눌러 컨트롤러를 당기면 분리가 쉽게 될 수 있어 유지 보수의 편리성을 가질 수 있도록 개발을 하였다.
전용 밸브는 모터로부터 동력을 전달받아 90도 좌우 회전을 할 수 있도록 설계를 하였다. 전용 밸브와 컨트롤러(Controller)를 연결하기 위해 그림 9과 10의 U자 형태의 날개를 눌러 쉽게 본체에 삽입하여 고정할 수 있고, 컨트롤러 분리 시에도 날개의 U자 부분을 살짝 눌러 컨트롤러를 당기면 분리가 쉽게 될 수 있어 유지 보수의 편리성을 가질 수 있도록 개발을 하였다.
펌웨어(Firmware)는 SAM8용 IAR 임베디드 워크벤 치(Embedded Workbench)를 활용하여 CMOS 마이크로 컨트롤러인 S3F8S19 32KB 풀 플래시(f ull-flash) ROM이 내장 된 마이크로 컨트롤러를 사용하여 C언어로 펌웨어 개발을 하였다.

성능/효과

본 논문에서는 스마트 컨트롤러와 전용 밸브를 쉽게 탈부착이 가능하도록 개발함으로써 조립이 단순하고, 내구성 검사 장비를 이용하여 성능 검사가 용이하고, 밸브 핸들을 돌리지 않고 택트 스위치를 눌러 웜기어와 헬리컬 기어로 동력을 전달하여 밸브를 좌우 회전하여 개폐 할 수 있게 개발하였다. 내구성 검증은 자체 개발한 검사장비를 이용하여 12초에 한 번씩 ON/OFF 반복하여 34시간 동안 10,000번을 수행하는 동안 안정적으로 동작함을 확인할 수 있었다. 이 결과는 소비자가 하루 3번씩 사용 한다고 가정할 때 9년 이상을 사용 할 수 있는 결과이다.
또한 개발 제품과 타사 제품과의 특성을 비교하기 위 해 인터넷에 판매 사이트에서 제품 홍보 리플릿(leaflet) 내용을 근거로 표 4와 같이 비교 분석한 결과 타사 제품에 비해 크기가 104×66×45로 가장작고, 주방에 설치했을 때 가장 안정적인 크기로 판단된다.
가스타이머 성능 테스트를 위한 내구성 시험은 분당 5~20회 속도로 10,000회 개폐 반복 조작 후 작동에 이상 유무를 확인할 수 있도록 내구성 검사 장비를 그림 22와 같이 제작하여 진행하였다. 제품의 내구성 실험을 위해 검사장비를 이용하여 12초에 한번씩 밸브를 ON/OFF 반복하여 1일 10시간씩 34시간 동안 진행하여 10,000번을 수행한 결과 기구 및 회로에 문제가 없이 안 정적으로 동작함을 확인하였다.

후속연구

앞으로 연구는 고령사회의 가정에서 발생하는 가스를 포함한 안전사고 예방할 수 있는 인공지능 안전 예방 시스템을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	헬리컬 기어와 웜기어의 역할은?	컨트롤 밸브를 개발하기 위해 헬리컬 기어와 웜기어는 밸브를 열고 닫기 위한 동력을 전달하는 가장 중요한 부품이다. 밸브에 동력 전달하기 위해 택트 스위치를 눌러 모터 축에 연결된 웜기어를 회전시켜 90도 방향으로 헬리컬 기어에 동력을 전달하기 때문에 좁은 공간에서 감속기 설계가 매우 중요하다.
	스마트 컨트롤 밸브의 장점은?	이 결과는 소비자가 하루 3번씩 사용 한다고 가정할 때 9년 이상을 사용 할 수 있는 결과이다. 스마트 컨트롤 밸브는 모터 구동방식 중에서 유일하게 컨트롤러와 밸브가 일체형으로 안정적인 성능 검사를 진행할 수 있는 장점을 가지고 있다.
	고령사회에서 화재의 위험성을 낮추는 방법은?	3%(그림 2)로 가장 높게 나타났다[2]. 고령사회에서 1인 세대 증가로 인한 가스화재 사고를 예방할 수 있는 효과적인방법은 컨트롤 밸브를 설치하여 설정시간이 지나면 강제적으로 가스를 차단하는 방법이다.

참고문헌 (6)

http://www.hankyung.com/news/ "Korea enters aging society next month", Korean Economic Society, 2017
http://www.nfa.go.kr/ "Housing fire statistics", Fire Department, 2018
IXYS Company, "S3F8S19/S3F8S15", S3 Family 8-Bit Microcontrollers, 2013
SII Semiconductor Corporation, "S-812 C Series 16 V INPUT, 75 mA VOLTAGE REGULATOR", P. 56, data sheet
SYNOOS, "VLNxxx_3P Series (OTP for VLN3)", p.14, 2011
EleCrow, "Motor control driver chip L9 110", data sheet

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증