폐유 오일탱크 레벨제어를 위한 릴레이 자기유지 회로 설계

차례

개요

오일탱크의 오일 레벨이 적정 구간에 있도록 제어해야 할 일이 생겼다

보통 이런 경우는 PLC를 쓰거나 마이컴 회로로 제어하는데 원가절감도 하고 제어도 복잡하지 않으니 그냥 릴레이 한 두 개로 제어하기로 맘먹고 나름대로 릴레이 제어회로와 로직을 구상해보았다

제어 대상 시스템

제어할 시스템은 폐유를 임시 보관하는 폐유 탱크이다.

폐유 탱크는 외부에서 쓰고 남은 오일을 임시로 보관하기 위한 오일탱크로서 폐유 탱크에 어느 정도 레벨의 오일이 채워지게 되면 자동으로 오일펌프가 가동되어 폐유를 외부로 배출하고 폐유가 배출되면서 유면이 낮아지게 되면 자동으로 펌프 가동을 중단시키는 제어를 해야 한다.

그림 1은 폐유 탱크의 내부를 보여주기 위해 단면으로 나타낸 그림으로 탱크 상단에는 오일펌프가 부착되어있다. 오일펌프는 탱크에 삽입된 파이프를 통해 오일을 배출하는 역할을 한다. 탱크에는 오일의 최고 유면과 최저 유면을 감지하기 위해 두 개의 플로트가 달린 플로트 레벨 센서가 설치되어 있다.

플로트 방식 오일 레벨 센서

폐유 탱크 내부에는 오일의 유면을 감지하기 위해 오일 레벨 센서를 설치하였다. 오일 레벨 센서에는 유면 감지를 위한 플로트가 두 개가 있으며 이 두 개의 플로트는 최고 유면과 최저 유면을 감지하게 된다.

그림 2에 오일 레벨 센서의 내부 구조를 나타내었다. 오일 레벨 센서는 부식방지를 위해 스테인리스 재질로 만들어져 있으며 링 모양의 플로트가 가이드 파이프를 타고 유면 높이에 따라 아래 위로 움직이도록 되어있다. 이 플로트의 아래쪽과 위쪽에는 유면이 더 높아지거나 낮아지더라도 플로트가 더 이상 움직이지 못하도록 스토퍼가 설치되어있다.

플로트 내부에는 마그네트 즉, 자석이 들어있는데 이 자석과 가이드 파이프 내부에 들어있는 리드 스위치와 가까워지면 자력에 의해 스위치 접점이 작동하도록 되어있다.

스위치가 작동할 때 접접이 붙는 방식도 있고 떨어지는 방식도 있다. 스위치가 평소에 붙어있다가 작동할 때 떨어지는 방식을 노멀 클로즈(Normal Close)이라 하고 그 반대의 경우를 노멀 오픈(normal Open)이라고 한다. 사용조건에 따라 적절하게 선택하면 된다

앞서 설명했던 바와 같이 이번 시스템에는 플로트가 두 개이며, 위에서 최고 유면을 감지하는 플로트는 노멀 오픈 방식을 사용하고 아래에서 최저 유면을 감지하는 플로트는 노멀 클로즈 방식을 사용할 것이다. 그 이유는 뒤에서 설명한다.

제어회로설계

제어회로는 펌프를 구동하기 위한 전기회로를 위한 마그네트 컨택터 등 조금 복잡한 여러 가지 회로가 들어가도록 설계해야 한다. 이 글의 주제인 자기 유지 릴레이 회로에 중점을 두기 위해 릴레이 구동을 위한 회로만 남겨두고 나머지는 모두 생략하기로 한다.

기본 제어회로는 그림 3과 같다. 플로트 센서(스위치) 두 개와 접점이 2개 있는 DPDT 방식 릴레이 한 개 그리고 오일펌프로 구성되어있다. 최고면 플로트가 작동하면 오일펌프를 가동하고 최고면 플로트 작동이 끝나더라도 오일펌프는 계속 가동하다가 오일의 유면이 낮아져서 최저면 플로트가 작동하게 되면 오일펌프는 멈추는 회로이다.

이렇게 두 개의 스위치로 릴레이의 ON/OFF를 제어하는 회로를 자기 유지 릴레이 회로라고도 한다.

플로트 작동에 따른 자기 유지 회로의 변화를 그림으로 나타내면 아래와 같다.

폐유 탱크의 오일이 최고점에 도달해서 최고면 플로트가 작동한 경우 전기가 최저면 플로트와 최고면 플로트를 거쳐서 릴레이로 흘러들어 가서 릴레이가 작동한다.

릴레이가 작동하면 릴레이 접점 두 개가 작동하면서 오일펌프도 함께 작동한다

최고면 플로트가 비작동으로 스위치가 차단되었지만 전기가 릴레이 접점을 통해 릴레이로 계속 공급되고 있어서 릴레이는 작동이 멈추지 않고 있으므로 오일펌프 역시 계속 작동하고 있다.

폐유가 충분히 배출되어서 최저면에 도달하고 최저면 플로트가 작동하면 스위치가 차단된다. 최저면 플로트의 스위치 차단은 릴레이 접점으로의 전기도 함께 차단함으로 릴레이의 작동이 멈추고 결국 오일펌프도 정지하게 된다

<그림 4> 자기 유지 회로 원리

※ 그림에 최저면 플로트는 노멀 클로즈로 표현되어 있으나 실제 응용에는 노멀 오픈 타입의 플로트를 사용해야 한다. 그 이유는 오일탱크에 오일을 채워 넣으면 오일이 최저면 플로트 이상일 경우 최저면 플로트의 출력은 항상 클로즈 상태가 되고 오일 레벨이 떨어져서 최저면 플로트 이하로 내려갈 경우 최저면 플로트의 출력이 오픈 상태가 되기 때문이다. 즉, 최저면 플로트가 실제로는 노멀 오픈 방식이지만 오일탱크 사용조건에 의해 노멀 클로즈처럼 보이는 것이다

회로 검증

검증을 위해서는 시험을 해야 하는데 실제 탱크를 제작하고 펌프와 센서 등 부품들을 구입하여 제작하여야 하므로 시간과 비용이 많이 든다. 나중에 실제 제작은 해야겠지만 일단 작동이 정상적으로 되는지 여부를 컴퓨터 시뮬레이션으로 먼저 검증해보도록 하겠다.

검증은 Falstad Circuit Simulator라는 웹사이트의 시뮬레이션 기능을 이용하였다.

http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html

시뮬레이션을 위해 그림 5와 같이 두 개의 오일 레벨 센서와 릴레이 그리고 오일펌프를 선으로 연결하였다. 파란선은 +24V 전원이 인가되어있는 것을 보여주는데 최고점 오일 레벨 센서가 작동 이전에는 릴레이에 이후에는 노란색으로 되어있는 것을 볼 수 있다. 즉, +24V가 인가되지 않고 GND 측으로 연결되어 있어서 오일펌프가 작동하지 않는다.

위에 동영상에서 보듯이 최저점 오일 레벨 센서가 닫혀있는 상태에서 최고점 오일 레벨 센서가 한번 닫혔다가 열리더라도 오일펌프는 계속 돌고 있다. 그 이유는 최고점 오일 레벨 센서가 닫히면서 릴레이가 작동하였고 릴레이 접점 1을 통해 릴레이에 전원이 공급되고 있으므로 최고점 오일 레벨 센서가 열리더라도 릴레이는 계속 작동하고 있는 것이다.

이때 최저점 오일 레벨 센서를 열어주면 릴레이에 공급되던 전원이 차단되면서 릴레이가 작동을 멈추고 오일펌프도 동시에 가동을 정지하게 된다.