1. 서 론

산업 발달과 생활 수준 향상으로 많은 사람들이 다양한 모빌리티를 사용하고 있다. 이러한 추세에 따라, 자동차 세차 방식에 대한 요구가 더욱 증가하고 있다. 기존의 손세차 방식에서는 많은 노동력과 시간이 필요하여 효율적이지 못한 면이 있다. 이에 따라 자동 세차 시스템의 개발 및 도입이 활발히 이루어지고 있다⁽¹⁾. 1960년대부터 미국, 일본 그리고 유럽에서 자동 세차 시스템이 개발되어 활성화 되었다. 자동 세차 시스템은 사용자의 요구사항인 편리성과 저렴한 비용으로 인해 전세계에 많은 사람들이 사용하고 있다. 자동 세차 방식은 물세차 자동 방식과 자동식 스팀 세차 방식으로 나누어진다.

물세차 방식은 브러쉬와 거품 형태를 기반으로 하며, 스팀 세차 방식은 강한 열을 기반으로 한다⁽²⁾. 세차장에서 물 세차 방식은 필연적으로 세제가 많이 쓰이게 되고 이로 인한 각종 오폐수가 발생한다. 이때 여러 환경오염물질이 배출된다. 이때 발생하는 오폐수가 적정한 처리시설이 아닌 토양으로 흐르게 되면 환경오염이 발생할 뿐 아니라 증발시에는 대기오염까지 발생한다. 또한, 세차시 가장 많이 쓰이는 자원은 물이다. 공업 및 생활용수로 쓰이는 양에 비하면 세차로 인한 물사용은 다른 분야에 비해 적은편이다. 그러나 한국에서 최근 심해지는 가뭄과 이상기후로 인해 물부족 현상이 심해지고 있다. 이를 해결하기 위한 기술적 해결책은 스팀 세차 방식이다⁽³⁾.

스팀 세차 방식은 작은 물 사용과 환경오염 예방, 빠른시간 등의 수 많은 장점으로 인해 최근에는 물세차 방식 대비 상대적으로 적은 보급률에도 불구하고 각광받고 있다⁽⁴⁾. 그리고 친환경적이고 효율적인 세차 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라 물 대신 스팀을 사용하는 셀프 스팀 세차 시스템이 각광받고 있다. 스팀세차는 기존의 세차방법보다 훨씬 적은 양의 물을 사용하면서 자동차의 먼지, 때, 얼룩을 제거하는데 효과적이다. 현재의 스팀 세차 시스템은 펌프로 물을 공급하고 히터를 사용하여 고온의 가열을 수행한다. 그러나 이러한 구조는 적절한 물 공급 제어와 설정 온도 및 압력의 완벽한 자동 조절이 어려워, 반응이 빠르고 설정 온도와 압력을 정확하게 충족시키지 못하고 있다. 이것은 현재의 자동 스팀 세차 시스템이 충분한 스팀시스템 분석과 정확한 제어값 계산없이 제작되어 운용중인 것에 기인한다. 따라서, 빠른 반응 속도와 정확한 온도유지를 보장하는 스팀세차 시스템 제어가 필요하다.

본 논문에서는 위와 같은 기존의 문제점을 해결하기 위하여 스팀 세차 시스템의 구조적인 문제점을 분석하고, 두 대의 히터 제어기 설계를 제시한다. 제어기로는 퍼지 PID제어를 사용하여 두 대의 히터에 대하여 각각 온도제어를 한다. 제안된 제어기를 통하여 정확하고 빠른 스팀 생성을 가능하게 한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장의 스팀 세차 시스템에서는 기존의 스팀세차 시스템에 대한 분석과 본 연구에서 제시하는 이중 카트리지 구성도를 설명한다. 3장에서는 제안된 스팀 세차 제어 시스템의 구성과 온도제어 특성에 대하여 설명 한다. 또한, 스팀제어 시스템을 위한 퍼지 PID 규칙 설계를 보여준다. 4장에서는 제안된 퍼지 PID 제어기에 대한 두 대의 히터 온도 및 물 배관 출구 온도에 대한 실험 결과의 제시를 통하여 본 연구의 성능 향상을 증명한다. 5장의 결론에서는 본 논문의 기여도에 대한 설명을 요약으로 마무리 한다.

2. 스팀 세차 시스템

세차 시스템에 대한 연구는 다양한 연구 사례에서 입증된 바와 같이 꾸준히 진행되고 있다. ⁽⁵⁾에서는 제어 흐름도 기반의 세차 시스템 설계를 위하여 Verilog HDL 언어를 기반으로 CPLD (Complex Programmable Logic Devices)를 사용하였다. 네 가지의 주요 모드로 구성된 형태를 만들어 시뮬레이션 실험을 통하여 설계 모델의 작동 가능성을 연구하였다. ⁽⁶⁾에서는 브러시가 없는 세차에 대한 스프레이 특성을 연구하였으며, ⁽⁷⁾에서는 근접 센서를 이용한 PLC 기반 자동 세차 시스템에서 대량의 물을 절약하기 위해 수행된 연구에 초점을 맞추었다.

스팀 시스템에 대한 연구는 크에 보일러식 스팀 발생과 카트리지 히터식 스팀 발생으로 나눈다. 시중에서 사용되는 보일러식 스팀 시스템은 필요한 온도에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리고, 물을 가열하고 스팀을 생성하는데 많은 에너지가 소모되어 에너지 비용이 높아지는 문제가 있다. 또한, 고압증기를 사용하다 보면 안정성에 위험이 발생할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 기존의 방법과는 다르게 카트리지 히터식 스팀 세차 시스템은 적은 물 사용과 빠른 가열로 에너지 비용을 절감할 수 있다⁽⁸⁾.

기존에는 카트리지 히터를 한 대만 사용하여 스팀을 생성하는 연구가 있었다⁽⁹⁾. 하지만 두 대의 히터를 사용하면 열을 시스템 전체에 균등하게 분배하여 온도를 보다 정밀하게 제어한다. 또한, 열이 넓은 영역에 분산되기 때문에 시스템 가열 시간을 단축시키며 에너지 효율을 향상시킨다⁽¹⁰⁾. 그림1은 제안한 스팀 세차 시스템에서 사용하는 이중 카트리지 히터의 구성도를 보여준다. 두 대의 히터로 코일형 물배관을 감은 형태이다. 히터1은 들어오는 차가운 물을 데워주는 역할을 하며 히터2는 물을 다시 한번 데워서 최종적으로 스팀을 발생 시킨다.

그림. 1. 이중 카트리지 히터 구성도

Fig. 1. Dual cartridge heater configuration diagram

스팀시스템에서 카트리지 히터의 제어 목적은 빠른게 상온온도에서 스템을 발생시키는 목적 온도로 올리고, 스팀을 사용하여도 상온의 물을 공급하여 출력으로 계속 스팀이 생성되도록 유지하는 것이다. 기존의 제어 방법은 ON-OFF제어를 하거나 부적절한 이득값을 가진 PID 제어로 인하여 시동시 많은 시간이 소요되었다. 또한, 잦은 스템세차를 사용할 때 생기는 부하 변동에 스팀 온도 제어가 더욱 어려웠다. 이를 보완하기 위해 카트리지히터를 이중으로 구성시키고, 퍼지 PID제어기를 설계하여 스팀온도가 빠르고 계속적으로 목적온도를 유지하도록 시스템을 구현한다.

3. 스팀 세차 제어 시스템

3.1 제어 시스템 구성

본 연구에서 제안한 스팀 세차 제어 시스템의 구성도는 그림 2와 같다. 스팀 세차 제어 시스템은 펌프, 압력, 유량 제어기와 외부에서 히터의 전력을 제어하는 전력조정기, 코인기를 통해 외부, 내부 세차를 선택할 수 있는 HMI(Human-Machine Interface), 그리고 그 외 제어기들로 구성된다. 퍼지PID 제어기에서 자동조정하여 구한 PID 이득값이 PWM(Pulse Width Modulated) 값으로 변환되어 히터 제어기로 보낸다. 히터는 소프트 시작(Soft Start) 모드로 설정되어 시동시 15초 동안 전력을 점진적으로 증가시켜 안정화되며, 최대 전력의 60%를 사용하여 동작한다. 외부세차는 히터온도 260도와 물 배관온도를 130도로 유지하며, 내부세차는 히터온도 250도와 물 배관온도를 120도로 유지하여 스팀의 생성조건을 만족시킨다.

그림. 2. 스팀 세차 제어시스템 구성도

Fig. 2. Steam car washing control system configuration

3.2 온도 제어 특성

카트리지 히터는 220V/5kW 용량을 가지며 정격전류는 약 22.7A이다. 하지만 카트리지 히터의 전력을 작게 사용할 경우 출력온도가 상승하는데 많은 시간이 소요된다. 또한, 과도한 전력 사용은 과전류로 인해 카트리지 히터를 쉽게 고장나게 한다. 이를 방지하기 위해 적절한 출력 전력을 외부에서 조절하여 제어하는 것이 필요하다. 그림3은 전력조정기에서 제어입력과 별도로 출력을 제한하기 위한 기능이다.

그림. 3. 출력전압 제한(PW MAX)

Fig. 3. Output voltage limit(PW MAX)

표 1은 히터1 출력신호에 따라 목표온도 260도까지 도달하는데 걸리는 시간을 보여준다. 그림4와5는 입력신호에 대한 히터1과 히터2의 변화를 각각 보여준다. 그림4에서와 같이 40, 50% 출력 전력을 사용할 경우, 출력 전력이 작아 목표 온도에 도달하는 시간이 많이 소요되어 실험에 적합하지 않다. 또한, 70%이상의 출력은 많은 전력을 소모하며 카트리지 히터의 고장을 유발한다. 이러한 이유로 본 실험에서 히터1은 60%의 최대전력으로 설정하여 빠른 반응과 히터의 고장을 예방하여 적절한 출력을 얻는다.

표 2는 히터2 출력신호에 따른 스팀발생 시간을 보여준다. 그림5에서와 같이 40, 50% 출력 전력은 작은 전력값과 스팀생성시간이 늦으며, 70%이상의 출력은 많은 전력을 소모하여 카트리지 히터의 고장을 유발한다.

히터2만 작동시킬 경우 물이 스팀으로 변화하는 구간에 가까워 많은 열을 흡수하게 되어 목표온도에 도달하지 못하는 경우가 발생한다. 또한, 히터2에서 생성된 스팀은 냉수와 혼합되어 열전달에 기여하지 못하고 손실되는 문제가 있다. 따라서, 하나의 히터만 사용하면 냉수가 들어올 경우 즉각적인 반응을 하지 못할뿐만 아니라, 스팀이 발생하더라도 냉수와 혼합되어 히터온도에 영향을 주는 단점이 있다⁽¹¹⁾. 이를 해결하기 위해 스팀과 들어오는 물에 대한 온도차를 최소화하고자 히터2를 사용하여 히터1에서 데워진 물과 함께 사용한다.

표 1. 히터1 입력신호에 대한 변화 데이터

Table 1. Change for Heater 1 Input Signal

Input(%)	Max output(W)	Target temperature arrival time(m/sec)
40	800	4m 14s
50	1800	2m 5s
60	2500	1m 35s
70	3700	1m 19s

그림. 4. 입력신호에 대한 히터1의 변화 그래프

Fig. 4. Graph of variation of heater 1 with respect to input signal

표 2. 히터2 입력신호에 대한 변화 데이터

Table 2. Change for Heater 2 Input Signal

Input(%)	Max output(W)	steam generation time (m/sec)
40	750	x
50	1500	2m 50s
60	2300	1m 40s
70	3400	1m 30s

그림. 5. 입력신호에 대한 히터2의 변화 그래프

Fig. 5. Graph of variation of heater 2 with respect to input signal

3.3 퍼지 PID 제어기 설계

본 논문에서는 두 개의 카트리지 히터에 대하여 퍼지 PID 제어기를 사용하여 자동으로 조정된 PID 이득을 통해 온도를 제어한다. 그림6은 카트리지 히터에 대한 퍼지 PID 제어 구성도이다. 오차와 오차변화율 e, ec를 퍼지화 한다. 입력퍼지에 따라 퍼지 규칙 기반으로 PID이득 $K_{p}$ $K_{i}$ 및 $K_{d}$를 조정하고, 다시 역퍼지화하여 출력 변수를 도출한다⁽¹²⁾.

그림. 6. 카트리지 히터의 퍼지 PID 제어 구성도

Fig. 6. Fuzzy PID control diagram of cartridge heater

퍼지화의 입력은 목표온도와 현재온도를 뺀 값인 오차 e와 오차변화율 ec이다. 오차와 오차변화율의 범위는 [-2 2]이며 삼각형 함수로 선택하고, 퍼지 부분집합은 {NB, NS, ZO, PS,PB}로 설정한다.

출력에서는 퍼지 PID 제어기의 비례 이득 $K_{p}$의 멤버쉽 함수의 범위는 ^(0,10)이다. 적분 이득 $K_{i}$의 멤버쉽 함수의 범위는 [0, 0.5]이며 미분이득 $K_{d}$의 멤버쉽 함수의 범위는 ^(0,1)이다. 삼각형 함수를 사용하며, 퍼지 부분집합은 {NB, NS, ZO, PS,PB}로 설정한다.

본 연구에서는 퍼지 추론 규칙으로 “If A and B then C”를 사용한다⁽¹³⁾. 카트리지 히터가 스팀을 생성하며 발생하는 다양한 조건들을 고려하여 퍼지 PID 제어 방식을 채택한다. 퍼지 규칙 집합은 NB(Negative Big), NS(Negative Small), ZO(Zero), PS(Positive Small), PB(Positive Big)로 구성하며 출력 변수 $K_{p}$, $K_{i}$, $K_{d}$의 퍼지 규칙 테이블은 각각 표3, 표4, 표5와 같다.

표 3. $K_{p}$의 퍼지 추론 규칙

Table 3. Fuzzy inference rule in $K_{p}$

ec e	NB	NS	ZO	PS	PB
NB	PB	PB	PS	PS	ZO
NS	PB	PS	PS	ZO	NS
ZO	PS	PS	ZO	NS	NB
PS	PS	ZO	NS	NS	NB
PB	ZO	NS	NS	NB	NB

표 4. $K_{i}$의 퍼지 추론 규칙

Table 4. Fuzzy inference rule in $K_{i}$

ec e	NB	NS	ZO	PS	PB
NB	NB	NB	NS	NS	ZO
NS	NB	NS	NS	ZO	PS
ZO	NS	NS	ZO	PS	PB
PS	NS	ZO	PS	PS	PB
PB	ZO	PS	PS	PB	PB

표 5. $K_{d}$의 퍼지 추론 규칙

Table 5. Fuzzy inference rule in $K_{d}$

ec e	NB	NS	ZO	PS	PB
NB	PS	NB	NB	NB	PS
NS	ZO	NS	NS	NS	ZO
ZO	ZO	NS	NS	NS	ZO
PS	ZO	ZO	ZO	ZO	ZO
PB	PB	PS	PS	PS	PB

퍼지 추론에 의한 근사 추론 결과는 퍼지 집합으로 출력되며 이를 명확한 수치로 나타내는 과정을 비퍼지화(defuzzification)라 한다. 비퍼지화 방법은 무게 중심법(COG, Center Of Gravity), 면적 중심법(COA, Center Of Area)이 주로 사용되며, 이 외에도 최대값법, 최대평균법, 가중 평균법 등이 있다. 본 연구에서는 비퍼지화 과정에 주로 사용하는 무게중심법을 사용한다. 무게중심법에 의한 비피지화 과정은 식(1)과 같으며 추론된 결과로 얻어진 멤버쉽 함수의 영역을 고려한 비퍼지화 방법이다⁽¹⁴⁾. 여기서 $x_{0}$는 비퍼지화된 값이며, $\mu_{s}(x_{i})$는 변수 $x_{i}$에서 소속 함수값이다.

(1)

$x_{0}=\dfrac{\sum_{i=0}^{n}x_{i}\mu_{s}(x_{i})}{\sum_{i=0}^{n}\mu_{s}(x_{i})}$

그림7은 입력 변수 e와 ec에 대한 출력변수 $K_{p}$, $K_{i}$, $K_{d}$의 표면을 나타낸다.

그림. 7. e, ec의 이득값 (a)$K_{p}$, (b) $K_{i}$ 및 (c)$K_{d}$의 출력면

Fig. 7. Gain values for e and ec (a)$K_{p}$, (b)$K_{i}$and (c)$K_{d}$ output surface.

4. 실험 결과

본 논문에서 사용된 실험 환경과 H/W 구성은 그림8과 같다. (1)의 전원부에서 전원을 켠 후, (6)의 코인기에 코인을 넣어서 HMI를 통해 작동을 선택한다. 이후, (3)의 유량, 압력 조절기를 통해 조절된 물이 (5)의 펌프를 통해 밀어낸다. (2)의 전력조정기와 (6)의 제어기를 통해 제어된 (4)의 히터는 박스 내부에 감싸진 물배관의 물을 데워 스팀을 생성한다.

그림. 8. H/W 구성 : (1) 전원부, (2) 전력 조정기, (3) 유량, 압력 조절기, (4) 카트리지 히터, (5) 펌프, (6)스팀 제어기, (7) HMI,코인기

Fig. 8. Experimental setup : (1) power unit, (2) power regulator, (3) flow rate, pressure regulator, (4) cartridge heaters, (5) pump, (6) steam controller, (7) HMI, coin machine

그림9는 기존의 PID 제어기를 사용하였을 때의 히터 온도 변화 그래프이다. 히터1은 목표온도에 도달시 낮은 오버슈트와 적절한 온도 유지를 유지하나, 히터2가 발생하는 스팀의 영향으로 인해 온도제어가 어렵다. 반면, 그림 10은 퍼지 PID 제어기를 적용한 결과의 그래프이다. 히터1에서는 낮은 오버슈트와 적절한 온도 유지를 하며, 히터2에서도 자동 조정된 PID 이득 값에 의해 온도를 적절히 유지한다. 여기서, 스팀은 100도 이상에서 생성되며 많은 이물질을 제거하기 위해 약 130도를 유지하여 그림11과 같이 스팀 생성 조건을 달성한다. 물 배관 온도를 시스템에 피드백하지 않은 이유는 출구쪽 배관 파이프의 영향으로 온도가 바로 올라가지 못하는 지연시간 (약 50초) 때문이다. 그래서, 이러한 문제점을 없애기 위하여 시스템에서는 히터 자체의 온도를 피드백하여 스팀 생성조건을 달성하도록 하였다.

그림. 9. PID제어 히터 온도 변화 그래프

Fig. 9. PID control heater temperature change graph

그림. 10. 퍼지 PID제어 히터 온도 변화 그래프

Fig. 10. Fuzzy PID control heater temperature change graph

그림. 11. 퍼지 PID제어 히터 변화에 대한 물배관 온도 그래프

Fig. 11. Water outlet temperature graph for fuzzy PID control heater change

그림 12는 실시간으로 변경되는 퍼지 PID 제어의 $K_{p}$, $K_{i}$, $K_{d}$ 이득값에 대한 변화 그래프를 보여준다. 초기 설정값은 PID 제어기에서 사용된 값이다. 초기 설정값에서 15초 동안 응답이 없는 것은 히터가 소프트 시작(Soft Start) 모드로 설정되어 있기 때문이다. 히터의 응답 속도를 보장하기 위해 시동시 설정값에서 $K_{p}$값은 점차 커지며, $K_{i}$값은 설정값보다 작게, $K_{d}$값은 설정값의 중간값이 된다. 히터의 목표온도 도달시 $K_{p}$, $K_{i}$, $K_{d}$값을 적정 값에 수렴한다.

기존의 PID제어와 다르게 제안된 퍼지 PID제어는 제어기 이득값을 실시간으로 조정한다. 그러한 이유로 시간에 따라 달라지는 환경에 맞추어 적절하게 스팀 세차 시스템을 제어할 수 있다.

히터 온도의 정확한 수치 오차를 보여주기 위하여 RMSE(Root Mean Squared Error)를 사용한다. RMSE는 실제 값과 측정 값의 오차를 계산하는데 자주 사용된다. RMSE는 오차를 제곱하여 평균한 값의 제곱근을 의미한다. RMSE는 실제 값 대비 측정 값의 차이를 쉽게 보여주며 값이 작을수록 성능이 우수하다. 식(2)는 RMSE의 식을 나타내며 $y_{r}$은 목표 값, $y_{i}$는 측정 값 그리고 $n$은 사용된 데이터의 개수이다.

그림. 12. 퍼지 PID 출력 값:(a)$K_{p}$,(b)$K_{i}$,(c)$K_{d}$

Fig. 12. Fuzzy PID output value:(a)$K_{p}$,(b)$K_{i}$,(c)$K_{d}$

표6은 기존의 PID제어와 퍼지 PID제어를 사용하여 시작시 상승온도에서 목표온도에 도달할때까지 생기는 오차를 비교한 결과이다. 목표값은 히터온도가 260도, 물 배관 온도는 130도이며 측정값 300개의 데이터를 사용하였다.

결과적으로 Fuzzy PID를 사용한 온도는 기존의 PID제어보다 낮은 오차값과 함께 목표온도에 적절한 온도를 유지하였다.

5. 결 론

본 논문에서는 스팀 세차시스템의 효율성을 높이기 위하여 두 개의 카트리지 히터를 구성하였으며, 퍼지제어기를 설계하여 빠르고 정확한 스팀온도를 생성하였다. 제안된 퍼지 PID 제어기는 실시간으로 제어기 이득을 자동으로 조정하면서, 기존의 PID 제어 결과에 비하여 더 좋은 성능을 보여주었다. 따라서, 스팀 세차 시스템 특성상 변동이 큰 환경에 따라 제어기 이득을 설정하는데 드는 시간과 노력을 줄일수 있었다. 또한, 두 대의 히터를 사용하여 정확한 온도제어가 가능하게 하고, 빠른 가열속도와 부하를 분산시켜 히터의 수명을 연장시킬 수 있었다. 제안된 스팀 세차 시스템은 향후 셀프 세차 시스템으로 활용될 수 있으며, 적은 물 사용과 세제 미사용으로 환경적으로도 우수한 시스템으로 인정받을 것이다.