нагревательная установка и способ ее работы

Формула изобретения

1. Нагревательная установка, содержащая накопительный резервуар с подводом и отводом для нагретой жидкости и питающее устройство для жидкого или газообразного теплоносителя с питающим трубопроводом, в котором расположен вентиль, датчик температуры, определяющий температуру нагретой жидкости, и регулирующий контур, приводящий в действие вентиль в зависимости от отклонения температуры от заданного значения, отличающаяся тем, что регулирующий контур (18) имеет детектор (19) граничной частоты, который определяет колебания температуры (Т_ist) и уменьшает усиление (V) петли обратной связи регулирующего контура (18) при слишком большой частоте и увеличивает при слишком малой частоте.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что детектор (19) граничной частоты имеет пороговый элемент (20), а частота определяется с учетом выхода порогового элемента (20).

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что детектор (19) граничной частоты определяет колебания температуры (Т_ist) косвенно по управляющим сигналам или по перемещению вентиля (11).

4. Установка по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что детектор (19) граничной частоты содержит счетчик (21) изменений направления, устройство сравнения и элемент (22) задержки времени.

5. Способ работы нагревательной установки, при котором определяют температуру нагретой жидкости и в зависимости от отклонения этой температуры от заданного значения регулируют подвод жидкого или газообразного теплоносителя с помощью вентиля в регулирующем контуре, отличающийся тем, что определяют частоту колебаний температуры и усиление петли обратной связи уменьшают, если частота слишком большая, и увеличивают, если частота достаточно мала.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что определяют частоту только таких отклонений, которые превышают определенную разность с заданным значением.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что частоту определяют косвенно по перемещению вентиля и/или управляющим сигналам для вентиля.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что определяют число изменений направления перемещения вентиля в определенном временном интервале и снижают усиление петли обратной связи, если это число больше максимального значения.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что при каждом превышении счет прерывают и временной интервал начинается заново.

10. Способ по одному из пп.5-9, отличающийся тем, что когда частота достаточно мала, усиление петли обратной связи повышают и изменяют заданное значение.

11. Способ по одному из пп.5-10, отличающийся тем, что в случае, если после повышения усиления петли обратной связи частота будет слишком большой, то снова используют значение усиления петли обратной связи, которое использовали перед повышением.

12. Способ по одному из пп.5-11, отличающийся тем, что усиление петли обратной связи задают в зависимости от нагрузки на установку.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что нагрузку на установку определяют по температуре нагретой жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нагревательной установке, содержащей накопительный резервуар с подводом и отводом для нагретой жидкости и питающее устройство для жидкого или газообразного теплоносителя с питающим трубопроводом, в котором расположен вентиль, датчик температуры, определяющий температуру нагретой жидкости, и регулирующий контур, приводящий в действие вентиль в зависимости от отклонения температуры от заданного значения. Изобретение также относится к способу работы нагревательной установки, при котором определяют температуру нагретой жидкости и в зависимости от отклонения этой температуры от заданного значения регулируют подвод жидкого или газообразного теплоносителя с помощью вентиля в регулирующем контуре.

Изобретение описывается в дальнейшем на примере установки для получения горячей технической воды, однако оно может использоваться и для других нагревательных установок, в которых должны снабжаться жидкостью или газом радиаторы отопления или устройства для отопления пола. Пример нагревательной установки, которая выполняет даже обе функции, известен из DE 4142547 А1. Данное изобретение исходит из этой публикации. Управление циркуляционным насосом в нагревательных установках известно из DE 2452515 А1. Здесь также используется аналогичный принцип.

Теплоносителем не обязательно должна быть вода. Им может быть также нагретый воздух, которым отапливается комната или помещение.

Нагретая жидкость получает тепло от теплоносителя. Теплоноситель может протекать через теплообменник, на другой стороне которого находится нагретая жидкость. Теплоноситель может нагреваться и непосредственно от нагревательного источника, например горелки, и затем смешиваться с нагретой жидкостью.

Для всех случаев общим является то, что подвод жидкого или газообразного теплоносителя регулируется с помощью вентиля. Если температура нагретой жидкости уменьшается, то нужно подвести дополнительное тепло, поэтому вентиль, управляющий подводом теплоносителя, открывается. Если затем температура возрастает выше заданного значения, то вентиль должен снова закрыться. В большинстве случаев вентиль расположен в подводящем трубопроводе для теплоносителя. Однако это необязательно, и вентиль в общем случае должен регулировать количество тепла, подводимого от теплоносителя. Поэтому вентиль может быть расположен в отводящем трубопроводе.

Температура нагретой жидкости также не обязательно должна определяться в накопительном резервуаре. Ее можно определять в подводящем трубопроводе, идущем от накопительного резервуара к собственно циркуляционному контуру отопления. Собственно накопительный резервуар может быть в крайнем случае относительно малым или даже может быть образован самой нагревательной установкой.

Установки такого типа должны удовлетворять следующим противоречащим друг другу условиям, с одной стороны, желательно как можно лучше поддерживать заданное значение температуры нагреваемой жидкости. Поэтому, когда происходит потребление тепла, например отбор горячей воды в точке отбора, теплоноситель должен как можно быстрее подвести соответствующее количество тепла, чтобы нагреть поступившую холодную воду. С другой стороны, установлено, что в регулирующих контурах с очень быстрой реакцией существует тенденция к возникновению колебаний. Результат такого поведения контура в установке для получения горячей воды является весьма ощутимым. Температура воды колеблется. Правда, в отопительной установке, которая питает лишь радиатор отопления или даже только одно устройство для обогрева пола, колебание температуры менее критично. Однако и в этом случае эти колебания создают существенную нагрузку на вентиль или исполнительный двигатель, от которого работает вентиль.

В основе изобретения лежит задача обеспечить быструю реакцию нагревательной установки при малой механической нагрузке.

Эта задача решается тем, что в нагревательной установке описанного выше типа регулирующий контур имеет детектор граничной частоты, который определяет колебания температуры и уменьшает усиление петли обратной связи регулирующего контура при слишком большой частоте и увеличивает при слишком малой частоте.

В такой нагревательной установке достигается автоматическое согласование усиления петли обратной связи регулирующего контура таким образом, что, с одной стороны, устраняются колебания, частота которых выходит за допустимые пределы, а с другой стороны, всегда может быть получена относительно быстрая реакция нагревательной установки на потребление тепла. При этом речь идет не о том, чтобы вообще исключить колебания температуры, а лишь о том, чтобы удерживать нагрузки, которые действуют на механические исполнительные элементы, такие как вентиль или привод, в небольших пределах, чтобы их срок службы не очень уменьшался. Усиление петли обратной связи регулирующего контура, которое в первом приближении обратно пропорционально статическому усилению регулятора, можно изменять относительно просто путем изменения статического усиления регулятора.

Детектор граничной частоты предпочтительно имеет пороговый элемент, а частота определяется с учетом выхода порогового элемента. Другими словами, при определении частоты определяются только такие колебания, амплитуда которых больше порогового значения. Тем самым вокруг заданного значения создается коридор, в котором могут происходить произвольные колебания, не оказывая влияния на частоту, которую определяет детектор граничной частоты. Детектор граничной частоты определяет, таким образом, только те колебания, которые выходят за пределы этого коридора.

Выгодно, чтобы детектор граничной частоты определял колебания температуры косвенно по управляющим сигналам или по перемещению вентиля. Регулирующий контур должен приводить в действие вентиль только тогда, когда это необходимо, т.е. если температура отклоняется от заданного значения на определенную величину. Если подобное отклонение произошло, то эта разность уже присутствует, так как ею определяется перемещение вентиля, или, что легче зафиксировать, сигнал, вызывающий перемещение вентиля. Таким образом, в регулирующем контуре используется уже имеющаяся информация.

Задача изобретения решается также тем, что в способе описанного выше типа определяют частоту колебаний температуры, и усиление петли обратной связи уменьшают, если частота слишком большая, и увеличивают, если частота достаточно мала.

Как уже указано выше, таким образом получают регулирующий контур, который всегда работает с максимально возможным усилением петли обратной связи, не попадая в режим недопустимых колебаний. Тем самым достигается очень быстрая реакция, и при этом механические элементы конструкции, такие как привод и вентили, не подвергаются большой нагрузке. Усиление петли обратной связи устанавливается адаптивно, т.е. точно приспосабливается к соответствующей ситуации. Оно может быть различным для разных установок и для одной и той же установки в разное время.

Предпочтительно определяют частоту лишь таких отклонений, которые превышают определенную разность с заданным значением. Таким образом, вокруг заданного значения образуется коридор, в котором допускаются колебания с произвольной частотой. Эти колебания не создают чрезмерной нагрузки на исполнительные элементы, так как вызывают очень малые регулировочные перемещения. Для пользователя, который отбирает горячую воду, колебания внутри этого коридора едва заметны и поэтому приемлемы.

Частоту можно определять косвенно исходя из перемещения вентиля и/или из управляющих сигналов для вентиля. Управляющие сигналы или вызванные ими перемещения вентиля являются непосредственным следствием отклонений температуры от заданного значения. Таким образом, информация об отклонении имеется в распоряжении и заложена в сравнительно легко регистрируемых сигналах, которые можно обработать с относительно малыми затратами.

Предпочтительно определяют число изменений направления перемещения вентиля в определенном временном интервале и снижают усиление петли обратной связи, если это число больше максимального значения. Тогда вместо определения частоты можно ограничиться простым подсчетом, который должен осуществляться за определенный временной интервал. Если выбрать временной интервал, например 5 минут, то можно допустить определенное число, например от 3 до 10, изменений направления перемещения вентиля, при котором нестабильность не определяется. Если направление изменяется большее число раз, чем допустимо, то система считается нестабильной и усиление петли обратной связи снижается.

При этом особенно предпочтительно, чтобы счет прерывался при каждом превышении и временной интервал начинался заново. Благодаря этому стабильное состояние достигается быстрее. Чем нестабильнее система, тем выше частота, т.е. тем чаще изменяется направление перемещения вентиля. Следовательно, для выполнения корректировки, когда критерий удовлетворяется, не нужно ждать, когда окончится весь временной интервал. Это снижает нагрузку на механические конструктивные элементы и дает позволяет намного быстрее достичь стабильного состояния.

Предпочтительно при достаточно малой частоте повышать усиление петли обратной связи и изменять заданное значение. Таким образом, не только повышают усиление петли обратной связи, но и изменяют заданное значение, чтобы установить, будет ли затем система, т.е. регулирующий контур, находиться в состоянии колебаний. В системе, не находящейся в состоянии колебаний, увеличение усиления петли обратной связи еще не приводит к колебаниям автоматически, так что нет уверенности, является ли усиление петли обратной связи подходящим. Поэтому путем изменения заданного значения создают скачок, который предоставляет требуемую информацию.

Если после повышения усиления петли обратной связи частота будет слишком большой, то предпочтительно используют значение усиления петли обратной связи, которое использовали перед повышением. Тем самым надежно доходят до "границы". При одинаковой нагрузке имеется информация, при каком усилении петли обратной связи регулирующий контур еще стабилен, и информация о том, что при дальнейшем повышении регулирующий контур становится нестабильным. Тогда можно снова вернуться к предыдущему усилению петли обратной связи, без необходимости проведения новой итерации.

Согласно особенно предпочтительному варианту выполнения усиление петли обратной связи задают в зависимости от нагрузки на установку. Это позволяет дополнительно защитить систему регулирования или ее подвижные элементы от нагрузки, вызванной слишком частыми перемещениями. Если потребление в установке мало, например, отбирается лишь небольшое количество горячей воды, то тогда обходятся малым усилением регулятора. Быстрая реакция также не является необходимой. То же самое справедливо и тогда, когда, например, при снижении заданного значения температуры в ночное время большинство вентилей радиаторов нагревательной установки зхакрываются, так что потребляется или отводится лишь небольшое количество тепла. Если же имеет место потребление, например, отбирается горячая вода или отворачивают вентили радиаторов отопления, то необходима быстрая реакция установки и можно переключиться на большее усиление петли обратной связи. В этом случае, где в качестве дополнительного критерия применяется потребление, можно пропустить часть итерационных действий с несколькими ступенями.

Нагрузку на установку предпочтительно определяют по температуре нагретой жидкости. Эти действия выполняются достаточно быстро и не требуют использования дополнительных конструктивных элементов. Если установка нагружена, например, в результате отбора горячей воды, то температура в накопительном резервуаре из-за подвода соответствующего количества холодной воды относительно быстро снижается. Поэтому можно относительно быстро повысить усиление петли обратной связи, не опасаясь того, что это непосредственно приведет к колебаниям. Если затем спустя некоторое время возникают колебания, то можно считать, что нагрузка на установку закончилась и вернуться снова к значению усиления петли обратной связи, соответствующему холостому ходу.

Далее изобретение описывается подробнее на примере предпочтительного варианта выполнения со ссылками на чертежи, на которых

фиг.1 схематично изображает нагревательную установку для получения горячей воды,

фиг.2 схематично изображает управляющее устройство,

фиг.3 изображает графики снижения усиления петли обратной связи,

фиг.4 изображает графики повышения усиления петли обратной связи и

фиг.5 схематично поясняет функции защиты системы.

На фиг.1 схематично изображена нагревательная установка 1 для получения горячей технической воды, которая отбирается через водопроводные краны 2 или другие точки отбора. Водопроводные краны 2 подвешены на на кольцевом трубопроводе 3, включающем подводящий трубопровод 4 и отводящий трубопровод 5, соединенные с накопительный резервуаром 6, например бойлером. В кольцевом трубопроводе 3 расположен циркуляционный насос 7, обеспечивающий поступление горячей воды в водопроводные краны без существенной задержки.

Накопительный резервуар 6 выполнен в виде теплообменника, на первичной стороне 8 которого предусмотрены питающий трубопровод 9 и сливной трубопровод 10 для жидкого или газообразного теплоносителя. Жидким теплоносителем может быть вода, подаваемая от отопительного котла, теплоносителем также может быть жидкость, которая используется в установке дистанционного отопления для передачи тепла. Конкретный способ нагревания жидкого теплоносителя не играет большой роли.

В питающем трубопроводе 9 расположен вентиль 11, который может открываться или закрываться с помощью двигателя 12. Двигатель 12 может быть выполнен, например, в виде шагового двигателя, так что могут быть установлены различные положения открытия вентиля 11.

В подводящем трубопроводе 4 установлен датчик 13 температуры, определяющий температуру горячей воды в подводящем трубопроводе 4. Датчик 13 температуры соединен с управляющим устройством 14, которое, в свою очередь, управляет двигателем 12. Управляющее устройство 14 имеет вход 15 для ввода заданного значения температуры в накопительном резервуаре 6. Это заданное значение называется также "номинальным значением".

Когда через водопроводный кран 2 отбирается горячая вода, одновременно накопительный резервуар 6 пополняется через подводящий трубопровод 16 холодной водой. Обратный клапан 17 предотвращает протекание воды из кольцевого трубопровода 3 в трубопровод 16. При поступлении холодной воды температура находящейся в бойлере 6 горячей воды снижается. Это снижение температуры определяется датчиком 13 температуры. В соответствии с этим снижением температуры управляющее устройство 14 включает двигатель 12, который открывает вентиль 11. Таким образом, указанные элементы образуют регулирующий контур 18. Управляющее устройство 14 образует собственно "регулятор", имеющий статическое усиление Хр. Обратная этому статическому усилению Хр величина представляет собой усиление V петли обратной связи.

Упрощенная схема управляющего устройства 14 представлена на фиг.2. Входы и выходы управляющего устройства 14 обозначены позициями элементов, с которыми они соединены на фиг.1.

Управляющее устройство 14 содержит дифференциальный усилитель 23, на который подается заданное значение через вход 15 и фактическое значение температуры от датчика 13 температуры. В зависимости от разности между этими значениями вырабатывается соответствующий управляющий сигнал для двигателя 12. Разумеется, статическое усиление этого дифференциального усилителя 23 является переменным. Для изменения статического усиления служит детектор 19 граничной частоты, который получает такие же сигналы, что и двигатель 12, а также значения фактической температуры и номинальной температуры. Эти сигналы или значения подаются на устройство 20 обработки, которое, как будет описано ниже, при определенных условиях генерирует импульс и, кроме того, имеет пороговый элемент. Импульсы поступают на счетчик 21, соединенный с задатчиком 22 времени, который задает счетчику 21 начало и конец определенного временного интервала. Выход счетчика 21 соединен со входом установки исходного состояния задатчика 22 времени и с дифференциальным усилителем 23, более конкретно, с его входом, предназначенным для регулировки коэффициента усиления, т.е. статического усиления.

Принцип работы регулирующего контура 18 поясняется на фиг.3.

На фиг 3а дана кривая T _ist изменения температуры в подводящем трубопроводе 4. Штриховая линия соответствует заданному значению T_set , т.е. номинальному значению температуры. По обе стороны от номинального значения T_set расположена нейтральная зона Nz. Как видно на фиг.3а, температура T_ist сначала колеблется сравнительно сильно. Дифференциальный усилитель 23 вырабатывает в заданные временные интервалы импульсы, показанные на фиг.3b, для приведения в действие двигателя 12. До тех пор, пока фактическая температура T_ist меньше, чем номинальная температура T_set, двигатель будет приводиться во вращение в одном направлении (оn+). В случае обратной ситуации двигатель приводится во вращение в другом направлении (on-). Это представление является, разумеется, лишь примером, и возможны другие способы управления вентилем 11.

Для данной нагревательной установки считается, что повторяющееся перемещение вентиля 11 не является критичным, если оно осуществляется в одном и том же направлении. Желательно лишь предотвратить слишком частое и большое по величине изменение направления вращения двигателя 12 и направление перемещения вентиля 11.

Определенным образом (подробно не описано) из отдельных импульсов, представленных на фиг.3b, выводится характеристика изменения направления перемещения, изображенная на фиг.3с. Фиг.3d изображает выходное значение счетчика 21, которое при каждом изменении направления увеличивается на единицу. Задатчик 22 времени задает определенный временной интервал, показанный на фиг.3а. Все временные интервалы Z1, Z2, Z3 принципиально имеют равную длительность.

Если в пределах одного временного интервала Z1 оказывается, что содержимое счетчика 21 превысило определенное счетное значение, то повышается коэффициент усиления Хр дифференциального усилителя 23 и тем самым снижается усиление V петли обратной связи. Одновременно счетчик 21 снова устанавливается на нуль и задатчик 22 времени возвращается в исходное состояние. Поэтому счетный временной интервал Z2 начинается раньше, чем полностью окончится счетный временной интервал Z1. При этом исходят из того, что можно совсем не знать, как велика ошибка сама по себе. Чтобы произвести корректировку, достаточно знать, что ошибка имеется.

На фиг.3е показано, что усиление V петли обратной связи каждый раз снижается, когда содержимое счетчика 21 достигает в пределах одного счетного интервала Z определенного значения, в данном случае значения 3. Очевидно, что необходимы две корректировки, прежде чем усиление V петли обратной связи станет настолько малым, что хотя фактическая температура T_ist еще колеблется, но амплитуда этих колебаний находится большей частью в пределах нейтральной зоны. В этом случае в течение счетного временного интервала Z3 произошло лишь два изменения направления. Фактическая температура Т_ist в основном удовлетворяет условию:

T_set-0,5Nz<T_ist<0,5Nz+T _set.

Усиление V петли обратной связи соответствует величине, обратной статическому усилению Хр дифференциального усилителя 23. Можно теперь вывести следующий алгоритм. Вначале устанавливается

где постоянная и > 0. Предпочтительно, чтобы была меньше единицы. После повышения статического усиления Хр, что соответствует снижению усиления V петли обратной связи, запускается детектор 19 граничной частоты. Если детектор граничной частоты определяет нестабильность, например, число изменений направления внутри одного счетного временного интервала Z1, Z2, ... Zn, равное 3 или более, то статическое усиление Хр, как указано выше, повышается. В случае, если подсчитанное число изменений направления не достигло критической величины, то считается, что стабильное состояние достигнуто и это статическое усиление сохраняется.

Таким образом, способ по существу делится на две фазы. В первой фазе определяют, имеются ли "критические" колебания и в соответствии с полученным результатом изменяют усиление петли обратной связи. Во второй фазе осуществляют контроль стабильности.

Если в первой фазе граничные колебания не обнаружены, то усиление петли обратной связи повышается до тех пор, пока не будет наблюдаться нестабильный счетный интервал, при этом процесс регулировки прерывается и выбирается усиление предыдущего стабильного счетного интервала. На фиг.4 показаны действия при повышении усиления петли обратной связи. Вначале снижают статическое усиление Хр, например, устанавливают

где - постоянная, которая больше нуля и предпочтительно меньше единицы. может иметь такое же значение, как Х, но как правило, она имеет другое значение.

Затем изменяется номинальная температура T_set

T_set=T_set+sp.

Для этого в управляющем устройстве предусмотрены задатчик 24 постоянного значения и переключаемый инвертирующий усилитель 25, соединенный с точкой 26 суммирования. В соответствии с этим инвертирующий усилитель переключается, т.е. устанавливается

sp=-sp.

Изменение номинального значения T_set вызывает скачок, который должен привести к колебаниям. Без этих колебаний нестабильность нельзя определить путем изменения усиления V петли обратной связи. После изменения номинального значения T_set выдерживается время задержки t, после чего запускается детектор 19 граничной частоты. До тех пор, пока детектор граничной частоты определяет стабильное состояние регулирующего контура 18, указанный процесс повторяется, т.е. усиление V петли обратной связи повышается.

Спустя некоторое время усиление V петли обратной связи станет настолько больший, что в регулирующем контуре 18 возникают колебания. В примере на фиг.4 это происходит в момент времени t3. В этом случае устанавливают первоначальное значение номинальной температуры T_set и статическое усиление Хр

Xp=Xp/(1-),

и процесс регулировки заканчивается. Таким образом, усиление V петли обратной связи снова устанавливают таким, при котором имело место последнее стабильное состояние.

Если в результате регулировки, показанной на фиг.3 или 4, достигнуто стабильное состояние, дальнейшая регулировка не производится и считается законченной. Новый процесс регулировки начинается лишь в случае, если будет обнаружена новая нестабильность, например, вследствие изменения нагрузки, которое приводит к колебательному движению вентиля.

На фиг.3 показано, как еще можно изменять усиление V петли обратной связи. При этом осуществляется функция защиты системы, благодаря которой можно не допустить колебаний при малых нагрузках, вблизи холостого хода.

В этом варианте различают высокое и низкое усиление петли обратной связи, которые можно переключать. Цель этой защитной функции состоит в том, чтобы стабилизировать и оптимизировать нагреватлельную установку 1 в зависимости от нагрузки на нее.

Высокое усиление V петли обратной связи, обозначенное V1 на фиг.5, действует при нормальной нагрузке на нагревательную установку 1. Это усиление V1 петли обратной связи можно определить, например, при помощи описанной выше процедуры автоматической регулировки. Могут быть предусмотрены средства для запоминания этого коэффициента усиления (не показаны).

Низкое усиление V2 петли обратной связи используется на холостом ходу.

Детектор 19 граничной частоты используется, только когда заканчивается потребление. В этом случае высокое усиление V1 петли обратной связи приводит к колебаниям со слишком большими амплитудой и частотой. Если после очередного повышения усиления петли обратной связи такие колебания обнаружатся, то оно переключается с высокого значения V1 на более низкое значение V2, в результате чего система снова стабилизируется.

Для определения перехода от холостого хода к режиму потребления используется сопровождающее этот переход снижение температуры. Это происходит, например, в момент времени t2 на фиг.5. Отбор воды осуществляется между моментами времени t2 и t3. Наличие нагрузки, в данном случае отбор воды, определяется, когда фактическая температура падает ниже номинальной температуры T_set на величину Dz. В этом случае усиление петли обратной связи повышается до значения V1. Благодаря этому регулятор приобретает быстродействие, необходимое для нормального потребления. В момент времени t3 отбор заканчивается. Так как усиление петли обратной связи является слишком высоким, то во время счетного интервала Z2 возникают колебания. Они обнаруживаются детектором граничной частоты, и в момент времени t4 снова устанавливается усиление петли обратной связи, равное V2. Усиление V2 петли обратной связи может быть найдено путем соответствующих итераций при его повышении.