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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Regelung
von Kälte-, Klima-, Lüftungs-, Druckluft- und
Hydraulikanlagen auf der Basis eines Mikrocomputers mit RAM, ROM
und Inputs/Outputs sowie Schnittstellen, einem Webserver und einer
Datenaufzeichnung.
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Es
sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Regelungssystemen für
Kälte-, Klima-, Lüftungs-, Druckluft- und Hydraulikanlagen
bekannt. Die Regelungsanordnungen sind jeweils für die
konkrete Anlage mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Produkten ausgeführt.
Die Vielfalt der am Markt angebotenen Produkte erfordert einen hohen
Aufwand bei der Auswahl der geeigneten Produkte sowie für
die Dokumentation, die Ersatzteilhaltung und den Service.
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Aus
der
DE 101 61 576
A1 ist eine Steuerungsvorrichtung für ein Kühlgerät
mit einem Prozessor und mehreren Sensoren bekannt. Der Betrieb des
Kühlgerätes wird in Abhängigkeit von
den von den Sensoren ermittelten Werten über den Prozessor gesteuert.
Der Prozessor weist einen programmierbaren Speicherbereich auf,
in dem unterschiedliche Betriebsdaten, insbesondere unterschiedliche
Temperaturprofile, abgespeichert sind. Die Betriebsdaten sind über
eine Schnittstelle auswählbar, veränderbar und
auslesbar.
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In
der
DE 198 00 854
C1 sind ein Verfahren und eine Kontrollarmatur zum Messen,
Kontrollieren und Auswerten physikalischer Parameter von im Kreislauf
geführten gasförmigen und/oder flüssiggasförmigen
Druckmedien und/oder Kältemitteln beschrieben. Die Kenndaten
der Kältemittel werden als Konstante der Zustandsgrößen
kritische Temperatur, kritische Dichte und kritischer Druck einschließlich der
dazu gehörigen Korrekturfaktoren und/oder in Form sämtlicher
Temperatur- und Druckwerte der Sattdampftafel elektronisch in der
Kontrollarmatur gespeichert. An Hand der gespeicherten für
die Kältemittel und der gemessenen Drücke werden
mittels eines in der Kontrollarmatur befindlichen Mikroprozessors
die zu den gemessenen Drücken zugehörigen Verdampfungs-
oder Kondensationstemperaturen berechnet oder ausgewählt.
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Bekannt
sind auch Regelungssysteme für Kälte-, Klima-
und Lüftungsanlagen verschiedener Hersteller, die mit relativ
einfachen bis teuren komfortablen Ausstattungen an unterschiedliche
Anlagen angepasst werden können. Dabei kann man Regelgeräte
nur eines Herstellers verwenden. Da es sich zumindest bei komfortablen
Anlagen um mikroprozessorgesteuerte Geräte handelt, gilt
das auch die Software.
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So
ist aus dem Firmenprospekt Elreha, Februar 2006 ein Steuerungssystem
für Kältemittel-Verbunde und Verbundanlagen mit
Kälteträgerkreisläufen VPR 5000 bekannt,
das eine Zentraleinheit mit LC-Bildschirm und modulare Baugruppen
enthält, die einen Ausbau für viele Anlagen ermöglicht.
Kompakte Module mit Analog-Ein-/Ausgängen, Digital-Eingängen
und Relais-Ausgängen sind anreihbar und über einen
Datenbus verbunden. Über den Datenbus können bis
64 Kühlstellenregler, d. h. nur Temperaturregler, angeschlossen
werden. Die maximal mögliche Anzahl von Kühlstellenreglern
ist für größere Anlagen zu gering. Die
Daten eines integrierten Protokolliersystems können per
Schnittstelle oder Modem abgeholt werden. Dieses System ist für
andere Anlagen nicht geeignet und erfordert ein relativ großes
Elektronik-Gefäß.
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Bekannt
ist ein Gebäudeautomationssystem DESIGO aus dem Firmenprospekt
Siemens, 27.05.2008 mit Einzelraumregelung mit einem Sortiment von
Einzelraumreglern für Heizungs-, Klima- und Lüftungsanlagen.
Das System regelt, steuert und überwacht die Temperatur-,
Luft- und Klimaverhältnisse in Räumen und geschlossenen
Zonen. Durch die modulare Konzeption lässt sich die Steuerung von
Beleuchtungskörpern und Jalousien in das System integrieren.
Der Benutzer kann über eine Bedieneinheit alle Raumfunktionen
(Klima, Licht, Jalousien) nach seinen Bedürfnissen regulieren.
Alle Geräte kommunizieren über das standardisierte
LonTalk-Protokoll und können vollständig in das
Gebäudeautomationssystem integriert werden.
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Für
die Gebäudetechnik ist als einfache Lösung ein
autonomer Temperaturregler mit wenigen mechanischen Bedienelementen
bekannt, der zusammen mit einem Temperaturfühler direkt
in der Anlage montierbar ist und dort als Tauch-, Raum- oder Luftkanal-Temperaturregler
fungieren kann. Zur Inbetriebnahme sind nur die Speisespannung und
der Reglerausgang anzuschließen sowie die gewünschten
Einstellungen an den wenigen mechanischen Bedienelementen vorzunehmen.
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Um
höhere Anforderungen zu erfüllen, ist ein System
Synco aus dem Firmenprospekt Siemens, 27.05.2008 mit einem autonomen,
universalen HLK-Regler sowie einem kommunikativen, modularen HLK-Regler
bekannt. Mit Hilfe vordefinierter, erprobter Standardanwendungen
kann für eine Vielzahl von Anwendungsfällen die
optimale Regelung und Steuerung (inklusive Fühler und Stellglieder) realisiert
werden. Es können Temperatur, Feuchte, Druck und andere
HLK-spezifischen Messgrößen einbezogen werden.
Durch die integrierten und bereits getesteten Anwendungen beschränkt
sich die Inbetriebnahme auf die Eingabe der gewünschten Applikationsnummer
am Regler. Die gewählte Anwendung kann jederzeit angepasst
werden. Auch die Inbetriebnahme der Kommunikation ist einfach, da ein
aufwändiges Bus-Engineering entfällt. Der kommunikative,
modulare HLK-Regler kann Regeln, Steuern, Kontrollieren und Kommunizieren.
Die Anwendungen werden über den offenen Konnex-Bus als
offene Standardkommunikation optimal und automatisch aufeinander
abgestimmt, z. B. Austausch des Wärmebedarfs, der Anlagenzustände
oder der Außentemperatur. Durch die modulare Sortimentsgestaltung
können Erweiterungsmodule jederzeit hinzugefügt
werden. Die Inbetriebnahme erfolgt mit einem Bediengerät
und die Bedienung intuitiv im Klartext. Eine Fernbedienung ist bisher
nicht möglich.
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Ebenfalls
bekannt ist ein komplettes Regelungspaket PolyCool aus dem Firmenprospekt
Siemens, 27.05.2008 für die Kälte- und Klimatechnik, das
aus Überhitzungsregler, elektronischem Einspritzventil
sowie Druck- und Temperaturfühler besteht und sich für
alle Kälteanlagen mit Trockenexpansions-Verdampfer eignet.
Regler und Peripheriegeräte sind speziell auf die Überhitzungsregelung
abgestimmt und bewirken eine optimale Füllung des Verdampfers
in jedem Lastfall. Durch diverse Überwachungsfunktionen
werden Betriebssicherheit und Lebensdauer der Anlage erhöht.
Im Regler ist die MOP-Funktion (Maximum Operating Pressure) sowie die Überwachung
der Fühler und die minimale Überhitzung integriert.
Alle notwendigen Einstellungen werden direkt am Regler vorgenommen,
es sind keine Hilfsmittel oder Tools erforderlich. Optional ist
eine Regelung der Kühlleistung konfigurierbar.
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Bekannt
ist auch ein universelles Überwachungs- und Protokolliersystem
auf Internetbasis für Kühlanlagen UNISystem mit
dem UNIServer und UNICenter aus dem Firmenprospekt Elreha, Oktober 2006.
Der UNIServer besitzt Schnittstellen, die ihm erlauben, mit den
Regelsystemen einer Kühlanlage zu kommunizieren. Unterschiedliche
Schnittstellenarten ermöglichen den Anschluß verschiedener
Produkte. Er erfasst alle Stör- und Statusmeldungen und zeichnet
beliebige Messwerte auf. Der UNIServer kann mit seinem Netzwerkanschluß in
ein bestehendes PC-Netzwerk integriert und über einen DSL-Anschluß mit
dem Internet verbunden werden. Die Hardware des UNIServers ist kompakt,
enthält aber keine Reglernetzwerke sowie keine Ein- und
Ausgänge. Diese müssen extern angeordnet werden
und die Anzahl ist auf 64 Regler gleicher Funktion pro Reglernetzwerk
begrenzt, was für einen großen Teil der Anlagen
nicht ausreichend ist. Es ist vorgesehen, dass mehrere UNIServer über
einen UNICenter, der eine zentrale Sicherung aller Anlagendaten
und eine Anlagenübersicht aufweist, mit dem Internet verbunden
werden können. Solche Unternetzwerke erfordern einen hohen
Aufwand und damit auch hohe Kosten.
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Aus
dem Firmenprospekt Elreha, September 2006 ist ein Regler TKP/TKC
für alle Arten von Kühlstellen mit bis zu 4 unabhängigen
Regelkreisen für Einzel- und Netzwerkbetrieb bekannt. Der
Regler weist ein LC-Display mit Klartextanzeige, 6 analoge Eingänge
für Temperaturfühler, 4 frei konfigurierbare Digitaleingänge
und 6 Relaisausgänge auf. Ein intelligentes, lernfähiges
Abtausteuerungsverfahren ist speziell für Kühlräume
geeignet. Der Regler besitzt außer einem Netzwerkanschluss
keine weiteren Kommunikationseingänge und keine Webvisualisierung.
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Der
Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Anordnung und ein Verfahren
zur Regelung von Kälte-, Klima- Lüftungs-, Druckluft-
und Hydraulikanlagen auf der Basis eines Mikrocomputers vorzuschlagen,
die eine Realisierung mit einer einzigen, erweiterbaren, einfach
und kompakt aufgebauten Baueinheit für eine Vielzahl von
unterschiedlichen Anlagen mit Komponenten verschiedener Hersteller und
eine einfache Fernbedienung/Fernüberwachung durch einen
Bediener ohne Programmierkenntnisse über bekannte Kommunikationsmittel
ermöglichen.
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Das
Problem wird erfindungsgemäß durch die in den
Ansprüchen 1 und 12 angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11
und 13 bis 16 enthalten.
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Die
Anordnung zur Regelung von Anlagen auf der Basis eines Mikrocomputers
mit ROM und RAM, Schnittstellen, sowie einem Webserver und einer
Datenaufzeichnung ist erfindungsgemäß als eine kompakte
Baueinheit zur Regelung von Kälte-, Klima-, Lüftungs-,
Druckluft- und Hydraulikanlagen mit Komponenten unterschiedlicher
Hersteller aufgebaut und umfasst:
- – einen
Mikroprozessor mit einer Vielzahl in der Funktion frei programmierbaren
Reglern
- – einen Webserver als Reglerfunktions-Bedieneinheit;
- – einen Netzwerkanschluss;
- – mehrere, in der Funktion frei programmierbare Multiporteingänge
für Istwert-Reglersignale;
- – Kommunikationsschnittstellen für interne
und externe Netze und/oder Bluetooth;
- – standardisierte Schnittstellen zur Kommunikation
mit der Anlage;
- – mehrere Analog- und Digitalausgänge zur
Ansteuerung der Anlagenkomponenten;
- – eine funktionsbezogene Eingabe über ein
Kommunikationsmittel sowie
- – eine externe Klartextanzeige und/oder Fernabfrage
und/oder Programmierung über Kommunikationsschnittstellen.
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In
der freien Programmierung können die Regler mit einem in
der Programmiersoftware enthaltenen Funktionsbaustein als Temperatur-,
Druck- und Drehzahlregler mit in der Funktion freien Ein- und Ausgängen
bestimmt werden. Die Programmierung erfolgt vorzugsweise nach IEC
61131 und beinhaltet eine Vielzahl von Reglern, wie z. B. P, I,
D, PD, PI, PID, Zeitglieder, Verknüpfungen, Zähler,
Wandler für physikalische Werte, Rechenoperationen, Vergleicher,
Impulsgeber, Taktgeneratoren usw..
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Die
Regler können auch als autoadaptive Trendregler ausgeführt
sein.
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In
einer sehr zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
ist zur Protokollierung und Aufzeichnung von Anlagendaten und Ereignissen
an die USB-Schnittstelle ein externer USB-Datenträger anschließbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
- • eine Erstprogrammierung der Hardware-Treiber;
- • eine Erstprogrammierung der Funktionsprogramme in
der Reihenfolge:
– Druckregelung von Druckluftkompressoren
und Hydraulikpumpen oder
– Druckregelung/Temperaturregelung
von Kältekompressoren mit 0–10 V-Ansteuerungen
und als Stufenschaltung und/oder für eine Drehzahlregelung
und
– Druckregelung/Temperaturregelung von Verflüssigern
mit 0–10 V-Ansteuerungen und als Stufenschaltung und/oder
für eine Drehzahlregelung und
– Temperaturregelung
von Verdampfern mit und ohne Abtauheizung, elektronisches Expansionsventil,
Verdampferlüfter, thermostatisches Expansionsventil und
– Temperaturschockregelung
für Verdampfer mit und ohne Abtauheizung, Elektronisches
Expansionsventil, Verdampferlüfter, thermostatisches Expansionsventil
oder
– Klimaregelung für Innenraumklimageräte,
Lüftungsanlagen, Wärmepumpen, Wärmerückgewinnungen,
Heizungsanlagen, Fahrzeugklimaanlagen;
- • SPS-Funktion nach IEC 61131;
- • Eingabe/Auswahl der gewünschten Anwendungsfunktion
durch den Anwender als Klartext über eine Schnittstelle
und ein vorhandenes Kommunikationsmittel.
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Mit
der SPS-Funktion nach IEC 61131 haben die Anwender die Möglichkeit,
Sonderfunktionen selbst zu programmieren oder programmieren zu lassen.
Da ein Target für diese Hardware vorhanden ist, können
alle SPS-Anbieter, die der Automation Allianz angehören
das Target in ihre Software einladen und das erfindungsgemäße
System bedienen und programmieren.
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Das
erfindungsgemäße Anordnung dient nicht nur der
eigenständigen Regelung, sondern kann auch als eigene Erweiterung
von Ein- und Ausgängen genutzt werden. Für den
weitaus größten Teil der Kälte-, Klima-,
Lüftungs-, Druckluft- und Hydraulik-Anlagen ist ein einziges
Gerät ausreichend. Nur bei besonders umfangreichen Anlagen
muss ein zweites baugleiches Gerät eingesetzt werden.
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Der
Aufbau ist so gewählt, dass ein weiter Bereich bei der
Spannungsversorgung realisiert werden kann und eine hohe mechanische
und thermische Belastung möglich ist.
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Durch
die Bus-Systeme des erfindungsgemäßen Gerätes
sind auch Aufschaltungen und Kommunikation zu anderen Geräten
anderer Hersteller möglich. Durch die Ethernetschnittstelle
kann eine Vernetzung in Büro-, Industrie- und Privatgebäuden im
Rahmen der Möglichkeiten des Ethernets erfolgen. Dieses
Gerät kann selbstständig mit dem Internet kommunizieren
und z. B. eine E-Mail oder eine SMS bei Störung oder Temperaturalarm
versenden. Die Ethernetschnittstelle ist eine 10/100 Mbit-Schnittstelle.
Somit sind Verbindungskabel oder ein Switch überall beschaffbar.
Netzwerkbetreuer können das Netzwerk der Regler mit betreuen.
Durch die Erfindung können auch bei der Installation, Lagerhaltung und
beim Service durch den Betreiber enorme Kosten eingespart werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Die
zugehörigen Zeichnungen zeigen.
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1:
den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Anordnung
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2:
die erfindungsgemäße Anordnung mit Ein- und Ausgängen
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3:
die erfindungsgemäßen Anordnung mit den Kommunikationsschnittstellen
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4:
die Kommunikationsmöglichkeiten der Erfindung
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In
der 1 ist der Grundaufbau der erfindungsgemäßen
Anordnung mit seinen Funktionseinheiten und Kommunikationsein- und
-ausgängen dargestellt. Der Micro-Prozessor-Schaltkreis
(MPU) ist verbunden mit den Eingängen der internationalen Schnittstellen
USB (Universal Serial Bus) für USB-Datenträger
und CAN (Controller Area Network) der Industrie sowie dem Phillips-Bussystem
I2C für Erweiterungen, dem Webserver,
den Multiporteingängen sowie den Analog- und Digitalausgängen. Der
Webserver steht mit dem Netzwerkanschluss, vorzugsweise für
Ethernet, in Verbindung. Über den Netzwerkanschluss kann
eine Webvisualisierung, eine Kommunikation über E-Mail,
SMS oder Büro-, Industrie- und Privatnetzwerke erfolgen.
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Nach 2 sind
die Ein- und Ausgänge näher ausgeführt.
Die Eingänge 1 des erfindungsgemäßen
Gerätes sind Multifunktionseingänge, die als Digitaleingang,
als Analogeingang 0–5 V, als Fühlereingang oder
als Drucksensor genutzt werden können.
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Die
Analogausgänge 2 geben ein Normsignal von 0–10
V DC aus. Weiterhin besitzt das Gerät Digitalausgänge 3 zum
Schalten der Anlagenkomponenten. Die potenzialgetrennten Digitalausgänge 3 können
als elektromechanische Relais oder Halbleiterschalter/Halbleiterrelais
für pulsierende Anwendungen ausgeführt sein. Die
Relais können einen Sockel 4 aufweisen und somit
auswechselbar im Falle eines Defektes sein. Die Ein- und Ausgänge
sind mehrfach vorhanden. Eine Beschränkung der Einsatzmöglichkeiten
durch fehlende Ein- und Ausgänge ist nicht gegeben, da
das erfindungsgemäße Gerät durch baugleiche
Geräte erweitert werden kann.
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Die
Darstellung und Bedienung des Systems wird in HTML, Java, XML über
einen Webbrowser als Webvisualisierung getätigt. Eine zusätzliche
Software ist nicht notwendig. Die Bedienung kann wie in 3 dargestellt,
mit einem PC, Notebook, Hand PC oder Mobiltelefon erfolgen. Da mindestens
eines dieser Geräte in allen Unternehmen vorhanden ist,
bedeutet eine Umstellung auf das erfindungsgemäße System
fast immer eine Kostenminimierung für die Betreiber. Aufgrund
der einfachen Internetanbindung ist eine Fernüberwachung über
Internet integriert. Das Gerät nach der Erfindung ist auch
mit einer USB-Schnittstelle ausgerüstet. Diese dient dazu, eine
Datenaufzeichnung nach HACCP durchzuführen und auf einem
beliebigen USB-Speicher zu speichern. Diese Daten können
auch über die Webvisualisierung abgefragt werden.
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Die 4 zeigt
die Kommunikationsmöglichkeiten der Erfindung. Eine Kommunikation
einer oder mehrerer erfindungsgemäßen Anordnungen
mit einem Notebook, PC, Hand-PC oder Mobiltelefon ist über
einen WLAN- und/oder einen Bluetooth-Koppler ohne Probleme möglich.
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Bei
der Entwicklung der Erfindung stand die Bedienbarkeit durch den
Betreiber im Vordergrund. Die Betreiber haben im Allgemeinen wenig
Zeit und manchmal auch nicht das technische Verständnis, sich
mit den unzähligen Parametern und der Bedienung von mehreren,
unterschiedlichen Reglern von verschiedenen Herstellen auseinander
zusetzten. Nach der Erfindung erfolgt die Auswahl nicht nach Parametern,
sondern nach Anwendungsfunktionen. Als ein Beispiel sollen unverpackte
Früchte gekühlt werden. Das bedarf einer ganz
bestimmten Temperatur, einer ganz bestimmten Laufweise des Verdampfers
und einer automatischen Abtauung. Der Betreiber gibt nicht die unzähligen
Funktionen für die einzelnen Anlagenkomponenten ein, sondern
nur „Früchte unverpackt”. Alles andere
wählt der Regler selbst und stellt sich eigenständig
ein. Diese Eingabeerleichterung gilt für alle oben aufgelistete
Regelprozesse.
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Das
erfindungsgemäße Gerät ermittelt durch seine
Software ständig alle seine Anlagenparameter eigenständig
und passt selbsttätig seine Regelparameter an. Ein Nachjustieren
durch den Betreiber oder den Service ist nicht notwendig.
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Eine
Ausweitung der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung auf
andere Bereiche wie Bergbau, Militärtechnik, andere Industriezweige,
Medizintechnik, Schiffbau und Landwirtschaft, die über
Kälte-, Klima- und Lüftungs-, Druckluft- und Hydraulikanlagen
hinaus gehen, ist durch einfache Softwareanpassung möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10161576
A1 [0003]
- - DE 19800854 C1 [0004]