DE102010033428A1 - Steuerung für ein Stellglied - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Steuerung (11) für ein Stellglied (4). Die Steuerung (11) weist einen Energiewandler (6) auf, der Umgebungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Dadurch ist die Steuerung (11) im Wesentlichen energieautark. Zur Minimierung des Energiebedarfs wird die Steuerung nur aktiv, wenn sie einen Steuerbefehl von einem externann beispielsweise eine Aktorposition sein, an die der Aktor (5) des Stellglieds (4) bewegt wird.

Description

• Die Erfindung beschreibt eine Steuerung für ein Stellglied, mit einer Spannungsversorgung, einem Empfänger für Steuerbefehle und einer Aktorsteuerung für wenigstens ein Stellglied.
• Ein solches Stellglied kann beispielsweise ein Ventil in einem Flüssigkeitskreislauf sein. Insbesondere ist das Stellglied ein Heizkörperventil, das an einem Heizkörper angeordnet ist und die Durchflussmenge des Heizwassers regelt.
• Stand der Technik sind hier Thermostatventile, welche die Durchflussmenge durch ein Bimetall-basiertes Stellglied regeln, wobei das Stellglied direkt durch die Umgebungstemperatur gesteuert ist. Solche Ventile arbeiten rein mechanisch und sind seit Jahrzehnten bekannt. Eine genaue Temperatursteuerung ist damit jedoch nicht möglich, da zum Einen die Temperaturmessung im Thermostatventil sehr nahe am Heizkörper erfolgt und zum Anderen die Schaltgeschwindigkeit sehr gering ist.
• Es existieren weiterhin elektrisch gesteuerte Heizkörperventile, die über einen Temperatursensor verfügen und das Ventil in Abhängigkeit von der Temperatur elektrisch oder magnetisch ansteuern. Solche Heizkörperventile sind in der Regel mit einer Anzeige ausgestattet und für verschiedene Wochentage und Soll-Temperaturen programmierbar. Damit ist eine gradgenaue Einstellung der Solltemperatur möglich, jedoch erfolgt die Temperaturmessung auch hier direkt am Heizkörper, weshalb die Temperatur auch hier nicht genau einstellbar ist.
• Die notwendige Stromversorgung dieser Ventile erfolgt entweder über Batterien, die jedoch aufgrund des hohen Stromverbrauchs nur wenige Wochen halten, oder über eine Netzversorgung, wobei hier unter Umständen eine Aufwändige Verkabelung erfolgen muss.
• Bei sehr vielen verbauten Einheiten, beispielsweise in großen Mietshäusern, ist der Wartungsaufwand für die batteriebetriebenen Heizkörperventile so groß, dass der energetische Nutzen dadurch vollständig aufgebraucht wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Steuerung für ein Stellglied, beispielsweise ein Heizkörperventil, zu schaffen, das weniger Wartungsaufwand hat und eine genaue Steuerung ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spannungsversorgung einen Energiewandler zum Umwandeln von Umgebungsenergie in elektrische Energie aufweist, dass die Spannungsversorgung einen Energiespeicher zum Speichern der gewandelten Energie aufweist, dass die Steuerung einen Befehlseingang aufweist, über den Steuerbefehle für das Stellglied empfangbar sind und dass die Aktorsteuerung solange inaktiv ist, bis ein solcher Steuerbefehl empfangen wurde.
• Eine solche Steuerung hat den Vorteil, dass sie vollständig Energieautark ist und daher keine externe Stromversorgung benötigt. Die Steuerung ist daher vollständig wartungsfrei. Daher ist auch beispielsweise eine Anbringung an einer unzugänglichen Position möglich, so dass eine Manipulation durch Unbefugte verhindert werden kann.
• Die Steuerung erfolgt dabei zentral oder dezentral über ein separates Steuergerät. Das Steuergerät erfasst dabei einen Sollwert für das Stellglied und leitet eine absolute Positionsangabe an die Steuerung weiter. Diese bewegt daraufhin das Stellglied zur übermittelten Soll-Position. Danach wird die Steuerung wieder inaktiv solange bis ein neuer Positions-Befehl empfangen wird.
• Die Steuerung verbraucht dadurch sehr wenig Energie, da sie die meiste Zeit inaktiv ist. Dementsprechend wird die meiste Zeit Energie in den Energiespeicher gespeist.
• Die erfindungsgemäße Steuerung kann für beliebige Stellglieder verwendet werden, die elektrische Energie benötigen.
• Ein Steuergerät zur Übermittlung eines Steuerbefehls kann räumlich von der Steuerung entfernt an einem anderen Ort angeordnet sein. Das Steuergerät weist vorzugsweise einen Umgebungssensor auf, mit dem eine Umgebungsvariable überwacht werden kann. Das Steuergerät vergleicht diesen Messwert permanent mit einem Sollwert und berechnet daraus einen Steuerbefehl für das Stellglied. Die Übertragung des Steuerbefehls an die Steuerung erfolgt dabei vorzugsweise drahtlos.
• In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Steuerung mit einem Stellglied kombiniert und zweckmäßigerweise mit diesem in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Ein so gebildetes Stellglied kann vollständig wartungsfrei und energieautark betrieben werden.
• Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist ein Heizkörperventil, das einen Energiewandler für Wärme aufweist. Durch die Anordnung am Heizungsrohrsystem steht hier während der Nutzungsphase praktisch jederzeit Wärme zur Energiegewinnung zur Verfügung.
• Ein Heizungssystem mit wenigstens einem solchen Heizkörperventil weist weiterhin ein Steuergerät auf, das vorzugsweise an einem vom Heizkörper entfernten Ort angeordnet ist und wenigstens einen Raumtemperatursensor aufweist. Das Steuergerät vergleicht die aktuelle Raumtemperatur mit einem Sollwert und errechnet daraus ein Stellsignal für die Steuerung. Durch das Empfangen des Stellbefehls wird die Steuerung aktiviert und das Stellglied an die geforderte Position bewegt. Danach wird die Steuerung wieder im Wesentlichen inaktiv.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigt:
• 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Heizungssteuerung,
• 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Erfindung und
• 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführung der Erfindung.
• Die 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Heizungssteuerung 1 mit einem erfindungsgemäßen Heizkörperventil 2 und einem davon getrennten Steuergerät 3. Das Heizkörperventil 2 vereint eine erfindungsgemäße Steuerung 11 und ein Stellglied 4 in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht gezeigt).
• Ein solches Heizkörperventil 2 regelt in bekannter Weise die Durchflussmenge an Heizwasser durch einen Heizkörper (nicht gezeigt), um die Wohnraumtemperatur auf ein gewünschtes Niveau einzustellen. Das Heizkörperventil 2 kann in bekannter Weise am Heizkörper oder auch nicht zugänglich an der Zuleitung angeordnet sein.
• Das Heizkörperventil 2 weist ein Stellglied 4 mit einem linear beweglichen Aktor 5 auf, der den Durchfluss im Zuleitungsrohr vergrößert oder verkleinert. Der Aktor 5 kann beispielsweise einen linearen oder rotatorischen Elektromotor als Antrieb aufweisen. In einer anderen Anwendung kann der Aktor beispielsweise auch durch eine Drehbewegung bewegbar sein.
• Das Heizkörperventil 2 benötigt zur Funktion eine Stromversorgung, die erfindungsgemäß durch einen Energiewandler 6 erfolgt, der Umgebungsenergie 18 in elektrische Energie wandelt. Die erfindungsgemäße Steuerung 11 ist damit unabhängig von einer herkömmlichen Stromversorgung durch Batterien, Akkus oder dem Stromnetz.
• Der Energiewandler 6 ist im Beispiel dazu ausgebildet, Wärme aus der Umgebung in elektrische Energie zu wandeln. Der Wandler 6 beruht dazu beispielsweise auf dem Peltier- oder Seebeck-Effekt. Bei einer Heizungssteuerung 1 bietet sich diese Art der Energiewandlung an, da im Heizkreislauf in der Regel genügend Wärme und somit eine ausreichende Temperaturdifferenz zur Umgebung zur Verfügung steht.
• Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung in einer Heizungssteuerung beschränkt. Prinzipiell kann jede Art von Stellglied angesteuert werden. Demnach kann der Energiewandler auch für andere Energiearten ausgebildet sein, beispielsweise zur Wandlung von mechanischen Schwingungen, Licht, Kraft, elektromagnetischen Feldern uvm. in elektrische Energie. Die Art der Energiegewinnung spielt für die Funktion der Erfindung keine Rolle.
• Die im Energiewandler 6 gewonnene elektrische Energie wird in einem Spannungswandler 7 zunächst gleichgerichtet und an ein Energiemanagement 8 geleitet. Mit dem Energiemanagement 8 ist ein Energiespeicher 9 verbunden, in dem die gewonnene elektrische Energie gespeichert wird. Der Energiespeicher ist beispielsweise ein Akkumulator, ein Kondensator oder ein vergleichbarer Speicher für elektrische Energie. Dieser Energiespeicher 9 kann bei Inbetriebnahme des Heizkörperventils 2 bereits vollgeladen sein.
• Für den Fall, dass der Energiespeicher 9 leer ist oder nicht ausreichend Energie für einen angeforderten Stellvorgang bereithält, weist das erfindungsgemäße Heizungsventil 2 eine zusätzliche Primärbatterie 10 auf, die ebenfalls mit dem Energiemanagement 8 verbunden ist und von diesem angesteuert wird. Diese Batterie 10 weist zweckmäßigerweise eine sehr geringe Selbstentladung auf und ist in der Regel für die Lebensdauer des Geräts ausgelegt.
• Eine Ladefunktion ist für diese Primärbatterie 10 nicht vorgesehen, kann jedoch, bei entsprechend vorhandener Technologie, berücksichtigt werden. Als Primärbatterie 10 eignet sich beispielsweise eine Lithiumbatterie.
• Die Steuerung 11 weist weiterhin eine Messsignalverarbeitung 12 in Form eines Mikroprozessors oder eines Mikrokontrollers 12 auf, die vom Energiemanagement 8 versorgt wird und die unter Anderem für die Messsignalverarbeitung verantwortlich ist. Die Messsignalverarbeitung 12 ist mit einem Kommunikationsmodul 13 verbunden, das zum Empfangen von Steuerbefehlen zur uni- oder bidirektionalen Kommunikation mit dem Steuergerät 3 etwa mittels eines BUS-Systems ausgebildet ist. Dazu weist es vorzugsweise eine Funk- oder Infrarotschnittstelle auf.
• Die Messsignalverarbeitung 12 kann zusätzlich eine Energieerfassung (nicht gezeigt) aufweisen, mit der beispielsweise eine Verbrauchsbestimmung erfolgen kann, so dass auf gesonderte Verbrauchsmessgeräte an den Heizkörpern verzichtet werden kann. Hier sind auch neue Konzepte zur Verbrauchserfassung denkbar, beispielsweise über die Ermittlung der Temperaturdifferenz und/oder der Durchflussmenge an Heizwasser am Heizkörper, die über die Aktorstellung und die Drehzahl der Umwälzpumpe jederzeit bekannt ist.
• Die Steuerung 11 weist schließlich eine Aktorsteuerung 14 für ein beliebiges Stellglied 4 auf. Das Stellglied 4 weist einen Aktor 5, beispielsweise einen Linearmotor, und einen Positionssensor 15 auf.
• Die Aktorsteuerung 14 weist Schnittstellen für den Aktor 5 und wenigstens ein Sensorsignal als Rückkopplung auf, damit die Aktorsteuerung 14 feststellen kann, ob der Aktor 5 den Steuerbefehl erfolgreich ausgeführt hat.
• Das Heizungssystem 1 weist weiterhin ein Steuergerät 3 auf, das separat vom Heizkörperventil 2 angeordnet ist. Das Steuergerät 3 hat eine Steuereinheit 16 und wenigstens einen Umgebungssensor 17.
• Die Steuereinheit 16 weist beispielsweise einen manuell bedienbaren Temperaturregler auf, über den die gewünschte Raumtemperatur einstellbar ist. Weiterhin können eine Anzeige zur visuellen Rückmeldung und weitere Komfortfunktionen vorhanden sein, wie etwa die Programmierung von Temperaturverläufen in Abhängigkeit von der Tageszeit (Nachtabsenkung) oder eine generelle Temperaturabsenkung bei Abwesenheit.
• Der Umgebungssensor 17 kann beispielsweise ein Raumtemperatursensor sein. Die Steuereinheit 16 verarbeitet die Temperaturdifferenz zwischen gewünschter Solltemperatur und der gemessenen Isttemperatur und generiert daraus ein Steuersignal für das Heizkörperventil 2 und übermittelt an das Kommunikationsmodul 13 einen Stellwert, der beispielsweise einer absoluten Aktor-Position entspricht.
• Die Steuerung 11 selbst weist nämlich keinen eigenen Temperatursensor zur Überwachung der Raumtemperatur auf. Die Steuerung 11 kann nur empfangene Stellbefehle direkt umsetzen. Der Vorteil dabei ist, dass die Steuerung 11 sehr einfach, energiesparend und kostengünstig aufgebaut sein kann.
• Im Betrieb ist der Prozessor 12 und die Aktorsteuerung 14 im Wesentlichen inaktiv. Die vom Energiewandler 6 gewonnene Energie wird nahezu vollständig in den Energiespeicher 9 geladen, solange dieser noch nicht voll ist. Der Ladezustand wird durch das Energiemanagement 8 überwacht.
• Sobald das Kommunikationsmodul 13 einen Steuerbefehl vom Steuergerät 3 empfängt, wird die Steuerung 11 aktiv. Der Prozessor 12 bereitet den empfangenen Steuerbefehl für das Stellglied 4 auf und leitet ihn an die Aktorsteuerung 14 des Stellgliedes 4 weiter. Die Aktorsteuerung 14 bewegt den Aktor 5 an die gewünschte Position, wobei die erfolgreiche Durchführung des Befehls durch die Lagesensoren 15 überwacht wird.
• Das Resultat des Stellvorgangs wird an die Messsignalverarbeitung 12 weitergeleitet. Vorzugsweise wird eine Rückmeldung über den Erfolg des Stellvorgangs auch an das Steuergerät 3 gesendet, so dass dort eine Rückmeldung an den Benutzer erfolgen kann.
• Die erfindungsgemäße Heizungsanlage kann mehrere Heizkörper in mehreren Räumen aufweisen. In der Regel weist jeder Heizkörper ein eigenes erfindungsgemäßes Heizkörperventil 2 auf. Die Anlage kann nun zentral über ein gemeinsames Steuergerät 3 bedient werden, wobei das Steuergerät 3 mit mehreren Raumsensoren ausgestattet ist und jedes Heizkörperventil separat ansteuern kann. Es können jedoch auch mehrere Steuergeräte 3 vorhanden sein, die jeweils nur ein einziges Heizkörperventil 2 steuern.
• Die 2 zeigt eine allgemeine Ausführung der Erfindung. Eine hier dargestellte Steuerung 11 kann für beliebige Stellglieder und Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zur Überwachung und Regelung von Flüssigkeits- oder Gasleitungen in Industrieanlagen mit einem Wärme-Energiewandler, zur Nachführung von Solarzellen mit einem Licht-Energiewandler, als Rolladen- oder Jalousiesteuerung mit einem Wind-Energiewandler und viele mehr.
• Die gezeigte Steuerung 11 weist demnach einen Energiewandler 6 zur Umwandlung von Umgebungsenergie 18 in elektrische Energie und einen Spannungswandler 7 auf, der die gewonnene Spannung aufbereitet. Je nach Energiewandler kann der Spannungswandler ein AC/DC- oder DC/DC-Wandler sein. Die Gleichspannung wird in einen Energiespeicher 9 gespeist.
• Die Steuerung 11 weist weiterhin eine Messsignalverarbeitung 12 auf, die als zentrale Schaltzentrale dient und die in der Regel einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller beinhaltet. Die Messsignalverarbeitung 12 empfängt und verarbeitet Steuerbefehle, die von einem externen Steuergerät 3 empfangen werden. Nur wenn ein solcher Steuerbefehl empfangen wurde, wird das Stellglied (Aktor) aktiviert und in die gewünschte Position bewegt. Danach wird das System im Wesentlichen inaktiv und wartet auf einen neuen Befehl.
• In dieser Zeit wird die gewonnene Energie nahezu vollständig in den Energiespeicher geladen, solange dieser nicht voll ist.
• Das externe Steuergerät 3 weist eine Steuereinheit 16 auf, die beispielsweise eine Benutzerschnittstelle aufweist. Weiterhin ist mit der Steuereinheit 16 wenigstens ein Umgebungssensor 17 verbunden. Die Steuereinheit 17 kann aus einem vom Benutzer vorgegeben Sollwert und einem Sensorwert ein Stellsignal für das Stellglied 4 berechnen und dieses an die Steuerung 11 senden.
• Der Umgebungssensor kann neben einer Temperatur auch jede andere denkbare Messgröße erfassen oder es können mehrere Messgrößen miteinander verknüpft werden. Denkbar wäre beispielsweise die Messung und Verarbeitung von Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung sowie die Nutzung von Sensoren, welche geöffnete Fenster anzeigen oder dergleichen.
• In 3 ist eine weitere Ausführung der Erfindung gezeigt, die im Wesentlichen der 2 entspricht.
• Der Spannungswandler 6 ist hier jedoch direkt mit einem Zentralrechner 12 verbunden. Am Zentralrechner 12 sind der Energiespeicher 9, die Aktorsteuerung 14 für einen Aktor 5, und ein Kommunikationsmodul 13 zur Kommunikation mit einem externen Steuergerät 3 angeschlossen.
• Der Zentralrechner 12 übernimmt hier die Funktion der Messsignalverarbeitung und des Energiemanagements, das heißt er regelt zusätzlich den Energiefluss vom Energiewandler 6 zum Energiespeicher 9 und vom Energiespeicher 9 zu den Verbrauchern.
• Ferner kann die Steuerung (11) eine von außen zugängliche Schnittstelle aufweisen, die zur Ladung des Energiespeichers (9) oder als eine kurzzeitige Energieversorgung für das Stellglied (4) dient, so dass bei leerem Energiespeicher (9) eine Stellbewegung ermöglicht wird.
• Bezugszeichenliste

1

Heizungssteuerung

2

Heizkörperventil

3

Steuergerät

4

Stellglied

5

Aktor

6

Energiewandler

7

Spannungswandler

8

Energiemanagement

9

Energiespeicher

10

Primärbatterie

11

Steuerung

12

Prozessor/Messsignalverarbeitung

13

Kommunikationsmodul

14

Aktorsteuerung

15

Positionssensor

16

Steuereinheit

17

Temperatursensor

18

Umgebungsenergie

Claims (10)

1. Steuerung (11) für ein Stellglied (4), mit einer Spannungsversorgung, einem Kommunikationsmodul (13) als Empfänger für Steuerbefehle und einer Aktorsteuerung (14) für wenigstens ein Stellglied (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung einen Energiewandler (6) zum Umwandeln von Umgebungsenergie (18) in elektrische Energie aufweist, dass die Spannungsversorgung einen Energiespeicher (9) zum Speichern der gewandelten Energie aufweist, dass das Kommunikationsmodul (13) einen Befehlseingang aufweist, über den Steuerbefehle für das Stellglied (4) von einem übergeordneten Steuergerät (3) empfangbar sind und dass die Aktorsteuerung (14) solange inaktiv ist, bis ein solcher Steuerbefehl empfangen wurde.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) eine Primärspannungsquelle (10) aufweist, die bei leerem Energiespeicher (9) die Stromversorgung der Steuerung (11) gewährleistet.
3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine von außen zugängliche Schnittstelle aufweist, die zur Ladung des Energiespeichers (9) oder als eine kurzzeitige Energieversorgung für das Stellglied (4) dient, so dass bei leerem Energiespeicher (9) eine Stellbewegung ermöglicht wird.
4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) einen Spannungswandler (7) aufweist, der die vom Energiewandler (6) erzeugte Spannung für die Speicherung im Energiespeicher (9) umwandelt.
5. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (11) ein Kommunikationsmodul (13) zum drahtlosen Empfangen eines Steuerbefehls von einer externen Steuereinheit (3) aufweist.
6. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Stellglied (4), das mitsamt der Steuerung (11) in einem Gehäuse angeordnet ist.
7. Steuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (3) einen Aktor (5) und einen Positionssensor (15) aufweist.
8. Heizkörperventil (2) mit einer Steuerung nach Anspruch 6 oder 7.
9. Heizungssteuerung (1) mit wenigstens einem Heizkörperventil (2) nach Anspruch 8 und wenigstens einem Steuergerät (3) zur Übermittlung von Steuerbefehlen an das Heizkörperventil (2).
10. Heizungssteuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) eine Steuereinheit (16) und wenigstens einen Umgebungssensor (17) aufweist.

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