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Die Erfindung betrifft ein universelles
Regelungssystem, insbesondere zur Regelung der Temperatur in Gebäuden, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Bei der Beheizung von Gebäuden, insbesondere
von Wohngebäuden
mit mehreren Räumen
und einem zentralen Brenner, besteht seit je her der Wunsch, die
Temperatur in den einzelnen Wohnräumen nach Möglichkeit in kürzester
Zeit unter Einsatz von möglichst
wenig Energie an einen gewünschten vorgegebenen
Wert anzupassen. Hierbei ergibt sich in bekannter Weise die Schwierigkeit,
dass es aufgrund der thermischen Trägheit des Heizungssystems – die auf
die spezifischen Wärmekapazitäten der
Rohrleitungen und Heizkörper
sowie des zur Beheizung üblicherweise
eingesetzten Wassers zurückzuführen ist – häufig zu
Verzögerungen
oder zu einem Überschreiten
des vorgegebenen Temperaturwertes innerhalb eines Raumes kommt,
wenn der gewünschte
Temperatur-Sollwert in diesem Raum beispielsweise um einige Grad
Celsius auf einen neuen Wert erhöht
wird.
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Dies führt abgesehen von dem damit
verbundenen erhöhten
Energieverbrauch zu einem verminderten Wohnkomfort.
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Ein weiteres Problem, das sich bei
den bekannten Heizungsregelungen ergibt, besteht darin, dass es
mitunter sehr aufwendig ist, das Regelverhalten des Heizungssystems
bei der Inbetriebnahme des Heizungssystems an ein gewünschtes
Regelverhalten anzupassen, da beispielsweise das Regelverhalten
der lokalen Temperaturregler an den Heizkörpern jeweils einzeln und von
Hand an das Regelverhalten des Heizbrenners angepasst werden muss, um
eine präzise
Regelung zu erhalten.
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Demgemäß ist es seine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ein universelles Regelungssystem, insbesondere
zur Regelung der Temperatur in Gebäuden, zu schaffen, welches
die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
enthalten.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein
universelles Regelungssystem, welches insbesondere zur Regelung
der Temperatur in Gebäuden
eingesetzt wird, eine erste Regelungseinrichtung, die einen ersten Mikroprozessor
enthält,
der in Abhängigkeit
von dem Mikroprozessor zugeführten
Prozessgrößen anhand einer
im ersten Mikroprozessor enthaltenen ersten Regelungsfunktion erste
Stellgrößen bildet,
die in Form von ersten Stellsignalen zugeordneten Stelleinrichtungen
zugeführt
werden, die beispielsweise die Durchflussmenge an Heizwasser, die
dem Brenner zugeführte
Brennstoffmenge oder die einem zusätzlichen Elektroheizlüfter zugeführte elektrische
Leistung verringern oder erhöhen.
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Das erfindungsgemäße Regelungssystem umfasst
weiterhin eine zweite Regelungseinrichtung, die einen zweiten Mikroprozessor
enthält,
der in Abhängigkeit
von dem zweiten Mikroprozessor zugeführten Prozessgrößen anhand
einer im zweiten Mikroprozessor enthalten zweiten Regelungsfunktion zweite
Stellgrößen bildet,
die in Form von zweiten Stellsignalen zugeordneten zweiten Stelleinrichtungen
zugeführt
werden.
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Das erfindungsgemäße Regelungssystem zeichnet
sich dadurch aus, das die erste Regelungseinrichtung und die zweite
Regelungseinrichtung räumlich
getrennt voneinander angeordnet sind, und der erste Mikroprozessor
und der zweite Mikroprozessor über
eine Datenübertragungseinrichtung,
beispielsweise eine Leitung oder aber über Funk, zum Datenaustausch
miteinander gekoppelt sind, wobei dem zweiten Mikroprozessor über die
Datenübertragungseinrichtung
eine oder mehrere der ersten Prozessgrößen zugeführt werden. Diese ersten Prozessgrößen können beispielsweise
der gewünschte Temperatursollwert
in einem ersten Raum, die über einen
elektrischen Kontakt ermittelte Auf-Zu-Stellung eines Fensters,
die außerhalb
des Gebäudes
herrschende Temperatur, und die z.B. über eine Fotodiode gemessene
Intensität
der Sonnenstrahlung innerhalb des zugehörigen Raumes etc., sein.
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Die in dieser Weise dem zweiten Mikroprozessor
zugeführten
ersten Prozessgrößen, die gleichzeitig
oder zuvor auch dem ersten Mikroprozessor zugeführt worden sind, werden vom
zweiten Mikroprozessor in erfindungsgemäßer Weise ebenfalls dazu herangezogen,
die zweiten Stellgrößen mit zu
berechnen, beispielsweise den neuen Wert für die Vorlauftemperatur des
vom Brenner erzeugten Heizwassers, die Heizwassermenge etc.
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Durch die Übertragung der Prozessgrößen zwischen
den ersten und zweiten Regelungseinrichtungen – oder in dem bevorzugten Fall
das noch weitere zusätzliche
Regelungseinrichtungen vorgesehen sind – zwischen allen Regelungseinrichtungen des
erfindungsgemäßen universellen
Regelungssystems, ergibt sich der Vorteil, dass auch bei thermisch vergleichsweise
trägen
Heizungssystemen eine sehr schnelle Regelung mit hoher Regelgüte erhalten wird,
da insbesondere die variablen Prozessgrößen, die dem ersten Mikroprozessor
zugeführt
werden, bereits von vorn herein mit in die zweite Regelungsfunktion
einfließen, über welche
die zweiten Stellgrößen berechnet
werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es
sich hierbei herausgestellt, wenn die zweiten Stellgrößen anhand der
ersten Prozessgrößen zeitlich
im voraus berechnet werden, beispielsweise durch eine Trennschätzung oder
eine Extrapolation der Werte, die in vorteilhafter Weise durch den
zweiten Mikroprozessor durchgeführt
wird, jedoch auch durch den ersten Mikroprozessor oder den Mikroprozessor
einer anderen zusätzlichen
Regelungseinrichtung durchgeführt werden
kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit
Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Wohngebäudes mit 3 Etagen, in denen
verschiedene Sensoren F, Regelungseinrichtungen RE und Wärmequellen
PWQ sowie Stelleinrichtungen S zum Einsatz kommen,
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2 eine
schematische Darstellung zweier erfindungsgemäßer Regelungseinrichtungen,
die in erfindungsgemäßer Weise über eine
Funkverbindung eine oder mehrere für den Regelungsprozess erforderliche
Prozessgrößen miteinander
austauschen, und
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3 ein
schematisches Blockschaltbild des in dem Wohngebäude von 1 eingesetzten erfindungsgemäßen Regelungssystems.
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Wie in 2 gezeigt
ist, umfasst ein erfindungsgemäßes Regelungssystem 1 eine
erste Regelungseinrichtung RE1, die in einem nicht dargestellten
Gehäuse
zusammen mit einem ebenfalls nicht dargestellten Netzteil untergebracht
ist, und die vorzugsweise einen Mikrocontroller MC1 umfasst, der
einen Prozessor MP1 aufweist.
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Wie in 2 weiterhin
gezeigt ist, sind mit der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung RE1 erste
Sensoren F11, F12 und F13 verbunden, die der Regelungseinrichtung
Prozessgrößen wie
insbesondere die gemessenen Temperatur-Istwerte, Temperatur-Sollwerte, einen
elektrischen Schaltzustand, oder aber einen Druck oder einen elektrischen
Spannungsmesswert etc., zuführen,
in Abhängigkeit
von denen der erste Prozessor MP1 anhand einer im Prozessor MP1
softwaremäßig implementierten
Regelungsfunktion RF1 Stellgrößen ermittelt,
die über nicht
näher bezeichnete
Zuleitungen zugeordneten Stelleinrichtungen S zugeführt werden.
Die Stelleinrichtungen umfassen bei dem Beispiel von 2 eine erste, zweite und
dritte Stelleinrichtung S11, S12 und S13, die im Falle der ersten
und dritten Stelleinrichtung S11 und S13 beispielsweise als elektrisch betätigte Magnetventile,
und im Falle der Stelleinrichtung S12 als veränderbarer elektrischer Widerstand oder
dergleichen ausgeführt
sein können.
Die elektrischen Stelleinrichtungen S11 und S13 dienen hierbei zur
Veränderung
der Durchführungsmenge
an Heizwasser durch die zugeordneten Wärmequellen PWQ11 und PWQ13,
die beispielsweise als Heizkörper
innerhalb eines Wohngebäudes
ausgebildet sein können.
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Die Stelleinrichtung S12 kann weiterhin
vorzugsweise als ein elektrisch veränderbarer Widerstand, bzw.
als ein Transistor oder ein Leistungsschalter ausgestaltet sein, über den
die der weiteren Wärmequelle
PWQ12 – beispielsweise
ein elektrischer Zusatzheizlüfter – zugeführte elektrische
Leistung verändert
werden kann.
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Gemäß der Erfindung weist die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung
RE1 zusätzlich
eine Schnittstelle 3 auf, über die der Mikrocontroller
MC1 mit für
die jeweilige Anwendung charakteristischen, im Wesentlichen nicht
veränderbaren
Prozessgrößen, wie
beispielsweise dem Raumvolumen, und/oder der Größe der Wandfläche zwischen
zwei Räumen,
und/oder Faktoren zur Berücksichtigung von
unterschiedlichen Wärmekapazitäten der
in einem Raum verwendeten Materialien, und/oder dem Energieverlust
pro Zeiteinheit eines Raumes gegenüber einem anderen Raum, und/oder
der Energiemenge, die erforderlich ist, um einen Raum innerhalb einer
vorgegebenen Zeit um eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen etc.,
programmierbar ist, und die vorzugsweise als veränderbare vorgegebene Prozessgrößen in einem
nicht dargestellten Speicher des Prozessors MP1 abgelegt sind.
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Wie in 2 weiterhin
gezeigt ist, umfasst eine zur ersten Regelungseinrichtung RE1 im
Wesentlichen baugleiche zweite Regelungseinrichtung RE2 ebenfalls
einen Mikrocontroller MC2 mit einem zweiten Prozessor MP2, dem beispielsweise über Sensoren
F21, F22 und F23 gemessene Prozessgrößen, insbesondere Ist-Werte
für die
Raumtemperatur, elektrische Spannung oder den Druck, bzw. die Durchflussmenge
innerhalb einer Rohrleitung etc., zugeführt werden.
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In gleicher Weise wie der erste Prozessor MP1
bestimmt der zweite Prozessor MP2 aus den zugeführten zweiten zugeführten Prozessgrößen der Sensoren
F21, F22 und F23 anhand einer zweiten Regelungsfunktion RF2 zweite
Stellgrößen, die
zweiten Stelleinrichtungen S21, S22 und S23 zugeführt werden,
welche beispielsweise mit zugeordneten zweiten Wärmequellen PWQ21 – in diesem
Falle ebenfalls ein Heizkörper – verbunden
sind, um die Durchflussmenge des durch den Heizkörper hindurchfließenden Heißwassers
zu verändern.
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Gemäß der Erfindung sind die räumlich getrennten
ersten und zweiten Regelungseinrichtungen RE1 und RE2 über eine
Datenübertragungseinrichtung 2 miteinander
verbunden, die eine erste, mit dem ersten Prozessor MP1 zusammenwirkende Sende-/Empfangseinheit 4 sowie
eine zweite, mit dem zweiten Prozessor MP2 zusammenwirkende zweite
Sende-/ Empfangseinheit 6 umfasst. Im Falle des Einsatzes
weiterer zusätzlicher
Regelungseinrichtungen weist die Datenübertragungseinrichtung 2 vorzugsweise
weitere entsprechende Sende-/Empfangseinheiten R3, R4 und RB auf,
wie sie beispielsweise bei dem Anwendungsbeispiel von 1 dargestellt sind.
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Bei der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Regelungssystems 1 ist die Datenübertragungseinrichtung 2 als
eine Funkverbindung oder Infrarotlichtverbindung ausgestaltet, über die ähnlich einer
Wireless LAN-Verbindung beispielsweise die von den ersten Sensoren F11,
F12 und F13 ermittelten ersten variablen Prozessgrößen oder
aber auch die in Abhängigkeit
davon gebildeten Regelparameter für die Regelfunktion RF1 an
die zweite Sende-/Empfangseinheit 6 und von dort aus an
den zweiten Prozessor MP2 übertragen
werden.
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Der zweite Prozessor MP2 verwendet
die zugeführten
ersten Prozessgrößen dazu,
die zweite Regelfunktion F2 dahingehend zu verändern, bzw. eine geeignete
Regelungsfunktion RF2 aus mehreren in einem nicht dargestellten
Speicher des Mikrocontrollers MC2 abgelegten Regelungsfunktionen auszuwählen, dass
das Regelverhalten der zugehörigen
Regelstrecke für
die zweiten Stelleinrichtungen insbesondere im Hinblick auf die
erforderliche Regelzeit, bzw. die im Falle einer Temperaturregelung
in einem Gebäude
benötigte
Heizenergiemenge optimiert wird.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Anzahl der vorzugsweise identisch ausgebildeten
Regelungseinrichtung nicht auf zwei beschränkt, sondern es können eine
Vielzahl von erfindungsgemäßen, räumlich getrennten
Regelungseinrichtungen R gleichzeitig verwendet werden, die über ein
und die selbe Datenübertragungseinrichtung 2 vorzugsweise
per Funk oder Infrarot miteinander kommunizieren und Prozessdaten
sowohl in die eine, als auch in die andere Richtung miteinander
austauschen, die jeweils zur Veränderung
oder Anpassung der entsprechenden Regelungsfunktion RF innerhalb der
zugehörigen
Regelungseinrichtung verwendet werden, um das Regelungsverhalten
der zugehörigen
Regelungsstrecke insbesondere in zeitlicher Hinsicht in vorteilhafter
Weise zu optimieren.
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Die Regelungsfunktionen können hierbei beispielsweise
als P-Regler, PI-Regler, PID-Regler, Zweipunktregler oder Mehrpunktregler
ausgeführt sein,
wobei in jeder der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtungen
R mehrere der zuvor genannten Regelungsfunktionen verwirklicht werden
können, die
vorzugsweise softwaremäßig implementiert
sind.
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Weiterhin kann für den Fall, dass die Datenübertragungseinrichtung 2 die
Daten zwischen den einzelnen Regelungseinrichtungen RE per Funk überträgt, in jeder
der Regelungseinrichtungen RE durch den Mikrocontroller softwaremäßig eine
Transceiver-Funktion der zugehörigen
Regelungseinrichtung verwirklicht werden, die dafür sorgt,
dass die Daten im Falle eines fehlenden direkten Funkkontakts zwischen
einer ersten und einer dritten Regelungseinrichtung über eine
zwischengeschaltete zweite Regelungseinrichtung weitergeleitet werden.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil,
dass eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Regelungseinrichtungen
an nahezu beliebigen Positionen innerhalb eines Gebäudes angeordnet
werden kann, ohne das beispielsweise eine direkte Leitungsverbindung
zwischen einer im Dachbereich angeordneten Regelungseinrichtung
und einer im Kellerbereich angeordneten Regelungseinrichtung bestehen
muss, da die Weiterleitung der Prozessgrößen per Funk über weitere
in den Zwischengeschossen angeordnete Regelungseinrichtungen automatisch
erfolgt, ohne dass der Anwender des Systems sich hierum aktiv kümmern muss.
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Weiterhin ergibt sich der Vorteil,
dass bei gleicher Sende-/Empfangsreichweite der Sende-/ Empfangseinheiten
größere Distanzen
zwischen den einzelnen Regelungseinrichtungen überbrückt werden können, und
dass bei Ausfall einer zwischengeschalteten Regelungseinrichtung
die Datenübertragung
gegebenenfalls über
eine weitere Regelungseinrichtung erfolgen kann, die sich beispielsweise
in der gleichen Etage eines Gebäudes
in einem anderen Raum befindet.
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Ein weiterer Vorteil, der sich durch
das erfindungsgemäße Regelungssystem
ergibt, besteht darin, dass die einzelnen Regelungsfunktionen sich nicht
zwangsweise in derjenigen Regelungseinrichtung befinden müssen, welches
die jeweils zu betätigenden
Stelleinrichtungen ansteuert, da auch die Regelungsfunktionen über die
Datenübertragungseinrichtung 2 übertragen
werden können,
bzw. die erzeugten Stellsignale, die in einer ersten Regelungseinrichtung
erzeugt werden, über
die Datenübertragungseinrichtung 2 an
eine zweite oder weitere Regelungseinrichtung weitergeleitet werden
können, welche
die entsprechenden Stelleinrichtungen ansteuert.
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Durch diese automatische Weiterleitung
der Prozessgrößen und
Regelungsfunktionen – im
Falle des Einsatzes eines PID-Reglers insbesondere die Temperatur-Sollwerte,
Temperatur-Istwerte
sowie die Regelparameter P, I und D – ergibt sich der Vorteil, dass
ein selbständiges
Routing der auszutauschenden Prozessgrößen erfolgen kann, und die
zwischengeschalteten Geräte
ohne Zutun des Anwenders die Funktion eines Transceivers übernehmen.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin,
dass nur eine minimale Anzahl von Leitungsverbindungen benötigt wird,
da nicht jedes Gerät
mit jedem Gerät über eine
eigene elektrische Leitungsverbindung verbunden werden muss.
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Weiterhin sind bei der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung zumindest eine, vorzugsweise jedoch alle Stelleinrichtungen
S in das Gehäuse
der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtungen integriert,
so dass sich kompakte Komponenten ergeben, die in großer Stückzahl hergestellt
und sehr flexibel innerhalb eines Gebäudes installiert werden können. Die
Stromversorgung erfolgt hierbei vorzugsweise über das 230-Volt-Stromnetzes
des Gebäudes
und geeignete Netzteile, kann jedoch auch über Batterie oder Akku erfolgen.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil,
dass bei der Installation und beim Abgleich eines Heizungssystems
die zugehörigen
erfindungsgemäßen Regelungseinrichtungen
zuerst einmal innerhalb eines Gebäudes an beliebigen Stellen
des Gebäudes
positioniert werden können,
um in einem ersten Testdurchlauf das grundlegende Verhalten des
gesamten Regelungssystems zu bestimmen, und die beste Position für die Sensoren
versuchsweise zu ermitteln.
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Im Anschluss daran kann dann dazu übergegangen
werden, beispielsweise die Regelungseinrichtungen, die mit Außentemperaturfühlern verbunden
sind, an anderen Positionen außerhalb
des Gebäudes
zu positionieren, um beispielsweise die Sonneneinstrahlung, die
Auskühlung
durch Windeinwirkung etc. besser berücksichtigen zu können. Hierbei ist
es aufgrund der großen
Flexibilität
des erfindungsgemäßen Regelungssystems
ebenfalls leicht möglich,
weitere zusätzliche
Sensoren oder auch Regelungseinrichtungen zum bestehenden System
hinzuzufügen,
um das Gesamtsystems sukzessive zu optimieren.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Regelungssystems
besteht darin, dass jede einzelne Regelungseinrichtung einen oder
mehrere eigene Prozessoren aufweist, so dass die Rechenoperationen
im Gegensatz zu einem zentralen System mit lediglich einer einzigen
Steuerungseinrichtung zum Teil parallel und damit erheblich schneller
ausgeführt werden
können,
wodurch das Zeitverhalten der Regelung erheblich verbessert wird.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist jede erfindungsgemäße Regelungseinrichtung eine
Geräte-Identifikationsnummer
auf, über
die die jeweilige Regelungseinrichtung beim Austausch der Prozessdaten
identifiziert wird.
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Der Austausch der Daten wird hierbei
in vorteilhafter Weise in Form von Datenblöcken vorgenommen, die die Geräte-Identifikationsnummer
des Absenders, die Geräte-Identifikationsnummer
des Empfängers,
den Typ der übertragenen
Prozessgröße, sowie
eine Rückbestätigung zur
Erkennung der korrekten Übertragung
und die eigentlichen Datenwerte für die übertragenen Prozessgrößen enthalten.
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Jedoch ist es ebenfalls möglich, noch
weitere Größen in digitaler
Form in den Datenblöcken
zu übertragen,
wie beispielsweise digital EIN, digital AUS, analog EIN, analog
AUS, digital EIN/AUS, analog EIN/AUS, die PID-Parameter, die PID-Sollwertvorgabe,
den Ist-Wert einer von einem Sensor bestimmten Messgröße, PID-Istwert-Sollwert-Parameter
lesen, Funktion aktivieren/deaktivieren, das Datum, die Zeit, die
Anforderung von Datum und Zeit, ein PING, eine Programmiersperre,
die Baud-Rate, einen allgemeinen Alarm, einen Funktionsalarm, die Anweisung
einen Infoblock zu lesen, die Aufforderung einen Eingabeparameter
zu spezifizieren, die Aufforderung, einen Grenzwert für eine logische Funktion
festzulegen, die Erreichbarkeit, die negative Bestätigung,
einen Reset sowie die Momentenanforderung, beispielsweise die Energie
in Joule.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezug auf 1 und 3 anhand eines Gebäudes 8 beschrieben,
welches einen ersten Raum 10, einen darüber angeordneten zweiten Raum 12,
einen im Dachgeschoss angeordneten dritten Raum 14, sowie
einen vierten Kellerraum 16 aufweist, in welch letzterem
ein Heizbrenner 18 zusammen mit der Brennerregelung RB
sowie der zugehörigen
schematisiert dargestellten Brenner-Stelleinrichtung SB untergebracht
ist, der die zugeordneten Wärmequellen
PWQ11, PWQ21 und PWQ31 im ersten Raum 10, zweiten Raum 12,
und dritten Raum 14 mit Heißwasser versorgt.
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Zur leichteren Identifizierbarkeit
der einzelnen Komponenten werden die Bezeichnungen, die in 2 zur Beschreibung der Regelungseinrichtungen RE1
und RE2 verwendet wurden, im Beispiel von 1 und 3 ebenfalls
verwendet, wobei die Regelungseinrichtung RE1 und RE2 im ersten
Raum 10 und zweiten Raum 12 untergebracht sind.
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Die Regelung der Wärmequellen
PWQ11, PWQ21 und PWQ31 erfolgt hierbei durch die zugeordneten Regelungseinrichtung
RE1, RE2 und RE3 über
Stelleinrichtungen S11, S21 und S31, die in Form von Magnetventilen
in der entsprechenden Vorlaufleitung 20 für das Heißwasser
angeordnet sind.
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Die Regelungseinrichtung RB für den Brenner 18 ist
weiterhin mit einem Temperatursensor FB1 auf der einen Seite des
Gebäudes 8 versehen,
und die Regelungseinrichtung RE1 erhält seine Temperatur-Istwerte
von zwei Temperatur-Messfühlern
F11 und F12 an unterschiedlichen Positionen im ersten Raum 10,
sowie von einem im Außenbereich
liegenden Außenfühler F13.
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Die erste Regelungseinrichtung RE1
ist ferner über
ein Stellglied S12 in Form eines variablen elektrischen Widerstandes
oder Halbleiterrelais, welches im Schwingungspaketmodus oder im
Phasenanschnittsteuermodus betrieben wird, mit einer zusätzlichen
Wärmequelle
PWQ12 verbunden, der vorzugsweise als elektrischer Heizlüfter ausgestaltet
ist, und als Zusatzheizeinrichtung dient.
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Wie 1 weiterhin
entnommen werden kann, sind die zweite Regelungseinrichtung RE2
im zweiten Raum 12 und die dritte Regelungseinrichtung
RE3 im dritten Dachgeschossraum des Gebäudes 8 mit zugehörigen Temperaturfühlern F21,
bzw. F31 und F31 innerhalb des Gebäudes 8, sowie einem Temperaturaußenfühler F32
verbunden.
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Gemäß der Darstellung von 3 führen die Temperaturfühler F11 – F32 den
zugehörigen
Regelungseinrichtungen RE1, RE2, und RE3 Temperatur-Istwerte T11,
T12, T13, T21, T31, und T32 zu, die von den zugehörigen Regelungseinrichtungen
unter Anwendung der zugeordneten Regelungsfunktionen RF verarbeitet
werden.
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Wenn beispielsweise die Temperatur
TR1ist im ersten Raum 10 von 20 Grad Celsius auf einen Wert
TR1soll von 21 Grad Celsius erhöht
werden soll, so muss dem ersten Raum 10 soviel Wärmeenergie
QR1 zugeführt
werden, dass er sich um 1 Kelvin erwärmt. Die hierfür benötigte Menge
an Wärmeenergie
QR1 ist dabei unter anderem abhängig
vom Volumen und der spezifischen Wärmekapazität des Rauminhalts und beträgt QR1 = (TR1soll – TR1ist)·V1·K1 wobei das Volumen
V1 und der Korrekturfaktor K1 an der Regelungseinrichtung RE1 eingestellt
wird, die die Warmwasserheizung in Raum 10 steuert.
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Den aktuellen Temperaturwert TR1ist
in Raum 10 ermittelt die erste Regelungseinrichtung RE1
hierbei beispielsweise durch Mittelwertbildung aus den Werten der
Sensoren F11 und F12, die sich im Raum 10 befinden, nach
der Gleichung
TR1ist = (T11 + T12)/2.
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Da jedoch über einen bestimmten Zeitraum hinweg
auch Wärmeenergie
an die benachbarten Räume 12 und 16,
sowie an die Außenumgebung
abgegeben wird, ist diese Energie zusätzlich als Verlustenergie Qverlust
mit zu berücksichtigen.
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Für
den Verlust von Energie vom ersten Raum 10 zum zweiten
Raum 12 ergibt sich Qverlust R1,2 =
(PR1ist – PR2ist)·A1,2·K1,2, wobei
A1,2 die Größe der aneinandergrenzenden Wandflächen der
Räume 10 und 12 und
K1,2 die zugehörige
Isolationsfunktion ist, die über
die erste Regelungsfunktion RF1 an der ersten Regelungseinrichtung
RE1 eingegeben wird, bzw. als veränderbarer Vorgabewert in dieser
abgespeichert ist.
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Die erforderliche Gesamtenergie für den Raum 10 ergibt
sich über
den betreffenden Zeitraum durch die Summe der Verluste zu den angrenzenden Räumen sowie
zur angrenzenden Außenumgebung, wobei
die erste Regelungseinrichtung RE1 mit Hilfe der im Speicher abgelegten
Werte die jeweiligen Verluste auch für die anderen angrenzenden
Räume entsprechend
der zuvor beschriebenen Weise berechnet und zu einem Gesamtenergieverlust
Qverlges1 für
Raum 1 aufaddiert, und den erhaltenen Wert zur benötigten Menge
an Wärmeenergie
QR1 hinzuaddiert. QgesR1 = QR1 + QverlgesR1
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Der erhaltene Wert QgesR1 wird im
Speicher der ersten Regelungseinrichtung RE1 abgespeichert.
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Um in der Praxis den Raum 10 aufzuheizen, d.h.
die insgesamt benötigte
Wärmeenergiemenge QgesR1
zuzuführen,
wird der Brenner 18 mit einer bestimmten Wärmeleistung
betrieben, die im vorliegenden Falle beispielsweise 30 KW beträgt.
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Die zugeführte Wärmeenergiemenge Q ist dabei
das Produkt aus Wärmeleistung
P und Heizzeit t. Q = P·t
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Demgemäss bestimmt die erste Regelungseinrichtung
RE1 die Wärmeleistung,
die aus dem Brenner 18, bzw. aus einem dem Brenner nachgeschalteten,
nicht gezeigten Warmwasserspeicher entnommen werden muss. Dies erfolgt
beispielsweise durch die Betätigung
der Stelleinrichtung SB in Form eines Magnetventils, wie dies in 1 schematisch gezeigt ist.
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Wenn weiterhin im ersten Raum 10 weitere Wärmequellen
existieren, so kann die Heizleistung dieser Quellen in erfindungsgemäßer Weise
mit dazu herangezogen werden, die Heizleistung, bzw. die Wärmeenergie,
die vom Brenner 18 bereitgestellt werden muss, insgesamt
zu reduzieren.
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Hierzu bestimmt die erste Regelungseinrichtung
RE1 die für
den ersten Raum 10 benötigte Warmwasserheizleistung
PR1wasser gemäss
der Gleichung PR1wasser = PR1 – PWQ12 für den Fall,
dass der Zusatzlüfter
eingeschaltet ist, wobei PWQ12 die vom Heizlüfter abgegebene Heizleistung,
bzw. Energie darstellt.
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Um die Wärmeenergie für alle Räume bedarfsgerecht
erzeugen zu können,
wird die benötigte Warmwasserheizleistung
von allen Räumen 10, 12, 14, 16 – wie in 3 anhand der Pfeile verdeutlicht – zur Regeleinrichtung
RB des Brenners 18 gesandt, der die eingehenden Leistungsanforderungen
aufaddiert und so den Betrieb des Brenners 18 mittels der in
der Regelungseinrichtung RB für
den Brenner abgelegten zugehörigen
Regelungsfunktion RF regelt, welche an die jeweiligen technischen
Gegebenheiten des Brenners 18 angepasst ist.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein,
dass jeder Regelungseinrichtung RE eine Sollwertkurve zugeordnet
wird, anhand von welcher der Temperatur-Sollwert zeitabhängig vorgegeben
werden kann. Diese Sollwertkurve kann ebenfalls als ein Teil der zugehörigen Regelungsfunktion
in der Regelungseinrichtung RB für
den Brenner 18 abgelegt werden. Die Sollwertkurve kann
z.B. das Datum, die Uhrzeit, Wochentag und/oder einen bestimmten
Betriebsmodus, beispielsweise die Urlaubszeit, mit berücksichtigen.
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Die vom Brenner 18 erforderliche
Heizleistung kann hierdurch gewünschten
Falls in erfindungsgemäßer Weise
schon bereits vor dem benötigten
Zeitpunkt zur Regelungseinrichtung RB des Brenners 18 übertragen
werden, um den Totzeiten im Heizungssystem entgegenzuwirken, die
sich aus der thermischen Trägheit
des Heizungssystems ergeben.
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Soll beispielsweise die Temperatur
im Dachgeschossraum 14 um 8.50 Uhr um 5 Kelvin erhöht werden,
und beträgt
der Energietransport des Heißwassers
(einschließlich
des Aufheizens des Rohrleitungssystems) vom Brenner 18 zum
Heizkörper PWQ
31 im Raum 14 insgesamt 4 Minuten, so fordert die Regelungseinrichtung
RE 3 im Raum 14 die hierfür zuvor anhand der zugehörigen Regelungsfunktion berechnete
Energie- oder Warmwassermenge insgesamt 4 Minuten vorher an.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das erfindungsgemäße Regelungssystem 1 mit
einer Diebstahlschutzfunktion ausgerüstet, die eine erneute Inbetriebnahme
einer Regelungseinrichtung aufgrund der Geräte-Identifikationsnummer sperrt,
wenn die datenmäßige Kopplung
zu einer anderen Regelungseinrichtung über eine vorgegebene Zeitdauer
hinaus unterbrochen wird. Optional kann vorgesehen sein, dass die
Auslösung
eines Alarm innerhalb eines Gesamtsystems z.B. über eine Sirene, eine Hupe
oder durch Ausgabe an einen externen Rechner, automatisch erfolgt.
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Hierbei kann es vorgesehen sein,
dass ein Einschalten oder eine Inbetriebnahme der entsprechenden
Regelungseinrichtung erst nach Eingabe eines Sicherheitscodes möglich ist,
der beispielsweise über
eine Schnittstelle 3 an der betreffenden Regelungseinrichtung über einen
Computer, insbesondere einen tragbaren Computer, eingegeben wird.
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Das erfindungsgemäße Regelungssystem kann beispielsweise
zur Regelung der Temperatur, des Drucks, der Beleuchtungsstärke, der
Drehzahl, der Position bei Werkzeugmaschinen oder anderen Stelleinrichtungen
eingesetzt werden. In gleicher Weise eignet sich das erfindungsgemäße Regelungssystem
ebenfalls zur Regelung von Transportvorgängen, wie z.B. dem Füllstand
eines Tanks oder Getreidesilos, oder von sonstigen beweglichen Gütern.
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- 1
- erfindungsgemäßes Regelungssystem
- 2
- Datenübertragungseinrichtung
- 3
- Schnittstelle
- 4
- erste
Sende-/Empfangseinheit
- 6
- zweite
Sende-/Empfangseinheit
- 8
- Gebäude
- 10
- erster
Raum
- 12
- zweiter
Raum
- 14
- dritter
Raum
- 16
- vierter
Kellerraum
- 18
- Brenner
- 20
- Vorlaufleitung
- RE1
- erste
Regelungseinrichtung
- RE2
- zweite
Regelungseinrichtung
- MC1
- 1.
Mikrocontroller
- MC2
- 2.
Mikrocontroller
- MP1
- Prozessor
1
- MP2
- Prozessor
2
- RF1
- 1.
Regelungsfunktion
- RF2
- 2.
Regelungsfunktion
- F11–F13
- erste
Sensoren
- F21–F23
- zweite
Sensoren
- S11–S23
- Stelleinrichtungen
- PWQ11–PWQ13
- erste
Wärmequellen
- PWQ21–PWQ23
- zweite
Wärmequellen
- QR1
- Wärmeenergiemenge
zum Aufheizen des Raumes 10
-
- um
1 Kelvin
- TR1ist
- Temperatur-Istwert
von Raum 10
- TR1soll
- Temperatur-Sollwert
von Raum 10
- V1
- Volumen
von Raum 10
- K1
- Korrekturfaktor
- A1,2
- Fläche zwischen
Raum 1 und Raum 2
- QverlustR1,2
- Energieverlust
- QverlustRlges
- Gesamtenergieverlust
Raum 1
- QgesR1
- Gesamte
für Raum
1 benötigte Energiemenge
- PR1Wasser
- Benötigte Warmwasserheizleistung
für Raum
1
- PR1
- Heizleistung
für Raum
1