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Die vorliegende Erfindung gibt ein Funkmaschennetz zum Überwachen und Steuern von elektrischen Heizsystemen an.
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Hintergrund der Erfindung
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Um ein elektrisches Heizsystem optimal zu überwachen und zu steuern, werden mehrere Parameter gemessen. Dazu gehören unter anderem die Temperatur des Heizgeräts oder des durch das Heizgerät geheizten Bereichs, die Versorgungsspannung für das Heizgerät, der durch das Heizgerät fließende Strom und der Erdschlussleckstrom von dem Versorgungsstromkreis zur Erde.
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In vielen bestehenden Heizsteuerungssystemen wird die Messung dieser Parameter durch Sensoreinrichtungen ausgeführt, die mit einem Steuer- oder Überwachungspaneel über diskrete und dedizierte Drähte verbunden sind. Zum Beispiel kann die Temperatur über ein Thermoelement oder einen Widerstandstemperatursensor überwacht werden, wobei Thermoelemente über zwei (2) spezielle Leitungsdrähte und Widerstandstemperatursensoren über zwei (2) oder drei (3) Kupferdrähte verbunden sind.
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Der Gesamtversorgungsstrom und der Erdschlussleckstrom können durch Stromtransformatoren gemessen werden, die eine Wechselspannung erzeugen. Für den Gesamtversorgungsstrom kann ein einzelner Leiter durch einen Stromtransformator geführt werden, der eine Spannung proportional zu der Größe des durch den Stromtransformator fließenden Versorgungsstroms erzeugt. Der Versorgungs- und der Rückleiter, d.h. die Phase und der Nullleiter, können gemeinsam durch einen einzelnen Stromtransformator geführt werden, sodass eine Wechselspannung nur dann erzeugt wird, wenn eine Unausgeglichenheit in der Größe des Versorgungsstroms in Bezug auf den Rückstrom vorhanden ist. Eine derartige Unausgeglichenheit weist auf ein Lecken des Stroms zur Erde hin. Die Ausgangsspannung der Stromtransformatoren kann unter Verwendung von dedizierten Kupferdrähten mit den Steuer- und Überwachungspaneelen verbunden werden.
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Die Versorgungsspannung kann direkt überwacht werden, indem dedizierte Drähte mit voller Versorgungsspannung zu dem Überwachungspaneel geführt werden. Es kann aber auch ein dazwischen geschalteter Abwärtstransformator verwendet werden, der die Versorgungsspannung um ein bekanntes Verhältnis reduziert, um hohe Spannungen an der Überwachungsposition zu vermeiden. Gewöhnlich wird ein isolierter Kupferdraht verwendet, um den Punkt, an dem die Versorgungsspannung überwacht wird, mit der Messschaltung in dem Steuerraum zu verbinden.
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Systeme wie die oben beschriebenen, die Kupferdraht (oder einen Thermoelementdraht) verwenden, um die Sensoreinrichtung mit dem Überwachungs- oder Steuerpunkt zu verbinden, weisen zwei Nachteile auf. Der erste Nachteil besteht darin, dass die Installationskosten für den Kupferdraht (oder den Thermoelementdraht) ziemlich hoch sein können. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Verdrahtungskreise durch gefährliche Bereiche oder über physikalische Hindernisse wie etwa Wasserwege oder öffentliche oder private Verkehrswege wie etwa Autobahnen oder Straßen geführt werden. Der zweite Nachteil besteht in dem Spannungsabfall, wenn der Strom über große Längen von Kupferdraht geführt wird. Der Spannungsabfall in dem Messkreis muss kompensiert werden, damit die Messung in dem Steuerraum möglichst nahe an der Messung liegt, die an dem entsprechenden Punkt vor Ort gemacht würde. Die meisten Kompensationsschaltungen weisen einen maximalen Widerstandswert auf, bis zu dem eine Kompensation möglich ist, wodurch also die maximale Länge des Kupferdrahts effektiv begrenzt ist bzw. die Verwendung eines größeren Drahtdurchmessers und damit eines kostspieligeren Kupferdrahts erzwungen wird.
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Die
US 2005/0067049 A1 betrifft Flüssigkeitsverteilungssysteme in privaten und kommerziellen Bereichen, und insbesondere Systeme und Verfahren zur Überwachung und Steuerung des Wasserverbrauchs in einem wasserbasierten System unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren zur Erzeugung von Signalen, die deren Betrieb anzeigen.
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Die in der
US 2006/0176175 A1 angegebene Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Erfassen von Bedingungen oder Merkmalen, die mit einem Prozess oder einer Sache verbunden sind. Das Sensorsystem umfasst dabei einen oder mehrere Energiewandler und einen Sensor, welche an den Prozess oder die Sache gekoppelt sind. Ein Knoten ist mit dem Sensor und dem Energiewandler gekoppelt und der Knoten wird durch den Ausgang des Energiewandlers gespeist. In einer spezifischen Ausführungsform besitzt der Knoten eine Steuerung, welche eine oder mehrere Routinen zum selektiven Einschalten eines drahtlosen Senders des Knotens basierend auf einer vorbestimmten Bedingung implementiert. Die vorbestimmte Bedingung kann angeben, dass Sensorausgangswerte innerhalb eines vorbestimmten Bereichs oder unterhalb oder oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegen. Alternativ kann die vorbestimmte Bedingung angeben, dass die elektrische Energie, die von dem Energiewandler ausgegeben wird, unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegen soll. Ein Remotecomputer kann drahtlos mit dem Knoten verbunden werden und Soft- und/oder Hardware enthalten, die dafür ausgelegt ist, die von dem Sensor ausgegebene und an den Computer über den Knoten übermittelte Information zu verarbeiten.
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Die
US 2003/0159811 A1 offenbart ein System zur Ammoniakdampferzeugung. Dieses System beinhaltet eine Zufuhrquelle für flüssiges Ammoniak, einen Dampferzeugungsbehälter, der einen Einlass enthält, um flüssiges Ammoniak von der Zufuhrquelle zu erhalten, und einen Auslass zum Entladen von Ammoniakgas aus dem Dampferzeugungsbehälter. Des Weiteren ist ein erstes Wärmeübertragungssystem zum Abkühlen von flüssigem Ammoniak, welches von der Zufuhrquelle dem Dampferzeugungsbehälter zugeführt wird, und zum Bereitstellen einer externen Kühlung für den Dampferzeugungsbehälter enthalten. Außerdem ist ein zweites Wärmeübertragungssystem zur Erwärmung des flüssigen Ammoniaks innerhalb des Dampferzeugungsbehälters vorhanden. Diese beiden Wärmeübertragungssysteme erleichtern die Abgabe von Ammoniakgas aus dem Dampferzeugungsbehälter bei im Wesentlichen konstanter Strömungsgeschwindigkeit und bei im Wesentlichen konstantem Druck.
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Die
US 5,597,502 A bezieht sich auf eine Einzel- und Dreiphasen-Heizungselementschaltung für eine elektrische Heizeinheit und insbesondere auf die Verbesserung der Konstruktion und Anordnung einer Heizungselementschaltung für eine Keramikfaser zum Verhindern eines Kurzschlusses der Heizung.
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Die
US 5,521,850 A betrifft die Temperatursteuerung von mindestens einem, jedoch vorzugsweise mehreren elektrischen Widerstandsheizern wie Heizvorrichtungen an Düsen und Heißkanalformen in verschiedenen Zonen oder Bereichen, in denen die Verwendung von Sensoren nicht möglich ist.
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Die
US 6,879,806 B2 bezieht sich auf ein drahtloses Automatisierungssystem mit einer Steuerung zum Kontrollieren einer breiten Vielfalt von Funktionen über eine wechselseitige Kommunikation mit einer Vielzahl von Geräten. Insbesondere befasst sich die dort offenbarte Erfindung mit einem verbesserten und flexiblen Routing von Signalen von einer Steuerung zu einem Gerät, was den Aufbau von verschiedenen Tabellen, wie beispielsweise Routingtabellen umfasst. Die verbesserte und flexible Art des Routings ermöglicht es dem Benutzer, jedes Gerät innerhalb des Netzwerks mit einer hohen Zuverlässigkeit zu erreichen.
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Die
EP 1 768 268 A2 schließt die Ausgestaltung eines Moduls für die drahtlose Kommunikation zwischen elektrischen oder elektronischen Geräten oder Systemen in Hochfrequenzbändern zumindest im Bereich von 300 MHz bis 2,60 GHz, insbesondere für Haus- und Büroautomatisierungssysteme, ein. Diese elektrischen oder elektronischen Geräte umfassen Steuerelemente für die Elektronik und kann gesteuert werden oder kann Daten liefern, wie beispielsweise ein kabelloses Thermometer.
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Ferner wird auf Schneider, M.H. et. al.; Designing a thermoelectrically powered wireless sensor network for monitoring aluminium smelters. In: IEEE Proc. IMechE Vol. 220 Part E: J. Process Mechanical Engineering, pp. 181-190, March 2006 verwiesen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zum Überwachen und Steuern von Heizvorrichtungen anzugeben, welche die Nachteile des Standes vermeiden, insbesondere mehrere Parameter berücksichtigen ohne hohe Installationskosten zu verursachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch Anspruch 12 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung gibt ein System und ein Verfahren zum Überwachen und Steuern von Heizvorrichtungen an, die ein Heizsystem zum Erwärmen eines Aufbaus, wenigstens einen analogen Sensor, der an dem geheizten Aufbau befestigt ist, eine Einrichtung zum Wandeln der durch die Sensoren gemessenen analogen Werte zu digitalen Werten, eine Funkeinrichtung zum Übertragen der digitalen Werte zu einer Steuereinrichtung, eine Steuereinrichtung zum Vergleichen der digitalen Werte mit festgelegten Sollpunkten und Aktionsschwellwerten und eine Betätigungseinrichtung zum Einleiten einer Steueraktion umfasst. Insbesondere gibt die vorliegende Erfindung ein vermaschtes Netz zum Überwachen und Steuern eines elektrischen Heizsystems an.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die vorliegende Erfindung gibt ein System und ein Verfahren zum Überwachen und Steuern von elektrischen Heizvorrichtungen oder Heizsystemen an. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, umfasst das System zum Überwachen und Steuern von Heizvorrichtungen ein Heizsystem zum Erwärmen eines Aufbaus, wenigstens einen analogen Sensor, der an dem geheizten Aufbau angebracht ist, eine Einrichtung zum Wandeln der durch die Sensoren gemessenen analogen Werte zu digitalen Werten, eine Funkeinrichtung zum Übertragen der digitalen Werte zu einer Steuereinrichtung, eine Steuereinrichtung zum Vergleichen der digitalen Werte mit festgelegten Sollpunkten und Aktionsschwellwerten und eine Betätigungseinrichtung zum Einleiten einer Steueraktion.
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Der geheizte Aufbau ist allgemein ein Rohr oder ein Tank, der zum Transportieren oder Lagern von Gasen oder Flüssigkeiten verwendet wird. Derartige Aufbauten können Speichertanks für chemische Prozesse, Ölpipelines in kalten Umgebungen oder Einrichtungen zum Aufnehmen von Materialien sein, die zu einer allgemeinen oder spezifischen Temperatur für einen bestimmten Zweck in Übereinstimmung mit einer bestimmten Umgebung geheizt werden müssen.
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Die analogen Sensoren der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise Temperatursensoren, Stromsensoren, Erdschlussstromsensoren, Spannungssensoren, Widerstandssensoren und/oder Kombinationen aus denselben. Zum Beispiel können drei oder mehr Sensoren überwacht werden, wobei zwei oder alle derselben zur selben Klasse gehören. Vorzugsweise erzeugen diese Sensoren ein Spannungssignal, das proportional zu einem gemessenen analogen Wert ist. Dabei kann es sich etwa um Widerstandstemperatursensoren handeln, deren Widerstand sich in direkter Beziehung zu der Temperatur ändert, sodass ein durch den Sensor hindurchgehender Strom einen Spannungsabfall erzeugt, der proportional zu dem Widerstand des Sensors und damit zu der Temperatur des Sensors ist. Es kann sich aber auch um einen Spannungsteilungssensor handeln, dessen Ausgangsspannung direkt proportional zu einer größeren unbekannten Spannung ist, die gewöhnlich für die Stromversorgung der Heizeinrichtung verwendet wird. Es kann sich weiterhin um einen Stromsensor wie etwa einen Stromwandler handeln, der eine Spannung erzeugt, die proportional zu dem in oder aus der Heizeinrichtung fließenden Strom ist. Und es kann sich weiterhin um einen Erdschlusssensor handeln, der eine Spannung erzeugt, die proportional zu der Unausgeglichenheit zwischen dem in die Heizeinrichtung fließenden Strom und dem aus der Heizeinrichtung fließenden Strom ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Ausgabewerte von mehreren, z.B. drei, Sensoren unabhängig voneinander und vorzugsweise gleichzeitig gemessen und zu digitalen Werten gewandelt. In einer anderen Ausführungsform werden die Ausgabewerte der mehreren Sensoren innerhalb eines Intervalls von weniger als ungefähr drei Sekunden gemessen und gewandelt.
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Das System überwacht und steuert vorzugsweise spezifische Parameter, die auf den korrekten Betrieb und die Leistung einer Heizeinrichtung bezogen sind. Vorzugsweise umfassen diese Parameter den Gesamtstrom, die Versorgungsspannung, die Umgebungstemperatur, die Oberflächentemperatur des geheizten Rohrs oder Tanks und den Erdschlussleckstrom.
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Der Gesamtstrom ist die Größe des in und aus der Heizeinrichtung fließenden Stroms. Für eine Heizeinrichtung mit einem fixen Widerstand handelt es sich also in Entsprechung zu den Ohmschen Gesetzen (P = I2R) um eine direkte Angabe zu der durch die Heizeinrichtung erzeugten Leistung. Wenn der Widerstand R der Heizeinrichtung fixiert ist, dann bietet die Messung des Stroms I eine direkte Möglichkeit, die Heizleistung P der Heizeinrichtung zum Zeitpunkt der Messung zu berechnen. Durch einen Vergleich der Oberflächentemperatur, der Umgebungstemperatur und der Leistung kann die Betriebseffizienz der Systemleistung bestimmt werden, wobei unter anderem bestimmt werden kann, ob das System die Vorgaben erfüllt, ob sich die Isolationsmaterialen erwartungsgemäß verhalten oder ob der Heizkreis oder ein Teil desselben getrennt oder beschädigt wurde.
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Die Versorgungsspannung ist ein Maß für die an der Heizeinrichtung angelegte Leitungsspannung. In Entsprechung zu dem Ohmschen Gesetzen (P = VI) ist es bei einem variablen oder unbekannten Widerstand einer Heizeinrichtung wie etwa einer selbstregelnden Heizeinrichtung vorteilhaft, den Gesamtstrom und die Versorgungsspannung für eine korrekte Analyse zu messen. Indem die Versorgungsspannung überwacht wird, kann außerdem eine Verschlechterung des Stromversorgungssystems für die Heizeinrichtung festgestellt werden, wobei zum Beispiel Bedingungen wie etwa ein Spannungsabfall aufgrund einer Transformatorüberlastung, ein allgemeiner Abfall der Versorgungsspannung oder ein übermäßiger Spannungsverlust in den Kaltleitungen festgestellt werden. Die Kaltleitungen sind die Leitungen, die verwendet werden, um die Heizeinrichtung mit dem Verteiler- oder Steuerpaneel zu verbinden. Diese sollten einen viel geringeren Widerstand aufweisen als die Heizeinrichtung, um den Verlust von Leistung, d.h. Wärme, in Bereichen außerhalb der Heizeinrichtung zu minimieren.
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Das Messen der Lufttemperatur bzw. Umgebungstemperatur um das Rohr oder den Tank herum bietet eine Möglichkeit, den Wärmeverlust durch die Isolierung hindurch zu der Atmosphäre zu messen. Indem die Oberflächentemperatur des Rohrs oder Tanks und die Umgebungstemperatur gemessen werden und die Differenz ΔT (Delta-T) zwischen denselben berechnet wird, ergibt der Vergleich mit einem Wert für den Typ und die Dicke der verwendeten Isolation einen theoretischen Wärmeverlust durch die Isolation. Der theoretische Wärmeverlust bietet einen Indikator für die Strommenge, die von dem Heizsystem zugeführt werden muss, um diesen Wärmeverlust zu kompensieren und eine stabile Temperatur an dem Rohr oder Tank aufrechtzuerhalten. Zusätzliche Berechnungen können den Effekt eines Fluidflusses durch das geheizte Rohr berücksichtigen. Wenn die theoretische Leistung zum Aufrechterhalten der Temperatur und die durch die Heizeinrichtung verlorene tatsächliche Leistung bekannt sind und mit den Änderungen in der Oberflächentemperatur verglichen werden, können die Bedingungen der Isolation bestimmt werden. Die Umgebungstemperatur ist auch für bestimmte Gruppensteuerungsalgorithmen erforderlich, in denen eine Gruppe von Heizeinrichtungen ohne eine spezifische Rückmeldung für jedes Rohr aus- oder eingeschaltet werden. Ein Frostschutzheizsystem oder ein PASC-Algorithmus-Heizsystem sind Beispiele für eine Gruppensteuerung auf der Basis der Umgebungstemperaturmessung.
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Allgemein ist die Oberflächentemperatur des Rohrs oder Tanks ein primärer Steuerparameter, der verwendet wird, um zu bestimmen, wann die Stromversorgung für die Heizeinrichtung aus- oder eingeschaltet werden soll. Zusätzlich zu der Feststellung der Oberflächentemperatur in Vergleich zu der Umgebungstemperatur kann auch die Temperaturdifferenz Δt über die Isolation berechnet werden und können verschiedene Systemleistungsanalysen durchgeführt werden.
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Ein Heizsystem mit einer idealen elektrischen Isolierung kann Leckströme zur Erde vermeiden. Fehler bei der Installation, eine Beschädigung des Heizsystems während des Betriebs oder der Wartung und ein Verschleiß der Komponenten, wie etwa ein der Steckerblöcke oder der elektrischen Anschlüsse mit Wasser, kann zu einer Erhöhung der Leckstroms zur Erde oder zu einem Erdschluss-Leckstrom führen. Allgemein ist es vorteilhaft, den Erdschluss-Leckstrom über die Zeit zu beobachten, um schleichende Veränderungen oder plötzliche Erhöhungen festzustellen. Schleichende Veränderungen oder plötzliche Erhöhungen weisen auf bevorstehende oder bereits vorhandene Systemfehler hin. Erdschluss-Leckströme oberhalb von bestimmten wohl definierten Schwellwerten sind als übermäßig zu betrachtet und stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Elektrische/mechanische Einrichtungen wie etwa Erdschluss-Leistungsschalter oder Erdschluss-Unterbrechungseinrichtungen können aktiviert werden, um die Schaltung zu isolieren. Die Erkennung eines sich entwickelnden oder vorhandenen Fehlers unterhalb eines Schwellwerts für eine automatische Ausschaltung kann vorteilhaft sein, um eine präventive Wartung mit einer minimalen Störung für das System zu planen.
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Vorzugsweise werden möglichst viele der oben genannten Parameter gemessen, um eine optimale Steuerung und Wartung zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung kann Einrichtungen zum Messen von möglichst vielen Betriebsparametern vorsehen, wobei die Messungen genau digitalisiert werden, ohne dass ein Spannungsabfall über lange Leitungsdrähte kompensiert werden muss, und wobei die Werte unter Verwendung eines kostengünstigen Telemetrieverfahrens zu den Überwachungseinrichtungen im Steuerraum übertragen werden.
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Das System misst drei Eingaben pro Feldknoten, wie zum Beispiel drei Temperaturen; drei Ströme; eine Temperatur, einen Erdschluss-Leckstrom und einen Gesamtstrom; eine Versorgungsspannung, einen Strom und einen Erdschlussstrom; oder andere Kombinationen aus ähnlichen oder anderen Parametern. Vorzugsweise wird die Messung von mehr als einem der oben genannten Parameter durch eine Einrichtung mit mehreren Eingaben geleistet. Die drei Eingaben können zum Beispiel derart gewählt werden, dass die vorgegebenen Raumbeschränkungen und das Erfordernis einer häufigen Messung der drei Stromphasen an derselben Position berücksichtigt werden. Beispiele für die Messung von drei Parametern in der vorliegenden Erfindung sind etwa: (1) die Messung des Primärstroms, des Sekundärstroms und der Temperatur des Abwärts- oder Isolationstransformators für die Versorgung des Heizsystems; (2) die Messung der Versorgungsspannung, des Gesamtstroms und der Oberflächentemperatur eines geheizten Rohrs oder Tanks; (3) die Messung von drei unabhängigen Temperaturen von benachbarten Rohren; (4) die Messung des Gesamtstroms, des Erdschlussstroms und der Oberflächentemperatur eines bestimmten Heizkreises; (5) die Messung der Umgebungstemperatur, der Oberflächentemperatur und des Gesamtstroms für einen bestimmten geheizten Aufbau; oder (6) die Messung der einzelnen Phasenströme in einer dreiphasigen Stromversorgung.
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Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin die Verwendung eines Funkmaschennetzes zum Übertragen der digitalen Werte an. Das Funkmaschennetz umfasst ein Knotensystem zum Weiterleiten der digitalen Eingaben. In dem vermaschten Netz können einzelne Sensoreinrichtungen die Messwerte von benachbarten Sensoreinrichtungen weiterleiten, sodass die Einrichtungen ihre digitalen Werte nicht direkt zu der Steuereinrichtung übertragen müssen. Die Knoten des Funkmaschennetzes müssen lediglich über eine ausreichende Leistung zum Senden von Informationen zu vorzugsweise zwei oder mehr unmittelbar benachbarten Knoten verfügen. Die einzelnen Sender müssen also nicht so leistungsstark sein, dass sie den Steuerraum erreichen können. Benachbarte Knoten leiten die Messdaten intelligent über das Netz der Knoten mittels einer leistungsarmen Übertragung geringer Reichweite von Nachbar zu Nachbar weiter, bis die Meldung die Steuereinrichtung erreicht, die gewöhnlich in einem Steuerraum untergebracht ist. Vorzugsweise wird jeder Knoten mit einer Gleichspannung von weniger als 3,7 V betrieben, die von einer Lithiumthionylbatterie zugeführt wird. In einigen Fällen kann ein Knoten weniger als drei Eingaben aufweisen, wenn zum Beispiel nur eine Temperatureingabe erforderlich ist oder nur eine Versorgungsspannung und ein Gesamtstrom gewünscht werden. Außerdem kann ein Knoten auch ohne Eingaben betrieben werden, wobei in diesem Fall seine einzige Aufgabe darin besteht, als Paketweiterleitungsknoten für andere Informationen erzeugende Knoten in der Nachbarschaft des vermaschten Netzes zu dienen.
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Das vermaschte Netz für die drahtlose Datenübertragung bietet eine Plattform, die besonders gut für industrielle Umgebungen wie Raffinerien, Tanklager, petrochemische Anlagen und ähnliches geeignet ist. Diese Umgebungen sind durch große Stahlaufbauten gekennzeichnet, die herkömmliche drahtlose Systeme mit einer erforderlichen Sichtverbindung stören. Weil das Netz zwischen mehreren möglichen Signalpfaden wählen kann, kann das Netzsystem in einer Zielumgebung eingesetzt werden, ohne dass zuvor spezielle Antennenausrichtungen am Standort eingerichtet werden müssen. Und wenn die Anlagen erweitert werden und mehr Stahlaufbauten und mehr Knoten hinzugefügt werden, kann die Netzsoftware dynamisch neue Signalpfade finden und eine zuverlässige Kommunikation von dem Feldknoten zu den Einrichtungen im Steuerraum sicherstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Netz mit einer geringen Leistung intermittierend betrieben. In Zielbetriebsumgebungen, in denen von Zeit zu Zeit explosive Dämpfe vorhanden sein können, ist ein Knoten vorteilhaft, der eine entsprechend geringe Leistung benötigt, sodass er unter den vorgegebenen Betriebs- und Sicherheitsstandards sicher betrieben werden kann. Funknetzsysteme bieten verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Punkt-zu-Punkt- oder Master/Slave-Funksystemen, weil Sender mit geringer Leistung intermittierend verwendet werden können, was eine lange Betriebsdauer bei einem Batteriebetrieb gestattet. Außerdem können die Signalpfade adaptiv gebildet werden, wobei keine direkte Sichtlinie von dem Steuerraum zu den entfernt angeordneten Messeinrichtungen erforderlich ist. Zu den mit der Entwicklung und Vermarktung von Netzsystemen beschäftigten Unternehmen gehört ein Verbund von Unternehmen, die unter dem Namen „Zigbee Alliance“ bei der Entwicklung von allgemeinen und spezifischen Netzlösungen zusammenarbeiten (siehe zum Beispiel www.zigbee.org). Die Zigbee-Spezifikationen sind hier unter Bezugnahme eingeschlossen.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine intermittierende Paketübertragung verwendet. Wenn die Heizsysteme lange Betriebszeitkonstanten aufweisen, weisen insbesondere die Umgebungs- und Oberflächentemperaturen Werte auf, die sich unter typischen Bedingungen nicht schnell ändern. Dies gestattet es, die Messungen auf einer intermittierenden Basis zum Beispiel alle fünf (5) Minuten durchzuführen und mit diesen relativ langen Intervallen zu dem Steuerraum zu übertragen. Indem der Knoten für den größten Teil der fünf (5) Minuten in einen Ruhemodus eintreten kann und nur aufgeweckt wird, wenn Daten für einen benachbarten Knoten weitergeleitet werden müssen oder lokale Messungen übertragen werden müssen, kann die Lebensdauer der Batterie beträchtlich verlängert werden und etwa mehrere Jahre umfassen. Bei Verwendung von derzeit erhältlichen Lithiumthionylbatterien wird eine Lebensdauer von zwischen 7 und 10 Jahren erreicht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt einen batteriebetriebenen Netzknoten, der eine Lithiumthionyl-Primärbatterie mit 3,6 VDC und 19 Ah verwendet, wobei drei Eingänge durch einen Wechselschalter für Strom, Erdschlussstrom, Spannung, Rohrtemperatur oder Umgebungstemperatur konfiguriert werden können, ein vermaschtes Netz, das mit einer fixen Frequenz in nordamerikanischen, europäischen und asiatischen ISM-Frequenzbändern betrieben wird, und eine interne Antenne an.
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Das System kann den in jeder der drei einzelnen Phasen in eine mehrphasige Heizeinrichtung fließenden Gesamtstrom oder die Werte des in eine einphasige Heizeinrichtung fließenden Gesamtstroms messen.
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Das System kann Werte für die Oberflächentemperatur eines Aufbaus, die Umgebungstemperatur in der Luft um den Aufbau herum und den in eine Heizeinrichtung fließenden Strom messen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Messung drei Werte des in drei einzelnen Phasen in eine mehrphasige Heizeinrichtung fließenden Stroms, sodass die Ausgeglichenheit der Phasen überwacht und angepasst werden kann, um eine ausgeglichene Last auf allen drei elektrischen Phasen vorzusehen.
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In einer anderen Ausführungsform können die drei Werte des in eine einphasige Heizeinrichtung fließenden Gesamtstroms, der zum Zu- und Abführen des Stroms in und aus der Heizeinrichtung verwendeten Spannung und der unter Umständen vorhandenen Unausgeglichenheit zwischen dem in die Heizeinrichtung fließenden Strom und dem aus der Heizeinrichtung fließenden Strom verwendet werden, um eine Anormalität in der elektrischen Leistung der Heizeinrichtung wie etwa eine zunehmende Unausgeglichenheit zwischen dem in die Heizeinrichtung fließenden Storm und dem aus der Heizeinrichtung fließenden Strom zu erfassen und damit einen unsicheren Betrieb festzustellen und um Kriterien für eine Trennung der Spannungsversorgung zu der Heizeinrichtung zu erhalten. Dabei kann eine übermäßige Änderung des in die Heizeinrichtung fließenden Stroms ohne eine entsprechende Änderung in der angelegten Spannung darauf hinweisen, dass die Heizeinrichtung eine physikalische Beschädigung erlitten hat, und können allmähliche Veränderungen in der Beziehung zwischen dem Strom und der angelegten Spannung darauf hinweisen, dass Änderungen in der Effizienz der Heizeinrichtung stattgefunden haben.
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Die drei Werte können aber auch die Oberflächentemperatur des geheizten und isolierten Aufbaus, die Umgebungstemperatur in der umgebenden Luft und den in die Heizeinrichtung fließenden Strom umfassen, sodass die Steuereinrichtung bestimmen kann, ob die Heizeinrichtung unter den vorherrschenden Temperaturbedingungen in dem erwarteten Betriebsbereich betrieben wird, oder bestimmen kann, ob die Temperaturdifferenz zwischen dem geheizten und isolierten Aufbau kleiner als erwartet für die in die Heizeinrichtung fließende Strommenge ist, sodass die Steuereinrichtung daraus schließen kann, dass die thermische Isolation eine reduzierte Effizienz aufweist oder diese fehlt, beschädigt ist oder nass ist.
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Es können auch andere Kombinationen von drei gleichzeitigen Messungen mittels der weiter oben genannten Klassen von analogen Sensoren durchgeführt werden, damit die Steuereinrichtung auf den Zustand der Heizeinrichtung, der Isolation, der Stromversorgung und/oder der Temperatur eines durch die Heizeinrichtung geheizten mechanischen Aufbaus schließen kann.
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Im Folgenden wird auf die Figuren Bezug genommen. Wie in 1 gezeigt, überwachen vermaschte Funknetzknoten mit drei Eingaben die Oberflächentemperatur eines Aufbaus, den Gesamtstrom einer Heizeinrichtung und die Versorgungsspannung der Heizeinrichtung. Diese Konfiguration ist nützlich, um die Heizeinrichtung zu steuern, die Leistungsausgabe einer variablen Heizeinrichtung zu berechnen und die aufrechterhaltene Temperatur sowie die Erwärmungs- und Abkühlungsraten zu überwachen. In 2 überwachen vermaschte Funknetzkonten mit drei Eingaben die Oberflächentemperatur eines Aufbaus, den Gesamtstrom einer Heizeinrichtung und die Umgebungstemperatur. Diese Konfiguration ist nützlich, um die Heizeinrichtung zu steuern, die Ausgabe einer Heizeinrichtung mit einem konstanten Widerstand zu überwachen und die Wärmeisolationseffizienz unter Verwendung der Temperaturdifferenz ΔT über das Isolationsmaterial zu erfassen. 3 zeigt vermaschte Funkknoten mit drei Eingaben, die die Oberflächentemperatur eines Aufbaus, den Gesamtstrom einer Heizeinrichtung und einen Erdschluss-Leckstrom überwachen. Diese Konfiguration ist bei der Verwendung von mineralisolierten Heizeinrichtungskabeln zu bevorzugen, wenn der Benutzer die Heizeinrichtung auf der Basis der Oberflächentemperatur des Aufbaus steuern, den Betrieb der Heizeinrichtung über den Gesamtstrom überwachen und die Kreisbedingung der Stromversorgung der Heizeinrichtung und der Verbindungspunkte über den Erdschluss-Leckstrom überwachen muss. Wie in 4 gezeigt, überwachen vermaschte Funknetzknoten mit drei Eingaben den Gesamtstrom in jeder von drei Phasen, die Strom zu einer dreiphasigen Heizeinrichtung führen. Diese Konfiguration ist nützlich, um die Ausgeglichenheit der Phasenlasten zu prüfen, um die Leistung zu regeln und um die Alterung der Heizeinrichtung bei einem normalen Betrieb zu überwachen.
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Beispiel 1
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Drei Widerstandstemperatursensoren (RTDs = Resistance Temperature Devices) sind an einem zu heizenden Aufbau angebracht. Die drei RTDs sind mit über drei Kupferdrahtkabel mit Eingangsanschlüssen verbunden. Die Länge dieser RTD-Verbindungskabel kann bis zu einigen hundert Fuß betragen, liegt aber gewöhnlich bei weniger als 50 Fuß, um die Vorteile der drahtlosen Topologie zu maximieren. Sendeknoten des vermaschten Funknetzes sind physikalisch an dem Rohr oder einem anderen Aufbau unter Verwendung von Standard-Montageteilen befestigt, die auch bei normalen Anschlussdosen in verdrahteten Netzen verwendet werden. Die RTD-Kael werden über den Montagemasten der Knoten geführt und sind mit drei Anschlussblöcken auf der Leiterplatte des Sensors verbunden.
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Der an den Knoten installierte Mikroprozessor ist programmiert, um die Temperatur von den drei RTDs mit einem durch den Benutzer bestimmten Intervall von gewöhnlich 1 bis 15 Minuten zu erhalten, wobei das Intervall vorzugsweise 5 Minuten für Rohre und Aufbaute beträgt, die gewöhnlich durch elektrische Kabel in einer industriellen Umgebung geheizt werden. Das spezifische Zeitintervall wird auf der Basis eines Kompromisses zwischen dem Wunsch, die aktuelle Oberflächentemperatur des Aufbaus mit einer möglichst kurzen Latenzperiode zu erfahren, und der durch zu häufige Temperaturaktualisierungen verkürzten Batterielebensdauer gewählt.
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Nachdem ein Satz von Temperaturmessungen erhalten wurde, übertragen die Knoten die Stromwerte über das Funknetz zu einer Basisstation in der Nähe der Heizsteuerungseinrichtungen. Die Schnittstelle von der Basisstation zu den Heizsteuerungspaneelen ist gewöhnlich eine fest verdrahtete RS-232- oder RS-485-Seriellkommunikation im Bereich zwischen 9.600 und 38.400 Baud, wobei bei Bedarf aber auch eine langsamere oder schnellere Verbindung verwendet werden kann. Die Temperaturdaten werden für die Heizsteuerungseinrichtungen in der Form von Modbus-Registern verfügbar gemacht, die jeweils einen Temperaturwert in Entsprechung zu einer der RTD-Eingaben an dem Sensor enthalten. Das Layout der Modbus-Register kann eine ausreichende Anzahl von Registern für eine große Anzahl von Temperaturwerten in Entsprechung zu den Temperaturen enthalten, die von mehreren Feldknoten berichtet werden, die jeweils verschiedene Rohre und Tanks in der Anlage überwachen. Der Aufbau der Modbus-Register ist derart beschaffen, dass die Daten so emuliert werden, wie sie in einem herkömmlichen fest verdrahteten Hub und in einer Daten-Multiplexinganordnung des Speichentyps vorgesehen wären. Diese Implementierung minimiert den Bedarf für eine Neuprogrammierung der vorhandenen Einrichtungen in einem Steuerraum.
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Beispiel 2
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In einem zweiten Nutzungsbeispiel sind die Knoten mit Stromtransformatoren und Strom-zu-Spannung-Umsetzern und nicht mit RTDs verbunden. Wechselschalter an dem Sensor gestatten eine Umkonfiguration, um zu dem Strom proportionale Spannungssignale anstelle von zu der Temperatur proportionalen Messwiderstandswerten anzunehmen. Die Knoten können in dem Feld in der Nähe der Leiter installiert werden, die den Strom zu den elektrischen Heizeinrichtungen führen. Zwei verschiedene Stromtransformatoren sind besonders nützlich. Ein Transformator mit einem geteilten Kern kann über einen bestehenden Leiter gesteckt und festgeklemmt werden, ohne den Primärleiter zu trennen. Bei einem Transformator in der Form eines kontinuierlichen Rings wird der Primärleiter durch den Kern geführt (dazu ist jedoch eine Trennung eines Endes des Primärleiters erforderlich). Die zweite Option bietet eine etwas bessere Messgenauigkeit auf Kosten einer schwierigeren Installation. In beiden Fällen ist das Ausgangssignal des Stromtransformators ein Wechselstrom, der proportional zu dem durch den Primärstrom fließenden Wechselstrom ist, aber gewöhnlich einen viel kleineren Wert aufweist. Zum Beispiel wird ein Primärstrom mit 0-1000 A durch einen 1000:5-Abwärtstransformator überwacht, sodass bei einem 1000 A-Strom in dem Primärleiter ein 5 A-Strom in dem sekundären Stromtransformator erzeugt wird. Der reduzierte Strom lässt sich einfacher zu einer Gleichspannung mit einem sicheren Energiepegel wandeln. Die Ausgabe des Strom-zu-Gleichspannung-Wandlers wird mit einem von (bis zu) drei Eingängen an dem Sensor verbunden. Wenn sich der Wechselschalter in der Position CT befindet, ist der Mikrocontroller programmiert, um periodisch die Größe der Gleichspannung zu messen, den Wert zu digitalisieren und die Informationen über das Netzwerk zu der Basisstation zurückzusenden. In dem Steuerraum ist ein dedizierter Computer mit einer auf dem Markt erhältlichen Überwachungssoftware programmiert, sodass die aktuell gemessenen Werte aus der Basisstation über das Modbus-Protokoll extrahiert und an der Benutzerschnittstelle des Überwachungssoftwarepakets angezeigt werden können.
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Beispiel 3
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In einem dritten Nutzungsbeispiel sind die Knoten an einem Rohr dort installiert, wo das Heizeinrichtungskabel mit dem Stromversorgungskabel verbunden ist. Die Knoten können eingerichtet sein, um die Temperatur unter Verwendung eines RTD als eine Eingabe, den Gesamtversorgungsstrom unter Verwendung eines Stromtransformators und des Strom-zu-Gleichspannungs-Umsetzers als zweite Eingabe und den durch einen Stromtransformator und einen Strom-zu-Gleichspannungs-Umsetzer gemessenen Erdschluss-Leckfehler als dritte Eingabe zu überwachen. Wiederum sind die Knoten programmiert, um periodische Messungen aller drei Werte durchzuführen und den digitalisierten Wert der Lesungen über das Funknetz zu der Basisstation zu übertragen. Bestehende Heizsteuerungspaneele oder eine auf PCs ausgeführte und speziell programmierte Überwachungssoftware in dem Steuerraum kann dann die Informationen „beinahe mit Echtzeit“ aus der Modubus-Anordnung der Daten in der Basisstation extrahieren. Die Werte werden dann für Steuerungs- und Überwachungszwecke des Heizsystems verwendet oder über längere Zeitperioden verfolgt, um den Gesamtzustand des Heizsystems zu bestimmen.
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Andere Beispiele mit anderen Kombinationen aus Umgebungstemperatur, Versorgungsspannung, Gesamtstrom, Erdschlussstrom und Oberflächentemperatur können auf der Basis der hier gegebenen Lehren realisiert werden.
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Ein bequemer Zugriff auf diese Steuerungs- und Überwachungsparameter von einer einzigen Datenanordnung aus ist insbesondere für das Überwachen und Steuern des elektrischen Heizsystems nützlich. Durch das Sammeln von Messungen in Gruppen von jeweils drei durch den Benutzer für die gewünschte Messung konfigurierbaren Eingaben und das Weiterleiten dieser Messungen zu dem Steuerraum kann auf die kostspielige Installation und Wartung von fest verdrahteten Systemen verzichtet werden.
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Die vorstehende Zusammenfassung und Beschreibung sowie die Beispiele und Zeichnungen der Erfindung sind nicht einschränkend aufzufassen, sondern lediglich als beispielhafte Umsetzung der durch die Ansprüche definierten Erfindung.
