EP0356764A1 - Verfahren und Anordnung zur Regelung von pulssteuerbaren Brennern in einer Wärmetechnischen Anlage - Google Patents

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EP0356764A1
EP0356764A1 EP89114596A EP89114596A EP0356764A1 EP 0356764 A1 EP0356764 A1 EP 0356764A1 EP 89114596 A EP89114596 A EP 89114596A EP 89114596 A EP89114596 A EP 89114596A EP 0356764 A1 EP0356764 A1 EP 0356764A1
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EP
European Patent Office
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pulse
burner
minimum
cycle time
pulse width
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89114596A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Dr.-Ing. Nolte
Detlef Dipl.-Ing. Maiwald
Michael Dipl.-Ing. Bock
Thomas Spahr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LVE Verfahrenselektronik GmbH
Original Assignee
LVE Verfahrenselektronik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by LVE Verfahrenselektronik GmbH filed Critical LVE Verfahrenselektronik GmbH
Publication of EP0356764A1 publication Critical patent/EP0356764A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/002—Regulating fuel supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/04—Memory
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/08—Microprocessor; Microcomputer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/08—Measuring temperature
    • F23N2225/16—Measuring temperature burner temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/10—Sequential burner running
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/02—Controlling two or more burners

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling pulse-controllable burners in a thermal system, the manipulated variable being called actuating power in the following, is set within a cycle time with the pulse duty factor and pulse interval (pause).
  • the duty cycle of pulse width and pulse spacing has previously been varied by shifting the falling pulse edge with a constant cycle time. Both the pulse width and the respective pulse spacing change.
  • This regulation has the disadvantage that the pulse-controllable burners belonging to the thermal system can be operated with optimal or at least sufficient combustion properties only in the medium power range. Pulse-operated burners only work with low NO x and otherwise with less expensive combustion if they are switched on within the cycle time via a burner-specific first minimum time and are switched off via a burner-specific second minimum time.
  • the usable (medium) performance range could be extended by extending the constant cycle time; such an increase in the constant cycle time would increase the inertia of the control system accordingly. This is where the invention intervenes.
  • the invention has for its object to expand the usable performance range of a thermal system with favorable operating properties of the burner and short cycle times (low system inertia).
  • the invention provides for solving this problem that a minimum cycle time is preset from a predetermined pulse width and a minimum pulse interval, that the minimum cycle time is assigned an actuating power reference variable and that the actuating power is based on the actuating power reference, is regulated by changing the cycle time by varying the pulse spacing or pulse width.
  • the pulse spacing or the pulse width is changed for each output variation.
  • the variable that is kept constant with each change (either pulse width or pulse distance) is kept at the preset minimum value.
  • the cycle time With every change in the power output, the cycle time must therefore change accordingly compared to the preset minimum cycle time.
  • the cycle time variation together with the variation of the duty cycle has the advantage that the performance range can be fully exploited without impairing the combustion properties of the pulse-controllable burner and the cycle time that is minimal for the set actuating power can always be achieved.
  • the pulse pause is minimal at high powers and the pulse width is minimal at low powers. There is no shortfall in the minimum switch-on and switch-off times of the individual burners, even if the control deviation changes suddenly.
  • a particularly low-inertia system control results in a further development of the invention in that the minimum cycle time is preset to the sum of a minimum pulse width adapted to the burners and a minimum pulse interval.
  • This presetting characterizes approximately the middle of the usable control range at the highest pulse repetition frequency. With a higher power requirement, the pulse interval is kept to a minimum and only the pulse width is increased, and with a reduced power requirement compared to the reference variable, the minimum pulse width is maintained and only the pulse interval is increased.
  • An alternative development of the method according to the invention is characterized in that a maximum pulse width is preset as the predetermined pulse width and the maximum actuating power is used as a reference variable for the actuating power, and that the actuating power is regulated by changing the pulse spacing while the maximum pulse width remains the same.
  • the method can be adapted to different thermal systems in a particularly simple manner in that the pulse width and pulse spacing specifications are selected in an actuator-specific and / or system-specific manner and are stored as parameters in a memory.
  • a microprocessor develops the pulse widths and the pulse intervals according to the previously saved parameters and thus regulates the actuating power.
  • all burner actuators or fittings belonging to a thermal engineering system are regulated synchronized by a microprocessor according to pulse position and duty cycle.
  • the thermal system can be used for heating or for regulating alternating heating and cooling cycles.
  • the valves of all burners or other fittings of the thermal system can be controlled out of phase but synchronized with separate control.
  • the arrangement according to the invention for controlling pulse-controllable burners in a thermal engineering system like known arrangements of the same type, has a measuring device, a control device and a burner actuating device, which are integrated in a preferably closed controlled system of the thermal engineering system.
  • the arrangement according to the invention is suitable and intended for carrying out the control method described above.
  • a central control device between at least one Output of the control device and the control input of the burner control device is integrated in that the central control device has a read-only memory for storing an operating program, a programmable memory for inputting operating parameters and a processor coupled to both memories, which has pulse sequences with variable pulse intervals or to the burner control device Creates pulse widths and correspondingly variable cycle times, the pulse intervals or widths being variable together with the cycle time according to the operating program depending on the control deviation coming from the control device and the parameter input, and that at least one input device for parameter input and one display device are connected to the central control device .
  • the central control device is preferably mounted on a slide-in unit and coupled to the control device or the burner control device via input and output interfaces.
  • the insert has a front panel to which the display, input and operating components are attached. The parameters are entered via the input and operating components, i.e. in particular the setting of the minimum pulse widths and intervals, relative phase positions of separately controlled fittings, selection of one of a plurality of setpoint transmitters and / or a channel selection for controlling a number of thermally controlled systems controlled by a common central control unit.
  • the described central control device can be assigned to practically any thermal system. All that is required is a corresponding re-storage or storage of the programmable memory. In this respect, one and the same insert can be used in different systems and for any job.
  • an oven from a heating zone temperature of 1400 ° C without impairing the combustion and the burner properties also to temperatures of, for example, 140 ° C in order to serve as a heating furnace at these low temperatures.
  • the control arrangement shown in FIG. 1 as a block diagram in association with a thermal system 1 has a temperature measuring device 3, a controller 5, which has an actual temperature value T IST derived from the measuring device with a preset temperature setpoint T SOLL , and generates an output signal dT characteristic of the control deviation, and a burner control device 7.
  • the latter clocks the eight pulse-controlled burners 10 belonging to the furnace 1 in the illustrated embodiment, depending on the control deviation dT, in such a way that the actual temperature measured in the furnace zone is kept at the preset target temperature.
  • the control arrangement shown in FIG. 1 corresponds to conventional practice.
  • a central control device 9 is integrated between the output of the controller 5 and the control input (line 20) of the actuating device 7 for the burner 10.
  • the latter (9) has a microprocessor 11 with an integrated EEPROM, hereinafter referred to as a parameter memory 12, a read-only memory 13 serving as a program memory, an input interface 14 connected to the controller 5 and the microprocessor 11, one with the microprocessor 11 and the Setting device 7 connected, suitable output drivers containing output interface 15, an input interface 16 for a remote control, a display device 17 and a suitable input and operating device 18 for parameter input.
  • the display and operating components are connected to the main memory and the CPU, which is also integrated in the microprocessor, and installed on an operating panel 19.
  • the control method can best be explained using the pulse diagrams according to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 shows an operating mode in which the pulse-controllable burner 10 from the central control device 9 via the burner actuating device 7 within a wide actuating range with different actuating outputs (manipulated variables) while changing the Cycle time tZ can be controlled.
  • FIGS. 2A to D each show a pulse sequence with burner switch-on and switch-off times tE and tA as well as the cycle time tZ with different actuations.
  • the positive pulses shown in the pulse diagrams are applied by the central control device 9 via the output interface 15 and the line 20 to the actuating device 7, which are converted by the actuating device 7 into suitable actuating signals for the burner valve actuation.
  • the pulses or pulse intervals tE or tA of the electrical signals shown schematically in the pulse diagrams therefore correspond to the switch-on and switch-off times.
  • FIG. 2A illustrates the lower limit value of the actuating power of 1% that can be used with the exemplary embodiment described.
  • the pulse width is set to the minimum switch-on time tE min , which is a characteristic variable and preset value for the pulse-controllable burner 10 to be controlled.
  • the switch-off time tA corresponding to the distance between two successive pulses is maximum with a minimum of power.
  • the cycle time tZ in FIG. 2A (minimum actuating power) is equal to the sum of tE min and tA max .
  • FIG. 2B shows a pulse sequence in which the actuating power or manipulated variable is increased compared to FIG. 2A.
  • the switch-off time tA between two successive pulses is reduced, while the switch-on time remains unchanged at the minimum switch-on time tE min in accordance with the pulse width. Accordingly, the cycle time tZ is shortened, namely by shortening the switch-off time.
  • FIG. 2C shows the pulse sequence in which the cycle time tZ is minimal.
  • the minimum cycle time tZ min corresponding to an actuating power of XX%
  • both the switch-on and the switch-off time is minimized according to the burner manufacturer's instructions.
  • the operating state shown in FIG. 2C is preset in the working memory 12 and serves as a reference variable. If the actuating power is further increased compared to the reference variable XX%, the switch-off time tA is no longer changed, but only the pulse width corresponding to the switch-on time tE, namely increased.
  • the switch-off time remains constant at tA min , and when the actuating power is increased compared to the reference variable according to FIG.
  • the cycle time tZ changes exactly in accordance with the change in the switch-on time tE (FIG. 2D).
  • the pulse spacing or pulse width variation shown in FIG. 2 it is therefore possible to vary the actuating power without falling short of the burner-specific switch-on and switch-off times within previously unreachable limits and to keep the cycle times to a minimum.
  • the control also operates with a correspondingly low delay.
  • FIG. 3 shows an operating mode in which the thermal system is switched to heating and cooling and the air and gas valves are controlled separately but synchronized.
  • the positions shown in FIGS. 3A to 3D essentially correspond to those according to FIGS. 2A to 2D.
  • the actuating power is initially increased from the lower limit (FIG. 3A) by shortening the switch-off tA, and after exceeding the actuating power set here at 50% (reference value), the switch-off time is recorded at tA min and the switch-on time is increased by varying the pulse width.
  • the separate activation of the air and gas valves Different from the operating mode illustrated in FIG. 2A is the separate activation of the air and gas valves.
  • the air valve is opened before each burner ignition at time t1.
  • the burner is ignited at the same time.
  • the gas valve is opened later by a constant delay time t V.
  • the gas supply is also un before the air supply is interrupted broken.
  • the actuating power is increased up to an average actuating power of 50% by reducing the pause time between both the successive air pulses 22 and between the successive gas pulses 23; the widths of the pulses 22 and 23 remain at their minimum values when the actuating power is increased.
  • the burner-specific minimum switch-off time and the highest repetition frequency have been reached. (Repetition frequency and cycle time tZ are identical for the synchronized air and gas controls). With an increasing need for power beyond 50%, the switch-off time is kept to a minimum and only the switch-on tent is enlarged.
  • the central control device 9 can also have different clock frequencies for different ones supply ne burner groups or other control fittings.
  • all pulses, whether in phase or out of phase, are synchronized with one another. In principle, this is also shown in the illustration in FIG. 3.
  • the central control device is mounted with all display, operating and control components on an insert 30 shown in FIG. 4.
  • the insert has a main carrier plate 32, on which the power pack 31 and the essential functional components shown as blocks in FIG. 1 are mounted.
  • the various interfaces or interfaces 14 to 16 are designed in a known manner as single boards which are inserted into suitable slots in the carrier plate 32.
  • the microprocessor 11, 12, the program memory 13 and the power supply 31 are mounted directly on the carrier plate 32.
  • the interfaces and driver circuits for the control, input or display components which can be operated or are visible from the control panel 19 are attached to the rear of the control panel 19 (board 40).
  • the display includes a four-digit display 33, which shows the current manipulated variable during operation of the central control unit, the parameter value in its valid unit when parameters are entered, and can be used for control work for service work.
  • a setpoint generator display 34 is arranged under the display 33 and indicates the current setpoint origin with the aid of light-emitting diodes.
  • C means that the controller 5 is formed by a computer and the temperature setpoint is entered via the serial interface 16; mA designates controller 5 as a continuous controller; the next setpoint generator is a three-point step controller, and the box labeled M means manual setpoint entry.
  • a display column 35 with a total of eight LED-equipped display fields serves as an output control display and designates those output drivers that are currently controlled by the central control unit 9.
  • a hand rocker 36 enables manual command value specification and a change in the parameter values, for example the minimum pulse widths and pulse intervals. Depending on the direction of actuation of the hand rocker 36, the respectively selected quantities or parameters are incremented or decremented.
  • the respective manipulated variable source can be selected with the aid of a preselection switch 37, or parameters can be selected.
  • the pressure switches can also be used to select the operating mode.
  • the central control device 9 mounted on the insert 30 can be adapted to all pulse-controlled burners or burner groups. This adjustment can be carried out by the user himself in a few simple steps by correspondingly actuating the parameter input switches 36 and 37. To avoid unauthorized parameter inputs, the device can be equipped with a hidden code which locks the parameter memory 12.

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Abstract

Die zu einem Ofen gehörigen Brenner werden zur Temperaturregelung mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises geregelt. Der Regelkreis enthält eine Temperaturmeßeinrichtung, einen Regler zur Temperaturregelung, eine die Reglerausgangsgröße in eine geeignete Stelleistung der Brenner umsetzenden Stelleinrichtung, ein digitales Zentralsteuergerät, welches die Zykluszeit (tZ), die Impulsbreite (tE) der Einschaltimpulse des Brenners und deren Impulsabstand (tA) bestimmt. Eine minimale Zykluszeit (tZmin) aus der Summe aus minimaler Impulsbreite (tEmin) und minimalem Impulsabstand (tAmin) wird voreingestellt und als Stelleistungs-Bezugsgröße verwendet. Ausgehend von dieser Stelleistungs-Bezugsgröße bei minimaler Zykluszeit wird die Stelleistung der Brenner bedarfsgerecht unter Änderung der Zykluszeit (tZ) entweder durch Impulsabstands- oder durch Impulsbreitenvariation geregelt. Bei geringeren Stelleistungen wird der Impulsabstand vergrößert, und bei gegenüber der Bezugsgröße vergrößerten Stelleistungen wird die Impulsbreite bei konstantem minimalem Impulsabstand vergrößert. Dadurch kann der Stellbereich pulssteuerbarer Brenner bei jeweils minimaler Zykluszeit und entsprechend raschen Regelantworten wesentlich vergrößert werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­tung zur Regelung von pulssteuerbaren Brennern in einer wärme­technischen Anlage, wobei die Stellgröße im folgenden Stellei­stung genannt, innerhalb einer Zykluszeit mit dem Tastverhält­nis aus Impulsbreite und Impulsabstand (-pause) eingestellt wird.
  • Zur Variation der Stelleistung hat man bisher bei konstanter Zykluszeit das Tastverhältnis aus Impulsbreite und Impulsab­stand durch Verschiebung der abfallenden Impulsflanke vari­iert. Dabei ändert sich sowohl die Impulsbreite als auch der jeweilige Impulsabstand. Diese Regelung hat den Nachteil, daß die zur wärmetechnischen Anlage gehörigen pulssteuerbaren Brenner mit optimalen oder wenigstens ausreichenden Verbren­nungseigenschaften nur im mittleren Leistungsbereich betrieben werden können. Pulsbetriebene Brenner arbeiten nämlich nur dann NOx-arm und auch sonst unter günstigerer Verbrennung, wenn sie innerhalb der Zykluszeit über eine brennerspezifische erste Mindestzeit eingeschaltet und über eine ebenfalls bren­nerspezifische zweite Mindestzeit ausgeschaltet sind. Zwar ließe sich der nutzbare (mittlere) Leistungsbereich durch Verlängerung der konstanten Zykluszeit erweitern; eine solche Vergrößerung der konstanten Zykluszeit würde aber die Trägheit des Regelsystems entsprechend vergrößern. Hier greift die Erfindung ein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den nutzbaren Lei­stungsbereich einer wärmetechnischen Anlage bei günstigen Betriebseigenschaften der Brenner und kurzen Zykluszeiten (geringer Systemträgheit) zu erweitern.
  • Verfahrensmäßig sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß eine minimale Zykluszeit aus einer vorgegebenen Im­pulsbreite und einem minimalen Impulsabstand voreingestellt wird, daß der minimalen Zykluszeit eine Stelleistungs-Bezugs­größe zugeordnet wird und daß die Stelleistung, ausgehend von der Stelleistungs-Bezugsgröße, unter Änderung der Zykluszeit durch Impulsabstands- oder Impulsbreitenvariation geregelt wird.
  • Anders als bei herkömmlichen Regelungen von pulssteuerbaren Brennern wird bei jeder Stelleistungsvariation entweder der Impulsabstand oder die Impulsbreite geändert. Die bei jeder Änderung konstantgehaltene Größe (entweder Impulsbreite oder -abstand) wird auf dem voreingestellten Minimalwert gehalten. Bei jeder Stelleistungsänderung muß sich daher die Zykluszeit gegenüber der voreingestellten minimalen Zykluszeit ent­sprechend ändern. Die Zykluszeitvariation zusammen mit der Variation des Tastverhältnisses hat den Vorteil, daß der Lei­stungsbereich ohne Beeinträchtigung der Verbrennungseigen­schaften der pulssteuerbaren Brenner voll ausgeschöpft und dabei immer die für die jeweils eingestellte Stelleistung minimale Zykluszeit erreicht werden kann. Bei hohen Leistungen ist die Impulspause minimal, und bei niedrigen Leistungen ist die Impulsbreite minimal. Ein Unterschreiten der minimalen Ein- und Ausschaltzeiten der einzelnen Brenner gibt es selbst bei sprunghaftem Ändern der Regelabweichung nicht.
  • Eine besonders trägheitsarme Systemregelung ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß die minimale Zyklus­zeit auf die Summe aus einer den Brennern angepaßten minimalen Impulsbreite und einem minimalen Impulsabstand voreingestellt wird. Diese Voreinstellung, der die Stelleistungs-Bezugsgröße zugeordnet ist, kennzeichnet etwa die Mitte des nutzbaren Regelbereichs bei der höchsten Impulsfolgefrequenz. Bei einem höheren Leistungsbedarf wird der Impulsabstand minimal gehal­ten und nur die Impulsbreite vergrößert, und bei einem gegen­über der Bezugsgröße verringerten Leistungsbedarf wird die minimale Impulsbreite beibehalten und nur der Impulsabstand vergrößert. Eine alternative Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah­rens ist dadurch gekennzeichnet, daß als vorgegebene Impuls­breite eine maximale Impulsbreite voreingestellt und die maxi­male Stelleistung als Stelleistungsbezugsgröße verwendet wird, und daß die Stelleistung bei gleichbleibender maximaler Im­pulsbreite durch Änderung des Impulsabstandes geregelt wird.
  • Die Anpassung des Verfahrens an unterschiedliche wärmetech­nische Anlagen ist in Weiterbildung der Erfindung besonders einfach dadurch möglich, daß die Impulsbreiten- und Impulsab­standsvorgaben stellgliedspezifisch und/oder anlagenspezifisch gewählt und als Parameter in einem Speicher gespeichert wer­den. Ein Mikroprozessor entwickelt die Impulsbreiten und die Impulsabstände nach den zuvor gespeicherten Parametern und regelt damit die Stelleistung. Vorzugsweise werden alle zu einer wärmetechnischen Anlage gehörigen Brenner-Stellglieder bzw. Armaturen nach Impulslage und Tastverhältnissen synchro­nisiert von einem Mikroprozessor geregelt. Die wärmetechnische Anlage kann zum Heizen oder zum Regeln alternierender Heiz- und Kühlzyklen verwendet werden. Die Ventile aller Brenner oder sonstige Armaturen der wärmetechnischen Anlage können bei getrennter Ansteuerung phasenverschoben aber synchronisiert geregelt werden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung zur Regelung von pulssteuerba­ren Brennern in einer wärmetechnischen Anlage hat ebenso wie bekannte Anordnungen gleicher Gattung eine Meßeinrichtung, eine Regeleinrichtung und eine Brenner-Stelleinrichtung, die in eine vorzugsweise geschlossene Regelstrecke der wärmetech­nischen Anlage eingebunden sind. Die erfindungsgemäße Anord­nung ist zur Durchführung des zuvor beschriebenen Regelungs­verfahrens geeignet und vorgesehen. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß ein Zentralsteuergerät zwischen wenigstens einen Ausgang der Regeleinrichtung und den Regeleingang der Brenner-­Stelleinrichtung eingebunden ist, daß das Zentralsteuergerät einen Festwertspeicher zur Speicherung eines Betriebspro­gramms, einen programmierbaren Speicher zur Eingabe von Be­triebsparametern und einen mit beiden Speichern gekoppelten Prozessor aufweist, der an die Brenner-Stelleinrichtung Puls­folgen mit variablen Impulsabständen oder Impulsbreiten und entsprechend variabler Zykluszeit anlegt, wobei die Impulsab­stände oder -breiten gemeinsam mit der Zykluszeit nach dem Betriebsprogramm in Abhängigkeit von der aus der Regeleinrich­tung kommenden Regelabweichung und der Parametereingabe vari­ierbar sind, und daß wenigstens eine Eingabeeinrichtung zur Parametereingabe und eine Anzeigeeinrichtung mit dem Zentral­steuergerät verbunden sind.
  • Vorzugsweise ist das Zentralsteuergerät auf einem Einschub montiert und über Eingangs- und Ausgangsschnittstellen mit der Regeleinrichtung bzw. der Brennerstelleinrichtung gekoppelt. Der Einschub hat eine Frontplatte, an der die Anzeige-, Einga­be- und Bedienungskomponenten befestigt sind. Über die Einga­be- und Bedienungskomponenten erfolgt die Parametereingabe, d.h. insbesondere die Einstellung der minimalen Impulsbreiten und -abstände, relativer Phasenlagen getrennt angesteuerter Armaturen, Auswahl eines aus einer Mehrzahl von Sollwertgebern und/oder eine Kanalwahl zur Ansteuerung mehrerer über ein gemeinsames Zentralsteuergerät geregelter wärmetechnischer Anlagen.
  • Das beschriebene Zentralsteuergerät läßt sich praktisch jeder beliebigen wärmetechnischen Anlage zuordnen. Notwendig sind nur entsprechende Umspeicherungen oder Einspeicherungen des programmierbaren Speichers. Insofern läßt sich ein und dersel­be Einschub bei unterschiedlichen Anlagen und für beliebige Stelleistungen nutzen. Mit Hilfe der Erfindung kann ein Ofen von einer Heizzonentemperatur von 1400°C ohne Beeinträchtigung der Verbrennung und der Brennereigenschaften auch auf Tem­peraturen von beispielsweise 140°C heruntergeregelt werden, um bei diesen niedrigen Temperaturen als Aufwärmofen zu dienen.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Auch Unterkombinationen einzelner Merkmale in den Ansprüche haben als erfindungswesentlich offenbart zu gelten.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der neuen Anordnung zur Regelung von puls­steuerbaren Brennern in einer als Ofen ausge­bildeten wärmetechnischen Anlage;
    • Fig. 2 ein Impulsdiagramm, das für eine erste Be­triebsart kennzeichnend ist;
    • Fig. 3 ein Impulsdiagramm, das für eine zweite Be­triebsart kennzeichnend ist; und
    • Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf ein an einem Einschub montiertes Zentralsteuergerät und eine mit Kontroll-, Eingabe- und Anzeigekomponenten bestückten Frontplatte.
  • Die in Figur 1 als Blockschaltbild in Zuordnung zu einer wär­metechnischen Anlage 1 dargestellte Regelungsanordnung weist eine Temperatur-Meßeinrichtung 3, einen Regler 5, der einen von der Meßeinrichtung abgeleiteten Temperatur-Istwert TIST mit einem voreingestellten Temperatur-Sollwert TSOLL ver­gleicht, und ein für die Regelabweichung charakteristisches Ausgangssignal dT erzeugt, und eine Brenner-Stelleinrichtung 7 auf. Letztere taktet die beim dargestellten Ausführungsbei­spiel zum Ofen 1 gehörigen acht pulsgesteuerten Brenner 10 in Abhängigkeit von der Regelabweichung dT derart, daß die in der Ofenzone gemessene Isttemperatur auf der voreingestellten Solltemperatur gehalten wird. Insoweit entspricht die in Figur 1 dargestellte Regelungsanordnung herkömmlicher Praxis.
  • Bei der Erfindung ist zwischen Ausgang des Reglers 5 und Steuereingang (Leitung 20) der Stelleinrichtung 7 für die Brenner 10 ein Zentralsteuergerät 9 eingebunden. Letzteres (9) weist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Mikro­prozessor 11 mit integriertem EEPROM, im folgenden als Para­meterspeicher 12 bezeichnet, einen als Programmspeicher die­nenden Festwertspeicher 13, eine mit dem Regler 5 und dem Mikroprozessor 11 verbundene Eingangsschnittstelle 14, eine mit dem Mikroprozessor 11 und der Stelleinrichtung 7 verbun­dene, geeignete Ausgangstreiber enthaltene Ausgangsschnitt­stelle 15, eine Eingangsschnittstelle 16 für eine Fernbedie­nung, eine Anzeigeeinrichtung 17 und eine geeignete Eingabe- und Bedienungseinrichtung 18 zur Parametereingabe auf. Die Anzeige- und Bedienungskomponenten sind mit dem Arbeits­speicher und der ebenfalls im Mikroprozessor integrierten CPU verbunden und an einer Bedienungsplatte 19 installiert.
  • Das Regelverfahren läßt sich am besten anhand der Impulsdia­gramme gemäß Figuren 2 und 3 erläutern.
  • Figur 2 zeigt eine Betriebsart, bei der die pulssteuerbaren Brenner 10 vom Zentralsteuergerät 9 über die Brenner-Stellein­richtung 7 innerhalb eines weiten Stellbereichs mit unter­schiedlichen Stelleistungen (Stellgrößen) unter Änderung der Zykluszeit tZ gesteuert werden. Die Figuren 2A bis D zeigen jeweils eine Impulsfolge mit Brenner-Einschalt- und -Aus­schaltzeiten tE und tA sowie die Zykluszeit tZ bei unter­schiedlichen Stelleistungen. Die in den Impulsdiagrammen dar­gestellten positiven Impulse sind vom Zentralsteuergerät 9 über die Ausgangsschnittstelle 15 und die Leitung 20 an die Stelleinrichtung 7 angelegte elektrische Impulse, die von der Stelleinrichtung 7 in geeignete Stellsignale für die Brenner­armaturenbetätigung umgesetzt werden. Zeitlich entsprechen die in den Impulsdiagrammen schematisch dargestellten Impulse bzw. Impulsabstände tE bzw. tA der elektrischen Signale daher den Einschalt- bzw. Ausschaltzeiten.
  • Figur 2A veranschaulicht den mit dem beschriebenen Ausfüh­rungsbeispiel nutzbaren unteren Grenzwert der Stelleistung von 1%. Die Impulsbreite ist dabei auf die minimale Einschaltzeit tEmin eingestellt, die eine für den zu regelnden pulssteuer­baren Brenner 10 charakteristische und voreingestellte Größe ist. Die Ausschaltzeit tA entsprechend dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen ist bei minimaler Stellei­stung maximal. Die Zykluszeit tZ ist in Figur 2A (minimale Stelleistung) gleich der Summe aus tEmin und tAmax.
  • Figur 2B zeigt eine Impulsfolge, bei der die Stelleistung bzw. die Stellgröße gegenüber Figur 2A erhöht ist. Zu diesem Zweck ist die Ausschaltzeit tA zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen verringert, während die Einschaltzeit entsprechend der Impulsbreite unverändert bei der minimalen Einschaltzeit tEmin bleibt. Dementsprechend ist auch die Zykluszeit tZ verkürzt, nämlich um die Verkürzung der Ausschaltzeit.
  • Figur 2C zeigt diejenige Impulsfolge, bei der die Zykluszeit tZ minimal ist. Bei der Minimalzykluszeit tZmin entsprechend einer Stelleistung von XX% sind sowohl die Einschalt- als auch die Ausschaltzeit entsprechend den Brenner-Herstellerangaben minimiert. Der in Figur 2C dargestellte Betriebszustand ist im Arbeitsspeicher 12 voreingestellt und dient als Bezugsgröße. Wird die Stelleistung gegenüber der Bezugsgröße XX% weiter erhöht, so wird nicht mehr die Ausschaltzeit tA, sondern nur noch die der Einschaltzeit tE entsprechende Impulsbreite geän­dert, nämlich vergrößert. Die Ausschaltzeit bleibt konstant bei tAmin, und bei Vergrößerung der Stelleistung gegenüber der Bezugsgröße nach Figur 2C ändert sich die Zykluszeit tZ genau entsprechend der Änderung der Einschaltzeit tE (Figur 2D). Mit Hilfe der in Figur 2 dargestellten Impulsabstands- oder Impulsbreitenvariation gelingt es daher, die Stelleistung ohne Unterschreitung der brennerspezifischen Einschalt- und Ausschaltzeiten in bisher nicht erreichbar weiten Grenzen zu variieren und dabei die Zykluszeiten stets minimal zu halten. Entsprechend verzögerungsarm arbeitet auch die Regelung.
  • Figur 3 zeigt eine Betriebsart, bei der die wärmetechnische Anlage auf Heizen und Kühlen umgeschaltet wird und die Luft- und Gasventile getrennt - aber synchronisiert - angesteuert sind. Die in den Figuren 3A bis 3D dargestellten Stelleistun­gen entsprechen im wesentlichen denjenigen gemäß den Figuren 2A bis 2D. Hier wie dort wird die Stelleistung von der unteren Grenze (Figur 3A) zunächst durch Verkürzung der Ausschaltung tA gesteigert, und nach Überschreiten der hier bei 50% ange­setzten Stelleistungen (Bezugsgröße) wird die Ausschaltzeit bei tAmin festgehalten und die Einschaltzeit durch Impuls­breitenvariation vergrößert. Unterschiedlich gegenüber der in Figur 2A veranschaulichten Betriebsart ist die getrennte An­steuerung der Luft- und Gasventile. Das Luftventil wird vor jedem Zünden eines Brenners zum Zeitpunkt t1 geöffnet. Gleich­zeitig wird der Brenner gezündet. Das Öffnen des Gasventils erfolgt um eine konstante Verzögerungszeit tV später. Die Gaszufuhr wird außerdem vor Unterbrechung der Luftzufuhr un­ terbrochen.
  • Wie in den Figuren 3A bis 3C zu erkennen ist, wird die Stelleistung bis zu einer mittleren Stelleistung von 50% da­durch erhöht, daß die Pausenzeit sowohl zwischen den aufeinan­derfolgenden Luftimpulsen 22 als auch zwischen den aufeinan­derfolgenden Gasimpulsen 23 verringert wird; die Breiten der Impulse 22 und 23 bleiben bei Erhöhung der Stelleistung auf ihren Minimalwerten. Bei der Stelleistungs-Bezugsgröße gemäß Figur 3C ist die brennerspezifische minimale Ausschaltzeit und die höchste Folgefrequenz erreicht. (Folgefrequenz und Zyklus­zeit tZ sind bei den synchronisierten Luft- und Gasansteue­rungen identisch). Mit zunehmendem Stelleistungsbedarf über 50% hinaus wird die Ausschaltzeit minimal gehalten und nur die Einschaltzelt vergrößert.
  • Andere Betriebsarten, so beispielsweise das Heizen mit variabler Impulsbreite und Zündbrenner-/Hauptbrennerbetrieb und Heizen mit variabler Impuls-Pausendauer und getrennter Luft- und Gasventialansteuerung, lassen sich mit Impulsdia­grammen ähnlich der Figur 3 darstellen, wobei nur die Verzö­gerungszeiten der synchronisierten Impulse 22 und 23 abwei­chend bemessen sind.
  • U.U. kann es zweckmäßig sein, Heiz-, Heiz/Kühl- und/oder Zünd­brenner/Hauptbrennerfunktionen auch bei fester (maximaler) Impulsbreite und mit variabler Zykluszeit entsprechend einem sich ändernden Impulsabstand zu regeln. Der mögliche Regelbe­reich entspricht dabei demjenigen etwa zwischen Figur 2C und 2A. Die feste Einschaltzeit ist dann aber nicht tEmin son­dern tEmax.
  • Bei entsprechender mehrkanaliger Ausführung kann das Zentral­steuergerät 9 auch verschiedene Taktfrequenzen für verschiede­ ne Brennergruppen oder sonstige Regelarmaturen liefern. Inner­halb einer von einem Kanal des Zentralsteuergeräts 9 abgelei­teten Impulsfolge sind alle Impulse, sei es phasengleich oder phasenverschoben, miteinander synchronisiert. Dies zeigt im Prinzip auch die Darstellung in Figur 3.
  • Das Zentralsteuergerät ist mit allen Anzeige-, Bedienungs- und Kontrollkomponenten an einem in Figur 4 dargestellten Einschub 30 montiert. Der Einschub hat eine Hauptträgerplatte 32, an der das Netzteil 31 und die in Figur 1 als Blöcke dargestell­ten wesentlichen Funktionskomponenten montiert sind. Die ver­schiedenen Schnittstellen bzw. Interfaces 14 bis 16 sind in bekannter Weise als Einzelplatinen ausgebildet, die in geeig­nete Schlitze der Trägerplatte 32 eingesteckt sind. Der Mikro­prozesser 11, 12, der Programmspeicher 13 und das Netzteil 31 sind unmittelbar auf der Trägerplatte 32 montiert. Die Schnittstellen und Treiberschaltungen für die von der Bedie­nungsplatte 19 aus bedienbaren bzw. sichtbaren Kontroll-, Eingabe- bzw. Anzeigekomponenten sind auf der Rückseite der Bedienungsplatte 19 angebracht (Platine 40). Zur Anzeige gehö­ren ein vierstelliges Display 33, das während des Betriebs des Zentralsteuergeräts die aktuelle Stellgröße, bei der Parame­tereingabe den Parameterwert in seiner gültigen Einheit an­zeigt und für Servicearbeiten zu Kontrollanzeigen herangezogen werden kann. Unter dem Display 33 ist eine Sollwertgeberanzei­ge 34 angeordnet, die mit Hilfe von Leuchtdioden den aktuellen Sollwertursprung angibt. C bedeutet, daß der Regler 5 durch einen Rechner gebildet ist und der Temperatursollwert über die serielle Schnittstelle 16 eingegeben wird; mA bezeichnet den Regler 5 als stetigen Regler; der nächste Sollwertgeber ist ein Dreipunkt-Schrittregler, und das mit M bezeichnete Käst­chen bedeutet manuelle Sollwerteingabe. Eine Anzeigespalte 35 mit insgesamt acht LED-bestückten Anzeigefeldern dient als Ausgangskontrollanzeige und bezeichnet diejenigen Ausgangs­ treiber, die vom Zentralsteuergerät 9 gerade angesteuert wer­den. Eine Handwippe 36 ermöglicht eine manuelle Stellgrößen­vorgabe sowie eine Änderung der Parameterwerte, so beispiels­weise der minimalen Impulsbreiten und Impulsabstände. Je nach Betätigungsrichtung der Handwippe 36 werden die jeweils ange­wählten Größen oder Parameter inkrementiert oder dekremen­tiert. Mit Hilfe eines Vorwahlschalters 37 kann die jeweilige Stellgrößenquelle ausgewählt werden, oder es können Parameter angewählt werden. Die Druckschalter können auch zur Betriebs­artwahl verwendet werden.
  • Die verschiedenen zuvor erläuterten Kontroll- und Eingabefunk­tionen ermöglichen die Anpassung des am Einschub 30 montierten Zentralsteuergeräts 9 an alle pulsgesteuerten Brenner oder Brennergruppen. Diese Anpassung kann vom Anwender selbst mit wenigen Handgriffen durch entsprechende Betätigung der Parame­ter-Eingabeschalter 36 und 37 vorgenommen werden. Zur Vermei­dung unerlaubter Parametereingaben kann das Gerät mit einem verdeckten Code ausgerüstet sein, der eine Verriegelung des Parameterspeichers 12 bewirkt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Regelung von pulssteuerbaren Brennern in einer wärmetechnischen Anlage, wobei die Stelleistung inner­halb einer Zykluszeit (tZ) mit dem Tastverhältnis aus Impuls­breite und Impulsabstand (-pause) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine minimale Zykluszeit (tzmin) aus einer vorgegebenen Impulsbreite (tEmin; tE) und einem minimalen Impulsabstand (tAmin) voreingestellt wird, daß der minimalen Zykluszeit eine Stelleistungs-Bezugsgröße zugeordnet wird und daß die Stelleistung, ausgehend von der Stelleistungs-Bezugsgröße, unter Änderung der Zykluszeit (tZ) durch Impulsabstands- oder Impulsbreitenvariation geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Zykluszeit (tZmin) auf die Summe aus einer den Brennern angepaßten minimalen Impulsbreite (tEmin) und einem minimalen Impulsabstand (tAmin) voreingestellt wird, daß zur Erhöhung der Stelleistung relativ zur Stelleistungs-Bezugs­größe der Impulsabstand minimal gehalten (tAmin) und die Impulsbreite (tE) vergrößert wird und daß zur Verringerung der Stelleistung relativ zur Stelleistungs-Bezugsgröße die minima­le Impulsbreite (tEmin) beibehalten und der Impulsabstand (tA) vergrößert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vorgegebene Impulsbreite (tE) eine maximale Impulsbreite voreingestellt und die maximale Stelleistung als Stellei­stungs-Bezugsgröße verwendet wird, und daß die Stelleistung bei gleichbleibender maximaler Impulsbreite durch Änderung des Impulsabstandes (tA) geregelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Impulsbreiten- und Impulsabstandsvorga­ben (tEmin, tAmin) stellglied- und/oder anlagenspezifisch gewählt und als Parameter in einem Speicher gespeichert wer­den.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Impulsbreiten und Impulsabstände zur Regelung der Stelleistung wenigstens eines pulssteuerbaren Brenners von einem Mikroprozessor entwickelt und zu den ange­schlossenen Stellgliedern übertragen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor zur Regelung mehrerer Brenner wenigstens einer wärmetechnischen Anlage verwendet wird und die Ansteuer­impulse der Stellglieder aller Brenner derselben Anlage syn­chronisiert erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Regelungsimpulse (22, 23) einer Mehrzahl von zu einer wärmetechnischen Anlage gehörigen Armaturen nach Impulslage und Tastverhältnissen synchronisiert geregelt wer­den.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Heizen, abwechselnden Heizen und Kühlen und/oder zur Zündbrenner/Hauptbrenneransteuerung.
9. Anordnung zur Regelung von pulssteuerbaren Brennern (10) in einer wärmetechnischen Anlage (1), mit einer Meßeinrichtung (3), einer Regeleinrichtung (5) und einer Brenner-Stellein­richtung (7), die in eine Regelstrecke der wärmetechnischen Anlage eingebunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Zentralsteuergerät (9) zwischen wenigstens einen Aus­gang der Regeleinrichtung (5) und einen Steuereingang (20) der Brenner-Stelleinrichtung (7) eingebunden ist, daß das Zentral­ steuergerät (9) einen Festwertspeicher (13) zur Speicherung eines ßetriebsprogramms, einen programmierbaren Speicher (12) zur Eingabe und Entnahme von Betriebsparametern und einen mit beiden Speichern (12, 13) gekoppelten Prozessor (11) aufweist, der an die Brenner-Stelleinrichtung Pulsfolgen mit variablen Impulsabständen (tA) oder variablen Impulsbreiten (tE) sowie entsprechend variabler Zykluszeit (tZ) anlegt, wobei die Im­pulsabstände oder -breiten gemeinsam mit der Zykluszeit nach dem Betriebsprogramm in Abhängigkeit von der aus der Regelein­richtung (5) kommenden Regelabweichung (dT) und der Parameter­entnahme aus dem programmierbaren Speicher (12) variierbar sind, und daß eine Eingabe-, Kontroll- und Anzeigeeinrichtung (17, 18) mit dem Zentralsteuergerät (9) verbunden ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralsteuergerät (9) an einem Einschub (30) montiert und über Eingangs- und Ausgangsschnittstellen (14, 15, 16) mit der Regeleinrichtung (5) bzw. der Brenner-Stelleinrichtung (7) gekoppelt ist und daß der Einschub (30) eine Frontplatte (19) hat, an der die Eingabe-, Bedienungs- und Anzeigekomponenten (33...37) von der Frontseite aus zugänglich bzw. sichtbar angeordnet sind.
11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­net, daß die Eingangsschnittstelle (14) mehrere unabhängig ansteuerbare Eingänge für Sollwerteingaben und die Ausgangs­schnittstelle (15) mehrere getrennt ansteuerbare Ausgänge zur Steuerung unterschiedlicher Brenner (10) oder Brennergruppen aufweist.
12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­net, daß der Einschub (30) eine Trägerplatte (32) aufweist, die mit Schlitzen zur Aufnahme mehrerer Platinen versehen ist, und daß die Schaltungskomponenten der Schnittstellen (14, 15, 16, 17, 18) auf mehreren Platinen (14, 15, 16, 40) angeordnet und in die Schlitze der Trägerplatte 32 lösbar eingesteckt sind.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Anzeige- und Bedienungskomponen­ten aufnehmende Frontplatte (19) mit einem Wippenschalter (36) zur Parametereingabe versehen ist.
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