EP1154202B1 - Regeleinrichtung für einen Brenner - Google Patents

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EP1154202B1
EP1154202B1 EP01110418A EP01110418A EP1154202B1 EP 1154202 B1 EP1154202 B1 EP 1154202B1 EP 01110418 A EP01110418 A EP 01110418A EP 01110418 A EP01110418 A EP 01110418A EP 1154202 B1 EP1154202 B1 EP 1154202B1
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EP
European Patent Office
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signal
setting member
regulating device
fuel
burner
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EP01110418A
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EP1154202B2 (de
EP1154202A3 (de
EP1154202A2 (de
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Rainer Lochschmied
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Siemens Schweiz AG
Original Assignee
Siemens Building Technologies AG
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Application filed by Siemens Building Technologies AG filed Critical Siemens Building Technologies AG
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Publication of EP1154202A3 publication Critical patent/EP1154202A3/de
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Publication of EP1154202B2 publication Critical patent/EP1154202B2/de
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    • F23N2235/16—Fuel valves variable flow or proportional valves

Definitions

  • the invention relates to a control device for a burner, which burner in the Flame region of the burner arranged ionization electrode comprises, as well as an actuator, which the fuel supply amount or the air supply amount depending on a Control signal influenced.
  • Ionization electrodes have long been used for flame monitoring in burners used. In general, however, the ratio of the amount of air to the amount of fuel, often Lambda, at each power request either by a controller or by a Control with sensors matched. In general, lambda should be at every Power requirement slightly above the stoichiometric value 1, for example, 1.3.
  • Air-controlled burners react, in contrast to controlled burners, to external influences which change the combustion. They therefore have a higher efficiency and thus a higher efficiency and lower pollutant emissions and thus a lower Ecological damage.
  • the required sensors often gas sensors, in particular Oxygen sensors, or temperature sensors, are expensive for this purpose, unreliable, need care and / or have a short lifespan.
  • the stored characteristic in the control devices from IT-95U000566 and EP-A1-909922 engages at every air pressure of the blower, and thus at each requested power Set signal, which is a nearly desired state of the actuator for the gas valve equivalent.
  • an alternative control device is described, according to which the Air flow is adapted to the gas flow rate, and the characteristic approximately determines the desired fan speed as a function of the manipulated variable of the gas valve.
  • Air-controlled burners have advantages over devices that are controlled by means of characteristic curves are. At constant power, changes in temperature, fuel pressure, air pressure, Fuel composition, wear and contamination of mechanical parts, etc. the drift away adjusted operating point.
  • control devices according to IT-95U000566 and EP-A1-909922 at Appearance faster changes in performance, although a control based on the stored Characteristic curve, but compensate for their imperfection, in which they reflect the latest state of the art Control signal first at a constant distance along the characteristic curve to a new value move.
  • control devices which have also stored a characteristic curve for the control signal.
  • the characteristic serves also basically to pre-control the control signal with fast power changes, while the ionization current still lags behind the facts.
  • the latter control devices comprise a downstream of the ionization Ionisationsauswerter which generates an ionization signal, a control unit in the characteristic data are stored for determining a first behavior of the actuator, which at least temporarily generates a first control signal, and a controller which generates the above Control signal at least temporarily as a function of the ionization signal and at least temporarily generated in response to the first control signal.
  • control device can be constructed so that it itself, upon detection suitable conditions, a setting procedure for the acquisition of new characteristics.
  • an occasional or regular recalibration takes place to any eventuality gradual changes in the control system, such as wear or contamination of the Ionization, to compensate.
  • Another possibility is that the Control curves are automatically determined, even for gases using the preset Characteristic curves are not recorded.
  • the characteristics may be, for example, as the constants in a polynomial winding up to be designed third order.
  • the approximately represented by the polynomial winding Function specifies a relationship between an input parameter and the control signal.
  • the input parameter for the cams is the requested power, either in the form of a manipulated variable or a measured variable that corresponds to the power, for example the blower speed.
  • a manipulated variable or a measured variable that corresponds to the power
  • the blower speed for example the blower speed.
  • other sizes as input of the Control characteristics are used, for.
  • Further examples are a pressure difference measured value for Determination of the gas or air volume flow, a gas or air volume flow measuring device, or directly the drive signal for operating a gas valve or an oil pump.
  • the first and the second behavior of the actuator depend on input parameters which are the same size.
  • control device during operation other readings available, from which they can, for example, the current energy content or can determine the actual pressure of the supplied fuel directly or indirectly, then can the second input parameter may even be a different size.
  • burners are equipped with a temperature sensor for the boiler temperature.
  • a Changing the energy content of the supplied fuel has a change in the According to boiler temperature.
  • the manipulated variable of Blower speed the first input parameter, and the time change of the boiler temperature the second.
  • characteristic data which is a first desired behavior of the Actuator with different performances, but fuel solid energy content and determine other influences.
  • characteristics have been stored which a determine second behavior with different energy contents and this time fixed power.
  • control panel uses boiler temperature changes to determine which do not correspond to the time course of the manipulated variable of the fan speed, if any Changes of the current energy content of the fuel supplied and generated by means of Characteristics for the second behavior and considering the ionization signal a Corrected performance-dependent control curve.
  • the control signal is in the case of a dynamic Change in performance, the so corrected control curve, for example, at a constant distance consequences.
  • Burners of various designs are suitable as burners, for example premixed gas burners or atmospheric burner with and without auxiliary fan. At atmospheric Burners without auxiliary fan, the air flow z. B. via an air damper o. ⁇ . to be controlled.
  • the controller generates the actuating signal at least temporarily by processing the control signals and the controller determines the processing at least temporarily as a function of the ionization signal.
  • control unit generates in one quasi-stable state no control signals.
  • the control device then makes a pure Control via the ionization signal. But as soon as a rapid state change occurs, the controller switches to the fast-reacting and accurate control by a Processing the control signals.
  • the control signals are processed is for example, previously determined by the ionization signal and remains throughout Control period equal.
  • the control is only replaced by a regulation when the Condition has calmed down and the Ionisationssignal has hurried to the current state.
  • the control signals are generated permanently, and it carries both the control signals as well as the ionization signal continuously to the control signal. Mixed variants are also possible.
  • the controller has proven to be advantageous for the controller to at least temporarily the Weighted and added control signals and that the controller, the weighting at least temporarily determined depending on the ionization signal.
  • the controller attenuates rapid fluctuations in the Ionization signal compared to slow fluctuations before processing the Control signals from.
  • the controller is equipped with a low-pass filter for the ionization signal or for a sequence signal generated by processing, or with a Integrating unit for the ionization signal or for a processed signal generated by processing.
  • control signals The processing of the control signals is by these measures only with some delay and / or smoothing the Ionisationssignals adapted so that anyway too lazy Ionisationssignalverlauf after a sudden change of state does not interfere with the control signal.
  • the ionization signal is slowly on the Processing of the control signals act to fine tune.
  • control unit also has characteristic data for Determining a behavior of the ionization signal stored generates the control unit at least temporarily, a setpoint signal and the controller generates the control signal at least temporarily depending on the setpoint signal.
  • the regulator device or its controller program, easy to design and achieve great reliability.
  • calibrated Control device itself occasionally or regularly these characteristics.
  • the regulator is advantageous with a Equipped comparison unit, which at least temporarily the setpoint signal or by Processing generated subsequent signal subtracted from the ionization signal.
  • the controller may generate the actuating signal so that the ionization signal on the Setpoint signal is regulated out. This difference can be achieved by the above-mentioned integrating unit be regulated to zero.
  • Another embodiment of the invention relates to the stored characteristic data. This is advantageous first behavior of the actuator during a burner operation with a first fuel has been determined, and the second behavior of the actuator during a burner operation with a different with respect to the energy content of the second fuel, in particular when the specific energy content of one fuel is at least 5% higher than another Fuel is.
  • the characteristics for determining the two behaviors of the Actuator resulting from measurements are then calculated from these. This is only possible if a specialist a suitable knowledge of the behavior of the actuator among the different Has circumstances.
  • the characteristic data for the second Behavior instead of burner-specific measurements based on expert knowledge detected over the fuel mixtures supplied in practice.
  • the setting of a control device to a certain burner type is thus advantageous instead of having two or more burner specific characteristics during operation different fuels, for example, gas mixtures in different Conditions, be determined.
  • the invention also relates to a method for adjusting an inventive control device.
  • a burner with an inventive control device and equipped with additional sensors to determine the quality of the combustion first a burner with an inventive control device and equipped with additional sensors to determine the quality of the combustion.
  • the burner with a first fuel with a certain energy content different performance levels each with different actuator levels, where you look the sensor results for each power value determines a desired actuator state.
  • the desired actuator levels become characteristics for determining the first behavior the actuator detected.
  • the identified characteristics are in one or more control devices saved.
  • the specific Energy content of a fuel is at least 5% higher than that of another fuel.
  • the flame 1 is represented by a diode 1a and a resistor 1b.
  • an AC voltage of, for example, 230V is applied.
  • a flame 1 is present, a larger current flows through the blocking capacitor 3 in the positive half wave than in the negative half wave because of the flame diode 1a.
  • a positive DC voltage U B is formed on the blocking capacitor 3 between L and a resistor 2 mounted for the purpose of contact protection.
  • a direct current flows from N to the blocking capacitor 3.
  • the amount of direct current depends on U B and thus directly from the flame resistance 1b.
  • the flame resistance 1b also influences the alternating current through the decoupling resistor 4, but to varying degrees compared to the direct current.
  • Through the resistor 4 thus flows a direct current and an alternating current as described above.
  • the resistor 4 is now followed by a high pass 5 and a low pass 6.
  • the high-pass 5 the alternating current is filtered out and the DC component blocked.
  • the low-pass filter is used to filter out the dc voltage component which is dependent on the flame resistance 1b and essentially blocks the alternating current.
  • the alternating current flowing from the high-pass filter 5 is amplified and a reference voltage U Ref is added.
  • the direct current flowing from the high-pass filter 6 is amplified with possibly small alternating current components and the reference voltage U Ref is added.
  • a comparator 9 emerging from the amplifier 7 alternating voltage and the from the amplifier 8 exiting DC voltage compared and a pulse width modulated (PWM) signal generated. If the amplitude of the mains voltage changes, so change AC voltage and DC voltage in the same ratio, the PWM signal does not change.
  • the monoflop 11 is triggered so that the output from the comparator 10 pulse train faster than the pulse duration of the monoflop is. As a result, appears when no flame is present, at the output of the monoflop constantly a 1. If a flame is present, then the monoflop is not triggered and the output will always show a 0.
  • the retriggerable Monoflop 11 thus forms a "missing pulse detector", which is the dynamic on / off signal converted into a static on / off signal.
  • Both signals, the PWM signal and the flame signal can now be processed separately be linked or by means of an OR gate 12.
  • a PWM signal is shown whose duty cycle is a measure for the flame resistance 1b.
  • This ionization signal 13 is shown in FIG Regulator 26 is supplied. If there is no flame, the output of the OR element is permanent on 1.
  • the ionization signal 13 can be transmitted via an optocoupler, not shown to provide a protective separation between the mains side and the protective low voltage side to reach.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a control device 15 according to the invention.
  • the ionization electrode 16 projects into the flame 1.
  • the gas valve 17 is from the control signal 18 direct or indirect way, for example via a motor, controlled. Eventually there is one more mechanical pressure regulator interposed.
  • An air blower 19 is driven to a speed used here as an input parameter becomes.
  • the speed corresponds to a power demand 22.
  • the speed signal 20 is over a filter 21 led to the control unit 23, which as a program part to the expiration in a Microprocessor has been designed.
  • characteristic data are stored which show the characteristics of first and second control signals 24 and 25.
  • the controller 26 weighted and adds the two control signals and thus determines the actuating signal 18. This processing of Control signals depends on the ionization signal 13.
  • the ionization signal 13 is first smoothed by the controller 26 by means of a low pass filter 27 to To suppress glitches and flickering.
  • a comparison unit 28 is one of the Control unit 23 generated and guided over a correction unit 29 setpoint signal 30th subtracted. From the sequence signal of this processing of the ionization signal is from a Proportional controller 31 and a parallel integrating unit 32 an internal control value x determined, which weights the two control signals 24 and 25 and thus fine-tunes the control signal 18.
  • the control value x may alternatively be made up by a PID controller or a state controller be generated the sequence signal.
  • FIG. 3 shows how the control signal 18 is dependent on a control device 15 according to the invention from the speed signal 20 runs.
  • the characteristics of the control signals 24 and 25 each relate to one Fuel gas with a rather deep, high caloric value.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen Brenner, welcher Brenner eine im Flammenbereich des Brenners angeordnete Ionisationselektrode umfasst, sowie ein Stellglied, welches die Brennstoffzufuhrmenge oder die Luftzufuhrmenge in Abhängigkeit von einem Stellsignal beeinflusst.
Schon seit langem werden Ionisationselektroden zur Flammenüberwachung in Brennern verwendet. In der Regel wird aber das Verhältnis der Luftmenge zur Brennstoffmenge, oft Lambda genannt, bei jeder Leistungsanforderung entweder durch eine Steuerung oder durch eine Regelung mit Sensoren aufeinander abgestimmt. In der Regel soll Lambda bei jeder Leistungsanforderung leicht über dem stöchiometrischen Wert 1 sein, zum Beispiel 1,3.
Luftzahlgeregelte Brenner reagieren, anders als gesteuerte Brenner, auf äußere Einflüsse, welche die Verbrennung verändern. Sie haben daher einen höheren Wirkungsgrad und damit eine höhere Effizienz sowie niedrigere Schadstoffemissionen und damit eine geringere Umweltbelastung. Die dafür benötigten Sensoren, oft Gassensoren, insbesondere Sauerstoffsensoren, oder Temperatursensoren, sind aber für diesen Zweck teuer, unzuverlässig, pflegebedürftig und / oder haben eine geringe Lebensdauer.
Während vielen Jahren haben sich deswegen Brennerhersteller und Regeleinrichtungshersteller darum bemüht, die schon vorhandene Ionisationselektrode nicht nur für die Flammenüberwachung, sondern auch als Sensor zur Brennerregelung zu verwenden. DE-A1-3937290 beschreibt einen Versuchsaufbau zur Regelung des Gas-Luft-Verhältnisses, bei dem die Ionisationselektrode mit einer Gleichspannung gespeist wird. Dieses Prinzip eignet sich wenig zur Serienfertigung. Eine Überwachung der Flamme mit der gleichen Ionisationselektrode ist nicht möglich, da hierzu nur die Gleichrichtereigenschaft der Flamme verwendet werden darf.
Vor einigen Jahren erschienen IT-95U000566 und EP-A1-909922, welche Regeleinrichtungen für Gasbrenner beschreiben. In vereinfachter Darstellung wird darin beschrieben, wie bei dynamisch schnellen Änderungen des Gas- oder Luftvolumenstroms das Stellglied anhand einer gespeicherten Kennlinie gesteuert wird. Dagegen findet bei langsamen Änderungen des Gas- oder Luftvolumenstroms eine Feineinstellung anhand der Regelung mit dem Ionisationssignal als Messgröße statt.
Schnelle Änderungen der Brennstoffzufuhr oder Luftzufuhr entstehen typisch durch sprungartige Änderungen der Leistungsanforderung. Darüber hinaus können Luftzahländerungen und damit Änderungen des Gas- oder Luftvolumenstromes durch Änderung in der Brennstoffzusammensetzung, durch Luftdruckänderung, Änderungen des Gasdrucks, Temperaturänderungen, Verschmutzung und Abnutzung von mechanischen Brennerteilen etc. verursacht werden.
Die gespeicherte Kennlinie in den Regeleinrichtungen aus IT-95U000566 und EP-A1-909922 legt bei jedem Luftdruck des Gebläses, und somit bei jeder angeforderten Leistung, ein Stellsignal fest, das einem annähernd erwünschten Stand des Stellgliedes für das Gasventil entspricht. Auch ist eine alternative Regeleinrichtung beschrieben, wonach der Luftvolumenstrom dem Gasvolumenstrom angepasst wird, und die Kennlinie näherungsweise die erwünschte Gebläsedrehzahl in Abhängigkeit der Stellgröße des Gasventils festlegt.
Man erhält eine brennerspezifische Kennlinie dadurch, dass der Brenner unter je einer anderen Belastung mit wechselnden Stellgliedständen betrieben wird, wobei mit zusätzlichen Sensoren Emissionswerte und Wirkungsgrad gemessen und so die gewünschten Stellgrößen ermittelt werden.
Luftzahlgeregelte Brenner haben Vorteile gegenüber Geräten, die mittels Kennlinien gesteuert sind. Bei konstanter Leistung lassen Änderungen von Temperatur, Brennstoffdruck, Luftdruck, Brennstoffzusammensetzung, Abnutzung und Verschmutzung von mechanischen Teilen etc. den eingestellten Arbeitspunkt wegdriften.
Deswegen bewirken die Regeleinrichtungen nach IT-95U000566 und EP-A1-909922 bei Auftritt schneller Leistungsänderungen zwar eine Steuerung anhand der gespeicherten Kennlinie, kompensieren aber deren Unvollkommenheit, in dem sie den letzten Stand des Stellsignals zuerst auf konstanter Distanz entlang der Kennlinie zu einem neuen Wert verschieben.
Ungefähr gleichzeitig hat der Inhaber von EP-A2-806610 Regeleinrichtungen entwickelt, welche ebenfalls eine Kennlinie für das Stellsignal gespeichert haben. Die Kennlinie dient ebenfalls im Grunde dazu, bei schnellen Leistungsänderungen das Stellsignal vorzusteuern, während der Ionisationsstrom noch den Tatsachen nacheilt.
Letztgenannte Regeleinrichtungen umfassen einen der Ionisationselektrode nachgeschalteten Ionisationsauswerter, welcher ein Ionisationssignal erzeugt, eine Steuereinheit, in der Kenndaten zur Bestimmung eines ersten Verhaltens des Stellgliedes gespeichert sind, welche zumindest zeitweise ein erstes Steuersignal erzeugt, und einen Regler, welcher das obengenannte Stellsignal zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Ionisationssignal und zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom ersten Steuersignal erzeugt.
Einige der obengenannten Regeleinrichtungen aus dem Stand der Technik sind auf dem Markt, weisen aber erhebliche Nachteile auf. Sie brauchen nämlich trotzdem zusätzliche Sensoren und / oder halten bei dynamischen Veränderungen der Leistung das Luft-Gasverhältnis wenig stabil. Die Marktakzeptanz ist dementsprechend gering.
Es hat sich gezeigt, dass eine wesentliche Verbesserung zur Regelung eines Brenners über die Ionisationselektrode in den Erfindungsmaßnahmen liegt, dass in der Steuereinheit zudem Kenndaten zur Bestimmung eines zweiten Verhaltens des Stellgliedes gespeichert sind, die Steuereinheit zumindest zeitweise ein zweites Steuersignal erzeugt und der Regler das Stellsignal zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom zweiten Steuersignal erzeugt.
Überraschenderweise erbringen diese an sich leicht ausführbaren Maßnahmen den lang erwünschten Sprung in der Regelungsqualität. Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung benötigt wenig Ressourcen, wie elektronische Bauteile und Rechnerkapazität eines Mikroprozessors. Für die einmalige Anfangseinstellung einer Regeleinrichtung auf einen gewissen Brennertyp müssen statt vorher eine, nun zwei oder mehr brennerspezifische Kennlinien festgestellt werden.
Die Praxis hat gezeigt, dass das zweite Steuersignal überdurchschnittlich dazu beiträgt, die Steuerung des Stellsignals zu präzisieren.
Die Regeleinrichtung kann übrigens so aufgebaut werden, dass sie selbst, bei Detektierung geeigneter Bedingungen, ein Einstellverfahren zur Erfassung von neuen Kenndaten durchführt. Somit findet eine gelegentliche oder regelmäßige Neukalibrierung statt, um etwaige schleichende Änderungen im Regelsystem, beispielsweise Abnutzung oder Verschmutzung der Ionisationselektrode, zu kompensieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Steuerkennlinien automatisch ermittelt werden, auch für Gase, die mittels den voreingestellten Kennlinien nicht erfasst werden.
Die Kenndaten können beispielsweise als die Konstanten in einer Polynomentwicklung bis zur dritten Ordnung gestaltet sein. Die von der Polynomentwicklung annäherungsweise dargestellte Funktion legt eine Beziehung zwischen einem Eingabeparameter und dem Stellsignal fest.
Als Eingabeparameter für die Steuerkurven dient zunächst die angeforderte Leistung, entweder in Form einer Stellgröße oder einer Messgröße, die der Leistung entspricht, also zum Beispiel der Gebläsedrehzahl. Natürlich können auch andere Größen als Eingangsgröße der Steuerkennlinien verwendet werden, z. B. Temperatursignale aller Art wie Brennertemperatur, Vorlauf- und Rücklauf- Temperatur, etc. Weitere Beispiele sind ein Druckdifferenzmesswert zur Bestimmung des Gas- oder Luftvolumenstroms, ein Gas- oder Luftvolumenstrom-Messgerät, oder direkt das Ansteuersignal zum Betrieb eines Gasventils oder einer Ölpumpe.
Vorteilhaft hängen das erste und das zweite Verhalten des Stellgliedes von Eingangsparametern ab, welche die gleiche Größe darstellen. Das Maß der angeforderten Leistung, oder eine andere physikalische Größe, kann der Steuereinheit mittels eines einzelnen Eingangsparameters, wie der Stellgröße der Gebläsedrehzahl, oder mittels Eingangsparameter unterschiedlicher Art, wie Stellgröße und Messgröße der Gebläsedrehrahl, zugeführt werden.
Notwendig ist dies aber nicht. Stehen insbesondere der Regeleinrichtung während des Betriebes weitere Messwerte zur Verfügung, aus denen sie zum Beispiel den aktuellen Energieinhalt oder den aktuellen Druck des zugeführten Brennstoffs direkt oder indirekt ermitteln kann, dann kann der zweite Eingabeparameter sogar eine andere Größe darstellen.
Oft sind Brenner mit einem Temperatursensor für die Kesseltemperatur ausgerüstet. Eine Änderung des Energieinhaltes des zugeführten Brennstoffs hat eine Änderung der Kesseltemperatur zufolge. Bei einem solchen Brenner ist beispielsweise die Stellgröße der Gebläsedrehzahl der erste Eingabeparameter, und die zeitliche Änderung der Kesseltemperatur der zweite. Es sind Kenndaten gespeichert worden, welche ein erstes erwünschtes Verhalten des Stellgliedes bei unterschiedenen Leistungen, aber festem Energieinhalt des Brennstoffes und festen sonstigen Einflüssen bestimmen. Auch sind Kenndaten gespeichert worden, welche ein zweites Verhalten bei unterschiedlichen Energieinhalten und diesmal fester Leistung bestimmen.
In diesem Szenario ermittelt die Regeleinrichtung anhand von Kesseltemperaturänderungen, welche dem zeitlichen Verlauf der Stellgröße der Gebläsedrehzahl nicht entsprechen, etwaige Änderungen des aktuellen Energieinhalts des zugeführten Brennstoffs und erzeugt mittels der Kenndaten für das zweite Verhalten und unter Betrachtung des Ionisationssignals eine korrigierte leistungsabhängige Steuerkurve. Das Stellsignal wird im Falle einer dynamischen Leistungsänderung die so korrigierte Steuerkurve zum Beispiel auf gleichbleibender Distanz folgen.
Als Brenner kommen Brenner unterschiedlichster Bauart in Frage, zum Beispiel Vormisch-Gasbrenner oder atmosphärische Brenner mit und ohne Hilfsgebläse. Bei atmosphärischen Brennern ohne Hilfsgebläse kann der Luftvolumenstrom z. B. über eine Luftklappe o. ä. gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erzeugt der Regler das Stellsignal zumindest zeitweise durch Verarbeitung der Steuersignale und bestimmt der Regler die Verarbeitung zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Ionisationssignal.
Diese Ausführung beinhaltet einige Varianten. Beispielsweise erzeugt die Steuereinheit in einem quasi-stabilen Zustand keine Steuersignale. Die Regeleinrichtung macht dann eine reine Regelung über das Ionisationssignal. Sobald aber eine schnelle Zustandsänderung auftritt, schaltet die Regeleinrichtung auf die schnell reagierende und genaue Steuerung durch eine Verarbeitung der Steuersignale um. In welcher Weise die Steuersignale verarbeitet werden, ist beispielsweise vorher vom Ionisationssignal festgelegt worden und bleibt während der ganzen Steuerungsperiode gleich. Die Steuerung wird erst wieder durch eine Regelung ersetzt, wenn der Zustand sich beruhigt hat und das Ionisationssignal dem aktuellen Zustand nachgeeilt ist. Gemäss einer Alternative aber werden die Steuersignale dauerhaft erzeugt, und es tragen sowohl die Steuersignale als auch das Ionisationssignal kontinuierlich zum Stellsignal bei. Mischvarianten sind auch möglich.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Regler zumindest zeitweise die Steuersignale gewichtet und aufaddiert und dass der Regler die Gewichtung zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Ionisationssignal bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung dämpft der Regler schnelle Schwankungen des Ionisationssignals im Vergleich zu langsame Schwankungen vor der Verarbeitung der Steuersignale ab. Insbesondere ist der Regler mit einem Tiefpassfilter für das Ionisationssignal oder für ein durch Verarbeitung erzeugtes Folgesignal ausgestattet, oder mit einer Integriereinheit für das Ionisationssignal oder für ein durch Verarbeitung erzeugtes Folgesignal.
Die Verarbeitung der Steuersignale wird durch diese Maßnahmen erst mit gewisser Verzögerung und / oder Glättung des Ionisationssignals angepasst, damit der sowieso zu träge Ionisationssignalverlauf nach einer plötzlichen Zustandsänderung das Stellsignal nicht stört. Erst wenn die Lage sich wieder beruhigt hat, wird das Ionisationssignal langsam auf die Verarbeitung der Steuersignale einwirken, um eine Feinabstimmung zu erbringen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind in der Steuereinheit zudem Kenndaten zur Bestimmung eines Verhaltens des Ionisationssignals gespeichert, erzeugt die Steuereinheit zumindest zeitweise ein Sollwertsignal und erzeugt der Regler das Stellsignal zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Sollwertsignal.
Durch diese Maßnahmen kann die Reglereinrichtung, beziehungsweise ihr Reglerprogramm, einfach gestaltet werden und eine große Zuverlässigkeit erreichen. Optional kalibriert die Regeleinrichtung selbst gelegentlich oder regelmäßig diese Kenndaten.
In der genannten Ausführungsform der Erfindung ist der Regler vorteilhaft mit einer Vergleichseinheit ausgestattet, welche zumindest zeitweise das Sollwertsignal oder ein durch Verarbeitung erzeugtes Folgesignal vom Ionisationssignal subtrahiert. In dieser Ausführungsform kann der Regler das Stellsignal so erzeugen, dass das Ionisationssignal auf das Sollwertsignal hin geregelt wird. Durch die obengenannte Integriereinheit kann diese Differenz zu Null geregelt werden.
Eine weitere Ausführung der Erfindung betrifft die gespeicherten Kenndaten. Vorteilhaft ist das erste Verhalten des Stellgliedes während eines Brennerbetriebes mit einem ersten Brennstoff bestimmt worden, und das zweite Verhalten des Stellgliedes während eines Brennerbetriebes mit einem bezüglich des Energieinhaltes unterschiedlichen zweiten Brennstoff, insbesondere wenn der spezifische Energieinhalt eines Brennstoffs mindestens 5 % höher als der eines anderen Brennstoffs ist.
Es hat sich gezeigt, dass die Kennlinien ab diesem Grenzwert dermaßen voneinander verschieden sind, dass sie der Regeleinrichtung wesentliche Zusatzinformationen gegenüber einer Regeleinrichtung mit nur einer gespeicherten Kennlinie geben. Dies lässt das Ausmaß einiger Vorteile, welche die Erfindung mit sich bringt, wesentlich ansteigen.
In diese Ausführung haben sich die Kenndaten zur Bestimmung der beiden Verhalten des Stellgliedes aus Messungen ergeben. Alternativerweise aber werden nur die Kenndaten für das erste Verhalten des Stellgliedes anhand von Messergebnisse bestimmt. Die Kenndaten für das zweite Verhalten werden dann aus diesen berechnet. Dies ist nur möglich, wenn ein Fachmann ein geeignetes Wissen über das Verhalten des Stellgliedes unter den unterschiedlichen Umständen hat.
In einer Variante der obengenannten Ausführung werden die Kenndaten für das zweite Verhalten statt mittels brennerspezifischer Messungen anhand von fachmännischen Kenntnissen über die in der Praxis zugeführten Brennstoffmischungen festgestellt.
Die Einstellung einer Regeleinrichtung auf einen gewissen Brennertyp findet also vorteilhaft dadurch statt, dass zwei oder mehr brennerspezifische Kennlinien während des Betriebes mit unterschiedlichen Brennstoffen, beispielsweise Gasmischungen in unterschiedlichen Verhältnissen, festgestellt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Einstellen einer erfinderischen Regeleinrichtung. Gemäss diesem Verfahren wird zuerst ein Brenner mit einer erfinderischen Regeleinrichtung und mit zusätzlichen Sensoren zur Feststellung der Qualität der Verbrennung ausgestattet. Dann betreibt man den Brenner mit einem ersten Brennstoff mit gewissem Energieinhalt auf unterschiedlichen Leistungswerten je mit unterschiedlichen Stellgliedständen, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt. Aus den erwünschten Stellgliedständen werden Kenndaten zur Bestimmung des ersten Verhaltens des Stellgliedes festgestellt. Danach betreibt man den Brenner mit einem zweiten Brennstoff mit einem unterschiedlichen Energieinhalt auf unterschiedlichen Leistungswerten je mit unterschiedlichen Stellgliedständen, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt, und stellt jetzt aus den erwünschten Stellgliedständen Kenndaten zur Bestimmung des zweiten Verhaltens des Stellgliedes fest. Optional wiederholt man diese Schritte für einen dritten oder sogar weitere Brennstoffe. Schließlich werden die festgestellten Kenndaten in einer oder mehreren Regeleinrichtungen gespeichert. Wie oben beschrieben wurde, bringt es Vorteile mit sich, dass der spezifische Energieinhalt eines Brennstoffs mindestens 5 % höher als der eines anderen Brennstoffs ist.
Alternativerweise betreibt man den Brenner mit einer Brennstoffzufuhr unter einem ersten Druck auf unterschiedlichen Leistungswerten je mit unterschiedlichen Stellgliedständen, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt. Aus den erwünschten Stellgliedständen werden Kenndaten zur Bestimmung des ersten Verhaltens des Stellgliedes festgestellt. Danach betreibt man den Brenner mit einer Brennstoffzufuhr unter einem unterschiedlichen zweiten Druck auf unterschiedlichen Leistungswerten je mit unterschiedenen Stellgliedständen, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt. Aus den erwünschten Stellgliedständen werden jetzt Kenndaten zur Bestimmung des zweiten Verhaltens des Stellgliedes festgestellt. Zum Abschluss speichert man die festgestellten Kenndaten in einer Regeleinrichtung. Die Erfindungswirkung ist besonders ausgeprägt, wenn die Unterschiede in den Brennstoffzufuhrdrücken 9 % überschreiten, das heißt, wenn ein Brennstoffzufuhrdruck mindestens 9 % höher als ein anderer ist.
  • Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ionisationsauswerters in einer Regeleinrichtung gemäss der Erfindung,
  • Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung gemäss der Erfindung, und
  • Figur 3 zeigt das Stellsignal einer Regeleinrichtung gemäss der Erfindung.
    • Fig. 1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip eines Ionisationsauswerters 14 in einer Regeleinrichtung gemäss der Erfindung. In einer Ersatzschaltung ist die Flamme 1 durch eine Diode 1a und einen Widerstand 1b dargestellt. Ober L und N ist eine Wechselspannung von beispielsweise 230V angelegt. Wenn eine Flamme 1 vorhanden ist, fließt wegen der Flammendiode 1a durch den Blockkondensator 3 in der positiven Halbwelle ein größerer Strom als in der negativen Halbwelle. Dadurch bildet sich zwischen L und einem zum Zweck des Berührschutzes angebrachten Widerstandes 2 eine positive Gleichspannung UB am Blockkondensator 3 aus.
    Durch einen Entkopplungswiderstand 4 fließt daher ein Gleichstrom von N zum Blockkondensator 3. Die Höhe des Gleichstromes hängt dabei von UB und damit direkt vom Flammenwiderstand 1b ab. Der Flammenwiderstand 1b beeinflusst ebenfalls den Wechselstrom durch den Entkoppelwiderstand 4, allerdings in unterschiedlichem Maß gegenüber dem Gleichstrom. Durch den Widerstand 4 fließt somit ein Gleichstrom und ein Wechselstrom wie oben beschrieben.
    Dem Widerstand 4 ist nun ein Hochpass 5 und ein Tiefpass 6 nachgeschaltet. Durch den Hochpass 5 wird der Wechselstrom ausgefiltert und der Gleichspannungsanteil abgeblockt. Durch den Tiefpass wird der vom Flammenwiderstand 1b abhängige Gleichspannungsanteil ausgefiltert und der Wechselstrom im wesentlichen abgeblockt. In einem Verstärker 7 wird der aus dem Hochpass 5 fließende Wechselstrom verstärkt und eine Referenzspannung URef zuaddiert. In einem Verstärker 8 wird der aus dem Hochpass 6 fließende Gleichstrom mit eventuell geringen Wechselstromanteilen verstärkt und die Referenzspannung URef zuaddiert.
    Die Referenzspannung URef kann beliebig, zum Beispiel URef = 0 gewählt werden, sie wird jedoch vorzugsweise so gewählt, dass die Verstärker und Komparatoren nur eine Versorgung benötigen.
    An einem Komparator 9 werden die aus dem Verstärker 7 austretende Wechselspannung und die aus dem Verstärker 8 austretende Gleichspannung miteinander verglichen und ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal erzeugt. Ändert sich die Amplitude der Netzspannung, so ändern sich Wechselspannung und Gleichspannung im gleichen Verhältnis, das PWM-Signal ändert sich nicht. Der Signalhub des PWM-Signals kann mittels der Verstärker 7 und 8 in einem weiten Bereich zwischen τ = 0 und τ = 50% Tastverhältnis eingestellt werden.
    Der Gleichspannungsanteil U- wird in einem Komparator 10 mit der Referenzspannung URef verglichen. Ist eine Flamme vorhanden, ist der Gleichspannungsanteil größer als die Referenzspannung (U= > URef) und der Komparatorausgang des Komparators 10 schaltet auf 0. Ist keine Flamme vorhanden, so ist der Gleichspannungsanteil ungefähr gleich der Referenzspannung (U= ≈ URef). Wegen dem, dem Gleichspannungsanteil überlagerten, geringen Wechselspannungsanteil, den der Tiefpass 6 nicht ausfiltert, unterschreitet der Gleichspannungsanteil kurzzeitig die Referenzspannung und am Komparatorausgang des Komparators 10 erscheinen Impulse. Diese Impulse werden auf ein nachtriggerbares Monoflop 11 gegeben.
    Das Monoflop 11 wird so getriggert, dass die aus dem Komparator 10 ausgegebene Impulsfolge schneller kommt als die Impulsdauer des Monoflops ist. Dadurch erscheint, wenn keine Flamme vorhanden ist, am Ausgang des Monoflops konstant eine 1. Ist eine Flamme vorhanden, so wird das Monoflop nicht getriggert und am Ausgang erscheint permanent eine 0. Das nachtriggerbare Monoflop 11 bildet somit einen "missing pulse detector", welcher das dynamische Ein-/Aus-Signal in ein statisches Ein-/Aus-Signal umwandelt.
    Beide Signale, das PWM-Signal und das Flammensignal können nun separat weiterverarbeitet werden oder aber mittels eines Oder-Gliedes 12 verknüpft werden. Als Ausgang des Oder-Gliedes 12 zeigt sich bei vorhandener Flamme ein PWM-Signal, dessen Tastverhältnis ein Maß für den Flammenwiderstand 1b ist. Dieses Ionisationssignal 13 wird dem in Figur 2 gezeigten Regler 26 zugeführt. Ist keine Flamme vorhanden, ist der Ausgang des Oder-Gliedes permanent auf 1. Das Ionisationssignal 13 kann über einen nicht dargestellten Optokoppler übertragen werden, um eine Schutztrennung zwischen der Netzseite und der Schutzkleinspannungsseite zu erreichen.
    Figur 2.zeigt ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung 15 gemäss der Erfindung. Die Ionisationselektrode 16 ragt in die Flamme 1. Das Gasventil 17 wird vom Stellsignal 18 auf direkte oder indirekte Weise, zum Beispiel über einen Motor, gesteuert. Etwaig ist noch ein mechanischen Druckregler zwischengeschaltet.
    Ein Luftgebläse 19 wird auf eine Drehzahl angesteuert, die hier als Eingabeparameter verwendet wird. Die Drehzahl entspricht einer Leistungsanforderung 22. Das Drehzahlsignal 20 wird über ein Filter 21 zu der Steuereinheit 23 geführt, welche als Programmteil zum Ablauf in einem Mikroprozessor gestaltet worden ist. Dort sind Kenndaten gespeichert, welche die Kennlinien eines ersten und eines zweiten Steuersignals 24 und 25 festlegen. Der Regler 26 gewichtet und addiert die beide Steuersignale und ermittelt so das Stellsignal 18. Diese Verarbeitung der Steuersignale hängt vom Ionisationssignal 13 ab.
    Das Ionisationssignal 13 wird vom Regler 26 zuerst mittels eines Tiefpassfilters 27 geglättet, um Störimpulse und Flackern zu unterdrücken. In einer Vergleichseinheit 28 wird ein von der Steuereinheit 23 erzeugtes und über einer Korrektureinheit 29 geführtes Sollwertsignal 30 subtrahiert. Aus dem Folgesignal dieser Verarbeitung des Ionisationssignals wird von einem Proportionalregler 31 und einer parallelen Integriereinheit 32 ein interner Regelwert x ermittelt, der die beiden Steuersignale 24 und 25 gewichtet und damit das Stellsignal 18 fein abregelt.
    Der Regelwert x kann alternativerweise durch einen PID-Regler oder einen Zustandsregler aus dem Folgesignal erzeugt werden.
    Figur 3 zeigt wie das Stellsignal 18 einer Regeleinrichtung 15 gemäss der Erfindung abhängig vom Drehzahlsignal 20 verläuft. Die Kennlinien der Steuersignale 24 und 25 betreffen je ein Brenngas mit ziemlich tiefem, respektiv hohem kalorischem Wert.
    In einem quasi-stabilen Zustand, in dem das Brenngas einen mittleren Verbrennungswert hat und die Verbrennungswerte auch wegen sonstigen Umständen von den Kennlinien abweichen, regelt die Regeleinrichtung 15 über die Gewichtung der Steuersignale 24 und 25 das Stellsignal auf einen für das Luft-Gasverhältnis nahezu optimalen Wert 33. Diese Feinregelung entspricht einer vertikalen Bewegung des Stellsignalwertes in der Figur 3.
    Findet jetzt ein schrittartiger Anstieg der Leistungsanforderung 22 statt, und eine entsprechende Änderung des Drehzahlsignals 20, dann bleibt die Gewichtung der beiden Steuersignale vorerst kaum berührt. Die Steuersignale 24 und 25 selbst aber steigen je rasch mit der Drehzahländerung auf ihre entsprechend höheren Werte entlang die Kennlinien an, und das Stellsignal 18 steigt ebenso rasch zu dem Wert 34 mit. Dieser gesteuerter Wert 34 des Stellsignals ist schon sehr genau, das heißt, ist nahe an einem für das Luft-Gasverhältnis optimalen Wert. Sobald das Ionisationssignal 13 sich wieder auf den neuen Zustand eingespielt hat, typisch nach einigen wenigen Sekunden, regelt es die Gewichtung der Steuersignale 24 und 25 wieder fein. Dabei bewegt sich in der Figur 3 das Stellsignal 18 vertical zu einem Wert 35.

    Claims (15)

    1. Regeleinrichtung (15) für einen Brenner
      mit einer im Flammenbereich des Brenners angeordneten Ionisationselektrode (16) und
      mit einem Stellglied (17), welches die Brennstoffzufuhrmenge oder die Luftzufuhrmenge in Abhängigkeit von einem Stellsignal (18) beeinflusst,
      ausgestattet mit einem der Ionisationselektrode (16) nachgeschalteten Ionisationsauswerter (14), welcher ein Ionisationssignal (13) erzeugt,
      mit einer Steuereinheit (23), in der Kenndaten zur Bestimmung eines ersten Verhaltens des Stellgliedes (17) gespeichert sind, welche zumindest zeitweise ein erstes Steuersignal (24) erzeugt, und
      mit einem Regler (26), welcher das Stellsignal (18) zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Ionisationssignal (13) und zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom ersten Steuersignal (24) erzeugt,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      in der Steuereinheit (23) Kenndaten zur Bestimmung eines zweiten Verhaltens des Stellgliedes (17) gespeichert sind,
      die Steuereinheit (23) zumindest zeitweise ein zweites Steuersignal (25) erzeugt und
      der Regler (26) das Stellsignal (18) zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom zweiten Steuersignal (25) erzeugt.
    2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler (26) das Stellsignal (18) zumindest teilweise durch Verarbeitung der Steuersignale (24, 25) erzeugt und
      der Regler (26) die Verarbeitung zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Ionisationssignal (13) bestimmt
    3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler (26) zumindest zeitweise die Steuersignale (24, 25) gewichtet und aufaddiert und
      der Regler (26) die Gewichtung zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Ionisationssignal (13) bestimmt.
    4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler (26) vor der Verarbeitung der Steuersignale (24,25) schnelle Schwankungen des Ionisationssignals (13) im Vergleich zu langsame Schwankungen abdämpft.
    5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler (26) mit einem Tiefpassfilter (27) für das Ionisationssignal (13) oder für ein durch Verarbeitung erzeugtes Folgesignal ausgestattet ist.
    6. Regeleinrichtung, nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler (26) mit einer Integriereinheit (32) für das Ionisationssignal (13) oder für ein durch Verarbeitung erzeugtes Folgesignal ausgestattet ist.
    7. Regeleinrichtung nach jedem der vorgehenden Ansprüchen,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      in der Steuereinheit (23) zudem Kenndaten zur Bestimmung eines Verhaltens des Ionisationssignals (13) gespeichert sind,
      die Steuereinheit (23) zumindest zeitweise ein Sollwertsignal (30) erzeugt und
      der Regler (26) das Stellsignal (18) zumindest zeitweise in Abhängigkeit vom Sollwertsignal (23) erzeugt.
    8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler (26) mit einer Vergleichseinheit ausgestattet ist, welche zumindest zeitweise das Sollwertsignal (30) oder ein durch Verarbeitung erzeugtes Folgesignal vom Ionisationssignal (13) oder von einem durch Verarbeitung erzeugten Folgesignal subtrahiert.
    9. Regeleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Regler (26) das Stellsignal (18) so erzeugt, dass das Ionisationssignal (13) auf das Sollwertsignal (30) hin geregelt wird.
    10. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das erste Verhalten des Stellgliedes (17) während eines Brennerbetriebes mit einem ersten Brennstoff bestimmt worden ist und
      das zweite Verhalten des Stellgliedes (17) während eines Brennerbetriebes mit einem bezüglich des Energieinhaltes unterschiedlichen zweiten Brennstoff bestimmt worden ist.
    11. Regeleinrichtung nach Anspruch 10,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der spezifische Energieinhalt eines Brennstoffs mindestens 5 % höher als der eines anderen Brennstoffs ist.
    12. Verfahren zum Einstellen einer Regeleinrichtung für Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      man einen Brenner mit einer Regeleinrichtung (15) und mit zusätzlichen Sensoren zur Feststellung der Qualität der Verbrennung ausstattet,
      man den Brenner mit einem ersten Brennstoff mit gewissem Energieinhalt auf unterschiedliche Leistungswerte je mit unterschiedlichen Stellgliedständen betreibt, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt,
      man aus den erwünschten Stellgliedständen Kenndaten zur Bestimmung des ersten Verhaltens des Stellgliedes (17) feststellt,
      man den Brenner mit einem zweiten Brennstoff mit einem unterschiedlichen Energieinhalt auf unterschiedlichen Leistungswerten je mit unterschiedlichen Stellgliedständen betreibt, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt,
      man aus den erwünschten Stellgliedständen Kenndaten zur Bestimmung des zweiten Verhaltens des Stellgliedes (17) feststellt und
      man die festgestellten Kenndaten in der Regeleinrichtung (15) speichert.
    13. Verfahren zum Einstellen von Regeleinrichtungen für Brenner nach Anspruch 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der spezifische Energieinhalt eines Brennstoffs mindestens 5 % höher als der eines anderen Brennstoffs ist.
    14. Verfahren zum Einstellen von Regeleinrichtungen für Brenner nach Anspruch 12 oder 13,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      man den Brenner mit einer Brennstoffzufuhr unter einem ersten Druck auf unterschiedlichen Leistungswerten je mit unterschiedlichen Stellgliedständen betreibt, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt,
      man aus den erwünschten Stellgliedständen Kenndaten zur Bestimmung des ersten Verhaltens des Stellgliedes (17) feststellt,
      man den Brenner mit einer Brennstoffzufuhr unter einem unterschiedlichen zweiten Druck auf unterschiedlichen Leistungswerten je mit unterschiedlichen Stellgliedständen betreibt, wobei man aus den Sensorergebnissen für jeden Leistungswert einen erwünschten Stellgliedstand feststellt,
      man aus den erwünschten Stellgliedständen Kenndaten zur Bestimmung des zweiten Verhaltens des Stellgliedes (17) feststellt und
      man die festgestellten Kenndaten in der Regeleinrichtung (15) speichert.
    15. Verfahren zum Einstellen von Regeleinrichtungen für Brenner nach Anspruch 14,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      ein Brennstoffzufuhrdruck mindestens 9 % höher als ein andere ist.
    EP01110418A 2000-05-12 2001-04-27 Regeleinrichtung für einen Brenner Expired - Lifetime EP1154202B2 (de)

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