EP2913734B1 - Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit zumindest einer Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung, Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung sowie Anlage - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit zumindest einer Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung, Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung sowie Anlage Download PDF

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EP2913734B1
EP2913734B1 EP15154354.3A EP15154354A EP2913734B1 EP 2913734 B1 EP2913734 B1 EP 2913734B1 EP 15154354 A EP15154354 A EP 15154354A EP 2913734 B1 EP2913734 B1 EP 2913734B1
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EP
European Patent Office
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heating elements
closed
open
heating
loop
Prior art date
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EP15154354.3A
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French (fr)
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EP2913734A3 (de
EP2913734A2 (de
Inventor
Christine Bach
Klaus Indefrey
Bernhard Schmidt
Reinhard Schneider
Jürgen Stoll
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP2913734A3 publication Critical patent/EP2913734A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a system with at least one heating control and / or regulation device, a heating control and / or regulation device and a system having such a heating control and / or regulation device.
  • blow molding plants usually have radiant heater fields for heating preforms.
  • the radiant heaters infrared radiators
  • the radiant heaters are electrically supplied by a heating control and / or regulating device via a switching element switched into the power supply, controlled in terms of their power output and monitored.
  • the heating control and / or regulating device frequently receives via an open field bus from a higher-level control and / or regulating device, eg a programmable logic controller (PLC), setpoint values for the heating power of the connected heating elements.
  • the Setpoint values can be present, for example, in the form of absolute setpoint values, setpoint values related to a maximum power, or nominal values related to a nominal power.
  • the power may relate, for example, to a heat output to be output or a received electric power of heating elements. From these set values, control signals for the switching elements are then derived in the heating control and / or regulating device with the aid of a predetermined control and / or regulating algorithm.
  • setpoint values can already be present in the form of pulse packets or percent values at half cycles per unit time (eg per second), from which direct drive signals for the switching elements can then be derived.
  • the switching states of the switching elements and thus the heating powers of the heating elements are then controlled or regulated via the control signals.
  • setpoints for a heating output all of these setpoints will be referred to below as "setpoints for a heating output”.
  • the control of the switching elements and thus the control or regulation of the switching state or the heating power can be done for example with a phase control or a half-wave control with zero-switching power switching elements.
  • switching elements for example, semiconductor switches (for example, solid-state relay).
  • Conventional heating control and / or regulating devices of this type usually have an electrical output power of approximately 0.5 to 5 kW per heating element (with a supply voltage of 230V dc) and a max. total electrical output of 500kW.
  • DE 195 29 313 A1 discloses an operating method for sequentially and centrally program-controlled modulation of the heating power of a multiplicity of radiant heaters interconnected to a radiator field.
  • a central power control table is present, which in each case contains such sequences of supply and / or shutdown commands, that their predetermined successive cyclic connection to a radiant heater in the time average means a predetermined heating power modulationsarting can be generated.
  • Each radiant heater is assigned according to the Strahlerstellwert the application-dependent required heating power the associated sequence of supply and / or shutdown commands from the central power control table, and per processing step is from the prog rammexcellente computing device for each radiant heater on and / or shutdown of the respective associated sequence of output central control table.
  • values for energy consumption and / or actual power consumption of the heating elements are determined by characteristic parameters of the heating elements and by values of control and / or regulating variables determined for the control and / or regulation of a heating power of the heating elements. According to the invention, no measured values for electrical currents are used here, and the values for energy consumption and / or a current power consumption of the heating elements are transmitted to a higher-level control and / or regulating device and / or an energy management system for controlling and / or regulating the heating elements.
  • heating elements the energy consumption and / or the current power consumption without measuring electrical currents, preferably even without measuring any electrical variables, by a calculation based on characteristic parameters of the heating elements and on the basis of values of control and / or to determine control variables for the control and / or regulation of the heating power of the heating elements.
  • the reason is that heating elements are essentially ohmic consumers and therefore components of low electrical complexity.
  • the accuracy of the calculation is somewhat lower than a measurement, but - as has surprisingly been found - sufficient for most systems or applications.
  • straight measuring devices for measuring electrical currents are very expensive and therefore expensive. Since, according to the invention, no measured values for electrical currents are used, such a measuring device can be dispensed with. A determination of the energy consumption and / or the current power consumption and thus the network load can thus be done with less effort. If the determination of the energy consumption and / or the current power consumption takes place entirely without measurement of any electrical variables, no measuring devices are necessary at all and expenditure for this can be completely avoided.
  • the control and / or regulation variables can be, for example, setpoint values for the heating elements, which are present, for example, in the form of absolute setpoint values, setpoint values related to a maximum power or nominal values related to a nominal power.
  • the power may relate, for example, to a heat output to be output or a received electric power of heating elements.
  • the setpoints may already be in the form of pulse packets or percentages at half cycles per unit time (e.g., per second) for switching elements for the heating elements.
  • the determination of the energy consumption and / or the power consumption can be carried out directly in the respective Schuungs Kunststoffungs- and / or -regelungs Rhein and the determined values can then be transferred, for example, to a higher-level control and / or regulating device for the heating elements or to an energy management system of the system ,
  • the Schuungs Kunststoffungs- and / or -regels also serves to control and / or regulation of electric fan drives, wherein values for energy consumption and / or a current power consumption of the fan drives without using measured values for electrical currents on the basis of characteristic parameters of the fans and on the basis of values of control and / or regulation variables for the control and / or regulation of the fan units.
  • This is especially possible when it comes to simple fan drives with low electrical complexity (eg single-phase powered fan drives). It can thus be taken into account in determining the network load and the energy consumption and / or power consumption of the fan, and this is at least without measuring electrical currents, preferably completely without measuring any electrical variables, determined by a calculation.
  • the consideration of the energy consumption or the power consumption of the fans is especially important in systems in which the energy consumption and / or the power consumption of the fan is not negligible compared to those of the heating elements.
  • the characteristic parameters include one or more of the following information about the heating elements, preferably also to the fan drives: type, rated power, rated current, rated voltage.
  • control and / or regulation variables such as an absolute setpoint, a setpoint in the form of a percentage setpoint based on a maximum power, a percentage of half-waves per unit time (eg one second) or a number of pulse packets per unit time (eg one second) are very easy on the by a heating element, preferably also a fan drive, flowing currents and applied voltages are closed and thus the energy consumption or the current power consumption can be determined.
  • Non-linearities in the current / voltage characteristics of the heating elements are taken into account by characteristics, describe the dependence of the power absorbed by the respective setpoint.
  • voltages applied to the heating elements or a common supply voltage for the heating elements can be measured, and an accuracy of the determined values of the energy consumption and / or the current power consumption can be improved with the measured voltage values.
  • Measuring devices for a pure voltage measurement are not very expensive and often already integrated in Bankungs Kunststoffungs and / or -regelungs boots, since they are used to measure a common supply voltage for the heating elements and thus voltage fluctuations in the control and / or regulation of the heating power of the heating elements compensate.
  • the accuracy of determining power consumption and / or current power consumption can be improved with little effort.
  • the heating powers of the heating elements are controlled and / or regulated on the basis of the determined energy consumption and / or the determined current power consumption.
  • the network load and the operation of the system can be optimized based on a variety of criteria.
  • the control and / or regulation can take place, for example, by a higher-level control and / or regulating device or an energy management system.
  • the energy consumption and / or the current power consumption of the heating elements is determined over a longer period of time (for example a working cycle or a working day) and the system is optimized by an analysis of the time course. For example, a time average of the power consumption can be determined, compared with a rated power of the heating elements and at a (undershooting) of the rated power by a predetermined limit, the heating elements are replaced by heating elements with a higher (lower) rated power. It can thus be easily detected undersizing (oversizing) of heating elements and carried out a replacement by more suitable heating elements.
  • the determined energy consumption and / or the current power consumption can then be transmitted or reported via the communication interface, for example to a higher-level control and / or regulating device or to a higher-level energy management system.
  • the characteristic parameters include one or more of the following information about the heating elements, preferably also to the fan drives: type, rated power, rated current, rated voltage.
  • the Schuungs Kunststoffungs- and / or -regelungs is designed such that it queries the characteristic parameters in a configuration or commissioning and stores in the memory.
  • the heating control and / or regulating device is advantageously connected to a voltage measuring device for measuring voltages applied to the heating elements or a common supply voltage of the heating elements, preferably also for measuring voltages applied to the fan drives or a common supply voltage of the fan drives, and is designed such that that it improves the accuracy of the determined values of the energy consumption and / or the current power consumption with the voltage measured values.
  • the superordinate device is preferably designed such that it controls and / or regulates heat outputs of the heating elements, preferably also powers of the fan drives, based on the transmitted energy consumption determined and / or the power consumption determined.
  • the higher-level control and / or regulating device is designed such that it determines the energy consumption and / or the current power consumption of the heating elements, preferably also of the fan drives, over a longer period of time, analyzes the time course and, based on this analysis, makes recommendations for optimizing the system.
  • a plant 1 shown in the figure comprises a plurality of heating control and / or regulating devices 2, 3, 4, a higher-level control and / or regulating device 5 for the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4, further components which is shown for simplicity only a single component 6, and optionally an energy management system 7, all of these components are connected to a communication system 20 and can communicate with each other here.
  • the communication system 20 is preferably an open industrial communication system, such as a computer. PROFIBUS or PROFINET.
  • Each of the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 has for this purpose a communication interface 8 and a communication unit 9. Furthermore, each of the heater control and / or regulation devices 2, 3, 4 has a power input 10 and a plurality (e.g., nine) power outputs 11. In addition, the units 2, 3, 4 not yet shown further communication interfaces and / or power supply interfaces for internal power supply of the units 2, 3, 4 have.
  • a heating element 12 in particular in each case a radiant heater, or alternatively a fan drive 13 (see, for example, the Schuungs Kunststoffungs- and / or -regelungs soliciten 3 and 4), electrically connected or connected.
  • All power inputs 10 and the other system component 6 are electrically connected to an on-board power supply network 14 (eg with a rated voltage of 400Vac) connected to the power supply for the heating elements 12 and the fan drive 13.
  • the power supply network 14 is in turn fed from a network 21 of an energy supplier.
  • Each of the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 has a power distribution device 15 with line protection elements, not shown in more detail, which is electrically connected on the input side to the power input 10 and on the output side via a respective branch 16 electrically connected to the power outputs 11 supply electrical power from the power supply network 14.
  • a switching element 17 is connected in each case.
  • a semiconductor switch for example a so-called "solid state relay”
  • an electromechanical contactor is used.
  • the switching elements 17 are integrated into the heater control and / or regulation devices 2, 3, 4, i. but may also be separate (i.e., not integrated into the housing) switching elements.
  • Each of the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 furthermore has a control and / or regulating unit 18.
  • the control unit 18 is arranged to control and / or regulate the switching state of the switching elements 17 in response to control commands (e.g., enable commands, shutdown commands) and heating power setpoints.
  • control commands e.g., enable commands, shutdown commands
  • the setpoints may be in the form of absolute setpoints, for example, or of maximum power Setpoints are present.
  • the power may relate, for example, to a heat output to be output or a received electric power of heating elements.
  • control signals for the switching elements 17 are then derived in the heating control and / or regulation device 2, 3, 4 with the aid of a predetermined control and / or regulation algorithm.
  • the setpoint values can already be present in the form of pulse packets or percent values at half cycles per unit time (eg per second), from which direct drive signals for the switching elements can then be derived in the control and / or regulating unit 18.
  • the switching states of the switching elements 17 and thus the heating powers of the heating elements 12 are then controlled or regulated via the control signals.
  • the control of the switching elements 17 and thus the control or regulation of the switching state or the heating power can be done for example with a phase control or a half-wave control.
  • the communication unit 9 is set up in such a way that it receives and commands specific commands (eg commands for connecting or disconnecting the heating elements 12 to or from the power supply network 14) for the respective unit 2, 3, 4 and setpoint values for the heating power via the communication interface 8 the control and / or regulating unit 18 passes.
  • specific commands eg commands for connecting or disconnecting the heating elements 12 to or from the power supply network 14
  • control and / or regulating unit 18 is set up in such a manner that it controls the switching state of the switching element 17 for the fan drive 13 in response to control commands (eg commands for switching on or off the fan drive 13 to and from the power supply network 14) and optionally also controlled by setpoint values for the drive power of the fan drive 13 and / or controls.
  • control commands eg commands for switching on or off the fan drive 13 to and from the power supply network 14
  • setpoint values for the drive power of the fan drive 13 and / or controls optionally also controlled by setpoint values for the drive power of the fan drive 13 and / or controls.
  • the heater control and / or regulating devices 2, 3, 4 are in the figure in an embodiment as from each other independently operating compact devices, each with its own housing.
  • the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 can also have a modular design and in turn consist of several modules, such as a communication and control module and several power modules with a fundamentally similar structure as the heating control and / or -regels wornen 2, 3, 4.
  • the communication and control module serves as an interface to the communication system 20 and controls the power modules via another communication system, which may also be a proprietary communication system.
  • the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 receive from the higher-level control and / or regulating device 5 via the communication system 20 supply and shutdown commands for connecting or disconnecting the heating elements 12 and the fan 13 to or from the power supply network 14 and the setpoint values for the heating power of the heating elements 12, optionally also for the performance of the fan drive 13th
  • the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 furthermore have a memory 25 in which characteristic parameters are stored for the heating elements 12 and, if present, the fan drive 13.
  • the characteristic parameters include one or more of the following information about the heating elements or fan drives: type, rated power, rated current, rated voltage.
  • the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 are designed for this purpose in such a way that they interrogate the characteristic parameters during a configuration or commissioning and store them in the memory 25.
  • the control and / or regulating unit 18 comprises a calculation unit 19, which is set up in such a way that it receives values for an energy consumption and / or a current power consumption the heating elements 12 and, if present, the fan drive 13 without the use of measured values of electrical currents based on the characteristic parameters and values of control and / or regulation variables for controlling and / or regulating the heating power of the heating elements 12 and, if present, of the fan drive 13 determined.
  • the determination of the values preferably takes place without the use of measured values of any electrical variables, that is, solely on the basis of the characteristic parameters and on the basis of values of control and / or regulation variables.
  • the accuracy of the determined values of the energy consumption and / or the power consumption can be optionally improved with relatively little effort by the control and / or regulating units 18 with a voltage measuring device 26 for measurement on the heating elements 12 - and if present on the fan drive 13 - connected voltages or for measuring the voltage of the power supply network 14 and is designed such that it improves the accuracy of the determined values of energy consumption and / or the current power consumption with the voltage measured values.
  • the communication unit 9 and the communication interface 8 then serve to transmit the determined energy consumption and / or the determined power consumption to the higher-level control and / or regulating device 5 and / or - if present - to the energy management system 7.
  • the higher-level control and / or regulating device 5, or if present the energy management system 7, is also designed such that it determines the power consumption of the heating elements 12 over a longer period of time (eg a work cycle or a working day) and by an analysis of the temporal Progressive recommendations for an optimization of the system 1 outputs. For example, a time average of the power consumption can be determined, compared with a rated power of the heating elements and when exceeding and / or falling below the rated power by a predetermined threshold value, a signal can be generated.
  • each of the heating control and / or regulating devices 2, 3, 4 by the respective calculation unit 19 based on the characteristic parameters of the heating elements 12, preferably also the fan drives 13, and based on values of control and / or Control variables for the control and / or regulation of the heating power of the heating elements 12, preferably also the performance of the fan drives 13, determines their energy consumption and / or power consumption and the communication system 20 to the higher-level control and / or regulating device 5, if available also to the Energy management system 7, transmitted.
  • a rated power Pn of each heating element 12 at applied nominal voltage (eg 230 Vac) and a type factor T (S) deposited which depends on the type of the heating element 12 and the heating power set point (in% of the nominal power Pn).
  • the type factor takes into account the non-linearity, depending on the particular type of heating element, between the setpoint and the actual power consumption or the actual electrical power consumed.
  • the type factor (TS) can be present, for example, in the form of a family of characteristic curves for different setpoint values S in each case.
  • the voltage applied to the heating elements 12, preferably also to the fan drives 13, or the voltage of the common voltage supply 14 can be measured and the accuracy of the determined values of the energy consumption and / or the power consumption can be improved with the measured voltage values.
  • the heating powers of the heating elements 12, preferably also the fan drives 13, are then controlled and / or regulated by the higher-level control and / or regulating device 5 on the basis of the received energy consumption and / or power consumption. This can also take place in cooperation with the energy management system 7, which supply or shutdown commands for the heating elements 12, preferably also for the fan drives 13, or limits for the absorbed power or energy consumption via the communication system 20 to the higher-level control and / or regulating device 5 transmitted. This then generates the control commands and setpoint values for the heating power of the heating elements 12, preferably also for the power of the fan drives 13, as a function of the values received by the energy management system 7.
  • a time average of the power consumption is determined, compared with a rated power of the heating elements 12 and at a (undershooting) of the rated power by a predetermined limit, the heating elements 12 are replaced by heating elements with a higher (lower) rated power. It can thus be easily detected undersizing (oversizing) of heating elements and carried out a replacement by more suitable heating elements.
  • a corresponding Approach is of course also possible with respect to the fan drives 13.
  • the energy consumption and / or the power consumption is thus without measuring electrical currents, preferably without measuring any electrical variables, by a calculation based on characteristic parameters of the heating elements 12 (preferably also the fan drives 13) and based on values of control and / or regulation variables for the control and / or regulation of the heating power of the heating elements 12 (preferably also the power of the fan drives 13) determined. It is therefore only a small or no consuming and expensive measuring device necessary.

Landscapes

  • Control Of Temperature (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit zumindest einer Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung, eine Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung sowie eine Anlage mit einer derartigen Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung.
  • Industriell gefertigte Produkte werden oft mit Hilfe von Heizungen thermisch behandelt. Schon geringe Abweichungen im Wärmeprozess können dabei zu einer enormen Beeinträchtigung der Produktqualität führen. Um die Qualität eines wärmebehandelten Produktes zu erhöhen, ist es wichtig, die benötigte Energie zeitlich und räumlich sehr präzise fokussieren zu können. Dies erfolgt mit Hilfe spezieller Heizungssteuerungen und/oder -regelungen, die eine höchst präzise Ansteuerung von Heizelementen gewährleisten. Als Heizelemente kommen dabei häufig ohmsche Verbraucher in Form von Heizstrahlern, insbesondere Infrarotstrahlern, zum Einsatz.
  • Beispielsweise weisen Blasformanlagen üblicherweise Heizstrahlerfelder zum Erwärmen von Preformen auf. Die Heizstrahler (Infrarotstrahler) werden von einer Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung über ein in die Spannungsversorgung geschaltetes Schaltelement elektrisch versorgt, hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe gesteuert/geregelt und überwacht.
  • Die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung empfängt hierzu häufig über einen offenen Feldbus von einer übergeordneten Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, z.B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), Sollwerte für die Heizleistung der angeschlossenen Heizelemente. Die Sollwerte können beispielsweise in Form von absoluten Sollwerten, von auf eine maximale Leistung bezogenen Sollwerten oder von auf eine Nennleistung bezogenen Sollwerten vorliegen. Die Leistung kann sich beispielsweise auf eine abzugebende Heizleistung oder eine aufzunehmende elektrische Leistung von Heizelementen beziehen. Aus diesen Sollwerten werden dann in der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung mit Hilfe eines vorgegebenen Steuer- und/oder Regelungsalgorithmus Ansteuersignale für die Schaltelemente abgeleitet. Die Sollwerte können aber auch schon in Form von Pulspaketen oder Prozentwerten an Halbwellen pro Zeiteinheit (z.B. pro Sekunde) vorliegen, aus denen dann direkt Ansteuersignale für die Schaltelemente abgeleitet werden können. Über die Ansteuersignale werden dann die Schaltzustände der Schaltelemente und damit die Heizleistungen der Heizelemente gesteuert oder geregelt. Zur Vereinfachung und zur besseren Verständlichkeit werden im Folgenden alle diese Sollwerte als "Sollwerte für eine Heizleistung" bezeichnet.
  • Die Ansteuerung der Schaltelemente und somit die Steuerung oder Regelung des Schaltzustandes bzw. der Heizleistung kann beispielsweise mit einer Phasenanschnittsteuerung oder einer Halbwellensteuerung mit im Nulldurchgang leistungslos schaltenden Schaltelementen erfolgen. Hierbei kommen als Schaltelemente beispielsweise Halbleiterschalter (z.B. Solid-State Relay) zum Einsatz.
  • Bekannte derartige Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen weisen dabei üblicherweise pro Heizelement eine elektrische Ausgangsleistung von ca. 0.5 bis 5 kW (bei einer Versorgungsspannung von 230V dc) und eine max. elektrische Gesamtausgangsleistung von 500kW auf.
  • Üblicherweise werden in einer Anlage mehrere derartige Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen (meist zusammen mit anderen Einrichtungen der Anlage) aus einem gemeinsamen Spannungsversorgungsnetz der Anlage gespeist. Aufgrund ihres elektrischen Leistungsbedarfs führen die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen manchmal zu einer starken Netzbelastung.
  • Um das Spannungsversorgungsnetz hinsichtlich seiner Belastung zu optimieren, ist es notwendig, einen aktuellen Leistungsverbrauch der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen bzw. der von diesen angesteuerten Heizelemente zu kennen. Hierzu ist es bereits bekannt, in den Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen die elektrische Leistung explizit anhand von elektrischen Messgrößen (Strom durch die Heizelemente, Spannung an den Heizelementen) zu ermitteln, und zwar entweder separat für jedes Heizelement (bzw. jeden Heizkanal) oder insgesamt für jede Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung. Nachteilig hierbei ist, dass eine aufwendige und damit teure Messeinrichtung zur Erfassung der Messgrößen notwendig ist.
  • DE 195 29 313 A1 offenbart ein Betriebsverfahren zur sehnellen und zentral programmgesteuerten Modulation der Heizleistung einer Vielzahl von zu einem Strahlerfeld zusammengeschalteten Heizstrahlern. Dabei ist eine zentrale Leistungssteuertabelle vorhanden,welche jeweils derartige Abfolgen von Zu- und/oder Abschaltbefehlen enthält, dass durch deren sukzessive und zyklische Aufschaltung auf einen Heizstrahler im zeitlichen Mittel eine vorgegebene Heizleistung modulationsarting erzeugt werden kann. Jedem Heizstrahler wird entsprechend dem Strahlerstellwert der jeweils anwendungsabhängig geforderten Heizleistung die dazugehörige Abfolge von Zuund/oder Abschaltbefehlen aus der zentralen Leistungssteuertabelle zugewiesen, und pro Bearbeitungsschritt wird von der prog rammgesteuerten Recheneinrichtung für jeden Heizstrahler ein Zu- und/oder Abschaltbefehl aus der jeweils zugeordneten Abfolge der zentralen Leistungssteuertabelle ausgegeben.
  • Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, die Netzbelastung durch die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen mit geringerem Aufwand zu ermitteln.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit zumindest einer Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1, eine Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung gemäß Patentanspruch 8 sowie eine Anlage mit einer derartigen Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung gemäß Patentanspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit zumindest einer Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung für Heizelemente werden Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente anhand von charakteristischen Parametern der Heizelemente und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung einer Heizleistung der Heizelemente ermittelt. Erfindungsgemäß werden hierbei keine Messwerte für elektrische Ströme verwendet und die Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente werden an eine übergeordneteSteuer- und/oder Regelungseinrichtung und/oder ein Energiemanagement system zur Steuerung und/oder Regelung der Heiz-elemente übertragen.
  • Wie sich herausgestellt hat, ist es für Heizelemente möglich, den Energieverbrauch und/oder die aktuelle Leistungsaufnahme ohne Messung elektrischer Ströme, vorzugsweise sogar ganz ohne Messung irgendwelcher elektrischer Größen, durch eine Berechnung anhand von charakteristischen Parametern der Heizelemente und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung der Heizelemente zu ermitteln. Der Grund liegt darin, dass es sich bei Heizelementen im Wesentlichen um rein ohmsche Verbraucher und somit um Komponenten mit geringer elektrischer Komplexität handelt. Die Genauigkeit der Berechnung ist zwar gegenüber einer Messung etwas geringer, aber - wie sich überraschenderweise gezeigt hat - für die meisten Anlagen bzw. Applikationen ausreichend.
  • Auf der anderen Seite sind gerade Messeinrichtungen zur Messung elektrischer Ströme sehr aufwendig und damit teuer. Da erfindungsgemäß keine Messwerte für elektrische Ströme verwendet werden, kann auf eine derartige Messeinrichtung verzichtet werden. Eine Ermittlung des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme und somit der Netzbelastung kann folglich mit geringerem Aufwand erfolgen. Wenn die Ermittlung des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme ganz ohne Messung irgendwelcher elektrischer Größen erfolgt, sind überhaupt keine Messeinrichtungen notwendig und Aufwand hierfür kann vollständig vermieden werden.
  • Bei den Steuer- und/oder Regelungsgrößen kann es sich beispielsweise um Sollwerte für die Heizelement handeln, die beispielsweise in Form von absoluten Sollwerten, von auf eine maximale Leistung bezogenen Sollwerten oder von auf eine Nennleistung bezogenen Sollwerten vorliegen. Die Leistung kann sich beispielsweise auf eine abzugebende Heizleistung oder eine aufzunehmende elektrische Leistung von Heizelementen beziehen. Die Sollwerte können aber auch schon in Form von Pulspaketen oder Prozentwerten an Halbwellen pro Zeiteinheit (z.B. pro Sekunde) für Schaltelemente für die Heizelemente vorliegen.
  • Die Ermittlung des Energieverbrauchs und/oder der Leistungsaufnahme kann dabei direkt in der jeweiligen Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung erfolgen und die ermittelten Werte können anschließend beispielsweise an eine übergeordnete Steuer- und/oder Regelungseinrichtung für die Heizelemente oder an ein Energiemanagementsystem der Anlage übertragen werden.
  • Bevorzugt dient die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung auch zur Steuerung und/oder Regelung von elektrischen Lüfterantrieben, wobei Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Lüfterantriebe ohne Verwendung von Messwerten für elektrische Ströme anhand von charakteristischen Parametern der Lüfter und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung der Lüfteranteriebe ermittelt werden. Dies ist vor allem dann möglich, wenn es sich um einfache Lüfterantriebe mit geringer elektrischer Komplexität handelt (z.B. einphasig versorgte Lüfterantriebe). Es kann somit bei der Bestimmung der Netzbelastung auch der Energieverbrauch und/oder die Leistungsaufnahme der Lüfter berücksichtigt werden, wobei auch dies zumindest ohne Messung elektrischer Ströme, vorzugsweise vollständig ohne Messung irgendwelcher elektrischer Größen, durch eine Berechnung ermittelt wird. Die Berücksichtigung des Energieverbrauchs bzw. der Leistungsaufnahme der Lüfter ist gerade in Anlagen wichtig, bei denen der Energieverbrauch und/oder die Leistungsaufnahme der Lüfter im Vergleich zu denen der Heizelemente nicht zu vernachlässigen ist.
  • Von Vorteilen umfassen die charakteristische Parameter eine oder mehrere der folgenden Angaben zu den Heizelementen, vorzugsweise auch zu den Lüfterantrieben: Typ, Nennleistung, Nennstrom, Nennspannung.
  • Anhand einer Information über den Typ des Heizelements, vorzugsweis auch des Lüfterantriebs, und der diesem Typ zugeordneten Nennleistung, Nennstrom und/oder Nennspannung kann mit Hilfe von Steuer- und/oder Regelungsgrößen, wie z.B. einem absoluten Sollwert, einem Sollwert in Form eines prozentualen Sollwerts bezogen auf eine maximale Leistung, eines Prozentwerts von Halbwellen pro Zeiteinheit (z.B. einer Sekunde) oder einer Zahl von Pulspaketen pro Zeiteinheit (z.B. einer Sekunde) sehr einfach auf die durch ein Heizelement, vorzugsweise auch einen Lüfterantrieb, fließenden Ströme und anliegenden Spannungen geschlossen werden und somit der Energieverbrauch oder die aktuelle Leistungsaufnahme ermittelt werden. Nichtlinearitäten in den Strom-/Spannungskennlinien der Heizelemente werden dabei durch Kennlinien berücksichtigt, die die Abhängigkeit der aufgenommenen Leistung von dem jeweiligen Sollwert beschreiben.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können an den Heizelementen anliegende Spannungen oder eine gemeinsame Versorgungsspannung für die Heizelemente gemessen und mit den gemessenen Spannungswerten eine Genauigkeit der ermittelten Werte des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme verbessert werden. Messeinrichtungen für eine reine Spannungsmessung sind nicht sehr aufwendig und oft schon in Heizungssteuerungs -und/oder -regelungseinrichtungen integriert, da sie genutzt werden, um eine gemeinsame Versorgungsspannung für die Heizelemente zu messen und damit Spannungsschwankungen bei der Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung der Heizelemente auszugleichen. Wie sich herausgestellt hat, kann durch Berücksichtigung von Spannungsmesswerten anstatt von berechneten oder abgeschätzten Spannungswerten mit geringem Aufwand die Genauigkeit der Ermittlung des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme verbessert werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die Heizleistungen der Heizelemente, vorzugsweise auch Leistungen der Lüfterantriebe, anhand des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der ermittelten aktuellen Leistungsaufnahme gesteuert und/oder geregelt. Hierdurch kann die Netzbelastung und der Betrieb der Anlage anhand verschiedenster Kriterien optimiert werden. Die Steuerung und/oder Regelung kann beispielsweise durch eine übergeordneten Steuer- und oder Regelungseinrichtung oder ein Energiemanagementsystem erfolgen.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die Heizleistungen der Heizelemente, vorzugsweise auch die Leistungen der Lüfterantriebe, auf eines oder mehrere der folgenden Ziele gesteuert und/oder geregelt:
    • Begrenzung von Spitzenströmen in der Anlage auf einen Grenzwert,
    • Begrenzung oder Minimierung der aufgenommenen elektrischen Gesamt-Leistung und/oder des elektrischen Gesamt-Energieverbrauchs in der Anlage,
    • eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe,
    • Begrenzung von Temperaturen in der Anlage, insbesondere in Schalt- oder Steuerschränken.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Energieverbrauch und/oder die aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente über eine längere Zeit (z.B. einen Arbeitszyklus oder einen Arbeitstag) ermittelt und durch eine Analyse des zeitlichen Verlaufs die Anlage optimiert. Beispielsweise kann ein zeitlicher Mittelwert der Leistungsaufnahmen ermittelt, mit einer Nennleistung der Heizelemente verglichen und bei einer Überschreitung (Unterschreitung) der Nennleistung um jeweils einen vorgegebenen Grenzwert die Heizelemente durch Heizelemente mit einer höheren (niedrigeren) Nennleistung ersetzt werden. Es kann somit auf einfache Weise ein Unterdimensionierung (Überdimensionierung) von Heizelementen erkannt und ein Austausch durch geeignetere Heizelemente erfolgen.
  • Eine erfindungsgemäße Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer Heizleistung von Heizelementen weist auf:
    • einen Speicher, in dem für die Heizelemente, vorzugsweise auch für Lüfterantriebe, charakteristische Parameter gespeichert sind,
    • eine Berechnungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe, ohne Verwendung von Messwerten von elektrischen Strömen anhand der charakteristischen Parameter und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung einer Heizleistung der Heizelemente, vorzugsweise auch einer Leistung der Lüfterantriebe, ermittelt,
    • eine Kommunikationsschnittstelle zur Übermittlung des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme an eine übergeordnete Einrichtung.
  • Der ermittelte Energieverbrauch und/oder die aktuelle Leistungsaufnahme kann dann über die Kommunikationsschnittstelle beispielsweise an eine übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung oder an ein übergeordnetes Energiemanagementsystems übermittelt bzw. gemeldet werden.
  • Bevorzugt umfassen die charakteristischen Parameter eine oder mehrere der folgenden Angaben zu den Heizelementen, vorzugsweise auch zu den Lüfterantrieben: Typ, Nennleistung, Nennstrom, Nennspannung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie die charakteristischen Parameter bei einer Konfigurierung oder Inbetriebnahme abfragt und in dem Speicher abspeichert.
  • Von Vorteil ist die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung mit einer Spannungsmesseinrichtung zur Messung an den Heizelementen anliegender Spannungen oder einer gemeinsamen Versorgungsspannung der Heizelemente, vorzugsweise auch zur Messung an den Lüfterantrieben anliegender Spannungen oder einer gemeinsamen Versorgungsspannung der Lüfterantriebe, verbunden und ist derart ausgebildet, dass sie mit den Spannungsmesswerten eine Genauigkeit der ermittelten Werte des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahmen verbessert.
  • Eine erfindungsgemäße Anlage weist auf:
    • zumindest eine vorstehend erläuterte Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung,
    • ein oder mehrere an die Heizungssteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung angeschlossene Heizelemente, vorzugsweise auch einen oder mehrere daran angeschlossene Lüfterantriebe, und
    • eine übergeordnete Einrichtung, insbesondere eine übergeordneten Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung für die zumindest eine Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung oder ein Energiemanagementsystem der Anlage,
    • wobei die zumindest eine Heizungssteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung zur Übermittlung des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme über ihre Kommunikationsschnittstelle mit der übergeordneten Einrichtung verbunden ist.
  • Die übergeordnete Einrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie Heizleistungen der Heizelemente, vorzugsweise auch Leistungen der Lüfterantriebe, anhand des übermittelten ermittelten Energieverbrauchs und/oder der ermittelten Leistungsaufnahmen steuert und/oder regelt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die übergeordnete Einrichtung derart ausgebildet, dass sie die Heizleistungen der Heizelemente, vorzugsweise auch die Leistung der Lüfterantriebe, auf eines oder mehrere der folgenden Ziele steuert und/oder regelt:
    • Begrenzung von Spitzenströmen in der Anlage auf einen Grenzwert,
    • Begrenzung oder Minimierung der aufgenommenen elektrischen Gesamt-Leistung und/oder des elektrischen Gesamt-Energieverbrauchs in der Anlage,
    • eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe,
    • Begrenzung von Temperaturen in der Anlage, insbesondere in Schalt- oder Steuerschränken.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie den Energieverbrauch und/oder die aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe, über eine längere Zeit ermittelt, den zeitlichen Verlauf analysiert und auf Basis dieser Analyse Empfehlungen für eine Optimierung der Anlage ausgibt.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in der Figur näher erläutert.
  • Eine in der Figur gezeigte Anlage 1 umfasst mehrere Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4, eine übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5 für die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2,3, 4, weitere Komponenten, von denen zur Vereinfachung nur eine einzige Komponente 6 dargestellt ist, sowie optional ein Energiemanagementsystem 7, wobei alle diese Komponenten an ein Kommunikationssystem 20 angeschlossen sind und hierüber miteinander kommunizieren können. Bei dem Kommunikationssystem 20 handelt es sich vorzugsweise um ein offenes industrielles Kommunikationssystem wie z.B. PROFIBUS oder PROFINET.
  • Jede der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 weist hierzu eine Kommunikationsschnittstelle 8 und eine Kommunikationseinheit 9 auf. Weiterhin weist jede der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 einen Leistungseingang 10 und mehrere (z.B. neun) Leistungsausgänge 11 auf. Daneben können die Einheiten 2, 3, 4 noch nicht näher dargestellte weitere Kommunikationsschnittstellen und/oder Spannungsversorgungsschnittstellen zur internen Spannungsversorgung der Einheiten 2, 3, 4 aufweisen.
  • An die Leistungsausgänge 11 ist jeweils ein Heizelement 12, insbesondere jeweils ein Heizstrahler, oder alternativ ein Lüfterantrieb 13 (siehe beispielhaft die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 3 und 4), elektrisch anschließbar bzw. angeschlossen.
  • Sämtliche Leistungseingänge 10 sowie die weitere Anlagenkomponente 6 sind elektrisch an ein anlageninternes Spannungsversorgungsnetz 14 (z.B. mit einer Nennspannung von 400Vac) zur Spannungsversorgung für die Heizelemente 12 bzw. den Lüfterantrieb 13 angeschlossen. Das Spannungsversorgungsnetz 14 wird wiederum aus einem Netz 21 eines Energieversorgers gespeist.
  • Jede der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 weist eine Stromverteilungseinrichtung 15 mit nicht näher dargestellten Leitungsschutzelementen auf, die eingangsseitig elektrisch mit dem Leistungseingang 10 und ausgangsseitig über jeweils einen Abzweig 16 elektrisch mit den Leistungsausgängen 11 verbunden ist, um diese mit elektrischem Strom aus dem Spannungsversorgungsnetz 14 zu versorgen. In jeden der Abzweige 16 ist jeweils ein Schaltelement 17 geschaltet. Als Schaltelement 17 kommt im Fall eines angeschlossenen Heizelements 12 vorzugsweise ein Halbleiterschalter (z.B. ein sogenanntes "Solid-State-Relay"), und im Fall eines angeschlossenen Lüfterantriebs 13 alternativ ein elektromechanisches Schütz zum Einsatz.
  • Vorzugsweise sind die Schaltelemente 17 in die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 integriert, d.h. von deren Gehäuse umschlossen, es kann sich aber auch um gesonderte (d.h. nicht in das Gehäuse integrierte) Schaltelemente handeln.
  • Jede der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 weist weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinheit 18 auf.
  • Die Steuer- und/oder Regeleinheit 18 ist derart eingerichtet, dass sie den Schaltzustand der Schaltelemente 17 in Abhängigkeit von Steuerbefehlen (z.B. Zuschaltbefehle, Abschaltbefehle) und von Sollwerten für die Heizleistung steuert und/oder regelt.
  • Die Sollwerte können beispielsweise in Form von absoluten Sollwerten oder von auf eine maximale Leistung bezogenen Sollwerten vorliegen. Die Leistung kann sich beispielsweise auf eine abzugebende Heizleistung oder eine aufzunehmende elektrische Leistung von Heizelementen beziehen. Aus diesen Sollwerten werden dann in der Heizungssteuerungs- und/oder - regelungseinrichtung 2, 3, 4 mit Hilfe eines vorgegebenen Steuer- und/oder Regelungsalgorithmus Ansteuersignale für die Schaltelemente 17 abgeleitet. Die Sollwerte können aber auch schon in Form von Pulspaketen oder Prozentwerten an Halbwellen pro Zeiteinheit (z.B. pro Sekunde) vorliegen, aus denen dann in der Steuer- und/oder Regeleinheit 18 direkt Ansteuersignale für die Schaltelemente abgeleitet werden können. Über die Ansteuersignale werden dann die Schaltzustände der Schaltelemente 17 und damit die Heizleistungen der Heizelemente 12 gesteuert oder geregelt.
  • Die Ansteuerung der Schaltelemente 17 und somit die Steuerung oder Regelung des Schaltzustandes bzw. der Heizleistung kann beispielsweise mit einer Phasenanschnittsteuerung oder einer Halbwellensteuerung erfolgen.
  • Die Kommunikationseinheit 9 ist derart eingerichtet, dass sie für die jeweilige Einheit 2, 3, 4 bestimmte Befehle (z.B. Befehle zum Zuschalten oder Abschalten der Heizelemente 12 zu bzw. von dem Spannungsversorgungsnetz 14) und Sollwerte für die Heizleistung über die Kommunikationsschnittstelle 8 empfängt und an die Steuer- und/oder Regeleinheit 18 übergibt.
  • In entsprechender Weise ist im Fall der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinheit 3 die Steuer- und/oder Regeleinheit 18 derart eingerichtet, dass sie den Schaltzustand des Schaltelementes 17 für den Lüfterantrieb 13 in Abhängigkeit von Steuerbefehlen (z.B. Befehle zum Zuschalten oder Abschalten des Lüfterantriebs 13 zu bzw. von dem Spannungsversorgungsnetz 14) und optional auch von Sollwerten für die Antriebsleistung des Lüfterantriebs 13 steuert und/oder regelt.
  • Die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 sind in der Figur in einer Ausführung als voneinander unabhängig arbeitende Kompaktgeräte mit jeweils einem eigenen Gehäuse gezeigt. Die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 können aber auch einen modularen Aufbau haben und hierdurch wiederum aus mehreren Modulen bestehen, wie z.B. aus einem Kommunikations- und Steuermodul sowie mehreren Leistungsmodulen mit einem prinzipiell ähnlichen Aufbau wie die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4. Das Kommunikations- und Steuermodul dient dabei als Schnittstelle zum Kommunikationssystem 20 und steuert die Leistungsmodule über ein weiteres Kommunikationssystem, bei dem es sich auch um ein proprietäres Kommunikationssystem handeln kann.
  • Die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 empfangen von der übergeordneten Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5 über das Kommunikationssystem 20 Zu- und Abschaltbefehle für ein Zuschalten bzw. Abschalten der Heizelemente 12 bzw. des Lüfters 13 zu bzw. von dem Spannungsversorgungsnetz 14 sowie die Sollwerte für die Heizleistung der Heizelemente 12, optional auch für die Leistung des Lüfterantriebs 13.
  • Die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 weisen weiterhin einen Speicher 25 auf, in dem für die Heizelemente 12 und - falls vorhanden - den Lüfterantrieb 13 charakteristische Parameter gespeichert sind. Die charakteristischen Parameter umfassen eine oder mehrere der folgenden Angaben zu den Heizelementen bzw. den Lüfterantrieben: Typ, Nennleistung, Nennstrom, Nennspannung.
  • Die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 sind hierzu derart ausgebildet ist, dass sie die charakteristischen Parameter bei einer Konfigurierung oder Inbetriebnahme abfragen und in dem Speicher 25 abspeichern.
  • Die Steuer- und/oder Regeleinheit 18 umfasst eine Berechnungseinheit 19, die derart eingerichtet ist, dass sie Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente 12 und - falls vorhanden - des Lüfterantriebs 13 ohne Verwendung von Messwerten von elektrischen Strömen anhand der charakteristischen Parameter und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung der Heizelemente 12 und - falls vorhanden - des Lüfterantriebs 13 ermittelt. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Werte ohne Verwendung von Messwerten irgendwelcher elektrischer Größen, d.h. alleine anhand der charakteristischen Parameter und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen.
  • Die Genauigkeit der ermittelten Werte des Energieverbrauchs und/oder der Leistungsaufnahme kann optional mit relativ geringem Aufwand dadurch verbessert werden, dass die Steuer- und/oder Regeleinheiten 18 mit einer Spannungsmesseinrichtung 26 zur Messung an den Heizelementen 12 - und falls vorhanden an dem Lüfterantrieb 13 - anliegender Spannungen oder zur Messung der Spannung des Spannungsversorgungsnetzes 14 verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass sie mit den Spannungsmesswerten eine Genauigkeit der ermittelten Werte des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahmen verbessert.
  • Die Kommunikationseinheit 9 und die Kommunikationsschnittstelle 8 dienen dann zur Übermittlung des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der ermittelten Leistungsaufnahme an die übergeordnete Steuer- und/ oder Regelungseinrichtung 5 und/oder - falls vorhanden - an das Energiemanagementsystem 7.
  • Die übergeordnete Steuer- und/ oder Regelungseinrichtung 5 und/oder das Energiemanagementsystem 7 oder beide zusammen im Zusammenwirken ist (sind) derart ausgebildet, dass sie die Heizleistungen der Heizelemente 12, vorzugsweise auch die Leistung der Lüfterantriebe 13, anhand der ermittelten Energieverbräuche und/oder der ermittelten Leistungsaufnahmen steuert (steuern) und/oder regelt (regeln), und zwar vorzugsweise auf eines oder mehrere der folgenden Ziele:
    • Begrenzung von Spitzenströmen im Spannungsversorgungsnetz 14 der Anlage 1 auf einen Grenzwert,
    • Begrenzung oder Minimierung der aufgenommenen elektrischen Gesamt-Leistung und/oder des elektrischen Gesamt-Energieverbrauchs im Spannungsversorgungsnetz 14 der Anlage 1,
    • eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente 12, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe 13,
    • Begrenzung von Temperaturen in der Anlage 1, insbesondere in Schalt- oder Steuerschränken.
  • Die übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5, oder falls vorhanden das Energiemanagementsystem 7, ist auch derart ausgebildet, dass sie/es die Leistungsaufnahmen der Heizelemente 12 über eine längere Zeit (z.B. einen Arbeitszyklus oder einen Arbeitstag) ermittelt und durch eine Analyse des zeitlichen Verlaufs Empfehlungen für eine Optimierung der Anlage 1 ausgibt. Beispielsweise kann ein zeitlicher Mittelwert der Leistungsaufnahmen ermittelt, mit einer Nennleistung der Heizelemente vergleicht und bei einer Überschreitung und/oder Unterschreitung der Nennleistung um jeweils einen vorgegebenen Grenzwert ein Signal erzeugt werden.
  • Beim Betrieb der Anlage 1 wird in jeder der Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtungen 2, 3, 4 durch die jeweilige Berechnungseinheit 19 anhand der charakteristischen Parameter der Heizelemente 12, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe 13, sowie anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung der Heizelemente 12, vorzugsweise auch der Leistung der Lüfterantriebe 13, deren Energieverbrauch und/oder Leistungsaufnahme ermittelt und über das Kommunikationssystem 20 an die übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5, falls vorhanden auch an das Energiemanagementsystem 7, übermittelt.
  • Hierzu sind in dem Speicher 25 eine Nennleistung Pn jedes Heizelements 12 bei anliegender Nennspannung (z.B. 230 Vac) sowie ein Typfaktor T(S) hinterlegt, der abhängig ist vom Typ des Heizelements 12 und dem Sollwert für die Heizleistung (in % der Nennleistung Pn). Der Typfaktor berücksichtigt die vom jeweiligen Typ des Heizelements abhängige Nichtlinearität zwischen dem Sollwert und dem tatsächlichen Energieverbrauch oder der tatsächlich aufgenommen elektrischen Leistung. Der Typfaktor (TS) kann beispielsweise in Form einer Schar von Kennlinien für jeweils verschiedene Sollwerte S vorliegen.
  • Die elektrische Leistungsaufnahme pro Heizelement 12 beträgt dann: P = Pn * S / 100 ⁢ % * T S
    Figure imgb0001
  • Mittels der Spannungsmesseinrichtung 26 kann die an den Heizelementen 12, vorzugsweise auch an den Lüfterantrieben 13, anliegende Spannung oder die Spannung der gemeinsamen Spannungsversorgung 14 gemessen und mit den gemessenen Spannungswerten eine Genauigkeit der ermittelten Werte des Energieverbrauchs und/oder der Leistungsaufnahme verbessert.
  • Bei Berücksichtigung einer hierdurch gemessenen elektrischen Spannung U beträgt die elektrische Leistungsaufnahme pro Heizelement 12 dann: P = Pn * S / 100 ⁢ % * T S * U / Un 2
    Figure imgb0002
     wobei Un die Nennspannung des Heizelementes 12 ist.
  • Die Heizleistungen der Heizelemente 12, vorzugsweise auch die Lüfterantriebe 13, werden dann durch die übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5 anhand des empfangenen Energieverbrauchs und/oder Leistungsaufnahme gesteuert und/oder geregelt. Dies kann auch im Zusammenwirken mit dem Energiemanagementsystem 7 erfolgen, welches Zu- oder Abschaltbefehle für die Heizelemente 12, vorzugsweise auch für die Lüfterantriebe 13, oder Grenzwerte für die aufgenommene Leistung oder den Energieverbrauch über das Kommunikationssystem 20 an die übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5 übermittelt. Diese erzeugt dann die Steuerbefehle und Sollwerte für die Heizleistung der Heizelemente 12, vorzugsweise auch für die Leistung der Lüfterantriebe 13, in Abhängigkeit von den von dem Energiemanagementsystem 7 empfangenen Werten.
  • Grundsätzlich kann in der übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5, in dem Energiemanagementsystem 7 oder durch deren Zusammenwirken auf eines oder mehrere der folgenden Ziele gesteuert und/oder geregelt werden:
    • Begrenzung von Spitzenströmen im Spannungsversorgungsnetz 14 der Anlage 1 auf einen Grenzwert,
    • Begrenzung oder Minimierung der aufgenommenen elektrischen Gesamt-Leistung und/oder des elektrischen Gesamt-Energieverbrauchs im Spannungsversorgungsnetz 14 der Anlage 1,
    • eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente 12, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe 13,
    • Begrenzung von Temperaturen in der Anlage 1, insbesondere in Schalt- oder Steuerschränken.
  • Dabei kann in der übergeordnete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 5, in dem Energiemanagementsystem 7 oder durch deren Zusammenwirken der Energieverbrauch und/oder die Leistungsaufnahme der Heizelemente 12, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe, über eine längere Zeit ermittelt, der zeitliche Verlauf analysiert und auf Basis dieser Analyse Empfehlungen für eine Optimierung der Anlage ausgegeben werden.
  • Hierzu kann beispielsweise ein zeitlicher Mittelwert der Leistungsaufnahme ermittelt, mit einer Nennleistung der Heizelemente 12 verglichen und bei einer Überschreitung (Unterschreitung) der Nennleistung um jeweils einen vorgegebenen Grenzwert die Heizelemente 12 durch Heizelemente mit einer höheren (niedrigeren) Nennleistung ersetzt werden. Es kann somit auf einfache Weise eine Unterdimensionierung (Überdimensionierung) von Heizelementen erkannt und ein Austausch durch geeignetere Heizelemente erfolgen. Ein entsprechendes Vorgehen ist natürlich auch in Bezug auf die Lüfterantriebe 13 möglich.
  • Der Energieverbrauch und/oder die Leistungsaufnahme wird somit ohne Messung elektrischer Ströme, vorzugsweise ohne Messung irgendwelcher elektrischer Größen, durch eine Berechnung anhand von charakteristischen Parametern der Heizelemente 12 (vorzugsweise auch der Lüfterantriebe 13) und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung der Heizelemente 12 (vorzugsweise auch der Leistung der Lüfterantriebe 13) ermittelt. Es ist folglich nur eine geringe oder überhaupt keine aufwendige und teure Messeinrichtung notwendig.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage (1) mit zumindest einer Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) für Heizelemente (12), wobei Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente (12) ohne Verwendung von Messwerten für elektrische Ströme anhand von charakteristischen Parametern der Heizelemente (12) und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung einer Heizleistung der Heizelemente (12) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente (12) an eine übergeordnete Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (5) und/oder ein Energiemanagementsystem (7) zur Steuerung und/oder Regelung der Heizelemente (12) übertragen werden und Nichtlinearitäten in Strom-/Spannungskennlinien der Heizelemente (12) durch Kennlinien berücksichtigt werden, die eine Abhängigkeit einer aufgenommenen Leistung von einem jeweiligen Sollwert beschreiben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) auch zur Steuerung und/oder Regelung von elektrischen Lüfterantrieben (13) dient, wobei Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Lüfterantriebe (13) ohne Verwendung von Messwerten für elektrische Ströme anhand von charakteristischen Parameter der Lüfterantriebe (13) und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung der Lüfterantriebe (13) ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Parameter eine oder mehrere der folgenden Angaben zu den Heizelementen (12), vorzugsweise auch zu den Lüfterantrieben (13), umfassen: Typ, Nennleistung, Nennstrom, Nennspannung.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Heizelementen (12) anliegende Spannungen oder eine gemeinsame Versorgungsspannung für die Heizelemente (12) gemessen werden und mit den gemessenen Spannungswerten eine Genauigkeit der ermittelten Werte des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahmeverbessert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistungen der Heizelemente (12), vorzugsweise auch die Leistungen der Lüfterantriebe (13), anhand des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der ermittelten aktuellen Leistungsaufnahme gesteuert und/oder geregelt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistungen der Heizelemente (12), vorzugsweise auch die Leistungen der Lüfterantriebe (13), auf eines oder mehrere der folgenden Ziele gesteuert und/oder geregelt werden:
    - Begrenzung von Spitzenströmen in der Anlage (1) auf einen Grenzwert,
    - Begrenzung oder Minimierung der aufgenommenen elektrischen Gesamt-Leistung und/oder des elektrischen Gesamt-Energieverbrauchs in der Anlage (1),
    - eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente (12, vorzugsweise auch der Lüfterantriebe (13),
    - Begrenzung von Temperaturen in der Anlage (1), insbesondere in Schalt- oder Steuerkästen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieverbrauch und/oder die aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente (12) über eine längere Zeit ermittelt wird und durch eine Analyse des zeitlichen Verlaufs die Anlage optimiert wird.
  8. Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) zur Steuerung und/oder Regelung einer Heizleistung von Heizelementen (12), aufweisend:
    - einen Speicher (25), in dem für die Heizelemente (12), vorzugsweise auch für Lüfterantriebe (13), charakteristische Parameter gespeichert sind,
    - eine Berechnungseinheit (19), die derart eingerichtet ist, dass sie Werte für einen Energieverbrauch und/oder eine aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente (12), vorzugsweise auch der Lüfterantriebe (13), ohne Verwendung von Messwerten von elektrischen Strömen anhand der charakteristischen Parameter und anhand von Werten von Steuer- und/oder Regelungsgrößen für die Steuerung und/oder Regelung einer Heizleistung der Heizelemente (12), vorzugsweise auch einer Leistung der Lüfterantriebe (13), ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit ferner derart eingerichtet ist, dass Nichtlinearitäten in Strom-/Spannungskennlinien der Heizelemente durch Kennlinien berücksichtigt werden, die eine Abhängigkeit der aufgenommenen Leistung von einem jeweiligen Sollwert beschreiben, und dass die Heizungssteuerungs- und/ oder -regelungseinrchtung (2, 3, 4)
    - eine Kommunikationsschnittstelle (8) zur Übermittlung des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme zur Steuerung und/oder Regelung der Heizelemente (12) an eine übergeordnete Einrichtung (5, 7) aufweist.
  9. Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Parameter eine oder mehrere der folgenden Angaben zu den Heizelementen (12), vorzugsweise auch zu den Lüfterantrieben (13), umfassen: Typ, Nennleistung, Nennstrom, Nennspannung.
  10. Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass sie die charakteristischen Parameter bei einer Konfigurierung oder Inbetriebnahme abfragt und in dem Speicher (25) abspeichert.
  11. Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Spannungsmesseinrichtung (26) zur Messung an den Heizelementen (12) anliegender Spannungen oder einer gemeinsamen Versorgungsspannung der Heizelemente (12), vorzugsweise auch zur Messung an den Lüfterantrieben (13) anliegender Spannungen oder einer gemeinsamen Versorgungsspannung der Lüfterantriebe (13), verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass sie mit den Spannungsmesswerten eine Genauigkeit der ermittelten Werte des Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme verbessert.
  12. Anlage (1) mit zumindest einer Heizungssteuerungs- und/ oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, mit einem oder mehreren an die Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) angeschlossenen Heizelementen (12), vorzugsweise auch mit einem oder mehreren daran angeschlossenen Lüfterantrieben (13), und mit einer übergeordneten Einrichtung (5, 7), insbesondere einer übergeordneten Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (5) für die zumindest eine Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) oder einem Energiemanagementsystem (7) der Anlage (1), wobei die zumindest eine Heizungssteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung (2, 3, 4) zur Übermittlung des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der aktuellen Leistungsaufnahme über ihre Kommunikationsschnittstelle (8) mit der übergeordneten Einrichtung verbunden ist.
  13. Anlage (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Einrichtung (5, 7) derart ausgebildet ist, dass sie Heizleistungen der Heizelemente (12), vorzugsweise auch Leistungen der Lüfterantriebe (13), anhand des ermittelten Energieverbrauchs und/oder der ermittelten aktuellen Leistungsaufnahme steuert und/oder regelt.
  14. Anlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Einrichtung (5, 7) derart ausgebildet ist, dass sie die Heizleistungen der Heizelemente (12), vorzugsweise auch die Leistungen der Lüfterantriebe (13), auf eines oder mehrere der folgenden Ziele steuert und/oder regelt:
    - Begrenzung von Spitzenströmen in der Anlage (1) auf einen Grenzwert,
    - Begrenzung oder Minimierung der aufgenommenen elektrischen Gesamt-Leistung und/oder des elektrischen Gesamt-Energieverbrauchs in der Anlage (1),
    - eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente (12), vorzugsweise auch der Lüfterantriebe (13),
    - Begrenzung von Temperaturen in der Anlage (1), insbesondere in Schalt- oder Steuerschränken.
  15. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Einrichtung (5, 7) derart ausgebildet ist, dass sie den Energieverbrauch und/oder die aktuelle Leistungsaufnahme der Heizelemente (12), vorzugsweise auch der Lüfterantriebe (13), über eine längere Zeit ermittelt, den zeitlichen Verlauf analysiert und auf Basis dieser Analyse Empfehlungen für eine Optimierung der Anlage (1) ausgibt.
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