EP3569290B1 - Steuerungs- und regelungssystem einer sauerstoffreduzierungsanlage - Google Patents

Steuerungs- und regelungssystem einer sauerstoffreduzierungsanlage Download PDF

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EP3569290B1
EP3569290B1 EP18020204.6A EP18020204A EP3569290B1 EP 3569290 B1 EP3569290 B1 EP 3569290B1 EP 18020204 A EP18020204 A EP 18020204A EP 3569290 B1 EP3569290 B1 EP 3569290B1
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EP
European Patent Office
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controller
control
inert gas
regulating
oxygen concentration
Prior art date
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Active
Application number
EP18020204.6A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP3569290A1 (de
Inventor
Lewonig Horst
Andreas Henkel
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Wagner Group GmbH
Original Assignee
Wagner Group GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by Wagner Group GmbH filed Critical Wagner Group GmbH
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Priority to PCT/EP2019/061910 priority patent/WO2019219494A1/de
Priority to CA3099363A priority patent/CA3099363A1/en
Priority to AU2019270136A priority patent/AU2019270136A1/en
Priority to US17/055,091 priority patent/US11745037B2/en
Priority to MX2020012085A priority patent/MX2020012085A/es
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • A62C99/0009—Methods of extinguishing or preventing the spread of fire by cooling down or suffocating the flames
    • A62C99/0018—Methods of extinguishing or preventing the spread of fire by cooling down or suffocating the flames using gases or vapours that do not support combustion, e.g. steam, carbon dioxide
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places

Definitions

  • the invention relates to a control and regulation system of an oxygen reduction system.
  • the invention further relates to an oxygen reduction system with such a control and regulation system and a method for controlling and/or regulation of an oxygen reduction system.
  • Oxygen reduction systems are often used in practice to prevent and avoid fires. These systems make it possible to reduce the oxygen content within a protected area to a level that is below the flammable limit of the materials.
  • the oxygen concentration is reduced by supplying inert gases or inert gas-enriched air, in particular nitrogen or nitrogen-enriched air, into the protected area. This adjusts the ratio between inert gas or air enriched with inert gas and oxygen so that the oxygen content of the air contained in the protected area is reduced. Sufficient oxygen remains available so that people can stay in the protected area.
  • the core component of an oxygen reduction system is an inert gas source, for example an inert gas generator.
  • an inert gas generator is described below in this application as a nitrogen generator, which usually breaks down compressed ambient air into a nitrogen-enriched air stream and an oxygen-enriched air stream.
  • the nitrogen-enriched air stream can, for example, have a nitrogen content between 90.0 and 99.9% and is used to reduce the oxygen content in the protected area.
  • the functionality of such nitrogen generators can be based on the principle of membrane gas separation or pressure swing adsorption (e.g. PSA "Pressure Swing Adsorption” or VPSA "Vacuum Pressure Swing Adsorption").
  • At least one oxygen concentration sensor is required to control an oxygen reduction system, which measures the oxygen content in the protected area determined.
  • at least one actuator for example a valve or a relay for switching on/off a compressor assigned to the nitrogen generator controlled introduction of the nitrogen produced or the nitrogen-enriched air into the protected area.
  • Additional optional components of an oxygen reduction system are, for example, visual or acoustic alarm devices which, in the event of an alarm, for example if the oxygen concentration in the protected area falls below a threshold value, warn people who may be present.
  • a control center is usually provided, which is connected to the nitrogen generators and regulates the production of nitrogen according to requirements.
  • the control center is connected to the oxygen concentration sensors in order to process the values determined by them and to pass on corresponding nitrogen quantity requirements to the nitrogen producers.
  • the control center can regulate several protection areas separately, with one or more nitrogen generators assigned to each protection area and one or more oxygen concentration sensors located in each protection area.
  • the control center is coupled with several actuators to control the distribution of the nitrogen produced into the shelters.
  • Such a control and regulation system for an oxygen reduction system is out US2018/001124 known.
  • the object of the invention is therefore to provide a control and regulation system for an oxygen reduction system that offers reduced manufacturing, installation and maintenance costs, ensures greater reliability and improved energy management and is flexibly adaptable and expandable. Furthermore, it is the object of the invention to provide an oxygen reduction system with such a control and regulation system and to show an operating method for this.
  • the invention is based on the idea of specifying a control and regulation system of an oxygen reduction system for lowering and maintaining an oxygen concentration level in at least one enclosed protected area, which has at least one inert gas generator, at least one oxygen concentration sensor and at least one actuator for releasing inert gas.
  • the control and regulation system has several control modules that are signal-connected to one another.
  • the controller modules are preferably each configured or configurable in such a way that one or more control functions can be carried out.
  • the control functions are decentrally distributed across at least two signal-connected control modules.
  • the invention is based on the basic idea of using standardized controller modules, whereby different functions can be assigned to the controller modules.
  • modularity is provided which makes it possible to adapt the control and regulation system easily and quickly to different requirements, in particular to different sizes or multiple protection areas, but also to oxygen reduction systems of different complexity.
  • the structure and functionality of a controller module that specializes in certain functions is simplified compared to the structure and functionality of a comprehensive control center. This means that subsequent system expansions, modifications or reductions can be implemented with little effort.
  • the controller modules can be produced and programmed more easily as standard assemblies, and they also require less space at their respective locations.
  • the regulator modules can be more easily maintained and replaced without affecting the overall function of the oxygen reduction system.
  • the power supply and signal lines can be grouped together in strands, which simplifies line monitoring, for example.
  • the decentralized distribution of control and regulation functions also increases reliability, since, for example, a malfunction in a controller module has less impact on the overall function of the oxygen reduction system.
  • the individual controller modules can be designed to be largely identical in terms of hardware.
  • identical controllers can be present in each of the controller modules.
  • the controller modules can differ at least partially based on their interfaces, for example in order to be able to optimally connect them in terms of signaling to different types of actuators such as valves and alarm devices or to oxygen concentration sensors in the protected area.
  • These different interfaces can be provided in addition to an identical basic set of interfaces common to all controller modules.
  • the controller modules can each take on different control functions, the controller modules can be combined with one another in a modular manner. The modularity results from the fact that different combinations of controller modules can be put together in order to distribute different functions for operating the oxygen reduction system individually among these combinations.
  • the control functions that can be carried out on the controller modules can be different.
  • the monitoring of the oxygen concentration in a protected area, the generation of a corresponding amount of inert gas and the release of the generated amount of inert gas into the protected area to regulate the oxygen concentration there are core functions that can in any case be provided in the control and regulation system and distributed across various controller modules .
  • the decentralized distribution of control functions enables redundancy and expandability that cannot easily be achieved in previous centrally controlled systems.
  • controller modules can perform not only control functions, i.e. functions with a manipulated variable that is influenced or can be influenced by signal feedback, but also control functions.
  • controller module and “control function” in the context of the present application are to be understood as short forms for the terms “control and regulator module” and “control and regulation function”.
  • the controller modules can be combined with one another in a modular manner.
  • the controller modules can each be replaced by suitable ones
  • User input can be configured or configurable differently via an input interface.
  • All conceivable human-machine interfaces can be used as input interfaces, for example a touch control panel integrated into the controller module, a USB interface for importing a configuration file from a support PC or, for example, DIP or rotary switches.
  • a touch control panel integrated into the controller module for example a touch control panel integrated into the controller module, a USB interface for importing a configuration file from a support PC or, for example, DIP or rotary switches.
  • several largely similar controller modules can be signal-connected to one another in any way. Through appropriate configuration, the required or desired control function can be assigned to the individual controller modules.
  • control functions include, for example, the distribution of the produced inert gas into several protected areas, the purely precautionary monitoring of the oxygen concentration in neighboring, technical, machine and operating rooms without regulating the oxygen concentration by introducing inert gas, the monitoring of environmental conditions, e.g. weather parameters outside the protective areas. and monitoring areas, alarming in the event of dangerous environmental conditions in protected or monitoring areas, controlling the display and/or reporting faults in the oxygen reduction system.
  • the individual control functions can be distributed decentrally across different controller modules. In particular, individual controller modules can carry out several of the control functions mentioned, for example to create redundancy. This ensures a particularly high level of operational safety.
  • the controller module can generally be a process controller for controlling or regulating the generation of inert gas, an area controller for monitoring an oxygen concentration level in an enclosed monitoring area and/or for controlling or regulating an oxygen concentration level in at least one enclosed protected area and/or a master controller for coordinating communication between controller modules and/or others Components of the oxygen reduction system and/or for coordinating communication to external locations of the oxygen reduction system may be provided.
  • the assignment of the controller module as an area controller, process controller or master controller is preferably carried out through customer-specific configuration.
  • the area controller, the process controller and the master controller can have essentially the same structure, with the controller module being assigned control functions via user input, so that the controller module functions as an area controller, a process controller or a master controller. This assignment of control functions can be carried out during commissioning or during ongoing operation of the oxygen control system.
  • two controller modules can be provided in a control and regulation system, with a controller module that is arranged in a protected area being assigned the function of an area controller.
  • a process controller function can be assigned to another controller module that is arranged on the inert gas generator. This assignment can be done after the controller modules have been installed, so that during installation there is no need to pay attention to which controller module is to be mounted at a specific location. This simplifies the installation process and reduces costs.
  • the controller modules can be replaced quickly and easily, reducing storage costs.
  • this architecture also enables simple and efficient expandability of the control and regulation system. For example, a further protection area can be added later, for which only an additional controller module needs to be installed, which then takes on the function of an additional area controller.
  • another nitrogen generator can also be added, which is provided with another controller module, which then takes on the function of another process controller.
  • additional controller modules can be added, e.g. to supplement an existing controller module in the sense of n+1 redundancy and thereby further increase the system's reliability.
  • Each additional controller module can be configured accordingly using user input. No (re)programming is required; Rather, all controller modules include the same basic programming, so that the assignment of control functions can be done quickly and easily during installation.
  • the invention preferably provides that the individual controller modules are signal-connected to one another in such a way that data is exchanged.
  • the individual controller modules can coordinate with each other, for example to control the generation of inert gas using different area controllers depending on requirements.
  • each protection area being assigned at least one area controller for controlling or regulating an oxygen concentration level in the protection area.
  • at least one area controller for monitoring an oxygen concentration level in the monitoring area can be assigned to each monitoring area.
  • a protected area is generally understood to be a spatially delimited or enclosed area in which the oxygen concentration is reduced to prevent fire and regulated within a predetermined value range.
  • a monitoring area is a spatially delimited or enclosed area in which the oxygen concentration is monitored, although no regulation of the inert gas introduction is provided. The monitoring only serves to detect leaks in the pipe system, for example, and generate corresponding alarms.
  • An operating room in which the inert gas generator is arranged, but also an adjacent room or hallway that does not contain any components of the oxygen reduction system, can be defined as a monitoring area, for example. The oxygen concentration in these rooms should not be lowered.
  • control function of evaluating the oxygen concentration signal can be used both to regulate the oxygen concentration in a protected area and for monitoring in a monitoring area.
  • the oxygen concentration signal is simply compared with previously set limits and a fault or alarm signal is issued if the limits are exceeded or fallen below.
  • a comparison is also made between a predetermined setpoint and the actual value of the oxygen concentration, but at the same time the actuator for releasing inert gas is regulated so that the setpoint is maintained as consistently as possible. For example, a valve is opened or closed or a compressor of the inert gas generator is switched on or off in order to start or stop the release of inert gas.
  • a combination controller can also be provided as a controller module, which includes control functions of at least two controller modules.
  • Each of the at least two controller modules can be configured or configurable as a master controller, process controller and/or area controller.
  • the combination controller preferably takes over or includes control functions of two differently configured controller modules, for example a master controller and a process controller.
  • This version of a combination controller can be advantageous, for example, for small systems with a protection area and/or an inert gas generator, where the reduced System complexity allows a partial combination of decentralized control functions.
  • inert gas generators are assigned to a protected area. Such an assignment is particularly useful if the protection area is particularly large. Particularly in large halls that form a single protective area, it may be advisable to assign several inert gas generators in order to be able to constantly provide a sufficient amount of inert gas.
  • inert gas containers in which inert gas, in particular nitrogen, is stored.
  • these inert gas containers can also be assigned to another fire protection system, for example an inert gas extinguishing system.
  • an inert gas extinguishing system serves to reduce the oxygen concentration in the protected area particularly quickly and to a greater extent in order to extinguish a fire that has already started.
  • the oxygen reduction system serves a slight long-term reduction in the oxygen concentration in the protected area in order to prevent a fire from starting.
  • the inert gas containers are preferably refillable, in particular using inert gas provided from the inert gas generator.
  • the inert gas containers are fluidly connected or connectable to at least one inert gas generator via a line system of the oxygen reduction system.
  • control and regulation system has a controller module that is configured as a filling controller.
  • the filling controller is preferably signal-connected to actuators, in particular controllable valves, of the line system of the oxygen reduction system in order to direct inert gas from at least one inert gas generator into the at least one inert gas container in a controlled manner.
  • the inert gas container can be formed by a compressed gas bottle filled or fillable with nitrogen.
  • several compressed gas bottles can be combined to form a bottle battery.
  • the bottle battery is preferably connected to the line system of the oxygen reduction system and has one or more control valves which are signal-connected to at least one controller module, in particular the filling controller.
  • At least one temperature sensor and/or at least one pressure sensor can be assigned to the at least one inert gas container and/or the bottle battery.
  • the temperature sensor and/or the pressure sensor is preferably signal-connected to a controller module, in particular the filling controller, in order to monitor (re)filling of the inert gas container or the bottle battery with inert gas and preferably to control or regulate a pressure and temperature-compensated filling.
  • the filling controller can be provided by appropriately configuring a standardized controller module.
  • supplementing an oxygen reduction system with one or more additional inert gas containers or adding an oxygen reduction system with a filling controller as a supplement to an inert gas extinguishing system is an option that can be offered customer-specifically. Because of the modularity of the controller modules, this option can be easily implemented when installing the oxygen reduction system on site at the customer's site.
  • the control and regulation system can be configured through simple user input so that the control functions of a filling controller can be assigned to one of the controller modules.
  • a master controller that may be provided serves to coordinate the controller modules assigned to the protection areas and/or the monitoring areas, in particular the area controllers and/or process controllers and/or combination controllers.
  • the master controller is preferably connected to the area controllers and the process controllers via a ring bus system, with the master controller bringing about communicative coordination between the other controller modules.
  • This allows the master controller to assign priorities for controlling the individual inert gas generators.
  • the master controller can, for example, receive a request for inert gas from an area controller that has detected an increase in the oxygen concentration in a protected area. Based on the utilization of the individual inert gas generators, the master controller can then control the process controller that is assigned to the inert gas generator with the shortest operating time. In this way it is possible to optimize the utilization of the inert gas generator.
  • the process controller can be signal-connected to the inert gas generator in order to regulate inert gas generation.
  • the range controller can be signal-connected to the oxygen concentration sensor in order to regulate an oxygen concentration in a protected area.
  • the master controller can be signal-connected to the process controller and the area controller to provide and/or monitor higher-level controller communication.
  • the control functions mentioned are distributed across the process controller, the area controller and the master controller. However, this distribution can vary dynamically in the operation of the control and regulation system.
  • the area controller can become a process controller and/or the process controller can at least partially function as the master controller take over. This is made possible by the decentralized structure and the modular assignment of individual control functions.
  • the master controller or the controller module designed as a master controller can be configured or configurable to receive fault and/or alarm messages from the area controllers and/or the process controllers and/or the combination controllers and collected to a user interface or human-machine interface, for example to a control unit or control panel, and/or an external fault and/or alarm signaling component. In this way, central monitoring of fault and alarm messages is possible, for example by control centers or security companies.
  • the individual controller modules are preferably arranged spatially separated from one another. This serves to ensure reliability, as physical impact on individual controller modules can only lead to spatially limited failures. These failures can be compensated for, for example, by taking over control functions through other controller modules.
  • the spatial distribution of the controller modules allows for better accessibility and shorter cable routes between the controller modules and the components of the oxygen reduction system.
  • a further increase in operational reliability is achieved because the controller modules can be dynamically configured during operation.
  • a first controller module can take over one or more control functions of a second controller module.
  • the second controller module can also take over one or more control functions of the first controller module.
  • the control function can be taken over automatically and optionally as part of standby redundancy, cold redundancy or hot redundancy, so that maximum operational reliability is permanently guaranteed. It is not absolutely necessary that the two controller modules, which exchange the control information with one another or take it over from one another, are originally designed as redundant controller modules.
  • a controller module which initially carries out one or more other control functions, can also take over an additional control function of a further controller module in order to at least partially compensate for its failure.
  • An important prerequisite for the dynamic configuration and the assumption of control functions of other controller modules is a signaling connection, possibly also an energy-supplying connection, of the controller module taking over to the sensors and Actuators of the output controller module.
  • This connection can exist, for example, via the connection paths of the emitting controller module and between the receiving and emitting controller module, or can be designed as an additional redundant connection from the receiving controller module to the sensors and actuators of the emitting controller module.
  • a first controller module can initially carry out the control function of evaluating an oxygen concentration signal.
  • a second controller module can act as a process controller to control or regulate the inert gas generator.
  • the first and second controller modules thus act mutually as standby redundancy. If the first controller module fails, the second controller module can take over the failed function, in this case evaluating an oxygen concentration signal from the oxygen concentration sensor, in order to continue to ensure the operational reliability of the entire control and regulation system. It is also conceivable that if the first controller module fails, the second controller module does not take on any additional function in the actual sense, but rather extends its functions to the protection area of the first controller module, i.e. includes a further protection area in the control. Likewise, for example, a process controller can extend its process control function to another inert gas generator.
  • the dynamic configurability of the individual controller modules means that a particularly high level of operational reliability is achieved with little installation effort.
  • the dynamic configuration of the controller modules during operation can not only be initiated by the failure of a controller module, but can also contribute to a more even utilization of the controller modules, for example. For example, by putting a controller module with currently low utilization into a sleep mode with low energy consumption and another controller module taking over control functions of the controller module that is in the idle state, energy resources can be saved.
  • operational reliability can also be ensured by two controller modules having an identical range of functions and being signal-connected to one another in such a way that an inherently redundant controller group is formed.
  • the controller modules can be configured dynamically during operation and so each controller module can take over a control function of another controller module that was not initially assigned to the first controller module, additional operational reliability can still be guaranteed by means of redundant controller groups.
  • two controller modules can be designed identically or have identical functional scope.
  • two can Controller modules can be signal-connected to each other, each of which was initially assigned the same control functions.
  • two controller modules can be interconnected to form a redundant controller group, each of which is designed as an area controller and carries out the control functions of controlling the actuator to release inert gas by one or the other controller module controlling the actuator. If one of the two area controllers fails, the actuator to release inert gas is then activated by the other area controller of the redundant controller group.
  • a controller module of the redundant controller group can be placed in sleep mode until it receives a signal to take over control functions of the other controller module.
  • the controller modules in particular the controller modules of a controller group, are each designed and signal-connected to one another in such a way that a controller module automatically takes over its control function in the event of failure and/or overload of another controller module. Taking over a control function in the event of a controller module failure serves to ensure the operational reliability of the control and regulation system of the oxygen reduction system.
  • the control and regulation system can also be adapted so that the controller modules automatically take over their control functions when other controller modules are overloaded. In this way, the utilization of the individual controller modules can be optimized. Overall, a particularly high level of efficiency can be achieved with a relatively small number of controller modules. Among other things, this improves the energy efficiency of the entire oxygen reduction system.
  • the controller modules are signal-connected to one another via a bus system.
  • the bus system is preferably designed as a ring bus system, so that redundancy of the communication paths is possible.
  • the ring bus system achieves a particularly high level of reliability because communication via redundant paths is possible.
  • the communication failure between two controller modules can be compensated for by establishing communication via the other controller modules.
  • Another advantage that is achieved with the bus system, especially the ring bus system, is mutual monitoring of the individual controller modules.
  • the standardized communication interface between the individual controller modules makes it possible Controller modules carry out mutual status monitoring. In this way, the failure or malfunction of the controller module can be quickly identified. As a result, another controller module can take over the function of the failed or malfunctioning controller module.
  • the individual controller modules can be monitored, for example, in such a way that status signals are sent out by the individual controller modules at predetermined time intervals. In this respect, the individual controller modules can send “signs of life”.
  • the bus system can be implemented, for example, via an Ethernet connection with standard protocols such as TCP/IP, Modbus/TCP, UDP, EtherCAT or Powerlink.
  • standard protocols such as TCP/IP, Modbus/TCP, UDP, EtherCAT or Powerlink.
  • individual or all controller modules are coupled to the at least one oxygen concentration sensor and/or to the at least actuator for releasing inert gas and/or to the at least one inert gas generator by means of a further bus system.
  • individual or all sensors, actuators and/or inert gas generators can be coupled to one or more controller modules via another bus system that is specifically suitable for the field level.
  • the at least one oxygen concentration sensor, but also gas, temperature and/or pressure sensors as well as door opening contacts can be integrated into the further bus system.
  • the further bus system is a fieldbus system, preferably with an annular and/or stitch-shaped and/or star-shaped topography.
  • the additional bus system can use a CAN bus or RS485 with CANopen, Profibus or RTU-Modbus protocol.
  • the controller modules can also be signal-connected or signal-connectable to a data storage and evaluation unit, so that long-term storage and evaluation of system data, in particular control parameters, sensor data, environmental data, energy consumption data and/or status, fault and alarm messages, can be carried out. In this way, a long-term evaluation can be carried out, for example for predictive maintenance or the determination of relevant maintenance intervals. For example, statistical methods can be used to evaluate the stored control parameters accordingly.
  • the stored control parameters can also be compared with each other at different times, for example to be alerted to changes in the inert gas generators at an early stage.
  • it is also possible to use the stored data for drift compensation so that the control and regulation system adapts gradually Environmental changes, for example degree of contamination and/or different degrees of purity of the supplied operating materials, can be adjusted.
  • controller modules can be remotely maintained and/or configured remotely, in particular via an Internet connection.
  • control and regulation system can be equipped with a communication component for external communication, for example for remote diagnosis or remote configuration.
  • remote maintenance via an internet connection results in reduced maintenance costs.
  • controller modules it can preferably be provided that they each have a peripheral detection function, so that the type and functioning of oxygen concentration sensors and/or actuators and/or other sensors that are connected to the respective controller module can be recognized automatically.
  • the controller modules enable a plug-and-play connection of external sensors or actuators.
  • the controller modules can in particular be designed to be self-configuring, so that control functions are automatically activated and/or deactivated based on the respective type and functionality of the connected oxygen concentration sensors and/or actuators and/or further sensors. For example, volume flow measurements or pressure measurements and/or the number or type of connected valves can be used to determine which type of inert gas generator is connected to the controller module. Accordingly, preconfigured settings for this type of inert gas generator can be called up. Alternatively or additionally, self-configuration is carried out using interface recognition. The controller module does not directly recognize the connected sensor or actuator, but rather its input/output interface. Since the sensors and actuators each use special types and/or a certain number of interfaces for input and output data, they can be reliably identified. Self-configuration greatly simplifies the installation of the control and regulation system. In addition, the control and regulation system is easy to maintain because replaced components are automatically recognized.
  • the at least one controller module in particular the process controller and/or the master controller, is configured in such a way that the inert gas is distributed according to predetermined criteria.
  • the at least one regulator module can in particular be configured in such a way that inert gas generation in each of the inert gas generators is regulated in such a way that the inert gas generators have essentially the same operating time.
  • the inert gas generator is preferably equipped with the smallest operating time. Aligning the operating times increases reliability and ensures good utilization of the control and regulation system.
  • the inert gas generators can be serviced at the same time or their components that degrade depending on the load, such as membranes or carbon molecular sieves, can be replaced at the same time, which reduces the maintenance effort of the oxygen reduction system.
  • a secondary aspect of the invention relates to an oxygen reduction system, in particular a fire protection system, with a previously described control and regulation system.
  • Different control functions are assigned to the individual controller modules during operation, whereby if a controller module fails, its control function is automatically taken over by another controller module.
  • a volume flow sensor can be provided downstream of the membrane 36.
  • a volume flow sensor can be provided downstream of the buffer container 35.
  • the nitrogen-enriched air generated by the inert gas generators 30a, 30b is introduced into the shelters 10 via area valves 41 in order to reduce the oxygen content of the air in the shelters 10.
  • oxygen concentration sensors 40 the oxygen content in the shelters 10 and, for example, also in monitoring rooms 11, for example in an adjacent hallway, or in the machine room 12, in which the inert gas generators 30a, 30b are located, is monitored.
  • alarm means 42 are activated in the affected area and possibly also in other areas in order to warn people who may be present.
  • Temperature, humidity and gas sensors in the protection areas 10, monitoring areas 11 and machine rooms 12 as well as on the inert gas generators 30a, 30b are conceivable.
  • Other types of actuators such as actuators can also be part of the oxygen reduction system. Control and regulation functions of the oxygen reduction system can be monitored and influenced via a control panel 43 as a human-machine interface.
  • the Figures 1a to 6 show different control and regulation systems to enable the operation of the oxygen reduction system. They show Figures 1a , 2a , 3a , 4a and 5a the control and regulation systems in connection with the other components of the oxygen reduction system.
  • the Figures 1b , 2 B , 3b , 4b and 5b However, only show the signaling connections of the control and regulation systems with sensors and actuators. They are intended to provide a better overview of the architecture of the respective control and regulation system.
  • FIGS. 1a and 1b show a control and regulation system of an oxygen reduction system according to the state of the art. So far, such systems for oxygen reduction systems have been implemented with a control center 20, which is connected in a star shape to the individual sensors 31a, 31b, 40, actuators 32, 33, 41 and alarm means 42 by means of field branch lines 50. How to do that Figures 1a and 1b As can be clearly seen, the individual connections between the control center 20 and the sensors 31a, 31b, 40, actuators 32, 33, 41 and alarm means 42 lead to a complex line architecture with, among other things, a large number of individual lines, long line lengths and the resulting increased susceptibility to failure.
  • the control center 20 itself must be designed with high computing power and numerous interfaces in order to be able to reliably carry out all control and regulation functions. Subsequent expansions and reconfigurations, as well as troubleshooting fault reports, prove to be time-consuming and time-consuming.
  • All exemplary embodiments of the invention include at least two controller modules 21, 22, 23, 24, 25, to which one or more control functions of the control and regulation system are decentrally distributed.
  • the controller modules 21, 22, 23, 24, 25 are preferably constructed in a standardized manner, i.e. have essentially identical hardware components.
  • the controller modules 21, 22, 23, 24, 25 each include similar or equivalent controllers and at least partially similar or equivalent communication interfaces.
  • the controller modules 21, 22, 23, 24, 25 are signal-connected to one another and preferably configured differently. In particular, different control functions can be divided among the individual controller modules 21, 22, 23, 24, 25.
  • the exemplary embodiment according to Figures 2a , 2 B shows, for example, a control and regulation system with two controller modules 22, 24.
  • a combination controller 24 is provided, which combines the control functions of an area controller and a master controller and thus, on the one hand, monitors the oxygen concentration levels in the protected areas 10 and, on the other hand, coordinates the communication between them Controller modules 22, 24 and the other components of the oxygen reduction system.
  • the further controller module is a controller module configured as a process controller 22 for controlling or regulating the inert gas generation by means of the two inert gas generators 30a, 30b.
  • the combination controller 24 and the process controller 22 are spatially separated from one another.
  • the process controller 22 is located in the machine room 12, in which the two inert gas generators 30a, 30b are also arranged.
  • the combination controller 24, on the other hand, is located in a separate technical room 13. The spatial separation of the two controller modules 22, 24 increases reliability, shortens line lengths and improves the accessibility of the controller modules 22, 24.
  • the combination controller 24 is connected to oxygen concentration sensors 40 and alarm means 42 in the protection areas 10 and the monitoring area 11. With the help of the oxygen concentration sensors 40, the combination controller 24 determines the oxygen concentration in the atmosphere of the protection areas 10 and the monitoring area 11. With a view to regulating the oxygen concentration in the protection areas 10, the combination controller 24 transmits a nitrogen requirement to the process controller 22, which controls the inert gas production based on the transmitted nitrogen requirement adapts and coordinates the introduction of the nitrogen-enriched air, for example via the control of the area valves 41. Alternatively, the area valves could be activated by a area controller as soon as it detects a nitrogen requirement.
  • the process controller 22 is in turn signal-connected to pressure and oxygen concentration sensors 31a, 31b as well as actuators such as the compressors 33 and valves 32 of the inert gas generators 30a, 30b in order to control and regulate the inert gas production.
  • the process controller 22 is not limited to the function of generating inert gas; In the present exemplary embodiment, it also assumes an area control function for the engine room 12 by monitoring the oxygen concentration of the engine room 12 with an oxygen concentration sensor 40 and, if necessary, if the oxygen falls below an oxygen threshold value, which can indicate a leak in the inert gas generators 30a, 30b, alarm means 42 in the Engine room 12 is controlled.
  • connection paths between the controller modules 22, 24 and the associated sensors 31a, 31b, 40, actuators 32, 33, 41 and alarm means 42 are designed as field ring lines 51.
  • the annular design means that cable routes can be saved and reliability is also increased thanks to redundant connection routes.
  • Communication via the field ring lines 51 can take place, for example, via a CAN bus or RS485 with CANopen, Profibus or RTU-Modbus protocol.
  • the combination controller 24 and the process controller 22 also communicate via an additional controller ring line 52, which is designed, for example, as an Ethernet connection.
  • the combination controller 24 is also connected to the control panel 43, via which a user can monitor and influence the control and regulation functions.
  • the Figures 3a , 3b show a further exemplary embodiment of the invention, with a total of four controller modules 21, 25 being provided.
  • Two controller modules each form a master controller 21. These are signal-connected to one another, in particular via a controller ring line 52.
  • the controller ring line 52 there are also two combination controllers 25, which in this exemplary embodiment combine the functions of an area controller and a process controller.
  • the master controller 21 and the combination controller 25 are designed as redundant controller modules 21, 25, each of which forms a controller group and offers increased reliability due to the redundant design.
  • the combination controllers 25 are connected via field ring lines 51 to the sensors 31a, 31b, 40, actuators 32, 33, 41 and alarm means 42 of the inert gas generators 30a, 30b, the protection areas 10, the monitoring area 11 and the machine room 12. They thus coordinate the inert gas generation by means of the inert gas generators 30a, 30b as well as the monitoring and regulation of the oxygen concentration in the individual areas 10, 11, 12.
  • the master controllers 21 in the technical room 13, on the other hand, are responsible for coordinating the communication of the controller modules 21, 25 and for the display of fault and alarm messages or the receipt of user input using the control panel 43.
  • the exemplary embodiment according to Figures 3a , 3b is characterized overall by a high level of redundancy and thus operational reliability.
  • controller module 21, 25 that is not only constructed the same but also configured the same can fully take over the functions of the other controller module 21, 25.
  • each controller module 21, 25 can directly access the sensors 31a, 31b, 40, actuators 32, 33, 41 and alarm means 42 of the other controller module 21, 25 without any detours .
  • the Figures 4a , 4b show a similar architecture of a control and regulation system according to a further preferred embodiment.
  • the control and regulation system points according to Fig. 4
  • the master controllers 21 are responsible for coordinating the communication of the controller modules 21, 22, 23 as well as for displaying fault and alarm messages or receiving user input using the control panel 43.
  • no combination controller is provided in the control and regulation system.
  • the area controllers 23 are used to monitor the oxygen concentration in the protection areas 10 and in the monitoring area 11.
  • the area controllers 23 are signal-connected to oxygen concentration sensors 40 in the areas 10, 11 and can also have alarm means 42 located in these areas 10, 11 in the event of a malfunction or alarm such as a harmful oxygen concentration.
  • the process controllers 22 are used to control and regulate the inert gas generation by means of the inert gas generators 30a, 30b and are signal-connected to the pressure and oxygen concentration sensors 31a, 31b as well as to the valves 32, the compressors 33 and the area valves 41. In addition, in the exemplary embodiment shown, they fulfill an additional area controller function with regard to the machine room 12.
  • the area controllers 23 and the process controllers 22 do not communicate directly with one another, but are connected to the master controller 21 via two controller ring lines 52.
  • the master controllers 21 take over the coordination of the communication, for example processing a nitrogen requirement determined by the area controllers 23 and forwarding it to the process controllers 22.
  • the exemplary embodiment according to Figures 4a and 4b is not only characterized by even greater redundancy and reliability compared to the exemplary embodiment Figures 3a , 3b but also shows a particular suitability for very large or complex oxygen reduction systems with high control and regulation requirements at the levels of inert gas generation, area monitoring and higher-level communication.
  • the exemplary embodiment according to Figures 5a , 5b differs from the exemplary embodiment according to Figures 4a , 4b by connecting the sensors 40 and actuators 42 or the inert gas generators 30a, 30b to the area controllers 23 or process controllers 22.
  • field branch lines 50 are provided instead of field ring lines. This saves the double connection of sensors and actuators and is therefore comparative cost-effective.
  • the area valves 41 are controlled by the area controllers 23.
  • Fig. 6 shows an extension of the exemplary embodiment according to Figures 5a , 5b .
  • the control and regulation system is analogous to the exemplary embodiment according to Figures 5a , 5b educated.
  • a total of two redundantly designed master controllers 21, two redundantly designed area controllers 23 and two redundantly designed process controllers 22 are provided.
  • the area controllers 23 and process controllers 22 are signal-coupled to the master controllers 21 via controller ring lines 52.
  • Fig. 6 further communication interfaces that can be provided on at least one of the master controllers 21.
  • the master controller 21 can have an input interface for a weather station 67. Current environmental conditions of the surrounding atmosphere, for example wind speeds, can be incorporated into the control of the oxygen reduction system.
  • a signal output can be provided which communicates with a permanently occupied location 68. This means that alarm and fault messages can be forwarded to suitable recipients so that countermeasures can be taken.
  • a communication switching device controls communication to different external devices, such as a remote diagnostic module 63, which in turn can be connected to a WLAN router 64 or via the Internet 65 to an external remote support PC 66 a local support PC 62.
  • a data storage and evaluation unit 61 also located locally, e.g. an industrial PC or server, can be used for logging all operating data and in particular for long-term evaluation of system data such as control parameters, sensor data, environmental data, energy consumption data and / or status , fault and alarm messages. This makes it possible, for example, to carry out predictive maintenance or determine relevant maintenance intervals.
  • control and regulation system can be expanded in almost any way according to the exemplary embodiments described above.
  • several master controllers 21, several area controllers 23, several process controllers 22 and/or several combination controllers 24, 25 can be provided.
  • Control panel 22 Process controller 50 Field branch line 23 Range controller 51 Field ring main 24 Combination controller (master/area controller) 52 Regulator ring line 25 Combination controller (process/area controller) 60 Switch 30a Membrane nitrogen generator 61 Industry PC 30b Pressure swing adsorption nitrogen generator 62 Support PC 31a Oxygen concentration sensor 63 Remote diagnostic module 31b Pressure sensor 64 WLAN router 32 Valve 65 Internet 33 compressor 66 Remote support PC 34 Adsorbent container 67 Weather station 35 Buffer container 68 Permanently occupied position

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Steuerungs- und Regelungssystem einer Sauerstoffreduzierungsanlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem solchen Steuerungs- und Regelungssystem sowie ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Sauerstoffreduzierungsanlage.
  • Zur Brandvorbeugung und -vermeidung werden in der Praxis oft Sauerstoffreduzierungsanlagen eingesetzt. Diese Anlagen ermöglichen es, den Sauerstoffgehalt innerhalb eines Schutzbereichs auf ein Niveau zu senken, das unterhalb der Entzündungsgrenze der Materialien liegt. Die Absenkung der Sauerstoffkonzentration erfolgt durch Zuführung von Inertgasen oder inertgasangereicherter Luft, insbesondere Stickstoff oder stickstoffangereicherter Luft, in den Schutzbereich. Damit wird das Verhältnis zwischen Inertgas oder inertgasangereicherter Luft und Sauerstoff so eingestellt, dass im Ergebnis der Sauerstoffgehalt der im Schutzbereich enthaltenen Luft reduziert wird. Dabei bleibt weiterhin ausreichend Sauerstoff vorhanden, sodass sich Personen in dem Schutzbereich aufhalten können.
  • Zur Steuerung einer solchen Sauerstoffreduzierungsanlage sind verschiedene Komponenten vorgesehen. Die Kernkomponente einer Sauerstoffreduzierungsanlage bildet eine Inertgasquelle, beispielsweise ein Inertgaserzeuger. Ein solcher Inertgaserzeuger wird nachfolgend in dieser Anmeldung als Stickstofferzeuger beschrieben, der üblicherweise komprimierte Umgebungsluft in einen stickstoffangereicherten Luftstrom und einen sauerstoffangereicherten Luftstrom zerlegt. Der stickstoffangereicherte Luftstrom kann beispielsweise einen Stickstoffanteil zwischen 90,0 und 99,9 % aufweisen und wird zur Absenkung des Sauerstoffgehalts in dem Schutzbereich verwendet. Die Funktionsweise solcher Stickstofferzeuger kann auf dem Prinzip der Membrangastrennung oder Druckwechseladsorption (z.B. PSA "Pressure Swing Adsorption" oder VPSA "Vacuum Pressure Swing Adsorption") basieren.. Ferner ist für die Steuerung einer Sauerstoffreduzierungsanlage wenigstens ein Sauerstoffkonzentrationssensor erforderlich, der den Sauerstoffgehalt in dem Schutzbereich ermittelt. Schließlich ist üblicherweise mindestens ein Aktor, beispielsweise ein Ventil oder ein Relais zum Ein-/Ausschalten eines dem Stickstofferzeuger zugeordneten Kompressors, zur gesteuerten Einleitung der erzeugten Stickstoffs bzw. der stickstoffangereicherten Luft in den Schutzbereich vorgesehen. Zusätzliche optionale Komponenten einer Sauerstoffreduzierungsanlage sind beispielsweise optische oder akustische Alarmmittel, die in einem Alarmfall, beispielsweise bei einer unter einen Schwellwert sinkenden Sauerstoffkonzentration im Schutzbereich, ggf. anwesende Personen warnen.
  • Um ein vorbestimmtes Sauerstoffniveau zu erreichen, ist es üblich, die einzelnen Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage zu regeln. Dazu ist üblicherweise eine Steuerzentrale vorgesehen, die einerseits mit den Stickstofferzeugern verbunden ist und die Erzeugung des Stickstoffs anforderungsgerecht regelt. Andererseits ist die Steuerzentrale mit den Sauerstoffkonzentrationssensoren verbunden, um die von diesen ermittelten Werte zu verarbeiten und entsprechende Stickstoffmengenanforderungen an die Stickstofferzeuger weiterzugeben. Die Steuerzentrale kann mehrere Schutzbereiche getrennt voneinander regeln, wobei jedem Schutzbereich ein oder mehrere Stickstofferzeuger zugeordnet sind und sich in jedem Schutzbereich ein oder mehrere Sauerstoffkonzentrationssensoren befinden. Außerdem ist die Steuerzentrale mit mehreren Aktoren gekoppelt, um eine Verteilung des erzeugten Stickstoffs in die Schutzräume zu steuern. Ein solches Steuerungs- und Regelungssystem einer Sauerstoffreduzierungsanlage ist aus US2018/001124 bekannt.
  • Mit zunehmender Komplexität von Sauerstoffreduzierungsanlagen, beispielsweise bei Gebäuden mit großen Schutzbereichen oder einer hohen Anzahl an Schutzbereichen wie z.B. in Fabriken, Lagern und Archiven, wird die sichere und zuverlässige Steuerung aller Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage zur Herausforderung. Die Steuerzentrale muss entsprechend der Vielzahl an angeschlossenen Stickstofferzeugern, Sauerstoffkonzentrationssensoren und Aktoren rechenstark und mit zahlreichen Schnittstellen ausgelegt werden, außerdem gestalten sich die Installation und Wartung sowie die Fehlersuche bei Störungen mit zunehmender Anlagengröße als sehr aufwendig. Allein das Verlegen der teils sehr langen Energieversorgungs- und Signalleitungen zwischen allen Komponenten und der Steuerzentrale ist arbeits- und kostenintensiv. Auch ist eine normgemäß geforderte Leitungsüberwachung aller Energieversorgungsleitungen auf schleichende Unterbrechung oder schleichenden Kurzschluss mit zunehmender Leitungsanzahl und höheren Leitungslängen schwieriger umzusetzen.Nachrüstungen und Erweiterungen der Sauerstoffreduzierungsanlage stellen ebenfalls eine komplexe Aufgabe hinsichtlich Verdrahtung und Neukonfiguration dar. Zudem bilden die Umsetzung eines effizienten Energiemanagements und der gemäß Brandschutzbestimmungen geforderten hohen Ausfallsicherheit eine Herausforderung bei der bisherigen Steuerung von Sauerstoffreduzierungsanlagen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Steuerungs- und Regelungssystem einer Sauerstoffreduzierungsanlage anzugeben, das einen verringerten Herstellungs-, Installations- und Wartungsaufwand bietet, eine höhere Ausfallsicherheit und ein verbessertes Energiemanagement gewährleistet sowie flexibel anpassbar und erweiterbar ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem solchen Steuerungs- und Regelungssystem anzugeben, sowie ein Betriebsverfahren hierfür aufzuzeigen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Steuerungs- und Regelungssystem durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Im Hinblick auf die Sauerstoffreduzierungsanlage und das Betriebsverfahren wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der Patentansprüche 14 und 15 gelöst.
  • So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, ein Steuerungs- und Regelungssystem einer Sauerstoffreduzierungsanlage zum Absenken und Halten eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in mindestens einem umschlossenen Schutzbereich anzugeben, das mindestens einen Inertgaserzeuger, mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensor und mindestens einen Aktor zur Freisetzung von Inertgas aufweist. Das Steuerungs- und Regelungssystem weist mehrere miteinander signalverbundene Reglermodule auf. Die Reglermodule sind vorzugsweise jeweils derart konfiguriert oder konfigurierbar, dass eine oder mehrere Regelungsfunktionen ausführbar sind. Dabei sind die Regelungsfunktionen auf wenigstens zwei miteinander signalverbundene Reglermodule dezentral verteilt.
  • Die Erfindung baut insoweit auf der Grundidee auf, standardisierte Reglermodule einzusetzen, wobei den Reglermodulen unterschiedliche Funktionen zugewiesen werden können. Auf diese Weise wird eine Modularität bereitgestellt, die es ermöglicht, das Steuerungs- und Regelungssystem einfach und schnell an unterschiedliche Anforderungen, insbesondere an unterschiedliche große oder mehrere Schutzbereiche, aber auch an unterschiedlich komplexe Sauerstoffreduzierungsanlagen anzupassen. Neben der dadurch gewonnenen Flexibilität und der einfacheren Zulassung von Anlagen mit standardisierten Komponenten ist der Aufbau und die Funktionsweise eines auf bestimmte Funktionen spezialisierten Reglermoduls vereinfacht gegenüber dem Aufbau und der Funktionsweise einer umfassenden Steuerzentrale. Dadurch können auch nachträgliche Anlagenerweiterungen, -modifikationen oder -reduzierungen mit wenig Aufwand umgesetzt werden. Die Reglermodule können als Standardbaugruppen einfacher produziert und programmiert werden, zudem haben sie an ihrem jeweiligen Einsatzort einen geringeren Platzbedarf. Die Reglermodule können einfacher gewartet und ausgetauscht werden, ohne die Gesamtfunktion der Sauerstoffreduzierungsanlage zu beeinträchtigen. Die Energieversorgungs- und Signalleitungen können strangweise zusammengefasst werden, was beispielsweise die Leitungsüberwachung vereinfacht. Die dezentrale Verteilung von Steuerungs- und Regelfunktionen erhöht zudem die Ausfallsicherheit, da beispielsweise eine Störung eines Reglermoduls geringere Auswirkungen auf die Gesamtfunktion der Sauerstoffreduzierungsanlage hat.
  • Die einzelnen Reglermodule können hardwareseitig weitgehend identisch ausgebildet sein. Insbesondere können jeweils identische Controller in jedem der Reglermodule vorhanden sein. Die Reglermodule können sich jedoch zumindest teilweise anhand ihrer Schnittstellen unterscheiden, um beispielsweise signaltechnisch optimal mit unterschiedlichen Aktorarten wie Ventilen und Alarmmitteln oder mit Sauerstoffkonzentrationssensoren des Schutzbereiches verbunden werden zu können. Diese unterschiedlichen Schnittstellen können zusätzlich zu einem allen Reglermodulen gemeinsamen, identischen Basissatz an Schnittstellen vorgesehen sein. Indem die Reglermodule jeweils unterschiedliche Regelungsfunktionen übernehmen können, sind die Reglermodule modular miteinander kombinierbar. Die Modularität ergibt sich insofern daraus, dass verschiedene Kombinationen aus Reglermodulen zusammengestellt werden können, um unterschiedliche Funktionen zum Betreiben der Sauerstoffreduzierungsanlage individuell auf diese Kombinationen zu verteilen.
  • Die auf den Reglermodulen ausführbaren Regelungsfunktionen können unterschiedlich sein. Insbesondere die Überwachung der Sauerstoffkonzentration in einem Schutzbereich, die Erzeugung einer entsprechenden Menge an Inertgas und das Freisetzen der erzeugten Menge an Inertgas in den Schutzbereich zur Regelung der dortigen Sauerstoffkonzentration sind Kernfunktionen, die jedenfalls im Steuerungs- und Regelungssystem vorgesehen und auf verschiedene Reglermodule verteilt sein können. Insbesondere bei einer Sauerstoffreduzierungsanlage, die mehrere Schutzbereiche aufweist, ermöglicht die dezentrale Verteilung von Regelungsfunktionen eine Redundanz und Erweiterbarkeit, die bei bisherigen zentralgesteuerten Anlagen nicht ohne weiteres realisierbar ist.
  • Klarstellend wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass die Reglermodule nicht nur Regelungsfunktionen, d.h. Funktionen mit einer durch Signalrückkopplung beeinflussten bzw. beeinflussbaren Stellgröße, sondern auch Steuerungsfunktionen ausführen können. Insofern sind die Begriffe "Reglermodul" und "Regelungsfunktion" im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als Kurzformen für die Begriffe "Steuer- und Reglermodul" sowie "Steuerungs- und Regelungsfunktion" zu verstehen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reglermodule modular miteinander kombinierbar sind. Dabei können die Reglermodule jeweils durch geeignete Benutzereingaben über eine Eingabeschnittstelle unterschiedlich konfiguriert oder konfigurierbar sein. Als Eingabeschnittstelle kommen alle denkbaren Mensch-Maschine-Schnittstellen in Frage, beispielsweise ein in das Reglermodul integriertes Touchbedienfeld, eine USB-Schnittstelle zum Einspielen einer Konfigurationsdatei von einem Support-PC oder beispielsweise auch DIP- oder Drehschalter. Im Wesentlichen können also mehrere weitgehend gleichartige Reglermodule beliebig miteinander signalverbunden werden. Durch entsprechende Konfiguration kann den einzelnen Reglermodulen die jeweils erforderliche bzw. gewünschte Regelungsfunktion zugewiesen werden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Reglermodule jeweils derart konfiguriert oder konfigurierbar sind, dass durch jeweils wenigstens ein Reglermodul wenigstens eine der folgenden Regelungsfunktionen ausführbar ist:
    1. a) eine Steuerung bzw. Regelung der Inertgaserzeugung, insbesondere durch
      • Ein- und Ausschalten des mindestens einen Inertgaserzeugers und/oder
      • Auswertung von Sensorsignalen, insbesondere des mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensors und/oder von weiteren, dem mindestens einen Inertgaserzeuger zugeordneten Gas-, Temperatur-, Volumenstrom- und/oder Drucksensoren und/oder
      • Ansteuern von Aktoren des mindestens einen Inertgaserzeugers;
    2. b) eine Überwachung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in einem umschlossenen Überwachungsbereich und/oder eine Steuerung bzw. Regelung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in mindestens einen umschlossenen Schutzbereich, insbesondere durch
      • Auswertung von Sensorsignalen, insbesondere des mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensors und/oder von weiteren Gas-, Temperatur-, Volumenstrom- und/oder Druck-Sensorsignalen von in dem mindestens einen umschlossenen Überwachungs- und/oder Schutzbereich angeordneten Sensoren und/oder Auswertung von Signalen von in dem Überwachungs- und/oder Schutzbereich angeordneten Türöffnungskontakten und/oder
      • Anforderung einer Inertgas-Menge von dem mindestens einen Inertgaserzeuger und/oder
      • Ansteuern von Aktoren in dem mindestens einen umschlossenen Überwachungs- und/oder Schutzbereich und/oder
      • Ansteuern von Anzeigen in oder an dem mindestens einen umschlossenen Überwachungs- und/oder Schutzbereich, insbesondere zur Anzeige von Sauerstoffkonzentrationsmesswerten und/oder
      • Ansteuerung von akustischen und/oder optischen Alarmmitteln im Alarmfall;
    3. c) eine Koordination der Kommunikation zwischen Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage und/oder eine Koordination der Kommunikation zu externen Stellen der Sauerstoffreduzierungsanlage, insbesondere durch
      • Verteilung von Anforderungen an Inertgas-Mengen auf mehrere Inertgaserzeuger nach vordefinierten Kriterien und/oder
      • Verteilung erzeugten Inertgases auf mehrere umschlossene Schutzbereiche nach vordefinierten Kriterien und/oder
      • Sammeln und Auswerten wenigstens eines Status-, Störungs- und/oder Alarmignals mindestens eines Reglermoduls und/oder
      • Erzeugung wenigstens einer Status-, Störungs- und/oder Alarmmeldung, insbesondere zur Anzeige auf einem Bedienteil und/oder zur Weiterleitung an eine externe, insbesondere ständig besetzte, Stelle und/oder
      • Ansteuern von Anzeigen, insbesondere zur Anzeige von Sensormesswerten und/oder
      • Bereitstellung eines Fernzugriffs auf die Sauerstoffreduzierungsanlage.
  • Weitere optionale Regelungsfunktionen sind beispielsweise die Verteilung des produzierten Inertgases in mehrere Schutzbereiche, die rein vorsorgliche Überwachung der Sauerstoffkonzentration in Nachbar-, Technik-, Maschinen- und Betriebsräumen ohne Regelung der Sauerstoffkonzentration durch Inertgaseinleitung, die Überwachung von Umgebungsbedingungen, z.B. von Wetterparametern außerhalb der Schutz- und Überwachungsbereiche, die Alarmierung bei gefährlichen Umgebungsbedingungen in Schutz- oder Überwachungsbereichen, die Steuerung der Anzeige und/oder die Meldung von Störungen der Sauerstoffreduzierungsanlage. Dabei können die einzelnen Regelungsfunktionen auf unterschiedliche Reglermodule dezentral verteilt sein. Insbesondere können einzelne Reglermodule mehrere der genannten Regelungsfunktionen ausführen, beispielsweise um eine Redundanz zu schaffen. Dadurch wird eine besonders hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
  • Als Reglermodul kann generell ein Prozessregler zur Steuerung bzw. Regelung der Inertgaserzeugung, ein Bereichsregler zur Überwachung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in einem umschlossenen Überwachungsbereich und/oder zur Steuerung bzw. Regelung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in mindestens einem umschlossenen Schutzbereich und/oder ein Masterregler zur Koordination der Kommunikation zwischen Reglermodulen und/oder anderen Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage und/oder zur Koordination der Kommunikation zu externen Stellen der Sauerstoffreduzierungsanlage vorgesehen sein. Die Zuordnung des Reglermoduls als Bereichsregler, Prozessregler oder Masterregler erfolgt vorzugweise durch kundenspezifische Konfiguration. Mit anderen Worten können der Bereichsregler, der Prozessregler und der Masterregler im Wesentlichen denselben Aufbau aufweisen, wobei dem Reglermodul mittels Benutzereingabe Regelungsfunktionen zugewiesen werden, sodass das Reglermodul als Bereichsregler, als Prozessregler oder als Masterregler fungiert. Diese Zuordnung von Regelungsfunktionen kann bei Inbetriebnahme oder auch im laufenden Betrieb der Sauerstoffregelungsanlage vorgenommen werden.
  • So können in einem Steuerungs- und Regelungssystem beispielsweise zwei Reglermodule vorgesehen sein, wobei einem Reglermodul, welches in einem Schutzbereich angeordnet ist, die Funktion eines Bereichsreglers zugewiesen wird. Einem anderen Reglermodul, das am Inertgaserzeuger angeordnet ist, kann eine Prozessreglerfunktion zugewiesen werden. Diese Zuweisung kann nach Installation der Reglermodule erfolgen, sodass bei der Installation nicht darauf geachtet werden muss, welches Reglermodul an einem bestimmten Standort zu montieren ist. Das vereinfacht den Installationsvorgang und reduziert die Kosten. Außerdem ist ein Austausch der Reglermodule einfach und schnell möglich, wobei Lagerhaltungskosten reduziert werden. Schließlich ermöglicht diese Architektur auch eine einfache und effiziente Erweiterbarkeit des Steuerungs- und Regelungssystems. So kann beispielsweise später ein weiterer Schutzbereich hinzugefügt werden, wobei hierzu lediglich ein weiteres Reglermodul zu installieren ist, welches dann die Funktion eines weiteren Bereichsreglers übernimmt. Auch kann beispielsweise ein weiterer Stickstofferzeuger hinzugefügt werden, der mit einem weiteren Reglermodul versehen wird, welches dann die Funktion eines weiteren Prozessreglers übernimmt. Auch unabhängig von einer Anlagenerweiterung können weitere Reglermodule hinzugefügt werden, z.B. um ein bereits vorhandenes Reglermodul im Sinne einer n+1-Redundanz zu ergänzen und dadurch die Ausfallsicherheit der Anlage weiter zu erhöhen. Jedes weitere Reglermodul kann mittels Benutzereingabe entsprechend konfiguriert werden. Eine (Neu-)Programmierung ist nicht erforderlich; vielmehr umfassen alle Reglermodule dieselbe Grundprogrammierung, sodass die Zuweisung von Regelungsfunktionen schnell und einfach bei der Installation erfolgen kann.
  • Bevorzugt ist bei der Erfindung vorgesehen, dass die einzelnen Reglermodule so miteinander signalverbunden sind, dass ein Datenaustausch erfolgt. Die einzelnen Reglermodule können sich also untereinander abstimmen, beispielsweise um die Erzeugung von Inertgas je nach Anforderung durch verschiedene Bereichsregler zu steuern.
  • Bei einer bevorzugten Gestaltung des erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystems sind mehrere Überwachungs- und/oder Schutzbereiche vorgesehen, wobei jedem Schutzbereich wenigstens ein Bereichsregler zur Steuerung bzw. Regelung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in dem Schutzbereich zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann jedem Überwachungsbereich wenigstens ein Bereichsregler zur Überwachung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in dem Überwachungsbereich zugeordnet sein.
  • Als Schutzbereich wird im Allgemeinen ein räumlich abgegrenzter bzw. umschlossener Bereich verstanden, in dem die Sauerstoffkonzentration zur Brandvermeidung abgesenkt und innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs geregelt wird. Ein Überwachungsbereich ist ein räumlich abgegrenzter bzw. umschlossener Bereich, in welchem eine Überwachung der Sauerstoffkonzentration erfolgt, obwohl keine Regelung der Inertgas-Einleitung vorgesehen ist. Die Überwachung dient lediglich dazu, beispielsweise Leckagen im Leitungssystem zu ermitteln und entsprechende Alarme zu erzeugen. Ein Betriebsraum, in welchem der Inertgaserzeuger angeordnet ist, aber auch ein keine Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage enthaltender Nebenraum oder Flur können beispielsweise als Überwachungsbereich festgelegt werden. Die Sauerstoffkonzentration in diesen Räumen soll nicht abgesenkt werden.
  • Insofern kann die Regelungsfunktion der Auswertung des Sauerstoffkonzentrationssignals sowohl zur Regelung der Sauerstoffkonzentration in einem Schutzbereich als auch zur Überwachung in einem Überwachungsbereich genutzt werden. Bei der Überwachung wird jedoch das Sauerstoffkonzentrationssignal lediglich mit vorher festgelegten Grenzen verglichen und bei Über- oder Unterschreiten der Grenzen ein Störungs- oder Alarmsignal ausgegeben. Bei der Regelung wird ebenfalls ein Vergleich zwischen einem vorbestimmten Sollwert und dem Istwert der Sauerstoffkonzentration vorgenommen, jedoch gleichzeitig der Aktor zur Freisetzung von Inertgas so geregelt, dass der Sollwert möglichst konstant eingehalten wird. Beispielsweise wird ein Ventil geöffnet oder geschlossen bzw. ein Kompressor des Inertgaserzeugers ein- bzw. ausgeschaltet, um die Freisetzung von Inertgas zu starten oder zu stoppen.
  • Als Reglermodul kann außerdem ein Kombiregler vorgesehen sein, der Regelungsfunktionen von wenigstens zwei Reglermodulen umfasst. Jedes der wenigstens zwei Reglermodule kann als Masterregler, Prozessregler und/oder Bereichsregler konfiguriert bzw. konfigurierbar sein. Vorzugsweise übernimmt bzw. umfasst der Kombiregler Regelungsfunktionen von zwei voneinander verschieden konfigurierten Reglermodulen, bspw. einem Masterregler und einem Prozessregler. Diese Ausführung eines Kombireglers kann beispielsweise für kleine Anlagen mit einem Schutzbereich und/oder einem Inertgaserzeuger vorteilhaft sein, bei denen die verringerte Anlagenkomplexität eine teilweise Zusammenfassung dezentral verteilter Regelungsfunktionen erlaubt.
  • Im Allgemeinen kann vorgesehen sein, dass einem Schutzbereich mehrere Inertgaserzeuger zugeordnet sind. Eine solche Zuordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Schutzbereich besonders groß ist. Insbesondere bei großen Hallen, die einen einzigen Schutzbereich bilden, kann es zweckmäßig sein, mehrere Inertgaserzeuger zuzuordnen, um eine ausreichende Menge an Inertgas konstant zur Verfügung stellen zu können.
  • Die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Inertgas kann auch erreicht werden, indem die Sauerstoffreduzierungsanlage ergänzend ein oder mehrere Inertgasbehälter aufweist, in welchen Inertgas, insbesondere Stickstoff, gelagert ist. Alternativ können diese Inertgasbehälter auch einer anderen Brandschutzanlage, beispielsweise einer Inertgas-Löschanlage zugeordnet sein. Eine solche Inertgas-Löschanlage dient einer besonders raschen und stärkeren Absenkung der Sauerstoffkonzentration im Schutzbereich, um einen bereits entstandenen Brand zu löschen. Im Gegensatz dazu dient die Sauerstoffreduzierungsanlage einer geringfügigen Langzeit-Absenkung der Sauerstoffkonzentration im Schutzbereich, um bereits die Entstehung eines Brandes zu verhindern.
  • Die Inertgasbehälter sind vorzugsweise wiederbefüllbar, insbesondere mittels aus dem Inertgaserzeuger bereitgestelltem Inertgas. Hierzu sind die Inertgasbehälter in einer bevorzugten Ausführungsform über ein Leitungssystem der Sauerstoffreduzierungsanlage strömungstechnisch mit zumindest einem Inertgaserzeuger verbunden oder verbindbar.
  • Insofern kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Steuerungs- und Regelungssystem ein Reglermodul aufweist, das als Befüllregler konfiguriert ist. Der Befüllregler ist vorzugsweise mit Aktoren, insbesondere steuerbaren Ventilen, des Leitungssystems der Sauerstoffreduzierungsanlage signalverbunden, um Inertgas von wenigstens einem Inertgaserzeuger gesteuert in den wenigstens einen Inertgasbehälter zu leiten.
  • Der Inertgasbehälter kann durch eine mit Stickstoff befüllte oder befüllbare Druckgasflasche gebildet sein. Insbesondere können mehrere Druckgasflaschen zu einer Flaschenbatterie zusammengefasst sein. Die Flaschenbatterie ist vorzugsweise mit dem Leitungssystem der Sauerstoffreduzierungsanlage verbunden und weist ein oder mehrere Steuerventile auf, die mit wenigstens einem Reglermodul, insbesondere dem Befüllregler, signalverbunden sind.
  • Ferner kann dem wenigstens einen Inertgasbehälter und/oder der Flaschenbatterie wenigstens ein Temperatursensor und/oder wenigstens ein Drucksensor zugeordnet sein. Der Temperatursensor und/oder der Drucksensor ist vorzugsweise mit einem Reglermodul, insbesondere dem Befüllregler, signalverbunden, um eine (Wieder-)Befüllung des Inertgasbehälters bzw. der Flaschenbatterie mit Inertgas zu überwachen und bevorzugt eine druck- und temperaturkompensierte Befüllung zu steuern bzw. regeln.
  • Der Befüllregler kann durch entsprechende Konfiguration eines standardisierten Reglermoduls bereitgestellt werden. Insofern ist die Ergänzung einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem oder mehreren zusätzlichen Inertgasbehältern oder das Hinzufügen einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem Befüllregler als Ergänzung zu einer Inertgas-Löschanlage eine Option, die kundenspezifisch angeboten werden kann. Wegen der Modularität der Reglermodule lässt sich diese Option einfach bei der Installation der Sauerstoffreduzierungsanlage vor Ort beim Kunden realisieren. Jedenfalls das Steuerungs- und Regelungssystem ist durch einfache Benutzereingabe so konfigurierbar, dass einem der Reglermodule die Regelungsfunktionen eines Befüllreglers zugewiesen werden können.
  • Ein ggf. vorgesehener Masterregler dient dazu, die den Schutzbereichen und/oder den Überwachungsbereichen jeweils zugeordneten Reglermodule, insbesondere die Bereichsregler und/oder Prozessregler und/oder Kombiregler, zu koordinieren. Der Masterregler ist vorzugsweise über ein Ringbussystem mit den Bereichsreglern und den Prozessreglern verbunden, wobei der Masterregler eine kommunikative Abstimmung zwischen den weiteren Reglermodulen bewirkt. So kann der Masterregler Prioritäten zur Ansteuerung der einzelnen Inertgaserzeuger vergeben. Dazu kann der Masterregler beispielsweise eine Anforderung für Inertgas von einem Bereichsregler empfangen, der eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in einem Schutzbereich ermittelt hat. Anhand der Auslastung der einzelnen Inertgaserzeuger kann der Masterregler dann denjenigen Prozessregler ansteuern, der dem Inertgaserzeuger mit der geringsten Betriebslaufzeit zugeordnet ist. Auf diese Weise ist eine Optimierung der Auslastung der der Inertgaserzeuger möglich.
  • Der Prozessregler kann mit dem Inertgaserzeuger signalverbunden sein, um eine Inertgas-Erzeugung zu regeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Bereichsregler mit dem Sauerstoffkonzentrationssensor signalverbunden sein, um eine Sauerstoffkonzentration in einem Schutzbereich zu regeln. Der Masterregler kann mit dem Prozessregler und dem Bereichsregler signalverbunden sein, um eine übergeordnete Reglerkommunikation bereitzustellen und/oder zu überwachen. Die genannten Regelungsfunktionen sind also auf den Prozessregler, den Bereichsregler und den Masterregler verteilt. Diese Verteilung kann jedoch dynamisch im Betrieb des Steuerungs- und Regelungssystems variieren. So kann der Bereichsregler beispielsweise zum Prozessregler werden und/oder der Prozessregler zumindest teilweise Funktionen des Masterreglers übernehmen. Dies wird durch den dezentralen Aufbau und die modulare Zuweisung einzelner Regelungsfunktionen ermöglicht.
  • Der Masterregler bzw. das als Masterregler ausgebildete Reglermodul kann konfiguriert oder konfigurierbar sein, um Störungs- und/oder Alarmmeldungen der Bereichsregler und/oder der Prozessregler und/oder der Kombiregler zu empfangen und gesammelt an eine Benutzerschnittstelle bzw. Mensch-Maschine-Schnittstelle, beispielsweise an ein Bedienteil oder Bedienpanel, und/oder eine externe Störungs- und/oder Alarmmeldekomponente weiterzuleiten. Auf diese Weise ist eine zentrale Überwachung der Störungs- und Alarmmeldungen beispielsweise durch Leitstellen oder Wachgesellschaften möglich.
  • Die einzelnen Reglermodule sind vorzugsweise räumlich voneinander getrennt angeordnet. Dies dient der Ausfallsicherheit, da eine physische Einwirkung auf einzelne Reglermodule lediglich zu räumlich begrenzten Ausfällen führen kann. Diese Ausfälle können beispielsweise durch Übernahme von Regelungsfunktionen durch andere Reglermodule kompensiert werden. Zudem ermöglicht die räumliche Verteilung der Reglermodule eine bessere Zugänglichkeit derselben sowie kürzere Leitungswege zwischen den Reglermodulen und den Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage.
  • Eine weitere Erhöhung der Betriebssicherheit wird erreicht, da die Reglermodule dynamisch im laufenden Betrieb konfigurierbar sind. Dabei kann insbesondere ein erstes Reglermodul ein oder mehrere Regelungsfunktionen eines zweiten Reglermoduls übernehmen. Umgekehrt kann auch das zweite Reglermodul ein oder mehrere Regelungsfunktionen des ersten Reglermoduls übernehmen. So kann beispielsweise bei Ausfall des ersten Reglermoduls das zweite Reglermodul dessen Regelungsfunktion(en) übernehmen, sodass weiterhin die Funktionssicherheit des gesamten Steuerungs- und Regelungssystems gewährleistet ist. Die Übernahme der Regelungsfunktion kann dabei automatisiert und optional im Rahmen einer Standby-Redundanz, kalten Redundanz oder heißen Redundanz erfolgen, sodass die maximale Betriebssicherheit dauerhaft gewährleistet ist. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass die beiden Reglermodule, die die Regelungsinformationen untereinander austauschen bzw. gegenseitig übernehmen, ursprünglich als redundante Reglermodule ausgebildet sind. Vielmehr kann auch ein Reglermodul, welches initial ein oder mehrere andere Regelungsfunktionen ausführt, eine zusätzliche Regelungsfunktion eines weiteren Reglermoduls übernehmen, um dessen Ausfall zumindest teilweise zu kompensieren. Eine wichtige Voraussetzung für die dynamische Konfiguration und die Übernahme von Regelungsfunktionen anderer Reglermodule ist eine signaltechnische, ggf. auch energieversorgende Verbindung des übernehmenden Reglermoduls zu den Sensoren und Aktoren des abgebenden Reglermoduls. Diese Verbindung kann beispielsweise über die Verbindungswege des abgebenden Reglermoduls sowie zwischen dem übernehmenden und abgebenden Reglermodul bestehen oder als zusätzliche redundante Verbindung des übernehmenden Reglermoduls zu den Sensoren und Aktoren des abgebenden Reglermoduls ausgebildet sein.
  • So kann ein erstes Reglermodul beispielsweise initial die Regelungsfunktion der Auswertung eines Sauerstoffkonzentrationssignals ausführen. Ein zweites Reglermodul kann als Prozessregler die Steuerung bzw. Regelung des Inertgaserzeugers ausführen. Das erste und zweite Reglermodul wirkensomit gegenseitig als Standby-Redundanz. Bei Ausfall des ersten Reglermoduls kann das zweite Reglermodul die ausgefallene Funktion, hier das Auswerten eines Sauerstoffkonzentrationssignals des Sauerstoffkonzentrationssensors, übernehmen, um die Betriebssicherheit des gesamten Steuerungs- und Regelungssystems weiterhin zu gewährleisten. Auch ist es denkbar, dass das zweite Reglermodul bei Ausfall des ersten Reglermoduls keine zusätzliche Funktion im eigentlichen Sinne übernimmt, sondern seine Funktionen auf den Schutzbereich des ersten Reglermoduls erweitert, also einen weiteren Schutzbereich in die Regelung aufnimmt. Ebenso kann beispielsweise ein Prozessregler seine Prozessregelungsfunktion auf einen weiteren Inertgaserzeuger ausdehnen. Durch die dynamische Konfigurierbarkeit der einzelnen Reglermodule wird so eine besonders hohe Betriebssicherheit bei geringem Installationsaufwand erreicht.
  • Die dynamische Konfiguration der Reglermodule im laufenden Betrieb kann nicht nur durch einen Ausfall eines Reglermoduls initiiert werden, sondern beispielsweise auch zur gleichmäßigeren Auslastung der Reglermodule beitragen. Indem beispielsweise ein Reglermodul mit aktuell geringer Auslastung in einen Ruhemodus mit geringem Energieverbrauch versetzt wird und ein anderes Reglermodul Regelungsfunktionen des im Ruhezustand befindlichen Reglermoduls übernimmt, können Energieressourcen eingespart werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Betriebssicherheit auch dadurch gewährleistet werden, dass zwei Reglermodule einen identischen Funktionsumfang aufweisen und so miteinander signalverbunden sind, dass eine in sich redundante Reglergruppe gebildet ist. Obwohl die Reglermodule dynamisch im laufenden Betrieb konfigurierbar sind und so jedes Reglermodul eine Regelungsfunktion eines anderen Reglermoduls übernehmen kann, die dem ersten Reglermodul initial nicht zugewiesen war, so kann dennoch mittels redundanter Reglergruppen eine zusätzliche Betriebssicherheit gewährleistet werden. So können beispielsweise zwei Reglermodule identisch ausgebildet sein bzw. identischen Funktionsumfang aufweisen. Insbesondere können zwei Reglermodule miteinander signalverbunden sein, welchen jeweils initial dieselben Regelungsfunktionen zugewiesen wurden. So können beispielsweise zwei Reglermodule zu einer redundanten Reglergruppe zusammengeschaltet sein, die jeweils als Bereichsregler ausgebildet sind und die Regelungsfunktionen des Ansteuerns des Aktors zur Freisetzung von Inertgas ausführen, indem das eine oder das andere Reglermodul die Ansteuerung des Aktors durchführt. Bei Ausfall eines der beiden Bereichsregler wird die Ansteuerung des Aktors zur Freisetzung von Inertgas dann von dem anderen Bereichsregler der redundanten Reglergruppe ausgeführt. Zur Verbesserung der Energieeffizienz kann ein Reglermodul der redundanten Reglergruppe in einen Ruhemodus versetzt werden, bis dieses ein Signal zur Übernahme von Regelungsfunktionen des anderen Reglermoduls erhält.
  • Konkret kann also in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Reglermodule, insbesondere die Reglermodule einer Reglergruppe, jeweils derart ausgebildet und miteinander signalverbunden sind, dass ein Reglermodul bei Ausfall und/oder bei Überlastung eines anderen Reglermoduls dessen Regelungsfunktion automatisiert übernimmt. Die Übernahme einer Regelungsfunktion bei Ausfall eines Reglermoduls dient der Betriebssicherheit des Steuerungs- und Regelungssystems der Sauerstoffreduzierungsanlage. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuerungs- und Regelungssystem jedoch auch so angepasst sein, dass die Reglermodule bei Überlastung anderer Reglermodule deren Regelungsfunktionen automatisiert übernehmen. So kann die Auslastung der einzelnen Reglermodule optimiert werden. Insgesamt ist so mit einer relativ geringen Anzahl von Reglermodulen eine besonders hohe Effizienz erreichbar. Dies verbessert unter anderem die Energieeffizienz der gesamten Sauerstoffreduzierungsanlage.
  • Um eine effiziente und schnelle Kommunikation zwischen den einzelnen Reglermodulen zu gewährleisten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Reglermodule durch ein Bussystem miteinander signalverbunden sind. Das Bussystem ist vorzugsweise als Ringbussystem ausgebildet, sodass in sich eine Redundanz der Kommunikationswege ermöglicht ist. Durch das Ringbussystem wird eine besonders hohe Ausfallsicherheit erreicht, da eine Kommunikation über redundante Wege ermöglicht ist. So kann der Kommunikationsausfall zwischen zwei Reglermodulen dadurch kompensiert werden, dass die Kommunikation über die weiteren Reglermodule hergestellt wird. Um die Reglermodule an das Bussystem anschließen zu können, ist es bevorzugt, dass alle Reglermodule identische Busschnittstellen aufweisen.
  • Ein weiterer Vorteil, der mit dem Bussystem, insbesondere dem Ringbussystem, erreicht wird, ist eine gegenseitige Überwachung der einzelnen Reglermodule. Durch die standardisierte Kommunikationsschnittstelle zwischen den einzelnen Reglermodulen ist es möglich, dass die Reglermodule eine gegenseitige Statusüberwachung durchführen. So kann der Ausfall oder eine Fehlfunktion des Reglermoduls schnell erkannt werden. In der Folge kann ein weiteres Reglermodul die Funktion des ausgefallenen bzw. funktionsgestörten Reglermoduls übernehmen. Die Überwachung der einzelnen Reglermodule kann beispielsweise derart erfolgen, dass in vorbestimmten Zeitabständen Statussignale von den einzelnen Reglermodulen ausgesendet werden. Insofern können die einzelnen Reglermodule "Lebenszeichen" senden.
  • Das Bussystem kann beispielsweise über eine Ethernetverbindung mit Standardprotokollen wie TCP/IP, Modbus/TCP, UDP, EtherCAT oder Powerlink realisiert werden. Eine solche standardisierte Kommunikationsschnittstelle reduziert weiter die Kosten für die Herstellung und Installation des Steuerungs- und Regelungssystems.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass einzelne oder alle Reglermodule mit dem wenigstens einen Sauerstoffkonzentrationssensor und/oder mit dem wenigstens Aktor zur Freisetzung von Inertgas und/oder mit dem wenigstens einen Inertgaserzeuger mittels eines weiteren Bussystems gekoppelt sind. Im Allgemeinen können einzelne oder alle Sensoren, Aktoren und/oder Inertgaserzeuger mit einem oder mehreren Reglermodulen über ein weiteres, speziell für die Feldebene geeignetes Bussystem gekoppelt sein. Insbesondere der wenigstens eine Sauerstoffkonzentrationssensor, aber auch Gas-, Temperatur- und/oder DruckSensoren sowie Türöffnungskontakte können in das weitere Bussystem integriert sein. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das weitere Bussystem ein Feldbussystem, vorzugsweise mit ringförmiger und/oder stichförmiger und/oder sternförmiger Topographie, ist. Beispielsweise kann das weitere Bussystem einen CAN-Bus oder RS485 mit CANopen-, Profibus- oder RTU-Modbus-Protokoll verwenden.
  • Die Reglermodule können ferner mit einer Datenspeicher- und Auswerteeinheit signalverbunden oder signalverbindbar sein, sodass eine Langzeitspeicherung und Auswertung von Systemdaten, insbesondere von Regelungsparametern, Sensordaten, Umweltdaten, Energieverbrauchsdaten und/oder Status-, Stör- und Alarmmeldungen, durchführbar ist. Auf diese Weise kann eine Langzeitauswertung, beispielsweise für eine vorausschauende Wartung bzw. die Ermittlung von relevanten Wartungsintervallen erfolgen. Dazu können beispielsweise statistische Methoden eingesetzt werden, um die gespeicherten Regelungsparameter entsprechend auszuwerten. Die gespeicherten Regelungsparameter können außerdem zu verschiedenen Zeitpunkten miteinander verglichen werden, um beispielsweise frühzeitig auf Veränderungen in den Inertgaserzeugern aufmerksam gemacht zu werden. Schließlich ist es auch möglich, die gespeicherten Daten zur Drift-Kompensation einzusetzen, sodass das Steuerungs- und Regelungssystem an allmähliche Umgebungsveränderungen, beispielsweise Verschmutzungsgrad und/oder abweichende Reinheitsgrade der zugeführten Betriebsstoffe, angepasst werden können.
  • Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Reglermodule, insbesondere über eine Internetverbindung, fernwartbar und/oder fernkonfigurierbar sind. Im Allgemeinen kann das Steuerungs- und Regelungssystem mit einer Kommunikationskomponente zur externen Kommunikation, beispielsweise zur Ferndiagnose oder Fernkonfiguration, ausgestattet sein. Insbesondere bei einer Fernwartung über eine Internetverbindung ergeben sich reduzierte Wartungskosten.
  • Hinsichtlich der Reglermodule kann bevorzugt vorgesehen sein, dass diese jeweils eine Peripherieerkennungsfunktion aufweisen, sodass die Art und Funktionsweise von Sauerstoffkonzentrationssensoren und/oder Aktoren und/oder weiterer Sensoren, die an das jeweilige Reglermodul angeschlossen sind, automatisiert erkennbar sind. Mit anderen Worten ermöglichen die Reglermodule einen Plug-and-Play-Anschluss externer Sensoren oder Aktoren.
  • Dabei können die Reglermodule insbesondere selbstkonfigurierend ausgebildet sein, sodass anhand der jeweiligen Art und Funktionsweise der angeschlossenen Sauerstoffkonzentrationssensoren und/oder Aktoren und/oder weiterer Sensoren Regelungsfunktionen automatisiert aktiviert und/oder deaktiviert werden. Beispielsweise kann anhand von Volumenstrommessungen oder Druckmessungen und/oder der Anzahl oder Art der angeschlossenen Ventile erkannt werden, welcher Typ eines Inertgaserzeugers an das Reglermodul angeschlossen ist. Entsprechend können vorkonfigurierte Einstellungen für diesen Typ von Inertgaserzeuger abgerufen werden. Alternativ oder zusätzlich wird die Selbstkonfiguration mithilfe einer Interface-Erkennung vorgenommen. Hierbei erkennt das Reglermodul nicht direkt den angeschlossenen Sensor oder Aktor, sondern dessen Input/Output-Schnittstelle. Da die Sensoren und Aktoren jeweils spezielle Typen und/oder eine bestimmte Anzahl von Schnittstellen für Input- und Outputdaten verwenden, können diese zuverlässig identifiziert werden. Durch die Selbstkonfiguration wird die Installation des Steuerungs- und Regelungssystems stark vereinfacht. Außerdem lässt sich das Steuerungs- und Regelungssystem so leicht warten, da ausgetauschte Komponenten selbstständig erkannt werden.
  • Um eine gute Auslastung der Sauerstoffreduzierungsanlage zu erreichen und gleichzeitig eine hohe Betriebssicherheit zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn das wenigstens eine Reglermodul, insbesondere der Prozessregler und/oder der Masterregler, derart konfiguriert ist, dass eine Verteilung des Inertgases nach vorbestimmten Kriterien erfolgt. Das wenigstens eine Reglermodul kann insbesondere so konfiguriert sein, dass eine Inertgas-Erzeugung in jedem der Inertgaserzeuger derart geregelt wird, dass die Inertgaserzeuger im Wesentlichen gleich lange Betriebslaufzeiten aufweisen. Hierzu wird bevorzugt bei Erhalt einer Inertgasanforderung der Inertgaserzeuger mit der kleinsten Betriebslaufzeit angesteuert. Die Angleichung der Betriebslaufzeiten erhöht die Ausfallsicherheit und sorgt für eine gute Auslastung des Steuerungs- und Regelungssystems. Außerdem können die Inertgaserzeuger zu gleichen Zeitpunkten gewartet bzw. ihre auslastungsabhängig degradierenden Komponenten wie Membranen oder Kohlenstoffmolekularsiebe gleichzeitig ausgetauscht werden, was den Wartungsaufwand der Sauerstoffreduzierungsanlage verringert.
  • Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft eine Sauerstoffreduzierungsanlage, insbesondere Brandschutzanlage, mit einem zuvor beschriebenen Steuerungs- und Regelungssystem.
  • Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird außerdem ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer zuvor beschriebenen Sauerstoffreduzierungsanlage, angegeben, wobei ein oder mehrere Reglermodule konfiguriert werden, um wenigstens eine der folgenden Regelungsfunktionen auszuführen:
    • eine Steuerung bzw. Regelung des Inertgaserzeugers,
    • eine Auswertung eines Sauerstoffkonzentrationssignals des Sauerstoffkonzentrationssensors und
    • eine Ansteuerung des Aktors zur Freisetzung von Inertgas.
  • Dabei werden den einzelnen Reglermodulen im laufenden Betrieb unterschiedliche Regelungsfunktionen zugewiesen, wobei bei Ausfall eines Reglermoduls dessen Regelungsfunktion automatisiert von einem anderen Reglermodul übernommen wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
    • Fig. 1a
    eine schematische Darstellung einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem Steuerungs- und Regelungssystem gemäß dem Stand der Technik;
    Fig. 1b
    eine auf die signaltechnischen Verbindungen reduzierte schematische Darstellung eines Steuerungs- und Regelungssystems einer Sauerstoffreduzierungsanlage gemäß dem Stand der Technik;
    Fig. 2a
    eine schematische Darstellung einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit zwei Reglermodulen;
    Fig. 2b
    eine auf die signaltechnischen Verbindungen reduzierte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystems einer Sauerstoffreduzierungsanlage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit zwei Reglermodulen;
    Fig. 3a
    eine schematische Darstellung einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystem gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel mit vier Reglermodulen;
    Fig. 3b
    eine auf die signaltechnischen Verbindungen reduzierte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystems einer Sauerstoffreduzierungsanlage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit vier Reglermodulen;
    Fig. 4a
    eine schematische Darstellung einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystem gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel mit sechs Reglermodulen;
    Fig. 4b
    eine auf die signaltechnischen Verbindungen reduzierte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystems einer Sauerstoffreduzierungsanlage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit sechs Reglermodulen;
    Fig. 5a
    eine schematische Darstellung einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystem nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel mit sechs Reglermodulen und Feldstichleitungen; und
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung einer Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystem nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel mit erweiterter Kommunikation.
  • Die Figuren 1a, 2a, 3a, 4a, 5a und 6 zeigen grundsätzlich gleich aufgebaute Sauerstoffreduzierungsanlagen, die als präventive Brandschutzanlagen der Überwachung und Regelung der Sauerstoffkonzentration in Schutzbereichen 10 dienen. Die wichtigsten Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage sind Inertgaserzeuger 30a, 30b. Der Inertgaserzeuger 30a ist in den Figuren als Membranstickstofferzeuger ausgeführt und umfasst im Wesentlichen
    • ▪ einen Kompressor 33 zum Verdichten von Umgebungsluft;
    • ▪ einen Drucksensor 31b zum Erfassen des Drucks der verdichteten Umgebungsluft;
    • ▪ eine Membran 36 zum Trennen der Umgebungsluft in sauerstoffangereicherte Luft, die über eine nicht gezeigte Leitung abgeführt wird, und stickstoffangereicherte Luft, die über eine Stickstoffleitung 37 in einen der Schutzbereiche 10 eingeleitet wird; und
    • ▪ einen Sauerstoffkonzentrationssensor 31a zum Messen des Restsauerstoffgehalts der stickstoffangereicherten Luft.
  • Optional kann anstelle des Sauerstoffkonzentrationssensors 31a oder zusätzlich ein Volumenstromsensor stromabwärts der Membran 36 vorgesehen sein.
  • Der Inertgaserzeuger 30b ist in den Figuren als Druckwechseladsorptions-Stickstofferzeuger ausgeführt und umfasst im Wesentlichen
    • ▪ einen Kompressor 33 zum Verdichten von Umgebungsluft;
    • ▪ einen Drucksensor 31b zum Erfassen des Drucks der verdichteten Umgebungsluft;
    • ▪ Adsorbensbehälter 34, beispielsweise mit einem Kohlenstoffmolekularsieb, zum Trennen der Umgebungsluft in sauerstoffangereicherte Luft, die über eine nicht gezeigte Leitung abgeführt wird, und stickstoffangereicherte Luft, die über eine Stickstoffleitung 37 in einen der Schutzbereiche 10 eingeleitet wird;
    • ▪ einen Pufferbehälter 35 zum Zwischenspeichern der stickstoffangereicherten Luft;
    • ▪ Ventile 32 zum abwechselnden Zuführen der Umgebungsluft in die Adsorbensbehälter 34 bzw. der stickstoffangereicherten Luft von den Adsorbensbehältern 34 in den Pufferbehälter 35;
    • ▪ einen Drucksensor 31b zum Erfassen des Drucks der stickstoffangereicherten Luft; und
    • ▪ einen Sauerstoffkonzentrationssensor 31a zum Messen des Restsauerstoffgehalts der stickstoffangereicherten Luft.
  • Optional kann anstelle des Sauerstoffkonzentrationssensors 31a oder zusätzlich ein Volumenstromsensor stromabwärts des Pufferbehälters 35 vorgesehen sein.
  • Die von den Inertgaserzeugern 30a, 30b generierte stickstoffangereicherte Luft wird über Bereichsventile 41 bedarfsweise in die Schutzräume 10 eingeleitet, um dort den Sauerstoffanteil der in den Schutzräumen 10 befindlichen Luft zu senken. Mit Sauerstoffkonzentrationssensoren 40 wird der Sauerstoffanteil in den Schutzräumen 10 sowie beispielsweise auch in Überwachungsräumen 11, z.B. in einem benachbarten Flur, oder im Maschinenraum 12, in welchem sich die Inertgaserzeuger 30a, 30b befinden, überwacht. Bei kritischen Umgebungsbedingungen, beispielsweise einem unter einen Schwellwert sinkenden Sauerstoffgehalt, werden in dem betroffenen Bereich sowie eventuell auch in anderen Bereichen Alarmmittel 42 aktiviert, um ggf. anwesende Personen zu warnen. Selbstverständlich sind auch weitere Sensoren, beispielsweise Temperatur-, Feuchtigkeits- und Gassensoren, in den Schutzbereichen 10, Überwachungsbereichen 11 und Maschinenräumen 12 sowie an den Inertgaserzeugern 30a, 30b denkbar. Ebenso können weitere Aktorarten wie etwa Stellantriebe Teil der Sauerstoffreduzierungsanlage sein. Über ein Bedienpanel 43 als Mensch-Maschine-Schnittstelle können Steuerungs- und Regelungsfunktionen der Sauerstoffreduzierungsanlage überwacht und beeinflusst werden.
  • Die Figuren 1a bis 6 zeigen unterschiedliche Steuerungs- und Regelungssysteme, um den Betrieb der Sauerstoffreduzierungsanlage zu ermöglichen. Dabei zeigen die Figuren 1a, 2a, 3a, 4a und 5a die Steuerungs- und Regelungssysteme im Zusammenhang mit den weiteren Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage. Die Figuren 1b, 2b, 3b, 4b und 5b zeigen hingegen nur die signaltechnischen Verbindungen der Steuerungs- und Regelungssysteme mit Sensoren und Aktoren. Sie sollen damit der besseren Übersichtlichkeit über die Architektur des jeweiligen Steuerungs- und Regelungssystems dienen.
  • Die Figuren 1a und 1b zeigen ein Steuerungs- und Regelungssystem einer Sauerstoffreduzierungsanlage nach dem Stand der Technik. Bislang wurden derartige Systeme für Sauerstoffreduzierungsanlagen mit einer Steuerzentrale 20 realisiert, die mittels Feld-Stichleitungen 50 sternförmig mit den einzelnen Sensoren 31a, 31b, 40, Aktoren 32, 33, 41 und Alarmmitteln 42 verbunden ist. Wie man den Figuren 1a und 1b deutlich entnehmen kann, führen die einzelnen Verbindungen zwischen der Steuerzentrale 20 und den Sensoren 31a, 31b, 40, Aktoren 32, 33, 41 und Alarmmitteln 42 zu einer komplexen Leitungsarchitektur mit unter anderem einer großen Anzahl an Einzelleitungen, hohen Leitungslängen und einer dadurch bedingten erhöhten Störanfälligkeit. Die Steuerzentrale 20 selbst muss mit einer hohen Rechenleistung und zahlreichen Schnittstellen ausgelegt sein, um alle Steuerungs- und Regelungsfunktionen zuverlässig ausführen zu können. Nachträgliche Erweiterungen und Umkonfigurationen erweisen sich ebenso wie die Fehlersuche bei Störungsmeldungen als aufwendig und somit zeit- und kostenintensiv.
  • In den Fig. 2a bis 6 sind Varianten des erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungssystems gezeigt. Alle Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen mindestens zwei Reglermodule 21, 22, 23, 24, 25, auf die eine oder mehrere Regelungsfunktionen des Steuerungs- und Regelungssystems dezentral verteilt sind. Die Reglermodule 21, 22, 23, 24, 25 sind vorzugsweise standardisiert aufgebaut, weisen also im Wesentlichen identische Hardwarekomponenten auf. Insbesondere umfassen die Reglermodule 21, 22, 23, 24, 25 jeweils gleichartige oder gleichwertige Controller sowie zumindest teilweise gleichartige oder gleichwertige Kommunikationsschnittstellen. Die Reglermodule 21, 22, 23, 24, 25 sind untereinander signalverbunden und vorzugsweise unterschiedlich konfiguriert. Insbesondere können unterschiedliche Regelungsfunktionen auf die einzelnen Reglermodule 21, 22, 23, 24, 25 aufgeteilt sein.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2a, 2b zeigt beispielsweise ein Steuerungs- und Regelungssystem mit zwei Reglermodulen 22, 24. Dabei ist insbesondere ein Kombiregler 24 voregsehen, der die Regelungsfunktionen eines Bereichsreglers und eines Masterreglers kombiniert und somit einerseits die Überwachung der Sauerstoffkonzentrationsniveaus in den Schutzbereichen 10 und andererseits die Koordination der Kommunikation zwischen den Reglermodulen 22, 24 und den weiteren Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage vornimmt. Bei dem weiteren Reglermodul handelt es sich um ein als Prozessregler 22 konfiguriertes Reglermodul zur Steuerung bzw. Regelung der Inertgaserzeugung mittels der beiden Inertgaserzeuger 30a, 30b. Der Kombiregler 24 und der Prozessregler 22 sind räumlich voneinander getrennt. Der Prozessregler 22 befindet sich im Maschinenraum 12, in dem auch die beiden Inertgaserzeuger 30a, 30b angeordnet sind. Der Kombiregler 24 hingegen befindet sich in einem gesonderten Technikraum 13. Durch die räumliche Trennung der beiden Reglermodule 22, 24 werden die Ausfallsicherheit erhöht, Leitungslängen verkürzt und die Zugänglichkeit der Reglermodule 22, 24 verbessert.
  • Für seine Bereichsreglerfunktion ist der Kombiregler 24 mit Sauerstoffkonzentrationssensoren 40 und Alarmmitteln 42 in den Schutzbereichen 10 sowie dem Überwachungsbereich 11 verbunden. Mithilfe der Sauerstoffkonzentrationssensoren 40 ermittelt der Kombiregler 24 die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre der Schutzbereiche 10 und des Überwachungsbereichs 11. Im Hinblick auf die Regelung der Sauerstoffkonzentration in den Schutzbereichen 10 übermittelt der Kombiregler 24 einen Stickstoffbedarf an den Prozessregler 22, der die Inertgaserzeugung an den übermittelten Stickstoffbedarf anpasst und die Einleitung der stickstoffangereicherten Luft beispielsweise über die Ansteuerung der Bereichsventile 41 koordiniert. Alternativ könnten die Bereichsventile von einem Bereichsregler aktiviert werden, sobald dieser eine Stickstoffanforderung erkennt. Der Prozessregler 22 ist wiederum mit Druck- und Sauerstoffkonzentrationssensoren 31a, 31b sowie Aktoren wie den Kompressoren 33 und Ventilen 32 der Inertgaserzeuger 30a, 30b signaltechnisch verbunden, um die Inertgaserzeugung zu steuern und zu regeln. Der Prozessregler 22 ist jedoch nicht auf die Funktion der Inertgaserzeugung beschränkt; in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel übernimmt er zudem eine Bereichsreglerfunktion für den Maschinenraum 12, indem er die Sauerstoffkonzentration des Maschinenraums 12 mit einem Sauerstoffkonzentrationssensor 40 überwacht und ggf. bei Unterschreiten eines Sauerstoffschwellwerts, das auf eine Leckage der Inertgaserzeuger 30a, 30b hindeuten kann, Alarmmittel 42 in dem Maschinenraum 12 ansteuert. Durch diese höchst individuelle, an unterschiedlichste Anforderungen anpassbare Konfiguration der Reglermodule 22, 24 können die Funktionen des Steuerungs- und Regelungssystem bedarfsgerecht und hinsichtlich der Leitungsarchitektur optimal verteilt werden.
  • Im Unterschied zum Stand der Technik sind die Verbindungswege zwischen den Reglermodulen 22, 24 und den zugehörigen Sensoren 31a, 31b, 40, Aktoren 32, 33, 41 und Alarmmitteln 42 als Feld-Ringleitungen 51 ausgeführt. Durch die ringförmige Ausgestaltung können Leitungswege eingespart werden, zudem erhöht sich die Ausfallsicherheit durch redundante Verbindungswege. Die Kommunikation über die Feld-Ringleitungen 51 kann beispielsweise über einen CAN-Bus oder RS485 mit CANopen-, Profibus- oder RTU-Modbus-Protokoll erfolgen. Der Kombiregler 24 und der Prozessregler 22 kommunizieren zudem über eine zusätzliche Regler-Ringleitung 52, die beispielsweise als Ethernet-Verbindung ausgeführt ist. Der Kombiregler 24 ist außerdem stichförmig mit dem Bedienpanel 43 verbunden, über das ein Benutzer die Steuerungs- und Regelungsfunktionen überwachen und beeinflussen kann.
  • Die Figuren 3a, 3b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei insgesamt vier Reglermodule 21, 25 vorgesehen sind. Zwei Reglermodule bilden jeweils einen Masterregler 21. Diese sind miteinander signalverbunden, insbesondere über eine Regler-Ringleitung 52. In der Regler-Ringleitung 52 befinden sich zudem zwei Kombiregler 25, die in diesem Ausführungsbeispiel die Funktionen eines Bereichs- und eines Prozessreglers kombinieren. Die Masterregler 21 und die Kombiregler 25 sind in diesem Fall als redundante Reglermodule 21, 25 ausgebildet, die jeweils für sich eine Reglergruppe bilden und durch die redundante Ausführung eine erhöhte Ausfallsicherheit bieten. Die Kombiregler 25 sind über Feld-Ringleitungen 51 mit den Sensoren 31a, 31b, 40, Aktoren 32, 33, 41 und Alarmmitteln 42 der Inertgaserzeuger 30a, 30b, der Schutzbereiche 10, des Überwachungsbereichs 11 und des Maschinenraums 12 signaltechnisch verbunden. Sie koordinieren somit die Inertgaserzeugung mittels der Inertgaserzeuger 30a, 30b sowie die Überwachung und Regelung der Sauerstoffkonzentration in den einzelnen Bereichen 10, 11, 12. Die Masterregler 21 im Technikraum 13 sind hingegen für die Koordination der Kommunikation der Reglermodule 21, 25 sowie für die Anzeige von Störungs- und Alarmmeldungen bzw. den Empfang von Benutzereingaben mittels des Bedienpanels 43 zuständig. Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3a, 3b zeichnet sich insgesamt durch eine hohe Redundanz und somit Betriebssicherheit aus. Bei Ausfall eines der Reglermodule 21, 25 kann ein nicht nur gleich aufgebautes, sondern auch gleich konfiguriertes Reglermodul 21, 25 die Funktionen des anderen Reglermoduls 21, 25 in vollem Umfang übernehmen. Durch die jeweils zwei Ringleitungen, die beide redundante Reglermodule 21, 25 miteinander teilen, kann jedes Reglermodul 21, 25 ohne Umwege direkt auf die Sensoren 31a, 31b, 40, Aktoren 32, 33, 41 und Alarmmittel 42 des anderen Reglermoduls 21, 25 zugreifen.
  • Die Figuren 4a, 4b zeigen eine ähnliche Architektur eines Steuerungs- und Regelungssystems nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel. Konkret weist das Steuerungs- und Regelungssystem gemäß Fig. 4 ebenfalls zwei Masterregler 21 im Technikraum 13 auf, die miteinander signalverbunden sind und eine redundante Reglergruppe bilden. Die Masterregler 21 sind für die Koordination der Kommunikation der Reglermodule 21, 22, 23 sowie für die Anzeige von Störungs- und Alarmmeldungen bzw. den Empfang von Benutzereingaben mittels des Bedienpanels 43 zuständig. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3a, 3b ist kein Kombiregler vorgesehen. Stattdessen sind zwei gesonderte Bereichsregler 23 sowie zwei gesonderte Prozessregler 22 in dem Steuerungs- und Regelungssystem enthalten. Die Bereichsregler 23 dienen der Überwachung der Sauerstoffkonzentration in den Schutzbereichen 10 und im Überwachungsbereich 11. Die Bereichsregler 23 sind hierzu mit Sauerstoffkonzentrationssensoren 40 in den Bereichen 10, 11 signalverbunden und können ebenfalls in diesen Bereichen 10, 11 befindliche Alarmmittel 42 in einem Störungs- oder Alarmfall wie etwa einer gesundheitsschädlichen Sauerstoffkonzentration aktivieren. Die Prozessregler 22 dienen der Steuerung und Regelung der Inertgaserzeugung mittels der Inertgaserzeuger 30a, 30b und sind hierzu mit den Druck- und Sauerstoffkonzentrationssensoren 31a, 31b sowie mit den Ventilen 32, den Kompressoren 33 und den Bereichsventilen 41 signalverbunden. Außerdem erfüllen sie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Bereichsreglerfunktion im Hinblick auf den Maschinenraum 12. Die Bereichsregler 23 und die Prozessregler 22 kommunizieren nicht direkt miteinander, sind jedoch über zwei Regler-Ringleitungen 52 gemeinsam an die Masterregler 21 angebunden. Hierbei wird deutlich, dass die Masterregler 21 die Koordination der Kommunikation übernehmen, beispielsweise einen von den Bereichsreglern 23 ermittelten Stickstoffbedarf verarbeiten und an die Prozessregler 22 weiterleiten. Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 4a und 4b zeichnet sich nicht nur durch eine noch höhere Redundanz und Ausfallsicherheit gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3a, 3b aus, sondern zeigt auch eine besondere Eignung für sehr große oder komplexe Sauerstoffreduzierungsanlagen mit einem hohen Steuerungs- und Regelungsbedarf auf den Ebenen der Inertgaserzeugung, Bereichsüberwachung und übergeordneter Kommunikation.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5a, 5b unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 4a, 4b durch die Anbindung der Sensoren 40 und Aktoren 42 bzw. der Inertgaserzeuger 30a, 30b an die Bereichsregler 23 bzw. Prozessregler 22. Konkret sind in diesem Ausführungsbeispiel Feld-Stichleitungen 50 anstelle von Feld-Ringleitungen vorgesehen. Dies erspart die doppelte Anbindung der Sensoren und Aktoren und ist somit vergleichsweise kostengünstig. Außerdem werden in diesem Beispiel die Bereichsventile 41 von den Bereichsreglern 23 angesteuert.
  • Fig. 6 zeigt eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 5a, 5b. Konkret ist das Steuerungs- und Regelungssystem analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5a, 5b ausgebildet. Insgesamt sind zwei redundant ausgelegte Masterregler 21, zwei redundant ausgelegte Bereichsregler 23 und zwei redundant ausgelegte Prozessregler 22 vorgesehen. Die Bereichsregler 23 und Prozessregler 22 sind über Regler-Ringleitungen 52 mit den Masterreglern 21 signaltechnisch gekoppelt.
  • Ergänzend zeigt Fig. 6 weitere Kommunikationsschnittstellen, die an wenigstens einem der Masterregler 21 vorgesehen sein können. Beispielsweise kann der Masterregler 21 eine Eingangsschnittstelle für eine Wetterstation 67 aufweisen. So können aktuelle Umweltbedingungen der Umgebungsatmosphäre, beispielsweise Windgeschwindigkeiten, in die Regelung der Sauerstoffreduzierungsanlage einfließen. Ferner kann ein Signalausgang vorgesehen sein, der mit einer ständig besetzten Stelle 68 kommuniziert. Dadurch können Alarm- und Störungsmeldungen an geeignete Empfänger zur Ergreifung von Gegenmaßnahmen weitergeleitet werden.
  • Ferner können zusätzliche Kommunikationsfunktionen zur Fernwartung oder Fernkonfiguration vorgesehen sein. Beispielsweise steuert ein Kommunikationsumschaltgerät ("Switch") 60 die Kommunikation zu unterschiedlichen externen Geräten, etwa zu einem Ferndiagnosemodul 63, welches wiederum mit einem WLAN-Router 64 oder über das Internet 65 mit einem externen Remote Support-PC 66 verbunden sein kann, oder zu einem lokalen Support-PC 62. Eine ebenfalls lokal befindliche Datenspeicher- und Auswerteeinheit 61, z.B. ein Industrie-PC oder Server, kann zum Loggen aller Betriebsdaten und insbesondere zur Langzeitauswertung von Systemdaten wie etwa Regelungsparametern, Sensordaten, Umweltdaten, Energieverbrauchsdaten und/oder Status-, Stör- und Alarmmeldungen dienen. Dadurch ist beispielsweise eine vorausschauende Wartung oder die Ermittlung von relevanten Wartungsintervallen möglich.
  • Im Allgemeinen kann das Steuerungs- und Regelungssystem gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen nahezu beliebig erweitert werden. Insbesondere können mehrere Masterregler 21, mehrere Bereichsregler 23, mehrere Prozessregler 22 und/oder mehrere Kombiregler 24, 25 vorgesehen sein. Bezugszeichenliste
    10 Schutzbereich 36 Membran
    11 Überwachungsbereich 37 Stickstoffleitung
    12 Maschinenraum 40 Sauerstoffkonzentrationssensor
    13 Technikraum 41 Bereichsventil
    20 Steuerzentrale 42 Alarmmittel
    21 Masterregler 43 Bedienpanel
    22 Prozessregler 50 Feld-Stichleitung
    23 Bereichsregler 51 Feld-Ringleitung
    24 Kombiregler (Master-/Bereichsregler) 52 Regler-Ringleitung
    25 Kombiregler (Prozess-/Bereichsregler) 60 Switch
    30a Membran-Stickstofferzeuger 61 Industrie-PC
    30b Druckwechseladsorptions-Stickstofferzeuger 62 Support-PC
    31a Sauerstoffkonzentrationssensor 63 Ferndiagnosemodul
    31b Druck-Sensor 64 WLAN-Router
    32 Ventil 65 Internet
    33 Kompressor 66 Remote Support-PC
    34 Adsorbensbehälter 67 Wetterstation
    35 Pufferbehälter 68 Ständig besetzte Stelle

Claims (15)

  1. Steuerungs- und Regelungssystem einer Sauerstoffreduzierungsanlage zum Absenken und Halten eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in mindestens einem umschlossenen Schutzbereich, mit:
    - mindestens einem Inertgaserzeuger (30a, 30b),
    - mindestens einem Sauerstoffkonzentrationssensor (31a, 40),
    - mindestens einem Aktor (32, 33, 41) zur Freisetzung von Inertgas,
    wobei das Steuerungs- und Regelungssystem mehrere miteinander signalverbundene Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) aufweist, die jeweils derart konfiguriert oder konfigurierbar sind, dass eine oder mehrere Regelungsfunktionen ausführbar sind, wobei die Regelungsfunktionen auf wenigstens zwei miteinander signalverbundene Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) dezentral verteilt sind,
    wobei ein Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) als ein Masterregler (21) zur Koordination der Kommunikation zwischen Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage und/oder zur Koordination der Kommunikation zu externen Stellen der Sauerstoffreduzierungsanlage konfiguriert ist, ist,
    wobei ein Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) als ein Bereichsregler (23) zur Überwachung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in einem umschlossenen Überwachungsbereich (11) und/oder Regelung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in mindestens einem umschlossenen Schutzbereich (10) konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) dynamisch im laufenden Betrieb konfigurierbar sind, wobei insbesondere ein erstes Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) eine oder mehrere Regelungsfunktionen eines zweiten Reglermoduls (21, 22, 23, 24, 25) übernehmen kann und umgekehrt.
  2. Steuerungs- und Regelungssystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) modular miteinander kombinierbar sind, wobei die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) jeweils durch geeignete Benutzereingaben über eine Eingabeschnittstelle unterschiedlich konfiguriert oder konfigurierbar sind.
  3. Steuerungs- und Regelungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) jeweils derart konfiguriert oder konfigurierbar sind, dass durch jeweils wenigstens ein Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) wenigstens eine der folgenden Regelungsfunktionen ausführbar ist:
    a) eine Steuerung bzw. Regelung der Inertgaserzeugung, insbesondere durch
    - Ein- und Ausschalten des mindestens einen Inertgas-Erzeugers (30a, 30b) und/oder
    - Auswertung von Sensorsignalen, insbesondere des mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensors (31a, 40) und/oder von weiteren, dem mindestens einen Inertgas-Erzeuger (30a, 30b) zugeordneten Gas-, Temperatur-, Volumenstrom- und/oder Drucksensoren (31b) und/oder
    - Ansteuern von Aktoren (32, 33, 41) des mindestens einen Inertgas-Erzeugers (30a, 30b);
    b) eine Überwachung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in einem umschlossenen Überwachungsbereich (11) und/oder eine Steuerung bzw. Regelung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in dem mindestens einen umschlossenen Schutzbereich (10), insbesondere durch
    - Auswertung von Sensorsignalen, insbesondere des mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensors (31a, 40) und/oder von weiteren Gas-, Temperatur-, Volumenstrom- und/oder Druck-Sensorsignalen von in dem mindestens einen umschlossenen Überwachungs- (11) und/oder Schutzbereich (10) angeordneten Sensoren und/oder Auswertung von Signalen von in dem Überwachungs- und/oder Schutzbereich (10) angeordneten Türöffnungskontakten und/oder
    - Anforderung einer Inertgas-Menge von dem mindestens einen Inertgas-Erzeuger (30a, 30b) und/oder
    - Ansteuern von Aktoren in dem mindestens einen umschlossenen Überwachungs- (11) und/oder Schutzbereich (10) und/oder
    - Ansteuern von Anzeigen in oder an dem mindestens einen umschlossenen Überwachungs- und/oder Schutzbereich (10), insbesondere zur Anzeige von Sauerstoffkonzentrationsmesswerten und/oder
    - Ansteuerung von akustischen und/oder optischen Alarmmitteln (42) im Alarmfall;
    c) eine Koordination der Kommunikation zwischen Komponenten der Sauerstoffreduzierungsanlage und/oder eine Koordination der Kommunikation zu externen Stellen der Sauerstoffreduzierungsanlage, insbesondere durch
    - Verteilung von Anforderungen an Inertgas-Mengen auf mehrere Inertgas-Erzeuger (30a, 30b) nach vordefinierten Kriterien und/oder
    - Sammeln und Auswerten wenigstens eines Status-, Störungs- und/oder Alarmsignals mindestens eines Reglermoduls (21, 22, 23, 24, 25) und/oder
    - Erzeugung wenigstens einer Status-, Störungs- und/oder Alarmmeldung, insbesondere zur Anzeige auf einem Bedienpanel (43) und/oder zur Weiterleitung an eine externe, insbesondere ständig besetzte, Stelle (68) und/oder
    - Ansteuern von Anzeigen, insbesondere zur Anzeige von Sensormesswerten und/oder
    - Bereitstellung eines Fernzugriffs auf die Sauerstoffreduzierungsanlage.
  4. Steuerungs- und Regelungssystem nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) ein Prozessregler (22) zur Steuerung bzw. Regelung der Inertgaserzeugung vorgesehen ist.
  5. Steuerungs- und Regelungssystem nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere Überwachungs- (11) und/oder Schutzbereiche (10) vorgesehen sind, wobei
    - jedem Schutzbereich (10) wenigstens ein Bereichsregler (23) zur Steuerung bzw. Regelung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in dem Schutzbereich (10) und/oder
    - jedem Überwachungsbereich (11) wenigstens ein Bereichsregler (23) zur Überwachung eines Sauerstoffkonzentrationsniveaus in dem Überwachungsbereich (11)
    zugeordnet ist.
  6. Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) ein Kombiregler (24, 25) vorgesehen ist, der Regelungsfunktionen von wenigstens zwei Reglermodulen (21, 22, 23, 24, 25) umfasst, die als Masterregler (21), als Bereichsregler (23) oder als Prozessregler (22) ausgebildet bzw. konfiguriert oder konfigurierbar sind.
  7. Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens zwei Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) einen identischen Funktionsumfang aufweisen und so miteinander signalverbunden sind, dass eine in sich redundante Reglergruppe gebildet ist.
  8. Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25), insbesondere die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) einer Reglergruppe, jeweils derart ausgebildet und miteinander signalverbunden sind, dass ein Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) bei Ausfall und/oder bei Überlastung eines anderen Reglermoduls (21, 22, 23, 24, 25) dessen Regelungsfunktion oder Regelungsfunktionen automatisiert übernimmt.
  9. Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    einzelne Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) und/oder Reglergruppen räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
  10. Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) mit einer Datenspeicher- und Auswerteeinheit (61) signalverbunden oder signalverbindbar sind derart, dass eine Langzeitspeicherung und - auswertung von Systemdaten, insbesondere von Regelungsparametern, Sensordaten, Umweltdaten, Energieverbrauchsdaten und/oder Status-, Stör- und Alarmmeldungen, durchführbar ist.
  11. Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) jeweils eine Peripherieerkennungsfunktion aufweisen derart, dass die Art und Funktionsweise an das jeweilige Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) angeschlossener Sauerstoffkonzentrationssensoren (31a, 40) und/oder Aktoren (32, 33, 41) und/oder weiterer Sensoren (31b) automatisiert erkennbar ist.
  12. Steuerungs- und Regelungssystem nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) selbstkonfigurierend ausgebildet sind derart, dass anhand der jeweiligen Art und Funktionsweise der angeschlossenen Sauerstoffkonzentrationssensoren (31a, 40) und/oder Aktoren (32, 33, 41) und/oder weiterer Sensoren (31b) oder anhand ihrer Input/Output-Schnittstellen Regelungsfunktionen automatisiert aktiviert und/oder deaktiviert werden.
  13. Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das wenigstens eine Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25), insbesondere der Prozessregler (22) und/oder der Masterregler (21), derart konfiguriert ist, dass eine Verteilung des Inertgases nach vorbestimmten Kriterien derart erfolgt, dass mehrere Inertgas-Erzeuger (30a, 30b) im Wesentlichen gleich lange Betriebslaufzeiten aufweisen.
  14. Sauerstoffreduzierungsanlage, insbesondere Brandschutzanlage, mit einem Steuerungs- und Regelungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  15. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Sauerstoffreduzierungsanlage nach Anspruch 14, wobei ein oder mehrere Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) konfiguriert werden, um wenigstens eine der folgenden Regelungsfunktionen auszuführen:
    - eine Steuerung bzw. Regelung des Inertgas-Erzeugers (30a, 30b),
    - eine Auswertung eines Sauerstoffkonzentrationssignals des Sauerstoffkonzentrationssensors (31a, 40) und
    - eine Ansteuerung des Aktors (32, 33, 41) zur Freisetzung von Inertgas;
    wobei den einzelnen Reglermodulen (21, 22, 23, 24, 25) im laufenden Betrieb unterschiedliche Regelungsfunktionen zugewiesen werden, und wobei die Reglermodule (21, 22, 23, 24, 25) jeweils derart ausgebildet und miteinander signalverbunden sind, dass bei Ausfall eines Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) dessen Regelungsfunktionen automatisiert von einem anderen Reglermodul (21, 22, 23, 24, 25) übernommen werden.
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