Система управления и способ управления системой распределения текучей среды - RU2726767C1

Чертежи

Показать все 22 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[01] Настоящее изобретение относится к системе управления и способу управления системой распределения текучей среды, в частности, для использования в системе отопления, охлаждения, вентиляции и/или кондиционирования (HVAC) здания.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[02] Например, система распределения текучей среды может представлять собой жидкостную систему для переноса тепловой энергии и/или систему водоснабжения для подачи воды от источника к потребителю. Обычно такие системы распределения текучей среды содержат по меньшей мере два ответвления к потребителям, расположенных параллельно друг другу, причем каждое из ответвлений к потребителям содержит по меньшей мере один потребляющий элемент для потребления текучей среды и/или тепловой энергии. Ответвления к потребителям могут питаться подающим ответвлением, причем подающее ответвление содержит источник для обеспечения общего расхода текучей среды и/или тепловой энергии.

[03] Проблема заключается в распределении общего расхода текучей среды и/или тепловой энергии между параллельными ответвлениями к потребителям таким образом, чтобы ни одно ответвление к потребителю не испытывало недостаточную подачу. Например, во время запуска системы отопления утром после холодной ночи общая потребность в тепловой энергии может превышать общий доступный расход тепловой энергии в течение некоторого периода времени. Вполне вероятно, что некоторые ответвления к потребителям будут получать максимальный расход тепловой энергии, в то время как другие ответвления к потребителям будут получать минимальный или нулевой расход тепловой энергии, несмотря на высокую потребность с их стороны.

[04] В документе WO 2016/087057 A1 описана система балансировки системы отопления, в которой строят гидравлическую модель системы отопления в испытаниях только с одной открытой гидравлической линией за раз. На основе гидравлической модели регулируют балансировочные клапаны гидравлических линий для соответствия желаемому расходу для каждой гидравлической линии. Таким образом, прежде всего предотвращается недостаточная подача в гидравлические линии при условии, что гидравлическая модель соответствует реальной системе отопления.

[05] Система, описанная в документе WO 2016/087057 A1, имеет недостаток, заключающийся в том, что она не может автоматически распознавать, соответствует ли гидравлическая модель реальной системе отопления или нет. Гидравлическую модель необходимо строить заново регулярно и/или по команде пользователя для того, чтобы она сохраняла свою актуальность в отношении реальной системы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[06] Система управления в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает автоматическое решение без построения гидравлической модели, которая требует регулярных обновлений.

[07] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения обеспечена система управления для управления системой распределения текучей среды, причем система распределения текучей среды содержит по меньшей мере два ответвления к потребителям, расположенных параллельно друг другу, причем каждое из по меньшей мере двух ответвлений к потребителям содержит по меньшей мере один потребляющий элемент для потребления текучей среды и/или тепловой энергии, по меньшей мере одно устройство регулировки ответвления к потребителю, выполненное с возможностью приема значения управления для регулировки расхода текучей среды и/или тепловой энергии через соответствующее ответвление к потребителю, и по меньшей мере один датчик для обеспечения измеренного значения соответствующего ответвления к потребителю. Система управления содержит:

модуль вычисления насыщения, выполненный с возможностью обеспечения значения насыщения для каждого работающего ответвления к потребителю, причем значение насыщения указывает степень насыщения соответствующего ответвления к потребителю, и

модуль компенсации насыщения, выполненный с возможностью приема значений насыщения и изменения опорного значения, причем измененное опорное значение основано на первоначальном опорном значении и значениях насыщения от всех ответвлений к потребителям, так что по меньшей мере одно устройство регулировки ответвления к потребителю каждого работающего ответвления к потребителю выполнено с возможностью управления на основе измененного опорного значения и измеренного значения соответствующего ответвления к потребителю, предпочтительно на основе сравнения между ними.

[08] Выражения «насыщение» или «насыщать», используемые в настоящем документе, будут относиться к ситуации, в которой диапазон управления устройства регулировки достигает предела, так что измеренное значение перестает приближаться к целевому значению. При использовании пропорционального, интегрирующего и/или дифференцирующего контроллера (П, И, Д, ПИ или ПИД-контроллера) этот эффект также известен как насыщение интегратора. Контроллер повторно вычисляет значение погрешности, указывающее отклонение между измеренным значением и целевым значением, но значение погрешности больше не может быть уменьшено, когда «насыщение» уже достигнуто. Например, температура больше не может быть увеличена до целевой температуры с помощью ответвления системы отопления, даже когда клапаны в этом ответвлении полностью открыты, и/или насосы в этом ответвлении работают на полную мощность. Следовательно, «насыщение» ответвления к потребителю эквивалентно «недостаточной подаче» этого ответвления к потребителю, так как насыщенное ответвление к потребителю не получает «запрашиваемый» расход текучей среды и/или тепловой энергии.

[09] Это означает, что система, описанная в настоящем документе, обеспечивает некоторого рода механизм управления с распределенной обратной связью, который автоматически обнаруживает насыщение ответвления к потребителю, которое уже произошло или вот-вот произойдет, и затем автоматически балансирует расход между всеми открытыми ответвлениями к потребителям для компенсации насыщения или недостаточной подачи. Эта автоматическая балансировка может происходить за счет немного меньшей суммы расходов текучей среды и/или тепловой энергии через все открытые ответвления к потребителям, но гарантирует, что ни одно из открытых ответвлений к потребителям не будет испытывать недостаточную подачу.

[10] Опционально, по меньшей мере одно из устройств регулировки ответвлений к потребителям может представлять собой насос или регулировочный клапан. Опционально, по меньшей мере один из датчиков может представлять собой датчик температуры, датчик давления и/или датчик расхода. Опционально, по меньшей мере одно устройство регулировки ответвления к потребителю выполнено с возможностью управления в замкнутом контуре в соответствии со значением управления. Выражение «замкнутый контур» в настоящем документе означает, что влияние значения управления на расход и, таким образом, отклонение измеренного значения от измененного опорного значения используется в качестве значения обратной связи, которое должно быть минимизировано. Таким образом, контроллер устройства регулировки расхода, т.е. насоса и/или клапана, может быть обозначен как контроллер обратной связи. Управление в замкнутом контуре не инициируется событием, а по существу является непрерывным или регулярным, это означает, что также во время «стабильной» работы системы распределения расхода контроллеры по существу непрерывно или регулярно принимают и/или определяют отклонение измеренного значения от (измененного) опорного значения и по существу непрерывно или регулярно адаптируют расходы соответствующим образом. Расходы могут стабилизироваться, когда отклонение близко к нулю или минимально, что указывает отсутствие «недостаточной подачи». Относительно высокое отклонение в течение определенного периода времени указывает недостаточную подачу.

[11] В случае, когда одно ответвление к потребителю испытывает недостаточную подачу, модуль вычисления насыщения может вычислять значение насыщения, которое указывает высокую степень насыщения для соответствующего ответвления к потребителю, на основе относительно высокого отклонения принятого измерения датчика температуры от опорной температуры в течение определенного периода времени в этом ответвлении к потребителю. Получив принятое указанное значение насыщения, модуль компенсации насыщения может изменять опорную температуру, причем измененная опорная температура основана на первоначальной опорной температуре и всех вычисленных значениях насыщения. Затем значение управления для каждого ответвления к потребителю может быть изменено соответствующим образом на основе измененной опорной температуры и измеренной температуры соответствующего ответвления к потребителю, предпочтительно на основе сравнения между ними. Фактически, например, в случае системы охлаждения, опорная температура может быть немного увеличена, а общий расход тепловой энергии может быть немного уменьшен путем уменьшения расхода тепловой энергии через одно или более ответвлений, не испытывающих недостаточную подачу. Таким образом, испытывающее недостаточную подачу ответвление получает большую долю расхода тепловой энергии для смягчения ситуации недостаточной подачи в этом ответвлении. Следует отметить, что это может временно вызвать ситуацию недостаточной подачи в другом, более чем в одном или во всех ответвлениях. Первоначальная опорная температура может быть восстановлена во время «стабильной» работы системы распределения расхода без испытывающих недостаточную подачу ответвлений.

[12] Опционально, каждое значение насыщения может быть основано на суммировании отклонений между пороговым значением и значением управления. Например, пороговое значение может представлять собой степень открытия регулировочного клапана 90% или максимальную мощность или скорость насоса 80%. Альтернативно пороговое значение может представлять собой минимальную величину наклона |Δy/Δu|_min или |ΔQ/Δu|_min или |ΔQ/Δy|_min, т.е. минимальное ожидаемое изменение измеренного значения Δy или расхода ΔQ тепловой энергии для определенного изменения значения Δu управления. Значение насыщения может представлять собой суммирование отклонений значения управления с течением времени. Положительные и отрицательные отклонения значения управления от порогового значения предпочтительно суммируются для получения плавного поведения значений насыщения для плавного управления в замкнутом контуре устройством (устройствами) регулировки. По существу, если клапан слишком сильно открыт в течение определенного периода времени, или насос работает на слишком высокой мощности или скорости в течение определенного периода времени, отмечается недостаточная подача или насыщение. Индивидуальный коэффициент усиления может применяться для каждого ответвления к потребителю для суммирования для определения, какую выгоду извлечет насыщенное ответвление к потребителю от других ответвлений к потребителям, которые могут разделить некоторый расход с испытывающим недостаточную подачу ответвлением к потребителю. Индивидуальный коэффициент (коэффициенты) усиления может учитывать разные внутренние вероятности недостаточной подачи для ответвлений к потребителям. Ответвлению к потребителю, которое по существу более подвержено недостаточной подаче, например, из-за расположения дальше от подающего ответвления, может быть присвоен более высокий коэффициент усиления, чем ответвлению к потребителю, которое по существу менее подвержено недостаточной подаче, например, за счет расположения ближе к подающему ответвлению.

[13] Опционально, взвешенная сумма всех значений насыщения может представлять собой относительную или абсолютную величину, причем измененное опорное значение отличается от первоначального опорного значения на указанную относительную или абсолютную величину. Например, первоначальная опорная температура T₀ может быть уменьшена до измененной опорной температуры T_ref в соответствии с взвешенной суммой всех значений насыщения, представляющей относительную величину T_ref/T₀ или абсолютную величину |T_ref-T₀|. Другими словами, взвешенная сумма всех значений насыщения может быть репрезентативна для доли расхода, который должен быть перераспределен от ответвлений, не испытывающих недостаточную подачу, на испытывающие недостаточную подачу ответвления.

[14] Опционально, модуль вычисления насыщения может быть выполнен с возможностью обеспечения значения насыщения для каждого работающего ответвления к потребителю на основе измеренного значения и/или значения управления. Альтернативно или в дополнение, положение клапана может быть определено и использовано в качестве входной переменной для определения значения насыщения. Альтернативно или в дополнение, скорость насоса, мощность насоса и/или давление насоса может быть измерено или оценено и использовано в качестве входной переменной для определения значения насыщения.

[15] Опционально, модуль вычисления насыщения может быть выполнен с возможностью определения, работает ли по меньшей мере одно из ответвлений к потребителям, перед обеспечением значения насыщения. Например, одно или более ответвлений к потребителям может быть полностью закрыто или выйти из строя, и, следовательно, оно не участвует в процессе деления расхода. Вычисление значения насыщения для ответвления к потребителю полезно, только если работает по меньшей мере одно другое ответвление к потребителю, для которого должно быть обеспечено значение насыщения. Соответственно, значение насыщения для этого другого ответвления к потребителю может быть вычислено, а также обеспечено.

[16] Опционально, модуль вычисления насыщения может быть реализован в блоке управления ответвлением к потребителю в каждом из ответвлений к потребителям, причем каждый блок управления ответвлением к потребителю выполнен с возможностью связи со всеми другими блоками управления ответвлениями к потребителям. В таком варианте выполнения механизм управления с обратной связью представляет собой распределенную сеть множества локальных блоков управления ответвлениями к потребителям, которые могут содержать по существу идентичное аппаратное обеспечение. Локальный блок управления ответвлением к потребителю может быть интегрирован в электронику управления насосом насосного узла в ответвлении к потребителю и/или в электронику управления клапаном регулировочного клапана в ответвлении к потребителю.

[17] Опционально, модуль компенсации насыщения может быть реализован в локальном блоке управления ответвлением к потребителю в каждом из ответвлений к потребителям, причем каждый блок управления ответвлением к потребителю выполнен с возможностью управления по меньшей мере одним устройством регулировки ответвления к потребителю соответствующего работающего ответвления к потребителю на основе измененного опорного значения и измеренного значения соответствующего ответвления к потребителю, предпочтительно на основе сравнения между ними. Локальный блок управления ответвлением к потребителю может быть интегрирован в электронику управления насосом насосного узла в ответвлении к потребителю и/или в электронику управления клапаном регулировочного клапана в ответвлении к потребителю. Предпочтительно, как модуль вычисления насыщения, так и блок управления ответвлением к потребителю могут быть интегрированы в электронику управления насосом в корпусе электроники насосного узла. В случае регулировочного клапана как модуль вычисления насыщения, так и модуль компенсации насыщения могут быть интегрированы в электронику управления в корпусе электроники клапана. Альтернативно или в дополнение, модуль вычисления насыщения и/или модуль компенсации насыщения могут быть реализованы в электронике датчика в корпусе датчика по меньшей мере одного датчика в ответвлении к потребителю.

[18] В соответствии с некоторыми вариантами выполнения система распределения текучей среды может содержать подающее ответвление, содержащее по меньшей мере один источник для обеспечения общего расхода текучей среды и/или тепловой энергии и по меньшей мере одно устройство регулировки подающего ответвления для регулировки общего расхода текучей среды и/или тепловой энергии через подающее ответвление, причем подающее ответвление выполнено с возможностью подачи текучей среды и/или тепловой энергии в ответвления к потребителям. Для таких вариантов выполнения модуль компенсации насыщения может быть реализован в блоке управления подающим ответвлением в подающем ответвлении, причем блок управления подающим ответвлением выполнен с возможностью приема значений насыщения от блоков управления ответвлениями к потребителям в каждом работающем ответвлении к потребителю, так что по меньшей мере одно устройство регулировки подающего ответвления выполнено с возможностью управления на основе измененного опорного значения и значения, измеренного датчиком в подающем ответвлении, предпочтительно на основе сравнения между ними.

[19] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения обеспечена система распределения текучей среды, содержащая:

по меньшей мере два ответвления к потребителям, расположенных параллельно друг другу, причем каждое из по меньшей мере двух ответвлений к потребителям содержит по меньшей мере один потребляющий элемент для потребления текучей среды и/или тепловой энергии, по меньшей мере одно устройство регулировки ответвления к потребителю, выполненное с возможностью приема значения управления для регулировки расхода текучей среды и/или тепловой энергии через соответствующее ответвление к потребителю, и по меньшей мере один датчик для обеспечения измеренного значения соответствующего ответвления к потребителю, и

систему управления, описанную выше.

[20] В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения обеспечен способ управления системой распределения текучей среды, причем способ содержит этапы, на которых:

потребляют текучую среду и/или тепловую энергию посредством по меньшей мере одного потребляющего элемента в каждом из по меньшей мере двух ответвлений к потребителям, расположенных параллельно друг другу,

регулируют расход текучей среды и/или тепловой энергии через каждое из ответвлений к потребителям посредством по меньшей мере одного устройства регулировки ответвления к потребителю в каждом ответвлении к потребителю на основе значения управления соответствующего ответвления к потребителю,

обеспечивают измеренное значение для каждого ответвления к потребителю посредством по меньшей мере одного датчика в каждом ответвлении к потребителю,

определяют значение насыщения для каждого ответвления к потребителю, причем значение насыщения указывает степень насыщения соответствующего ответвления к потребителю,

изменяют опорное значение, причем измененное опорное значение основано на первоначальном опорном значении и значениях насыщения от всех ответвлений к потребителям, и

управляют по меньшей мере одним устройством регулировки ответвления к потребителю каждого ответвления к потребителю на основе измененного опорного значения и измеренного значения соответствующего ответвления к потребителю, предпочтительно на основе сравнения между ними.

[21] Опционально, по меньшей мере одно из устройств регулировки ответвлений к потребителям может представлять собой насос или клапан.

[22] Опционально, этап обеспечения измеренного значения для каждого ответвления к потребителю может содержать этап, на котором обеспечивают абсолютное или дифференциальное значение температуры, абсолютное или дифференциальное значение давления и/или абсолютное или дифференциальное значение расхода.

[23] Опционально, определение значения насыщения для каждого ответвления к потребителю может быть основано на измеренном значении и/или значении управления. Альтернативно или в дополнение, положение клапана может быть определено и использовано в качестве входной переменной для определения значения насыщения. Альтернативно или в дополнение, скорость насоса, мощность насоса и/или давление насоса может быть измерено или оценено и использовано в качестве входной переменной для определения значения насыщения.

[24] Опционально, этап регулировки расхода текучей среды и/или тепловой энергии через каждое из ответвлений к потребителям может включать в себя этап, на котором управляют соответствующим устройством регулировки ответвления к потребителю в замкнутом контуре в соответствии со значением управления.

[25] Опционально, этап определения значения насыщения может быть основан на суммировании отклонений между пороговым значением и значением управления.

[26] Опционально, взвешенная сумма всех значений насыщения может представлять собой процентное отношение или абсолютную величину, причем измененное опорное значение отличается от первоначального опорного значения на указанное процентное отношение или указанную абсолютную величину.

[27] Опционально, способ может дополнительно содержать этап, на котором определяют, работает ли по меньшей мере одно из ответвлений к потребителям, перед обеспечением значения насыщения.

[28] Опционально, модуль вычисления насыщения может быть реализован в блоке управления ответвлением к потребителю в каждом из ответвлений к потребителям, причем способ дополнительно содержит этап, на котором посредством каждого блока управления ответвлением к потребителю осуществляют связь со всеми другими блоками управления ответвлениями к потребителям.

[29] Опционально, модуль компенсации насыщения может быть реализован в блоке управления ответвлением к потребителю в каждом из ответвлений к потребителям, причем способ дополнительно содержит этап, на котором управляют по меньшей мере одним устройством регулировки ответвления к потребителю соответствующего работающего ответвления к потребителю на основе измененного опорного значения и измеренного значения соответствующего ответвления к потребителю, предпочтительно на основе сравнения между ними.

[30] Опционально, способ может дополнительно содержать этапы, на которых:

обеспечивают текучую среду и/или тепловую энергию посредством по меньшей мере одного источника в подающем ответвлении, причем подающее ответвление выполнено с возможностью подачи текучей среды и/или тепловой энергии в каждое ответвление к потребителю,

регулируют расход текучей среды и/или тепловой энергии через подающее ответвление посредством по меньшей мере одного устройства регулировки подающего ответвления,

принимают значения насыщения от блоков управления ответвлениями к потребителям в каждом работающем ответвлении к потребителю посредством блока управления подающим ответвлением в подающем ответвлении, и

управляют по меньшей мере одним устройством регулировки подающего ответвления на основе измененного опорного значения и значения, измеренного датчиком в подающем ответвлении, предпочтительно на основе сравнения между ними.

[31] Способ, раскрытый в настоящем документе, может быть реализован в виде скомпилированного или нескомпилированного программного кода, который хранится на машиночитаемом носителе с инструкциями для выполнения способа. Альтернативно или в дополнение, способ может выполняться программным обеспечением в облачной системе и/или системе управления зданием (BMS), например, в системе управления, раскрытой в настоящем документе.

[32] Система и способ управления, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы и интегрированы в локальные децентрализованные блоки управления ответвлениями к потребителям, расположенные в устройствах регулировки ответвлений к потребителям или вблизи них и находящиеся в сообщении с друг с другом по сети. Альтернативно или в дополнение, система и способ управления, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы и интегрированы в по меньшей мере один центральный контроллер, управляющий устройствами регулировки в ответвлениях к потребителям по сети, например, в рамках системы управления зданием (BMS). Также возможна реализация системы и способа управления, описанных в настоящем документе, по меньшей мере частично в удаленной облачной вычислительной среде. Например, по меньшей мере определение и передача значений насыщения могут выполняться в удаленной облачной вычислительной среде. Облачная вычислительная среда может быть особенно предпочтительна в случае географически распространенных систем распределения текучей среды, например, системы коммунального водоснабжения или системы центрального отопления и охлаждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[33] Варианты выполнения настоящего изобретения далее будут описаны в качестве примера со ссылкой на следующие чертежи, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует схематическое изображение системы отопления с четырьмя разными параллельными ответвлениями к потребителям с клапанным управлением в качестве примера системы распределения текучей среды, в которой применимо настоящее изобретение,

Фиг. 2 иллюстрирует схематическое изображение системы отопления с тремя разными параллельными ответвлениями к потребителям с насосным управлением в качестве примера системы распределения текучей среды, в которой применимо настоящее изобретение,

Фиг. 3 иллюстрирует схематическое изображение сети водоснабжения с двумя разными параллельными зонами давления с клапанным управлением в качестве примера системы распределения текучей среды, в которой применимо настоящее изобретение,

Фиг. 4a-d иллюстрируют четыре схематических изображения с разными примерами определения значения насыщения в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 5a-c иллюстрируют три схематических изображения с разными примерами обеспечения измененного опорного значения в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 6 иллюстрирует схематическое изображение примера определения, работает ли по меньшей мере одно ответвление к потребителю, в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 7 иллюстрирует схематическое изображение примера системы управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 8 иллюстрирует схематическое изображение другого примера системы управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 9a-h иллюстрируют восемь схематических изображений разных потребляющих элементов с управлением в замкнутом контуре в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 10 иллюстрирует схематическое изображение примера системы распределения текучей среды с системой управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 11 иллюстрирует схематическое изображение другого примера системы распределения текучей среды с системой управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 12 иллюстрирует схематическое изображение примера модуля компенсации насыщения, реализованного в контроллере давления насоса, в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 13 иллюстрирует схематическое изображение примера модуля компенсации насыщения, реализованного в контроллере перепада давления, в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 14 иллюстрирует схематическое изображение примера системы HVAC в качестве системы распределения текучей среды с системой управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 15 иллюстрирует схематическое изображение примера другой системы HVAC в качестве системы распределения текучей среды с системой управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 16 иллюстрирует схематическое изображение примера модуля компенсации насыщения и модуля вычисления насыщения, реализованных в контроллере кондиционирования воздуха, в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 17 иллюстрирует схематическое изображение примера системы охлаждения без байпаса в качестве системы распределения текучей среды с системой управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 18 иллюстрирует схематическое изображение примера модуля вычисления насыщения, реализованного в контроллере охладителя, в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 19 иллюстрирует схематическое изображение другого примера модуля вычисления насыщения, реализованного в контроллере охладителя, в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 20 иллюстрирует схематическое изображение системы охлаждения с байпасом в качестве системы распределения текучей среды с системой управления в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 21 иллюстрирует схематическое изображение другого примера модуля вычисления насыщения, реализованного в контроллере охладителя, в соответствии с настоящим изобретением, и

Фиг. 22 иллюстрирует схематическое изображение системы водоснабжения в качестве системы распределения текучей среды с системой управления в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[34] Фиг. 1 иллюстрирует систему 1 распределения текучей среды в виде системы отопления, содержащей подающее ответвление 2 с источником 3 в виде источника тепла, например, водогрейного котла. Подающее ответвление 1 дополнительно содержит устройство 5 регулировки подающего ответвления в виде насоса для перекачивания горячей воды через подающее ответвление 1. Четыре разных ответвления 7 к потребителям соединены с подающим ответвлением 1 параллельно друг другу, так что расход горячей воды через подающее ответвление 1 распределяется между четырьмя ответвлениями 7 к потребителям. Каждое из ответвлений 7 к потребителям содержит по меньшей мере одно устройство 9 регулировки ответвления к потребителю в виде клапана и/или насоса. Слева направо на Фиг. 1 первое ответвление 7 к потребителю, второе ответвление 7 к потребителю и четвертое ответвление 7 к потребителю имеют клапан в качестве устройства 9 регулировки ответвления к потребителю для регулировки расхода горячей воды в соответствующее ответвление к потребителю и насос 33 для циркуляции текучей среды в соответствующем ответвлении к потребителю. Третье ответвление 7 к потребителю содержит клапан в качестве устройства 9 регулировки ответвления к потребителю, но не содержит циркуляционный насос. Кроме того, каждое из ответвлений 7 к потребителям содержит по меньшей мере один датчик 11 для обеспечения измеренного значения соответствующего ответвления 7 к потребителю. Слева направо на Фиг. 1 первое ответвление 7 к потребителю, второе ответвление 7 к потребителю и четвертое ответвление 7 к потребителю имеют датчик 11 температуры, тогда как третье ответвление 7 к потребителю имеет датчик 11 перепада давления. Наконец, каждое из ответвлений 7 к потребителям содержит по меньшей мере один потребляющий элемент (не показано на Фиг. 1) на каждое ответвление к потребителю для потребления тепловой энергии, например, радиатор. Первое ответвление 7 к потребителю содержит байпас 12 с обратным клапаном 13 для предотвращения потока горячей воды непосредственно в обратную линию 15 первого ответвления 7 к потребителю. Обратный клапан 13 предотвращает нежелательный обратный поток воды из подающей линии 17 в обратную линию 15 первого ответвления 7 к потребителю. Второе ответвление 7 к потребителю имеет трехходовой клапан 9 в качестве устройства регулировки ответвления к потребителю без необходимости обеспечения дополнительного обратного клапана. Третье ответвление 7 к потребителю без байпаса полностью регулируется клапаном 9, причем перепад dp давления между обратной линией 15 третьего ответвления 7 к потребителю и подающей линией 17 третьего ответвления 7 к потребителю измеряется датчиком 11 перепада давления. Четвертое ответвление 7 к потребителю содержит теплообменник 19 вместо байпаса для передачи тепловой энергии в четвертое ответвление 7 к потребителю.

[35] Важно отметить, что каждое из устройств 9 регулировки ответвлений к потребителям управляется в замкнутом контуре, причем значение, измеренное соответствующим датчиком 11, используется в качестве значения обратной связи для управления в замкнутом контуре. Например, клапаны 9 в первом, втором и четвертом ответвлениях 7 к потребителям могут управляться в замкнутом контуре для установления целевой температуры в подающих линиях 17. Клапан 9 третьего ответвления 7 к потребителю может принимать измеренный перепад давления от датчика 11 и может управляться в замкнутом контуре для установления целевого перепада давления между обратной линией 15 третьего ответвления 7 к потребителю и подающей линией 17 третьего ответвления 7 к потребителю. Управление в замкнутом контуре для каждого ответвления 7 к потребителю пытается минимизировать отклонение или «погрешность» между заданным опорным целевым значением и фактическим значением, измеренным датчиком 11.

[36] Система 1 распределения текучей среды, показанная на Фиг. 1, может столкнуться с проблемой, заключающейся в том, что одно или более ответвлений 7 к потребителям потребляют такую большую часть расхода горячей воды, обеспечиваемого подающим ответвлением 2, что одно или более других ответвлений 7 к потребителям не получают достаточный расход горячей воды для достижения их целей, т.е. они «испытывают недостаточную подачу». Управление в замкнутом контуре этими испытывающими недостаточную подачу ответвлениями 7 к потребителям приведет к ситуации «насыщения», причем отклонение или «погрешность» между заданным опорным целевым значением и фактическим значением, измеренным датчиками 11, не может быть дополнительно уменьшена и «остается» на нежелательно высоком значении. Возникновение такой ситуации «недостаточной подачи» или «насыщения» наиболее вероятно, когда, например, здание прогревается утром при переключении с ночного режима на дневной режим или в ситуациях крайне высокой потребности. В этом отношении отсутствует принципиальная разница между системами отопления и охлаждения, так что проблема принципиально одинакова для систем отопления и охлаждения.

[37] Фиг. 2 иллюстрирует систему 1 отопления, подобную показанной на Фиг. 1, без одного ответвления к потребителю и только с насосами в качестве устройств 9 регулировки ответвлений к потребителям. Фиг. 3 иллюстрирует систему 1 распределения текучей среды в виде системы коммунального водоснабжения с насосной станцией в качестве источника 3 в подающем ответвлении 2 для подачи воды в две параллельные зоны давления в качестве ответвлений 7 к потребителям. Ответвления 7 к потребителям включают в себя домохозяйства в качестве потребляющих элементов 31, потребляющих воду. Давление воды в ответвлениях 7 к потребителям измеряется датчиками 11 давления и регулируется в замкнутом контуре клапанами понижения давления в качестве устройств 9 регулировки ответвлений к потребителям. Система управления в соответствии с настоящим изобретением среди прочего применима в системах 1 распределения текучей среды, показанных на Фиг. 1, 2 и 3, для решения проблемы возникновения ситуаций «недостаточной подачи» или «насыщения».

[38] Концепция, лежащая в основе решения, обеспеченного в настоящем изобретении, заключается не в том, чтобы пытаться «понять» систему 1 распределения текучей среды в испытаниях для моделирования системы для обеспечения возможности регулировки системы с целью предотвращения ситуаций «недостаточной подачи» или «насыщения». Вместо этого концепция заключается в автоматической и быстрой реакции на возникновение или начало ситуаций «недостаточной подачи» или «насыщения» при управлении в замкнутом контуре устройствами регулировки ответвлений к потребителям. Другими словами, значение насыщения, указывающее отклонение или «погрешность» между заданным опорным целевым значением и фактическим измеренным значением, отслеживается с течением времени для каждого ответвления к потребителю, и распределение расхода перераспределяется между ответвлениями к потребителям после определения насыщения.

[39] Для обеспечения возможности отслеживания значения насыщения оно может быть предварительно определено, как показано на Фиг. 4a-d, с четырьмя разными альтернативами. Следовательно, Фиг. 4a-d иллюстрируют четыре примера основных функциональных возможностей модуля 21 вычисления насыщения системы управления в соответствии с настоящим изобретением. В этих примерах входная переменная всегда представляет собой значение u управления для устройства 9 регулировки ответвления к потребителю. Значение u управления может представлять собой, например, значение команды для определенной степени открытия клапана или значение команды для мощности или скорости насоса. Альтернативно или в дополнение, оно может представлять собой измеренную или оценочную степень открытия клапана или измеренную или оценочную мощность или скорость насоса. Альтернативно входная переменная может представлять собой значение отклонения или погрешности между заданным опорным целевым значением и фактическим измеренным значением. Например, погрешность ΔT температуры, при которой контроллер может насыщаться, может быть принята в качестве входных данных для вычисления значения s_i или v_i насыщения.

[40] Входная переменная может представлять собой абсолютное или относительное значение. В показанных примерах значение u управления в качестве входной переменной сравнивается с пороговым значением u_min или u_max. Соответствующий способ определения значения насыщения зависит от вида управления в замкнутом контуре и от того, какое значение насыщения является полезным. На Фиг. 4a пороговое значение u_max представляет собой максимальное значение управления, например, степень открытия клапана в системе отопления 90%. Разница между входной переменной u и пороговым значением u_max умножается на коэффициент a_i усиления и суммируется или интегрируется по времени для получения значения s_iнасыщения. Индекс i здесь обозначает ответвление к потребителю. Если интеграл является отрицательным, значение s_iнасыщения устанавливается на ноль. Коэффициент a_iусиления может быть задан для каждого ответвления к потребителю для учета различий между ответвлениями к потребителям с точки зрения их внутренней подверженности насыщению. Например, ответвление к потребителю, наиболее удаленное от подающего ответвления, может быть по существу более подвержено насыщению, чем ответвление к потребителю, наиболее близкое к подающему ответвлению.

[41] Важно отметить, что суммирование или интегрирование применяется независимо от того, превышено ли пороговое значение u_max или нет. Таким образом, значение s_i насыщения ведет себя плавно и может быть сброшено до нуля, если оно становится отрицательным, и пороговое значение u_max не превышено. Сброс интегратора может быть полезен для предотвращения нарастания до больших отрицательных значений s_i насыщения в стабильной ситуации и для предотвращения снижения чувствительности к насыщению с течением времени.

[42] В модуле 21 вычисления насыщения, показанном на Фиг. 4b, пороговое значение u_min представляет собой минимальное значение управления, например, мощность насоса в системе охлаждения 10%. Для поддержания минимального расхода текучей среды через охладители суммированное значение v_i насыщения является отрицательным и уменьшается при условии, что входное значение u меньше порогового значения u_min. В модуле 21 вычисления насыщения, показанном на Фиг. 4c, отрицательный коэффициент -a_i усиления применяется для достижения положительного значения s_i насыщения при отслеживании u_min, тогда как в модуле 21 вычисления насыщения, показанном на Фиг. 4d, отрицательный коэффициент -a_i усиления применяется для достижения отрицательного значения v_i насыщения при отслеживании u_max. Модули 21 вычисления насыщения, показанные на Фиг. 4a, b, могут быть предпочтительны для большинства вариантов управления в замкнутом контуре. Однако в конкретных случаях могут быть предпочтительны модули 21 вычисления насыщения, показанные на Фиг. 4c, d. Например, когда температура котла должна уменьшаться в зависимости от минимальной степени открытия клапана, может быть предпочтителен модуль 21 вычисления насыщения, показанный на Фиг. 4c. Следует отметить, что пороговые значения u_min и/или u_max могут быть постоянными или могут изменяться с течением времени для любого из модулей 21 вычисления насыщения.

[43] Фиг. 5a-c иллюстрируют три разных примера того, как обрабатывается ситуация насыщения в модуле 23 компенсации насыщения. Любой из модулей 23 компенсации насыщения принимает отрицательные значения v_1…m насыщения и положительные значения s_1…n насыщения в качестве входных переменных от модулей 21 вычисления насыщения для всех ответвлений к потребителям. Отрицательные значения v_1…m насыщения суммируются и умножаются с применением весового коэффициента c_i. Положительные значения s_1…n насыщения аккумулируются и умножаются с применением весового коэффициента b_i. Это приводит к отрицательному сигналу V и положительному сигналу S, которые используются для изменения опорного значения r_i. На Фиг. 5a модуль 23 компенсации насыщения изменяет опорное значение r_i на измененное опорное значение r_i* с применением формулы

где S_max и V_min используются для установления пределов изменения опорного значения r_i. В зависимости от того, что необходимо достигнуть, может быть предпочтительно применение альтернативной формулы

[44] Фиг. 5b иллюстрирует второй пример модуля 23 компенсации насыщения, который изменяет опорное значение r_i на измененное опорное значение r_i* с применением формулы

Опорное значение r_i может представлять собой, например, целевую температуру или целевой перепад давления для i-го ответвления к потребителю. С математической точки зрения работа модуля 23 компенсации насыщения может выглядеть следующим образом:

где S_max и V_min используются для установления пределов изменения опорного значения r_i. В зависимости от того, что необходимо достигнуть, может быть предпочтительно применение альтернативной формулы

[45] Фиг. 5c иллюстрирует третий пример модуля 23 компенсации насыщения, который применяет индивидуальные весовые коэффициенты d_ij и e_ij для суммирования значений v_1…m и s_1…n насыщения для достижения оптимальной балансировки в случае, когда конструктивные условия системы распределения текучей среды известны и параметризованы заданными индивидуальными весовыми коэффициентами d_ij и e_ij. С математической точки зрения работа модуля 23 компенсации насыщения может выглядеть следующим образом:

Таким образом, можно увидеть, что получена сумма минимальных поправочных членов r_i*-r_i к опорному значению, т.е.

где h_i - регулируемый параметр, указывающий важность того, что i-ое ответвление к потребителю не должно насыщаться. Следует отметить, что блок 25 насыщения для применения пределов S_max и V_min, показанный на Фиг. 5a, b, не применяется в модуле 23 компенсации насыщения, показанном на Фиг. 5c. Блок 25 насыщения является опциональным для модуля 23 компенсации насыщения.

[46] Следует понимать, что в случае только положительных сигналов насыщения, существующих в системе по определению, генерация V-сигнала является недействительной. Подобным образом в системе, которая по определению содержит только отрицательные сигналы насыщения, генерация S-сигнала является недействительной. Опорное значение r_i может представлять собой любое опорное значение для ответвления к потребителю в системе распределения текучей среды, например, температуру, расход, давление, потребление тепловой или электрической энергии, скорость электродвигателя, скорость центробежного насоса или т.п. Распределение текучей среды может быть связано с системой HVAC, системой коммунального водоснабжения, системой центрального отопления и охлаждения или водоотведения.

[47] Преимущество вышеописанной конструкции модулей вычисления насыщения и модулей компенсации насыщения заключается в том, что величина, на которую происходит насыщение, масштабируется с своевременной скоростью изменения генерируемого значения насыщения. Таким образом, чем сильнее насыщение, тем быстрее применяется реакция компенсации.

[48] Фиг. 6 иллюстрирует предпочтительные этапы способа, позволяющие справиться с ситуацией, когда определенное управление в замкнутом контуре для ответвления к потребителю работает с отказами или не работает. После запуска 601 системы управления перед вычислением сигнала насыщения на этапе 603 на этапе 605 для по меньшей мере одного из ответвлений к потребителям и предпочтительно для всех ответвлений к потребителям может быть проверено, работает ли управление в замкнутом контуре. Если нет, на этапе 607 значение насыщения проверенного ответвления к потребителю устанавливается на ноль, причем рабочее состояние этого ответвления к потребителю может регулярно перепроверяться. Только если состояние считается рабочим, на этапе 603 вычисляется сигнал насыщения.

[49] Фиг. 7 иллюстрирует первый пример системы управления, в которой управление в замкнутом контуре ответвления 7 к потребителю выполняется ПИ-контроллером 29, который может быть интегрирован в блок управления 37 ответвлением к потребителю или отделен от него. ПИ-контроллер 29 может, например, устанавливать степень открытия клапана 9 в ответвлении 7 к потребителю для регулировки расхода горячей воды через радиатор в качестве потребляющего элемента для потребления тепловой энергии. Измеренное значение y может представлять собой температуру, расход или давление, измеренное датчиком 11 в ответвлении 7 к потребителю. ПИ-контроллер 29 сравнивает измеренное значение y с измененным опорным значением r_i* и соответственно генерирует значение u управления в качестве выходной команды управления для клапана 9 в ответвлении 7 к потребителю. Вывод значения u управления используется не только для установки степени открытия клапана, но также в качестве входных данных для модуля 21 вычисления насыщения, который может быть любым из показанных на Фиг. 4a-d. Вычисленные значения s_i и/или v_i насыщения в качестве выходных данных модуля 21 вычисления насыщения передаются таким образом, что модуль 23 компенсации насыщения может принимать все вычисленные значения s_i…n и/или v_i…m насыщения от каждого работающего ответвления к потребителю (с индексом i) в качестве входных данных. Модуль 23 компенсации насыщения изменяет первоначальное опорное значение r на основе значений s_i…n и/или v_i…m насыщения от всех ответвлений к потребителям, как показано на Фиг. 5a-c. Измененное опорное значение r_i* далее используется в качестве входных данных для ПИ-контроллера 29 для управления клапаном 9.

[50] Например, в случае системы охлаждения опорное значение может представлять собой целевую температуру T, которая должна быть достигнута во всех ответвлениях к потребителям. В этих примерах отсутствуют отрицательные значения v_i…m насыщения. Модуль 21 вычисления насыщения одного ответвления i к потребителю вычисляет положительное значение s_i насыщения, которое указывает определенную степень насыщения в этом ответвлении i к потребителю. Это может иметь место, например, если степень открытия клапана 9 в этом ответвлении i к потребителю превышает максимальное пороговое значение, например, 90%, в течение определенного периода времени. Модуль 23 компенсации насыщения принимает значения s_i…n насыщения от всех ответвлений i-n к потребителям, причем только значение s_i насыщения является ненулевым. Затем опорное значение r изменяется для всех ответвлений i-n к потребителям, т.е. для системы охлаждения устанавливается новая немного более высокая целевая температура T*. Это побуждает ПИ-контроллеры всех ненасыщенных ответвлений j-n к потребителям немного прикрыть клапаны, так как для достижения новой более высокой целевой температуры T* необходима меньшая мощность охлаждения. В дополнение, ответвление i к потребителю также может способствовать предотвращению недостаточной подачи во все или некоторые ответвления к потребителям путем неполного открытия клапана. Теперь для испытывающего недостаточную подачу ответвления i к потребителю доступен больший расход тепловой энергии, и оно получает большую долю расхода тепловой энергии для смягчения ситуации насыщения для ответвления i к потребителю. Окончание ситуации насыщения определяется значением s_i насыщения, уменьшающимся до нуля, поскольку степень открытия клапана 9 снова ниже максимального порогового значения, например, 90%, в течение определенного периода времени. Таким образом, система управления динамически реагирует на ситуации насыщения, которые уже возникли или начинают возникать, так быстро, как это необходимо, в зависимости от степени насыщения.

[51] Фиг. 8 почти идентична Фиг. 7, но здесь используется не значение u управления, используемое в качестве входной переменной для модуля 21 вычисления насыщения, а значение e погрешности, где e представляет собой отклонение измеренного значения y от измененного опорного значения r*. Таким образом, значение насыщения для одного или более работающих ответвлений к потребителям может быть основано на измеренном значении y и/или значении u управления. В примере, показанном на Фиг. 8, значение погрешности e=r*-y используется в качестве входных данных для одного из вариантов вычисления насыщения в соответствии с Фиг. 4a-d, т.е. отклонение значения e погрешности от порогового значения e_min или e_max с примененным коэффициентом a_i усиления, суммируется для получения значения s_i, v_iнасыщения.

[52] Фиг. 9a-h иллюстрируют разные виды ответвлений 7 к потребителям с разными устройствами 9 регулировки с управлением в замкнутом контуре и разными потребляющими элементами 31. Фиг. 9a иллюстрирует клапан 9 в качестве устройства регулировки в подающей линии 17 ответвления 7 к потребителю, причем клапан 9 регулируется путем приема значения u управления от ПИ-контроллера (не показан на Фиг. 9a-h). Датчик 11 перепада давления измеряет перепад dp давления между подающей линией 17 и обратной линией 15 ответвления 7 к потребителю. Измеренное значение y перепада dp давления подается обратно в ПИ-контроллер. Опорное значение r для этого ответвления 7 к потребителю может представлять собой целевой перепад давления. На Фиг. 9b ответвление 7 к потребителю термически соединено с подающим ответвлением теплообменником 19. Клапан 9 регулирует расход тепловой энергии в подающую линию 17 ответвления 7 к потребителю, причем клапан 9 регулируется путем приема значения u управления от ПИ-контроллера. Датчик 11 температуры расположен в подающей линии 17 после теплообменника 19. Насос 33 подающей линии обеспечивает циркуляцию текучей среды через ответвление 7 к потребителю. Измеренное значение y температуры T подачи подается обратно в ПИ-контроллер для управления клапаном 9. Ответвление 7 к потребителю, показанное на Фиг. 9c, содержит байпас 12, соединяющий по текучей среде обратную линию 15 с подающей линией 17. В качестве устройства регулировки с управлением в замкнутом контуре используется трехходовой клапан 9, причем байпас 12 соединяется с подающей линией 17. Датчик 11 температуры расположен в подающей линии 17 после байпаса 12. Измеренное значение y температуры T подачи подается обратно в ПИ-контроллер для управления клапаном 9. Фиг. 9d иллюстрирует нерегулируемый байпас 12 между подающей линией 17 и обратной линией 15. Как и на Фиг. 9a, клапан 9 просто регулирует расход тепловой энергии из подающего ответвления 2 (см. Фиг. 1) в подающую линию 17 ответвления 7 к потребителю. Насос 33 подающей линии обеспечивает циркуляцию текучей среды через ответвление 7 к потребителю, т.е. обратный поток через байпас 12 и тепловую энергию, поступающую из подающего ответвления 2 через клапан 9. Как и на Фиг. 9c, датчик 11 температуры расположен в подающей линии 17 после байпаса 12. Фиг. 9e иллюстрирует потребляющий элемент 31 в виде змеевика охлаждения с вентилятором 35 для обеспечения потока охлаждающего воздуха, тогда как каждая из Фиг. 9f, g иллюстрирует потребляющий элемент 31 в виде змеевика отопления с вентилятором 35 для обеспечения потока нагревающего воздуха. Датчик 11 температуры измеряет температуру в качестве измеренной переменной y для обратной связи ПИ-контроллера. В ответвлении 7 к потребителю, показанном на Фиг. 9e, ПИ-контроллер управляет скоростью и/или мощностью насоса 9 подающей линии в качестве устройства регулировки. В ответвлении 7 к потребителю, показанном на Фиг. 9f, ПИ-контроллер управляет степенью открытия клапана 9 в подающей линии 17 в качестве устройства регулировки. Ответвление 7 к потребителю, показанное на Фиг. 9g, дополнительно имеет байпас 12 и насос 33 подающей линии. Ответвление 7 к потребителю, показанное на Фиг. 9h, не являются частью системы распределения текучей среды для передачи тепловой энергии, а представляет собой зону давления системы коммунального водоснабжения. Потребляющие элементы 31 представляют собой домохозяйства, которые потребляют подаваемую воду. Датчик 11 давления в зоне измеряет давление воды в зоне давления и передает его в качестве значения y обратной связи в ПИ-контроллер, управляющий клапаном 9 понижения давления в замкнутом контуре путем установки значения u управления. Опорное значение r здесь представляет собой целевое давление в зоне.

[53] Фиг. 10 иллюстрирует систему распределения текучей среды в виде системы HVAC. Подобно Фиг. 1, система 1 содержит четыре разных ответвления 7 к потребителям, параллельно соединенных с общим подающим ответвлением 2. Однако в отличие от Фиг. 1 каждое ответвление 7 к потребителю находится под управлением блока 37 управления ответвлением к потребителю. Блоки 37 управления ответвлениями к потребителям имеют двунаправленную связь друг с другом, так что каждый блок 37 управления может отправлять и принимать сигналы от любого другого блока 37 управления, предпочтительно путем отправки и приема широковещательных сигналов в проводной или беспроводной сети 38. Блоки 37 управления ответвлениями к потребителям содержат модуль 21 вычисления насыщения и модуль 23 компенсации насыщения. Каждый блок 37 управления ответвлением к потребителю отправляет определенное значение s_i насыщения в другие блоки 37 управления ответвлениями к потребителям и принимает соответствующие значение s_j насыщения каждого из других блоков 37 управления ответвлениями к потребителям. Блоки 37 управления ответвлениями к потребителям могут быть встроены во внутреннюю электронику управления насоса или клапана или во внутреннюю электронику датчика. Это означает, что модули 21 вычисления насыщения и модули 23 компенсации насыщения могут быть добавлены в качестве дополнительных функциональных возможностей в виде программного обеспечения, которое должно выполняться на существующем аппаратном обеспечении в корпусе электроники насосного узла и/или корпусе датчика. Альтернативно или в дополнение, аппаратное обеспечение ПИ-контроллера для управления в замкнутом контуре устройства регулировки может быть дополнено функциональностью модулей 21 вычисления насыщения и/или модулей 23 компенсации насыщения в виде обновления программного обеспечения.

[54] Система 1 распределения текучей среды, показанная на Фиг. 11, отличается от системы, показанной на Фиг. 10, модулем 23 компенсации насыщения, реализованным в блоке 43 управления подающим ответвлением. В этом примере блоки 37 управления ответвлениями к потребителям содержат только модуль 21 вычисления насыщения и не содержат модуль 23 компенсации насыщения. Подающее ответвление 2 системы 1 распределения текучей среды содержит устройство 45 регулировки подающего ответвления в виде подающего насоса для регулировки общего расхода текучей среды и/или тепловой энергии через подающее ответвление 2. Датчик 47 давления подающего насоса измеряет давление подающего насоса в качестве значения обратной связи для управления в замкнутом контуре подающим насосом 45. Модуль компенсации насыщения реализован в блоке 43 управления подающим ответвлением в подающем ответвлении 2, причем блок 43 управления подающим ответвлением выполнен с возможностью приема значений s_1-4 насыщения от блоков 37 управления ответвлениями к потребителям в каждом работающем ответвлении 7 к потребителю, так что подающий насос 45 выполнен с возможностью управления в замкнутом контуре на основе сравнения между измененным опорным значением r* и давлением подающего насоса, измеренным датчиком 47 в подающем ответвлении 2. Блок 43 управления подающим ответвлением может быть встроен во внутреннюю электронику управления насосом подающего насоса 45 и/или во внешний контроллер.

[55] Таким образом, в случае насыщения ответвления 7 к потребителю в системе, показанной на Фиг. 11, блок 43 управления подающим ответвлением может изменять опорное давление Δp_ref подающего насоса на более высокое опорное значение r*, что приводит к увеличению скорости и/или мощности подающего насоса 45. Очевидно, что диапазон компенсации ограничен тем, насколько может быть увеличена скорость и/или мощность подающего насоса 45 для смягчения ситуации насыщения. Фиг. 12 схематически иллюстрирует то, как работает компенсация насыщения, причем в этом примере отрицательные сигналы v_1…m насыщение являются нулевыми. Компенсация насыщения, показанная на Фиг. 13, аналогична, но вместо давления подающего насоса датчик 47 измеряет перепад давления между подающей линией и обратной линией подающего ответвления 2.

[56] Фиг. 14 иллюстрирует систему, подобную показанной на Фиг. 10, с блоками 37 управления ответвлениями к потребителям, содержащими модуль 21 вычисления насыщения и модуль 23 компенсации насыщения для каждого ответвления 7 к потребителю. Однако в дополнение имеется блок 43 управления подающим ответвлением с реализованным модулем 21 вычисления насыщения, который принимает разность температур в подающем ответвлении от датчика 51 температуры подающего ответвления, выполненного с возможностью измерения разности между температурой подачи и температурой возврата в подающем ответвлении 2. Блок 43 управления подающим ответвлением вычисляет отрицательный сигнал v₁ насыщения в соответствии с Фиг. 4b, когда разность температур в подающем ответвлении опускается ниже заданного минимума. Отрицательный сигнал v₁ насыщения транслируется во все блоки 37 управления ответвлениями к потребителям, как и все другие положительные сигналы s_1…4 насыщения, и обрабатывается в модулях компенсации насыщения, как показано на Фиг. 5.

[57] Система, показанная на Фиг. 15, отличается от показанной на Фиг. 14 тем, что датчик 51 температуры подающего ответвления измеряет абсолютную температуру возврата в подающем ответвлении 2. Блок 43 управления подающим ответвлением вычисляет положительный сигнал s₁ насыщения в соответствии с Фиг. 4a, когда абсолютная температура возврата поднимается выше заданного максимума. Положительный сигнал s₁ насыщения транслируется во все блоки 37 управления ответвлениями к потребителям, как и все другие положительные сигналы s_1…4 насыщения, и обрабатывается в модулях компенсации насыщения, как показано на Фиг. 5a-c.

[58] Фиг. 16 схематически иллюстрирует то, как система управления может применяться в качестве защиты от перегрузки змеевика с охлажденной водой в качестве потребляющего элемента 31. Вычисление насыщения в соответствии с Фиг. 4a может использоваться для обеспечения положительного сигнала s_iнасыщения. Компенсация насыщения в соответствии с Фиг. 5c может использоваться для изменения опорного значения r на r*. Вероятнее всего, при предположении, что i-ое ответвление 7 к потребителю не насыщено, измененное опорное значение r* будет меньше, чем первоначальное опорное значение r, так что -r* применяется в качестве входных данных для ПИ-контроллера 29 в случае ситуации насыщения в другом 7 ответвлении к потребителю, так что меньший расход тепловой энергии должен быть направлен в змеевик 31 с охлажденной водой в i-ом ответвлении 7 к потребителю. Таким образом, ПИ-контроллер отправит значение u управления клапану 9 для закрытия в некоторой степени. Таким образом, для испытывающего недостаточную подачу ответвления 7 к потребителю будет доступен больший расход тепловой энергии, что смягчит или завершить ситуацию насыщения.

[59] Фиг. 17 иллюстрирует систему охлаждения с защитой от перегрузки змеевиков 31 с охлажденной водой в ответвлениях 7 к потребителям, а также с защитой от неполной нагрузки для охладителя 53, который работает вместе с подающими насосами 5 в качестве источника 3 (см. Фиг. 1-3) для обеспечения расхода тепловой энергии в подающем ответвлении 2. Охладитель 53 обычно требует минимального расхода для предотвращения повреждения. В связи с этим блок 43 управления подающим ответвлением с модулем 21 вычисления насыщения в соответствии с Фиг. 4b вычисляет отрицательное значение v₁ насыщения, если расход, измеренный расходомером 55 подающего ответвления, опускается ниже заданного минимума q_min (см. Фиг. 18). Как описано выше, блоки 37 управления ответвлениями к потребителям в ответвлениях 7 к потребителям принимают отрицательное значение v₁ насыщения и положительное значение s₁ насыщения от другого ответвления 7 к потребителю для изменения опорного значения в качестве входных данных для ПИ-контроллера 29 блоков 37 управления ответвлениями к потребителям, соответственно управляющих клапанами 9.

[60] Вместо использования расходомера 55 подающего ответвления может быть использован датчик 57 перепада давления подающего ответвления, показанный на Фиг. 19, для отслеживания минимального перепада давления на охладителе 53. Соответственно, блок 43 управления подающим ответвлением вычисляет отрицательное значение v₁ насыщения, если перепад dp давления на охладителе 53, измеренный датчиком 57 перепада давления подающего ответвления, опускается ниже заданного минимума dp_min в соответствии с Фиг. 4b.

[61] Еще один пример показан на Фиг. 20 для реакции на падение температуры, причем температура подачи в подающем ответвлении 2 измеряется одним датчиком 59 температуры, расположенным перед подающим байпасом 60, и другим датчиком 59 температуры, расположенным после байпаса 12. Если разница между двумя измерениями является слишком большой, определяется нежелательный расход через подающий байпас 60. В отличие от примеров вычислений насыщения, показанных на Фиг 4a-d, в этом случае модуль 21 вычисления насыщения блока 43 управления подающим ответвлением использует другой способ вычисления положительного значения s₁ насыщения (см. Фиг. 21). В этом случае блок 43 управления подающим ответвлением принимает два измерения температуры в качестве переменных во времени входных данных и вычисляет разницу температур. Небольшое положительное смещение k применяется для того, чтобы вывод суммы мог быть отрицательным, когда разница температур равна нулю, чтобы значение насыщения могло уменьшиться до нуля в стабильной ситуации без насыщения. В случае превышения максимальной разницы температур в течение определенного периода времени положительное значение s₁ насыщения транслируется в блоки 37 управления ответвлениями к потребителям в ответвлениях 7 к потребителям. Опорная температура T_ref,_i увеличится до r*, так что скорость и/или мощность насосов 9 уменьшается соответствующими ПИ-контроллерами 29 в блоках 37 управления ответвлениями к потребителям.

[62] Фигура 22 схематически иллюстрирует систему 1 водоснабжения с системой управления в соответствии с настоящим изобретением. Насосная станция 45 в подающем ответвлении 2 служит в качестве источника для общего расхода воды через подающее ответвление 2, которое питает две зоны 7 давления, соединенные с подающим ответвлением 2 параллельно друг с другом. Насосная станция 45 также служит в качестве устройства регулировки подающего ответвления. Давление воды в каждой зоне давления измеряется датчиками 11 давления и регулируется клапанами 9 понижения давления. Для каждой зоны 7 давления имеется блок 37 управления ответвлением к потребителю, причем каждый блок 37 управления ответвлением к потребителю содержит модуль 21 вычисления насыщения и модуль 23 компенсации насыщения. Кроме того, блок 43 управления подающим ответвлением с модулем 23 компенсации насыщения обеспечен с возможностью влияния на скорость и/или мощность насосов насосной станции 45 в зависимости от значений s₁ и s₂ насыщения, принимаемых от блоков 37 управления ответвлениями к потребителям, как показано на Фиг. 12. Таким образом, общий расход, обеспечиваемый через подающее ответвление 2, а также распределение общего расхода между зонами 7 давления, адаптируются, если в одной или обеих зонах 7 давления возникает ситуация насыщения.

[63] Система и способ управления в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают автоматическое и динамическое решение проблемы ситуаций насыщения, возникающих в системе распределения текучей среды. Реакция системы управления автоматически и динамически адаптируется с точки зрения времени и величины в зависимости от серьезности ситуации насыщения. Чем серьезнее ситуация насыщения, тем быстрее и существеннее система управления влияет на управление в замкнутом контуре устройствами регулировки в системе.

[64] При использовании в приведенном выше описании целых чисел или признаков, которые имеют известные, очевидные или предсказуемые эквиваленты, такие эквиваленты входят в настоящей документ, как если бы они были отдельно изложены. Для определения истинного объема настоящего изобретения следует обращаться к формуле изобретения, которую следует толковать так, чтобы охватывать любые такие эквиваленты. Также следует понимать, что целые числа или признаки изобретения, которые описаны как возможные, предпочтительные, преимущественные, подходящие или т.п., являются возможными и не ограничивают объем независимых пунктов формулы изобретения.

[65] Приведенные выше варианты выполнения следует понимать как иллюстративные примеры изобретения. Следует понимать, что любой признак, описанный в отношении любого варианта выполнения, может использоваться отдельно или в сочетании с другими описанными признаками, а также может использоваться в сочетании с одним или более признаками любого другого варианта выполнения или любого сочетания других вариантов выполнения. Хотя проиллюстрирован и описан по меньшей мере один примерный вариант выполнения, следует понимать, что другие модификации, замены и альтернативы очевидны специалисту в области техники и могут быть внесены без отклонения от объема изобретения, описанного в настоящем документе, и настоящая заявка предназначена для включения любых адаптаций или изменений конкретных вариантов выполнения, рассмотренных в настоящем документе.

[66] В дополнение, выражение «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественности. Кроме того, характеристики или этапы, описанные со ссылкой на один из приведенных выше примерных вариантов выполнения, также могут использоваться в сочетании с другими характеристиками или этапами других примерных вариантов выполнения, описанных выше. Этапы способа могут выполняться в любом порядке или параллельно или могут составлять часть или более подробный вариант другого этапа способа. Следует понимать, что в сферу действия настоящего патента должны быть включены все возможные модификации, которые обоснованно и надлежащим образом составляют объем изобретательского вклада в уровень техники. Такие модификации, замены и альтернативы могут быть выполнены без отклонения от замысла и объема изобретения, который должен определяться на основе приложенной формулы изобретения и ее правомерных эквивалентов.

[67] Список ссылочных позиций:

1 система распределения текучей среды

2 подающее ответвление

3 источник

5 устройство регулировки подающего ответвления

7 ответвление к потребителю

9 устройство регулировки ответвления к потребителю

11 датчик

12 байпас

13 обратный клапан

15 обратная линия ответвления к потребителю

17 подающая линия ответвления к потребителю

19 теплообменник

21 модуль вычисления насыщения

23 модуль компенсации насыщения

25 блок насыщения

29 ПИ-контроллер

31 потребляющий элемент

33 насос подающей линии

35 вентилятор

37 блок управления ответвлением к потребителю

38 сеть

43 блок управления подающим ответвлением

45 устройство регулировки подающего ответвления

47 датчик давления подающего насоса

51 датчик температуры подающего ответвления

53 охладитель

55 расходомер подающего ответвления

57 датчик перепада давления подающего ответвления

59 датчик (датчики) температуры

60 подающий байпас

s_i положительное значение насыщения

v_i отрицательное значение насыщения

r опорное значение

r* измененное опорное значение

u значение управления

y измеренное значение

u_{min, max} пороговое значение

e_{min, max} пороговое значение

S взвешенная сумма положительных значений s_iнасыщения

V взвешенная сумма отрицательных значений v_iнасыщения

601 запуск системы управления

603 вычисление сигнала насыщения

605 проверка, работает ли ответвление к потребителю

607 установка значения насыщения на ноль

Реферат

Настоящее изобретение относится к системе управления для управления системой (1) распределения текучей среды, причем система (1) распределения текучей среды содержит по меньшей мере два ответвления (7) к потребителям, расположенных параллельно друг другу, причем каждое из по меньшей мере двух ответвлений (7) к потребителям содержит: по меньшей мере один потребляющий элемент (31) для потребления текучей среды и/или тепловой энергии, по меньшей мере одно устройство (9) регулировки ответвления к потребителю, выполненное с возможностью приема значения (u) управления для регулировки расхода текучей среды и/или тепловой энергии через соответствующее ответвление (7) к потребителю, и по меньшей мере один датчик (11) для обеспечения измеренного значения (y) соответствующего ответвления (7) к потребителю. Система управления содержит: модуль (21) вычисления насыщения, выполненный с возможностью обеспечения значения (s, v) насыщения для каждого работающего ответвления (7) к потребителю, причем значение (s, v) насыщения указывает степень насыщения соответствующего ответвления (7) к потребителю, и модуль (23) компенсации насыщения, выполненный с возможностью приема значений (s, v) насыщения и изменения опорного значения, причем измененное опорное значение (r*) основано на первоначальном опорном значении (r) и значениях (s, v) насыщения от всех ответвлений (7) к потребителям, так что по меньшей мере одно устройство (9) регулировки ответвления к потребителю каждого работающего ответвления (7) к потребителю выполнено с возможностью управления на основе измененного опорного значения (r*) и измеренного значения (y) соответствующего ответвления (7) к потребителю. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 34 ил.

Формула