Brevet FR2481425A1 — publié le 19811030

L'invention se rapporte à un circuit électronique assurant la commande et la sécurité de fonctionnement pour une installation de chauffage à chaudière et à brûleur, L'objet de l'invention réalise en plus, avant chaque cycle d'allumage les vérifications et la surveillance nécessaire à la sécurité totale de fonctionnement. La sécurité de fonctionnement d'un ensemble chaudière et brûleur à air soufflé avec production d'eau chaude impose le contrôle initial et la surveillance - de la température de l'eau dans la chaudière et selon le cas dans le ballon de production eau chaude - du bon fonctionnement du brûleur Ce dernier point nécessite plusieurs contrôles tels que - l'arrivée du combustibleD le cas échéant la marche du ventilateur et de la pompe, - la présence de la flamme et sa stabilité. Pour des raisons dEconomieS on régule la température de l'eau circulant dans l'installation de chauffage en fonction des besoins calorifiques variables selon les variations de la température extérieure. Dans les installations classiquesf les premières fonctions sont assurées par des circuits et composants électromécaniques prévus dans un boîtier associé au brûleur Ce boîtier commande le fonctionnement du brûleur à partir de la température de l'eau de chaudière. Il contrôle son bon fonctionnement et autorise l'inflammation du combustible uniquement lorsque toutes les conditions de sécurité et de bon fonctionnement sont réunies. La régulation de la température d'eau de chauffage est assurée par une vanne mélangeuse motorisée ou servovannen extérieure à la chaudière à partir d'un coffret de régulation relié selon la finesse de régulation désirée à - une sonde de départ, fournissant les informations sur la température de l'eau de-la chaudière, - une sonde extérieure fournissant les informations sur la température extérieure, - un thermostat d'ambiance fournissant les informations sur la température règnant dans une pièce de référence, - une horloge établissant-un programme de chauffe cyclique entre jour et nuit. Cette vanne mélange dans des proportions variables lteau réchauffée à l'eau de retour des radiateurs selon la commande fournie par le coffret de régulation. Il existe aussi une régulation par action directe sur le brûleur. Plus précisément, le boîtier de commande du brûleur comporte des circuits électriques associés à des composants électromécaniques tels que relais, bilames, retardateurs mécaniques assurant les temporisations nécessaireset les commandes. La protection électrique de ce boîtier est assurée par un disjoncteur thermique monté en série avec l'alimentation. Le signal du cycle de démarrage du brûleur est donné par la fermeture de l'aquastat de chaudière. Le cycle se déroule selon les séquences suivantes - mise en marche du moteur,s'il existe, qui actionne le ventilateur et la pompe, - après une temporisation la haute tension est appliquée sur les électrodes, - après une deuxième temporisation l'électrovanne d'admis sion du combustible s'ouvre. Une détection de flamme par ionisation pour le gaz ou par cellule sensible aux rayons ultraviolets ou infra-rouges ou- thermocouple provoque l'arrêt du brûleur si la flamme disparaît ou ne se produit pas ou bien si la flamme est anormale. Si le brûleur présente un défaut au cours du démarrage ou pendant son fonctionnement, il se met automatiquement en attente. Une intervention manuelle est alors nécessaire pour la remise en marche après avoir remédié au défaut. Une récente modification de la règlementation recommande la pose d'un thermostat de surchauffe qui coupe l'alimentation du brûleur lors de la montée excessive en température de l'eau de chauffage. La remise en marche nécessite une intervention manuelle. Le coffret de régulation assure le maintien de la température strictement nécessaire des pièces et locaux chauffés indépendamment de la commande du brûleur. En effet, le fonctionnement du brûleur est commandé en boucle fermée à partir de la température de l'eau de chaudière de manière à maintenir celle-ci dans les limites préconisées par le constructeur. La prise en compte des informations fournies par les capteurs et le respect du programme horaire se traduit par une action appropriée au niveau de la vanne mélangeuse. Le servomoteur déplace le boisseau de manière à admettre dans le circuit de chauffage une quantité plus ou moins importante d'eau nouvel- lement réchauffée. Cette commande est réalisée généralement de la fa çon suivante. Un circuit prioritaire relié à l'horloge impose un fonctionnement en allure réduite ou modérée la nuit ou selon des tranches horaires programmées. En dehors de ce mode de fonctionnement, la régula- tion est basée sur la prise en compte simultanée des indications fournies par la sonde extérieure de température et le thermostat d'ambiance. Cette régulation est assurée par des moyens électro mécaniques associés à l'horloge et aux capteurs. La présente invention a pour but de regrouper toutes ces fonctions en une seule unité possédant un microproces- seul associé à des circuits électroniques de commande et de contrôle en vue de la marche et de la surveillance de fonctionnement d'un ensemble chaudière et brûleur etdassurer simultanément la régulation en température des pièces et locaux chauffés. - A cet effet, l'invention se rapporte à un circuit électronique de commande et de sécurité de fonctionnement remarquable par une unité centrale à microprocesseur associé aux cir- cuits capteurs, à un circuit d'introduction des consignes à commutateurs linéaires, à un circuit de détection de la flamme, à un circuit de compensation des capteurs de température d'eau et en ce que l'unité centrale commande le cycle d'allumage et les actions de sécurité à travers une interface, les grandeurs con- trôlées étant par appel manuel affichées sur un module dsafì- chage. Le circuit selon l'invention est remarquable égale- ment par la visualisation des défauts de fonctionnement ou des grandeurs ou organes contrôlés permettant ainsi un diagnostic direct et immédiat. D'autres caractéristiques techniques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de ses moyens et de son fonctionnement, description effectuée à titre d'exemple non limitatif d'un mode d'exécution en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est le schéma diagramme des fonctions de la commande électronique selon l'invention, - la figure 2 est le schéma de l'unité centrale et de son module d'affichage et de signalisation, - la figure 3 est le schéma du circuit d'introduction des valeurs dans l'unité centrale, - la figure 4 est le schéma de l'alimentation et du circuit de détection de flamme, - la figure 5 est le schéma du circuit associé aux sondes de température et son convertisseur analogique/numérique, - la figure 6 est la représentation schématique de la face avant du coffret ou de la platine du circuit selon l'in vention. Le circuit électronique de-.commande selon 1 'inven- tion comprend une unité centrale constituée d'un microprocesseur 1. Les entrées sont reliées aux circuits de contrôle et à des boutons de réglage ou de contrôle. Ainsi, les circuits 2 et 3 de contrôle de la température respectivement de chaudière et de ballon sont reliés à l' unité à. microprocesseur à travers un convertisseur analogique/numérique 4. Les circuits 5 et 6 de contrôle de flamme et du thermostat d'ambiance ou extérieur sont reliés directement aux entrées correspondantes. On a représenté symboliquement sous forme d'entrées secondaires les boutons de commande manuelle et d'introduction des valeurs de consigne tels que : bouton d'affichage 7, consigne de température de chaudière 8, consigne de température-ballon 9, bouton de réarmement 10, bouton arr8t/marche 11, bouton -de contrôle du thermostat de sécurité 12. La fonction visualisation est assurée d'une part par un module double d'affichage 13 à deux chiffres relié au microprocesseur à travers une interface 14 et d'autre part par une série de voyants lumineux tels que 15 par exemple sous la forme de diodes électroluminescentes. Ces voyants lorsqu'ils sont éclairés indiquent la fonction contrôlée ou signalent un défaut de fonctionnement. On réalise ainsi un véritable tableau diagnostic 17 qui indique le circuit ou l'organe défectueux. Par exemple, de haut en bas la succession peut être la suivante - témoin d'affichage de la température dans le ballon A - témoin d'affichage de la température dans la chaudière B - témoin de dépassement de la tempéra ture de sécurité C - témoin de mise en sécurité D - visualisation défaut sonde de tempéra ture chaudière E - visualisation défaut sonde de tempéra ture ballon F - visualisation défaut du circuit de dé tection du contrôle de flamme G - visualisation du fonctionnement avec thermostat extérieur H Le microprocesseur commande à travers une interface 18 les différents organes de fonctionnement tels que transfor- mateur d'allumage 19D relais 20 pour dispositif avertisseurn e- lectrovanne 21 d'admission du combustible, pompe de circulation 22, pompe de charge 23 du circuit de chauffage de l'eau sanitaire. L'interface 18 est constituée essentiellement d'un amplificateur de puissance. Le microprocesseur 1 est alimenté en tension continue par ses bornes + et - à partir du réseau à travers une alimentation stabilisée basse tension 24 comprenant un transformateur basse tension 25, un pont redresseur 26S des condensateurs de filtrage 27 et 28 et un circuit série de stabilisation 29. Cette Alimentation fournit également la tension de commande des relais. Le circuit d'initialisation nécessaire apparaît sous la référence 30 aux bornes INT, OSCî, OSC2, comme représenté en figure 2. La borne initialisation référencée INIT est reliée à la borne - d'alimentation à travers une diode d'isolement. Le microprocesseur 1 présente des entrées Kî, K2, K4, K8 reliées à un circuit logique 31 de sélection permettant le multiplexage des valeurs codées de consigne et des variables contrôlées appelé multiplexeur d'entrées. Les valeurs de consignes sont introduites dans le microprocesseur sous forme de valeurs codées élaborées à partir de niveaux logiques fournis par le microprocesseur sur ses sorties L1, L2 et L3. Ces niveaux logiques traversent trois groupes 32, 33 et 34 de circuits logiques à diodes pour aboutir à deux commutateurs linéaires 35 et 36 ou roues codeuses de température de chaudière et de ballon desquels partent les voies R1, R2,R4 et R8. Les combinaisans logiques formees avec les niveaux L1, L2 et L3 permettent d'une part d'identifier le commutateur consulté et d'autre part, de déterminer la fraction du commutateur en service. En effet, la combinaison de trois informations, les niveaux logiques sur les trois lignes L1, L2 et L3 permet de discerner douze positions de curseurs. La position du curseur à l'intérieur d'une fraction déterminée est donnée par la présence d'un niveau logique sur l'une ou l'autre voie R1, R2, R4 ou R8 reliée aux entrées correspondantes du microprocesseur soit directement pour R8 soit à travers le multiplexeur d'entrées 31. Chaque voie R1, R2, R4 traversera une porte de sélection 38, 39, 40 à deux entrées d'informations et deux entrées de commande ou de sélection. Ces portes sont chacune constituées par des portes élémentaires telles que 41 et 42 recevant les entrées et une porte commune telle que 43 dont la sortie est connectée directement à l'entrée du microprocesseur sur Ksi, K2 ou R4. L'état des niveaux logiques sur. les entrées inférieures conditionnent la sélection c'est-à-dire le passage des niveaux logiques présents sur l'une ou l'autre des entrées supérieures correspondantes. Le niveau logique de commande provient de la sortie H du microprocesseur. Il est relié soit directement aux portes du multiplexeur 31 soit à travers un inverseur 44. Les entrées supérieures d'informations sont les lignes R1, R2, et R4. La voie R8 est reliée directement à l'entrée correspondante du microprocesseur. Les entrées reliées aux voies R1, R2 et R4 reçoi vent en parallèle respectivement les lignes du bouton poussoir de visualisation 7, du bouton poussoir de réarmement 10 et le bouton poussoir 12 de contrôle du thermostat de sécurité Les deux groupes de lignes sont isolés par des dio- des référencées 45 et 46. Les autres entrées d'informations des portes de sélection 38, 39 et 40 sont reliées respectivement à l'interface 4 des circuits 2 et 3 de contrôle de température chaudière ou ballon, au circuit de détection de flamme 5 et à une ligne libre 47 par exemple raccordée au circuit 6 fournissant les in- formations provenant du thermostat d'ambiance ou de la sonde de température extérieure. Le circuit 5 de détection et de contrôle de flamme représenté est celui d'un détecteur à ionisation utilisé sur les brûleurs à gaz. Il est bien entendu que l'invention garde toute sa valeur dans le cas d'un détecteur à cellule photoélectrique sensible aux rayons ultraviolets ou infra-rouges La thermoionisation engendrée par la flamme permet de rendre passant l'espace inter électrode 48. La diode ainsi constituée est placée dans un circuit formé d'un générateur de basse tension alternative 49, d'un réseau de résistance 50 et capacité Si La flamme fait apparaître aux bornes du condensateur 51 une tension redressée négative qui, agissant sur la base du transistor T1, le bloque. Le transistor T1 étant bloqué, le niveau logique un est transmis à la porte correspondante Inversement, l'absence de la flamme bloque le transistor T1. Le niveau logique un est transmis à la porte correspondante. Le niveau logique de sortie est référencé FL. Comme indiqué il est égal à un lorsque la flamme existe et égal à zéro lors de l'extinction. Les sorties Li, L2 et L3 du microprocesseur commandent aussi l'alimentation du module d'affichage 13 à deux chiffres et à cathode commune à travers deux transistors T2 et T3 ainsi que pour L3 l'alimentation des diodes électroluminescentes référencées LED1, LED2...LED8 à travers des résistances telles que 52. Comme déjà indiqué ces diodes électroluminescentes permettent de visualiser les défauts et ainsi de les localiser aisément sous forme de diagnostic d'interprétation immédiate. Là commande de l'alimentation d'affichage par les lignes L1, L2 et L3 est isolée du circuit logique de sélection par un groupe 53 de diodes. On examinera maintenant les circuits 2 et 3 de contrôle de la température de l'eau de chaudière et de ballon sanitaire. Les sondes SC et SB de chaudière et de ballon sont de type applique. Elles sont rapportées sur le corps de chaudière et de ballon. On choisira de préférence des composants thermosensibles du type thermistor ou résistance à coefficient de température négatif. Les circuits 2 et 3 sont symétriques de part et d' autre du point P relié à l'alimentation positive. Chaque élément thermosensible SC et SB est placé dans le circuit de collecteur des transistors T5 et T6. Une résistance d'émetteur RE fixe le point de fonctionnement. La compensation de température est réalisée par la mise en série de deux jonctions opposées. Il s'agit de la jonction émetteur-base des transistors T7-T5-T6. Pour des raisons de réglage on prévoit une -r & istance variable RV dans l'émetteur du transistor T7. Une résistance RB complète le circuit de ce générateur de courant constant. Le montage est rappelé par les collecteurs de T5 et T6 sur les bornes du convertisseur analogique/numérique 4 qui est chargé de convertir la tension analogique fonction de la température en une tension codée numériquement. Le codage est basé sur le nombre d'impulsions émis par le microprocesseur pendant le temps de décharge d'un condensateur dans lequel est emmagasinée la quantité d'énergie correspondant à la température à laquelle on se trouve. Un générateur de rampes de tension commande le comptage. Ce converstisseur dit par intégration est commandé par un signal "Ramp Start" provenant de la sortie RST. Le convertisseur est piloté par le signal de sElec- tion SS de sonde, il envoie le signal de fin de comptage "Ramp Stop" RSP à l'entrée du microprocesseur lors de la fin du comptage. Le nombre d'impulsions produites et comptées représente la température mesurée dans la chaudière ou dans le ballon, se lon le niveau logique du signal de sélection SS. Comme indiqué déjà, les sorties du microprocesseur commandent le fonctionnement de la chaudière et du brûleur à travers l'interface 18 dont les voies correspondent aux organes commandés tels que transformateur d'allumage 19, relais 20 pour dispositif avertisseur, électrovanne 21 d'admission de combustible, pompe de circulation 22 du circuit de chauffage des pièces, pompe de charge 23 du circuit de chauffage d'eau sanitaire. La face avant du coffret ou de la platine du circuit selon l'invention pourra se présenter selon la disposition prévue à la figure 6. On expliquera maintenant les différentes phases de fonctionnement du circuit électronique de commande et de régulation en température selon l'invention, Le fonctionnement de ce circuit est lié au fonctionnement du microprocesseur c'est-à-dire à son programme. Celui-ci permet d'assurer la sécurité à tous les niveaux. Il est du type à boucle fermée. Chaque commande n'est autorisée qu'après vérifica- tion des valeurs des grandeurs contrôlées et le bon fonctionnement des organes commandés Les valeurs sont comparées à des valeurs de sécurité ou valeurs limites mises en mémoire. Le bon fonctionnement est vérifié par tests et par les mesures. En cas de défaut , la fonction "mise en sEcuritél' intervient avec affichage du défaut. Le fonctionnement s'arrête. Il faut le réenclencher en appuyant manuellement sur le bouton poussoir 10 de réarmement. L'exemple de contrôle et de mesure type est celui de l'indication de la température à partir des sondes. A chaque mesure on teste la sonde consultée. On vérifie - si la sonde n'indique pas de températures négatives, - Si la valeur indiquée est inférieure à la valeur de la température maximale mise en mémoire. Dans l'un ou l'autre cas ci-dessus c'est la sonde elle-même qui est en cause. On vérifie ensuite si la tempéra ture indiquée est inférieure à la température de sécurité. Dans ce cas, et en tenant compte de l'inertie de chauffe on poursuivra ou on arrêtera le fonctionnement. La sécurité totale est ainsi réalisée. La commande du brûleur en température résulte de la consultation permanente de l'une et l'autre sonde de température de chaudière et de ballon et la comparaison permanente avec les températures de consigne. Le thermostat de sécurité n'existe plus, sa fonction est assurée par la comparaison permanente de la température à laquelle on se trouve avec la température de sécurité ou température à ne pas dépasser mise en mémoire dans le microprocesseur. Celle-ci étant fondamentale on a prévu un contrôle manuel spécial par le bouton poussoir 12. Le bon ou le mauvais fonctionnement est visualisé sur la diode électroluminescente inférieure LED8. On examinera ci-après l'affichage et la prise en compte des températures de consigne de chaudière et de ballon. Les deux commutateurs linéaires 35 et 36 permettent à l'utilisateur de choisir la température de consigne selon douze valeurs ponctuelles, situées dans la gamme des températures dé fonctionnement, correspondant par exemple à un écart de 5 C dans la plage + 350C à 900C. Lorsque les commutateurs 35 ou 36 sont en position limite basse, on tient compte en plus de l'information présente sur l'entrée 47 donnée par le circuit du thermostat extérieur. Le code en niveaux logiques de ces valeurs est introduit dans le microprocesseur par ses entrées K1, K2, K4 et K8 pour les trois premières à travers un circuit logique de sélection ou multiplexeur 31. Pour ce faire, il convient de pouvoir transmettre au microprocesseur la position du curseur du commutateur linéaire partagé en trois fractions de quatre positions chacune. La position à l'intérieur de chaque fraction est donnée par la présence de signaux logiques sur l'une ou l'autre voie Ri, R2, R4 et R8 du fait de la nature matricielle de la structure représentée. Pour dissocier les fractions et indiquer le commutateur linéaire 35 ou 36 concerné on utilise les sorties L1, L2 et L3 du microprocesseur ainsi que la sortie H. Par combinaison de celles-ci dans les circuits logiques à diodes 32, 33 et 34 le microprocesseur reconnaîtra l'information à traiter Le multiplexage est réalisé par les circuits logi- ques 31 à portes de sélection L'ensemble des informations : températures de l'eau, surveillance de la flamme, sonde extérieure et températures de consigne arrivent successivement ainsi aux quatre seules entrées du microprocesseur On examinera à titre d'exemple ci-après la production et l'entrée dans le microprocesseur de quelques informations types. La flamme crée un courant d'ionisation qui fait passer le transistor T1 de l'étatsaturé à l'étatbloqué ce qui met sa sortie au potentiel un Cee état logique se transmettra par FL jusqu'à l'entrée du circuit de multiplexage 31. Cette information sera validée si la sortie H du microprocesseur est nulle et la porte de sélection permettra le passage de l'information qui entrera dans le microprocesseur par K2. L'affichage d'une température c'est-à-dire de la position du commutateur linéraire s'effectue de la façon suivan- te Prenons le cas de la température de l'eau dans le ballon Supposons que la température demandée est celle corres- pondant à la position du curseur telle que représentée en figure 3. C'est uniquement s la sortie L1 est à l'état un et si L3 est à l'état zéro que le microprocesseur peut détecter la po position du curseur car seule passera l'information sur la ligne K20 A l'entrée du circuit de multiplexage 31 cette information sera validée si H est à l'état un Pour la visualisation de cette température, il faudra que H soit à l'état un et L1 à l'état un pour permettre le passage de la fonction par action sur le bouton poussoir d'af- fichage 7 La mesure d'une température s'effectue par arrêt du comptage lorsque le signal de rampe passe à zéro. Ce signal arrive sur le circuit de multiplexage 31 il passera sur l'entrée K1 du microprocesseur si H est à l'état zéro. L'invention a été décrite en détail ci-dessus, il est bien entendu que diverses modifications de formes du domaine des équivalents et à la portéede l'homme de l'art sans effort particulier entrent dans son cadre. REVENDICATIONS 1. Circuit électronique de commande pour le fonctionnement entièrement automatique, la régulation en température et le contrôle d'une installation de chauffage avec production d'eau chaude sanitaire comprenant une chaudière et un brûleur caractérisé en ce qu'il comprend une unité centrale à microprocesseur (1) recevant sur son entrée à travers un circuit de multiplexage (31) des circuits capteurs (2) et (3) de la température, un circuit de détection de flamme (S), un module daffichage des températures de consigne" des boutons poussoir de visualisation (7)s de réar- mement (10) et de contrôle du thermostat de sécurité (12) et un circuit (6) fournissant les informations dun thermostat dV am- biance ou d'une sonde extérieure et en ce que les sorties du mi croprocesseur (1) sont reliées d'une part à un module de visua lisation (13) à deux chiffres et à un tableau (17) formé de voyants à effet lumineux (16) destiné à indiquer les défauts des organes contrôlés ou des valeurs contrôlées et en ce que le microprocesseur commande sur ses sorties à travers une interface (18) les organes essentiels de la marche du brûleur tels que transformateur dtallumage (19) électrovanne (21) relais (20) d'avertisseur, pompe de circulation (29) et pompe de charge (23). 2 Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit de multiplexage (31) est formé de portes de sélection (38), (39), (40) reliées aux trois premières entrées K1, K2, K4,les entrées de chacune de ces portes étant celles de portes élémentaires telles que (41) et (42) à deux entrées reliées chacune alternativement à une ligne de signal de sélection H soit directement soit à travers un inverseur (44) et en ce que chaque porte élémentaire est reliée à une ligne recevant des informations à transmettre au microprocesseur. 3. Circuit selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que au moins une entrée dtune porte élémentaire d'une porte de sélection (38), (39) ou (40) est reliée à une ligne K1, K2 ou K4 en provenancedu module d'affichage des valeurs de consigne. 4. Circuit selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que les boutons poussoirs (7), (10) et (12) sont pré vus dans des lignes aboutissant aux lignes X1, K2 et K4 à travers des diodes d'isolement 45. 5. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que le module d'affichage des températures de consigne est un module double à deux commutateurs linéaires (35) et (36) fractionnés associé d'une part à trois groupes de circuits logiques (32), (33) et (34) raccordés aux sorties L1, L2 et L3 du microrpocesseur et autre part à une structure matricielle en vue de déterminer la fraction du commutateur en service et la position du curseur dans cette fraction. 6. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit de détection de flamme (5) est à ionisation et en ce que sa sortie est reliée à une entrée de la porte (39) communiquant avec l'entrée K2. 7. Circuit selon la revendication 1 caractérisé en ce que les circuits (2) et (3) capteurs de la température sont symétriques comprenant chacun un élément thermosensible SC et SB placé dans le circuit collecteur des transistors T5 et T6 se refermant par l'alimentation à travers une résistance d'émetteur et en ce que les bases sont reliées en parallèle à un générateur de courant destiné à réaliser la compensation en température. 8. Circuit selon les revendications 1 et 7 caractérisé en ce qu'il est relié à un convertisseur analogique/numérique (4) du type à intégration permettant le codage par comptage d'impulsions et en ce que ce convertisseur est commandé par le microprocesseur sur les informations à convertir telles que température de chaudière ou du ballon par une ligne SS. 9. Circuit selon la revendication 8 caractérisé en ce que la ligne RSP du signal de fin de comptage est reliée à l'une des entrées du circuit de multiplexage (31).