СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННЫХ КОТЛОВ, УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ КОТЛОВ, СПОСОБ УСТАНОВКИ И РАБОТЫ СЕТИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РЯДА КОТЛОВ
SYSTEM OF COMBINED BOILERS, DEVICE FOR CONTROL OF COMBINED BOILERS, METHOD FOR INSTALLATION AND OPERATION OF NETWORK OF SERIALLY CONNECTED BOILERS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
По настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке США №60/805,629, зарегистрированной 23 июня 2006 года, полностью включенной в данную заявку в виде ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Это изобретение, в общем, относится к управлению блочным котлом и, в частности, к управлению блочным котлом, в котором основной котел соединен по меньшей мере с одним вспомогательным котлом для управления контуром обогрева здания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны следующие патентные документы, относящиеся к системам котлов:
американская патентная публикация № US 20020193890;
американские патенты US 4,037,779; US 4,145,995; US 4,145,995; US 4,534,321; US 4,368,767; US 4,681,066; US 4,694,783; US 6,145,295; US 6,536,678; US 7,158,525;
немецкие патентные публикации DE 3109670 A1; DE 3229265 A; DE 3311127 A1; DE 3410316 A1;
патентные документы GB 2157456 A; JP 2000205502 A.
Ближайший аналог для предложенной группы изобретений раскрыт в патенте США № US 6,378,184 В1, Бота (Bota), МПК В25Р 11/00; B21D 39/00, 30.04 2002.
Известные из уровня техники системы котлов включают котел, соединенный с внешним элементом управления, таким как термостат или система управления зданием. Внешний элемент управления обычно измеряет температуру котла, управляет уставкой котла, выполняет внешние функции возврата в исходное положение и управляет циклом запуска котла.
В системах комбинированных котлов каждый котел соединен с единым централизованным внешним элементом управления, с помощью которого управляют работой котла. Централизованное управление обычно выполняет вышеперечисленные функции для каждого отдельного котла, а также упорядочивание или последовательность запуска всех котлов для управления обогревом всего здания. Для этого каждый котел отдельно соединен с внешним элементом управления соединительным кабелем, проложенным по всему обогреваемому зданию. Кроме того, соединительный кабель для котла обычно уложен в кабельные каналы для его защиты и обеспечения надежности системы.
Следует отметить, что приобретение и установка систем комбинированных котлов могут быть дорогостоящими, поскольку такие системы требуют большую кабельную сеть, проложенную от внешнего элемента управления до каждого отдельного котла. Например, в одной известной из уровня техники системе, кабели управления между блоком управления котлами и индивидуальными котлами состоят из протяженных ветвей трехкабельных линий. Как сказано выше, такие кабельные линии обычно защищены кабелепроводами из пластика или подобного материала, который требует монтажа.
Кроме того, добавление котла в известных из уровня техники системах комбинированных котлов требует укладки дополнительного кабеля для соединения нового котла с внешним элементом управления. Удаление котла из таких систем требует удаления кабеля управления, которое также может быть дорогостоящим. Также добавление или удаление котла может потребовать ручной переустановки или регулировки внешнего элемента управления, такого как система управления зданием, для учета измененного общего числа котлов. Кроме того, существующий внешний элемент управления может не соответствовать требованиям мощности для дополнительного котла и может потребовать модификации или замены.
В дополнение к этому, если котел не функционирует должным образом или требует регламентного обслуживания, то он должен быть выведен из эксплуатации. В известных из уровня техники системах выведение из эксплуатации отдельного котла может потребовать отключения всей системы, что приводит к прекращению подачи тепла во всем здании. Такие отключения всей системы могут быть особенно нежелательными при низкой температуре внешнего воздуха. Кроме того, если котел не функционирует должным образом, то может потребоваться ручная регулировка внешнего управления для повышения теплоотдачи других котлов с целью компенсации отключенного котла. Ручная регулировка также может потребоваться при включении в схему ранее отключенного котла после восстановления его работоспособности. Следует отметить, что ручная регулировка внешнего управления может быть трудоемкой и может потребовать значительного времени, пока температура не станет достаточной высокой, чтобы закончить регулировку.
Кроме того, в известных из уровня техники системах комбинированных котлов индивидуальные котлы обычно запускают по правилу «первым включен / первым выключен» или «первым включен / последним выключен». Тем не менее ни один из этих подходов непосредственно не оценивает, у какого индивидуального котла осталось наименьшее время наработки. Следует отметить, что вообще желательно равномерно распределять нагрузку среди всех котлов в системе с комбинированными котлами. Если нагрузка распределена неравномерно, то может потребоваться преждевременное обслуживание более часто используемых котлов.
Наконец, известные из уровня техники внешние средства управления обычно состоят из ряда компонентов. Эти компоненты могут включать, например, датчик температуры наружного воздуха, наружное управление возвратом в исходное состояние, блок управления и соединительный щиток. Следует отметить, что может быть желательно сокращение количества необходимых компонентов для уменьшения вероятности отказа и сокращения затрат на приобретение и монтаж.
В связи с этими проблемами уровня техники общая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении управления комбинированным котлом, которое преодолевает вышеописанные недостатки и которое устраняет необходимость в индивидуальной связи между отдельными котлами и в централизованном внешнем управлении в системе комбинированных котлов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении управления комбинированным котлом.
Другая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении такого управления комбинированным котлом, при котором сократятся затраты, связанные с монтажом системы комбинированных котлов, отпадет необходимость в кабеле между каждым отдельным котлом и централизованным внешним элементом управления.
Другая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении управления комбинированным котлом, которое сокращает затраты, связанные с монтажом системы комбинированных котлов путем объединении в сеть основного котла по меньшей мере с одним вспомогательным котлом, причем основной котел функционирует в качестве централизованного внешнего элемента управления и управляет встроенным в сеть вспомогательным котлом.
Другая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении управления комбинированным котлом, которое облегчает добавление котлов в систему комбинированных котлов.
Другая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении системы комбинированных котлов, которая облегчает добавление котлов в систему комбинированных котлов с помощью основного котла, который автоматически обнаруживает и управляет недавно добавленным / объединенным в сеть котлом.
Другая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении управления комбинированным котлом, которое облегчает удаление котла из системы комбинированных котлов.
Другая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении управления комбинированным котлом, которое облегчает ремонт или замену неисправного котла путем автоматического назначения нового котла для замены неисправного котла, с возможностью выключения из сети неисправного котла.
Другая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении управления комбинированным котлом, которое непосредственно обнаруживает котел, имеющий наименьшую наработку среди ряда котлов, и регулирует последовательность запуска котлов для равномерного распределения нагрузки среди котлов.
Для достижения этих и других целей заявленного изобретения предложена система комбинированных котлов, включающая в себя:
первый котел;
по меньшей мере один вторичный котел, оперативно соединенный с указанным первым котлом;
устройство управления котлом, соединенное с одним из указанных первым или вторичным котлом;
внешний элемент управления, соединенный с одним из указанных первым или вторичным котлом;
температурный датчик, соединенный с указанным первым котлом;
причем указанное устройство управления котлом позволяет указанному первому котлу управлять параметром указанного первого котла и указанного по меньшей мере одного вторичного котла.
В данной системе комбинированных котлов указанное устройство управления котлом может быть объединено в сеть с упомянутым первым котлом и по меньшей мере с одним вторичным котлом через последовательную связь между указанным устройством управления котлом и указанным первым котлом и последовательную связь между указанным первым котлом и указанным по меньшей мере одним вторичным котлом.
Указанным параметром котла может быть уставка температуры, наработка или последовательность запусков указанного первого котла и указанного по меньшей мере одного вторичного котла.
Указанный внешний элемент управления может представлять собой термостат или систему управления зданием.
Указанное устройство управления котлом может автоматически обнаруживать каждый из указанных первого и вторичного котлов в указанной системе комбинированных котлов, регулировать работу указанных вторичных котлов и назначать новый вторичный котел в качестве замены для неисправного вторичного котла.
Кроме того, указанное устройство управление может оценивать наработку упомянутых первого и вторичного котлов и затем идентифицировать котел с наименьшей наработкой среди указанных первого и вторичного котлов, а затем регулировать последовательность запуска указанных первого и вторичного котлов в ответ на указанную идентификацию указанного котла с наименьшей наработкой.
Кроме того, заявленное изобретение относится к устройству управления котлом для системы комбинированных котлов, включающему в себя:
последовательный соединитель для оперативного соединения первого котла с указанным управлением котлом;
алгоритм управления, содержащийся в программном обеспечении указанного устройства управления котлом;
причем указанный алгоритм управления позволяет указанному первому котлу управлять параметром указанного первого котла и по меньшей мере одного вторичного котла, последовательно соединенного с указанным первым котлом.
Указанным параметром котла является уставка температуры, наработка или последовательность запуска указанного первого котла и по меньшей мере одного вторичного котла.
В указанном устройстве управления котлом первый котел может быть оперативно соединен с датчиком температуры, при этом первый котел оценивает температуру первого котла и указанного по меньшей мере одного вторичного котла.
В указанном устройстве управления котлом в ответ на неисправность вторичного котла указанный алгоритм может регулировать работу вторичных котлов и назначать новый вторичный котел в качестве замены для указанного неисправного вторичного котла.
Указанное устройство управления котлом может оценивать наработку первого котла и по меньшей мере одного вторичного котла и затем идентифицировать котел с наименьшей наработкой среди указанных первого и по меньшей мере одного вторичного котла, а затем регулировать последовательность запуска первого и по меньшей мере одного вторичного котлов в ответ на идентификацию котла с наименьшей наработкой.
Заявленное изобретение также относится к способу установки и работы сети последовательных соединений ряда котлов, включающему шаги, на которых:
устанавливают первый котел, оперативно соединенный с датчиком температуры;
последовательно соединяют указанный первый котел с устройством управления котла; и
последовательно соединяют по меньшей мере один вторичный котел с указанным первым котлом.
Данный способ дополнительно содержит шаг, на котором назначают уникальные адреса указанному первому котлу и указанному по меньшей мере одному вторичному котлу.
Данный способ дополнительно содержит шаги, на которых автоматически обнаруживают все котлы, последовательно объединенные в сеть с упомянутым управлением котлом; и автоматически конфигурируют все котлы, последовательно объединенные в сеть с упомянутым управлением котлом.
Согласно данному способу устройство управления котлом управляет параметром первого котла и указанного по меньшей мере одного вторичного котла, при этом указанным параметром котла является уставка температуры, наработка или последовательность запуска первого котла и по меньшей мере одного вторичного котла.
Согласно заявленному способу устройство управления котлом в ответ на неисправность вторичного котла регулирует наработку вторичных котлов и назначает новый вторичный котел в качестве замены неисправного вторичного котла.
Согласно заявленному способу устройство управления котлом оценивает наработку как первого, так и по меньшей мере одного вторичного котла и затем идентифицирует котел с наименьшей наработкой среди первого и вторичных котлов, и затем регулирует последовательность запуска первого и вторичных котлов в ответ на идентификацию котла с наименьшей наработкой.
Предпочтительные варианты осуществления заявленного изобретения станут очевидны после рассмотрения подробного описания, пунктов приложенной формулы и приложенных чертежей, взятых в целом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает упрощенную блок-схему, иллюстрирующую работу системы комбинированных котлов, включающую управление комбинированным котлом в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг.2 показывает блок-схему, иллюстрирующую упрощенную подпрограмму установки котла для управления комбинированным котлом в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг.3 показывает блок-схему, иллюстрирующую упрощенную подпрограмму обработки отказа котла для управления комбинированным котлом в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг.4 показывает блок-схему, иллюстрирующую упрощенную подпрограмму определения наработки котла для управления комбинированным котлом в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 показывает упрощенную схему, иллюстрирующую работу системы 10 комбинированных котлов, которая содержит устройство 22 управления комбинированным котлом, согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, система 10 включает внешний элемент 20 управления, например систему управления зданием или термостат, устройство 22 управления комбинированным котлом и ряд индивидуальных котлов 30, 40.
Внешний элемент 20 управления соединен с первым котлом 30 сетевым кабелем 80. Первый котел 30 также оперативно соединен с датчиком 32 температуры. В системе, показанной на фиг.1, первый котел 30 является "основным котлом", поскольку он оперативно соединен с датчиком 32 температуры системы. Остальные вторичные котлы, то есть "вспомогательные котлы" 40, последовательно соединены с основным котлом 30 и друг с другом сетевыми кабелями 90. Основной котел представляет собой по определению котел, соединенный с датчиком температуры системы. Следует отметить, что основной котел не обязательно непосредственно соединен с устройством 22 управления комбинированным котлом.
Предпочтительно, основной котел 30 выполняет несколько функций, обычно называемых функциями "настенного пульта управления", которые выполняются внешним элементом управления, например системой управления зданием. Эти функции включают измерение температуры системы, управление уставкой системы, управление наружным возвратом в исходное состояние и коэффициентом теплофикации, и подготовкой/запуском основных и вспомогательных котлов. Основной котел 30 также выполнен с возможностью связи с внешним элементом 20 управления, который, как указано выше, может быть простым термостатом или более сложной системой управления зданием.
Совершенно очевидно, что выполнение основным котлом функций настенного пульта управления и управление вспомогательными котлами через последовательную связь представляют собой важный аспект настоящего изобретения. В известных из уровня техники системах с комбинированными котлами каждый котел независимо соединен с внешним элементом управления кабелем управления. В системе согласно настоящему изобретению единственный основной котел соединен с внешним элементом управления, что устраняет необходимость в отдельном кабеле управления и защитном кабелепроводе между устройством управления и каждым котлом системы. Также настоящая система сокращает затраты, связанные с установкой системы комбинированных котлов.
Как показано на фиг.1, первый вспомогательный котел 40 последовательно соединен с основным котлом 30 сетевым кабелем 90. Аналогично каждый вспомогательный котел последовательно соединен со смежным вспомогательным котлом с помощью сетевых кабелей 90. Предпочтительно основной котел 30 и вспомогательные котлы 40, 50, 60 и 70 соединены последовательными линиями в соответствии с интерфейсным стандартом RS485. Основной котел 30 также последовательно соединен сетевым кабелем 80 с контроллером 22, который, в свою очередь, последовательно соединен с внешним элементом 20 управления. Эти линии связи также представляют собой предпочтительно последовательные линии стандарта RS485. Тем не менее следует отметить, что могут быть использованы и другие соединительные аппаратные средства, если они обеспечивают эффективную связь основного котла 30 со вспомогательными котлами. Протокол сети предпочтительно выбран Modbus RTU, хотя может быть использован любой другой последовательный коммуникационный протокол, например LonWorks или BACnet.
Основной котел 30 управляет вспомогательными котлами 40, 50, 60, 70 с помощью алгоритма управления, который содержится в программном обеспечении в устройстве управления 22 комбинированным котлом. Алгоритм управления представляет собой еще один важный аспект настоящего изобретения, поскольку он обеспечивает выполнение основным котлом 30 функций настенного пульта управления, обычно связанных с внешним элементом управления. Кроме того, алгоритм предусматривает регулирование общего количества котлов и их коэффициентов теплофикации для достижения температуры уставки системы. Алгоритм управления также обеспечивает автоматическое обнаружение и распознавание всех объединенных в сеть котлов. Управление 22 комбинированным котлом также выполнено с возможностью измерения и управления дополнительными компонентами, такими как насосы, заслонки, клапаны и дополнительные датчики.
Автоматическое обнаружение котла представляет собой существенную особенность настоящего изобретения, которая упрощает и сокращает затраты, связанные с процедурой установки при монтаже системы комбинированных котлов. При монтаже системы согласно настоящему изобретению каждому из установленных котлов назначают уникальный адрес, и сетевой кабель прокладывают между каждым котлом. Как сказано ранее, котел, оборудованный температурным датчиком, назначают основным котлом. Тогда все соединенные с ним вспомогательные котлы могут быть автоматически обнаружены и сконфигурированы для поддержания уставки системы. Эта процедура аналогична компоновке по принципу "подключи и работай" и существенно упрощает установку комбинированных котлов.
Упрощенная автоматическая подпрограмма обнаружения согласно настоящему изобретению проиллюстрирована на фиг.2. На начальном шаге 100 устанавливают котлы и устройство управления комбинированным котлом, а также присоединяют сетевые кабели. Затем, как показано на шаге 110, каждому котлу назначают уникальный адрес. После этого устройство управления комбинированным котлом автоматически обнаруживает все котлы системы, как показано на шаге 120. Если объединенный в сеть котел подключен к температурному датчику, то этот котел определяют как основной котел. Все другие объединенные в сеть котлы определяют как вспомогательные котлы. Как проиллюстрировано на шаге 140, после определения котлов как основной котел и вспомогательные котлы их конфигурируют в систему и на шаге 150 задают уставку и поддерживают ее для всей системы.
Алгоритм управления также позволяет основному котлу распределять тепловую нагрузку среди объединенных в сеть вспомогательных котлов и включать в сеть новый вспомогательный котел, если один из вспомогательных котлов определен как неисправный. Алгоритм также позволяет переводить котел в автономный режим для обслуживания без нарушения работы системы.
Упрощенная подпрограмма обработки отказов котла согласно настоящему изобретению показана на фиг.3. Как показано на шаге 200, устройство управления комбинированным котлом автоматически обнаруживает неисправное состояние котла. После этого устройство управления на шагах 210 и 220 определяет, является ли неисправный котел основным или вспомогательным, соответственно. Как показано на шаге 230, если неисправен основной котел, то вспомогательные котлы будут работать автономно согласно последней уставке системы. Если неисправен вспомогательный котел, то основной котел регулирует последовательность запуска исправных вспомогательных котлов и на шагах 240 и 250 назначает новый вспомогательный котел для замены неисправного котла, соответственно. Наконец, на шаге 260 устройство управления комбинированным котлом автоматически обнаруживает, устранена ли ошибка самостоятельно. Если так, то на шаге 270 система возвращается к нормальной работе.
Кроме того, алгоритм непосредственно определяет котел (котлы) с наименьшей наработкой и автоматически регулирует последовательность запуска котлов для равномерного распределения нагрузки среди всех котлов системы. При эксплуатации системы согласно настоящему изобретению, наработка каждого котла может быть рассчитана либо на основе максимальной теплоотдачи в БТЕ / среднего времени наработки на отказ, либо на основе коэффициента использования / выходной мощности в БТЕ.
Упрощенная программа действия системы согласно настоящему изобретению проиллюстрирована на фиг.4. На шаге 300 пользователь выбирает последовательность запуска котлов на основе их наработки. После выбора устройство управления комбинированным котлом непосредственно оценивает наработку каждого вспомогательного котла, как показано на шаге 310. После этого устройство управления идентифицирует котел с наименьшей наработкой - шаг 320 и затем регулирует последовательность запуска всех котлов системы для равномерного распределения нагрузки (шаг 330).
Распределение нагрузки на котлы представляет собой другой важный аспект настоящего изобретения, поскольку известные из уровня техники системы комбинированных котлов обычно запускают котлы по принципу «первым включен, первым выключен» или «первым включен, последним выключен», и не принимают во внимание наработку. Совершенно очевидно, что вообще желательно равномерно распределять нагрузку среди всех котлов в системе комбинированных котлов. Если нагрузка распределена неравномерно, то может потребоваться преждевременное обслуживание наиболее часто используемых котлов.
Кроме того, система согласно настоящему изобретению использует прогнозирующий алгоритм для определения момента запуска / выключения котла еще до того, как переменная, характеризующая его работу, например температура системы, отклонится от ее уставки слишком сильно. Предложенный способ вычисляет наклон характеристики (mx+b) переменной величины, характеризующей процесс, за период времени, когда котел должен работать, и предварительно задает время запуска и время останова котла на основе его тепловой производительности в БТЕ. Этот способ определения крутизны характеристики также используют для динамической регулировки подачи топлива с целью управления отклонением входной переменной процесса.
В итоге настоящее изобретение обеспечивает управление комбинированным котлом, которое устраняет необходимость в отдельном кабеле управления от каждого котла в системе комбинированных котлов до внешнего элемента управления. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает автоматическое обнаружение и включение объединенных в сеть котлов, а также возможность для основного котла управлять уставкой и последовательностью запуска ряда вспомогательных котлов. Настоящее изобретение также непосредственно измеряет наработку котла для идентификации котла с наименьшей наработкой и регулировки последовательности запуска других котлов с целью равномерного распределения наработки.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто на примере предпочтительных вариантов выполнения, подразумевается, что специалисты в данной области техники могут легко внести различные очевидные изменения и заменить эквивалентами его элементы без отступления от сути и объема настоящего изобретения. Поэтому следует считать, что настоящее изобретение не ограничено конкретными раскрытыми вариантами выполнения, и что изобретение включает все варианты выполнения, лежащие в пределах объема, определенного пунктами приложенной формулы.