СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ УСТРОЙСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА
METHOD FOR MANAGING THE WORK OF A FLOW CONTROL DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления работой устройства регулирования потока, например, предназначенного для отопительных систем и, например, клапана, в случаях, когда нагрузка становится низкой и/или высокой, а также к контроллеру, выполненному с возможностью осуществления этого способа.
Когда устройства регулирования потока управляются приводным средством со значительной задержкой отклика, могут иметь место колебания, главным образом, представляющие собой проблему в ситуациях, когда нагрузка (например, контролируемая в зависимости от температуры теплоносителя в обратной линии скорость потока) приближается к предельным значениям устройства регулирования потока, например, когда проходное отверстие клапана приближается к своему закрытому положению или приближается к своему полностью открытому положению.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в раскрытии способа и контроллера, направленных на решение этих проблем.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, в настоящем изобретении предлагается способ управления работой устройства регулирования потока текучей среды, в котором упомянутое устройство регулируют посредством управляющего сигнала, изменяющегося от 0 до 100% во время нормальной рабочей нагрузки, представляющей собой нагрузку в пределах заданного порогового значения нагрузки, при этом упомянутый управляющий сигнал равен 0%, когда упомянутое устройство регулирования потока должно быть закрыто, и равен 100%, когда оно должно быть открыто. Однако при выходе упомянутой нагрузки за пределы упомянутого порогового значения нагрузки, управление переходит на этап модифицированного управления, где упомянутый управляющий сигнал никогда не равен 0% и/или никогда не равен 100%. На этом этапе модифицированного управления возможные подсоединенные приводные средства активированы в каждый момент времени, что сокращает время отклика. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения упомянутое приводное средство представляет собой термоэлектрический восковой привод, и на упомянутом этапе привод никогда не является максимально охлажденным или максимально нагретым.
Управляющий сигнал может представлять собой сигнал широтно-импульсной модуляции (сигнал ШИМ). При этом модифицированный управляющий сигнал образован периодами Р полного цикла, каждый из которых включает в себя открытый период Ро, с управляющим сигналом 100%, и закрытый период Рс с упомянутым сигналом 0%. При этом, когда нагрузка становится ниже нижнего порогового значения нагрузки, упомянутый управляющий сигнал переходит на этап управления низкой нагрузкой, в котором открытый период Ро больше нуля даже тогда, когда устройство регулирования потока должно быть закрыто, и/или, когда нагрузка становится выше верхнего порогового значения нагрузки, упомянутый управляющий сигнал переходит на этап управления высокой нагрузки, в котором открытый период Ро меньше 100% даже тогда, когда устройство регулирования потока должно быть полностью открыто.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство регулирования потока текучей среды соединено с приводным средством, выполненным с возможностью приводить в движение устройство регулирования потока текучей среды на основании управляющего сигнала, переданного от подсоединенного контроллера.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения управляющие сигналы включают в себя этап управления низкой нагрузкой, в котором управляющий сигнал ниже точки реакции, представляющей собой сигнал в момент переключения приводом (13) устройства регулирования потока между открытым и закрытым положением и/или при котором управляющий сигнал этапа управления высокой нагрузки находится выше упомянутой точки реакции. Верхнее пороговое значение нагрузки и нижнее пороговое значение нагрузки, определяющие, когда управление должно перейти на этап управления низкой нагрузкой и этап управления высокой нагрузки, соответственно, должны находиться на значительном расстоянии от средней точки реакции, поскольку она зависит от таких факторов, как, например, температура окружающей среды. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения верхнее пороговое значение нагрузки и/или нижнее пороговое значение нагрузки не являются постоянными, а зависят от таких факторов, как, например, температура окружающей среды.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство регулирования потока является независимым от давления и может образовывать часть клапанной сборки, содержащей клапанное средство регулирования давления.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения устройство регулирования потока текучей среды выполнено с возможность настраивать скорость потока для поддержания заданной опорной температуры в обратной линии системы циркуляции, причем упомянутая низкая нагрузка соответствует низкой скорости потока и/или температуре Tr в обратной линии ниже заданного порогового значения.
Для обеспечения возможности управления устройством регулирования потока, например, для отслеживания выхода нагрузки за пределы нормального порогового значения нагрузки (выше верхнего порогового значения нагрузки или ниже нижнего порогового значения нагрузки), к системе циркуляции текучей среды, содержащей устройство регулирования потока, подсоединены температурные датчики (9), выполненные с возможностью передавать измерения в контроллер в качестве входного параметра (параметров) для управления работой устройства регулирования потока текучей среды.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения система циркуляции текучей среды представляет собой однотрубную отопительную систему, в которой к обратной линии трубопровода отопления присоединен по меньшей мере один упомянутый температурный датчик.
В одном из вариантов осуществления, на этапе управления низкой нагрузкой, открытый период Ро меньше или равен 10% или 20% всего периода Р, а закрытый период Рс больше или равен 90% или 80% от всего периода Р, и/или на этапе высокой нагрузки открытый период Ро больше или равен 90% или 80% от всего периода Р, а закрытый период Рс меньше или равен 10%, или 20% от всего периода Р.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения управление еще более усовершенствовано за счет контроля температуры Tr обратной линии с использованием пропорционально-интегрально-дифференциального управления (ПИД-управления).
Настоящее изобретение дополнительно относится к контроллеру, выполненному с возможностью управлять работой устройства регулирования потока текучей среды так, что управляющий сигнал равен 0%, когда упомянутое устройство регулирования потока текучей среды должно быть закрыто, и равен 100%, когда оно должно быть полностью открыто, при нормальной рабочей нагрузке, представляющей собой нагрузку в пределах порогового значения нагрузки, при этом контроллер выполнен с возможностью осуществлять обмен данными со средствами определения упомянутой нагрузки, отличающемуся тем, что упомянутый контроллер содержит модифицированный управляющий сигнал, при котором упомянутый управляющий сигнал никогда не равен 0% и/или никогда не равен 100%, и переходит на упомянутый модифицированный управляющий сигнал при выходе нагрузки за пределы упомянутого порогового значения нагрузки.
В различных вариантах осуществления контроллер выполнен с возможностью осуществлять способ в соответствии с любым из предыдущих вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан однотрубный отопительный циркуляционный контур, содержащий подключение к теплопроводу, например, к системе централизованного теплоснабжения, а также теплообменные устройства, например радиаторы.
На фиг. 2 показан независимый от давления регулятор потока.
На фиг. 3 проиллюстрировано приведение в действие воскового привода на основании управляющего сигнала.
На фиг. 4 показаны управляющие сигналы, образованные в виде сигналов ШИМ.
На фиг. 5 показана блок-схема, иллюстрирующая способ подачи модифицированного управляющего сигнала при выходе нагрузки за пределы заданного порогового значения.
На фиг. 6А, 6В проиллюстрирована работа системы, в которой используется ПИД-управление и ПИ-управление температурой обратной линии.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично показан отопительный циркуляционный контур (1), например, однотрубная циркуляционный контур, содержащий подключение (2) к системе (3) теплоснабжения, например, системе централизованного теплоснабжения. Теплопередающая текучая среда поступает по подводящей линии (4) во множество отопительных линий (5), или стояков, параллельно расположенных вдоль подводящей линии (4), соединяя ее с обратной линией (6).
Отопительные линии (5) могут соединять множество отдельных теплообменных контуров, каждый из которых содержит теплообменные устройства (8) (например радиаторы и тому подобное), причем каждый из них может образовывать отопительный контур для отдельной квартиры или, в общем случае, для бытового помещения. Эти содержащие теплообменные устройства (8) контуры расположены последовательно вдоль отопительных линий, однако обводные линии обеспечивают распределение теплопередающей текучей среды даже в случае перекрытия одного из контуров. Отопительные линии (5) дополнительно содержат регуляторы (7) потока, расположенные ниже по потоку от теплообменных устройств (8).
К некоторым или ко всем отопительным линиям (5) могут быть подсоединены датчики, например, датчики потока и/или температурные датчики (9), причем в показанном варианте осуществления они расположены ниже по потоку от теплообменных устройств (8), но выше по потоку от регуляторов (7) потока.
Кроме того, датчики, например, датчики потока и/или температурные датчики (10), могут быть подсоединены к подводящей линии (4), обратной линии (6), подключению (2) и так далее.
Контроллер (11) имеет соединение (12) с возможностью передачи данных с приводными средствами (13) (или с приводом) регуляторов (7) потока для настройки скорости потока в ответ на управляющий сигнал от контроллера (11).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения регуляторы (7) потока представляют собой клапаны, содержащие клапанный элемент, работающий совместно с дроссельным элементом (или седлом клапана) и вместе с ним определяющие отверстие клапана, задающееся положением клапанного элемента относительно дроссельного элемента. Отверстие клапана, в свою очередь, определяет скорость потока через клапан и, следовательно, через систему циркуляции, к которой он подсоединен. Один из вариантов осуществления такого клапана (7) изображен на фиг. 2, при этом показанный клапан представляет собой независимый от давления клапан, содержащий регулирующую давление часть (14), образованную из мембраны, выполненной с возможностью отклоняться в ответ на разность давления на средстве регулирования потока для осуществления регулирования давления. Могут быть использованы другие варианты осуществления независимых от давления клапанов (7), а также клапаны (7), которые не являются независимыми от давления.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения регуляторы (7) потока представляют собой термические регуляторы, изменяющие поток в ответ на изменение температуры теплопередающей текучей среды. При этом приводное средство (13) может представлять собой, например, термоэлектрический восковой привод. Однако настоящее изобретение может также быть использовано для приводов другого типа, например, для приводов со значительной задержкой времени отклика.
Контроль температуры обратной линии системы (1) циркуляции, например, однотрубной отопительной системы, осуществляется посредством способа управления, в котором настраивают скорость потока в отдельных отопительных линиях (5), например, для поддержания заданного значения температуры на участке ниже по потоку от последнего из теплообменных устройств (8), то есть, температуры обратной линии, и упомянутое опорное значение могут настраивать в зависимости от прочих условий, например, температуры окружающей среды и так далее. Этот способ может использоваться для преобразования традиционной однотрубной отопительной системы постоянного потока в систему переменного потока так, чтобы однотрубная система могла работать при неполной нагрузке, что повышает ее энегоэффективность.
На фиг. 3 проиллюстрирована ситуация согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, в которой приводное средство (13) представляет собой термоэлектрический восковой привод или содержит его. Такие восковые термостатические элементы преобразуют тепловую энергию в механическую энергию за счет термического расширения воска при его плавлении, но при этом они имею только закрытое или открытое положения. На фиг. 3 показана кривая (30) перехода между закрытым и открытым положениями, являющаяся довольно крутой по сравнению с управляющим сигналом (15). Таким образом, по существу для всех управляющих сигналов (15) ниже точки реакции привод (13) будет закрыт, и для всех управляющих сигналов (15) выше точки реакции он будет полностью открыт. Эта точка реакции соответствует определенному минимальному управляющему сигналу (15), на который реагирует привод (15) (или воск), и она может значительно колебаться, например, в зависимости от температуры окружающей среды. В течение времени она может иметь значительную задержку, по меньшей мере, при низких нагрузках, что пояснено далее.
На фиг. 3 ось X обозначает диапазон управляющего сигнала (15) от 0 (нет сигнала или 0% сигнала) до 1 (полный сигнал или 100% сигнала). При этом кривая (30) иллюстрирует значение приведения в действие для управляющего сигнала (15), приблизительно составляющее 3,5 или 35% (точка реакции). Однако конкретное значение будет зависеть от характера/типа управляющего сигнала (15), температуры окружающей среды (в частности, амплитуды сигналов ШИМ, как это описано далее), конкретного типа привода (13) и так далее.
Следует отметить, что фиг. 3, также как и другие чертежи, служат для иллюстрации основных принципов вариантов осуществления настоящего изобретения, при этом конкретные детали, величины, графики и так далее раскрыты лишь в качестве примера.
На фиг. 4 проиллюстрирован вариант осуществления способа управления регуляторами (7) потока на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) посредством опционально присоединенного приводного средства (13), в котором управляющий сигнал (15) изменяется периодами. На фиг. 4 показаны четыре различных управляющих сигнала (15), каждый из которых находится в пределах периода Р цикла, представляющего собой сумму периода Ро, с активированным управляющим сигналом (15) (в показанном варианте осуществления это означает, что полный сигнал равен 100%), и периода Рс, с деактивированным сигналом (в показанном варианте осуществления это означает, что сигнал отсутствует или равен 0%). В реальных системах управляющий сигнал (15) обычно представляет собой напряжение или ток определенной величины (амплитуда импульсов), однако на фиг. 3 и 4 он нормализован в диапазон 0 - 100% или, как изображено на фиг. 3, в доли единицы в промежутке 0-1.
Четыре схематически показанных различных управляющих сигнала (15) содержат управляющий сигнал (15а) равный 50%, что означает, что управляющий сигнал (15) активирован в течении 50% времени периода Р цикла, то есть, Ро = Рс = 50% или 0,5 по альтернативной шкале. Второй показанный управляющий сигнал (15b) активирован в течении 30% времени периода Р цикла, то есть, Ро = 30% и Рс = 70% от периода Р цикла. Третий показанный управляющий сигнал (15с) активирован 10% времени периода Р цикла, то есть, Ро=10% и Рс=90% от периода Р цикла. Четвертый показанный управляющий сигнал (15d) активирован 90% времени периода Р цикла, то есть, Ро = 90% и Рс = 10% от периода Р цикла. Таким образом, полный сигнал представляет собой управляющий сигнал (15), активированный в течение полного периода Р цикла, а отсутствие сигнала представляет собой управляющий сигнал (15), деактивированный в течение полного периода Р цикла. В более общем смысле, управляющий сигнал (15) в этом варианте осуществления на основе ШИМ определяется отношением отрезка времени, или периода, в течение которого был полностью активирован сигнал, к полному периоду цикла и выключен в течение остального периода цикла. Полный период Р цикла может быть постоянным или меняться с течением времени, а также может быть настраиваемым, причем открытый период Ро и закрытый период Рс настраивают соответствующим образом.
В ситуации низкой нагрузки на систему (1) циркуляции, то есть, когда теплообменными устройствами (8) отбирается лишь малое количество тепла, осуществление управления является особенно важным.
Для регуляторов (7) потока, содержащих приводное средство (13) или подсоединенных к нему, в случае наличия у приводных средств некоторой задержки отклика, или в случае, если время отклика по меньшей мере может вызвать проблемы при низких нагрузках (низких скоростях потока) или при слишком высокой температуре потока (высоких скоростях потока), медленный отклик привода (13) может снижать качество управления, что может привести к колебаниям контролируемой температуры обратной линии. Одним из примеров такого приводного средства (13) является термоэлектрический восковой привод, для которого, из-за особенностей его нагревательного воскового элемента, может потребоваться 3-4 минуты для срабатывания привода, и затем 3-4 минуты потребуется на открытие, то есть время отклика суммарно может составлять 8 минут. Обратная ситуация возникает в случае полной нагрузки.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, при низкой нагрузке, соответствующей низкой скорости потока и/или тому, что температура обратной линии находится ниже заданного порогового значения, контроллер (11) сконфигурирован изменять управляющий сигнал (15) посредством этапа (22а) управления низкой нагрузкой (как показано на фиг. 5) так, чтобы сигнал никогда не был равен 0% в течение всего периода Р цикла. Таким образом, обеспечивается то, что отклик приводного средства (13) будет значительно более быстрым. Это может быть реализовано, например, за счет установки управляющего сигнала (15) на уровне ниже точки реакции, например, ниже 20%, или ниже 10%, или ниже 5%.
Таким образом, при низкой нагрузке закрывающий сигнал, то есть, сигнал, обеспечивающий закрытое состояние регулятора (7) потока, будет выше нуля, однако существенно ниже диапазона точек реакции, поскольку эти точки могут колебаться, в частности, из-за предполагаемых изменений температуры окружающей среды. Этап (22а) управления низкой нагрузкой позволяет предотвратить излишнее охлаждение приводного средства (13).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в случае, если значения скорости потока и/или температуры обратной линии находятся за пределами заданного порогового значения, способ возвращается на этап стандартного управления.
Когда нагрузка становится высокой, что соответствует высокой скорости потока и/или превышению температурой обратной линии заданного порогового значения, контроллер (11) сконфигурирован изменять управляющий сигнал (15) посредством этапа (22b) управления высокой нагрузки (как показано на фиг. 5А) так, чтобы сигнал никогда не был равен 100% в течение всего периода Р цикла, что может рассматриваться в качестве дополнительного или альтернативного признака вариантов осуществления настоящего изобретения. Это обеспечивает то, что отклик приводного средства (13) будет значительно более быстрым. Это может быть осуществлено, например, посредством установки управляющего сигнала (15) на уровне выше точки реакции, например, выше 80%, или выше 90%, или выше 95%.
Таким образом, при высокой нагрузке закрывающий сигнал, то есть, сигнал, обеспечивающий открытое состояние регулятора (7) потока, будет ниже нуля, но достаточно выше диапазона точек реакции, поскольку эти точки могут колебаться, в частности, из-за предполагаемых изменений температуры окружающей среды. Этап (22b) управления высокой нагрузкой позволяет предотвратить слишком сильное нагревание приводного средства (13).
На фиг. 5 показана базовая блок-схема, иллюстрирующая осуществляемый контроллером (11) способ управления в соответствии с одним из вариантов осуществления. Система будет работать в нормальном режиме в ситуации нормальной нагрузки, то есть, при выполнении управляющих сигналов (15) на этапе (20) нормального управления, в котором нагрузка находится в пределах заданных пороговых значений нагрузки, а именно когда нагрузка больше нижнего порогового значения нагрузки и/или меньше верхнего порогового значения нагрузки.
Когда нагрузка становится низкой (21), что соответствует низкой скорости потока и/или падению температуры обратной линии ниже заданного нижнего порогового значения нагрузки, активируют этап (22а) управления низкой нагрузкой, в котором управляющий сигнал (15) включает в себя ненулевой открытый период Ро, при котором сигнал Ро находится ниже критической точки реакции.
Альтернативно, когда нагрузка становится высокой (21), что соответствует высокой скорости потока и/или превышению температурой обратной линии заданного нижнего порогового значения нагрузки, активируют этап (22b) управления высокой нагрузки, в котором управляющий сигнал (15) включает в себя открытый период Ро < 100%, при котором сигнал Ро превышает критическую точку реакции.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, если скорость потока и/или температура обратной линии находятся за пределами промежутка данных пороговых значений (23), возвращаются на этап (20) обычного управления, в котором управление осуществляют для нормальной нагрузки, в противном случае повторяют с этапа (22а, 22b).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения контроллер (11) сконфигурирован осуществлять ПИД-управление. На фиг. 6А и 6 В схематически проиллюстрировано управление температурой Tr обратной линии на основании опорной температуры (40) обратной линии, причем на фиг. 6А схематически проиллюстрировано ПИ-управление, а на фиг. 6В - ПИД-управление.
ПИД-управление включает в себя три составляющие: часть ‘П’ учитывает величины отклонения в настоящий момент времени (большое и положительное отклонение обеспечивает большой и положительный управляющий выходной сигнал и так далее). Часть ‘И’ представляет собой интегрирующую составляющую и учитывает прошлые величины отклонения и для которой при недостаточности текущего выходного сигнала отклонение накапливается с течением времени, и контроллер будет отвечать более сильными управляющими действиями. Именно это показано на фиг. 6А, где показана ситуация, когда управление осуществляют в соответствии с вышеописанным способом, осуществляющим этап (22а) управления низкой нагрузкой и/или этап (22b) управления высокой нагрузки, при этом, хотя проблема колебаний может все же не быть решена полностью, но ситуация может быть значительно улучшена, при этом система может реагировать очень быстро.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения управление (полное ПИД-управление) включает в себя также ‘Д’ (дифференцирующую составляющую), причем эта составляющая соответствует возможным будущим величинам отклонения в зависимости от текущей скорости его изменения.