DE69833266T2

DE69833266T2 - Selbstanpassende steuerung für eine einen spiralverdichter mit pulsbreitenmoduliertem betrieb verwendende kälteanlage

Info

Publication number: DE69833266T2
Application number: DE69833266T
Authority: DE
Inventors: M. Hung Dayton PHAM; Abtar Kennesaw Singh; M. Jean-Luc Dayton CAILLAT; Mark Sidney Bass
Original assignee: Copeland Corp LLC
Current assignee: Copeland LP
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2018-09-10
Also published as: CN1952813A; CN1272171A; US20010045097A1; USRE42006E1; CN100432584C; EP1598615A2; CN1664372A; US7389649B2; CN1664373A; CN1952813B; US20010049942A1; US6662578B2; US20030094004A1; CN100565050C; CN100432585C; JP4157275B2; US6393852B2; AU748946B2; CN1664474A; KR100547984B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Kälteanlagen, Verdichtersteuerungssysteme und Kältemittel regulierende Ventilsteuerungssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung einen adaptiven, selbst einstellenden Regler für eine Kältemitteldruck bewirkende Komponente einer Kälteanlage, wobei die Druck bewirkende Komponente ein Verdichter sein kann. Der Verdichter kann zwei durch eine Dichtung getrennte mechanische Elemente aufweisen, und diese mechanischen Elemente sind zueinander zyklisch bewegbar, um Fluiddruck aufzubauen. Der Verdichter kann auch einen Mechanismus aufweisen, um die Dichtung als Reaktion auf das Steuersignal gezielt aufzuheben, wodurch die Leistung des Systems moduliert wird.
Die Kälteanlage kann als dezentrale Anlage in Kühlvitrinen und dergleichen eingesetzt werden. Die bevorzugte Anordnung erlaubt das Anordnen bzw. Anbringen der Verdichter- und Kondensatoruntersysteme in bzw. an dem Kühlgehäuse, wodurch die erforderliche Länge der Kältemittelleitung und das Kältemittel stark reduziert werden.
Herkömmlicherweise verwenden Kälteanlagen für Supermarktkühlvitrinen luft- oder wassergekühlte Kondensatoren, die von einer Reihe von Verdichtern versorgt werden. Die Verdichter sind parallel gekoppelt, so dass sie in Phasen ein- und ausgeschaltet werden können, um die Kühlleistung der Anlage an die Lastanforderungen anzupassen. Üblicherweise befinden sich die Kondensatoren außerhalb, auf dem Dach oder in einem Maschinenraum neben dem Einkaufsbereich, in dem die Kühlvitrinen angeordnet sind.
In jeder Kühlvitrine befindet sich ein Verdampfer, der durch Leitungen von den Kondensatoren gespeist wird, durch welche das entspannte Kältemittel umläuft, um die Vitrine zu kühlen. Herkömmlicherweise regelt ein geschlossenes Regelkreissteuersystem das Strömen von Kältemittel durch den Verdampfer, um die erwünschten Vitrinentemperaturen zu halten. Geschlossene Proportional-Integral-Differential-Regelkreissteuersysteme (PID) sind für diesen Zweck beliebt, wobei Temperatur- und/oder Drucksensoren die Eingaben der abgetasteten Zustände liefern.
Bei Supermärkten ist es gang und gäbe, separate Systeme zu verwenden, um verschiedene individuelle Kühltemperaturbereiche zu liefern: niedrigere Temperatur (für Tiefkühlkost, Speiseeis, nominell –32°C (–25°F); mittlere Temperatur (für Fleisch, Molkereierzeugnisse, nominell –7°C (+20°F), hohe Temperatur (für Blumen, landwirtschaftliche Erzeugnisse, nominell 2 bis 4°C (+35 bis +40°F). Die separaten Systeme für niedrige, mittlere und hohe Temperatur sind jeweils für ihren jeweiligen Temperaturbereich optimiert. Normalerweise verwendet jedes seine eigene Verdichterreihe und seinen eigenen Satz an Kältemittelleitungen zu und von den Verdichtern und Kondensatoren.
Die oben beschriebene herkömmliche Anordnung ist von der Konstruktion und Wartung her sehr teuer. Ein Großteil der Kosten ist durch die langen Kältemittelleitungsstrecken bedingt. Lange Leitungsstrecken sind nicht nur bezüglich Material- und Einbaukosten teuer, auch die erforderliche Menge an Kältemittel zum Befüllen der Leitungen ist ein wesentlicher Kostenfaktor. Je länger die Leitungsstrecke, desto mehr Kältemittel ist erforderlich. Zu diesen vermehrten Kosten kommen Umweltfaktoren hinzu. Anschlüsse lecken irgendwann, was Kältemittel an die Atmosphäre austreten lässt. Lange Leitungsstrecken bringen ausnahmslos mehr Leitungsverbindungen mit sich, die unter Umständen lecken können. Bei Auftreten eines Lecks geht umso mehr Kältemittel verloren, je länger die Leitungsstrecke ist.
Das Interesse an umweltfreundlichen Kälteanlagen ist heutzutage beträchtlich. Das Verkürzen der Leitungsstrecke wird als eine Möglichkeit zur Verwirklichung einer umweltfreundlicheren Anlage gesehen. Um diese zu verwirklichen, müssen neue Kondensator-/Verdichterkonfigurationen und neue Regelsysteme entwickelt werden.
Das Überarbeiten von Kondensator-/Verdichterkonfigurationen für umweltfreundlichere Anlagen ist keine einfache Aufgabe, da die Leistungsfähigkeit der Anlage nicht geopfert werden sollte. Im Allgemeinen profitiert die herkömmliche auf einem Dach montiere Kondensatoranlage, die von Kondensatoren versorgt wird, von der Wirtschaftlichkeit einer Massenproduktion und ist recht leistungsfähig. Diese Anlagen dienen als Maßstab, mit dem sich umweltfreundlichere Anlagen der Zukunft messen lassen müssen.
Um zu verstehen, warum eine Überarbeitung einer umweltfreundlichen, aber leistungsfähigen Anlage sich als so schwierig erwiesen hat, müssen folgende thermodynamische Punkte berücksichtigt werden. Die typische Kühlvitrine arbeitet in einem sehr unberechenbaren Umfeld. Vom Gesichtspunkt der Bauart her ist die zu kühlende thermische Masse selten konstant. Innerhalb der Supermarktumgebung können die Temperatur und Feuchtigkeit zu verschiedenen Tageszeiten und im Laufe der verschiedenen Jahreszeiten über das Jahr stark schwanken. Die Produktlasten (Artikel in der Kühlvitrine) können sich ebenfalls unberechenbar ändern. Die Entnahme von Produkten durch Kunden und das Nachfüllen der Produkte durch Ladenangestellte sind selten zeitgleich. Außerhalb der Supermarktumgebung können die Außenlufttemperatur und Außenluftfeuchtigkeit von Tag zu Nacht und/oder von Sommer zu Winter ebenfalls recht stark variieren. Die Leistung der Anlage muss für die härtesten Bedingungen (bei denen die Kondensatorumgebung am heißesten ist) ausgelegt sein. Somit können Anlagen unter weniger harten Bedingungen, beispielsweise an kühlen Abenden oder während des Winters, Überkapazität aufweisen.
Ein regelmäßiges Abtauen bringt auch Wärmeschwankungen in das System ein. Im Gegensatz zu Wärmeschwankungen aufgrund von Umgebungsbedingungen werden durch den Abtauzyklus induzierte Wärmeschwankungen vom Regelsystem selbst und nicht von der unmittelbaren Umgebung ausgelöst.
In ähnlicher Weise kann das Regelsystem für das Bedienen der mehreren Kühlvitrinen Wärmeschwankungen einführen, die sich recht schwer vorhersagen lassen. Wenn alle Vitrinen innerhalb einer Multivitrinenanlage plötzlich gleichzeitig eingeschaltet werden – um deren jeweilige Kühlforderungen zu erfüllen – muss die Kühlleistung schnell auf den Höchstwert hochgefahren werden. Wenn analog alle Vitrinen plötzlich abgeschaltet werden, sollte die Kühlleistung entsprechend heruntergefahren werden. Angesichts der Tatsache, dass einzelne Kühlvitrinen unabhängig von einander arbeiten können, neigt aber die momentane Forderung nach Kühlleistung zu breiter und unvorhersehbarer Schwankung.
Dabei handelt es sich ausnahmslos um Probleme, die das Entwickeln von umweltfreundlichen Anlagen erschweren. Zu diesen Schwierigkeiten kommen Bediener-Entwicklungsprobleme/ergonomische Probleme hinzu. Der moderne PID-Regler lässt sich unter Umständen schwer an dezentrale Kühlanlagen anpassen. Erfahrene Regelungsingenieure wissen, dass ein gut eingestellter PID-Regler bei der Wahl der geeigneten Regelkonstanten, die im PID-Algorithmus benutzt werden, ein hohes Können erfordern kann. Bei einer großen Kälteanlage herkömmlicher Architektur (nicht dezentral) rechtfertigt die Größe der Anlage den Besuch eines Regelungsingenieurs an Ort und Stelle (eventuell wiederholt), um die Regelungskonstantenparameter gut einzustellen.
Dies kann bei dezentralen Anlagen, bei denen die Komponenten jeweils von viel kleinerem Maßstab und viel zahlreicher sind, unpraktisch sein. Zum Vergleich: eine herkömmliche Anlage könnte einen Regler für eine gesamte, aus mehreren Vitrinen bestehende, ladenweite Anlage einsetzen. Eine dezentrale Anlage für den gleichen Laden könnte einen Regler pro Vitrine bzw. benachbarte Gruppe von Vitrinen im Geschäft erfordern. Dezentrale Anlagen müssen so ausgelegt werden, dass sie das Mitwirken des Endanwenders minimieren. Daher wäre es erwünscht, wenn sich der Regler selbst konfigurieren könnte. Den derzeitigen Regelungssystemen fehlt diese Fähigkeit.
US-A-5 259 210 offenbart eine Kälteeinrichtung, die auf eine Temperaturänderung anspricht. Sie ist mit Mitteln für das Detektieren der Verdampfungstemperatur des Kältemittels, Mitteln für das Detektieren der Auslasstemperatur des Verdampfers und einem Regelungsmittel versehen, wobei Fuzzy-Logik (unscharfe Logik) zum Regeln der Öffnung des Expansionsventils verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung gibt einen adaptiven, selbst einstellenden Regler für eine Kältemitteldruck bewirkende Komponente einer Kälteanlage an die Hand, welcher umfasst:
einen mit der Druck bewirkenden Komponente gekoppelten Steuerungsprozessor für das Vorsehen einer Regelung der Komponente anhand eines Fehlersignals;
wobei der Steuerungsprozessor einen Speicher für das Speichern erster Verarbeitungsbefehle für das Ausführen eines Steueralgorithmus aufweist, der mindestens einen programmierbar einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweist;
wobei der Steuerungsprozessor einen Speicher für das Speichern zweiter Verarbeitungsbefehle für das adaptive Ändern des programmierbar einstellbaren Verstärkungsfaktors durch periodisches Erzeugen eines neuen Verstärkungsfaktors aufweist;
wobei die zweiten Verarbeitungsbefehle den Steuerungsprozessor veranlassen:

(a) eine Schwankung des Fehlersignals zu überwachen und einen numerischen Wert zu erzeugen, der die prozentuale Schwankung des Fehlersignals über einen vorbestimmten Zeitraum anzeigt;
(b) den numerischen Wert durch Verwenden einer Zugehörigkeitsfunktion zu fuzzifizieren, um einen Satz von Fuzzy-Eingangsgrößen zu erzeugen, die den Grad der Zugehörigkeit anzeigen;
(c) einen vorbestimmten Satz Regeln auf die Fuzzy-Eingangsgrößen anzuwenden, um einen Satz von Fuzzy-Ausgangsgrößen zu erzeugen, wobei der vorbestimmte Satz Regeln den Grad wiedergibt, um den der einem vorgegebenen Element der Zugehörigkeitsfunktion zugeordnete Verstärkungsfaktor geändert werden soll; und
(d) die Fuzzy-Ausgangsgrößen durch einen Kombinationsschritt, der den neuen Verstärkungsfaktor ergibt, zu defuzzifizieren.

Die Druck bewirkende Komponente kann ein Verdichter sein, der zwei mechanische Elemente, beispielsweise Scrollelemente verwendet, die sich zueinander drehend bewegen, um Fluiddruck zum Pumpen des Kältemittels aufzubauen. Der Verdichter weist einen Mechanismus auf, der die Dichtung zwischen den beiden mechanischen Elementen gezielt unterbricht, wodurch der durch den Verdichter aufgebaute Fluiddruck geändert wird, während es den mechanischen Elementen erlaubt wird, eine im Wesentlichen konstante relative Bewegung miteinander zu halten. Der Verdichter kann durch das Herstellen und Unterbrechen der Fluiddichtung impulsbreitenmoduliert werden, ohne dass der die mechanischen Elemente antreibende Elektromotor gestartet und gestoppt werden muss.
Der Verdichter wird durch ein Regelungssystem angetrieben, das ein variables Arbeitsspiel-Steuersignal anhand der gemessenen Systemlast liefert. Der Regler kann auch die Frequenz (oder Zykluszeit) des Steuersignals regeln, um Druckschwankungen der Kälteanlage zu minimieren. Die Einschaltdauer ist somit gleich dem Arbeitsspiel multipliziert mit der Zykluszeit, wobei die Zykluszeit die Inverse der Frequenz ist.
Der erfindungsgemäße Regler kann in eine Kälteanlage integriert werden, welche die folgenden Vorteile aufweist. Da die momentane Kapazität der Kälteanlage durch die variable Arbeitsspielregelung problemlos reguliert wird, kann ein überdimensionierter Verdichter zur Verwirklichung eines schnelleren Temperaturabsenkens bei Anlaufen und nach Abtauen verwendet werden, ohne wie bei herkömmlichen Verdichtersystemen unkontrollierte Schalthäufigkeit zu verursachen. Ein weiterer Vorteil der variablen Arbeitsspielregelung ist, dass das System schnell auf plötzliche Änderungen der Kondensatortemperatur- oder der Gehäusetemperatur-Sollwerte reagieren kann. Der Regler passt die Leistung als Reaktion auf Störungen an, ohne instabile Schwingungen zu erzeugen und ohne signifikantes Überschreiten. Die Fähigkeit, die momentane Leistung an die Forderung anzupassen, macht es auch möglich, dass die Anlage bei höheren Verdampfertemperaturen arbeiten kann.
(Starke Temperaturabfälle, wie sie von herkömmlichen Anlagen bei Überkapazität auftreten, werden vermieden.)
Das Betreiben bei höheren Verdampfertemperaturen senkt die erforderliche Abtauenergie, da die Anlage bei höheren Temperaturen Frost langsamer aufbaut. Ferner kann die Zeit zwischen den Abtauvorgängen um einen Prozentsatz proportional zu der aufgelaufenen Betriebszeit verlängert werden, wie von dem tatsächlichen variablen Arbeitsspiel-Steuersignal vorgeschrieben. Ein Arbeitsspiel von 60% würde zum Beispiel eine standardmäßige Dauer von drei Stunden zwischen den Abtauvorgängen auf fünf Stunden verlängern (3/,60 = 5).
Der impulsbreitenmodulierte Betrieb der Anlage liefert auch eine verbesserte Ölrückführung. Das Strömen von Kältemittel pulsiert zwischen hoher Kapazität und niedriger Kapazität (z.B. 100% und 0%), was Turbulenz erzeugt, die die Ölgrenzschicht in den Wärmetauschern aufreißt.
Ein weiterer Vorteil des variablen Arbeitsspiel-Regelungssystems ist die Fähigkeit mit einer Vielzahl von Expansionsvorrichtungen zu arbeiten, einschließlich der einfachen Düse, dem thermischen Expansionsventil (TXV) und dem elektronischen Expansionsventil. Ein von dem Expansionsvorrichtungsregler gewonnenes Signal kann dem erfindungsgemäßen Verdichterregler zugeführt werden. Dieses Signal ermöglicht das Anpassen des variablen Arbeitsspiel-Steuersignals und/oder seiner Frequenz an die momentanen Betriebsbedingungen der Expansionsvorrichtung. Ein ähnliches Vorgehen kann zum Betreiben von Gebläsen variabler Drehzahl in luftgekühlten Kondensatorsystemen eingesetzt werden. In einem solchen Fall kann der erfindungsgemäße Regler ein Signal zum Steuern der Gebläsedrehzahl basierend auf dem aktuellen vorliegenden Arbeitsspiel des Verdichters liefern.
Eine den erfindungsgemäßen Regler enthaltende Kälteanlage kann vorteilhaft so eingerichtet werden, dass detektiert wird, wenn die Anlage eine niedrige Kältemittelfüllung aufweist, was ein wichtiger Umweltbelang ist. Eine niedrige Kältemittelfüllung kann auf das Vorliegen von Lecks in der Anlage hinweisen. Eine niedrige Füllung kann durch Beobachten der Änderung des Fehlers zwischen tatsächlicher Temperatur und Sollwert-Temperatur detektiert werden, da das Arbeitsspiel der Anlage moduliert wird. Das Regelungssystem kann dafür konfiguriert werden, zu detektieren, wenn die Modulation des Arbeitsspiels nicht die erwünschte Wirkung auf das Halten der Temperatur hat. Dies kann aufgrund eines Verlusts an Kältemittelfüllung, einem klemmenden thermischen Expansionsventil oder anderen Fehlfunktionen auftreten.
Für ein umfassenderes Verständnis der Erfindung, ihrer Aufgaben und Vorteile wird auf die folgende Beschreibung und die Begleitzeichnungen verwiesen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
1 ist ein Systemblockdiagramm einer vorbekannten Kälteanlagenkonfiguration;
2 ist ein Systemblockdiagramm einer Kälteanlage;
3 ist eine Querschnittansicht einer Ausführung des impulsbreitenmodulierten Verdichters, der in belastetem Zustand gezeigt wird;
4 ist eine Querschnittansicht des Verdichters von 3, der in unbelastetem Zustand gezeigt wird;
5 eine andere Ausführung einer Kälte- oder Kühlanlage;
6 ist ein Blockdiagramm des Reglers;
7 ist ein Blockdiagramm, das zeigt, wie der Regler zum Modulieren eines Verdampfer-Schrittreglers eingesetzt werden kann;
8 ist ein Blockdiagramm des Signalaufbereitungsmoduls des Reglers von 6;
9 ist ein Blockdiagramm des Regelungsmoduls des Reglers von 6;
10 ist ein Zustandsdiagramm, das die Betriebszustände des Reglers darstellt;
11 ist Flussdiagramm, das den derzeit bevorzugten PI-Regelalgorithmus veranschaulicht;
12 ist ein Wellenformdiagramm, das das vom Regler erzeugte variable Arbeitsspielsignal darstellt und den Betrieb bei einer konstanten Frequenz zeigt;
13 ist ein Wellenformdiagramm des variablen Arbeitsspielsignals, das den Betrieb bei variabler Frequenz darstellt;
14 ist eine Reihe von graphischen Darstellungen, die die Temperatur- und Druckdynamik der die Erfindung nutzenden Anlage mit einer Anlage herkömmlicher Bauart vergleichen;
15 ist ein Blockdiagramm, das das adaptive Einstellmodul der Erfindung zeigt;
16a ist ein Flussdiagramm, das den derzeit bevorzugten Betrieb des adaptiven Einstellmoduls zeigt, insbesondere unter Bezug auf die Entscheidung, wo die Einstellung beginnen soll;
16b ist ein Flussdiagramm, das den derzeit bevorzugten Prozess zeigt, der von dem adaptiven Einstellmodul im Integrationsmodus ausgeführt wird;
16c ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des adaptiven Einstellmoduls im Berechnungsmodus zeigt;
17 ist ein Zustandsdiagramm, das die Betriebszustände des adaptiven Einstellmoduls zeigt;
18 ist ein Blockdiagramm, das den Fuzzy-Logik-Block des adaptiven Einstellkreises zeigt;
19 ist ein Zugehörigkeitsfunktionsdiagramm für den Fuzzy-Logik-Block von 18;
20 ist eine Wahrheitstabelle bezüglich der Zugehörigkeitsfunktion von 19, die von dem Fuzzy-Logik-Block von 18 verwendet wird;
21 ist ein ausgegebenes Zugehörigkeitsfunktionsdiagramm für den Fuzzy-Logik-Block von 18; und
22 ist ein Schema, das beispielhafte Sensorpositionen für mit Regelung und Diagnose in Zusammenhang stehende Funktionen der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen:
1 veranschaulicht, wie eine herkömmliche Supermarkt-Kälteanlage aufgebaut ist. Wie bereits beschrieben ist es üblich, die Verdichter 30 und den Kondensator 32 an einem Ort fern der Kältevitrinen 34 aufzustellen. In dieser Darstellung sind die Verdichter 30 in einer parallelen Gruppe konfiguriert, die sich auf dem Dach 36 des Gebäudes befindet. Die Gruppe von Verdichtern versorgt einen großen Kondensator 32, der luft- oder wassergekühlt sein kann. Der Kondensator liefert einem Sammelbehälter 38 flüssiges Kältemittel. Der Sammelbehälter 38 versorgt wiederum die einzelnen Kühlvitrinen, die wie dargestellt parallel verbunden sind. Bei den meisten praktischen Anwendungen wird ein Flüssigkeitsleitungsmagnetventil 40 zum Regeln des Strömens zu dem zugehörigen Verdampfer 42 verwendet. Das Kältemittel wird dem Verdampfer durch eine geeignete Expansionseinrichtung, beispielsweise ein Expansionsventil 44, zugeführt. Das Expansionsventil 44 sieht eine verengte Öffnung vor, die bewirkt, dass das flüssige Kältemittel zu Flüssigkeitströpfchen zerstäubt wird, die in die Einlassseite des Verdampfers 42 eingeleitet werden. Der in der Kühlvitrine 34 angeordnete Verdampfer 42 entzieht der Vitrine und ihrem Inhalt durch Verdampfung der flüssigen Kältemitteltröpfchen zu einem Gas Wärme. Die Verdichter 30 ziehen dieses Gas durch Saugen ab und verdichten es wieder in den flüssigen Zustand. Das flüssige Kältemittel wird dann in dem Kondensator 32 gekühlt und zu dem Sammelbehälter 38 zurückgeleitet, woraufhin sich der Zyklus fortsetzt.
Um die Kühlleistung der Last anzupassen, können die Verdichter 30 nach Bedarf einzeln oder in Gruppen ein- und ausgeschaltet werden. Bei einer typischen Supermarktanordnung kann es mehrere unabhängige Anlagen geben, von denen jede wie in 1 aufgebaut ist, um verschiedene Betriebstemperaturbereiche zu handhaben. Zu beachten ist, dass die Flüssigkeitsleitung 46 und die Saugleitung 48 unter Umständen jeweils recht lang sein müssen (zum Beispiel bis zu 46 m), um die Strecke von der Kühlvitrine bis zum Dach zu überspannen.
2 zeigt eine Kühlvitrine 34. Der Kondensator 32 und der Verdichter 30 sind beide in der Vitrine 34 angeordnet oder daran angebracht. Der Verdampfer 42 und das zugehörige Expansionsventil 44 sind ebenfalls in der Vitrine 34 angeordnet. Der Kondensator 32 ist mit einem Wärmeabführmechanismus 50 versehen, durch den Wärme an die Umgebung übertragen wird. Der Wärmeabführmechanismus kann ein Wasserkühlmantel sein, der zum Transportieren von Abwärme zu einem auf dem Gebäudedach befindlichen Wasserkühlturm mit geeigneten Rohrleitungen angeschlossen ist. Alternativ kann der Wärmeabführmechanismus ein Zwangsbelüftungskühlsystem oder ein Luftkühlungssystem mit passiver Konvektion sein.
Die Kälteanlage verwendet einen Verdichterregler 52, der ein impulsbreitenmoduliertes Steuersignal an Leitung 54 zu einem Magnetventil 56 an dem Verdichter 30 liefert. Der Verdichterregler passt die Impulsbreite des Steuersignals mit Hilfe eines nachstehend beschriebenen Algorithmus an. Ein geeigneter Lastsensor, beispielsweise ein Temperatursensor 58, liefert das von dem Regler verwendete Eingangssignal zum Ermitteln der Impulsbreite.
3 und 4 zeigen die Einzelheiten des Verdichters 30. 3 zeigt den Verdichter in seinem belasteten Zustand und 4 zeigt den Verdichter in seinem unbelasteten Zustand. Das Magnetventil 56 schaltet den Verdichter zwischen den beiden Zuständen, während der Verdichtermotor eingeschaltet bleibt. Ein wichtiger Vorteil dieser Konfiguration ist, dass der Verdichter sehr schnell zwischen dem belasteten und dem unbelasteten Zustand impulsbreitenmoduliert werden kann, ohne die Stromversorgung des Verdichtermotors zu unterbrechen. Dieses impulsbreitenmodulierte Pendeln übt am Verdichter wenig Verschleiß aus, da der Motor keinen plötzlichen Drehimpulsänderungen ausgesetzt wird.
Unter Bezug auf die 3 und 4 wird ein beispielhafter Verdichter 30 gezeigt. Der Verdichter 30 kann in einem hermetischen Scrollverdichter, beispielsweise von allgemein dem in U.S. Patent Nr. 5,102,316 der Anmelderin beschriebenen Art, verwendet werden.
Der beispielhafte Verdichter 30 weist einen Außenmantel 61 und ein an einem oberen Lagergehäuse 63 gelagertes und über einen Kurbelzapfen 65 und einen Mitnehmereinsatz 60 treibend mit einer Kurbelwelle 62 verbundenes orbitierendes Scrollelement 64 auf. Ein zweites nicht orbitierendes Scrollelement 67 ist in kämmendem Eingriff mit dem Scrollelement 64 angeordnet und axial beweglich an dem oberen Lagergehäuse 63 befestigt. Eine Trennplatte 69 ist neben dem oberen Ende des Mantels 61 vorgesehen und dient zum Ausbilden einer Druckkammer 70 am oberen Ende derselben.
Bei Betrieb wird, wenn das orbitierende Scrollelement 64 in Bezug auf das Scrollelement 67 orbitiert, über einen Saugeinlass 71 Sauggas in den Mantel 61 und dann durch einen in dem nicht orbitierenden Scrollelement 67 vorgesehenen Einlass 72 in den Verdichter 30 gesaugt. Die an den Scrollelementen 64 und 67 vorgesehenen kämmenden Spiralen bilden sich bewegende Fluidtaschen aus, die infolge der orbitierenden Bewegung des Scrollelements 64 zunehmend an Größe abnehmen und sich radial nach innen bewegen, wodurch sie das über den Einlass 72 eindringende Sauggas verdichten. Dann wird das verdichtete Gas über eine in dem Scrollelement 67 vorgesehene Auslassöffnung 73 und Kanal 74 in die Druckkammer 70 abgelassen.
Zum Entlasten des Verdichters 30 wird das Magnetventil 56 als Reaktion auf ein Signal des Regelungsmoduls 87 betätigt, um die Fluidverbindung zum Anheben des Drucks in der Kammer 77 auf den des Druckgases zu unterbrechen. Die sich aus diesem Auslassdruck ergebende Vorspannkraft überwindet die abdichtende Vorspannkraft, wodurch das Scrollelement 67 veranlasst wird, sich axial nach oben weg vom orbitierenden Scrollelement 64 zu bewegen. Diese axiale Bewegung führt zum Erzeugen einer Leckstrecke zwischen den jeweiligen Spiralspitzen und Endplatten der Scrollelemente 64 und 67, wodurch das fortgesetzte Verdichten des Sauggases im Wesentlichen aufgehoben wird.
Eine biegsame Fluidleitung 91 verläuft von dem Außenende des Durchlasses 90 zu einem Stutzen 92, der sich durch den Mantel 61 erstreckt, wobei eine zweite Leitung 93 den Stutzen 92 mit dem Magnetventil 56 verbindet. Das Magnetventil 56 weist mit der Saugleitung 83 und der Druckleitung 85 verbundene Fluidleitungen 82 und 84 auf und wird durch das Regelungsmodul 87 als Reaktion auf die von Sensor 88 erfassten Bedingungen geregelt, um eine Bewegung des nicht orbitierenden Scrollelements 67 zwischen den in den 3 und 4 gezeigten Positionen zu bewirken.
Soll die Verdichtung des Sauggases wieder aufgenommen werden, wird das Magnetventil 56 betätigt, um das Scrollelement 67 in dichtenden Eingriff mit dem Scrollelement 64 zu bewegen.
Die Kühlvitrinenausführung von 2 kann als eigenständige Einheit aufgebaut sein. Dies kann für viele Anwendungen eine wünschenswerte Konfiguration sein, doch ist die Erfindung nicht auf Konfigurationen einer eigenständigen Einzelkühlvitrine beschränkt. Vielmehr eignet sich die Erfindung für eine Vielzahl verschiedener dezentraler Kälteanlagen. 5 zeigt ein Beispiel einer solchen dezentralen Anlage.
Unter Bezug auf 5 können ein einzelner Verdichter 30 und Kondensator 32 mehrere dezentrale Kühlvitrinen oder mehrere dezentrale Kühleinheiten in einer Heizungs- und Kühlanlage (HVAC) bedienen. In 5 werden die Kühlvitrinen oder die Gehäuse der Kühlanlage als gestrichelte Kästchen, bezeichnet mit 34a, 34b und 34c, gezeigt. Praktischerweise können der Verdichter 30 und der Kondensator 32 in einer der Kühlvitrinen oder Gehäuse, beispielsweise der Kühlvitrine bzw. dem Gehäuse 34a, angeordnet oder daran angebracht werden.
Jede Kühlvitrine bzw. jedes Gehäuses hat seinen eigenen Verdampfer und sein eigenes zugehöriges Expansionsventil, wie bei 42 (a, b, c) und 44 (a, b, c) gezeigt. Ferner kann jede Kühlvitrine bzw. jedes Gehäuse seinen eigenen Temperatursensor 58 (a, b, c) aufweisen, der dem Verdichterregler 52 Eingangsinformationen liefert. Schließlich überwacht ein Drucksensor 60 den Druck der Saugleitung 48 und liefert diese Informationen dem Verdichterregler 52. Der Verdichterregler liefert dem Magnetventil 56 wie bereits beschrieben ein variables Arbeitsspielsignal.
Die Ausführung von 5 mit mehreren Vitrinen oder mehreren Kühleinheiten zeigt, wie ein einzelner Verdichter durch den Verdichterregler 52 impulsbreitenmoduliert werden kann, um die momentane Forderung nach Kühlung zu erfüllen. Die Temperatursensoren 58 (a, b, c) liefern kollektiv einen Hinweis auf die Systemlast, ebenso wie Drucksensor 60. Der Regler passt die Impulsbreite des Steuersignals an, um den Verdichter zwischen seinen Zuständen hohe Kapazität und niedrige Kapazität (100%, 0%) zu modulieren, um die momentane Forderung nach Kältemittel zu erfüllen.
Als alternatives Regelungsverfahren können eine oder mehrere der aus dem Verdampfer austretenden Leitungen mit einem elektrisch gesteuerten Ventil ausgestattet werden, beispielsweise einem Verdampferdruckregelventil 45c. Das Ventil 45c ist wie dargestellt mit dem Regler 52 gekoppelt. Es kann abhängig von der Ventilart mit einem geeigneten Steuersignal versorgt werden. Für diesen Zweck kann ein Schrittmotorventil verwendet werden, in welchem Fall der Regler 30 ein geeignetes Signal zum Anheben oder Senken der Einstellung des Schrittmotors liefern würde, um dadurch die Öffnungsgröße des Ventils anzupassen. Alternativ könnte ein impulsbreitenmoduliertes Ventil verwendet werden, in welchem Fall es mit dem gleichen variablen Arbeitsspielsignal, wie es dem Verdichter 30 zugeführt wird, gesteuert werden kann.
Der Regler 52 ist nicht rein auf Verdichtersteuerungsanwendungen beschränkt. Das variable Arbeitsspielsignal kann auch zum Regeln anderer Arten von Kältemittelstrom- und Druckregelvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise Kältemittelregulierventile. 7 zeigt eine solche Anwendung, bei der die Ausgabe des Reglers 52 Steuersignale an den Verdampferschrittregler 43 liefert. Diese Vorrichtung ist ein Fluiddruckregler, der durch den Schrittmotor 45 eingestellt wird. Das Verdampferschrittreglerventil (ESR) 43 stellt den Saugdruck ein, um dadurch die Leistung des Systems einzustellen.
In 6 wird ein Blockdiagramm eines derzeit bevorzugten Verdichterreglers dargestellt. Eine Beschreibung der darin und in den folgenden Figuren gezeigten verschiedenen Signale und Datenwerte wird in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefasst.
TABELLE 1
Der Kern des Reglers ist das Regelblockmodul 102. Dieses Modul ist für das Zuführen des variablen Arbeitsspielsignals an Leitung 104 zuständig. Das Modul 102 liefert auch das Verdichter-EIN/AUS-Signal an Leitung 106 und ein Betriebszustandsbefehlssignal an Leitung 108. Das Verdichter-EIN/AUS-Signal treibt die Schütze an, die dem Verdichtermotor Arbeitsstrom liefern. Das Betriebszustandssignal zeigt an, in welchem Zustand sich die Zustandsmaschine (10) gerade befindet.
Das Regelblockmodul nimmt von verschiedenen Quellen Eingaben an, darunter Temperatur- und Druckmesswerte von den zuvor beschriebenen Temperatur- und Drucksensoren. Diese Temperaturmesswerte werden durch ein Signalaufbereitungsmodul 110 geleitet, wofür Einzelheiten in dem Anhang Pseudocode gezeigt werden. Das Regelblockmodul empfängt auch ein Abtaustatussignal vom Abtauregelungsmodul 112. Das Abtauregelungsmodul 112 enthält Logik zur Ermittlung, wann ein Abtauen ausgeführt wird. Die vorliegende Auslegung lässt das Regeln des Abtauens entweder durch ein externes Logiksignal (durch Leitung 114 zugeführt) oder durch ein internes Logiksignal, das durch das Abtauregelungsmodul selbst erzeugt wird, zu. Die Entscheidung, die externe oder interne Abtau-Ansteuerlogik zu verwenden, kann vom Anwender durch eine Anwendereingabe 116 getroffen werden. Die interne Abtauregelung verwendet vom Anwender gelieferte Parameter, die durch die Anwendereingabe 118 geliefert werden.
Der bevorzugte Verdichterregler ist in einer Form autokonfigurierbar. Der Regler weist ein optionales adaptives Einstellmodul 120 auf, das die Algorithmusparameter der Regelung (die proportionale Konstante K) basierend auf Betriebsbedingungen der Anlage automatisch anpasst. Das adaptive Einstellmodul erfasst die prozentuale Belastung (an Leitung 104) und den Betriebszustand (an Leitung 108) sowie die gemessene Temperatur nach Signalaufbereitung (an Leitung 122). Das Modul 120 liefert wie dargestellt die adaptiven Einstellparameter zu Regelblock 102. Die vorliegende Ausführung liefert die proportionale Konstante K an Leitung 124 und den SSL-Parameter an Leitung 126, was einen Prozentsatz der stationären Belastung anzeigt. Ein Anlagenalarmsignal an Leitung 126 alarmiert das Regelblockmodul, wenn die Anlage nicht wie erwartet auf Änderungen der adaptiv eingestellten Parameter reagiert. Der Alarm signalisiert somit, wenn eine Anlagenfehlfunktion oder ein Verlust an Kältemittelfüllung vorliegen kann. Der Alarm kann auf Wunsch differenziertere Diagnoseroutinen auslösen. Der Verdichterregler sieht eine Reihe von Anwenderschnittstellenpunkten vor, durch welche vom Anwender gelieferte Einstellungen eingegeben werden. Die Abtauarteingabe (intern/extern) 116 und die internen Abtauparameter an Eingabe 118 wurden bereits besprochen. Eine Anwendereingabe 128 erlaubt dem Anwender das Festlegen des Temperatursollwerts für das adaptive Einstellmodul 120. Die gleichen Informationen werden an der Anwendereingabe 130 für das Regelblockmodul 102 geliefert. Der Anwender kann auch direkt auf vielerlei Weise mit dem Regelblockmodul interagieren. Die Anwendereingabe 132 erlaubt dem Anwender, den Verdichter während des Abtaumodus ein- oder auszuschalten. Die Anwendereingabe 134 erlaubt dem Anwender, die anfänglichen Reglerparameter, einschließlich der anfänglichen proportionalen Konstante K, festzulegen. Danach kann die proportionale Konstante K durch das adaptive Einstellmodul 120 abgeändert werden. Die Anwendereingabe 136 erlaubt dem Anwender, das Druckdifferential (dP) festzulegen, das die Anlage als Sollwert nutzt.
Neben diesen Anwendereingaben werden mehrere Anwendereingaben für das Interagieren mit dem Signalaufbereitungsmodul 110 vorgesehen. Die Anwendereingabe 138 wählt den Sensorbetriebsmodus für das Signalaufbereitungsmodul. Dies wird nachstehend eingehender beschrieben. Die Anwendereingabe 140 erlaubt dem Anwender fas Festlegen der von dem Signalaufbereitungsmodul verwendeten Abtastzeit. Die Anwendereingabe 142 erlaubt dem Anwender das Festlegen, ob der Regler mit Hilfe allein von Temperatursensoren (T) oder mit Temperatur- und Drucksensoren (T/P) betrieben werden soll.
Unter Bezug nun auf 8 wird das Signalaufbereitungsmodul näher gezeigt. Die Eingaben (Temperatur- und/oder Drucksensoren) werden bei 144 schematisch gezeigt. Diese Eingaben werden durch einen Analog-Digital-Umsetzer 146 verarbeitet und dann dem Regelungsart-Selektor 148 zugeführt. Die Temperaturmesswerte der Temperatur- und/oder Drucksensoren werden sequentiell genommen und durch den Analog-Digital-Umsetzer seriell zugeführt. Der Regelungsart-Selektor kodiert oder speichert die Daten so, dass die Druck- und Temperaturwerte ordnungsgemäß interpretiert werden.
Dann wird an dem Signal bei 150 digitales Filtern ausgeführt, um Störschwankungen und Rauschen zu entfernen. Als Nächstes werden die Daten in Modul 152 geprüft, um sicherzustellen, dass alle Messwerte innerhalb der erwarteten Sensorbereichgrenzwerte liegen. Dies kann durch Umwandeln der digitalen Zählwerte in die entsprechenden Temperatur- oder Druckwerte und Prüfen dieser Werte anhand der vorab gespeicherten Sensorbereichsgrenzwerte erfolgen. Wenn die Messwerte nicht innerhalb des Sensorbereichs liegen, wird ein Alarmsignal zur Ausgabe an Ausgang 154 erzeugt.
Als Nächstes wird bei 156 ein Datenmanipulationsvorgang ausgeführt, um die Temperatur- und/oder Druckdaten in der von der Sensormodus-Anwendereingabe 138 gewählten Form zu liefern. Die vorliegende Ausführung mittelt die Daten selektiv oder ermittelt den Mindest- oder Maximalwert der Daten (Min/Max/Mittel). Der Modus Min/Max/Mittel kann zum Berechnen des Schwingens des Druckdifferentials oder eines aufbereiteten Temperaturwerts verwendet werden. Der Modus Mittel kann zum Liefern eines aufbereiteten Temperaturwerts verwendet werden. Diese werden als Ausgaben 158 bzw. 160 gezeigt.
9 zeigt das Regelblockmodul näher. Das aufbereitete Temperatur- oder Drucksignal wird dem Berechnungsmodul 162 zugeführt, das den Fehler zwischen der Ist-Temperatur oder dem Ist-Druck und der Sollwerttemperatur oder dem Sollwertdruck berechnet. Das Modul 162 berechnet auch die Änderungsgeschwindigkeit dieser Werte.
Das Regelblockmodul ist dafür ausgelegt, den Betriebszustand der Anlage auf regelmäßiger Basis (alle T_c Sekunden, nominell einmal pro Sekunde) zu aktualisieren. Das Modul Betriebszustand Finden 164 führt diese Aktualisierungsfunktion aus. Das Zustandsdiagramm von 10 zeigt die Einzelheiten, wie dies ausgeführt wird. Im Wesentlichen rückt der Betriebszustand basierend darauf, ob ein Sensoralarm (SA) vorliegt, ob ein Abtaustatussignal (DS) vorliegt und vom errechneten Fehlerwert von Zustand zu Zustand vor. Das Modul Betriebszustand Finden 164 liefert dem Entscheidungslogikmodul 166 den Betriebszustandparameter und den Parameter der Absenkzeit.
Unter Bezug nun auf 10 rückt das Modul Betriebszustand Finden 164 wie folgt von Zustand zu Zustand vor. Beginnend im Anfangszustand 168 rückt das Modul nach der Initialisierung zum normalen Betriebszustand 170 vor. In diesem Zustand verbleibt es, bis bestimmte Bedingungen erfüllt sind. 10 zeigt durch kennzeichnende Pfeile, welche Bedingungen erforderlich sind, um vom normalen Betriebszustand 170 zum Abtauzustand 172; zum Absenkzustand 174; zum Sensoralarm-Absenkzustand 176; zum Sensoralarm-Betriebszustand 178 und zum Sensoralarm-Abtauzustand 180 vorzurücken.
Das Entscheidungslogikmodul 166 (9) ermittelt das Arbeitsspiel des variablen Arbeitsspielsignals. Dieses wird an Leitung 182 unter der Bezeichnung Belastung % ausgegeben. Das Entscheidungslogikmodul erzeugt auch das Verdichter-EIN/AUS-Signal an Leitung 184. Die tatsächliche Entscheidungslogik wird nachstehend in Verbindung mit 11 beschrieben. Das Entscheidungslogikmodul ist eine Form von Proportional-Integral-Regelung (PI), die auf einer adaptiv berechneten Zykluszeit T_cyc beruht. Diese Zykluszeit wird von dem Berechnungsmodul 186 anhand eines berechneten Fehlerwerts, der vom Modul 188 erzeugt wird, berechnet. Unter erneutem Bezug auf 6 wird das aufbereitete Druckdifferentialsignal an Leitung 122 (Aufber. dP) dem Modul Fehler Berechnen 188 (9) zusammen mit dem Druckdifferential-Sollwert, der durch die Anwendereingabe 136 (6) geliefert wird, zugeführt. Die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem Sollwert-Druckdifterential wird von Modul 188 berechnet und dem Berechnungsmodul 186 zugeführt. Die adaptive Zykluszeit T_cyc ist eine Funktion des Druckdifferentialfehlers und des durch das Modul Betriebszustand Finden 164 ermittelten Betriebszustands nach folgender Berechnung: Tcyc(neu) = Tcyc(alt) + KC × Fehler (1)wobei:

K_C:: proportionale Konstante; und
Fehler:: (Ist- – Sollwert-)saugdruckschwingen.

Der von dem Entscheidungslogikmodul 166 implementierte, derzeit bevorzugte PI-Regelungsalgorithmus wird in 11 dargestellt. Die Routine beginnt bei Schritt 200 durch Lesen der vom Anwender gelieferten Parameter K, T_i, T_c und S_t. Siehe 6 für eine Beschreibung dieser vom Anwender gelieferten Werte. Die Konstante K_p wird gleich dem anfangs gelieferten Wert K berechnet; und die Konstante K_i wird als Ergebnis der anfangs gelieferten Konstante K und des Verhältnisses T_c/T_i berechnet.
Als Nächstes wird bei Schritt 202 eine Entscheidung getroffen, ob der absolute Wert des Fehlers zwischen der Sollwerttemperatur und der aufbereiteten Temperatur (an Leitung 190, 9) größer als 5% F ist. Wenn ja, wird die Konstante K_p bei Schritt 204 gleich Null gesetzt. Wenn nicht, rückt die Routine einfach zu Schritt 206 vor, wo ein neuer Prozentwert der Belastung wie durch die Gleichung in Schritt 206 von 11 beschrieben berechnet wird. Wenn der Lastprozentsatz größer als 100% ist (Schritt 208), dann wird der Lastprozentsatz bei Schritt 210 gleich 100% gesetzt. Wenn der Lastprozentsatz nicht größer als 100%, aber weniger als 0% ist (Schritt 212), wird der Lastprozentsatz bei Schritt 214 gleich 0% gesetzt. Wenn der Lastprozentsatz zwischen den Grenzwerten 0% und 100% liegt, wird der Lastprozentsatz bei Schritt 216 gleich dem neuen Lastprozentsatz gesetzt.
Das von dem Regler erzeugte variable Arbeitsspielsteuersignal kann mehrere Formen einnehmen. Die 12 und 13 geben zwei Beispiele. 12 zeigt das variable Arbeitsspielsignal, bei dem das Arbeitsspiel variiert, die Frequenz aber konstant bleibt. In 12 ist zu beachten, dass die durch die Strichmarkierungen 220 angezeigte Arbeitsspielzeiten gleichmäßig beabstandet sind. 13 zeigt im Vergleich das variable Arbeitsspielsignal, bei dem die Frequenz ebenfalls variiert. In 13 ist zu beachten, dass die Strichmarkierungen 220 nicht gleichmäßig beabstandet sind. Vielmehr weist die Wellenform Bereiche konstanter Frequenz, Bereiche zunehmender Frequenz und Bereiche abnehmender Frequenz auf. Die in 13 dargestellte variable Frequenz ist das Ergebnis der adaptiven Modulation der Zykluszeit T_cyc.
14 zeigt graphisch die Vorteile, die das Regelungssystem beim Wahren einer strengeren Temperaturregelung und eines höheren Saugdrucks bei verbesserter Systemleistungsfähigkeit hat. Zu beachten ist, wie die Temperaturkurve 222 der Erfindung beträchtlich weniger Schwankung als die entsprechende Temperaturkurve 224 eines herkömmlichen Reglers aufweist. Analog ist zu beachten, dass die Druckkurve 226 der Erfindung eine Grundlinie um einiges über der der Druckkurve 228 des herkömmlichen Reglers aufweist. Ferner ist die bei der Erfindung (Kurve 226) aufgewiesene Druckschwankung von Spitze zu Spitze viel kleiner als die des herkömmlichen Reglers (Kurve 228).
Der Regler arbeitet bei einer Geschwindigkeit, die mindestens viermal so schnell (typischerweise in der Größenordnung der mindestens achtfachen Geschwindigkeit) wie die thermische Zeitkonstante der Last ist. In der derzeit bevorzugten Auslegung ist die Zykluszeit des variablen Arbeitsspielsignals in etwa achtmal kürzer als die Zeitkonstante der Last. Die Zykluszeit des variablen Arbeitsspielsignals könnte zum Beispiel in der Größenordnung von 10 bis 15 Sekunden liegen, wohingegen die Zeitkonstante der gekühlten Anlage in der Größenordnung von 1 bis 3 Minuten liegen könnte. Die thermische Zeitkonstante einer gekühlten Anlage wird im Allgemeinen durch physikalische oder thermodynamische Eigenschaften der Anlage diktiert. Es können zwar verschiedene Modelle zur Beschreibung der physikalischen oder thermodynamischen Reaktion einer Heiz- oder Kühlanlage verwendet werden, doch demonstriert die folgende Analyse das Prinzip.
Modellierung der thermischen Zeitkonstante der gekühlten Anlage
Man kann die Temperaturänderung über der Verdampferschlange einer Kälteanlage oder Wärmepumpe als System erster Ordnung modellieren, wobei die Temperaturänderung nach folgender Gleichung modelliert werden kann: ΔT = ΔTSS[1 – beisp(–t/γ)] + ΔT0beisp(–τ/γ). wobei:

ΔT: = Lufttemperaturänderung über der Schlange
ΔT_SS: = stationäre Lufttemperaturänderung über der Schlange
ΔT₀: = Lufttemperaturänderung der Schlange zur Zeit null
t: = Zeit
γ: = Zeitkonstante der Schlange.

Die transiente Leistung der Einheit kann durch Multiplizieren der obigen Gleichung mit dem Luftmassenstrom (m) und der spezifischen Wärme bei konstantem Druck (C_p) und Integrieren in Bezug auf Zeit erhalten werden.
Im Allgemeinen ist es das Entfernen des Kältemittels aus dem Verdampfer, das die zum Erreichen der stationären Betriebsbedingung erforderliche Zeit regelt, und dadurch die stationäre Temperaturänderung über der Kondensatorschlange. Auf Wunsch kann die Anlage mit Hilfe von zwei Zeitkonstanten modelliert werden, eine basierend auf der Schlange und die andere basierend auf der erforderlichen Zeit, um das überschüssige Kältemittel aus dem Verdampfer in den Rest der Anlage zu bekommen. Ferner kann es auch wünschenswert sein, als weitere zeitliche Verzögerung die Verzögerungszeit aufgrund der großen physikalischen Strecke zwischen den Verdampfer- und Kondensatorschlangen in manchen Anlagen zu berücksichtigen.
Die thermische Reaktion der Verdampferschlange kann durch folgende Gleichung modelliert werden: ∂ = ½[(1 – et/γ1) + (1 – et/γ2)]wobei:

∂: = Temperaturänderung über der Schlange/stationäre Temperaturänderung über der Schlange
t: = Zeit
γ₁: = Zeitkonstante basierend auf Masse der Schlange
γ₂: = Zeitkonstante basierend auf erforderlichen Zeit zur Entfernung des überschüssigen Kältemittels aus dem Verdampfer.

In der Praxis schwingt der Regler der Erfindung bei einer erheblich schnelleren Geschwindigkeit als herkömmliche Regler. Dies liegt daran, dass der herkömmliche Regler als direkte Reaktion auf den Vergleich der Ist- und Solltemperaturen (oder -drücke) ein- und ausschaltet. Der herkömmliche Regler schaltet mit anderen Worten ein, wenn Bedarf an Kühlung vorliegt, und schaltet aus, wenn der Fehler zwischen Ist- und Solltemperatur unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt. Dadurch hängt der Ein-Aus-Zyklus des herkömmlichen Reglers sehr stark von der Zeitkonstante der gekühlten Anlage ab.
Der erfindungsgemäße Regler schaltet dagegen bei einer durch die errechneten Werte, die nicht direkt mit der momentanen Beziehung zwischen den Ist- und Solltemperaturen oder -drücken verbunden sind, diktierten Geschwindigkeit ein und aus. Die Zykluszeit wird vielmehr sowohl durch die Zyklusgeschwindigkeit als auch das Arbeitsspiel des von dem Regler gelieferten variablen Arbeitsspielsignals diktiert. Insbesondere ist der Punkt, an dem der Regler in jedem Zyklus von Ein zu Aus wechselt, nicht unbedingt der Punkt, an dem die Forderung nach Kühlung erfüllt ist, sondern vielmehr der Punkt, der von dem Arbeitsspiel diktiert wird, das die Forderung erfüllen muss.
Adaptives Einstellen
Der vorstehend beschriebene Regler Geneva kann so ausgelegt werden, dass er einen klassischen Regelalgorithmus ausführt, beispielsweise einen herkömmlichen Proportional-Integral-Differential-Regelalgorithmus (PID). Bei der herkömmlichen Konfiguration würde der Anwender typischerweise die Regelungsparameter durch geeignete Programmierung setzen müssen. Erfindungsgemäß kann der Regler auch von der hier beschriebenen adaptiven Art sein, damit der Anwender nicht mehr die entsprechenden Regelungsparameter ermitteln und programmieren muss.
Somit ist ein wichtiger Vorteil des adaptiven Reglers seine Fähigkeit, eine adaptive Einstellung vorzunehmen. Im Allgemeinen umfasst das Einstellen das Wählen der geeigneten Regelungsparameter, so dass das geschlossene Regelsystem über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen stabil ist, schnell reagiert, um die Wirkung einer Störung auf den Regelkreis zu reduzieren, und keinen übermäßigen Verschleiß mechanischer Komponenten durch ständiges Pendeln verursacht. Dies sind häufig sich gegenseitig ausschließende Kriterien, und es muss ein Kompromiss geschlossen werden. In 18 (und auch 6) finden sich zwei Grundregelkreise: der Kühlungsregelkreis und der adaptive Einstellungskreis. Der Kühlungsregelkreis wird durch Regelblockmodul 102 geführt; der adaptive Kreis wird durch das adaptive Einstellmodul 120 geführt. Einzelheiten zu dem adaptiven Einstellmodul 120 werden in den 15, 16a–16c und 17 gezeigt. Das erfindungsgemäße Einstellmodul verwendet einen Fuzzy-Logik-Regelalgorithmus, der in Verbindung mit den 18–20 beschrieben wird.
Unter Bezug auf 15 führt das adaptive Einstellmodul im Grunde drei Funktionen aus. Zum einen entscheidet es, ob adaptives Einstellen ausgeführt werden soll. Dies wird durch Modul 240 gehandhabt. Zweitens erfasst es die erforderlichen Parameter zum Ausführen der adaptiven Einstellung. Dies wird durch Modul 242 gehandhabt. Drittens berechnet es die von dem Regelkreis verwendete adaptive Verstärkung. Dies wird von Modul 244 gehandhabt.
Modul 240 basiert die Entscheidung, ob die Einstellung gestartet werden soll, auf zwei Faktoren: dem aktuellen Betriebszustand der Anlage und den Regelsollwert. Das Flussdiagramm von 16a zeigt die bei dieser Entscheidung beteiligten Schritte. Modul 242 integriert wichtige Parameter, die für die von Modul 244 ausgeführten Berechnungen erforderlich sind. Im Wesentlichen gibt das Modul 242 die prozentuale Belastung, die Temperatur- und Druckwerte sowie die Solltemperatur ein. Es gibt die folgenden Daten aus: S_ER (die Gesamtzahl aufbereiteter Temperatur- und Druckdatenpunkte, die innerhalb von 0,5 Grad oder 1 Psig des Sollwerts liegen), S_Schließen (die Gesamtzahl der prozentualen Belastungsdatenpunkte, die während eines vorgegebenen Abtastintervalls, z.B. 30 Min., auf Null Prozent geht), S_Öffnen (die Gesamtzahl der prozentualen Belastungsdatenpunkte, die in dem Abtastintervall auf 100% geht) und SSLP (ein sich bewegendes Mittel oder rollendes Mittel der prozentualen Belastung während des Abtastintervalls). Modul 242 reagiert auf eine Einstellflagge, die von Modul 240 gesetzt wird. Modul 242 führt die Integration dieser wichtigen Parameter ist, wenn ihm dies durch die Einstellflagge signalisiert wird. 16b zeigt die bei Ausführen der Integration dieser wichtigen Parameter beteiligten Schritte.
Schließlich nimmt der Berechnungsblock die von Modul 242 gelieferten Daten und berechnet unter Verwendung des in 16c dargestellten Prozesses die adaptive Verstärkung.
Das adaptive Einstellmodul 120 durchläuft abhängig vom Zustand eines Zeitgebers verschiedene Betriebszustände. 17 ist ein Zustandsdiagramm, das zeigt, wie die derzeit bevorzugte Ausführung funktioniert. Zu beachten ist, dass die Sequenz abhängig davon, ob die Einstellflagge gesetzt wurde, vom Initialisierungsmodus zu entweder dem Integrationsmodus oder dem Modus ohne Einstellung wechselt. Sobald sich das System im Integrationsmodus befindet, führt es die Integration bis zum Ablaufen der Zeit (nominell 30 Minuten) aus, woraufhin der Berechnungsmodus aufgenommen wird. Sobald die Berechnungen beendet sind, wird der Zeitgeber zurückgesetzt und das System kehrt in den Initialisierungsmodus zurück.
Das Blockdiagramm des adaptiven Schemas wird in 18 gezeigt. Es gibt zwei Grundkreise – der erste ist der PID-Regelkreis 260, der alle „dt" Sekunden läuft, und der zweite ist der adaptive Kreis 262, der alle „ta" Sekunden läuft.
Wenn das Regelsystem startet, benutzt der PID-Regelkreis 260 einen Verstärkungsvorgabewert (K) zur Berechnung der Regelungsausgabe. Der adaptive Kreis 262 prüft den Fehler e(t) 264 alle „ta" Sekunden 266 (vorzugsweise weniger als 0,2 × dt Sekunden). Wenn bei Modul 268 der absolute Wert des Fehlers e(t) kleiner als das erwünschte Offset (OS) ist, wird ein Zähler Er_neu inkrementiert. Das Offset (OS) ist der annehmbare stationäre Fehler (für die Temperaturregelung kann er z.B. ±0,56°C (±1°F) betragen). Dieser Prüfprozess setzt sich „tsum" Sekunden 270 fort (vorzugsweise 200 bis 500 mal dt Sekunden). Nach „tsum" Sekunden 270 wird der Wert Er_neu in Prozent (Er_neu% 272) umgewandelt. Der Parameter Er_neu% 272 zeigt den Prozentsatz des abgetasteten e(t) an, der innerhalb des akzeptierten Offset (OS) für die Zeit „tsum" lag. Er ist mit anderen Worten ein Maß dafür, wie gut die Regelvariable die letzten „tsum" Sekunden geregelt wurde. Ein Wert von 100% bedeutet „strenge" Regelung und 0% bedeutet „schlechte" Regelung. Immer wenn Er_neu% 100% ist, bleibt die Verstärkung im Wesentlichen unverändert, da es eine strengere Regelung anzeigt. Wenn es aber passiert, dass Er_neu zwischen 0 und 100% liegt, berechnet das adaptive Fuzzy-Logik-Algorithmusmodul 274 eine neue Verstärkung (K_neu 276), die von dem Regelalgorithmusmodul 278 über die nächsten „tsum" Sekunden verwendet wird.
In der bevorzugten Ausführung gibt es eine Ausgabe und zwei Eingaben in das Fuzzy-Logik-Algorithmusmodul 274. Die Ausgabe ist die neue Verstärkung (K_neu), die mit Hilfe der Eingabe, Er_neu%, und einer folgendermaßen definierten Variablen, Dir, berechnet wird: Dir = Sign[(ER_neu% – ER_alt%) × (K_neu – K_alt)] (2)wobei:

Sign: für das Vorzeichen (+ve, –ve oder null) des Terms in der Klammer steht;
Er_neu%: der Prozentsatz von e(t) ist, der innerhalb des Offsets für die letzten „tsum" Sekunden liegt;
Er_alt%: der Wert von Er_neu% in einer „(tsum-1)"-Iteration ist;
K_neu: die in der Zeit „tsum" verwendete Verstärkung ist; und
K_alt: die Verstärkung in der Zeit (tsum-1) ist.

Zum Beispiel angenommen, der Regler startet bei 0 Sekunden mit einem Vorgabewert von K = 10 und ta = 1 Sekunde, tsum = 1.000 Sekunden und OS = 1. Angenommen, 600 e(t) Daten aus möglichen 1.000 Daten lagen innerhalb des Offset. Daher wird nach 1.000 Sekunden Er_neu% = 60 (d.h. 600/1.000 × 100), K_neu = 10. Er_alt% und K_alt wird auf Null gesetzt, wenn das adaptive Fuzzy-Logik-Algorithmusmodul 274 zum ersten Mal verwendet wird. Das Einsetzen dieser Zahlen in Gleichung (2) lässt das Vorzeichen der Variablen „Dir" positiv werden. Dementsprechend sind die Eingaben in das adaptive Fuzzy-Logik-Modul 274 für die erste Iteration jeweils Er_neu% = 60 und Dir = +ve.
Der nächste Schritt ist das Ausführen der Fuzzifizierung dieser Eingaben zu Fuzzy-Eingaben mit Hilfe von Zugehörigkeitsfunktionen.
Fuzzifizierung:
Eine Zugehörigkeitsfunktion ist eine Abbildung zwischen dem Universe of Discourse (x-Achse) und dem Gradraum (y-Achse). Das Universe of Discourse ist der Bereich möglicher Werte für die Eingaben oder Ausgaben. Bei ER_neu% reicht es vorzugsweise von 0 bis 100. Der Wert in dem Gradraum reicht typischerweise von 0 bis 1 und wird als Fuzzy-Eingabe, Wahrheitswert oder Grad an Zugehörigkeit bezeichnet. 19 zeigt eine graphische Darstellung 300, die die Zugehörigkeitsfunktionen für die Eingabe Er_neu% enthält. Er_neu% ist in drei linguistische Variablen unterteilt – GROSS (304), MITTEL (306) und KLEIN (308). Für Er_neu% = 60 sind die Fuzzy-Eingaben (bzw. Grad der Zugehörigkeitsfunktion) –0,25 von GROSS und 0,75 von MITTEL. Die Eingabevariable „Dir" ist gut definiert (+ve, –ve oder null) und erfordert daher in dieser Anwendung keine Zugehörigkeitsfunktion. Der nächste Schritt ist das Erzeugen der „Wahrheitstabelle" oder der Regelauswertung.
Regelauswertung:
Die Regelauswertung nimmt die Fuzzy-Eingaben aus dem Fuzzifizierungsschritt und die Regeln aus der Wissensbasis und berechnet die Fuzzy-Ausgaben. 20 zeigt die Regeln als Wahrheitstabelle. Für die erste Spalte und die erste Zeile lautet die Regel:
„WENN ER_neu% GROSS ist UND Dir NEGATIV ist, DANN ist die neue Verstärkung KEINE ÄNDERUNG (KÄ)" (d.h. wenn der Prozentsatz der e(t)-Daten, die die letzten „tsum" Sekunden innerhalb des Offset (OS) liegen, GROSS ist und die Richtung (DIR) NEGATIV/NULL ist, dann den bestehenden Wert K nicht ändern (KEINE ÄNDERUNG)).
Da bei dem Beispiel ER_neu% die Fuzzy-Eingaben GROSS (0,25) UND MITTEL (0,75) mit POSITIVER Dir hat, werden folgende Regeln verwendet:
WENN ER_neu% GROSS (0,25) UND Dir POSITIV IST, DANN ist die neue Verstärkung KEINE ÄNDERUNG (KÄ = 1)
Wenn ER_neu% MITTEL (0,75) UND Dir POSITIV ist, DANN ist die neue Verstärkung eine POSITIVE KLEINE ÄNDERUNG (PKÄ = 1,2)
Defuzzifizierung:
Schließlich wandelt der Defuzzifizierungsprozess die Fuzzy-Ausgaben des Regelauswertungsschritts unter Verwendung von Kurve 310 von 21 in die Endausgabe um. Kurve 310 verwendet die folgenden Bezeichnungen = „NGÄ" für negative große Änderung; „NKÄ" für negative kleine Änderung; „KÄ" für keine Änderung; „PKÄ" für positive kleine Änderung und „PGÄ" für positive große Änderung. Bei der bevorzugten Ausführung für die Defuzzifizierung wird der Schwerpunkt bzw. das Zentroidverfahren verwendet. Die Ausgabezugehörigkeitsfunktion für die Änderung der Verstärkung wird in 21 gezeigt.
Das Zentroid (die Fuzzy-Logik-Ausgabe) wird berechnet als:
wobei:

μ(x): der Fuzzy-Ausgabewert für den Wert x des Universe of Discourse ist. In unserem Beispiel wird die Ausgabe (K_neu)

Sobald die drei Schritte aus Fuzzifizierung, Regelauswertung und Defuzzifizierung beendet sind und die Ausgabe berechnet ist, wird der Prozess nochmals für einen neuen Satz Er_neu% wiederholt.
In dem obigen Beispiel berechnet der adaptive Algorithmus nach den ersten 1.000 Sekunden eine neue Verstärkung von K_neu = 11,50. Diese neue Verstärkung wird von dem PID-Regelkreis die nächsten 1.000 Sekunden (d.h. von t = 1000 bis 2000 sek. in Echtzeit) genutzt. Bei t = 1000 sek wird der Zähler Er_neu auf Null gesetzt, um das Zählen für die nächsten 1.000 Sekunden auszuführen. Am Ende von weiteren 1.000 Sekunden (d.h. bei t = 2000 Sekunden) wird Er_neu% wieder berechnet.
Angenommen, dieses Mal ergibt sich, dass Er_neu% 25 ist. Das bedeutet, dass durch Ändern von K von 10 auf 11,5 die Regelung schlechter wurde. Daher wäre es besser, die Verstärkung wieder in die andere Richtung zu ändern, d.h. die Verstärkung zu senken, statt sie zu vergrößern. Dadurch ist bei t = 2000 sek. Er_neu% = 25, Er_alt% = 60 (vorheriger Wert von Er_neu%), K_neu = 11,5 und K_alt = 10 (vorheriger Wert von K). Bei Anwenden von Gleichung (2) wird eine negative „Dir" erhalten. Mit Er_neu% von 25 und Dir = Negativ wird die Fuzzy-Logik-Berechnung erneut ausgeführt, um eine neue Verstärkung für die nächsten 1.000 Sekunden zu berechnen. Der neue Wert der Verstärkung ist K_new = 7,76 und wird von dem PID-Kreis von t = 2.000 bis 3.000 Sekunden verwendet.
Angenommen bei der dritten Iteration, d.h. von t = 2000 bis 3000 Sekunden ergibt sich für Er_neu% 95% (was eine strengere Regelung darstellt). Das Ausführen des gleichen Fuzzy-Logik-Vorgangs ergibt den gleichen Wert K_neu und die Verstärkung bleibt unverändert, bis Er_neu% wieder schlechter wird.
Beispielhafte Anwendungen
Es können sowohl impulsbreitenmodulierte (PWM, englisch Pulse Width Modulated) Verdichter als auch elektronische Schrittreglerventile (ESR) zum Regeln von Verdampfertemperatur/-druck oder der Temperatur von Verdampferkühlfluid (Luft oder Wasser) verwendet werden. Das erstere regelt durch Modulieren des Kältemittelströmens und das letztere drosselt die Saugseite zum Regeln des Strömens. Unter Rückbezug auf 18 wird das Blockdiagramm des Regelsystems für einen solchen Aktor, der in einer Kälteanlage 279 arbeitet, gezeigt. In 18 werden eine und vorzugsweise bis zu vier Temperaturen des Verdampferkühlfluids oder ein Verdampfersaugdruck (allgemein bei 282 gezeigt) alle dt Sekunden abgetastet. Eine Abtastzeit von dt = 10 Sekunden hat sich für beide Anwendungen als optimal erwiesen. Nach Verarbeitung durch das Analog-Digital-Modul 284 wird das abgetastete Signal dann auf eine Ziffer gekürzt, indem abhängig von der Konfiguration der Anlage oder der Anwenderpräferenz bei Modul 286 das Mittel bzw. der Mindest- oder Maximalwert der vier Temperaturen genommen wird. Typischerweise wird bei Systemen mit einem einzelnen Aktor (PWM/ESR), bei denen die gesamte Verdampferschlange auf einmal abgetaut wird, das Mitteln des Regelsignals bevorzugt. Bei einem System mit mehreren Verdampfern/einem Aktor, bei dem das Abtauen der Verdampferschlangen nicht gleichzeitig erfolgt, ist Minimum der bevorzugte Modus. Der nach Mittel/Min/Max erhaltene Wert wird als aufbereitetes Signal bezeichnet. Bei Vergleichsmodul 288 wird dieser mit dem erwünschten Sollwert verglichen, um den Fehler e(t) zu berechnen.
Der in dem Kreis verwendete Regelalgorithmus ist ein Proportional-Integral(PI)-Regelungsverfahren (PID). Der PI-Algorithmus berechnet die Ventilstellung (0–100%) im Fall von ESR oder berechnet die prozentuale Belastung (0 bis 100%) im Fall eines PWM-Verdichters. Eine typische integrale Rückstellzeit Ti beträgt für beide Aktoren 60 Sekunden. Die Verstärkung wird durch den adaptiven Kreis adaptiv eingestellt. Der adaptive Algorithmus wird in der bevorzugten Ausführung abgeschaltet, sobald: sich die Anlage beim Abtauen befindet; ein Absenken durchläuft; eine große Sollwertänderung vorliegt; Sensorausfall detektiert wurde oder ein anderer Anlagenfehler detektiert wurde.
Daher wird der adaptive Algorithmus typischerweise verwendet, wenn die Anlage im Normalbetrieb arbeitet. Die bevorzugt verwendete Zeit „ta" liegt bei etwa 1 Sekunde und „tsum" bei etwa 1.800 Sekunden (30 Minuten).
Diagnose bezüglich PWM-Verdichter/ESR-Ventilen
Unter Bezug auf 22 können ein Auslasskühlfluid-Temperatursensor 312 (Ta), ein Verdampferschlangeneinlass-Temperatursensor 314 (Ti) und ein Verdampferschlangenauslass-Temperatursensor 316 (To) Diagnosemerkmale für die Verdampferregelung mit Hilfe von PWM/ESR liefern. Der Einlass-Temperatursensor 314 kann sich an beliebiger Stelle in der Verdampferschlange 318 befinden. Die bevorzugte Stelle liegt aber bei etwa einem Drittel der gesamten Verdampferlänge ab Verdampferschlangen-Verteiler 320.
Mit Hilfe dieser drei Temperatursensoren kann Systemlernen, das für die Diagnose verwendet werden kann, ausgeführt werden. Zum Beispiel kann eine Diagnose für ESR/PWM bei Verwendung in einem einzelnen Verdampfer zusammen mit einem Expansionsventil ausgeführt werden. In diesem Beispiel werden die folgenden Variablen alle „tsum" Sekunden in dem adaptiven Kreis nachverfolgt. Die Variablen können direkt nach erfolgter ER_neu Integration in dem adaptiven Kreis integriert werden.

• N-Schließen: Wie oft die Ventilstellung/PWM-Belastung 0% war.
• N-Öffnen: Wie oft die Ventilstellung/PWM-Belastung 100% war.
• MAVP: Das sich bewegende Mittel der Ventilstellung/PWM-Belastung für „tsum" Sekunden.
• SSLP: Die stationäre Ventilstellung/PWM-Belastung wird gleich MAVP gesetzt, wenn für die „tsum" Dauer ER_neu% größer als 50% ist.
• dT: Sich bewegendes Mittel der Differenz zwischen Ta und Ti (Ta – Ti).
• SH: Sich bewegendes Mittel der Differenz zwischen To und Ti (To – Ti) in besagter Dauer. Dies ist in etwa die Verdampferüberhitzung.
• N_FL: Wie oft To während der besagten Dauer, d.h. „tsum" Sekunden, kleiner als Ti war. Diese Zahl gibt an, wie stark das Expansionsventil den Verdampfer flutet.

Ferner wird auch die Absenkzeit nach dem Abtauen, tpd, gelernt. Anhand dieser Variablen wird die folgende Diagnose ausgeführt: Temperatursensorausfall, verschlechtertes Expansionsventil; verschlechtertes ESR-Ventil/PWM-Verdichter; ESR/PWM überdimensioniert; ESR/PWM unterdimensioniert und keine Luftströmung.
Temperatursensorausfall:
Ausfälle von Temperatursensoren werden durch Prüfen detektiert, ob der Temperaturmesswert in den erwarteten Bereich fällt. Wenn PWM/ESR mit Hilfe von Ta als Regelvariable geregelt wird, dann wird bei Ausfall die Regelung wie folgt vorgenommen. Der besagte obige Aktor wird anhand von Ti geregelt oder die Ta-Werte werden unter Verwendung des gelernten dt geschätzt (d.h. Addieren von dt zu Ti-Wert, um Ta zu schätzen). Während des Absenkens kann das Ventil/PWM für die gelernte Absenkzeit (tpd) auf ganz offen/Last gesetzt werden. Wenn Ti ebenfalls gleichzeitig ausfällt oder nicht verfügbar ist, wird der Aktor während der Absenkzeit zu 100% geöffnet und dann nach der Absenkzeit auf stationäres Belasten in Prozent (SSLP) gesetzt. Bei einer solchen Bedingung wird eine Warnung an den Kontrolleur ausgegeben.
Verschlechtertes Expansionsventil:
Wenn ein Expansionsventil klemmt oder verstellt bzw. unterdimensioniert/überdimensioniert ist, können die folgenden Kombinationen der nachverfolgten Variablen zur Diagnose solcher Probleme verwendet werden. N_FL > 50% und ER_neu% > 10% zeigen an, dass das Expansionsventil ständig offen oder verstellt ist oder sogar überdimensioniert sein kann und dadurch die Verdampferschlange flutet. Bei einer solchen Bedingung wird eine Warnung ausgegeben. Zudem zeigen SH > 20 und N_FL = 0% ein verstelltes Expansionsventil oder ein unterdimensioniertes Ventil oder ein Ventil, das ständig geschlossen ist, an.
Verschlechtertes ESR-Ventil/verschlechterter PWM-Verdichter
Ein verschlechtertes ESR ist ein Ventil, das Schritte übergeht oder klemmt. Ein verschlechterter PWM-Verdichter ist ein Verdichter, dessen Magnetventil ständig geschlossen oder ständig offen ist. Diese Probleme werden in einer Konfiguration detektiert, in der Abtauen durch Setzen von ESR/PWM auf 0% ausgeführt wird. Das Problem wird wie folgt detektiert.
Wenn ER_neu% > 50 vor Abtauen und während Abtauen Ti < 32°F und SH > 5°F, dann wird ermittelt, dass das Ventil Schritte übergeht. Dementsprechend wird das Ventil um weitere 100% geschlossen, und wenn Ti und SH gleich bleiben, dann deutet dies stark darauf hin, dass das Ventil klemmt.
Wenn ER_neu% = 0% und N_Schließen 100% ist und Ti < 32°F und SH > 5°F, dann wird ermittelt, dass PWM/ESR ständig offen ist. Wenn ER_neu% = 0 und N_Öffnen 100% ist und Ti > 32°F und SH > 5°, dann wird ermittelt, dass PWM/ESR ständig geschlossen ist.
ESR/PWM überdimensioniert:
Wenn N_Schließen > 90% und 30% < ER_neu% < 100%, dann wird eine Warnung wegen überdimensioniertem Ventil/PWM-Verdichter ausgegeben.
ESR/PWM unterdimensioniert:
Wenn N_Öffnen > 90% und ER_neu% = 0 und SH > 5, dann wird eine Warnung wegen unterdimensioniertem Ventil/PWM-Verdichter ausgegeben.
Keine Luftströmung:
Wenn N_Öffnen = 100%, ER_neu% = 0, SH < 5°F und Ti < 25°F und N_FL > 50%, dann ist entweder die Luft blockiert oder die Gebläse arbeiten nicht ordnungsgemäß.
Ferner können diese Diagnosestrategien auch bei einem elektronischen Expansionsventilregler eingesetzt werden.
Anhang
Pseudocode für das Ausführen der Signalaufbereitung
Folgendes alle Ts Sekunden wiederholen:

Anwendereingaben lesen:
– Abtastzeit(Ts)
– Regelart (P oder T)
– Sensormodus (Mittel/Min/Max)
Analog-Digital-Umwandlung (ADC) ausführen
– bei allen (vier) Temperatursensorkanälen
Daten als Zählerstände ausgeben
Zählerstände digital filtern
– Yneu = 0,75 × Yalt + 0,25 × Zählstände
– Daten als gefilterte Zählstände ausgeben
Gefilterte Zählerstände in Grad F umwandeln.
Testen, ob sich mindestens ein Sensor innerhalb der normalen Betriebsgrenzwerte befindet
– z.B. innerhalb –40 und +90F
Wenn keiner innerhalb des Grenzwerts – Sensoralarm auf WAHR setzen
Andernfalls Mittel/Min/Max-Operation basierend auf Sensormodus ausführen Wenn Regelart NICHT eine T/P-Regelart ist,
Dann Signalaufbereitungsroutine beenden (bis zum nächsten Ts Zyklus)
Andernfalls (Regelart ist T/P) folgendes TUN:
ADC an Drucksensorkanal ausführen
– Daten als Zählerstände ausgeben
Zählerstände digital filtern
– Yneu = 0,75 × Yalt + 0,25 × Zählerstände
– Daten als gefilterte Zählerstände ausgeben
Gefilterte Zählerstände in Psig umwandeln
Testen, ob sich Drucksensor innerhalb normaler Betriebsgrenzwerte befindet
– z.B. innerhalb 0 und +200
Wenn nicht innerhalb des Grenzwerts:
Setze dp = dP Sollwert.
Andernfalls:
Berechne dP = Pmax-Pmin
Sensoralarm auf aufbereitetes T/dP setzen

Signalaufbereitungsroutine beenden (bis zum nächsten Ts Zyklus)

Claims

Adaptiver, selbst einstellender Regler (52) für eine Kältemitteldruck bewirkende Komponente einer Kälteanlage, welcher umfasst: einen mit der Druck bewirkenden Komponente gekoppelten Steuerungsprozessor (102) für das Vorsehen einer Regelung der Komponente anhand eines Fehlersignals (264); wobei der Steuerungsprozessor (102) einen Speicher (278) für das Speichern erster Verarbeitungsbefehle für das Ausführen eines Steueralgorithmus aufweist, der mindestens einen programmierbar einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweist; wobei der Steuerungsprozessor (102) einen Speicher (274) für das Speichern zweiter Verarbeitungsbefehle für das adaptive Ändern des programmierbar einstellbaren Verstärkungsfaktors durch periodisches Erzeugen eines neuen Verstärkungsfaktors (276) aufweist; wobei die zweiten Verarbeitungsbefehle den Steuerungsprozessor veranlassen: (a) eine Schwankung des Fehlersignals (264) zu überwachen und einen numerischen Wert (272) zu erzeugen, der die prozentuale Schwankung des Fehlersignals über einen vorbestimmten Zeitraum anzeigt; (b) den numerischen Wert (272) durch Verwenden einer Zugehörigkeitsfunktion (300) zu fuzzifizieren, um einen Satz von Fuzzy-Eingangsgrößen zu erzeugen, die den Grad der Zugehörigkeit anzeigen; (c) einen vorbestimmten Satz Regeln auf die Fuzzy-Eingangsgrößen anzuwenden, um einen Satz von Fuzzy-Ausgangsgrößen zu erzeugen, wobei der vorbestimmte Satz Regeln den Grad wiedergibt, um den der einem vorgegebenen Element der Zugehörigkeitsfunktion zugeordnete Verstärkungsfaktor geändert werden soll; und (d) die Fuzzy-Ausgangsgrößen durch einen Kombinationsschritt, der den neuen Verstärkungsfaktor (276) ergibt, zu defuzzifizieren.
Regler (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Verarbeitungsbefehle den Steuerungsprozessor (102) veranlassen, eine Proportionalregelung zu bewirken, und der Verstärkungsfaktor eine Proportionierungskonstante ist.
Regler (52) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Verarbeitungsbefehle weiterhin den Steuerungsprozessor (102) veranlassen, eine Integralregelung auszuführen.
Regler (52) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Verarbeitungsbefehle den Steuerungsprozessor (102) veranlassen, eine Integralregelung auszuführen, und der Verstärkungsfaktor eine integrierende Konstante ist.
Regler (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugehörigkeitsfunktion (300) mehrere linguistische Variablen festlegt, die verschiedene Bereiche von Fehlerwerten darstellen.
Regler (52) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die linguistischen Variablen mindestens drei linguistische Variablen umfassen, welche vorab festgelegte GROSSE (304), MITTLERE (306) und KLEINE (308) Fehlerwertbereiche darstellen.
Regler (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugehörigkeitsfunktion (300) mindestens drei überlappende Bereiche von Zugehörigkeitsfunktionswerten festlegt, so dass mindestens einige der eine prozentuale Schwankung anzeigenden numerischen Werte auf mehr als einen Zugehörigkeitsfunktionswert abbilden.
Regler (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Verarbeitungsbefehle weiterhin den Steuerungsprozessor (102) veranlassen, die Richtung der Schwankung des Fehlersignals (264) zu überwachen, und der vorbestimmte Satz Regeln eine erste Untermenge von Regeln für positive Fehlersignalschwankungen und eine zweite Untermenge von Regeln für negative Fehlersignalschwankungen aufweist.
Regler (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Verarbeitungsbefehle den Regler veranlassen, die Fuzzy-Ausgangsgrößen durch Berechnen des Zentroids der Fuzzy-Ausgangsgrößen zu defuzzifizieren, um einen Multiplikator abzuleiten, der auf den programmierbar einstellbaren Verstärkungsfaktor angewendet wird, um den neuen Verstärkungsfaktor (276) zu ergeben.
Regler (52) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck bewirkende Komponente ein Kompressor (30), ein Ventil oder ein Schrittregulierventil ist.