氧气减少系统的控制和调节系统的制作方法

2021-01-20 12:01:20|

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本发明涉及一种氧气减少系统的控制和调节系统。本发明还涉及一种具有这种控制和调节系统的氧气减少系统以及一种用于控制和/或调节氧气减少系统的方法。

实际上，氧气减少系统经常用于防止和避免火灾。这些系统能够将受保护区域内的氧含量降低到低于材料的可燃性极限的水平。通过将惰性气体或富含惰性气体的空气(特别是氮气或富含氮气的空气)送入受保护区域中，来降低氧气浓度。因此，调节惰性气体或富含惰性气体的空气与氧气的比率，以便使得受保护区域内的空气的氧气含量降低。在这样做时，仍然有足够的氧气使人们能够留在受保护区域中。

提供各种部件来控制这种氧气减少系统。惰性气体源(例如惰性气体发生器)构成氧气减少系统的关键部件。这种惰性气体发生器在本申请中在下文中被描述为氮气发生器，其通常将压缩的环境空气分离成富氮气流和富氧气流。富氮气流可以具有例如在90.0％和99.9％之间的氮含量，并且用于降低受保护区域中的氧含量。这种氮气发生器的操作可以基于膜气分离或变压吸附(例如psa"变压吸附"或vpsa"真空变压吸附)的原理。此外，控制氧气减少系统需要至少一个确定受保护区域中的氧含量的氧气浓度传感器。最后，通常设置至少一个致动器(例如阀或继电器)，用于接通和断开指派给氮气发生器的压缩机，以便控制将所生成的氮气或富氮空气分别引入到受保护区域中。氧减少系统的附加可选部件例如是视觉或听觉报警装置，以便在报警的情况下警告附近的人员，例如如果受保护区域中的氧气浓度下降到阈值以下。

为了达到预定的氧气水平，通常调节氧气减少系统的各个部件。通常为此设置控制中心，其一方面连接到氮气发生器并根据需要调节氮气的生成。另一方面，控制中心与氧气浓度传感器相连，以便处理它们确定的值，并将相应的氮的体积需求传达给氮气发生器。控制中心可以彼此独立地调节多个受保护区域，其中每个受保护区域被指派一个或多个氮气发生器，并且一个或多个氧气浓度传感器位于每个受保护区域中。此外，控制中心耦合到多个致动器，以便控制所生成的氮气分配到受保护空间中。

随着氧气减少系统的复杂性增加，例如在具有大的受保护区域或大量受保护区域的建筑物中(例如在工厂、仓库和档案馆中)，挑战变成安全且可靠地控制氧气减少系统的所有部件。控制中心必须设计成具有高计算能力和众多接口，以适合多个连接的氮气发生器、氧气浓度传感器和致动器；此外，随着系统尺寸的增加，安装和维护以及故障排除在失灵情况下变得非常复杂。即使只是有时在所有部件和控制中心之间铺设非常长的电源和信号线也是劳动和成本密集型的。随着线路数量的增加和线路长度的增加，对于蠕变(creeping)中断或蠕变短路的所有供电线路的符合标准的线路监视也更难以实现。改造和扩展氧气减少系统还在布线和重新配置方面造成复杂的任务。在目前的时间点控制氧气减少系统中另外构成的挑战是实施有效的能量管理和防火法规所要求的高度系统稳定性。

因此，本发明的任务是提供一种氧气减少系统的控制和调节系统，其提供了降低的制造、安装和维护成本，确保了更大的系统稳定性和改进的能量管理，并且是可灵活适应和可扩展的。

本发明的另一任务是，提供一种具有这种控制和调节系统的氧气减少系统以及一种用于该氧气减少系统的运行方法。

根据本发明，对于控制和调节系统，该任务通过权利要求1的主题来解决，对于氧减少系统和操作方法，该任务通过权利要求15和16的主题来解决。

因此，本发明基于提供用于降低和维持至少一个封闭的受保护区域中的氧气浓度水平的氧气减少系统的控制和调节系统的思想，该氧气减少系统包括至少一个惰性气体发生器、至少一个氧气浓度传感器和至少一个用于释放惰性气体的致动器。控制和调节系统包括多个信号连接的控制器模块。每个控制器模块优选地被配置或能够配置成使得能够执行一个或多个调节功能。调节功能由此分散地分配到至少两个信号连接的控制器模块。

本发明在此基于使用标准化控制器模块的基本概念，其中控制器模块可以被指派不同的功能。这提供了模块化，其使得控制和调节系统能够容易且快速地适应不同的需求，特别是适应不同尺寸或多个受保护区域，而且还适应不同复杂性的氧气减少系统。除了由此获得的灵活性和具有标准化部件的系统的便利认证之外，与广泛地基于控制中心的结构和功能相比，专用于特定功能的控制器模块的结构和功能被简化。由此，也能够以较小的努力实现随后的系统扩展、修改或最小化。控制器模块可以更容易地作为标准组件生产和编程，并且它们在它们各自的操作位置处还需要较少的空间。控制器模块可以更容易地维护和更换，而不影响氧减少系统的整体功能。电源线和信号线可以合并成股线，这例如简化了线路监视。控制和调节功能的分散分配还增加了系统稳定性，因为例如控制器模块失灵对氧气减少系统的整体功能的影响较小。

在硬件方面，各个控制器模块可以具有大致相同的设计。特别地，每个控制器模块可以具有各自相同的控制器。然而，控制器模块可以在它们的接口上至少部分地不同，以便能够例如在信号方面最佳地连接到不同类型的致动器(诸如阀和警报装置)，或者连接到受保护区域的氧气浓度传感器。除了所有控制器模块所共有的相同的基本接口组之外，还可以提供这些不同的接口。通过控制器模块各自能够承担不同的调节功能，控制器模块可以彼此模块化地组合。模块化是由于能够组装控制器模块的不同组合以便将用于操作氧减少系统的不同功能单独地分配到所述组合而生成。

能够在控制器模块上实现的调节功能可以不同。特别是监视受保护区域中的氧气浓度、生成相应量的惰性气体和将所生成体积的惰性气体释放到受保护区域中以调节其中的氧气浓度是关键功能，这些功能在任何情况下都能够在控制和调节系统中提供并且分配在不同的控制器模块上。特别是在具有多个保护区的氧气减少系统的情况下，调节功能的分散分配使得能够实现在先前的中央控制系统的情况下不能容易地实现的冗余性和可扩展性。

为了清楚起见，在此上下文中指出，控制器模块不仅能够执行调节功能；即具有信号反馈影响的或影响的操纵变量的功能，还能控制功能。术语"控制器模块"和"调节功能"在本申请的上下文中被理解为术语"控制和调节模块"以及"控制和调节功能"的缩写形式。

本发明的一个优选实施例提供了可彼此模块化组合的控制器模块。由此，控制器模块可以分别不同地被配置或者经由输入接口通过相应的用户输入来配置。所有可想到的人/机接口都可作为输入接口，例如集成到控制器模块中的触摸控制面板、用于从支持pc导入配置文件的usb接口、或者甚至例如dip或旋转开关。因此，基本上任意多个基本上类似的控制器模块可以根据需要彼此信号连接。通过合适的配置可以将分别需要的或期望的调节功能指派给各个控制器模块。

本发明的另一优选实施例提供，控制器模块分别被配置或能够配置，使得以下调节功能中的至少一个可由至少一个控制器模块执行：

a)控制/调节惰性气体生成，特别是通过以下步骤进行控制/调节：

-接通和断开所述至少一个惰性气体发生器，和/或

-评估传感器信号，特别是至少一个氧气浓度传感器和/或被指派给至少一个惰性气体发生器的另外的气体、温度、体积流量和/或压力传感器的信号，和/或

-激活所述至少一个惰性气体发生器的致动器；

b)监视封闭的受监视区域中的氧气浓度水平和/或至少一个封闭的受保护区域中的氧气浓度水平的控制/调节，尤其是通过以下步骤进行监视：

-评估来自布置在所述至少一个封闭的受监视/受保护区域中的传感器的传感器信号，特别是所述至少一个氧气浓度传感器信号和/或另外的气体、温度、体积流量和/或压力传感器信号，和/或评估来自布置在所述受监视/受保护区域中的门触点的信号，和/或

-从所述至少一个惰性气体发生器申请一定量的惰性气体，和/或

-激活所述至少一个封闭的受监视/受保护区域监视受保护区域中的致动器，和/或

-激活所述至少一个封闭的受监视/受保护区域中或上的显示器，特别是显示氧气浓度测量值，和/或

-在报警的情况下激活报警的听觉和/或视觉装置；

c)协调氧气减少系统的部件之间的通信和/或协调到位于氧气减少系统外部的点的通信，特别是通过以下步骤进行协调：

-根据预定标准向多个惰性气体发生器分配对惰性气体量的需求，和/或

-根据预定标准将所生成的惰性气体分配到多个封闭的受保护区域，和/或

-收集和评估至少一个控制器模块的至少一个状态、故障和/或警报信号，和/或

-生成至少一个状态、故障和/或警报消息，特别地用于在控制单元上显示和/或用于转发到外部(特别地持续人工操纵)的位置，和/或

-激活显示器，特别是显示传感器测量值，和/或

-提供对所述氧气减少系统的远程访问。

其它可选的调节功能包括：例如将所生成的惰性气体分配到多个受保护区域中；在没有引入惰性气体的情况下对相邻的共用设施、机器和服务室中的氧气浓度进行纯粹的预防性监视以调节氧气浓度；对环境条件(例如受保护和受监视区域之外的天气参数)进行监视；对受保护或受监视区域中的危险环境条件进行报警；对显示器进行控制和/或通知氧气减少系统中的失灵。由此，可以将各个调节功能分散地分配给不同的控制器模块。特别地，各个控制器模块可以执行多个上述调节功能，例如以便生成冗余。这样做确保了特别高水平的运行可靠性。

一般而言，用于控制或相应地调节惰性气体生成的过程控制器、用于监视封闭的监视区域中的氧气浓度水平和/或用于控制/调节至少一个封闭的受保护区域中的氧气浓度水平的区域控制器和/或用于协调控制器模块和/或氧气减少系统的其他部件之间的通信和/或用于协调到位于氧气减少系统外部的点的通信的主控制器可以被提供作为控制器模块。优选地，通过用户特定的配置来确保将控制器模块指派为区域控制器、过程控制器或主控制器。换句话说，区域控制器、过程控制器和主控制器可以基本上具有相同的结构，由此控制器模块被指派以通过用户输入的调节功能，使得控制器模块用作区域控制器、过程控制器或主控制器。调节功能可以在氧气调节系统的初始启动时或甚至在氧气调节系统的操作期间被指派。

因此，例如在控制和调节系统中可以设置两个控制器模块，其中，布置在受保护区域中的一个控制器模块被指派区域控制器的功能。在惰性气体发生器上设置的另一控制器模块可以被指派过程控制器功能。这种指派可以在控制器模块已经被安装之后进行，使得在安装期间不需要注意哪个控制器模块安装在特定位置。这简化了安装过程并降低了成本。此外，控制器模块可以快速且容易地更换，由此降低了存储成本。最后，这种结构还使得能够容易和有效地扩展控制和调节系统。例如，随后可以增加另外的受保护区域，由此只需要安装一个另外的控制器模块，该控制器模块然后承担另外的区域控制器的功能。例如，还可以添加具有另外的控制器模块的另外的氮气发生器，该另外的氮气发生器然后承担另外的过程控制器的功能。还可以独立于系统扩展添加另外的控制器模块，例如，以便n+1冗余的方式补充现有控制器模块，从而进一步增加系统的可靠性。每个另外的控制器模块可以相应地借助于用户输入来配置。(再)编程不是必需的；实际上，所有控制器模块具有相同的基本编程，使得在安装期间可以快速且容易地指派调节功能。

本发明优选地提供，各个控制器模块彼此信号连接，从而存在数据交换。因此，各个控制器模块可以彼此协调，例如根据不同区域控制器的要求控制惰性气体的生成。

在本发明的控制和调节系统的一个优选的设计方案中，设置多个受监视和/或受保护区域，其中，为每个受保护区域指派至少一个区域控制器，用于控制或调节受保护区域中的氧气浓度水平。替代地或附加地，至少一个区域控制器可以被指派给每个监视区域，以用于监视该监视区域中的氧气浓度水平。

受保护区域通常理解为空间上划定的或分别封闭的区域，其中氧气浓度被降低以防火并被调节在预定值范围内。监视区域是空间上划定或分别封闭的区域，其中尽管没有惰性气体引入的调节，但氧气浓度被监视。该监视例如仅用于确定管线系统中的泄漏，以及用于生成适当的警报。例如，可以建立其中设置惰性气体发生器的服务室以及不包含氧气减少系统的任何部件的相邻空间或走廊作为监视区域。这些空间中的氧气浓度不应降低。

评估氧气浓度信号的调节功能在此既可以用于调节受保护区域中的氧气浓度，也可以用于在监视区域中监视。然而，在监视期间，仅将氧气浓度信号与先前定义的限制进行比较，并且如果超过或未达到该限制，则输出故障或警报信号。在调节期间，同样在预定目标值和氧气浓度的实际值之间进行比较，然而同时调节用于释放惰性气体的致动器以便尽可能保持目标值恒定。例如，打开或关闭阀，或者分别接通或断开惰性气体发生器压缩机，以便开始或停止惰性气体的释放。

此外，可以提供合并了至少两个控制器模块的调节功能的组合控制器作为控制器模块。所述至少两个控制器模块中的每一个可以被配置或能够配置为主控制器、过程控制器和/或区域控制器。组合控制器优选地承担或结合两个不同配置的控制器模块的调节功能，例如主控制器和过程控制器。在例如具有一个受保护区域和/或一个惰性气体发生器的小系统的情况下，组合控制器的这种实施方式是有利的，其中较小的系统复杂性允许分散分配的调节功能的部分集中。

通常，多个惰性气体发生器可以分配给受保护区域。当受保护区域特别大时，这种分配特别有意义。特别是在形成单个受保护区域的大堂(hall)的情况下，可以有利地分配多个惰性气体发生器，以便能够恒定地提供足够量的惰性气体。

提供足够量的惰性气体也可以通过另外具有一个或多个惰性气体容器的氧气减少系统来实现，在所述惰性气体容器中储存惰性气体(特别是氮气)。替代地，这些惰性气体容器也可以分配给另一个防火系统(例如惰性气体灭火系统)。这种惰性气体灭火系统特别迅速地且更大地降低了受保护区域中的氧气浓度，以便扑灭已经开始的火灾。与此相反，氧气减少系统提供了受保护区域中的氧气浓度的最小长期降低，以便防止火灾的发生。

惰性气体容器优选是可再填充的，特别是通过从惰性气体发生器提供的惰性气体。为此，在一个优选实施方案中，惰性气体容器通过氧气减少系统的管线系统与至少一个惰性气体发生器流动连接或可连接。

因此，优选地，本发明的控制和调节系统包括被配置为填充控制器的控制器模块。填充控制器优选信号连接到氧气减少系统的管线系统的致动器(特别是可控阀)，以便以受控方式将惰性气体从至少一个惰性气体发生器引导到至少一个惰性气体容器中。

用氮气填充或可填充的加压气缸可以形成惰性气体容器。特别地，多个加压气缸可以组合以形成气缸排。优选地，气缸排与氧气减少系统的管线系统连接并且具有一个或多个控制阀，所述控制阀与至少一个控制器模块(尤其是填充控制器)信号连接。

此外，至少一个惰性气体容器和/或气缸排可以被分配至少一个温度传感器和/或至少一个压力传感器。温度传感器和/或压力传感器优选地信号连接至控制器模块(特别是填充控制器)，以便监视惰性气体容器/气缸组的惰性气体的(再)填充，并且优选地控制/调节压力补偿和温度补偿填充。

可以通过适当地配置标准化控制器模块来提供填充控制器。在此，作为对惰性气体灭火系统的补充，在氧气减少系统中补充一个或多个附加的惰性气体容器或者在氧气减少系统中增加填充控制器是可以针对专用用户提供的选择。由于控制器模块的模块化，在用户处现场安装氧减少系统期间，可以容易地实现这种选择。在任何情况下，控制和调节系统可通过简单的用户输入来配置，使得控制器模块中的一者可被分配填充控制器的调节功能。

如果根据具体情况提供主控制器，则主控制器用于协调分别被分配给受保护区域和/或监视区域的控制器模块(特别是区域控制器和/或过程控制器和/或组合控制器)。主控制器优选地经由环形总线系统连接到区域控制器和过程控制器，由此主控制器实现另外的控制器模块之间的通信协调。主控制器因此可以为各个惰性气体发生器的激活分配优先级。为此，主控制器例如可以从区域控制器接收对惰性气体的请求，该区域控制器已经识别出受保护区域中的氧气浓度的增加。基于对各个惰性气体发生器的利用，主控制器然后可以致动分配给具有最短操作时间的惰性气体发生器的过程控制器。这样做能够优化惰性气体发生器的利用。

过程控制器可信号连接到惰性气体发生器以调节惰性气体的生成。替代地或附加地，区域控制器可以信号连接到氧气浓度传感器，以便调节受保护区域中的氧气浓度。主控制器可以信号连接到过程控制器和区域控制器，以便提供和/或监视更高级的控制器通信。因此，所引用的调节功能分配在过程控制器、区域控制器和主控制器上。然而，该分配可以在控制和调节系统的操作期间动态地变化。例如，区域控制器可以成为过程控制器和/或过程控制器可以至少部分地承担主控制器的功能。这通过分散结构和单个调节功能的模块化分配而成为可能。

主控制器或分别配置为主控制器的控制器模块可以被配置或能够配置，以便从区域控制器和/或过程控制器和/或组合控制器接收故障和/或警报消息，并分别将它们共同传递到用户接口或人/机接口，例如传递到控制单元或控制面板和/或外部故障和/或警报报告部件。这样做使得能够例如通过控制中心或安全操作来集中监视故障和警报消息。

各个控制器模块优选地彼此空间分离地布置。这有助于系统稳定性，因为对各个控制器模块的物理影响仅能导致空间受限的失灵。这些失灵可以例如通过其他控制器模块接管调节功能来平衡。控制器模块的空间分配另外使得能够更好地访问控制器模块和氧气减少系统的部件之间的相同的以及较短的线路。

通过优选地在操作期间可动态配置的控制器模块来实现运行可靠性的进一步增加。特别地，第一控制器模块由此可以承担第二控制器模块的一个或多个调节功能。相反地，第二控制器模块也可以承担第一控制器模块的一个或多个调节功能。因此，例如，如果第一控制器模块故障，第二控制器模块可以接管其调节功能(一个或多个)，从而继续确保控制和调节系统作为整体的功能可靠性。因此，可以在备用冗余、冷冗余或热冗余的情况下自动地并且可选地采用调节功能，以便持续地保证最大的运行可靠性。因此，彼此交换调节信息，或者分别彼此接替的两个控制器模块最初设计为冗余控制器模块并不是绝对必要的。实际上，最初执行一个或多个其它调节功能的控制器模块也可以承担另外的控制器模块的附加调节功能，以便至少部分地补偿其故障。动态配置和承担来自其它控制器模块的调节功能的一个重要条件是承担(assuming)控制器模块到交出(surrendering)控制器模块的传感器和致动器的信号连接，并且如果适用的话还有能量供应连接。该连接例如可以经由交出控制器模块的连接路径以及在承担和交出控制器模块之间进行，或者可以被设计为在承担控制器模块与交出控制器模块的传感器和致动器之间的附加冗余连接。

因此，第一控制器模块可以首先执行例如评估氧气浓度信号的调节功能。第二控制器模块作为过程控制器，可以实现对惰性气体发生器的控制或调节。第一和第二控制器模块因此在备用冗余中交互地作用。如果第一控制器模块故障，则第二控制器模块可以接管故障的功能，在当前情况下是对来自氧气浓度传感器的氧气浓度信号的评估，以便继续确保整个控制和调节系统的运行可靠性。还可以设想，第二控制器模块在第一控制器模块发生故障时不采取严格意义上的任何附加功能，而是将其功能扩展到第一控制器模块的受保护区域；即将进一步的受保护区域合并到调节中。同样，过程控制器例如可以将其过程调节功能扩展到另一惰性气体发生器。各个控制器模块的动态能够配置性以最小的安装工作实现了特别高的运行可靠性。

在操作期间控制器模块的动态配置不仅可以在控制器模块故障时启动，而且还可以例如有助于控制器模块的更均匀利用。例如，通过将具有主动低利用率的控制器模块置于低能耗睡眠模式，而将承担控制器模块的常规功能的另一控制器模块置于睡眠模式，可以节省能源。

替代地或附加地，由此也可以通过两个控制器模块来确保运行可靠性，这两个控制器模块具有相同的功能范围并且彼此信号连接，以便形成固有冗余的控制器组。即使控制器模块在操作期间是动态能够配置的，并且因此每个控制器模块能够接管最初未被分配给第一控制器模块的另一个控制器模块的调节功能，仍然可以通过冗余控制器组来确保附加的运行可靠性。因此，例如两个控制器模块可以是相同的设计或者分别具有相同的功能范围。特别地，两个控制器模块可以彼此信号连接，每个控制器模块最初被分配相同的调节功能。因此，例如，两个控制器模块(每个被设计为区域控制器并且执行激活致动器以释放惰性气体的调节功能)可以通过控制致动器的一个或另一个控制器模块被互连到冗余的控制器组中。如果两个区域控制器中的一个发生故障，那么用于释放惰性气体的致动器由冗余控制器组中的另一个区域控制器激活。为了提高能量效率，冗余控制器组的控制器模块可以进入睡眠模式，直到它接收到接管另一控制器模块的调节功能的信号。

因此，在本发明的进一步改进中，可以特别地提供控制器模块(特别是控制器组的控制器模块)，每个控制器模块被配置并且彼此信号连接，使得如果另一个控制器模块经历故障和/或过载，则控制器模块自动接管另一个控制器模块的调节功能。在控制器模块故障的情况下，调节功能的承担有助于氧气减少系统的控制和调节系统的运行可靠性。然而，替代地或附加地，控制和调节系统也可以被适配成使得控制器模块自动承担另一个控制器模块的调节功能，如果该另一个控制器模块同样经历过载的话。这样做可以优化各个控制器模块的利用。总之，因此可以用相对少的控制器模块实现特别高的效率。此外，这尤其提高了氧减少系统整体的能量效率。

为了确保各个控制器模块之间的有效且快速的通信，优选地，控制器模块通过总线系统彼此信号连接。总线系统优选地被设计为环形总线系统，以便实现通信信道冗余。由于通过冗余路径使得通信成为可能，因此利用环形总线系统实现了特别高的系统稳定性。因此，两个控制器模块之间的通信丢失可以通过经由其他控制器模块建立通信来补偿。为了能够将控制器模块连接到总线系统，优选的是所有控制器模块具有相同的总线接口。

利用总线系统(尤其是环形总线系统)实现的另一优点是对各个控制器模块的往复监视。各个控制器模块之间的标准化通信接口使得控制器模块能够监视彼此的状态。这使得能够快速识别控制器模块的故障或失灵。因此，另一个控制器模块可以接管故障的或相应地发生失灵的控制器模块的功能。例如，通过各个控制器模块以预定的时间间隔发出状态信号，可以接着对各个控制器模块进行监视。单独的控制器模块可以因此发送“生命的迹象”。“

总线系统可以例如通过具有诸如tcp/ip、通讯协议(modbus)/tcp、udp、ethercat或powerlink的标准协议的以太网连接来实现。这种标准化的通信接口进一步降低了控制和调节系统的制造和安装成本。

本发明的另一优选实施例可以提供单个或所有控制器模块，其经由另一总线系统耦合到至少一个氧气浓度传感器和/或至少一个用于释放惰性气体的致动器和/或至少一个惰性气体发生器。通常，传感器、致动器和/或惰性气体发生器中的单个或全部可以经由特别适合于现场级的另外的总线系统耦合到一个或多个控制器模块。尤其是，所述至少一个氧气浓度传感器以及气体、温度和/或压力传感器以及门触点可以集成到所述另外的总线系统中。在此，特别地可以提供，所述另外的总线系统是现场总线系统，优选地是环形和/或短线(stub)和/或星形拓扑结构的现场总线系统。例如，所述另外的总线系统可以使用can总线或具有canopen、过程现场总线(profibus)或modbusrtu协议的rs-485。

控制器模块还可以信号连接或可信号连接到数据存储和评估单元，以便使得系统数据(特别是控制参数、传感器数据、环境数据、能耗数据和/或状态、故障和警报消息)的长期存储和评估可行。这样做因此能够实现长期评估，例如分别用于预测性维护或确定相关维护间隔。为此，例如可以使用统计方法，以便相应地评估所存储的控制参数。此外，例如为了接收惰性气体发生器的变化的早期警告，可以在不同的时间点将存储的控制参数彼此进行比较。最后，所存储的数据也可用于漂移补偿，使得控制和调节系统可适于逐渐的环境变化，例如所供应的操作材料的污染程度和/或变化的纯度。

此外有利的是，控制器模块能够远程地(尤其是通过互联网连接)被维护和/或配置。通常，控制和调节系统可以配备有用于外部通信的通信部件，例如用于远程诊断或远程配置。通过互联网连接的远程维护特别地导致降低的维护成本。

关于控制器模块，优选地可以设置成使每个控制器模块具有外围识别功能，从而可以自动地识别连接到相应控制器模块的氧气浓度传感器和/或致动器和/或其它传感器的操作类型和模式。换句话说，控制器模块使得能够实现外部传感器或致动器的即插即用连接。

控制器模块因此可以特别地具有自配置设计，使得基于连接的氧气浓度传感器和/或致动器和/或另外的传感器的相应类型和操作模式，自动地激活和/或去激活调节功能。例如，连接到控制器模块的惰性气体发生器的类型可以从体积流量测量或压力测量和/或连接的阀的数量或类型来识别。因此，可以检索到用于这种类型的惰性气体发生器的预先配置的设置。可替换地或附加地，自配置经由接口识别来实现。控制器模块因此不直接识别所连接的传感器或致动器，而是识别其输入/输出接口。由于传感器和致动器各自使用特定类型和/或特定数量的接口用于输入和输出数据，因此可以可靠地识别它们。自配置大大简化了控制和调节系统的安装。此外，由于更换的部件被自动识别，因此控制和调节系统非常易于维护。

为了在确保高水平的运行可靠性的同时实现氧气减少系统的良好利用，优选的是，至少一个控制器模块(特别是过程控制器和/或主控制器)被配置使得惰性气体根据预定标准被分配。至少一个控制器模块可特别地被配置成实现调节惰性气体在惰性气体发生器中的每一者中的生成，使得惰性气体发生器运行基本上相同的时间长度。在接收到惰性气体请求时，优选地，具有最短操作周期的惰性气体发生器被激活到该惰性气体发生器。运行时间的均衡提高了系统稳定性，并确保控制和调节系统的良好利用。此外，惰性气体发生器可以同时进行维护，或者可以同时更换它们的依赖于负载的降解(degrading)部件(例如膜或碳分子筛)，这减少了维护氧减少系统所花费的努力。

本发明的补充方面涉及一种具有上述控制和调节系统的氧气减少系统，特别是防火系统。

在本申请的范围内还提供了一种用于控制和/或调节氧气减少系统(特别是如上所述的氧气减少系统)的方法，其中，一个或多个控制器模块被配置为执行以下调节功能中的至少一个：

-控制/调节所述惰性气体发生器，

-评估所述氧气浓度信号传感器的氧气浓度信号，以及

-激活所述致动器以释放惰性气体。

由此，在运行期间为各个控制器模块分配不同的调节功能，其中，当一个控制器模块故障时，另一个控制器模块自动地接管其调节功能。

下面将基于所附示意图更详细地解释本发明。其中示出：

图1a是具有根据现有技术的控制和调节系统的氧气减少系统的示意图；

图1b是根据现有技术的氧气减少系统的控制和调节系统的信号连接的示意图；

图2a是根据本发明的具有两个控制器模块的一个优选实施例的具有控制和调节系统的氧气减少系统的示意图；

图2b是根据具有两个控制器模块的一个优选实施例的氧气减少系统的发明性控制和调节系统的信号连接的示意图；

图3a是具有根据具有四个控制器模块的另一优选实施例的创造性的控制和调节系统的氧气减少系统的示意图；

图3b是根据具有四个控制器模块的一个优选实施例的氧气减少系统的发明性控制和调节系统的信号连接的示意图；

图4a是具有根据具有六个控制器模块的另一优选实施例的创造性的控制和调节系统的氧气减少系统的示意图；

图4b是根据具有六个控制器模块的一个优选实施例的氧气减少系统的创造性的控制和调节系统的信号连接的简化示意图；

图5a是具有根据具有六个控制器模块和现场短线的另一优选实施例的创造性的控制和调节系统的氧减少系统的示意图；以及

图6是具有根据具有增强通信的另一优选实施例的创造性的控制和调节系统的氧气减少系统的示意图。

图1a、2a、3a、4a、5a和6基本上显示了类似结构的氧气减少系统，其作为预防性防火系统用于监视和调节受保护区域10中的氧气浓度，氧气减少系统的最重要的部件是惰性气体发生器30a、30b。图中的惰性气体发生器30a被实现为膜式氮气发生器，并且主要包括：

压缩机33，用于压缩环境空气；

压力传感器31b，用于检测压缩的环境空气的压力；

膜36，用于将环境空气分离成富氧空气和富氮空气，其中富氧空气通过未示出的管线排出，富氮空气通过氮气管线37引入到受保护区域10中的一者中；以及

氧气浓度感测器31a，用于测定富氮空气的残存氧气含量。

代替或除了氧气浓度传感器31a之外，可以可选地在膜36的下游提供体积流量传感器。

图中的惰性气体发生器30b被实现为变压吸附氮气发生器，并且主要包括：

压缩机33，用于压缩环境空气；

压力传感器31b，用于检测压缩的环境空气的压力；

吸附剂容器34(例如具有碳分子筛)，用于将环境空气分离成富氧空气和富氮空气，其中富氧空气经由未示出的管线排出，富氮空气经由氮气管线37引入到受保护区域10中的一者中；以及

缓冲罐35，用于暂时储存富氮空气；

阀32，用于交替地分别将环境空气供给到吸附剂容器34中或将来自吸附剂容器34的富氮空气供给到缓冲罐35中；

压力传感器31b，用于检测富氮空气的压力；以及

氧气浓度感测器31a，用于测定富氮空气的残存氧气含量。

代替或除了氧气浓度传感器31a之外，可以可选地在缓冲罐35的下游设置体积流量传感器。

由惰性气体发生器30a、30b生成的富氮空气根据需要经由选择阀41被引入到受保护区域10中，以便降低受保护区域10中的空气的氧含量。受保护区域10中以及例如(在惰性气体发生器30a、30b所处的相邻走廊或机房12中的)受监视空间11中的氧含量由氧气浓度传感器40监视。在例如氧含量降到阈值以下的危急环境条件的情况下，在受影响区域中并且可能还在其它区域中启动警报装置42，以便警告可能存在的任何人。当然，在受保护区域10、受监视区域11和机房12中以及在惰性气体发生器30a、30b上，也可以设想另外的传感器(例如温度、湿度和气体传感器)。其它类型的致动器(例如致动驱动器)同样可以是氧减少系统的一部分。氧减少系统的控制和调节功能可以通过作为人/机接口的控制面板43来监视和管理。

图1a-6显示了用于使氧气减少系统能够运行的不同控制和调节系统。图1a、2a、3a、4a和5a因此示出了与氧气减少系统的其它部件结合的控制和调节系统。相反，图1b、2b、3b、4b和5b仅示出了控制和调节系统到传感器和致动器的信号连接。因此，它们用于提供相应控制和调节系统的架构的更好的概观。

图1a和1b示出了根据现有技术的氧气减少系统的控制和调节系统。用于氧气减少系统的这种系统迄今为止已经通过以星形布局连接到各个传感器31a、31b、40、致动器32、33、41的控制中心20和借助于现场短线50的警报装置42来实现。如从图1a和1b中可以清楚地看到的，控制中心20与传感器31a、31b、40、致动器32、33、41和报警装置42之间的单独连接导致了线路的复杂结构，尤其是具有大量的单独线路、长的线路长度，并且导致了对故障的增加的敏感性。控制中心20本身需要配置有高计算能力和多个接口，以便能够可靠地执行所有的控制和调节功能。随后的扩展和重新配置以及在故障消息时的故障排除证明是费力的、耗时的和昂贵的。

图2a至6示出了根据本发明的控制和调节系统的变型。本发明的所有实施例包括至少两个控制器模块21、22、23、24、25，控制和调节系统的一个或多个调节功能分散地分配到这些控制器模块上。控制器模块21、22、23、24、25优选地具有标准化的结构，因此基本上具有相同的硬件部件。每个控制器模块21、22、23、24、25特别地包括类似的或相当的控制器以及至少部分类似的或相当的通信接口。控制器模块21、22、23、24、25彼此信号连接，并且优选地具有不同的配置。特别地，不同的调节功能可以在各个控制器模块21、22、23、24、25之间划分。

根据图2a、2b的示例性实施例示出了例如具有两个控制器模块22、24的控制和调节系统。由此，特别地提供了组合控制器24，其组合了区域控制器和主控制器的调节功能，并且因此，一方面接管了对受保护区域10中的氧气浓度水平的监视，另一方面接管了控制器模块22、24与氧气减少系统的其它部件之间的通信的协调。该另一控制器模块是被配置为过程控制器22的控制器模块，用于控制或分别调节由两个惰性气体发生器30a、30b生成的惰性气体。组合控制器24和处理控制器22在空间上彼此分离。过程控制器22位于机房12中，在该机房中还布置有两个惰性气体发生器30a、30b。另一方面，组合控制器24位于单独的共用设施间13中，两个控制器模块22、24的空间分离增加了系统稳定性，缩短了线路长度，并且提高了对控制器模块22、24的可达性。

对于其区域控制器功能，组合控制器24连接到受保护区域10以及监视区域11中的氧气浓度传感器40和警报装置42，借助于氧气浓度传感器40，组合控制器24确定受保护区域10和监视区域11的大气中的氧气浓度。关于保护区10中氧气浓度的调节，组合控制器24将氮气需求量传送给过程控制器22，其使惰性气体的生成适应于所传送的氮气需求量，并例如通过选择阀41的激活来协调富氮空气的引入。过程控制器22又信号连接到压力和氧气浓度传感器31a、31b以及致动器(例如惰性气体发生器30a、30b的压缩机33和阀32)，以便控制和调节惰性气体的生成。然而，过程控制器22不限于惰性气体的生成功能；在本实施例中，通过氧气浓度传感器40监视机房12的氧气浓度，并且必要时在低于表明惰性气体发生器30a、30b泄漏的氧气阈值时激活机房12中的警报装置42，该装置还承担机房12的区域控制器功能。控制器模块22、24的这种高度独立的配置可适应于各种各样的需求，使得控制和调节系统的功能能够在线路结构方面基于需要和最佳方案而被分配。

与现有技术不同，控制器模块22、24与相关传感器31a、31b、40、致动器32、33、41和报警装置42之间的连接路径实现为现场(field)环形线路51，环形配置可以减少线路路径，并且冗余连接路径进一步增加系统稳定性。经由现场环形线路51的通信例如可以经由can总线或者经由具有canopen、profibus或modbusrtu协议的rs-485进行。组合控制器24和过程控制器22另外通过例如实现为以太网连接的附加控制器环形线52通信。组合控制器24还与控制面板43用短线连接，用户通过该短线连接可以监视和管理控制和调节功能。

图3a、3b示出了本发明的另一示例性实施例，其中提供了总共四个控制器模块21、25。两个相应的控制器模块形成一个主控制器21，它们彼此信号连接，特别是通过控制器环形线52彼此信号连接。在该示例性实施例中，两个组合控制器25组合了区域控制器和过程控制器的功能，另外设置在控制器环形线52中。主控制器21和组合控制器25在这种情况下被设计为冗余控制器模块21、25，每个模块形成一个各自的控制器组，并且由于冗余设计而提供增加的系统稳定性。组合控制器25通过场环形线51信号连接到惰性气体发生器30a、30b的传感器31a、31b、40、致动器32、33、41和报警装置42、受保护区域10、受监视区域11和机房12，它们因此协调惰性气体发生器30a、30b的惰性气体的生成以及各个区域10、11、12中的氧气浓度的监视和调节，另一方面，公用设施间13中的主控制器21负责协调控制器模块21、25的通信以及故障和报警信息的显示，或者分别通过控制面板43接收用户输入。如果控制器模块21、25中的一者发生故障，则不仅具有相同结构而且具有相同配置的控制器模块21、25可以接管另一个控制器模块21、25的全部功能。由于两个冗余控制器模块21、25共享的两个相应环形线路，每个控制器模块21、25可以直接访问另一个控制器模块21、25的传感器31a、31b、40、致动器32、33、41和报警装置42，而没有任何迂回。

图4a、4b示出了根据另一优选示例性实施例的类似的控制和调节系统结构。具体地，根据图4的控制和调节系统同样包括在共用设施间13中的两个主控制器21，其彼此信号连接并且形成冗余控制器组。主控制器21负责调节控制器模块21、22、23通信以及显示故障和警报消息，或分别经由控制面板43接收用户输入。控制和调节系统包括两个单独的区域控制器23和两个单独的过程控制器22。区域控制器23用于监视保护区10和监视区11中的氧气浓度。区域控制器23为此信号连接到区域10、11中的氧气浓度传感器40，并且在失灵或警报(例如不益健康氧气浓度水平)的情况下，同样可以激活位于这些区域10、11中的警报装置42。过程控制器22用于控制和调节由惰性气体发生器30a、30b生成的惰性气体，并且为此信号连接到压力和氧气浓度传感器31a、31b以及阀32、压缩机33和选择阀41。此外，在所示的示例性实施例中，它们实现与机房12相关的附加的区域控制器功能。区域控制器23和过程控制器22不直接相互通信，而是经由两个控制器环形线52共同连接到主控制器21。由此清楚的是，主控制器21承担通信的协调，例如处理由区域控制器23确定的氮需求并将其传达到过程控制器22。与图3a、3b中的示例性实施例相比，根据图4a和4b的示例性实施例的特征不仅在于具有甚至更高的冗余度和系统稳定性，而且还示出了在惰性气体生成、区域监视和更高阶通信水平下对于具有高控制和调节需求的非常大或复杂的氧减少系统的特别适用性。

根据图5a、5b的示例性实施例与根据图4a、4b的示例性实施例的不同之处在于，传感器40和致动器42或惰性气体发生器30a、30b分别连接到区域控制器23/过程控制器22。具体地，在该示例性实施例中提供场短线50而不是场环形线。这避免了传感器和致动器的双重连接，因此相比之下是经济的。此外，在该示例中，选择阀41由区域控制器23激活。

图6示出了根据图5a、5b的示例性实施例的增强。具体地，控制和调节系统具有与根据图5a、5b的示例性实施例类似的设计。总共设置两个冗余地构成的主控制器21、两个冗余地构成的面区控制器23和两个冗余地构成的过程控制器22。区域控制器23和过程控制器22通过控制器环形线52信号连接到主控制器21。

图6还示出了可以在至少一个主控制器21上提供的其他通信接口。例如，主控制器21可以具有用于气象站67的输入接口。因此，环境大气的当前环境条件(例如风速)可以结合到氧减少系统的调节中。此外，可以提供与连续人工操纵的位置68通信的信号输出。这样做使得警报和故障消息能够被转发到适当的接收者以实现对策。

此外，可以提供用于远程维护或远程配置的附加通信功能。例如，通信切换单元(“开关”)60控制与不同外部设备(例如远程诊断模块63)的通信远程诊断模块63又可以经由wlan路由器64或经由因特网65连接到外部远程支持pc66或连接到本地支持pc62。同样位于本地的数据存储和评估单元61(例如工业pc或服务器)可以用于记录所有操作数据，并且特别是用于长期评估系统数据(例如控制参数、传感器数据、环境数据、能耗数据和/或状态、故障和警报消息)。由此，这使得例如能够进行预测性维护或确定相关的维护间隔。

通常，根据上述示例性实施例的控制和调节系统可以被虚拟地任意扩展。特别地，可以提供多个主控制器21、多个区域控制器23、多个过程控制器22和/或多个组合控制器24、25。

附图标记的列表

10受保护区域36膜

11受监视区域37氮气管线

12机房40氧气浓度传感器

13共用设施间41选择阀

20控制中心42报警装置

21主控制器43控制面板

22过程控制器50场短线

23区域控制器51场环形线

24组合控制器(主/区域控制器)52控制器环线

25组合控制器(过程/区域控制器)60开关