CN102753831A - 对泵进行能源优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在运行中对液压设备中的多个转速可控的离心泵进行能源优化的方法，其中，开始首先确定哪些泵作为先导泵直接分配给用户，哪些泵液压前置连接于该先导泵。然后构成一个或多个能源优化回路，每个能源优化回路分别由一个或多个先导泵和一个或多个前置连接的泵组成，这些前置连接的泵供应先导泵，在此这样选择能源优化回路：使每个前置连接的泵分别总是只属于一个能源优化回路，然后使能源优化回路关于这些泵实现能源优化。

Description

对泵进行能源优化的方法

技术领域

本发明涉及一种在运行中对液压设备中的多个转速可控的离心泵进行能源优化的方法。

背景技术

特别是在大型建筑物或更复杂的建筑结构的供热设备中，安装有许多泵，即具有驱动电机的离心泵，以向各个设备组件可靠地提供流体或供热。现代的这种类型的泵是转速可控的，也就是说，这种泵具有变频器或转速调节器以及相应的控制和调节电子装置，通过这些装置，泵可以有效地满足广泛的液压需求。当在一个设备中有许多这样的泵一起运行时，通过这些泵的并联、串联或两者相组合，产生复杂的液压网络，这使得常常难以识别，哪一个泵实现哪一种功能。当然更加困难的是如何运行这些泵，使这些泵在总体上也仅近似能源优化地运行。

发明内容

在此背景下，本发明的目的在于提出一种对这种液压设备的泵进行能源优化的方法，该方法不会降低设备的工作效率，其中特别是包括对所有设备组件的供应。

根据本发明，该目的通过由权利要求1给出的方法得以实现。此外，为了提供根据本发明方法所需要的且合适的硬件，本发明还提出了一种如权利要求14所述用以执行该方法的泵，以及一种如权利要求19所述的控制和调节单元。本发明的优选实施方式由从属权利要求、下面的说明以及附图给出。

根据本发明的用于在运行中对液压设备（如供热设备、地下水沉降设备、灌溉设备、污水设备等）中的多个转速可控的离心泵进行能源优化的方法的基础在于，首先一次性确定将哪些泵作为先导泵（Pilotpumpen）直接配备给用户，哪些泵设置在先导泵的后面，然后利用变化的转速来控制设置在后面的泵，以实现能源优化。

因此，本发明方法的基本思想是，首先一次性地确定，设备的哪些泵是先导泵。先导泵是指直接配备给用户（Verbraucher）的泵，即其输入或输出通常直接配备给用户的泵。在多数情况下，这样的泵通常设置在用户的前面，但是也可以将其设置在用户的后面，即先导泵在吸入侧连接到用户。也就是说，先导泵是指所有在吸入侧或在压力侧直接连接到用户的泵。先导泵是主要用以供应用户的泵，并因此只能间接地用于能源优化。为此，根据本发明，设置连接于先导泵后面的泵，并通过变化的转速对其进行控制，以实现能源优化。即，改变这些设置在后面的泵的转速，直至实现能源优化。为了如下所述地对先导泵也实现能源优化，在此改变通常作为受控的泵的先导泵的运行点。

在本发明的意义下，能源优化不一定必须是最好状态，而是也可以是设备能源效率相对于实际状态的改善。

在本发明的意义下，对于直接供应用户的先导泵来说，设置在先导泵后面的泵是指液压前置连接先导泵的泵。对于从用户向外输送的先导泵、也就是在吸入侧与用户相连接的先导泵来说，设置在后面的泵是指液压后置连接先导泵的泵。

根据本发明的一种优选的扩展方案，形成一个或多个能源优化回路，每个回路分别由一个或多个先导泵和一个或多个设置在后面的泵组成，设置在后面的泵供应先导泵或由先导泵供应，其中，每个设置在后面的泵分别仅属于一个能源优化回路，由此对一个或多个能源优化回路进行能源优化。

因此在这里的基本思想是，首先一次性地将可能复杂的液压设备划分为能源优化回路，这样选择能源优化回路：使它们本身构成简化的设备部分，对这些设备部分可以不用很大开销地进行能源优化。

在此，能源优化回路总是由一个或多个先导泵和一个或多个设置在后面的泵组成，这些设置在后面的泵供应先导泵或由先导泵供应。设置在后面的泵不必直接地，而是也可以间接地供应先导泵或由先导泵供应，这取决于它们在后面液压设置得有多远。

在此这样选择能源优化回路：使每个设置在后面的泵分别只对应一个能源优化回路。而一个或多个先导泵则还可以对应多个能源优化回路。

在这里的基本思想是，构成能源优化回路，其中，在尾部或开头设置至少一个先导泵，在此，直接位于用户之前或之后的先导泵，负责用户的液压供应，特别是提供所需要的扬程，而对于前置连接或液压后置连接的泵则可以在对其的控制中进行改变，直至能源优化回路的总能量消耗达到最小或至少降低。当所有这样构成的能源优化回路都被能源优化时，则整个液压设备关于设置在其中的离心泵的运行也就实现了能源优化。在此，对能源优化回路依次实现能源优化，在此，这些回路以什么样的顺序被优化并不重要。在此有利地是使优化过程在泵运行期间连续进行，由此就是在设备中发生液压变化时，也能够根据泵的改变了的运行点重新进行能源优化。

优选一个能源优化回路典型地具有一个或多个先导泵以及一个或多个设置在后面的泵，其中，设置在后面的泵直接供应至少一个先导泵，或者由至少一个先导泵直接供应。

在根据本发明方法的一种优选的扩展方案中，在一个能源优化回路中包括所有的先导泵，一个或多个设置在后面的泵供应先导泵，或者由先导泵供应。

为了对能源优化回路进行优化，根据本发明，对每个泵确定参数e，该参数e由泵的吸收功率的变化量和发出的液压功率的变化量的商来确定。然后在必要时，即有多个先导泵时，将先导泵的参数e相加，并通过对前置连接或后置连接先导泵的泵的控制的变化来使其与前置连接或后置连接的泵的参数e相一致，在此将并联的前置连接的或后置连接的泵看作是一个泵。在此的基本思想是：确定功率消耗的变化量（通常是泵的电功率消耗的变化量）与液压能耗的变化量的比，并将先导泵的这个商值相加，然后改变对设置在后面的泵的控制，直至这些设置在后面的泵与该通过将先导泵的各个商相加得到的参数e一致，因为由此使能源优化回路吸收的功率最小或至少是很小。在此，每个设置在后面的泵的参数e都等于通过将相应的先导泵的商相加得到的参数。在此，这种形式的能源优化是这样实现的：确定一个或多个先导泵在时刻t=0时的参数e，接着以该参数e为基础如上所述地对设置在后面的泵进行能源优化。需要指出的是，当以时刻t=0时的参数e为基础对设置在后面的泵进行能源优化时，所述一个或多个先导泵的参数e本身会发生变化，从而当在时刻t=1该能源优化回路的优化过程结束时，会给出与时刻t=0时的参数e不同的在时刻t=1时的参数e。然后可以重新执行优化过程，其中，确定一个或多个先导泵在时刻t=1时的参数e，并相应地控制设置在后面的泵。该过程执行得越频繁，结果就越好，在此，在没有发生变化的设备中将很快调整到几乎最佳的值。为了能够尽可能快地达到所希望的优化结果，特别有利的是，不在转速阶段（Drehzahlschritt）中对先导泵的和与待优化的泵的和之间的E-值的差进行平衡，而是仅平衡其中的一部分，优选为20%-50%。为此，已经考虑到先导泵的E-值的变化。这个百分比是根据设备具体地进行调节的并与用户的动态特性相关。因此有利的是对能源优化回路依次并持续地以上述方式进行能源优化，以便能够即使在变化的运行状态下也能够节省资源地运行设备。

如果泵在能源优化回路内并联连接，则可以将这些泵看做是一个共同的泵，即具有共有的参数e，在此，对于这些并联的泵优选使用较后要描述的其他优化方法。

优选引入驱动电机的电功耗P作为吸收功率，在转速控制的泵中，该电功率P均匀而几乎没有开销地产生于泵一侧。

由于只能成本较高地确定泵的液压输出功率，因此根据本发明的一种扩展方案，将泵的扬程h或泵的输送量q作为对发出的液压功率的度量。因此，如以后所要说明的，根据液压任务引入扬程h或输送量q来构成参数e。优选这些参数由泵自身提供，因为在通常具有控制和调节电子装置的转速控制的泵中，可以在不需要较大开销的情况下提供相应的信号。在此，优选并行地不仅提供描述吸收的电功率P的变化量与扬程h的变化量的商的信号，而且还提供描述吸收功率P的变化量与输送量q的变化量的商的电信号。在根据本发明的方法中，这两个信号可以根据对优化回路的选择来使用。对参数本身通常不需要在泵一侧额外地确定，因为例如在现代变频控制的泵中，对于整个运行点的综合特性曲线来说，泵的电气特性和液压特性是已知的并且存储在电子存储器中。也就是说，这些参数通常总是可以通过将所存储的值相关联而计算得到。代替使用泵的液压输出功率的变化量，还可以引入与其直接相关的参数，例如在供热设备中使用热量的变化量Q（其为输送量q和温差Δt的函数（Q=q*Δt））或其他与此相关的参数的变化量。

为了将如上所述的并联的泵在根据本发明的方法中在能源优化回路中看作是一个共同的泵，在根据本发明的一种扩展方案中这样实现能源优化：控制这些泵，使这些并联的泵的参数e_q一样大，在此，参数e_q由相应泵的吸收功率P的变化量与输送量q的变化量的商构成。即，在并联的泵中采用输送量作为发出的液压功率的特征参数，这是有意义的，因为并联的泵设置用于实现一个单独的泵所不能提供或至少不能经济地提供的输送量。

在将并联的泵作为所谓的双泵运行的供热设备中，可以不将这种双泵设计为两个泵并行运行，而是仅设计为在另一个泵发生故障时作为替代泵。这样，要指出的是，根据由该双泵提供的相应信号，在进行能源优化时不考虑停止的泵。

在如上所述地对并联的泵进行了优化之后，在根据本发明的方法中将这些泵看成是一个单独的泵。由于在对非并联的泵进行能源优化时，通常将扬程h，即输送压力作为用于液压功率的参数使用，因此在根据本发明的方法中，在并联的泵中这样形成参数e_h：首先确定每个并联的泵的吸收功率P的变化量和扬程h的变化量的商，而后将这些商相加。

对于串联的泵，如果这些泵是串联的单个泵或并联泵的泵组或二者都有，则为了进行能源优化，优选引入参数e_h，该参数由相应的泵或泵组（如上所述）的吸收功率P的变化量和扬程h的变化量的商构成。这样，该参数e_h等同于相应的先导泵的、必要时通过相加构成的相应参数e_h，在此通过改变对设置在后面的泵的控制在两侧获得相同的参数，并由此实现能源优化。

当泵达到饱和状态，即泵在其最大功率曲线上输送时，根据本发明的能源优化方法达到其边界。这样，对这些泵不能继续提高功率地进行控制，在能源优化方法中需要考虑的是，通过设置在后面的泵相应地液压支持临近饱和边界的先导泵，或者对于临近饱和边界的设置在后面的泵在实施能源优化方法的过程中在一定程度上不允许使其再消耗更高的功率。

根据本发明的能源优化方法原则上以关于液压设备的功能关系的知识为前提。但是在根据本发明的一个扩展方案中，液压设备的功能关系也可以通过对系统中的泵的适当控制通过泵本身来确定。在此根据本发明，首先以第一转速，然后以相对于该第一转速变化了的转速来控制该设备的泵中的至少一个泵，在此采集由此给出的液压参数或用户一侧和/或泵一侧的变化，并根据这些值对液压装置做出推断。因此，以两个泵为例，通过对其中一个泵进行转速控制以及进行压力测量或流量测量可以很容易地确定泵是并联的还是串联的。根据这一原则，最终可以确定整个设备的液压功能关系，以下还会根据一个实施例对此进行说明。

根据本发明，这样确定在一个设备中的多个转速可控的泵的功能关系：改变至少一个泵的转速，然后根据由此得到的液压反作用确定设备的至少一种功能关系。根据待确定的功能关系的范围，可以利用改变的转速控制一个或多个泵，以确定这种关系。因此，例如为了确定两个泵是并联还是串联，通过以提高了的转速控制其中一个泵，然后通过相对于原始状态的压力测量或流量测量确定，这两个泵是以什么方式连接就足够了。

根据本发明的一种优选的扩展方案，该方法采用如下三个基本方法步骤：

a)在第一步骤中，优选以恒定的转速控制所有安装在设备中的泵，并对每个泵或每个对应于这些泵的用户或当一个泵对应于多个用户时的用户组，采集液压参数。在此，通常以恒定的平均转速控制这些泵，并且以此转速控制直到调整至几乎固定的值。这些值或者是在泵一侧采集的，或者是在用户侧采集的，在此可以选择该值为压力或体积流量（输送量），其中，这些值不必直接采集，而是也可以以公知的方式通过其他的参数（例如泵驱动器的电气参数）间接确定。

b)然后，以改变了的转速依次控制所述一个或多个泵中的每一个泵，并检测在此分别获得的液压参数的变化量。也就是说，通常利用相对于步骤a更高的转速控制各个单独的泵，然后检测液压参数的变化量，该变化量或者在用户一侧给出，或者在泵一侧给出，其中，在泵一侧不仅可以检测以变化的转速控制的泵的液压参数，还可以检测其他泵的液压参数。原则上，该变化的转速相对于步骤a中的转速是升高还是降低在此并不重要，但是通常优选选择相应升高的转速。需要指出的是，必须以相同的方式以相对于步骤a中的转速升高的转速，或者降低的转速依次驱动所有的泵，以便能够检测在此产生的液压参数的液压变化量。

c）然后，在第三步骤中，在检测了液压参数的变化量之后，根据所检测的液压参数变化量确定泵或泵组与用户或用户组的对应关系。

在优选使用变频控制的泵时，根据本发明的方法可以在数字变频电子装置中实现，在此，应通过无线传输或者例如通过网络电缆构成泵相互之间的数据连接，以按照该方法相应地协调这些泵，并进一步检测泵或用户的液压参数。但是，该方法也可以在另外的控制装置中实现，该控制装置无线或有线地与泵以及必要时与用户或它们的传感器数据连接。

根据本发明的方法具有很大的优势，它通常总是能够利用供热设备中现有的装置来实现，也就是说，除了控制装置和数据连接（Datenverbund）之外不需要在设备中采取附加的措施。但是在泵的合适的设计方案中，可以将控制装置和数据连接以极低的额外费用集成在一起。此外，数据连接对于后续采用的能源优化方法没有要求。

对如此确定的液压参数值和参数变化量的分析可以以简单的方式进行。在此，方法的不同根本在于，液压参数或其变化量是在泵一侧还是在用户一侧检测的。

如果参数是在用户侧检测的，即在用户或者当有多个用户对应于一个泵时在用户组检测的参数，则根据本发明方法的一种扩展方案，根据在利用变化的转速进行控制时在用户侧产生相同的液压参数变化量的泵可以确定，这些泵属于一个泵组。一个泵组由两个或多个直接并联和/或串联的泵组成。即，第一分配步骤在于，在在用户侧检测参数时确定：泵是作为单个泵还是以组的形式液压连接在设备中。

根据该方法的另一种优选的实施方式，如果在一个泵或多个泵依次发生转速变化时只有一个用户或一个用户组相应于该转速变化受到上升或下降的影响，则该泵或所述多个泵直接配属于相应的受到影响的用户或相应的受到影响的用户组，即，在传导路径中在上述泵/多个泵和用户或用户组之间不再有其他的泵。

为了确定泵组内部的功能关系，在根据本发明方法的一种扩展方案中，以恒定的转速控制泵组的所有泵，也就是例如根据方法步骤a，在此，对由各个泵产生的压力差例如通过各个泵上的压差传感器进行检测。然后利用变化的、优选为升高的压力依次控制每个泵，并检测由此产生的压差变化量或另一个泵的转速变化量，然后根据所检测到的参数变化量确定泵组内部的泵的对应关系，如在泵并联或串联时根据液压基本定律所得到的那样。为了确定泵组内部的功能关系，可以利用变化的、优选为升高的转速依次控制泵组的泵，并检测通过各个泵的流量，或者依次控制每个泵，以产生升高的压差，然后检测该泵和另一个泵的设置的压力水平，并借助可能产生的变化来确定在泵组内部泵的对应关系。

在根据本发明方法的一种优选的扩展方案中，将一个或多个泵按照所影响的用户或用户组的数量进行分配，在此，这些泵在其转速变化时相应于转速变化上升或下降地影响两个或多个用户或用户组。由此可以确定，哪些泵对哪些用户进行加载，并由此确定泵相互之间的对应关系。

特别具有优点的是，在根据本发明的方法中不检测液压参数或参数变化量的绝对值，而是只检测其方向，因为这样一方面可以采用非常简单且无需校正的传感技术，另一方面分析只需要很少的计算能力以及很小的存储空间要求。因此为了实施根据本发明的方法，只要检测相应的检测到的液压参数在特定的泵发生转速或压力变化时是增大、变小或保持不变就足够了。因此，如果可以将方向检测分类为三组，即更大（+1）、更小（-1）和不变（0），则仅通过简化的方向检测就可以足够准确地实现此目的。

如果根据本发明的方法要通过检测泵的液压参数，即例如压力或体积流量来执行，这对于设备来说通常是更加有利的，因为目前的变频控制加热循环泵通常配备有压差传感器，则相宜的是首先利用该方法一次性确定液压设备是否是液压网络，或者液压设备是否是由两个或多个相互独立的设备部分组成。在相互独立的设备部分的情况下，对一个泵的转速变化或压力升高的控制对其他部分没有影响，因此通过这种方式利用该方法可以首先一次性地确定彼此液压连接的设备组件。

通过检测泵的液压参数（典型的为压力或压差或体积流量）来确定功能关系的方法在本质上又互不相同。

根据本发明的一种扩展方案，如果对所有的泵检测体积流量并由此检测体积流量变化量作为液压变化量，则可以如下所述地确定泵的功能关系，其中，以下将关注在利用上升的转速控制泵时的变化量。但是需要强调的是，如果以下降的转速进行控制，也可以类似的方式引入这些变化量：

构成一个矩阵，其中检测至少一个液压独立的设备组件的液压变化，优选在此还检测方向变化，即，以表示保持不变的值0、表示上升的值+1和表示下降的值-1构成矩阵。在此逐行给出每个泵在利用变化的转速控制时所获得的关于该泵以及其他泵的液压参数的变化。此外，每个泵对应一列，在此在矩阵内对行进行排序，即根据其上升变化（+1）的数量从上向下升序排列，而列则根据其上升变化（+1）的数量从左向右升序排列。也就是说，在矩阵最上面的行中检测在全部泵中产生最少上升变化的泵的变化，该泵所对应的列连接在矩阵左上方相同的位置上。具有最多上升变化的泵位于最后的、即最下边的行中，在此，该泵也对应最后的列，即最右边的列。需要说明的是，由于该矩阵关于其对角线强制性地镜像对称，因此该矩阵也可以恰好反转设置。

通过对角线分割矩阵，对角线从矩阵的一个轴线向另一个轴线延伸，并近乎切割或分解矩阵的其中典型地包含上升的参数变化、也就是1的区域。这些区域是指其中行和列所对应的泵相一致的区域。这样，通过观察在上述对角线下方每一列中或在上述对角线上方每一行中液压参数上升变化的数量，可以确定哪些泵液压并联，哪些泵液压串联。

如果在矩阵的对角线下方的列中或在对角线上方的行中液压参数上升变化（+1）的数量相同，则相应的泵为并联的泵，即由相同的管道并以相同的压力水平向外输送的泵。

根据本发明方法的一种扩展方案，确定直接对应于用户或用户组的泵，也就是在没有连接在中间的其他泵的情况下供应用户或用户组的泵。在此，这些泵是在矩阵的对角线下方的行中或在对角线上方的列中没有液压参数的上升变化的泵。对此，在必要时还可以包括矩阵的第一个泵，其对应于第一行和第一列并位于对角线上。这可以通过对行或列排序得到。

根据本发明方法的一种扩展方案，通过矩阵分析来确定所观察的泵中有多少泵是液压前置连接的。为此，检测在矩阵的对角线下方的列中或在对角线上方的行中液压参数上升变化的数量。这个数量相应于前置连接的泵的数量，在此，不涉及前置连接的泵的液压连接。

根据本发明方法的一种变形，其中以与上述相同的方式构成矩阵，可以根据在位于分割矩阵并从一个矩阵轴线向另一个矩阵轴线延伸的对角线下方的每行或上方的每列中的液压参数上升变化的数量来确定哪些泵液压并联，哪些泵液压串联。在此根据本发明方法的扩展方案，可以引入在矩阵的对角线下方的行中或对角线上方的列中液压参数的上升变化的数量，以确定与相应的泵液压后置连接的泵的数量，由此可以使这些数量相对应。

当对泵的液压参数进行分析时，可以通过检测泵的体积流量，或者替代地检测泵的压力或压差，来执行根据本发明的方法。如果要通过压力变化实现这种确定，则根据本发明，以与上述相同的方式构成矩阵，其中，检测至少一个液压独立的设备组件的液压变化，其中，也逐行地对于每个泵给出在对其以改变的压力进行输送控制时所得到的在该泵上以及其他泵上的液压参数的变化，并且每个泵对应一列。在此，对行相应于其下降变化（-1）的数量从上向下升序排列，而列则相应于其下降变化（-1）的数量从左向右升序排列，这样，借助位于分割矩阵并从一个矩阵轴线向另一个矩阵轴线延伸的对角线下方的每列或上方的每行中液压参数下降变化的数量就可以确定，哪些泵是液压并联的，哪些泵是液压串联的。在这里对角线也形成对矩阵的对称划分，并穿过始终表明上升变化的区域，这些区域在行和列中分别涉及同一个泵。与以上描述的相同，这些区域在随后的分析中也不被考虑在内。

因此，在矩阵对角线下方的列中或在对角线上方的行中液压参数下降变化的数量相同表示相应的泵为并联。

在矩阵对角线下方的列中或在对角线上方的行中液压参数下降变化的数量不同表示相应的泵为串联。

如果在矩阵对角线下方的行中或在对角线上方的列中没有液压参数的下降变化，则可以确定相应的泵直接对应用户或用户组。

根据本发明方法的一种扩展方案，在矩阵对角线下方的列中或在对角线上方的行中液压参数下降变化的数量表示与相应的泵液压前置连接的泵的数量。

根据本发明方法的一种扩展方案，替代地根据在位于分割矩阵并从一个矩阵轴线向另一个矩阵轴线延伸的对角线下方的每列或上方的每行中的液压参数下降变化的数量确定，哪些泵是液压并联的以及哪些泵是液压串联的。在此，在矩阵对角线下方的列中或在对角线上方的行中具有相同数量的液压参数下降变化的泵为液压并联的，而具有不同数量的液压参数下降变化的泵为液压串联的。

根据本发明方法的一种扩展方案，在矩阵的对角线下方的行中或在对角线上方的列中的液压参数下降变化的数量给出与相应的泵液压后置连接的泵的数量。

因此很明显，当在每个泵上检测液压参数变化时，上述矩阵可以唯一地确定泵的功能关系。当对于用户或用户组检测液压变化时，可能在必要时需要如前所述地借助于泵的液压参数的变化附加地区分泵组是并联的还是串联的。

根据本发明的能源优化方法以及上述用于确定泵的功能关系的方法可以通过电子控制和调节装置实现，该装置通常构造为数字控制和调节单元并具有至泵的数据连接。这种数据连接例如可以通过无线电的方式无线地实现，也可以以在泵和控制和调节单元之间的网络连接的方式有线地实现。控制和调节单元还可以构成泵的部件。特别有利地是，可以常规地设置与泵数据连接的控制和调节单元，由此实际上对于根据本发明方法的应用可以采用任意的泵，当对这些泵进行修改，即，使这些泵具有至少一个连接控制和调节单元的数据连接时。但是尤其有利的是将泵本身设计为能够提供该调节方法所需的参数，特别是参数e_h，即吸收功率P的变化量与扬程h的变化量的商，以及参数e_q，即泵的吸收功率P的变化量与输送量q的变化量的商。这些值在转速可控的泵中通常可以在控制电子装置得到，因此只有在例外的情况下才在外部控制和调节单元中另外确定这些值。此外，当并且只要相应的泵达到其功率饱和，泵的控制电子装置就应该产生信号S。需要指出的是，在数字信号处理中，总是存在一个信号当其值从0转换到1或相反时，表示饱和。

根据本发明的一种扩展方案，可以适当地在泵一侧设置例如用于并联泵的能源优化的控制和调节单元的部件，而只将控制和调节单元的用于对能源优化回路或整个设备进行优化的部件设置为外部装置。

附图说明

下面根据实施例对本发明及其优化方法进行详细说明。图中示出：

图1示出了一种液压设备的连接图，

图2示出了在如图1所示的设备中的能源优化回路的设置，

图3示出了另一液压设备的液压连接图，

图4示出了在如图3所示的设备中的能源优化回路的情况，

图5示出了一种能源优化连接图，其中有4个泵相互连接，

图6示出了一种能源优化连接图，其中有5个泵相互连接。

具体实施方式

如图1所示的液压设备例如是供热设备，其总共具有5个用户或用户组V1、V3、V6、V7和V10，以及14个转速可控的离心泵pu1-pu14。为了对该设备就泵的运行实现能耗优化，首先构成能源优化回路。为此，首先一次性地确定哪些泵构成先导泵，即确定那些直接对应于用户的泵。在如图1所示的连接图中，先导泵为pu1、pu2、pu3、pu6、pu7和pu10。在此泵pu1和pu2并联并前置连接用户V1，即直接对应用户V1。泵pu3、pu6、pu7和pu10相应地前置连接用户V3、V6、V7和V10。

为了构成能源优化回路，现在将一个或多个先导泵和多个供应这些先导泵的设置在后面的泵配置到一个能源优化回路中。第一能源优化回路EK1由两个彼此并联设置的先导泵pu1和pu2以及供应它们的前置连接的泵pu12组成。第二能源优化回路EK2由先导泵pu3和向其供应的前置连接的泵pu11组成。第三能源优化回路EK3由三个先导泵pu1、pu2和pu3以及彼此串联连接的前置连接的泵pu4、pu5组成。第四能源优化回路EK4由两个先导泵pu6和pu7以及与它们前置连接的泵pu13组成。此外还构成第五能源优化回路EK5，其由先导泵pu1、pu2、pu3、pu6和pu7以及前置连接的泵pu8、pu9组成。其他也与这些先导泵前置连接的泵不属于能源优化回路EK5，因为已经将它们分配给其他的能源优化回路。最后，构成第六能源优化回路EK6，其由先导泵pu10和向其供应的前置连接的泵pu14组成。

现在对能源优化回路EK1-EK6依次进行能源优化，由此使整个设备就泵的运行得到能量优化。在此，在每个能源优化回路中首先关于先导泵确定参数e_h，其中，在设备运行期间通过这些泵确定吸收功率P的变化量与扬程h的变化量的商。如果在一个能源优化回路中存在两个或多个先导泵，如例如回路EK1、EK3、EK4和EK5，则将这些先导泵的参数e_h相加，并使之与每个前置连接泵的参数e_h相等。在此通过以相应的可变转速控制前置连接的泵，直至这些e值相等，并由此使能源优化回路被优化。例如，在能源优化回路EK4中将泵pu6和pu7的e值相加，然后变化地控制泵pu13，直至泵pu13的参数e_h等于泵pu6和pu7的参数e_h的和。

在能源优化回路3中，以类似的方式将泵pu1、pu2和pu3的参数e_h相加，并使之依次与泵pu4以及泵pu5的参数e_h相等，其中，对泵pu5及pu4变化地控制，直至这些值相一致。

例如，如果在能源优化回路EK5中将两个泵并联，例如泵pu8和pu9的情况，则首先对这两个并联的泵彼此进行能源优化，其中，在每个泵运行时确定参数e_q，其等于吸收功率P的变化量比流量q的变化量。然后通过改变泵pu8和pu9的转速对其实施控制，直至这两个泵的参数e_q相一致。对于在能源优化回路EK5内的能源优化，将泵pu8和pu9看作是一个泵。为此需要由这些泵确定参数e_h，其中，检测一个泵的吸收功率P的变化量与这些泵中的每一个泵的扬程h的变化量的商，并将它们相加。然后继续能源优化回路EK5内的能源优化，其中，使两个泵pu8和pu9的参数e_h与相应的先导泵的参数e_h的和相等。

如图3所示的液压设备的功能基本上与上述如图1所示的液压设备相同，但是其不同之处在于，泵pu1-pu14在这里并不是如同图1中那样连接在用户V之前，而是连接在用户V之后。即，先导泵在吸入侧与用户V相连接，设置在先导泵后面的泵在此为液压后置连接。因此，可以以类似的方式给出对应于用户V1的先导泵pu1和pu2和对应于用户V3、V6、V7和V10的先导泵pu3、pu6、pu7和pu10。相应地给出了前置连接的泵，如通过在图4中绘出的能源优化回路EK1-EK5所示。

如图5所示，其中四个彼此液压连接的泵PUI-PUIV彼此数据连接并实现能源优化。在此，用虚线表示液压连接，用实线表示数据连接。在所示出的实施例中，泵PUIV前置连接泵PUI、PUII和PUIII，在此，泵PUI、PUII和PUIII并联，并对于连接在输出侧的用户表现为先导泵。在此，在图5中为每个泵配属一个转速调节器10和一个能源优化单元11。前置连接的泵PUIV配有被设计为外部单元的能源优化单元11a，而单元11则构成各个泵的部件。由于泵PU Ⅰ、PU Ⅱ和PUⅢ并联，因此首先将它们相互优化，在此控制这些泵，使它们的参数e_q相等，在此，参数e_q由各个单独的泵的功率消耗P和输送量q的差分商（Differenzenquotienten）或微分商（Differenzialquotienten）组成，即，借助转速调节器10以变化的转速控制泵，直至这些值相一致。在此如图5所示，总是有一个并联的泵中的泵被排除在能源优化之外，该泵负责产生由这些泵所施加的供应压力，这样对另外两个泵就可以就输送量来进行能源优化。如图5所示，将泵PUⅠ作为先导泵连接，用于压力控制，而泵PUⅡ和PUⅢ与泵PUⅠ一起分担所需要的输送量。前置连接的泵PUⅣ满足了压力目标，故而在此通过参数e_h实现能源优化，参数e_h通过功率消耗P和扬程h的差分商或微分商组成。

如图所示，特别适当的是，所有涉及该方法的泵不仅产生信号e_q，还产生信号e_h，其中，在并联的泵中使用信号e_q，而在串联的泵中使用信号e_h。在并联的泵中，除了对并联泵的组进行优化，还使用信号e_h，以将这个与其他的泵相关联的组近乎作为一个单独的泵进行能源优化。

在图6中示出了5个泵PUⅠ、PUⅡ、PUⅢ、PUⅣ和PUⅤ的能源优化过程，其中，与图5所示的实施例一样，泵PUⅠ、PUⅡ、PUⅢ并联，并前置连接先导泵PUⅣ和PUⅤ。在此也首先借助于能源优化装置11通过信号e_q进行内部优化，接着通过能源优化装置11相对于先导泵PUⅣ和PUⅤ对由泵PUⅠ、PUⅡ、PUⅢ组成的泵组进行能源优化。在此将泵PUⅣ和PUⅤ的参数e_h相加，并使之与并联且前置连接先导泵的泵PUⅠ、PUⅡ、PUⅢ的参数e_h的和相等，对泵PU Ⅰ、PU Ⅱ和PUⅢ进行转速变化地控制，直至上述e_h参数相一致，并由此实现对能源优化回路的优化。

在图中，为了能够更好地理解，将参数e_h表示为dP/dh，将参数e_q表示为dP/dq，并分别配有表示相应的泵的编号的数字。

下面参照图7至图14对本发明的用于确定设备中的泵的功能关系的方法进行详细说明。

图7a示出了具有多个泵和用户的液压设备的液压连接图，

图7b示出了用于图7a所示设备的矩阵，

图8a示出了四个并联设置的泵的连接图，

图8b示出了泵在压力增大时的时间特性，

图9a示出了由并联和串联的泵组成的泵组的连接图，

图9b示出了在以变化了的转速控制泵时泵的特性，

图10a示出了三个并联设置的泵的连接图，

图10b示出了泵在转速变化时的特性，

图11a示出了三个串联设置的泵的连接图，

图11b示出了泵在以变化的转速进行控制时的特性，

图12示出了相应于图7但具有在泵一侧的传感器装置的液压设备的液压连接图，

图13示出了用于图12所示设备的第一矩阵，以及

图14示出了用于图12所示设备的第二矩阵。

如图7和图12所示的液压设备是在此未进行详细说明的供热设备。该设备总共配备有11个泵PU1-PU11。这总共11个泵供应6个用户V1-V6。这些用户可以是单用户，但是通常是用户组，例如并联的热交换器的网络，如其在住宅建筑中用于房屋取暖所常见的，这些用户在必要时也可以以组的形式并联和/或串联。每个用户都配有一个传感器S1、S3、S6、S7、S10或S11，用于检测施加在用户上的压力。

该设备由两个彼此液压独立的设备组件组成，即在图7a中右下方示出的由泵PU11和用户V6组成的设备组件以及其余的设备组件。在该其余的设备组件中，位于最低平面上的泵PU10负责用户V5，两个并联的泵PU8和PU9通过后置连接的泵PU6并行地供给用户V3，并与此并行地通过后置连接的泵PU7供给用户V4。泵PU1、PU2、PU3通过串联的泵PU5和PU4供给，但在其一侧泵PU1、PU2、PU3并联地供给用户V1或用户V2。这种设置可以任意选择，在此仅用于说明本发明的方法。

现在为了执行该方法，首先利用恒定的转速控制所有的泵PU1-PU11，该恒定的转速通常为平均转速，该平均转速可以选择为，能够以特定的方式控制设备，但是设有保留值（Reserven），从而能够在必要时以相对升高的转速来控制泵。在此，泵通常为变频控制的供热循环泵，如在市场上常见的。

所有的泵都以恒定的转速运行，该转速应该对于任一个泵都是恒定的，当然，在彼此之间这些转速也可以是有差异的。如果这些泵中有一个泵在该方法执行期间由于设备一侧的要求而必须以改变了的转速进行控制，当计算地考虑该改变了的转速时，就会产生这种差异。在以恒定的转速控制期间，确定传感器S1、S3、S6、S7、S10和S11上的压力。现在以改变的转速（例如升高的转速）控制第一个泵（例如泵PU1），并借助传感器Sl、S3、S6、S7、S10和S11检测可能产生的变化或者不变化。

为此适当地建立如图7b所示的矩阵。在该矩阵中，在一个轴、在此为垂直轴上列出泵PU1-PU11，在另一个轴、在此为水平轴上列出传感器S1-S11，以便在在此给出的区域中检测，在以升高的转速控制泵时是否产生液压变化以及可能产生哪种液压变化。在此以0、-1和1进行分类，其中，0表示没有变化，1表示液压参数升高，-1表示液压参数下降。

根据图7b可知，相对于利用较低的转速对泵PU1的前期控制（Voransteuerung），当利用升高的转速控制泵PU1时，在传感器S 1上得到上升的压差，在传感器S3上得到下降的压差，在传感器S6上得到下降的压差，在传感器S7上得到下降的压差，在传感器S10上同样得到下降的压差。传感器S11没有检测到变化，因为其涉及到与泵PU1没有液压连接的设备组件。当检测到这些变化后，对泵PU1将再次降低到以前被控制的恒定的第一转速，然后，现在利用升高的转速控制泵PU2，并将通过传感器S1-S11得到的变化记录在矩阵中。在此之后对所有的泵进行这一过程，直至矩阵如图7b中所示的那样被完全填满。

在这里这种矩阵描述仅为简化的数字描述，但是对于分析来说原则上并不是必不可少的。现在可以根据这种控制首先一次性确定，泵PU1-PU10对传感器S11没有影响，并因此不会影响到用户V6。反之，泵PU11对用户V1-V5没有影响，由此可以得出，在这里一定是有两个相互独立的设备组件，其中，泵PU11显然只供应用户V6。

现在对于剩下的、包括泵PU1-PU10的设备组件，首先检验哪些泵设置在泵组中，即，哪些泵并联或串联成一个组。在分组时将在其转速变化时在用户侧发生相同的液压变化的泵连接在一起。例如由如图7b所示的矩阵可知，这涉及泵PU8和PU9，泵PU1和PU2以及泵PU4和PU5。因此将这些泵标识为组，也就是还要确定的是这些泵中分别是并联的还是串联的，对此将在下面做进一步的说明。

然后确定：哪些泵在转速变化时只对一个用户或者一个用户组相应于该转速变化发生影响，即，在转速升高时影响压力升高，而在转速下降时影响压力下降。由于在如图7所示的实施例中假设在方法步骤b中以相对于之前较低的恒定转速升高的转速来控制泵，因此在这里给出在行中只具有+1的泵。这些泵是泵PUl、PU2、PU3、PU6、PU7、PU10，当然还有属于另一个设备组件的PU11。这些泵直接对应于用户，即，它们在不中间连接其他泵的情况下供给用户。

但是根据这些对应关系，不仅能够确定哪些泵直接对应于一个用户，而且此外还可以确定哪些用户到底是由哪些泵供应的。因此可以看到，泵PU10唯一且直接地加载用户V5。从泵组PU8和PU9可以看到，它们在相同的意义下影响传感器S1、S3、S6和S7，即，在利用升高的转速控制泵时有更高的压力落在这些传感器上，即给出上升的压力变化。这说明泵PU8和PU9供应用户V1-V4，但只是间接的，即在中间一定还连接有其他的泵。对于泵PU4和PU5，可以以相同的方式确定，它们供应用户S1和S3，但同样仅是间接的，因为用户V3和V4由泵PU6或PU7直接供应，但是作为泵组的泵PU4和PU5对用户的影响并不是一样的，由此得出泵组PU4和PU5以及泵PU6和泵PU7相并联，在此，泵PU6和PU7分别对应于对应的用户V3和V4，而泵组PU4和PU5则作用于用户V1和V2，但同样不是直接的。

至此仅尚有泵组是如何连接的还需要确定。因此现在还必须讨论这三个分别由泵PU8和PU9、PU4和PU5以及PU1和PU2组成的泵组。但是为此还需要用于检测这些泵组中每个泵的压差或者流量的其他传感器。在如图8和图9所示的实施例中，压差传感器与泵并联地设置，而在如图10和图11所示的实施例中，体积流量传感器，即所谓的流量计配属于泵。无论安装哪一种传感器，都又要使用以上所述的方法确定泵在泵组中的布置，即，如图10和图11所示，泵首先以恒定的转速运行，然后以升高的转速控制一个泵，在此为泵PU1。根据该泵以及其他泵的变化的体积流量，现在可以确定设置在一个泵组中的泵是串联还是并联。在如图10a所示的并联连接中，当以升高的转速ω1控制泵（在此为泵PU1）时，该泵具有增加的流量q1，而另外两个泵PU2和PU3则以至此恒定的转速继续运行，但具有更低的输送量q2或q3。由此可以直接得出：这些泵必然是并联的，因为否则的话输送量势必是要增加的，如在图11中可以明显看到的，其中三个泵PU1-PU3串联连接。在此如果以升高的转速ω1控制泵PU1，则尽管泵PU2和PU3的转速保持不变，但是所有三个泵都具有增加的流量q 1、q2和q3。

如果要利用与泵并联的压力传感器，即压差传感器来确定泵的布置，则在控制泵组的所有泵产生恒定的压力之后，控制其中一个泵产生升高的压力。这在如图8和图9所示的实施例中分别在泵PU1上实现。图8b描述了液压参数变化的时间进程。在泵PU1发生压力跃变之后，泵PU2、PU3和PU4上的压力实际上保持不变，在此，泵PU2和PU3的转速在压力略有上升时下降，这意味着是并联，反之，泵PU4的转速在压力不变时上升，这表示该泵不是并联连接的泵。类似地，当泵PU1、PU2和PU3串联成一个组时，仅在泵PU1上发生压力变化，而在所有其他的泵中只发生转速变化，并且是向上变化。

正如上述实施例所说明的那样，因此可以完全确定如图7a所示的连接图。由于在上述方法中，每个用户或每个用户组仅配属一个传感器，因此，为了确定泵组中泵的布置，必须另外在泵一侧设置传感装置。

通常更为有利的是，仅利用在泵一侧的压力传感器、压差传感器或流量传感器来实现根据本发明的方法，如借助图12-图14所示出的。该方法以相同的方式运行，即，首先在第一方法步骤中，以恒定的转速控制所有的泵，接着在第二方法步骤中，以相对变化的转速（通常为升高的转速）单独地并依次控制所有的泵。将由此得到的变化采集到矩阵中，如借助图13中示出的对泵的流量测量，以及图14中示出的对泵的压差测量所示出的。在此以与如图7b所示的相同的方式构成矩阵，即，在以升高的转速控制相应的泵时，0表示相应传感器的液压参数没有变化，1表示上升的变化，-1表示下降的变化。

但是对于如图13所示的矩阵的分析，需要事先按行对矩阵进行排序。当检测如在图13中所记录的体积流量变化时，根据上升变化的数量以从上向下增加的方式对行进行排序。因此，涉及泵PU7的最上面的行具有一个1，即在q 11处。位于下面的行PU10也只具有一个1，即在q10。行PU7和PU6分别具有三个上升的变化，行PU1、PU2和PU3分别具有五个上升的变化，行PU4和PU5分别具有7个上升的变化，行PU8和PU9分别具有8个上升的变化。行按照这个顺序从上向下按升序排序。在此，每行对应一个泵，每列分别对应于一个配属于该泵的传感器。对列以与对泵相同的排序方式升序排序，但是是从左向右升序，由此得到关于对角线D镜像对称的矩阵，该对角线由涉及相同的泵的区域构成。该对角线在矩阵中从左上方向右下方延伸，从区域PU11，q11开始直至区域PU9，q9。

根据该矩阵可以直接确定设备的功能关系，也就是设备的结构。因此，可以首先以与如第一实施例相同的方式，根据对角线下方第一列中或对角线上方第一行中的0确定，泵PU1-PU10属于与泵PU11所属的不同的另一个设备部分，因为泵PU11只影响其自己的传感器q 11。

根据上升变化的数量，也就是在将矩阵分开的对角线D下方的每一列或在对角线上方的每一行中流量为数字1的数量，可知哪些泵液压并联，哪些泵液压串联。如果数量相同，例如图13中对角线D下方的列q7、q6和q5，则说明这些泵并排设置，相反如果数量相对有异，例如q4（在此为三个），则表明泵PU5不是与上述泵中的某一个泵并联，而是连接在其后面。根据上升变化的数量可知这种布置是如何得到的。在此，在矩阵的对角线下方的列中或者由于镜像对称而在矩阵对角线上方的行中液压参数上升变化的数量给出与相应的泵液压前置连接的泵的数量。例如，对应于传感器q1的泵PU1在对角线下方的列q1中具有四个1，即有四个液压参数的上升变化，这意味着有四个泵前置连接泵PU1。对于每个泵都可以这样进行确定。

此外还可以确定，哪些泵直接与一个用户或用户组相对应，在这里，这些泵为在矩阵的对角线下方的行中或对角线上方的列中没有液压参数上升变化的泵。例如对于泵PU7就是这种情况，在图13中在其所属的行中在对角线下方只存在数字0和-1，同样对于泵PU6，在其所属的行中在对角线下方也只存在0、-1、-1，等等。因此根据这些可以确定，哪些泵并联，相应的泵有多少液压前置连接的泵，以及哪些泵直接与一个用户或用户组连接。由此可以唯一地确定如图12所示的连接设置。

此外，在图13中还可以根据在矩阵的对角线D下方的每一行中或对角线上方的每一列中液压参数上升变化的数量确定，哪些泵液压并联，哪些泵液压串联。在此上升变化（+1）的数量给出与该泵液压后置连接的泵的数量。因此，在图13中泵PU8在对角线D下方的行中具有7个1，这表示有七个泵与该泵后置连接。在这里这些泵为泵PU1-PU7。在图13中，PU4在对角线D下方的行中有3个1，即其有三个后置连接的泵。在此，根据如图12所示的连接图可知，这些泵为PU1-PU3。

以类似的方式实现对如图14所示的矩阵的分析，其中，以压力变化s替代流量变化q。但是在这里不是使用上升变化1，而是使用下降变化-1来进行分析，但是除此以外分析以与如图13所述的相同的方式进行。

Claims (19)

1.一种用于在运行中对液压设备中的多个转速可控的离心泵进行能源优化的方法，其中，首先确定将哪些泵作为先导泵直接分配给用户，哪些泵设置在先导泵之后，然后以变化的转速控制所述设置在后面的泵，以进行能源优化。

2.如权利要求1所述的方法，其中，形成一个或多个能源优化回路，每个能源优化回路分别由一个或多个先导泵和一个或多个设置在后面的泵组成，这些设置在后面的泵供应先导泵或由先导泵供应，其中，设置在后面的泵分别仅对应一个能源优化回路，由此实现对所述一个或多个能源优化回路的能源优化。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，一个能源优化回路具有一个或多个先导泵和一个或多个设置在后面的泵，这些设置在后面的泵直接供应至少一个先导泵或直接由该先导泵供应。

4.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，一个能源优化回路包括所有先导泵，所述一个或多个设置在后面的泵供应这些先导泵，或者由这些先导泵供应。

5.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，通过对每个泵确定参数e来对能源优化回路进行优化，该参数e由泵的吸收功率的变化量和发出的液压功率的变化量的商确定，并将先导泵的参数e相加，并通过对前置连接的泵的控制的变化使其与前置连接的泵的参数e相一致，其中，将并联的前置连接的泵看作是一个泵。

6.如权利要求5所述的方法，其中，作为吸收功率引入驱动电机的电功耗P。

7.如权利要求5或6所述的方法，其中，作为发出的液压功率的度量引入泵的扬程h。

8.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，作为发出的液压功率的度量引入泵的输送量q。

9.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，这样控制并联的泵：使所述并联的泵的参数e_q一样大，其中，所述参数e_q由泵的吸收功率P的变化量与输送量q的变化量的商构成。

10.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，将并联的泵看做是一个泵，并且用于该一个泵的参数e_h通过将所述并联的泵中每个泵的吸收功率P的变化量和扬程h的变化量的商相加得到。

11.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，对于串联的泵为了进行能源优化引入每个串联的泵的参数e_h，该参数由所述泵的吸收功率P的变化量和扬程h的变化量的商构成。

12.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，在泵达到或即将达到其功率饱和时对泵不继续提高功率地进行控制。

13.如前面任一项权利要求所述的方法，其中，为了确定液压设备中的泵的功能关系，改变至少一个泵的转速，然后根据由此产生的液压反作用确定该设备的至少一种功能关系。

14.一种特别用于执行如前面任一项权利要求所述的方法的泵，该泵具有电动机、由该电动机驱动的离心泵和具有控制电子装置的电子转速调节器，其中，所述控制电子装置产生表示参数e的信号，该参数e由该泵的吸收功率P的变化量和液压输出参数或受其影响的参数的变化量的商确定。

15.如权利要求14所述的泵，其中，用于确定参数e_h的液压输出参数是所述泵的扬程h。

16.如权利要求14或15所述的泵，其中，用于确定参数e_q的液压输出参数是所述泵的输送量q。

17.如权利要求14到16中任一项所述的泵，其中，所述控制电子装置产生表示功率饱和的信号S。

18.如权利要求14到17中任一项所述的泵，其中，优选设置数字控制和调节单元，用以执行如权利要求1到13中任一项所述的方法。

19.一种控制和调节单元，用于执行如权利要求1到13中任一项所述的方法，具有用于与多个泵数据连接的装置。

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