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Die
Erfindung betrifft ein Druckluftversorgungsnetz mit einer Verdichterstation
zur Erzeugung von Druckluft, einer Mehrzahl von Verbrauchern und einer
Steuereinheit zur Steuerung der Verdichterstation in Abhängigkeit
von Ist-Drücken
im Druckluftversorgungsnetz. Die Erfindung betrifft weiter eine
Steuereinheit für
ein solches Druckluftversorgungsnetz sowie ein Verfahren zur Steuerung
der Verdichterstation in Abhängigkeit
von Ist-Drücken im
Druckluftversorgungsnetz.
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Größere Druckluftversorgungsnetze
für eine Mehrzahl
von Verbrauchern, wie pneumatisch betriebene Fertigungsmaschinen
oder Anlagen, werden häufig
von einer Verdichterstation mit mehreren Verdichtern gespeist, die
zur Leistungssteigerung und aus wirtschaftlichen Gründen von
einer übergeordneten
Steuereinheit so gesteuert werden, dass der Druck an einem gemeinsamen
Ausgang der Verdichterstation bzw. in einem nachgeschalteten Druckluftspeicherbehälter in
einem schmalen Druckband gehalten wird. Dabei werden der Steuerung
der Verdichter als Regelgröße im Allgemeinen
die momentanen Ist-Drücke
zugrunde gelegt, die von einem Druckaufnehmer am Ausgang der Verdichterstation oder
im Speicherbehälter
gemessen werden. Der Speicherbehälter
befindet sich gewöhnlich
in der Nähe
der Verdichterstation, während
die Verbraucher häufig
weit vom Speicherbehälter
entfernt angeordnet und durch diverse im Leitungsstrang angeordnete
Druckluftaufbereitungssysteme, wie Lufttrockner, Filtersysteme und/oder
Absperr- und Regelorgane von diesem getrennt sind. Weil in der Regel
sowohl die Druckluftaufbereitungssysteme selbst als auch große Entfernungen
zwischen dem Speicherbehälter und
den Verbrauchern infolge von Strömungswiderständen oder
Kleinleckagen einen Druckabfall bzw. Druckverluste im Leitungsstrang
zur Folge haben, ist der Betriebsdruck des Druckluftversorgungsnetzes am
Eingang der Verbraucher oft deutlich niedriger als im Speicherbehälter, wo
die oben genannten Einflüsse
noch nicht wirksam sind. Um zu verhindern, dass die für den Betrieb
jedes Verbrauchers benötigten Mindest-
oder Soll-Drücke
unterschritten werden, was bei Fertigungsmaschinen zu einer minderwertigen
Qualität
der hergestellten Produkte bzw. bei anderen pneumatisch betriebenen
Anlagen zu einem Ausfall von Anlagenteilen oder der gesamten Anlage führen könnte, wird
der Betriebsdruck an den Verdichtern der Verdichterstation zur Sicherheit
zumeist deutlich höher
eingestellt, als dies eigentlich notwendig ist. Dies führt jedoch
andererseits dazu, dass der Energieverbrauch beim Betrieb der Verdichter
deutlich
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Druckluftversorgungsnetz sowie
die Steu ereinheit und das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass der Energieverbrauch der Verdichterstation verringert
und/oder die Betriebssicherheit der Verbraucher verbessert werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass bei mindestens einem der Verbraucher mittels eines Druckaufnehmers.
Ist-Drücke im
Druckluftversorgungsnetz erfasst werden, und dass diese Ist-Drücke von
der Steuereinheit bei der Steuerung der Verdichterstation berücksichtigt
werden.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Ist-Drücke
am Verbraucher zur Steuerung der Verdichterstation heranzuziehen,
um einen Betrieb von deren Verdichtern bei einem unnötig hohen
Betriebsdruck zu vermeiden bzw. ein Unterschreiten eines vorgegebenen
Soll-Drucks zumindest bei sensiblen Verbrauchern zu verhindern.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit
die von den Druckaufnehmern bei den Verbrauchern erfassten Ist-Drücke mit
einem für
den Betrieb des jeweiligen Verbrauchers benötigten Soll-Druck vergleicht und den Druck im Druckluftversorgungsnetz
durch Erhöhung
des Betriebsdrucks der Verdichterstation anhebt, wenn bei einem
der Verbraucher der Soll-Druck unterschritten wird. Durch diese
Maßnahme
kann eine ständige
Betriebssicherheit der Verbraucher gewährleistet werden.
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Umgekehrt
wird der Druck im Druckluftversorgungsnetz von der Steuereinheit
durch eine entsprechende Steuerung der Verdichterstation abgesenkt,
wenn bei sämtlichen
mit einem Druckaufnehmer ausgestatteten Verbrauchern der Soll-Druck überschritten
wird, wodurch der Energieverbrauch der Verdichterstation verringert
werden kann. Um dabei eine Unterschreitung des Soll-Drucks bei einem oder
mehreren Verbrauchern zu vermeiden, wird der Betriebsdruck der Verdichterstation
jedoch nur soweit abgesenkt, bis bei einem der Verbraucher der Ist-Druck wieder dem
Soll-Druck entspricht.
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Die
Anhebung bzw. Absenkung des Betriebsdrucks der Verdichterstation
in Abhängigkeit von
den bei den Verbrauchern erfassten Ist-Drücken erfolgt bevorzugt in Form
eines Regelvorgangs, bei dem der Betriebsdruck der Verdichterstation
in Abhängigkeit
von den erfassten Ist-Drücken kontinuierlich
nachgeführt
wird, indem Druckschaltpunkte der Verdichter oder eines Teil der
Verdichter in der Verdichterstation von der Steuereinheit entsprechend angepasst
werden, wenn die erfassten Ist-Drücke eines
Verbrauchers dessen Soll-Druck unterschreiten bzw. bei sämtlichen
Verbrauchern eine Überschreitung
ihres Soll-Drucks festgestellt wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Druckluftversorgungsnetz
neben den direkt bei den Verbrauchern angeordneten Druckaufneh mern
einen weiteren Druckaufnehmer, der vorzugsweise unmittelbar hinter
der Verdichterstation an oder nahe bei einem Speicherbehälter für Druckluft
angeordnet ist, der zur Pufferung des Druckluftversorgungsnetzes
dient.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt ein Druckluftversor-
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Das
in der Zeichnung dargestellte Druckluftversorgungsnetz 2 dient
zur Druckluftversorgung von insgesamt vier Verbrauchern 4, 6, 8, 10,
deren Anzahl jedoch auch größer oder
kleiner sein kann. Bei den Druckluftverbrauchern 4, 6, 8, 10 kann
es sich beispielsweise um Fertigungsmaschinen handeln, die mit Druckluft
betriebene Antriebe oder Stellorgane umfassen, wie zum Beispiel
Pneumatikzylinder oder druckluftgesteuerte Ventile.
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Das
Druckluftversorgungsnetz 2 besteht im Wesentlichen aus
einer Verdichterstation 12 zur Erzeugung der von den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 benötigten Druckluft,
einem gewöhnlich
in der Nähe
der Verdichterstation 12 angeordneten und von dieser mit
Druckluft gespeisten Druckluftspeicherbehälter 14, einem Druckluftstrang 16 zwischen
dem Speicherbehälter 14 und
den vier Verbrauchern 4, 6, 8, 10,
einer entlang des Druckluftstrangs 16 angeordneten Filterstation 18 zur
Filterung der Druckluft, einem zwischen der Filterstation 18 und
dem Speicherbehälter 14 angeordneten
Lufttrockner 20, insgesamt fünf Druckaufnehmern 22, 24, 26, 28, 30 zur
Erfassung von momentanen Ist-Drücken
der Druckluft an verschiedenen Stellen im Druckluftversorgungsnetz 2,
sowie einem Steuergerät 32 zur
Steuerung der Verdichterstation 12 in Abhängigkeit
von den von den Druckaufnehmern 22, 24, 26, 28, 30 erfassten Ist-Drücken bzw.
in Abhängigkeit
von Abweichungen zwischen den erfassten Ist-Drücken und einem für den jeweiligen
Einbauort jedes Druckaufnehmers 22, 24, 26, 28, 30 vorgegebenen
Soll-Druck.
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Die
Verdichterstation 12 umfasst vier Verdichter 34, zum Beispiel
in Form von Schraubenverdichtern, die gleiche und/oder unterschiedliche
Leistungen aufweisen können.
Die Verdichter 34 werden vom Steuergerät 32 entsprechend
dem momentanen Druckluftbedarf der Verbraucher 4, 6, 8, 10 gesteuert, wobei
zu Zwecken der Energieeinsparung eine zur sicheren Deckung des Druckluftbedarfs
der Verbraucher 4, 6, 8, 10 gerade
ausreichende Kombination von Verdichtern 34 in Betrieb
genommen bzw. mit voller Leistung oder gedrosselter Leistung betrieben wird,
während
die übrigen
Verdichter 34 abgeschaltet oder im Leerlauf betrieben werden.
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Der
Speicherbehälter 14 dient
zur Pufferung des Druckluftversorgungsnetzes 2 und versorgt
die Verbraucher 4, 6, 8, 10 bei
Bedarfsspitzen mit Druckluft, um eine kurzzeitige Inbetriebnahme
von einem oder mehreren Verdichtern 34 und einen damit
verbundenen erhöhten
Energieverbrauch zu vermeiden.
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Der
Druckluftstrang 16 besteht aus einer Hauptleitung 36 und
jeweils einer von der Hauptleitung 36 zu den einzelnen
Verbrauchern 4, 6, 8, 10 führenden
Zweigleitung 38 und kann sich je nach Anwendungsfall über beträchtliche
Distanzen erstrecken, die zum Beispiel in Fertigungsbetrieben bis
zu 1000 Metern Länge
und in Bergwerken sogar mehrere Kilometer Länge erreichen können.
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Die
Filterstation 18 weist beispielhaft drei Filterpatronen 40, 42, 44 auf,
die Filtereinsätze
mit einer in Strömungsrichtung
der Druckluft zunehmend kleineren Porengröße enthalten. Die Filterpatronen 40, 42, 44 sind
jeweils mit einer abgesperrten Bypassleitung (nicht dargestellt)
versehen, die während
eines Wechsels der Filtereinsätze
geöffnet
wird, um Unterbrechungen der Druckluftversorgung zu vermeiden. In
der Bypassleitung kann ebenfalls eine Filterpatrone angeordnet sein.
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Der
als Kältetrockner
ausgebildete Lufttrockner 20 dient dazu, die Druckluft
vor ihrem Durchfluss durch die Filterstation 18 zu trocknen,
um eine Kondensation von in der Druckluft enthaltener Feuchtigkeit
in der Filterstation 18 und im Leitungsstrang 16 sowie
vor al lem bei der Entspannung der Druckluft bei den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 zu
verhindern.
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Die
Druckaufnehmer 22, 24, 26, 28, 30 sind zur
kontinuierlichen Messung von Ist-Drücken in Druckluftsystemen verwendete
Sensoren, die dem Steuergerät 32 Signale übermitteln,
um den Verlauf der Ist-Drücke
am Einbauort des jeweiligen Druckaufnehmers 22, 24, 26, 28, 30 zu
beschreiben.
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Von
den Druckaufnehmern 22, 24, 26, 28, 30 ist
ein Druckaufnehmer 22 am Speicherbehälter 14 angeordnet
und erfasst die momentanen Ist-Drücke im Speicherbehälter 14,
während
die übrigen
Druckaufnehmer 24, 26, 28, 30 jeweils
direkt bei einem der Verbraucher 4, 6, 8 bzw. 10 angeordnet
sind und an dieser Stelle die momentanen Ist-Drücke in der Zweigleitung 38 bzw.
am Eingang des jeweiligen Verbrauchers 4, 6, 8, 10 erfassen.
Der Druckaufnehmer 22 am Speicherbehälter 14 ist über eine
Steuerleitung 46 direkt mit einem Eingang des Steuergeräts 32 verbunden,
während
die Druckaufnehmer 24, 26, 28, 30 bei
den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 über ein
RS 485 Bussystem 48 mit dem Steuergerät 32 kommunizieren
und diesem die erfassten Ist-Drücke übermitteln. Zu
diesem Zweck ist jedem der Druckaufnehmer 24, 26, 28, 30 ein
Datenerfassungsmodul 50 zugeordnet.
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Infolge
von kleineren Leckagen im Druckluftstrang 16 sowie infolge
von Strömungswiderständen in
den Leitun gen 36, 38, im Lufttrockner 20 und
vor allem in den Filterpatronen 40, 42, 44 kann
es zwischen dem Speicherbehälter 14 und
den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 zu
nicht unerheblichen Druckverlusten kommen, so dass die Ist-Drücke bei
den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 zum
Teil erheblich unter denjenigen im Speicherbehälter 14 liegen, wo
die genannten Einflüsse
noch nicht wirksam sind.
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Um
zu verhindern, dass diese Druckverluste zu Unterschreitungen der
von den Verbrauchern zum Betrieb benötigten Soll-Drücke führen, was
insbesondere bei sensiblen Verbrauchern Betriebsstörungen zur
folge haben kann, werden bei bekannten Regelverfahren für Druckluftversorgungsnetze,
bei denen nur der Druck im Speicherbehälter erfasst und als Regelgröße zur Steuerung
der Verdichterstation verwendet wird, die Betriebsdrücke der
Verdichter deutlich höher
als erforderlich eingestellt, um die Druckverluste im Druckluftversorgungsnetz
sicher zu kompensieren.
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Weil
jedoch ein um 1 bar höher
eingestellter Betriebsdruck der Verdichter der Verdichterstation
einen um 6 bis 8 % höheren
Energieverbrauch zur Folge hat, werden bei dem vorliegenden Druckluftversorgungsnetz 2 außer den
vom Druckaufnehmer 22 erfassten Ist-Drücken auch die von den Druckaufnehmern 24, 26, 28, 30 erfassten
Ist-Drücke
zur Steuerung der Verdichter 34 in der Ver dichterstation 12 herangezogen,
was nachfolgend anhand von drei Beispielen erläutert werden soll.
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Beispiel 1
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Wenn
als Beispiel die vom Druckaufnehmer 26 beim Verbraucher 6 erfassten
Ist-Drücke
einen für diesen
Verbraucher 6 vorgegebenen Soll-Druck unterschreiten, beispielsweise
wegen einer Kleinleckage in der zum Verbraucher 6 führenden
Zweigleitung 38, wird dies vom Steuergerät 32 erkannt,
das die kontinuierlich gemessenen und über das Datenerfassungsmodul 50 übermittelten
Ist-Drücke
permanent mit dem zugehörigen
Soll-Druck vergleicht und ansprechend auf eine Unterschreitung des
Soll-Drucks die Betriebsdrücke
von einem oder mehreren Verdichtern 34 in der Verdichterstation 12 erhöht, bis
die beim Verbraucher 6 gemessenen Ist-Drücke wieder dem
Soll-Druck entsprechen.
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Beispiel 2
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Wenn
infolge einer zunehmenden Verschmutzung eines Filtereinsatzes von
einer der Filterpatronen 40, 42, 44 die
von den Druckaufnehmern 24, 26, 28, 30 erfassten
Ist-Drücke
absinken, bis es bei einem oder mehreren der Verbraucher 4, 6, 8, 10 zu
einer Unterschreitung des vorgegebenen Soll-Drucks kommt, werden
die Betriebsdrücke
der Verdichter 34 ebenfalls in geeigneter Weise er höht, um den
Druckabfall zu kompensieren und den vorgegebenen Soll-Druck zu halten.
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Außerdem kann
der Verlauf der Ist-Drücke an
den Druckaufnehmern 22, 24, 26, 28, 30 von
der Steuereinheit 32 ausgewertet werden, wobei zum Beispiel
beim Absinken der Ist-Drücke
an sämtlichen Druckaufnehmern 24, 26, 28, 30 bei
gleichbleibenden Ist-Drücken
am Druckaufnehmer 22 auf eine Leckage in der Hauptleitung 16 oder
auf eine Verschmutzung des Filtereinsatzes von einer der Filterpatronen 40, 42, 44 geschlossen
werden kann, während
beim Absinken der Ist-Drücke
von nur einem der Druckaufnehmer 24, 26, 28, 30 der
Fehler hinter dem Abzweig der zugehörigen Leitung 38 zu
suchen ist.
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Auf
diese Weise kann durch die Erfassung der Ist-Drücke bei den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 nicht nur
deren Betriebssicherheit erhöht
und Produktionsausfälle
oder die Herstellung minderwertiger Produkte infolge einer Unterschreitung
ihrer Soll-Drücke
vermieden, sondern auch Fehler schnell erkannt und lokalisiert werden.
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Beispiel 3
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Wenn
die von sämtlichen
Druckaufnehmern 24, 26, 28, 30 bei
den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 gemessenen
Ist-Drücke
den jeweils vorgegebenen Soll-Druck übersteigen, zum Beispiel infolge
eines vorangehenden Austauschs eines verschmutzten Filtereinsatzes
von einer der Filterpatronen 40, 42, 44, ermittelt
das Steuergerät 32 aus
den eingehenden Ist-Drücken
und den zugehörigen
Soll-Drücken zuerst
denjenigen Verbraucher 4, 6, 8, 10,
bei dem die Druckdifferenz zwischen Ist- und Solldruck am kleinsten
ist, bevor es anschließend
die Betriebsdrücke
der Verdichter 34 der Verdichterstation 12 um einen der Druckdifferenz
entsprechenden Wert absenkt. Dadurch werden unnötig hohe Betriebsdrücke der
Verdichter 34 vermieden und eine optimale Energiebilanz
erreicht.
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In
der in den obigen Beispielen beschriebenen Betriebsart des Steuergeräts 32 parametriert sich
dieses eigenständig,
indem es die von den Druckaufnehmern 24, 26, 28, 30 bei
den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 erfassten
Ist-Drücke kontinuierlich mit
einem für
jeden Verbraucher 4, 6, 8, 10 in
Abhängigkeit
von dessen Bedürfnissen
ermittelten und im Steuergerät 32 gespeicherten
Soll-Druck vergleicht und
basierend auf diesem Vergleich optimale Druckschaltpunkte für den Betrieb
der Verdichter 34 der Verdichterstation 12 berechnet.
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Bei
Bedarf kann jedoch auch eine andere Betriebsart am Steuergerät 32 eingestellt
werden, in der die Druckluftzufuhr in das Druckluftversorgungsnetz 2 in ähnlicher
Weise wie bei bekannten Druckluftversorgungsnetzen allein mit Hilfe
des Druckaufnehmers 22 am Speicherbehälter 14 gesteuert
wird. In dieser Betriebsart wird basierend auf den vom Druckaufnehmer 22 erfassten
Ist- Drücken im Speicherbehälter 14 durch
eine entsprechende Steuerung der Verdichter 34 der Verdichterstation 12 der Druck
im Speicherbehälter 14 in
einem schmalen Druckband gehalten, dessen Untergrenze so festgelegt
wird, dass die geschätzten
Druckverluste zwischen dem Speicherbehälter 14 und den Verbrauchern 4, 6, 8, 10 kompensiert
werden und darüber
hinaus eine Sicherheitsmarge vorhanden ist.
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Die
für die
Kompensation der Druckverluste und für die Sicherheitsmarge benötigten höheren Betriebsdrücke der
Verdichter 34 der Verdichterstation 12 können jedoch
bei dieser Betriebsart verglichen mit bekannten Regelverfahren für Druckluftversorgungsnetze
ebenfalls verringert werden, indem vom Steuergerät 32 die Druckdifferenz
zwischen zeitgleich erfassten Ist-Drücken am Druckaufnehmer 22 des
Speicherbehälters 14 bzw.
an den Druckaufnehmern 24, 26, 28, 30 der
Verbraucher 4, 6, 8, 10 über einen
längeren
Zeitraum hinweg ermittelt werden. Die während dieses Zeitraums ermittelten
Druckdifferenzen werden benutzt, um die im Betrieb auftretenden
Druckverluste zu berechnen, wobei der Mittelwert die im Durchschnitt
zu kompensierenden Druckverluste darstellt und die Differenz zwischen
dem Mittelwert und den Spitzenwerten eine gute Vorgabe für die Sicherheitsmarge
bietet.
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Auf
diese Weise kann ebenfalls eine unnötig hohe Einstellung der Betriebsdrücke der
Verdichter 34 vermieden werden, wobei jedoch die Energieeinsparung
nicht so groß wie
bei der zuvor beschriebenen Betriebsart ist.