DE102011050017A1 - Steuermittel zum Ansteuern eines Frequenzumrichters sowie Ansteuerverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Steuermittel zum Ansteuern eines Frequenzumrichters (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) einer Verdrängerpumpe (2), umfassend einen Regler (6), der zum Erzeugen einer Stellgröße (YS) für einen Frequenzumrichter (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) in Abhängigkeit einer Führungsgröße (W) und eines ersten Ist-Betriebsparameters (X) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dem Regler (6) Logikmittel (7) zugeordnet sind, die erste Grenzwertvorgabemittel (12) aufweisen, die ausgebildet sind, um mindestens einen ersten Grenzwert (YGrenzmax, YGrenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparametrs (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (XH, YH, YHH) zu ermitteln, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defektzustand der Verdrängerpumpe (2) zur Folge haben könnte.

Description

• Die Erfindung betrifft Steuermittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Ansteuern eines Frequenzumrichters eines Verdrängerpumpenmotors einer Verdrängerpumpe, insbesondere einer Spindelpumpe, umfassend einen Regler, der zum Erzeugen einer Stellgröße (Stellgrößensignal) für einen Frequenzumrichter eines Verdrängerpumpenmotors in Abhängigkeit einer Führungsgröße (Führungsgrößensignal) und eines ersten Ist-Betriebsparameters ausgebildet ist, wobei der Ist-Betriebsparameter, wie noch erläutert werden wird, bevorzugt mittels eines Sensors unmittelbar gemessen oder anhand einer anderen Ist-Größe berechnet, insbesondere simuliert ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verdrängerpumpensystem gemäß Anspruch 15, umfassend eine Verdrängerpumpe, ein Verdrängerpumpenmotor zum Antreiben der Verdrängerpumpe, einen den Verdrängungspumpenmotor zugeordneten Frequenzumrichter (zum geregelten oder gesteuerten Bestromen der Motorwicklungen) sowie dem Frequenzumrichter vorgeschaltete, nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Steuermittel, wobei den Steuermitteln Führungsgrößenvorgabemittel, beispielsweise in Form einer Prozessleitwarte, zugeordnet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters eines Verdrängerpumpenmotors einer Verdrängerpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21, wobei mit einem Regler eine Stellgröße (Stellsignal) für den Frequenzumrichter des Verdrängerpumpenmotors in Abhängigkeit einer Führungsgröße und eines ersten Ist-Parameters erzeugt wird.
• Heutige Verdrängerpumpenmotoren zum Antreiben von Verdrängerpumpen umfassen ein Frequenzumrichter mit integriertem Regler, der in der Lage ist das Eingangssignal, insbesondere ein Spannungssignal für den Frequenzumrichter in Abhängigkeit eines gemessenen Ist-Betriebsparameters und einer zu erreichenden Führungsgröße zu regeln. Dabei gibt der Regler die in Abhängigkeit der Führungsgröße ermittelte Stellgröße „kritiklos” an den Frequenzumrichter weiter. Problematisch dabei ist, dass der dem Frequenzumrichter zugeordnete Regler heute lediglich motorspezifisch ausgelegt ist, d. h. nicht hinsichtlich der eigentlichen bei Verdrängerpumpensystemen interessierenden Verdrängerpumpe optimiert ist. Dies kann bei Verdrängerpumpensystemen zu Problemen führen, da von Verdrängerpumpen grundsätzlich im Vergleich zu Kreiselpumpen eine erhöhte Gefährdung für die Pumpe selbst und/oder für weitere Prozessaggregate ausgeht. Dies ist auf das von Strömungsmaschinen unterschiedliche Kennlinienverhalten von Verdrängerpumpen zurückzuführen. Grundsätzlich kann dies auch im Extremfall zu einer vollständigen Selbstzerstörung oder nachhaltigen Störung der Verdrängerpumpe führen, insbesondere dann, wenn Schädigungsanzeichen nicht rechtzeitig erkannt werden.
• Auch wird der Einfluss des unmittelbar aus der Führungsgröße (Sollvorgabe) resultierenden Stellgrößensignals auf die Qualität des Förderfluids bei bekannten Verdrängerpumpen nicht berücksichtigt.
• Ausgehend von dem vorstehend erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, verdrängerpumpenspezifische Steuermittel zur Bereitstellung der Stellgröße für den Frequenzumrichter eines Verdrängerpumpenmotors bereit zustellen, wobei die Steuermittel das Gefährdungsrisiko der zugeordneten Verdrängerpumpe für sich selbst oder weitere Prozessaggregate minimieren soll und/oder eine optimale Produktqualität, d. h. eine gute Qualität des Förderfluids sicherstellen soll.
• Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Verdrängerpumpensystem mit entsprechend verbesserten Steuermitteln anzugeben sowie ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters eines Verdrängerpumpenmotors, mit welchem vorstehende Nachteile vermieden werden können.
• Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Steuermittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verdrängerpumpensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und hinsichtlich des Ansteuerverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die vom Regler Abhängigkeit einer Führungsgröße, beispielsweise einem Sollvolumenstrom oder einem Solldruck des Förderfluids generierte Stellgröße, bevorzugt ein Spannungssignal nicht unmittelbar, d. h. kritklos bzw. ohne Plausibilisierung, d. h. Überprüfung als Eingangssignal an den Frequenzumrichter weiterzugeben, sondern die Stellgröße, oder eine später noch zu erläuternde von ggf. zusätzlich vorgesehenen, insbesondere zweiten, Korrekturmitteln erhaltene, korrigierte Stellgröße oder gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße oder der korrigierten Stellgröße ermittelten Vergleichswert mit mindestens einem ersten Grenzwert (Pumpenschutzgrenzwert) zu vergleichen, wobei der mindestens eine erste Grenzwert ein Gefährdungspotenzial für die Verdrängerpumpe und/oder ein weiteres Prozessaggregat widerspiegelt. Anders ausgedrückt hätte ein Über- bzw. Unterschreiten des ersten Grenzwertes (mit einer definierten Wahrscheinlichkeit) einen vorbestimmten Defektzustand der Verdrängerpumpe zur Folge. Erfindungswesentlich ist es dabei, dass es sich bei dem ersten Grenzwert nicht um einen statischen, d. h. fest vorgegebenen bzw. festgelegten Grenzwert handelt (wobei selbstverständlich zusätzlich auch ein Vergleich mit derartigen festen Grenzwerten durchgeführt werden kann), sondern um einen dynamisch bestimmten Grenzwert, der auf Basis eines Ist-Betriebsparameters errechnet wird. Anders ausgedrückt wird der Grenzwert in Abhängigkeit eines Ist-Betriebsparameters aktuell berechnet, wobei es sich bei diesem Ist-Betriebsparameters um den ersten Ist-Betriebsparameter, also eine Ist-Regelgröße handeln kann, auf deren Basis der Regler die Stellgröße ermittelt und/oder um mindestens einen weiteren, d. h. einen anderen Ist-Betriebsparameter, der entweder unmittelbar mittels eines Sensors gemessen oder auf Basis eines Ist-Wertes berechnet, insbesondere simuliert wird. Noch anders ausgedrückt besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass nicht nur mit statischen Grenzwerten gearbeitet wird, sondern gemäß der Erfindung Berücksichtigung findet, dass die Grenzwerte einer Dynamik unterliegen, d. h. sich im Betrieb der Verdrängerpumpe in Abhängigkeit von sich ändernden Ist-Betriebsparameters ändern können. Für den Fall, dass der so ermittelte erste (Pumpenschutz-)Grenzwert um ein bestimmtes Maß über- bzw. unterschritten wird, wird mit Hilfe von ersten Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße bereitgestellt, mit der vorzugsweise die vom Regler erzeugte Stellgröße oder eine bereits zuvor korrigierte Stellgröße, die beispielsweise von zweiten Korrekturmitteln erzeugt wurde, überschrieben wird. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die korrigierte Stellgröße den maximal oder minimal zulässigen Wert annimmt, also bevorzugt einen ersten, aktuell berechneten Grenzwert, um der Führungsgröße oder genauer der aus der Führungsgröße unmittelbar resultierenden Stellgröße möglichst nahe zu kommen. Anders ausgedrückt handelt es sich bei der korrigierten Stellgröße um eine auf einen ersten Grenzwert gedeckelte Größe (bevorzugt ein entsprechend begrenztes Spannungssignal).
• Zusätzlich zu dem Vergleich der Stellgröße, einer korrigierten Stellgröße, oder eines aktuell ermittelten Vergleichswertes mit einem ersten, den Verdrängerpumpenschutz sicherstellenden Grenzwert kann die vom Regler in Abhängigkeit der Führungsgröße ermittelte Stellgröße oder eine korrigierte Stellgröße, (beispielsweise eine von ersten Korrekturmitteln erhaltenen korrigierte Stellgröße, insbesondere die von den ersten Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße oder ein aktuell berechneter Vergleichswert mit mindestens einem zweiten Grenzwert (Förderfluidschutz-Grenzwert) verglichen werden, dessen Einhaltung bzw. Nicht-Über- bzw. Unterschreiten die Qualität des Förderfluids sichern soll. Anders ausgedrückt würde ein Über- bzw. Unterschreiten des zweiten Grenzwertes (mit einer definierten Wahrscheinlichkeit) einen vorbestimmten Qualitätsparameter des mit der Verdrängerpumpe geförderten Fluids beeinträchtigen. Wird nun von Vergleichsmitteln ein Über- bzw. Unterschreiten (je nachdem, ob es sich um einen maximalen oder minimalen Grenzwert handelt) des mindestens einen zweiten Grenzwertes um ein vorbestimmtes Maß festgestellt, so wird von zweiten Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße ausgegeben, die bevorzugt entweder direkt oder indirekt in Form eines Vergleichswertes dem Vergleich mit dem mindestens einen ersten Grenzwert oder als Eingangsgröße (Sollvorgabe) an den Frequenzumrichter weitergegeben wird. Bevorzugt wird die vom Regler erzeugte Stellgröße oder die von vorgelagerten weiteren, beispielsweise den ersten Korrekturmitteln erhaltene Stellgröße mit der korrigierten Stellgröße der zweiten Korrekturmittel überschrieben.
• Wesentlich ist hierbei auch, dass es sich bei dem zweiten Grenzwert nicht um einen fest vorgegebenen, abgelegten Grenzwert handelt, sondern um einen auf Basis eines aktuellen Ist-Betriebsparameters berechneten zweiten Grenzwert, wobei es sich bei dem in die Berechnung einfließenden Ist-Betriebsparameter um den ersten Ist-Betriebsparameter, insbesondere eine Ist-Regelgröße handeln kann oder alternativ um einen anderen (weiteren) gemessenen Ist-Betriebsparameter oder um einen, insbesondere auf Basis eines Ist-Wertes berechneten Ist-Betriebsparameter. Selbstverständlich kann zusätzlich ein Vergleich einer Stellgröße, einer korrigierten Stellgröße, eines Vergleichswertes und/oder eines Ist-Betriebsparameters mit einem festen Förderfluid-Grenzwert durchgeführt und bei Über- bzw. Unterschreiten eine Korrektur der Stellgröße oder der korrigierten Stellgröße durchgeführt werden.
• Wie bereits angedeutet liegt es im Rahmen der Erfindung eine Stellgröße, eine korrigierte Stellgröße oder einen Vergleichswert entweder nur gegen mindestens einen ersten (Pumpenschutz-)Grenzwert abzugleichen oder nur gegen einen zweiten (Förderfluidschutz-)Grenzwert oder alternativ gegen sowohl mindestens einen ersten (Pumpenschutz-)Grenzwert und zusätzlich gegen mindestens einen zweiten (Förderfluidschutz-)Grenzwert, wobei wiederum alternativ zuerst gegen mindestens einen ersten Grenzwert und dann nachfolgend gegen mindestens einen zweiten Grenzwert verglichen werden kann, oder umgekehrt zunächst gegen einen zweiten Grenzwert und nachfolgend gegen einen ersten Grenzwert.
• Kern der Erfindung ist es also dem Regler zur Erzeugung einer Stellgröße eine Logik (Logikmittel) zuzuordnen, die dafür Sorge trägt, dass das Reglerausgangssignal (Stellgröße) zunächst mit mindestens einem ersten und/oder mindestens einem zweiten Grenzwert (Pumpenschutzgrenzwert und/oder Förderfluidschutz-Grenzwert) verglichen wird, wobei der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Grenzwert aktuell, d. h. unter Berücksichtigung eines gemessenen oder berechneten Ist-Betriebsparameters berechnet wird und dass, für den Fall, dass ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen ersten Grenzwertes und/oder des mindestens einen zweiten Grenzwertes festgestellt wird, eine korrigierte Stellgröße erzeugt und dann diese anstelle der vom Regler ursprünglich erzeugten Stellgröße oder anstelle einer bereits zuvor korrigierten Stellgröße als Eingangssignal an den Frequenzumrichter (Frequenzumformer) weitergegeben wird, welcher auf Basis dieser Sollvorgabe den Verdrängerpumpenmotor bestromt.
• Grundsätzlich ist es möglich, die Logikmittel hardwaremäßig getrennt von dem Regler auszuführen, beispielsweise in Form eines von dem Regler getrennten Mikrokontrollers. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der Regler und die Steuermittel von einem gemeinsamen Mikrokontroller realisiert sind bzw. einen gemeinsamen Mikrokontroller umfassen.
• Wie später noch erläutert werden wird, ist es besonders bevorzugt, wenn in die Berechnung des mindestens einen ersten Grenzwertes und/oder des mindestens einen zweiten Grenzwertes verdrängerpumpenspezifische Parameter, insbesondere Geometrieparameter, wie ein Spaltmaß, und/oder ein Spindeldurchmesser mit einfließen. Hierzu ist es besonders zweckmäßig, wenn in einem (nicht flüchtigen) Speicher, insbesondere einem EEPROM, der Logikmittel mehrere Datensätze von Systemparametern abgelegt sind, die spezifisch sind für unterschiedliche Verdrängerpumpen (d. h. jeder Datensatz ist spezifisch für eine Verdrängerpumpe), insbesondere für unterschiedliche Bauarten und Baugrößen von Verdrängerpumpen und das zwischen diesen Datensätzen, insbesondere bei einer Grundkonfiguration, beispielsweise über eine Menüsteuerung, ausgewählt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die gleichen Steuermittel im Zusammenhang mit unterschiedlichen Verdrängerpumpen einzusetzen.
• Die nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Steuermittel ermöglichen erstmals mögliche negative Auswirkungen bei aktuellen, sich ändernden Betriebsparametern einer Führungsgröße bzw. die Auswirkungen aus einer aus der Führungsgröße unmittelbar resultierenden Stellgröße auf die Intaktheit der Verdrängerpumpe und/oder auf die Produktqualität, d. h. die Qualität des Mittels der Verdrängerpumpe geförderten Förderfluids anhand eines Vergleichs mit einem situativ bestimmten, d. h. sich im Laufe der Zeit ändernden Grenzwert zu erkennen und gegebenenfalls gegenzusteuern, indem bei Erkennen eines Gefährdungspotenzials nicht wie bisher die unmittelbar aus der Führungsgröße resultierende, vom Regler erzeugte Stellgröße (Spannungssignal) unmittelbar vom Frequenzumrichter in eine Verdrängerpumpenmotordrehzahl umgesetzt wird oder der Verdrängerpumpenmotor durch Ansteuerung eines Schützes einfach ausgeschaltet wird, sondern indem stattdessen eine, insbesondere reduzierte, oder erhöhte in Abhängigkeit mindestes eines gemessenen Ist-Betriebsparameters berechnete korrigierte Stellgröße (vorzugsweise größer null) dem Frequenzumrichter übergeben wird. Bevorzugt handelt es sich bei der korrigierten Stellgröße um die von den gemeinsam oder alternativ vorgesehenen ersten bzw. zweiten Grenzwertevorgabemitteln berechneten ersten bzw. zweiten Grenzwert.
• Wie erwähnt, kann der Vergleich mit dem mindestens einen Grenzwert auf unterschiedliche Weise realisiert werden. So ist es besonders bevorzugt, wenn zum Vergleich mit dem ersten Grenzwert die von dem Regler erzeugte Stellgröße herangezogen wird, oder alternativ die von den ersten Korrekturmitteln oder die von fakultativ vorgesehenen weiteren, beispielsweise zweiten, Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße. Auch ist es möglich, nicht unmittelbar die vorgenannte Stellgröße oder eine korrigierte Stellgröße für den Vergleich heranzuziehen, sondern einen Vergleichswert, der auf Basis eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs aus der Stellgröße oder einer korrigierten Stellgröße berechnet wird. In analoger Weise ist es möglich für den Vergleich mit dem zweiten Grenzwert die vom Regler erzeugte Stellgröße heranzuziehen oder eine korrigierte Stellgröße, wobei es bei der korrigierten Stellgröße um die, falls vorhanden, von den ersten Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße handeln kann oder um die von den zweiten Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße. Ebenso ist es möglich einen Vergleichswert z. B. eine aktuelle Scherrate auf Basis eines der vorgenannten Werte zu berechnen und diesen für den Vergleich heranzuziehen.
• Wie bereits angedeutet, können die Logikmittel die vom Regler erzeugte Stellgröße, eine korrigierte Stellgröße oder einen auf Basis der Stellgröße und/oder der korrigierten Stellgröße berechneten Vergleichswert oder ein Ist-Betriebsparameter, insbesondere der erste Ist-Betriebsparameter und/oder der weitere Ist-Betriebsparameter auch mit mindestens einem für die den Steuermitteln zugeordnete Verdrängerpumpe spezifischen, festen Grenzwert verglichen werden, wobei für den Fall, dass ein solcher Grenzwert um ein bestimmtes Maß über- bzw. unterschritten wird von Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße ausgegeben wird. Handelt es sich bei dem zu vergleichenden Ist-Betriebsparameter beispielsweise um einen gemessenen Ist-Schwingungswert und überschreitet dieser ein für die bestimmte Verdrängerpumpe maximales Maß (Grenzwert) so wird von Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße ausgegeben, wobei diese Stellgrößenkorrektur einer möglichen Korrektur durch erste Korrekturmittel und/oder durch zweite Korrekturmittel vor- oder nachgelagert sein kann. Bei der korrigierten Stellgröße handelt es sich im einfachsten Fall um ein um einen bestimmten Faktor erhöhtes oder reduziertes Stellgrößensignal, oder ein Stellgrößensignal, das ein in einem Speicher abgelegten Wert annimmt, oder ein simulierten, berechneten Wert, für den ein Über- bzw. Unterschreiten des Grenzwertes nicht zu erwarten ist.
• Die zuletzt geschilderte Ausgestaltung der Steuermittel dient vor allem zum Erkennen einer plötzlich auftretenden Beschädigung oder eines plötzlich auftretenden Beschädigungsanzeichens der Verdrängerpumpe. Wird beispielsweise von Sensormitteln als gemessener Ist-Betriebsparameter ein Schwingungsparameter überwacht und überschreitet dieser einen in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegten oder bevorzugt alternativ oder zusätzlich einen in Abhängigkeit eines gemessenen Ist-Parameters bestimmten Grenzwert, so wird nicht die der Führungsgröße entsprechende Stellgröße weitergegeben, sondern einen, beispielsweise um den Faktor 2 reduzierte errechnete Stellgröße, um die Verrdrängerpumpe noch möglichst lange betreiben zu können, ohne dass ein Schaden, beispielsweise ein Lagerschaden auftritt oder sich verschlimmert, für den der erhöhte Schwingungswert ein Indiz darstellen kann.
• Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung des, vorzugsweise von einem Mikrokontroller gebildeten Reglers der Steuermittel gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist der Regler als PI-Regler oder als PID-Regler ausgeführt.
• Im Hinblick auf die Auswahl bzw. Ausgestaltung des ersten Ist-Betriebsparameters, der dem Regler zum Ermitteln einer Stellgröße zugeführt wird und auf dessen Basis gegebenenfalls der erste (Pumpenschutz-)Grenzwert und/oder der zweite (Förderfluidschutz-)Grenzwert berechnet wird, und der ggf. zur Berechnung der korrigierten Stellgröße von den Korrekturmitteln herangezogen wird, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt handelt es sich bei diesem ersten Ist-Betriebsparameter um eine gemessene Ist-Regelgröße aus der Regelstrecke, insbesondere eine sogenannte Ist-Hauptregelgröße, beispielsweise einen Ist-Druck des Förderfluids oder eine Ist-Druckdifferenz des Förderfluids, beispielsweise zwischen Saug- und Druckseite der Verdrängerpumpe oder um einen Ist-Volumenstrom des Förderfluids. Alternativ handelt es sich bei dem ersten Ist-Betriebsparameter um eine gemessene oder auf Basis eines, vorzugsweise gemessenen, Ist-Wertes, beispielsweise einer Stromstärke, berechnete Hilfsstellgröße, insbesondere des Frequenzumrichters, die beim Frequenzumrichter abgefragt bzw. vom Frequenzumrichter den Grenzwertvorgabemitteln und/oder den Korrekturmitteln zugeleitet wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der den ersten Ist-Betriebparameter bildenden Hilfsstellgröße um einen Drehfrequenzsollwert des Frequenzumrichters oder einen Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters, wobei letzterer unmittelbar einen Drucksollwert des Förderfluids repräsentiert. Alternativ handelt es sich bei dem ersten Ist-Betriebsparameter um eine gemessene oder auf Basis eines, vorzugsweise gemessenen, Ist-Wertes berechnete Hilfsregelgröße, insbesondere eine Drehzahl des Verdrängerpumpenmotors, die beispielsweise unmittelbar mittels eines Drehzahlmessers gemessen werden kann oder die von dem Frequenzumrichter ständig berechnet, insbesondere simuliert wird. Auch ist es möglich, dass es sich bei der Hilfsregelgröße um ein beispielsweise gemessenes Drehmoment des Verdrängerpumpenmotors handelt.
• Wie eingangs bereits erläutert, müssen/muss der erste und/oder zweite Grenzwert nicht zwingend anhand des ersten, dem Regler zugeführten Ist-Betriebsparameters berechnet werden oder zumindest nicht ausschließlich anhand des ersten Betriebsparameters, sondern zusätzlich oder alternativ auf Grundlage eines funktionellen Zusammenhanges auf Basis eines anderen (weiteren) Ist-Betriebsparameters, bei dem es sich um eine gemessene Ist-Regelgröße, beispielsweise eine gemessene Ist-Hauptregelgröße handeln kann, beispielsweise um einen Ist-Druck des Förderfluids, eine Ist-Druckdifferenz oder einen Ist-Volumenstrom. Bei dem zumindest einem weiteren Ist-Betriebsparameter kann es sich zusätzlich oder alternativ um eine gemessene oder auf Basis eines, beispielsweise gemessenen, Ist-Wertes berechnete Hilfsstellgröße, insbesondere des Frequenzumrichters handeln, beispielsweise um einen Drehfrequenzsollwert des Frequenzumrichters oder einen Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters. Auch ist es möglich, dass es sich bei mindestes einem weiteren Ist-Betriebsparameter um eine gemessene oder auf Basis eines Ist-Wertes berechnete Hilfsregelgröße, insbesondere eine Drehzahl des Verdrängerpumpenmotors oder ein Drehmoment des Verdrängerpumpenmotors handelt. Auch ist es möglich, dass es sich bei mindestens einem weiteren Ist-Betriebsparameter der in die Berechnung des ersten und/oder zweiten Grenzwertes und/oder in die Berechnung einer korrigierten Stellgröße und/oder in die Berechnung eines Vergleichswertes einfließt um eine gemessene Temperatur, beispielsweise eine Förderfluidtemperatur oder eine Lagertemperatur, insbesondere eines Wälzpapiers einer Antriebsspindel der Verdrängerpumpe handeln. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter um einen gemessenen Vibrationswert handelt. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem mindestes einen weiteren Ist-Betriebsparameter um eine gemessene oder berechnete Förderfluidviskosität handelt. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter um eine gemessene Leckagemenge handelt. Besonders bevorzugt ist es, wenn nicht nur der erste Ist-Betriebsparameter oder nur ein einziger weiterer Ist-Betriebsparameter bei der Berechnung eines Grenzwertes oder einer korrigierten Stellgröße berücksichtigt wird/werden, sondern beispielsweise zwei oder mehrere Ist-Betriebsparameter, insbesondere der erste Ist-Betriebsparameter und mindestes ein weiterer Ist-Betriebsparameter, bevorzugt mehrere weitere, insbesondere unterschiedliche Ist-Betriebsparameter.
• Wird beispielsweise ein Ist-Druck als Betriebsparameter gemessen, beispielsweise ein Überdruck am Druckstutzen der Verdrängerpumpe, so kann ein zu hoher Druck verdrängerpumpengefährdend sein, insbesondere eine Berstmöglichkeit beinhalten. Dabei kann der maximal zulässige Druck abhängig sein von weiteren Ist-Betriebsparametern, wie beispielsweise der Temperatur des Förderfluids.
• Ein zu geringer Druck am Saugstutzen kann als Kavitationsindikator genutzt werden. Bevorzugt wird neben dem Druck als Betriebsparameter die Förderfluidviskosität berücksichtigt, insbesondere aus messtechnischen Gründen stellvertretend für die Viskosität des Förderfluids dessen gemessen Temperatur.
• Die Temperatur kann also zusätzlich oder alternativ von einem Druck als Ist-Betriebsparameter überwacht werden. Eine Übertemperatur des Förderfluids kann pumpengefährdend sein, insbesondere im Hinblick auf einen möglichen Lagerschaden.
• Als Ist-Betriebsparameter kann bei der Grenzwertberechnung und/oder der Berechnung eines korrigierten Stellwertes zusätzlich oder alternativ zum Druck die Motordrehzahl gemäß einer festen Zuordnung bzw. Funktion berücksichtigt werden, die direkt proportional zur Verdrängerpumpendrehzahl (Spindeldrehzahl) ist, insbesondere dieser entspricht. Eine zu hohe oder zu niedrige Drehzahl kann ebenfalls ein Risiko darstellen, insbesondere dann, wenn weitere Betriebsparameter, wie beispielsweise die Temperatur und/oder der Druck gewisse Grenzen über- bzw. unterschreiten.
• Zusätzlich oder alternativ zu den vorstehenden Ist-Betriebsparametern können Schwingungen (Vibrationen) der Verdrängerpumpe und/oder des Verdrängerpumpenmotors überwacht werden. Zu starke Schwingungen gefährden dabei die Ausrichtung zwischen Verdrängerpumpenmotor und Verdrängerpumpe mit der möglichen Folge eines Lagerschadens an der Verdrängerpumpe und/oder am Verdrängerpumpenmotor. Auch sind bei unzulässigen Schwingungen Gleitringdichtungsschäden möglich. Insgesamt kann die Lebensdauer der Verdrängerpumpe durch unzulässige Schwingungen reduziert werden, insbesondere dann, wenn weitere Ist-Betriebsparameter, wie die Drehzahl und/oder die Temperatur und/oder der Druck gewisse Grenzen über- bzw. unterschreiten.
• Zusätzlich oder alternativ zu den vorstehenden weiteren Betriebsparametern kann die Viskosität des Förderfluids, die in einem funktionalen Zusammenhang zur Förderfluidtemperatur steht, direkt oder mittelbar über die Temperatur bei der Bestimmung eines Grenzwertes, einer korrigierten Stellgröße oder, falls vorgesehen eines Vergleichswertes berücksichtigt werden. Eine zu geringe Viskosität kann verdrängerpumpengefährdend sein aufgrund daraus resultierender nachlassender Schmiereigenschaften des Förderfluids zwischen den Spindeln. Eine zu hohe Viskosität kann verdrängerpumpenmotorgefährdend sein, so dass das Drehmoment zu sehr ansteigt. Zudem kann eine zu hohe Viskosität (zu niedrige Temperatur) verdrängerpumpengefährdend sein, beispielsweise beim Einsatz einer Magnetkupplung, welche durch eine zu hohe Viskosität häufig unbemerkt abreißen kann, was zur Zerstörung der Verdrängerpumpe bzw. der Magnetkupplung führt.
• Neben den zuvor erläuterten Ist-Betriebsparametern, die einzeln, in Gruppen oder bevorzugt gemeinsam zur Sicherstellung eines Komponentenschutzes (Verdrängerpumpenschutzes) oder zur Sicherstellung bzw. Gewährleistung einer Förderfluidqualität gemessen und gemäß einer mathematischen Funktion bei Berechnungen berücksichtigt werden, kann mindestens einer der nachstehenden Ist-Betriebsparameter überwacht werden, beispielsweise das Drehmoment, welches funktional abhängig von Viskosität des Förderfluids ist. Insbesondere kann das Drehmoment als Indikator für einen ansteigenden Verdrängerpumpenverschleiß berücksichtigt werden.
• Zusätzlich oder alternativ kann der Verdrängerpumpenmotorstrom in die Berechnung eines Grenzwertes, einer korrigierten Stellgröße oder falls vorgesehen in einen Vergleichswert einfließen. Der Motorstrom ist eine einfach und kostengünstig zu messende Größe, insbesondere bei gleichbleibenden anderen Parametern, wie beispielsweise der Viskosität für das Drehmoment, welche wiederum auf Verschleiß der Pumpe hinweisen kann. Zusätzlich oder Alternativ kann die Leckagerate überwacht werden. Hier liegt der Gedanke zugrunde, dass jede Gleitringdichtung eine Nennleckage benötigt, damit die statische und dynamische Komponente der Gleitringdichtung geschmiert wird. Steigt die Leckagerate an, kann dies ein Indikator für einen beginnenden Gleitringdichtschaden sein.
• Falls nicht, was jedoch bevorzugt ist, unmittelbar die vom Regler erzeugte Stellgröße oder die von Korrekturmitteln korrigierte Stellgröße mit einem ersten oder zweiten Grenzwert verglichen werden soll, sondern zusätzlich oder alternativ für diesen Vergleich ein Vergleichwert berechnet werden soll, der in einem funktionalen Zusammenhang zur Stellgröße oder zur korrigierten Stellgröße steht, kann in die Berechnung dieses Vergleichswertes anhand eines funktionalen Zusammenhangs mindestens einer der vorgenannten Ist-Betriebsparameter, insbesondere der erste Ist-Betriebsparameter und/oder mindestens einer der weiteren Ist-Betriebsparemeter einfließen.
• Besonders bevorzugt ist es, wenn die ersten und/oder zweiten Grenzwertvorgabemittel und/oder die ersten oder zweiten Korrekturmittel bei ihren Berechnungen für die den Steuermitteln zugeordnete verdrängerpumpespezifische Geometrieparameter berücksichtigen, beispielsweise eine Spaltbreite und/oder einen Spindeldurchmesser. Zusätzlich oder alternativ können die Grenzwertvorgabemittel und/oder die Korrekturmittel einen in einem Speicher abgelegten Förderfluidparameter, insbesondere ein Scherverhalten des Förderfluids berücksichtigend ausgebildet sein.
• So ist es insbesondere im Hinblick auf die Überwachung der Qualität des Förderfluids oder des damit hergestellten Endproduktes vorteilhaft, die Winkelgeschwindigkeiten der Verdrängerpumpenspindel bei der Berechnung eines Grenzwertes, einer korrigierten Stellgröße oder, falls vorgesehen, bei der Berechnung eines Vergleichswertes zu berücksichtigen. Dabei sollte bevorzugt mindestens ein Geometrieparameter sowie der Steigungswinkel der betreffenden Spindel berücksichtigt werden, da unterschiedliche Steigungswinkel der Spindel bei gleicher Motordrehzahl zu unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten innerhalb der Verdrängerpumpe führen.
• Denkbar ist auch eine Variante, bei der der mindestens eine gemessene Ist-Parameter, beispielsweise der erste Ist-Betriebsparameter oder ein weiterer Ist-Parameter nicht unmitttelbar von Sensormitteln in die Steuermittel eingespeist wird, sondern bei der der mindestens eine Ist-Betriebsparameter den Steuermitteln von einer Prozess-Leitwarte übermittelt wird, insbesondere, wie später noch erläutert werden wird, über ein Bussystem.
• Besonders bevorzugt ist es, wenn bei der Berechnung des mindestens einen ersten und/oder mindestens einen zweiten Grenzwertes eine Schergefälle Berücksichtigung findet, insbesondere ein maximal zulässiges, in einem Speicher abgelegtes Schergefälle und/oder ein aktuell anhand mindestens eines Ist-Betriebsparameters berechnetes Schergefälle gemäß einem funktionalen Zusammenhang berücksichtigt wird.
• Wie bereits erläutert, ist es denkbar, dass neben einer dynamischen Grenzwertbetrachtung auch eine statische Grenzwertbetrachtung erfolgt, bei welcher die Stellgröße, eine korrigierte Stellgröße ein Vergleichwert oder unmittelbar ein erster Betriebsparameter und/oder ein weiterer Betriebsparameter mit einem in einem, vorzugsweise nicht flüchtigen Speicher der Logikmittel abgelegten Grenzwert verglichen wird/werden und, sollte der Grenzwert um ein vorbestimmtes Maß über- bzw. unterschritten werden, eine korrigierte Stellgröße ermittelt und ausgegeben wird, um somit die Pumpe oder Produktqualität nicht zu gefährden. Im einfachsten Fall, kann hierzu die vom Regler vorgegebene Stellgröße oder aufgrund eines vorangehenden Vergleichs bereits korrigierte Stellgröße um ein vorgegebenes Maß, insbesondere einen vorgegebenen Faktor, erhöht oder reduziert werden.
• Zusätzlich oder alternativ zu mindestens einem gemessenen und ersten Ist-Betriebsparameter und/oder zusätzlich oder alternativ zu einem gemessenen oder berechneten weiteren Ist-Betriebsparameter und/oder zu mindestens einem vorgegebenen verdrängerpumpenspezifischen Geometrieparameter können die ersten und/oder zweiten Grenzwertvorgabemittel und/oder die ersten und/oder zweiten Korrekturmittel bei der Berechnung des entsprechenden Grenzwertes oder der korrigierten Stellgröße einen Förderfluidparameter (fluidspezifischer Eigenschaftswert/Konstante) gemäß einer mathematischen Funktion oder Zuordnung berücksichtigend ausgebildet sein, der beispielsweise in einem nicht flüchtigen Speicher der Steuermittel abgelegt ist. Bevorzugt kann unter verschiedenen Fluidparameterdatensätzen manuell oder automatisch, beispielsweise in Abhängigkeit eines Messergebnisses, ausgewählt werden. Bevorzugt wird als Förderfluidparameter das Scherverhalten des Förderfluids berücksichtigt, insbesondere dann, wenn zur Bestimmung eines Grenzwertes oder einer korrigierten Stellgröße ein Schergefälle herangezogen wird.
• Ganz besonders zweckmäßig ist es, wenn die Logikmittel zum Ermitteln und/oder Signalisieren einer Wartungsfälligkeit der Verdrängerpumpe in Abhängigkeit eines gemessenen oder berechneten Ist-Betriebsparameters und/oder in Abhängigkeit eines für den Steuermitteln zugeordneten verdrängerpumpenspezifischen Parameters ausgebildet sind. Bevorzugt umfassen die Logikmittel hierzu eine entsprechende Funktionseinheit die den gemessenen oder berechneten Ist-Parameter und/oder den verdrängerpumpenspezifischen Parameter bei der Ermittlung der Wartungsfälligkeit berücksichtigend ausgebildet ist. Bevorzugt berechnet diese Funktionseinheit die Wartungsfälligkeit anhand einer vorgegebenen (funktionellen) Zuordnung. Die Wartungsfälligkeit wird bevorzugt über entsprechende Signalisierungsmittel, beispielsweise ein Display und/oder eine LED-Ampel, die unterschiedliche Farbsignale aussenden kann, signalisiert.
• Besonders zweckmäßig ist es, wenn die ersten und/oder zweiten Korrekturmittel derart ausgebildet sind, dass diese für den Fall, dass der Grenzwert um einen vorgegebenen, insbesondere sehr hohen oder sehr niedrigen Wert über- bzw. unterschritten wird, ein Stoppsignal für den Verdrängerpumpenmotor, insbesondere für ein Motorschütz aussenden, aufgrund dessen der Verdrängerpumpenmotor gestoppt wird, insbesondere um eine weitere Gefährdung der Verdrängerpumpe oder weitere Prozessaggregate oder der Qualität des Förderfluids zu vermeiden.
• In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Steuermittel über ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bussystem, kommunizierend ausgebildet sind, insbesondere um mit anderen Verdrängerpumpensteuermitteln und/oder einer Prozessleitwarte kommunizieren zu können, d. h. Daten übermitteln und/oder empfangen zu können. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn im Steuermodul, insbesondere zur Kommunikation mit der Leitwarte und/oder mindestens einem weiteren Modul ein CAN-Bussystem zugeordnet ist, welches vorwiegend aus der Automobiltechnik bekannt ist. Dieses Bussystem ist, wie sich überraschend herausgestellt hat, besonders zuverlässig und robust im Zusammenhang mit Verdrängerpumpensystemen.
• Besonders zweckmäßig ist es, wenn den Steuermitteln Eingabemittel, insbesondere in Form mindestens einer Taste, bevorzugt in Form von mehreren Tasten und/oder eines Tuchscreens, etc. zugeordnet sind, um die Steuermittel konfigurieren und/oder auslesen zu können. Besonders bevorzugt kann über die Eingabemittel einer von mehreren in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegten Systemparameterdatensätzen und/oder Förderfluidparameterdatensätzen ausgewählt werden.
• Ganz besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsvariante der Steuermittel, bei der die Steuermittel Speichermittel aufweisen, die ausgebildet und angesteuert sind, um empfangene, errechnete und/oder ausgesendete Daten, insbesondere Messwerte oder Spannungsverläufe zu speichern, insbesondere mitzuloggen. Besonders bevorzugt sind die Speichermittel ausgebildet und angesteuert, um gemessene Ist-Betriebsparameter und/oder Führungsgrößen und/oder Stellgrößen und/oder korrigierte Stellgrößen zu speichern.
• Die Erfindung führt auch auf ein Verdrängerpumpensystem, umfassend eine Verdrängerpumpe, einen vorzugsweise als Elektromotor ausgebildeten Verdrängerpumpenmotor sowie den Verdrängerpumpen zugeordnete, wie zuvor beschrieben ausgebildete Steuermittel zum Erzeugen einer, gegebenenfalls korrigierten Stellgröße, insbesondere einem Spannungssignal für den ebenfalls vom System umfassten Frequenzumrichter des Verdrängerpumpenmotors. Den Steuermitteln sind Führungsgrößenvorgabemittel zugeordnet, die die Steuermittel mit der Eingangsführungsgröße, beispielsweise einen Sollvolumenstrom, einem Solldruck, etc. bevorzugt in Form eines Spannungssignals, versorgen. Die Funktion der Führungsgrößenvorgabemittel kann insbesondere von einer Prozessleitwarte übernommen werden, die falls vorhanden, neben der den Steuermitteln zugeordneten Verdrängerpumpe weitere Prozessaggregate, wie weitere Verdrängerpumpen überwachend und/oder ansteuernd und/oder regelnd ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ zu einer Prozessleitwarte kann die Führungsgröße manuell, beispielsweise durch eine entsprechende Einstellung an den Steuermitteln vorgegeben und dann von den Steuermitteln selbst erzeugt und/oder von einer einfachen, von den Steuermitteln separaten Spannungsquelle erzeugt werden, die einen elektrischen Spannungswert als Führungsgröße ausgibt.
• Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steuermittel mit der Prozessleitwarte und/oder mit weiteren Steuermitteln über ein Bussystem kommunizierend ausgebildet sind, insbesondere ein CAN-Bussystem, wobei über dieses Bussystem beispielsweise gemessene Ist-Betriebsparameter übermittelt und beispielsweise in einem von mehreren Steuermitteln gespeichert werden können.
• Bevorzugt umfasst das System auch mindestens einen Sensor (Sensormittel), vorzugsweise mindestens zwei Sensoren, der bzw. die signalleitend mit den Steuermitteln verbunden sind, wobei der Sensor bzw. die Sensoren zum Messen des ersten Ist-Betriebssignals und ggf. mindestens eines weiteren Ist-Betriebssignals ausgebildet und angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich um einen Drucksensor zur Bestimmung eines Fluiddrucks, insbesondere eines Differenzdrucks und/oder einer Temperatur, beispielsweise einer Förderfluidtemperatur oder einer Lagertemperatur. Auch kann es sich um einen Drehzahlmesser zur Bestimmung der Verdrängerpumpenzahl und/oder um einen Drehmomentmesser zum Erfassen des Verdrängerpumpenmotordrehmoments und/oder um ein Vibrationssensor zum Messen eines Vibrationswertes und/oder um einen Fluidviskositätsmesser zum Bestimmen der Fluidviskosität und/oder einen Leckageratenmesser und/oder einen Volumenstrommesser handeln. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steuermittel signalleitend mit dem Frequenzumrichter verbunden sind, um als ersten und/oder mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter eine Ist-Hilfsstellgröße zu empfangen, insbesondere einen Drehfrequenzsollwert oder einen Drehmomentsollwert aus dem Frequenzumformer.
• Ferner führt die Erfindung auch auf ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters, wobei das Verfahren bzw. vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens bereits zuvor anhand von bevorzugten Steuermitteln beschrieben wurde.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
• Diese zeigen in:
• 1 eine mögliche Ausgestaltung von Steuermitteln, die ausgebildet sind, um eine von einem Regler erzeugte Stellgröße mit einem ersten (Pumpenschutz-)Grenzwert zu vergleichen,
• 2 eine alternative Ausgestaltung von Steuermitteln, die ausgebildet sind um eine vom Regler erzeugte Stellgröße mit einem (Förderfluidschutz-)Grenzwert zu vergleichen,
• 3 eine weitere Ausgestaltungsvariante von Steuermitteln bei denen die vom Regler erzeugte Stellgröße mit einem ersten Grenzwert und/oder einem zweiten Grenzwert zu vergleichbar und ggf. korrigierbar ist, wobei die Vergleichsreihenfolge auch anders, als in 4 dargestellt, d. h. in umgekehrter Reihenfole realisiert sein kann, und
• 4 ein NPSH-Diagramm.
• In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
• Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
• In 1 ist schematisiert der Aufbau eines Verdrängerpumpensystems 1 gezeigt. Dieses umfasst eine in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Ein- oder Mehrspindelpumpe, insbesondere Dreispindelpumpe, ausgebildete Verdrängerpumpe 2. Die Verdrängerpumpe 2 ist wirkverbunden mit einer Motorwelle eines als Elektromotor ausgebildeten Verdrängerpumpenmotors 3, welcher einen Frequenzumrichter 4 umfasst, der in Abhängigkeit einer von einem Regler 6 erzeugten Stellgröße Y_S oder einer korrigierten Stellgröße Y'_S oder einer ggf. mehrfach korrigierten Stellgröße Y'_S die Bestromung der Motorwicklungen des Verdrängerpumpenmotors 3 steuert und/oder regelt.
• Zur Generierung der Stellgröße Y_S oder einer korrigierten Stellgröße Y'_S umfasst das Verdrängerpumpensystem 1, beispielsweise von einem Mikrokontroller gebildete Steuermittel 5, umfassend einen zuvor erwähnten Regler 6 sowie Logikmittel 7.
• Den Steuermitteln 5 sind Führungsgrößenvorgabemittel 8 vorgeordnet, beispielsweise eine Prozessleitwarte, die die Steuermittel 5 mit einer Führungsgröße W versorgen, beispielsweise ein einen Sollvolumenstrom oder einen Solldruck repräsentierendes elektrisches Spannungssignal.
• Die Führungsgröße W sowie ein von außen zugeführter erster Ist-Betriebsparameter X werden dem Regler 6, genauer einem Differenzbildner 9 des Reglers 6 zugeführt, welcher die Differenz X-W berechnet. Der eigentliche, beispielsweise als PI- oder PID-Regler ausgeführte Regler 6 bestimmt also auf Basis der Führungsgröße W und des ersten, hier gemessenen Ist-Betriebsparameters X eine Stellgröße Y_S. Diese wird nicht wie im Stand der Technik unmittelbar dem Frequenzumrichter 4 zugeleitet, sondern durchläuft zunächst Logikmittel 7. Diese umfassen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel erste Vergleichsmittel 10, die die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Y_S mit mindestens einem ersten Grenzwert vergleichen, vorzugsweise einen maximalen einzuhaltenden ersten Grenzwert Y_Grenzmax und/oder einen minimalen einzuhaltenden Grenzwert Y_Grenzmin. Anstelle eines unmittelbaren Vergleiches der Stellgröße Y_S mit dem mindestens einen ersten Grenzwert kann mit Hilfe von nicht dargestellten (fakultativen) Vergleichswertvorgabemitteln auf Basis der Stellgröße Y_S ein mit der Stellgröße Y_S in einem funktionalen Zusammenhang stehender Vergleichswert berechnet werden, in dessen Berechnung gemäß einem funktionalen Zusammenhang auch mindestens ein Ist-Betriebsparameter, beispielsweise der erste Ist-Betriebsparameter X und/oder mindestens ein weiterer, später noch zu erläuternder weiterer Ist-Betriebsparameter einfließen kann. Auch können die Vergleichswertvorgabemittel gemäß einem funktionalen Zusammenhang zur Berechnung des Vergleichswertes mindestens einen Geometrieparameter der Verdrängerpumpe und/oder einen Förderfluidparameter berücksichtigen, der bzw. die dann auch bei der Berücksichtigung des Grenzwertes weitere Berücksichtigung finden müssen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird dieser zusätzliche Vergleichswertberechnungsschritt jedoch eingespart und es wird unmittelbar die Stellgröße Y_S mit mindestens einem ersten Grenzwert Y_Grenzmax und/oder Y_Grenzmin verglichen, wobei der mindestens eine erste Grenzwert einen Verdrängerpumpenschutzgrenzwert darstellt, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defekt der Verdrängerpumpe zur Folge hat oder haben könnte.
• Den Vergleichsmitteln 10 ist eine erste Funktionseinheit 11 zugeordnet, die neben ersten Grenzwertvorgabemitteln 12 erste Korrekturmittel 13 beinhaltet. Die Funktionseinheit 11 berechnet den mindestens einen ersten Grenzwert Y_Grenzmax, Y_Grenzmin der den Vergleichsmitteln 10 neben der vom Regler 6 erzeugten Stellgröße Y_S zugeführt wird. Die Vergleichsmittel überprüfen nun, ob die Stellgröße Y_S einen maximalen ersten Grenzwert Y_Grenzmax unterschreitet und/oder ob die Stellgröße Y_S einen minimalen ersten Grenzwert Y_Grenzmin überschreitet. Falls dies der Fall ist, handelt es sich bei der Stellgröße Y_S um eine zulässige, die Verdrängerpumpe nicht gefährdende Stellgröße, die weiteren nicht dargestellten Vergleichen und Korrekturroutinen zugeführt werden kann oder wie dargestellt unmittelbar als Eingangssignal dem Frequenzumrichter 4 der auf dieser Basis den Verdrängerpumpenmotor 3 ansteuert.
• Zur Berechnung des mindestens einen ersten Grenzwertes wird der ersten Funktionseinheit 11 der erste Ist-Betriebsparameter X zugeführt und/oder ein weiterer gemessener oder berechneter Ist-Betriebsparameter Y_H und/oder X_H, wobei es sich bei dem Ist-Betriebsparameter Y_H in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Hilfsstellgröße des Frequenzumrichters handelt, beispielsweise um einen Drehfrequenzsollwert oder einen Drehmomentsollwert des Frequenz-umrichters. Hierbei handelt es sich nicht um gemessene Werte, sondern anhand mindestens eines Ist-Parameters, beispielsweise auf Basis einer aktuellen Steuermessung vom Frequenzumrichter berechnete, insbesondere simulierte Werte. Bei dem weiteren Ist-Betriebsparameter X_H handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Hilfsregelgröße, beispielsweise einen Motor- und/oder Verdrängerpumpendrehzahl oder ein Drehmoment, die bevorzugt unmittelbar am Motor 3 gemessen werden. In jedem Fall wird also von den ersten Grenzwertvorgabemitteln 12 zur Berechnung des mindestens einen Pumpenschutz-Grenzwertes ein Betriebsparameter, also beispielsweise der erste Ist-Betriebsparameter, hier der Istwert der Regelgröße aus der Prozessregelstrecke 14 berücksichtigt und/oder mindestens ein weiterer Ist-Betriebsparameter Y_H, X_H oder eine, bevorzugt gemessene Hauptstellgröße Y_HH für die Prozessregelgröße, beispielsweise ein Druck oder ein Volumenstrom.
• Für den Fall, dass von den Vergleichsmitteln ein Überschreiten des maximalen ersten Grenzwertes Y_Grenzmax und/oder ein Unterschreiten des minimalen ersten Grenzwertes Y_Grenzmin festgestellt wird, wird dies an die erste Funktionseinheit 11 gemeldet, deren erste Korrekturmittel 13 dann eine korrigierte Stellgröße Y'_S ermitteln unter Berücksichtigung des ersten Ist-Betriebsparameters X und/oder eines der vorgenannten weiteren Ist-Betriebsparameter Y_H, X_H, Y_HH. Diese korrigierte Stellgröße Y'_S kann dann, wie dargestellt den Vergleichsmitteln als Eingangsgröße zum Vergleichen mit einem ersten Grenzwert Y_Grenzmax und/oder Y_Grenzmin zugeleitet werden oder unter Umgehung der Vergleichsmittel (nicht dargestellt) einem weiteren Vergleichs- und Korrekturprozedere oder unmittelbar dem Frequenzumrichter 4 als Eingangssignal.
• Aus einem, bevorzugt nicht flüchtigen Speicher 19 können den ersten Grenzwertvorgabemitteln 12 und/oder den ersten Korrekturmitteln 13 für die den Steuermitteln 5 zugeordnete Verdrängerpumpe spezifische Geometrieparameter GP und/oder für das Förderfluid spezifische Förderfluidparameter FP, wie beispielsweise des Scherverhalten des Förderfluids, zugeleitet werden, die im Rahmen eines funktionellen Zusammenhangs Eingang finden in die Berechnung der ersten Grenzwerte Y_Grenzmax, Y_Grenzmin und/oder der korrigierte Stellgröße Y'_S.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der korrigierten Stellgröße Y'_S um den maximal oder minimal zulässigen ersten Grenzwert Y_Grenzmax, Y_Grenzmin, um der vom Regler erzeugten Stellgröße Y_S möglichst nahezukommen. Insofern beinhalten die ersten Grenzwertvorgabemittel 12 und die ersten Korrekturmittel 13 einen gemeinsamen Rechner (Rechnermittel), da die korrigierte Stellgröße Y'_S in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Grenzwert Y_Grenzmax, Y_Grenzmin entspricht. Die vom Regler erzeugte Stellgröße Y_S wird mit der korrigierten Stellgröße Y'_S überschrieben.
• Insbesondere dann, wenn die korrigierte Stellgröße Y'_S nicht dem ersten Grenzwert entsprechen soll, können die ersten Korrekturmittel 13 und die ersten Grenzwertvorgabemittel 12 vollständig separat, d. h. mit eigenen Rechenmitteln, d. h. in voneinander getrennten Funktionseinheiten realisiert werden. Dies ist selbstverständlich auch für den davor dargelegten Fall möglich, dass die korrigierte Stellgröße Y'_S einen ersten Grenzwert entsprechen soll, wobei in diesem Fall, wie in 1 gezeigt Grenzwertvorgabemittel 12 und Korrekturmittel 13 miteinander verschmelzen, also eine gemeinsame Rechenroutine aufweisen.
• Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel gemäß 1 anhand von beispielhaften, nicht beschränkenden konkreten Ausführungsvarianten beschrieben.
• Erstes Beispiel
• Bei dem ersten Beispiel ist der Ist-Betriebsparameter X eine Regelgröße, im vorliegenden Fall ein Druck. Die Führungsgröße W, ebenfalls ein Druck, beträgt 20 bar. Es wird angenommen, dass als Ist-Betriebsparameter X der Wert 18 bar gemessen wird. Der Differenzbildler 9 des Reglers 6 berechnet in der Folge eine Regelabweichung W – X = –2 bar. In Abhängigkeit dieser Regelabweichung berechnet der Regelregler 6 die Stellgröße Y_S; diese entspricht in dem gezeigten Ausführungsbeispiele einem drehzahlproportionalen Spannungssignal welches aufgrund der Regelabweichung größer ist als bei einem vorhergehenden Berechnungsvorgang.
• Die Grenzwertvorgabemittel 12 berechnen in dem Beispiel einen maximal zulässigen Grenzwert Y_Grenzmax. Dieser entspricht einer maximal zulässigen Drehzahl. Der vorgenannte obere Grenzwert Y_Grenzmax wird von den Grenzvorgabemitten 12 berechnet anhand des folgenden funktionalen Zusammenhangs:

  
• In dem funktionalen Zusammenhang entspricht Y_Grenzmax dem maximal zulässigen Grenzwert. Hierbei handelt es sich um eine maximal zulässige Drehzahl (n_zulässig).
• 

  ist die max. zulässige Umfangsgeschwindigkeit am Durchmesser der Spindeln für Gleitgeschwindigkeit 0 null. In der Funktion ist d_aPumpe der Spindeldurchmesser der Pumpe.
• Der berechnete maximal zulässige Grenzwert Y_Grenzmax (erster Grenzwert) wird den ersten Vergleichsmitteln 10 zugeleitet, welche die vom Regler 6 berechnete Stellgröße Y_S mit diesem maximal zulässigen Grenzwert vergleichen.
• Für den Fall, dass die Stellgröße Y_S kleiner ist als der maximal zulässige Grenzwert wird die Stellgröße Y_S an den Frequenzumrichter als Sollwert übermittelt.
• Für den Fall, dass die Stellgröße Y_S den maximal zulässigen Grenzwert Y_Grenzmax um ein vorgegebenes Maß, beispielsweise um 3% überschreitet, wird von den ersten Korrekturmitteln 13 eine korrigierte Stellgröße Y'_S ausgegeben, die dann an Stelle der Stellgröße Y_S als Sollgröße an den Frequenzumrichter 4 übermittelt wird.
• Zweites Beispiel
• Der Ist-Betriebsparameter X entspricht wieder der Ist-Regelgröße, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Druck, gemessen in bar. Es wird angenommen, dass die Führungsgröße X ein Druck ist und zunächst 20 bar beträgt. Ebenso wird der Ist-Betriebsparameter X als 20 bar gemessen.
• Nun erfolgt eine Führungsgrößenänderung. Die Führungsgröße X ändert sich beispielsweise durch eine entsprechende Vorgabe von 20 bar auf 10 bar. Hieraus resultiert eine Regelabweichung W – X = 10 bar.
• Der Regler 6 ermittelt eine neue Stellgröße Y_S, in diesem Fall wieder einen drehzahlproportionalen Spannungswert, der deutlich kleiner ist, als bei einem vorhergehenden Durchlauf bzw. bei einer vorhergehenden Berechnung. Die ersten Grenzwertvorgabemittel 12 berechnen einen minimal zulässigen Grenzwert Y_Grenzmin. Dieser repräsentiert in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine minimal zulässige Drehzahl. Das Einhalten einer minimal zulässigen Drehzahl ist wünschenswert, um die Gefahr eines Schmiermittelabrisses bei einem Unterschreiten dieser minimal zulässigen Drehzahl zu vermeiden.
• Die minimal zulässige Drehzahl, d. h. der minimal zulässige Grenzwert Y_Grenzmin wird berechnet anhand des folgenden funktionalen Zusammenhangs:

  
• In dem funktionalen Zusammenhang entspricht Y_Grenzmax dem mimimal zulässigen Grenzwert. Hierbei handelt es sich um eine minimal zulässige Drehzahl (n_zulässig).
• Der Ist-Betriebsparameter X ist in dem Fall die gemessene Regelgröße, hier der neue Ist-Druck von 10 bar. Bei dem Faktor ν^α handelt es sich um ein Maß für die Betriebsviskosität des Förderfluids bzw. für die Einflusssituation der Viskosität auf den maximal zulässigen Druck. Dieser Wert beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 10^0,32 für das bestimmte Medium. Bei der Konstante k handelt es sich um den Korrekturwert für die Schmierfähigkeit des Mediums, dieser beträgt beispielhaft 0,75 für das bestimmte Medium.
• Bei der Konstante b handelt es sich um einen Korrekturwert für die Tribobelastungsfähigkeit des Pumpenlaufgehäuses. Dieser beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 1. Bei dem pumpenspezifischen Kennwert c handelt es sich um einen Kennwert für den radial belasteten Rotordurchmesser. Dieser beträgt beispielsweise in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 10.
• Der minimal zulässige Grenzwert Y_Grenzmin wird den ersten Vergleichsmitteln 10 zugeführt, welche die vom Regler 6 ermittelte Stellgröße Y_S mit diesem vergleichen. In Abhängigkeit des Vergleichs wird entweder die vom Regler ermittelte Stellgröße Y_S an den Frequenzumrichter übermittelt oder es wird von den ersten Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße Y'_S ermittelt, welche bevorzugt den zuvor berechneten (oder einem neu berechneten) minimal zulässigen Grenzwert Y_Grenzmin entspricht.
• Drittes Beispiel
• Der Ist-Betriebsparameter X entspricht der Ist-Regelgröße, hier einem Druck. Gemessen wird ein Ist-Druck von 20 bar. Aufgrund einer entsprechenden Vorgabe ändert sich der Sollwert der Regelgröße, d. h. die Führungsgröße W von 20 auf 30 bar. Gleichzeitig findet eine Änderung der Störgröße statt. Es wird angenommen, dass sich der Strömungswiderstand erhöht, in Folge einer kleineren Durchströmfläche, d. h. eines kleineren Durchströmdurchmessers, beispielsweise in Folge eines Werkzeugwechsels.
• Dies führt in der Praxis dazu, dass die Ist-Betriebsgröße X, d. h. der Ist-Druck die Führungsgröße W deutlich überschreiten wird, bzw. würde, da zunächst noch mit unveränderter Drehzahl gefördert wird und sich aber zwischenzeitlich der Strömungswiderstand aufgrund des Werkzeugwechsels deutlich erhöht hat.
• Die daraus entstehende Regelabweichung am Differenzbildnerausgang führt dann zu einer signifikanten Zurücknahme, d. h. Reduzierung der Stellgröße Y_S. Für den Fall, dass diese unkorrigiert an den Frequenzumrichter 4 als Sollvorgabe übermittelt würde, würde dies zu einer Gefährdung der Pumpe hinsichtlich des zulässigen Drucks bei verringerter niedriger Drehzahl resultieren. Um dies zu verhindern, wird die vorgenannte Stellgröße Y_S mit dem zu berechenden minimalen Grenzwert Y_Grenzmin (erster Grenzwert) verglichen, welcher die minimal zulässige Drehzahl repräsentiert. Die Berechnung erfolgt anhand des im zweiten Ausführungsbeispiel angegebenen funktionalen Zusammenhangs. Da die Stellgröße Y_S den minimal zulässigen Grenzwert Y_Grenzmin, d. h. die minimal zulässige Drehzahl unterschreitet, wird von den ersten Korrekturmitteln 13 eine korrigierte Stellgröße Y'_S ausgegeben, die an Stelle der Stellgröße Y_S an den Frequenzumrichter übermittelt wird.
• Bevorzugt entspricht die korrigierte Stellgröße Y'_S dem berechneten minimal zulässigen Grenzwert Y_Grenzmin.
• Viertes Beispiel
• Der X-Betriebsparameter ist wieder eine Ist-Regelgröße, hier ein Volumenstrom, gemessen in Litern pro Minute (l/min).
• Die Führungsgröße W, also der Sollwert der Regelgröße ist ebenfalls ein Volumenstrom, der anfänglich 30 l/min beträgt.
• Nun ändert sich die Führungsgröße von 30 l/min auf 20 l/min. Gleichzeitig findet eine Änderung der Störgröße in Folge eines Werkzeugwechsels statt. Der Strömungswiderstand verkleinert sich in Folge einer größeren Durchströmfläche, d. h. es resultiert ein größerer Durchströmdurchmesser.
• Aufgrund der resultierenden Regelabweichung wird von dem Regler eine signifikant reduzierte Stellgröße Y_S erzeugt, die zu einer erheblichen Pumpendrehzahlreduzierung führen würde, was wiederum zu einer Pumpengefährdung führt. In Ausgestaltung der Erfindung wird die von dem Regler 6 erzeugte Stellgröße Y_S jedoch nicht unmittelbar an den Frequenzumrichter 4 übermittelt, sondern zuvor mit einem minimal zulässigen Grenzwert für die Drehzahl verglichen und bei Unterschreiten dieses Grenzwertes wird von dem Korrekturmittel 13 eine korrigierte Stellgröße Y'_S erzeugt, die bevorzugt dem minimal zulässigen Grenzwert Y_Grenzmin entspricht.
• Fünftes Beispiel
• Die Führungsgröße W ist ein Volumenstrom gemessen in l/min. Der Ist-Betriebsparameter X ist ein gemessener Volumenstrom. Es wird angenommen, dass sich während des Betriebs die Volumenstromanforderung vergrößert. In dem gezeigten Beispiel soll sich die Führungsgröße verdoppeln und zwar von 1500 l/min auf 3000 l/min. Aus der hieraus resultierenden Regelabweichung W – X bestimmt der Regler 6 eine Stellgröße Y_S, hier eine Drehzahl. Diese Stellgröße Y_S, d. h. die vom Regler 6 vorgegebene Drehzahl wird von den Vergleichsmitteln 10 verglichen mit einer maximal zulässigen Drehzahl, d. h. einem ersten Grenzwert Y_Grenzmax. Diese maximal zulässige Drehzahl wird bestimmt auf Basis des NPSH_verfügbar, d. h. auf Basis des vorhandenen NPSH bzw. der Haltedruckhöhe der Anlage. Diese beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 8 mWs (Meter Wassersäule). Auf Basis des NPSH_verfügbar und einem weiteren, gemessenen Ist-Betriebsparameter, hier der Viskosität des Mediums, wird Y_Grenzmax, d. h. die maximal zulässige Drehzahl bestimmt. Dies erfolgt beispielhaft anhand des in 4 wiedergegebenen Diagramms oder alternativ über in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegte Polynome, die auf der folgenden Berechnungsgrundlage basieren: NPSH = f(Pumpen – Baugröße (d_a), Spindelsteigungswinkel, Viskosität v, Drehzahl n) wobei von der Pumpen-Baugröße über den Spindeldurchmesser d_a und dem Spindelsteigungswinkel auf die für eine bestimmte Baugröße und bestimmten Steigungswinkel gültige Axialgeschwinigkeit des Mediums innerhalb der Pumpe geschlossen werden kann, so dass vereinfacht folgender Zusammenhang besteht:

  
• Folglich ist

  

  so dass über den Zusammenhang

  

  schließlich der Zusammenhang

  

  hergestellt werden kann.
• Es kann also für eine Pumpe mit einer bestimmten Pumpenbaugröße, mit einem bestimmten Spindelsteigungswinkel und einem bestimmten NPSH-Wert eine zulässige Pumpendrehzahl

  

  berechnet werden.
• Bei dem Diagramm gemäß 4 ist auf der linken Hochachse der NPSH in Metern Wassersäule (mWs) angegeben. Auf der rechten Hochachse ist die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute angegeben. Auf der Horizontalachse ist die Axialgeschwindigkeit des Fluids in m/s angegeben. Das Diagramm bezieht sich auf eine beispielhafte Pumpe mit einer Baugröße 20 und einem Steigungswinkel der Spindel von 56°. Die linear ansteigende Linie charakterisiert die Axialgeschwindigkeit v_ax des Mediums (Förderfluids) in Abhängigkeit der Drehzahl.
• Zur Bestimmung des ersten Grenzwertes Y_Grenzmax, d. h. der maximal zulässigen Drehzahl muss in dem Diagramm ausgehend von einem NPSH von 8 mWs nach rechts verfahren werden, bis zu der für die gemessene Viskosität von 500 mm²/s charakteristische Kurve. Am Schnittpunkt mit dieser Kurve muss im Schaubild nach oben verfahren werden bis zu der linearen Linie. Im Schnittpunkt mit dieser Linie kann dann auf der rechten Hochachse die maximal zulässige Drehzahl d. h. der erste Grenzwert Y_Grenzmax abgelesen werden. Dieser beträgt für die gemessene Viskosität, d. h. den weiteren Ist-Betriebsparameter, etwa 3800 Umdrehungen/min.
• Wie eingangs erwähnt, verdoppelt sich die Führungsgröße, d. h. der geforderte Volumenstrom, was aufgrund des linearen Zusammenhangs einer Stellgrößenänderung von den angenommenen 1500 l/min auf 3000 l/min beträgt. Da diese Stellgröße Y_S von 3000 l/min kleiner ist als der erste Grenzwert Y_Grenzmax von etwa 3800 l/min kann die Stellgröße Y_S an den Frequenzumrichter 4 als Eingangsgröße übermittelt werden.
• Würde sich die Führungsgröße nicht nur verdoppeln, sondern beispielsweise verdreifachen, würde hieraus eine Stellgröße von 4500 l/Minute resultieren, welche größer wäre als der erste Grenzwert Y_Grenzmax, so dass die Korrekturmittel 13 die vom Regler 6 vorgegebene Stellgröße Y_S durch eine korrigierte Stellgröße Y'_S überschreiben würden, welche beispielsweise dem ersten Grenzwert, d. h. in dem vorliegenden Beispiel 3800 l/min entspricht.
• Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
• Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 lediglich darin, dass die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Y_S nicht mit mindestens einem ersten, den Verdrängerpumpenschutz sicherstellenden bzw. repräsentierenden Grenzwert verglichen wird, sondern mit mindestens einem zweiten, die Förderfluidqualität sicherstellenden Grenzwert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen zweiten Grenzwert.
• Der mindestens eine zweite Grenzwert Y_Grenzmax, Y_Grenzmin stellt die Einhaltung der Förderfluidqualität sicher. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird von zweiten Grenzwertvorgabemitteln 15 ausschließlich ein einziger, maximaler zweiter Grenzwert Y_Grenzmax bereitgestellt, wobei alternativ auf mehrere zweite Grenzwerte, z. B. zusätzlich ein minimaler Grenzwert Y_Grenzmin, die die Förderfluidqualität sicherstellen berechnet werden können.
• Jedenfalls vergleichen zweite Vergleichsmittel 16, ob die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Y_S oder eine bereits in einem vorhergehenden, hier nicht umfassten weiteren Korrekturprozedere korrigierte Stellgröße den zweiten Grenzwert Y_Grenzmin um ein bestimmtes Maß überschreitet. Ist die Stellgröße Y_S kleiner als der oder gleich dem maximalen Grenzwert wird die vom Regler 6 erzeugte bzw. die den Vergleichsmitteln 16 zugeführte Stellgröße Y_S dem Frequenzumrichter 4 als Eingangsgröße bereitgestellt (berechnet).
• Ansonsten wird mit Hilfe von neben den zweiten Grenzwertvorgabemitteln 15 in einer zweiten Funktionseinheit 17 umfassten zweiten Korrekturmitteln 18 eine korrigierte Stellgröße Y'_S bereitgestellt, mit der die Stellgröße Y_S überschrieben wird. Zur Berechnung des mindestens einen zweiten Grenzwertes Y_Grenzmin berücksichtigen die zweiten Grenzwertvorgabemittel 15 anhand eines funktionalen Zusammenhangs den ersten Ist-Betriebsparameter X und/oder einen weiteren (anderen) Ist-Betriebsparameter, beispielsweise eine Hilfsstellgröße Y_H, eine Hilfsregelgröße X_H und/oder eine Hautstellgröße Y_HH. Auch ist es realisierbar, dass bei der Berechnung zusätzlich Geometrieparameter GP der Verdrängerpumpe und/oder Förderfluidparameter FP, sowie die Vibration Berücksichtigung finden.
• Sechstes Beispiel
• Das sechste Beispiel betrifft den Schutz des Mediums, d. h der zweite Grenzwert wird so bestimmt, dass aus der Stellgröße keine negative Beeinträchtigung eines Qualitätsparameters des mit der Verdrängerpumpe geförderten Förderfluids (Fördermediums) resultiert.
• In dem konkreten Beispiel soll sichergestellt werden, dass das Fördermedium nicht unzulässig geschert wird. In die Berechnung des zweiten Grenzwertes geht daher die maximal zulässige Scherrate des Mediums ein. Es soll wieder eine Drehzahlregelung realisiert werden, so dass der zweite Grenzwert einer maximal zulässigen Drehzahl entspricht. Neben der mediumspezifischen Grenze der maximal zulässigen Scherrate gehen in die Bestimmung des zweiten Grenzwertes Funktionsgegebenheiten der Pumpe ein, d. h. es finden Geschwindigkeitsverhältnisse Berücksichtigung, nämlich der Winkelgeschwindigkeitsunterschied der rotierenden Verdränger-Rotoren (Spindeln) gegenüber dem stillstehenden Pumpengehäuse. Die Geschwindigkeitsverhältnisse in den Spalten sind direkt proportional abhängig von der Pumpendrehzahl und es besteht ein umgekehrt direkt proportionaler Zusammenhang zu der Größe des Funktionsspaltes, d. h. zu dem jeweils aktuellen linearen Schergefälle. Dieser Funktionsspalt ist zum Einen abhängig von pumpenspezifischen Verhältnissen, nämlich von dem vorliegenden Ist-Radialspalt, d. h. von dem festegelegten Pumpenrotor-Radialspiel und zudem von aktuellen Betriebsverhältnissen, nämlich der jeweils aktuellen Druckbelastung sowie der jeweils aktuellen Viskosität. Letztgenannte beiden weiteren – Ist-Betriebsparameter werden gemessen und finden bei der Berechnung des zweiten Grenzwertes Y_Grenzmax, d. h. bei der Berechnung der maximal zulässigen Drehzahl Berücksichtigung.
• So wird beispielsweise ein Förderfluid mit einer dynamischen Viskosität η von 5 Pas gefördert. Dies entspricht einer kinematischen Viskosität ν von 5000 mm²/s, wobei sich bei einer angenommenen Dichte ρ von 1000 kg/m³ unter Einhaltung einer maximal zulässigen Schubspannung τ von 100000 N/m² ein maximal zulässiges Schergefälle D_zul von 20000 1/sec für das Förderfluid in einer bestimmten Pumpe ergibt. Diese ist charakterisiert durch einen Rotordurchmesser von D_a = 70 mm und durch einen differenzdruckabhängigen Radialspalt S = h₀, der bei Δp = 5 bar einen Wert von 0,021 mm ergibt. Hieraus ergibt sich eine maximal zulässige Drehzahl, d. h. ein zweiter Grenzwert Y_Grenzmax von 191 1/min. Solange die von dem Regler 6 vorgegebene Stellgröße Y_S unterhalb des vorgenannten Wertes liegt, kann die Stellgröße Y_S unmittelbar an den Frequenzumrichter 4 weitergegeben werden – ansonsten wird die Stellgröße Y_S durch eine von zweiten Korrekturmitteln 18 korrigierte bzw. begrenzte Stellgröße Y''_S überschrieben.
• Das oben beschriebene Beispiel basiert dabei auf den folgenden Berechnungsgrundlagen:
  Aus
  z. B. τ_zul = D·η und η = ν·ρ für newtonsche Flüssigkeiten
  folgt

  
• Des Weiteren gilt

  
• Mit Einsetzen in

  

  kann unter Zusammenfassung aller vorkommenden Konstanten zu k die maximal zulässige Drehzahl berechnet werden:

  
• Die maximal zulässige Drehzahl entspricht daher dem Grenzwert Y_Grenzmax.
• Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3
• Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 vereint die Ausführungsbeispiele gemäß den 1 und 2, d. h. die Steuermittel 5 sind derart ausgebildet, dass die von dem Regler 6 ausgegebene Stellgröße Y_S sowohl mit mindestens einem ersten Grenzwert (Pumpenschutzgrenzwert) als auch mit mindestens einem zweiten Grenzwert (Mediumschutzgrenzwert) verglichen werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Y_S zunächst mit einem ersten und daraufhin mit einem zweiten Grenzwert verglichen, wobei auch die umgekehrte Anordnung selbstverständlich realisierbar ist, d. h., dass zunächst mit einem zweiten und dann mit einem ersten Grenzwert verglichen wird.
• Es ist für das Ausführungsbeispiel gemäß 3 charakteristisch, dass der Ausgangswert des ersten Vergleiches die Eingangsgröße für den zweiten Vergleich bildet, wobei es sich bei der Ausgangsgröße des ersten Vergleiches um die nicht korrigierte Stellgröße Y_S handeln kann, wenn nämlich bei dem ersten Vergleich keine Grenzwert Über- oder Unterschreitung vorliegt und Y_S somit nicht korrigiert wird oder alternativ um eine von den ersten Vergleichsmitteln 10 korrigierte Stellgröße Y'_S.
• Y_S oder Y'_S sind dann die Eingangsgrößen für die zweiten Vergleichsmittel 16. Erfolgt hier keine Korrektur wird der Eingangswert für den zweiten Vergleich Y_S oder Y'_S an den Frequenzumrichter 4 geleitet oder im Falle einer Korrektur die korrigierte Stellgröße Y''_S.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind erste und zweite Entscheidungsmittel 20, 21 vorgesehen, in denen bestimmt wird, ob ein Pumpenschutzvergleich bzw. ein Mediumschutzvergleich durchgeführt werden soll. Die jeweilige Entscheidung kann beispielsweise softwaremäßig vorgegeben werden, so dass der Benutzer alternativ nur ein Pumpenschutzvergleich oder einen Mediumschutzvergleich realisieren kann, oder beide Vergleichsoperationen.
• Bezugszeichenliste

1

Verdrängerpumpensystem

2

Verdrängerpumpe

3

Verdrängerpumpenmotor

4

Frequenzumrichter

5

Steuermittel

6

Regler

7

Logikmittel

8

Führungsgrößenvorgabemittel

9

Differenzbilder des Reglers

10

erste Vergleichsmittel

11

erste Funktionseinheit

12

erste Grenzwertvorgabemittel

13

erste Korrekturmittel

14

Prozessregelstrecke

15

zweite Grenzwertvorgabemittel

16

zweite Vergleichsmittel

17

zweite Funktionseinheit

18

zweite Korrekturmittel

19

Speicher

20

erste Entscheidungsmittel

21

zweite Entscheidungsmittel

Y_S

Stellgröße

Y_S'

korrigierte Stellgröße

Y_S''

korrigierte Stellgröße

X

erster Ist-Betriebsparameter (bevorzugt Ist-Regelgröße)

Y_HH

weiterer Ist-Betriebsparameter (Hauptstellgröße)

Y_H

weiterer Ist-Betriebsparameter (Hilfsstellgröße)

X_H

weiterer Ist-Betriebsparameter (Hilfsregelgröße)

W

Führungsgröße

GP

Geometrieparameter der Verdrängerpumpe

FP

Förderfluidparameter

Claims (20)

1. Steuermittel zum Ansteuern eines Frequenzumrichters (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) einer Verdrängerpumpe (2), umfassend einen Regler (6), der zum Erzeugen einer Stellgröße (Y_S) für einen Frequenzumrichter (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) in Abhängigkeit einer Führungsgröße (W) und eines ersten Ist-Betriebsparameters (X) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regler (6) Logikmittel (7) zugeordnet sind, die erste Grenzwertvorgabemittel (12) aufweisen, die ausgebildet sind, um mindestens einen ersten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparametrs (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (X_H, Y_H, Y_HH) zu ermitteln, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defektzustand der Verdrängerpumpe (2) zur Folge haben könnte, und die erste Vergleichsmittel (10) aufweisen, die ausgebildet sind, die Stellgröße (Y_S) oder eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) oder einen gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Y_S) oder der korrigierten Stellgröße (Y'_S, Y''_S) ermittelten Vergleichswert mit dem mindestens einen Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) zu vergleichen, und die erste Korrekturmittel (13) aufweisen, die ausgebildet sind, um für den Fall, dass die ersten Vergleichsmittel (10) ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen ersten Grenzwertes (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) um ein bestimmtes Maß feststellen eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) auszugeben, die vorzugsweise einem von den Grenzwertvorgabemitteln (12) ermittelten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) entspricht, und/oder die zweite Grenzwertvorgabemittel (15) aufweisen, die ausgebildet sind, um mindestens einen zweiten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparamteres (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (X_H, Y_H, Y_HH) zu ermitteln, dessen Über- bzw. Unterschreiten eine negative Beeinträchtigung eines Qualitätsparameters des mit der Verdrängerpumpe (2) geförderten Förderfluids zur Folge haben könnte, und die zweite Vergleichsmittel (16) aufweisen, die ausgebildet sind, die Stellgröße (Y_S) oder eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) oder einen gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Y_S) oder der korrigierten Stellgröße (Y'_S, Y''_S) ermittelten Vergleichswert mit dem mindestens einen zweiten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) zu vergleichen, und die zweite Korrekturmittel (18) aufweist, die ausgebildet sind, um für den Fall, dass die zweiten Vergleichsmittel (16) ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen zweiten Grenzwertes (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) um ein bestimmtes Maß feststellen, eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) auszugeben, die vorzugsweise einem von den zweiten Grenzwertvorgabemitteln (15) ermittelten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) entspricht.
2. Steuermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ist-Betriebsparameter eine gemessene Ist-Regelgröße (X), insbesondere ein Ist-Druck, eine Ist-Druckdifferenz oder ein Ist-Volumenstrom des Förderfluids ist, oder dass der erste Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder auf Basis Ist-Wertes berechnete Hilfsstellgröße, insbesondere ein Drehfrequenzsollwert des Frequenzumrichters (4) oder ein Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters (4) ist, oder dass der erste Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder auf Basis eines Ist-Wertes berechnete Hilfsregelgröße (X_H), insbesondere eine Drehzahl des Verdrängerpumpenmotors (3) oder ein Drehmoment des Verdrängerpumpenmotors (3) ist.
3. Steuermittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene Ist-Regelgröße (X), insbesondere ein Ist-Druck, eine Ist-Druckdifferenz oder ein Ist-Volumenstrom des Förderfluids ist, und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder auf Basis Ist-Wertes berechnete Hilfsstellgröße (Y_H), insbesondere ein Drehfrequenzsollwert des Frequenzumrichters (4) oder ein Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters (4) ist, und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder auf Basis eines Ist-Wertes berechnete Hilfsregelgröße (X_H), insbesondere eine Drehzahl des Verdrängerpumpenmotors (3) oder ein Drehmoment des Verdrängerpumpenmotors (3) ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene Temperatur, insbesondere eine Förderfluidtemperatur oder einer Lagertemperatur der Verdrängerpumpe (2) ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter ein gemessener Vibrationswert ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder berechnete Förderfluidviskosität ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene Leckagerate ist.
4. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikmittel (7) mindestens ein Vergleichswertbestimmungsmittel umfassen, das ausgebildet ist, um auf Basis eines funktionalen Zusammenhangs aus der Stellgröße (Y_S) oder aus der korrigierten Stellgröße (Y'_S, Y''_S), und/oder aus dem ersten und/oder dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter (X_H, Y_H, Y_HH) und/oder aus mindestens einem in einem Speicher (19) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Geometrieparameter (GP), vorzugsweise einer Spaltbreite, oder eines Spindeldurchmessers, und/oder aus einem in einem Speicher (19) abgelegten Förderfluidparameter (FP), insbesondere des Scherverhaltens des Förderfluids, den Vergleichswert zu bestimmen.
5. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Grenzwertvorgabemittel den ersten bzw. zweiten Grenzwertes als Funktion mindestens eines in einem Speicher (19) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Geometrieparameter (GP), vorzugsweise eine Spaltbreite, oder einen Spindeldurchmesser, und/oder als Funktion eines in einem Speicher (19) abgelegten Förderfluidparameters (FP), insbesondere des Scherverhaltens des Förderfluids, bestimmend ausgebildet sind, und/oder dass die ersten und/oder die zweiten Korrekturmittel die korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) als Funktion mindestens eines in einem Speicher (19) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Geometrieparameter (GP), vorzugsweise eine Spaltbreite, oder einen Spindeldurchmesser, und/oder als Funktion eines in einem Speicher (19) abgelegten Förderfluidparameters (FP), insbesondere des Scherverhaltens des Förderfluids, bestimmend ausgebildet sind.
6. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Grenzwertvorgabemittel den ersten bzw. zweiten Grenzwert als Funktion eines minimalen oder maximalen, in einem Speicher (19) abgelegten für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Schergefälles in der Verdrängerpumpe (2) und/oder als Funktion des Ist-Schergefälles bestimmend ausgebildet sind, und/oder dass die ersten und/oder die zweiten Korrekturmittel die korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) als Funktion mindestens eines in einem Speicher (19) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Schergefälles in der Verdrängerpumpe (2) und/oder als Funktion des Ist-Schergefälles bestimmend ausgebildet sind.
7. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (5) mindestens einen Eingang für den ersten Ist-Betriebsparameter (X), vorzugsweise mehrere Eingänge für zusätzlich mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter (X_H, Y_H, Y_HH) aufweisen.
8. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Vergleichsmittel ausgebildet sind, um den ersten Ist-Betriebsparameter (X) und/oder den mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter (X_H, Y_H, Y_HH) und/oder einen gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus dem ersten Ist-Betriebsparameter (X) und/oder aus dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter (X_H, Y_H, Y_HH) berechneten Wert, oder eine Stellgröße (Y_S) des Reglers (6) oder eine korrigierte Stellegröße oder einen auf Basis der Stellgröße (Y_S) oder der korrigierten Stellgröße (Y'_S, Y''_S) berechneten Vergleichswert mit mindestens einem in einem Speicher (19) der Logikmittel (7) abgelegten Grenzwert zu vergleichen und dass die ersten bzw. zweiten Korrekturmittel, ausgebildet sind, um für den Fall, dass die ersten Vergleichsmittel ein Über bzw. Unterschreiten des mindestens einen festgelegten Grenzwertes feststellen eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) auszugeben.
9. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nicht flüchtigen Speicher (19), insbesondere einem EEPROM, der Steuermittel (5) unterschiedliche Systemparameterdatensätze für verschiedene Verdrängerpumpen (2), und/oder unterschiedliche Förderfluidparameter (FP), bevorzugt manuell, insbesondere über ein Auswahlmenü, auswählbar, abgelegt sind.
10. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikmittel (7) zum Ermitteln und/oder Signalisieren einer Wartungsfälligkeit der Verdrängerpumpe (2) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparameters (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparametes (X_H, Y_H, Y_HH) und/oder eines für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Parameters ausgebildet sind.
11. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (5) zum Kommunizieren über ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bussystem, ausgebildet sind und eine entsprechende Schnittstelle umfassen.
12. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (5) Speichermittel aufweisen, die ausgebildet und angesteuert sind, um die ersten Ist-Betriebsparameter (X) und/oder die mindestens einen weiteren Betriebsparameter (X_H, Y_H, Y_HH) und/oder die Führungsgrößen (W) und/oder die Vergleichswerte und/oder die Grenzwerte, vorzugsweise jeweils mit einem Zeitstempel, speichern.
13. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Eingabemittel, insbesondere in Form mindestens einer Taste, zur Konfiguration der Steuermittel (5) vorgesehen sind.
14. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signalisierungsmittel, insbesondere ein Display und/oder oder mindestens eine LED, insbesondere eine LED-Ampel vorgesehen sind.
15. Verdrängerpumpensystem, umfassend eine Verdrängerpumpe (2), einen Verdrängerpumpenmotor (3) zum Antreiben der Verdrängerpumpe (2), einen dem Verdrängerpumpenmotor (3) zugeordneten Frequenzumrichter (4) sowie dem Frequenzumrichter (4) vorgeschaltete Steuermittel (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei den Steuermitteln (5) Führungsgrößenvorgabemittel (8) zugeordnet sind.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgrößenvorgabemittel (8) als Prozessleitwarte ausgebildet sind, die zum Überwachen und/oder Ansteuern und/oder Regeln einer Vielzahl von Systemaggregaten, insbesondere Verdrängerpumpen (2), ausgebildet ist.
17. System nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verdrängerpumpen (2) mit diesen zugeordneten Steuermitteln (5) vorgesehen sind.
18. System nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (5) mit der Prozessleitwarte und/oder mehrere Steuermittel (5) untereinander über ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bussystem kommunizierend ausgebildet sind.
19. System nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (5) signalleitend mit mindestens einem Sensor zum Empfangen des ersten Ist-Betriebsparameters (X) und/oder des zumindest einen weiteren gemessenen Ist-Betriebsparameters (X_H, Y_H, Y_HH) verbunden ist und/oder dass die Steuermittel (5) signalleitend mit dem Frequenzumrichter (4) zum Empfangen des ersten Ist-Betriebsparameters (X) und/oder des zumindest einen weiteren gemessenen Ist-Betriebsparameters (X_H, Y_H, Y_HH), insbesondere einer Verdrängerpumpenmotordrehzahl und/oder eines Drehfrequenzsollwertes des Frequenzumrichters (4) und/oder eines Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters (4), verbunden ist.
20. Verfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) einer Verdrängerpumpe (2), insbesondere zum Betreiben von Steuermitteln (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei mit einem Regler (6), eine Stellgröße (Y_S) für den Frequenzumrichter (4) des Verdrängerpumpenmotors (3) in Abhängigkeit einer Führungsgröße (W) und eines ersten Ist-Betriebsparameters (X) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von von dem Regler (6) zugeordneten Logikmitteln (7) ein erster Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparamteres (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (X_H, Y_H, Y_HH) ermitteln wird, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defektzustand der Verdrängerpumpe (2) zur Folge haben könnte und dass eine Stellgröße (Y_S) oder eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) oder ein gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Y_S) oder der korrigierten Stellgröße (Y'_S, Y''_S) ermittelter Vergleichswert mit dem mindestens einen Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) verglichen wird, und dass, für den Fall, dass ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen ersten Grenzwertes (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) um ein bestimmtes Maß festgestellt wird, eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) ausgeben wird, die vorzugsweise einem von den Grenzwertvorgabemitteln ermittelten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) entspricht, und/oder ein zweiten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparamteres (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (X_H, Y_H, Y_HH) ermittelt wird, dessen Über- bzw. Unterschreiten eine negative Beeinträchtigung eines Qualitätsparameters des mit der Verdrängerpumpe (2) geförderten Förderfluids zur Folge haben könnte, und dass eine Stellgröße (Y_S) oder eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) oder ein gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Y_S) oder der korrigierten Stellgröße (Y'_S, Y''_S) ermittelter Vergleichswert mit dem mindestens einen zweiten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) verglichen wird, und dass für den Fall, dass ein Über bzw. Unterschreiten des mindestens einen zweiten Grenzwertes (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) um ein bestimmtes Maß festgestellt wird, eine korrigierte Stellgröße (Y'_S, Y''_S) ausgeben wird, die vorzugsweise einem von den zweiten Grenzwertvorgabemitteln ermittelten Grenzwert (Y_Grenzmax, Y_Grenzmin) entspricht.

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