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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Anomalie wenigstens einer in einem Schacht oder Becken nasslaufend aufgestellten Abwasserpumpe, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, die den Antriebsmotor der wenigstens einen Pumpe einschaltet, wenn der Füllstand im Schacht oder Behälter einen Schwellwert überschritten hat.
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Abwasserpumpen, auch als Schmutzwasserpumpe bezeichnet, ermöglichen die Förderung von grob verschmutztem Wasser, das Feststoffpartikel unterschiedlicher organischer, anorganischer oder mineralischer Herkunft mitführt. Die Aufstellung solcher Abwasserpumpen kann trocken als auch nasslaufend erfolgen.
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Läuft das Abwasser in einen Schacht oder ein Becken, wird wenigstens eine Abwasserpumpe darin nasslaufend installiert. Unter Berücksichtigung des Abwasserfüllstandes innerhalb des Beckens bzw. Schachtes erfolgt das Schalten der Pumpe, entweder mechanisch oder über eine geeignete Elektronik. Überschreitet der Füllstand einen definierten Schwellwert, wird die Pumpe eingeschaltet. Nach dem Hochfahren der Pumpe baut sich der Füllstand im Behälter in Abhängigkeit der verrichteten Pumpenarbeit ab, bis eine Füllstanduntergrenze erreicht wird und die Pumpe abgeschaltet wird. Es können auch mehrere Pumpen parallel installiert sein, die in Abhängigkeit des Füllstandes parallel und/oder sequentiell geschaltet werden.
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Abwasserpumpen sind zwar speziell für die Förderung von Feststoffe enthaltener Fluide konstruiert, das Anhaften von Feststoffpartikeln an oder innerhalb der Pumpe und besonders am Laufrad kann jedoch nicht verhindert werden. Mit zunehmender Verunreinigung der Pumpe verringert sich der Wirkungsgrad der Pumpe, da die Pumpe nur eine verringerte hydraulische Leistung erbringen kann und/oder aber die Leistungsaufnahme ansteigt. Im schlimmsten Fall kann es zu einer vollständigen Laufradblockade bis zum Durchbrennen des Antriebsmotors kommen. Es gilt daher, eine solches Szenario möglichst frühzeitig erkennen zu können.
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Bereits geringfügige Verunreinigungen des Laufrades können zu einer erhöhten Leistungsaufnahme führen, was im Hinblick auf die Betriebskosten unerwünscht ist. Eine solche Beeinträchtigung der Pumpe durch einsetzende Verunreinigung soll daher möglichst laufend überwacht und frühzeitig erkannt werden, um gegebenenfalls Gegenmaßnahmen einleiten zu können, wie beispielsweise die Ausführung einer Reinigungsprozedur oder die rechtzeitige Signalisierung an einen Pumpen-Service.
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Aus dem Stand der Technik ist ein Überwachungsverfahren bekannt, das die aktuelle Stromaufnahme des Motors erfasst und gegen einen Grenzwert vergleicht. Überschreitet die Stromaufnahme des Antriebsaggregates den Grenzwert, so wird von einem angestrengten Zustand der Pumpe gesprochen, der möglicherweise auf eine Laufradverstopfung zurückzuführen ist. Da Stromschwankungen jedoch auch andere Ursachen haben können, ist ein solches Verfahren vergleichsweise ungenau.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Auffinden einer verbesserten Lösung für ein Verfahren zur Detektion einer etwaigen Pumpenanomalie, insbesondere einer Verunreinigung der Pumpe durch anhaftende Feststoffe.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, für das gattungsgemäße Steuerungsverfahren wenigstens einer Abwasserpumpe, das ein Einschalten der Pumpe bei Erreichen eines entsprechenden Füllstandes im Becken oder Schacht vorsieht, dahingehend zu modifizieren, dass der Zeitverlauf des Füllstandes im Schacht bzw. im Becken nach dem Einschalten der Pumpe, das heißt zu Beginn des Einschaltzyklus, erfasst und auf etwaige Anomalien überprüft wird. Insbesondere wird der Verlauf des Füllstandes gegen einen hinterlegten Referenzverlauf abgeglichen, um dadurch Veränderungen im Pumpenbetrieb zu erkennen, die ein Indiz für eine Anomalie sein können.
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Das Verfahren wird durch eine Steuerung ausgeführt, die bevorzugt integraler Bestandteil der Pumpe ist. Insbesondere wird das Verfahren von der internen Pumpensteuerung der Pumpe ausgeführt. Es spricht jedoch nichts dagegen, das Verfahren durch eine zur Pumpe extern angeordnete Steuerung auszuführen. Die externe Steuerung kann neben der Verfahrensausführung auch die Ansteuerung der Pumpe bzw. der im Schacht bzw. Becken installierten Pumpen übernehmen.
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Insbesondere kann der Verlauf des Füllstandes für einen gesamten Einschaltzyklus überwacht und überprüft werden, d.h. für den gesamten Zeitraum vom Einschalten der Pumpe bis hin zum Zeitpunkt des Abschaltens der Pumpe, wenn der aktuelle Füllstand unter einen entsprechenden Schwellwert abgesackt ist. Denkbar ist jedoch auch, die Überwachung auf ein reduziertes Zeitfenster innerhalb dieses Einschaltzyklus zu reduzieren.
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Nach dem Einschalten der wenigstens einen Pumpe ist bei ordnungsgemäßem Pumpenbetrieb davon auszugehen, dass der Füllstand durch die Pumpenarbeit innerhalb einer gewissen Zeit unter einen spezifischen Schwellwert absackt, sodass die Pumpe abgeschaltet werden kann. Verlängert sich die Dauer des Einschaltzyklus, kann dies ein Indiz für eine verringerte Leistungsfähigkeit der Pumpe sein, die beispielsweise durch eine Verunreinigung des Laufrades bedingt sein kann.
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Bevorzugt wird der Gradient des Füllstandverlaufs ermittelt und überprüft. Der ermittelte Gradient kann gegen einen zuvor ermittelten Referenzwert verglichen werden, der einen Normalzustand der Pumpe bzw. den früheren Zustand der Pumpe charakterisiert.
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Bevorzugt ist es, wenn der Füllstandverlauf bei jedem oder zumindest jedem n-ten Einschaltzyklus der Pumpe ermittelt wird. Als Referenzwert kann beispielsweise der ermittelte Füllstandverlauf während ein oder mehrerer vorangegangener Einschaltzyklen herangezogen werden. Demzufolge kann die Steuerung der Pumpe selbstlernend sein, d.h. nach Inbetriebnahme wird von der Steuerung zunächst ein Referenzwert bzw. Referenzverlauf ermittelt. Hierfür kann die Steuerung einen speziellen Lernalgorithmus ausführen, um anhand der erfassten Füllstandverläufe für n-Einschaltzyklen den Referenzverlauf/-wert zu bestimmen. Der Algorithmus kann auf einer künstlichen Intelligenz basieren. Insbesondere vorteilhaft ist ein adaptives Verfahren, um den Referenzverlauf/-wert ständig weiter zu optimieren und auch an geänderten Rahmenbedingungen anpassen zu können. Auch wenn es bevorzugt ist den Referenzverlauf/-wert unter realen Bedingungen am Installationsort der Pumpe zu erfassen, könnte der Referenzverlauf/-wert auch unter Laborbedingungen ermittelt und fest im Speicher der Steuerung hinterlegt werden.
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Der aktuelle Füllstand und insbesondere der Verlauf des Füllstandes kann durch im Becken bzw. Schacht installierte Sensoren erfasst werden. Die Sensoren stehen zum Messwertaustausch über Kommunikationsverbindungen mit der Steuerung in Verbindung. Idealerweise ist jedoch die Pumpe selbst mit entsprechenden Sensoren ausgestattet, insbesondere dann, wenn die pumpeninterne Steuerung zur Ausführung des Verfahrens konfiguriert ist.
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Denkbar ist es beispielsweise, dass für die Messung des Füllstands bzw. des Verlaufs des Füllstands ein Drucksensor verwendet wird, insbesondere ein Drucksensor der an einem geeigneten Pumpenbauteil, bevorzugt im Bereich des äußeren Pumpengehäuses, angeordnet ist, um den auf die Pumpe lastenden statischen Druck der im Becken/Schacht stehenden Fluidsäule zu ermitteln.
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Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, den Füllstand ohne dedizierten Sensor zu erfassen, sondern den Fluidstand stattdessen anhand von ein oder mehreren Betriebsparametern der Pumpe zu schätzen bzw. zu berechnen. So könnte der aktuelle Füllstand beispielsweise auf Grundlage der aktuellen Förderhöhe der Pumpe geschätzt bzw. berechnet werden. Hierfür wird davon ausgegangen, dass mit abnehmenden Füllstand und somit abnehmendem statischen Druck am Ansaugstutzen der Pumpe die Förderhöhe der Pumpe zunimmt. Unter Berücksichtigung dieser Korrelation kann unter Verwendung der aktuellen Förderhöhe der Pumpe der aktuelle Füllstand bestimmt werden. Die aktuelle Förderhöhe kann entweder unmittelbar sensorisch gemessen werden oder aber wiederrum aus ein oder mehreren Betriebsparametern der Pumpe abgeleitet werden. Möglich ist bspw. die Berechnung der aktuellen Förderhöhe auf Grundlage von Motorparametern des Pumpenantriebs, insbesondere der aktuellen Stromaufnahme des Antriebmotors und der gemessenen oder geschätzten Drehzahl des Motors.
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Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Pumpenanordnung umfassend wenigstens eine Abwasserpumpe und wenigstens eine Steuerung konfiguriert zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Für die Pumpenanordnung ergeben sich demzufolge dieselben Vorteile und Eigenschaften wie sie bereits vorstehend anhand des Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Steuerung zur Verfahrensausführung integraler Bestandteil der Abwasserpumpe ist. Gleiches gilt für etwaige Sensoren zur Ermittlung des Füllstandes. Es ist jedoch ebenfalls von der Erfindung umfasst, wenn die Steuerung zur Ausführung des Verfahrens als externe, separate Baueinheit ausgestaltet ist, die kommunikativ mit ein oder mehreren Pumpen innerhalb des Beckens bzw. des Schachtes in Verbindung steht. Demzufolge betrifft die Erfindung auch einen Steuerbaustein mit einem Mikroprozessor und einer darauf ablaufenden Software, die den Mikroprozessor dazu veranlasst, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
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Die Pumpenanordnung kann auch mehr als eine Pumpe umfassen, wobei in diesem Fall entweder jede einzelne Pumpe eine Steuerung aufweist, die das notwendige Verfahren ausführt oder jedoch eine zentrale Steuerung vorgesehen ist, die die Überwachung zentralisiert für alle Pumpen ausführt. Bei einer Anordnung mit mehreren Pumpen kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit des Füllstandes ein oder mehrere Pumpen aktiviert bzw. eingeschaltet werden und beispielsweise ein Parallelbetrieb bzw. ein abwechselnder Einzelbetrieb realisiert wird.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Es zeigen:
- 1 eine in einem Schacht oder Becken nasslaufend aufgestellten Abwasserpumpe,
- 2 eine Diagrammdarstellung des Verlaufs der Füllstandkurve sowie der Leistungsaufnahme des Pumpenmotors bei Ordnungsgemäß funktionierender Pumpe und
- 3 die zu 2 entsprechende Diagrammdarstellung bei einer zunehmenden Verunreinigung des Pumpenlaufrads
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Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel ist wenigstens eine Abwasserpumpe 1 innerhalb eines Schachtes nasslaufend aufgestellt. In Abhängigkeit des Wasserstandes 2 innerhalb des Schachtes oder Beckens 3 wird der Pumpenbetrieb durch eine Steuerung kontrolliert. Der Wasserstand des Abwassers steigt während Abwasser in den Schacht 3 läuft. Ab einem gewissen Füllstand wird die Pumpe 1 eingeschaltet. Die wenigstens eine Abwasserpumpe 1 fördert das im Schacht 3 stehende Abwasser über eine Druckleitung 4 nach Außen und der Füllstand sinkt mit der Förderleistung der Pumpe 1. Die Schaltung der Abwasserpumpe 1 kann durch einen mechanischen Schalter 5 realisiert sein, es kann jedoch eine in der 1 nicht dargestellte elektronische Schaltung vorgesehen sein. In der 1 wird der Schalter 5 bei zwei verschiedenen Füllständen und somit in zwei unterschiedlichen Stellungen gezeigt.
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Gemäß der Erfindung ermittelt die Steuerung der Pumpe 1 den aktuellen Füllstand und insbesondere den Gradienten der nach dem Einschalten der Pumpe 1 abnehmenden Füllstandkurve, auch als Gangkurve bezeichnet. Neben der Füllstandkurve können andere Messwerte, beispielsweise Stromaufnahme des Pumpenantriebs, Vibrationen am Pumpengehäuse usw. erfasst werden und für die Beurteilung und Überwachung zusammen mit der Füllstandkurve analysiert werden, um zu beurteilen, ob die Pumpe normal arbeitet oder sich jedoch Probleme, wie z.B. Verstopfungen andeuten.
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Wesentlich dabei ist, dass nicht der Parameter an sich für die Beurteilung herangezogen wird, sondern viel mehr der Vergleich mit früher aufgenommenen Werten maßgeblich ist. Das Problem wird anhand der Veränderung gegenüber historischen Werten erkannt.
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2 zeigt hier ein Zeitdiagramm, das zum einen den zeitlichen Verlauf des Füllstandes (Kurve 10) und zum anderen die Leistungsaufnahme der Pumpe (Kurve 20) darstellt. Zu Beginn des Verfahrens nimmt der Füllstand langsam zu, d.h. das Abwasser strömt in den Schacht. Zum Zeitpunkt 11 überschreitet der Füllstand einen definierten Einschaltschwellwert und die wnigstens eine Pumpe 1 wird eingeschaltet. Entsprechend der Förderleistung der Pumpe 1 nimmt der Füllstand im Schacht stetig mit konstanter Abnahmrate (Gradient) ab, bis der Flüssigkeitsstand im Schacht einen unterer Abschaltschwellwert erreicht und die Pumpe 1 im Zeitpunkt 12 abgeschaltet wird. Ab diesem Zeitpunkt nimmt der Füllstand durch das zulaufende Abwasser wieder stetig zu.
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Die Kurve 20 kennzeichnet die elektrische Leistungsaufnahme des Pumpenantriebs. Da die aufzubringende Pumpenleistung auch vom am Saugeingang anliegenden statischen Druck und damit vom Füllstand im Schacht abhängt, nimmt die Leistungsaufnahme während des Einschaltzyklus mit abnehmendem Füllstand zu. 2 zeigt den Verlauf des Füllstands bzw. der Leistungsaufnahme für den Normalfall mit ordnungsgemäß arbeitender Abwasserpumpe. Der Verlauf des Füllstandes, insbesondere der Gradient, und auch die Leistungsaufnahme dient als Referenzverlauf/-wert für die laufende Überwachung.
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3 zeigt nun eine Diagrammdarstellung des Füllstands und der Leistungsaufnahme für den Fehlerfall. Der Beginn der Messkurve ist hier identisch zur 2. Zum Zeitpunkt 14 tritt hier jedoch ein Verstopfungsereignis auf, das den Wirkungsgrad der wenigstens einen Pumpe 1 beeinträchtigt. Erkennbar ist dies daran, dass der Gradient der Füllstands-Abnahme deutlich geringer ausfällt, d.h. die Pumpe 1 zeigt offensichtlich eine verringerte Förderleistung, weshalb der Flüssigkeitsstand im Schacht deutlich langsamer abnimmt. Dies kann durch die Steuerung erkannt und dem Nutzer zur Anzeige gebracht werden.
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Auch die Leistungsaufnahme der Pumpe 1 nimmt im Zeitpunkt 14 sprungartig zu, was ebenfalls für am Laufrad anhaftende Feststoffpartikel spricht. Auch der weitere Verlauf des Füllstandes und/oder der Leistungsaufnahme zeigt deutliche Schwankungen, was ein Indiz für ein unrund laufendes Pumpenrad ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher zuverlässig eine zunehmende Verunreinigung und eine drohende Verstopfung des Laufrades frühzeitig erkannt werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit das Verfahren ohne weitere Hardware-Modifikation und die Verwendung weiterer Sensoren durch eine pumpeninterne Pumpensteuerung auszuführen, da der notwendige Wert für den Füllstand auch anhand der aktuellen Förderhöhe der Pumpe 1 abgeschätzt werden kann. Es spricht jedoch nichts dagegen hier weitere externe Sensoren für die Füllstands-Messung einzusetzen bzw. zusätzliche Sensoren an der Pumpe 1 zu verbauen.
