DE19842565A1 - Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen - Google Patents

Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen

Info

Publication number
DE19842565A1
DE19842565A1 DE19842565A DE19842565A DE19842565A1 DE 19842565 A1 DE19842565 A1 DE 19842565A1 DE 19842565 A DE19842565 A DE 19842565A DE 19842565 A DE19842565 A DE 19842565A DE 19842565 A1 DE19842565 A1 DE 19842565A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pump
variable
pressure
parameters
pump arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19842565A
Other languages
English (en)
Other versions
DE19842565B4 (de
Inventor
Markus Lauzi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB AG
Original Assignee
KSB AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB AG filed Critical KSB AG
Priority to DE19842565A priority Critical patent/DE19842565B4/de
Publication of DE19842565A1 publication Critical patent/DE19842565A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE19842565B4 publication Critical patent/DE19842565B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00Automatic controllers
    • G05B11/01Automatic controllers electric
    • G05B11/36Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/02Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions
    • F04D15/029Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions for pumps operating in parallel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2203/00Motor parameters
    • F04B2203/02Motor parameters of rotating electric motors
    • F04B2203/0209Rotational speed

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

Pumpenanordnung zur Druckregelung mit mindestens zwei parallel geschalteten Kreiselpumpen für die mengenvariable Förderung von Flüssigkeiten in Rohrleitungssystemen, wobei ein Mikroprozessorsystem beim Aktivieren oder Deaktivieren einer oder mehrerer Regelpumpen das regelungstechnische Verhalten des Rohrleitungssystems ermittelt und innerhalb vorgegebener Grenzwerte eine Anpassung der Reglerparameter automatisch vornimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung zur Druckregelung mit mindestens zwei parallel geschalteten Kreiselpumpen für die mengenvariable Förderung von Flüssigkei­ ten in Rohrleitungssystemen, wobei auf der Druckseite der Pumpenanordnung ein Drucksensor zur Erfassung des Förderdruckes angeordnet ist und ein Mikroprozes­ sorsystem in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors durch eine stufenlose Beein­ flussung der Drehzahl von mindestens einer Kreiselpumpe den Förderdruck der Pum­ penanordnung regelt.
Durch die DE-A-27 56 916 ist eine Anordnung parallel betriebener Kreiselpumpen be­ kannt, mit der ein bedarfsabhängiges Regeln einer Fördermenge erfolgt. Solche Pum­ penanordnungen von Kreiselpumpen finden sich in den verschiedensten Rohrleitungs­ systemen, bei denen ein bestimmter Förderdruck aufrechterhalten werden soll. Die vor­ bekannte Lösung sieht hierzu eine einzelne drehzahlvariable Kreiselpumpe vor. Diese ist bei schwankender Abnahme einer Fördermenge, hier als Bedarfsschwankung be­ zeichnet, in Verbindung mit einem linearen PID-Regler und einem Frequenzumrichter als Regelpumpe für die Aufrechterhaltung eines Förderdruckes verantwortlich. Bei Än­ derung des Förderbedarfs, der außerhalb des Leistungsbereiches dieser drehzahlva­ riablen Regelpumpe liegt, werden bei Unterdruck Zusatzpumpen zugeschaltet und bei Überdruck abgeschaltet. Diese laufen mit gleichbleibender Drehzahl und liefern bei gleichen Druckverhältnissen eine konstante Fördermenge.
Kritisch ist bei solchen Pumpenanordnungen der Umschaltpunkt, an dem eine weitere Pumpe zugeschaltet oder eine überzählige Pumpe abgeschaltet wird. Die vor dem Zeitpunkt des Schaltens einer zusätzlichen Pumpe im Betrieb befindlichen Pumpen, nachfolgend als Regelpumpen bezeichnet, werden zum Zeitpunkt des Schaltens einer Kreiselpumpe auch gleichzeitig im Betriebsbereich umgeschaltet. Dem müßte eigentlich auf Seiten der Reglereinstellung Rechnung getragen werden, indem die Reglercharak­ teristik durch veränderte Parameter an eine neue Situation anpaßbar ist. Hierzu ist im allgemeinen eine genaue Kenntnis der Anlagenbedingungen notwendig. Üblicherweise stellen die von einem Hersteller eingestellten Standardwerte von Reglerparametern einen Kompromiß dar, welcher für eine große Klasse von Anwendungen ein vom Nutzer akzeptables Betriebsverhalten gewährleistet.
In vielen Fällen kommt bei der stufenlosen Druckregelung mit Hilfe drehzahlvariabler Regelpumpen ein Mikroprozessorsystem mit einem lineareren PID-Regler zum Einsatz. Für das Stabilitätsverhalten eines Druckregelkreises sehr wesentlich ist eine günstige Wahl der Reglerparameter in Form des Verstärkungsfaktors kP, der Nachstellzeit TN und der Vorhaltezeit TV des PID-Reglers. Ebenfalls einen wichtigen Einfluß hat die Ab­ tastzeit T0 für das Mikroprozessorsystem, diese wird aber meist vom Hersteller eines Pumpenregelsystems fest eingestellt.
Falsche Vorgaben für die verschiedenen Reglerparameter können zur Folge haben, daß der Druckregelkreis entweder ein schnelles, aber instabiles oder ein stabiles, aber langsames Verhalten im regelungstechnischen Sinne zeigt. Beide Extremfälle sind un­ erwünscht und können durch daraus resultierende Druckschwingungen oder durch die bei Schaltvorgängen auftretenden Druckstöße zu einem erhöhten mechanischen Ver­ schleiß an den Pumpenaggregaten und zu Schäden in einem angeschlossenen Rohr­ leitungssystem führen.
Bei einem im regelungstechnischen Sinne schnellen Verhalten des Druckregelkreises folgt die Regelgröße des Förderdruckes pist sehr schnell einer Änderung der Füh­ rungsgröße psoll . Außerdem wird der Einfluß von Störgrößen rasch kompensiert. Als re­ gelungstechnische Störgrößen treten Schwankungen beim Fördermengenbedarf qist und dem saugseitigen Druck, nachfolgend als Vordruck pvor bezeichnet, in Erschei­ nung. Ein Regelsystem mit schnellem Verhalten neigt zu Instabilität, was sich in starken Schwingungen des Förderdruckes pist äußern kann. Dieses kritische Verhalten zeigt sich vor allem bei geringem Fördermengenbedarf qist ≈ 0. Dieser Betriebspunkt ist auch unter dem Begriff Mindermengenbedarf qmin bekannt und findet im folgenden Ver­ wendung.
Eine Veränderung der Reglerparameter kann dazu führen, daß weder bei Mindermen­ genbedarf qmin noch in einem anderen Betriebsbereich Schwingungen der Regelgröße pist auftreten. Allerdings verlangsamt sich dann möglicherweise das Verhalten des Druckregelkreises so sehr, daß die Störgrößen eines schwankenden Fördermengen­ bedarfs qist oder eines Vordruckes Pvor nicht mehr hinreichend schnell ausgeregelt werden können. Dieser Effekt kann zu einem kurzzeitigen starken Druckabfall oder einem hohen Überdruck auf der Druckseite der Pumpenanordnung führen.
Zentrales Optimierungsproblem ist also das Auffinden einer geeigneten Einstellung der Reglerparameter, die ein Auftreten der beschriebenen Probleme verhindert. Eine solche Einstellung ändert sich jedoch aufgrund von Nichtlinearitäten im Systemver­ halten sehr stark mit dem jeweiligen Betriebspunkt der Pumpenanordnung. So zeigt beispielsweise eine auf Mindermengenbedarf optimierte Wahl der Reglerparameter ein deutlich schlechteres Regelverhalten bei einem höheren Fördermengenbedarf. Auch eine bauliche Modifikation, die im angeschlossenen Rohrleitungssystem nach Inbe­ triebnahme der Pumpenanordnung erfolgt, kann das Regelverhalten negativ beeinflus­ sen. Eine ursprünglich nahezu optimale Parameterwahl erweist sich häufig nach einer solchen Änderung des Rohrleitungssystems als schlecht und muß erneut manuell an­ gepaßt werden.
Aus dem Buch "Digitale Regelsysteme" von Rolf Isermann, Band II, Springer-Verlag Berlin u. a., 1987, sind rechnergestützte Methoden für adaptive Regelungen vorbe­ kannt. Sie basieren überwiegend auf numerischen Parameterschätzalgorithmen, welche von einer hinreichenden externen Anregung des zu regelnden Systems bzw. der Regelstrecke abhängig sind. Dies geschieht durch Aufschaltung spezieller Test­ signale am geschlossenen oder offenen Regelkreis, die dann aber als zusätzliche Stör­ größen in Erscheinung treten. Da von einem Druckregelkreis einer Pumpen-Anordnung auch bei einer weiten Schwankungsbreite des Fördermengenbedarfs qist oder des Vordruckes pvor ein gleichbleibend gutes Regelverhalten erwartet wird, ist eine zusätzliche merkliche Störung durch Testsignale nicht hinnehmbar.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, für eine Druckregelung mit PID-Reg­ ler ohne zusätzliche Sensorik eine Möglichkeit zu entwickeln, mit der in einem großen Betriebsbereich ein schwingungsfreies und hinreichend schnelles Regelverhalten sichergestellt wird.
Die Lösung dieses Problems erfolgt mit den Merkmalen von Anspruch 1 und sieht vor, daß bei einem Aktivierungs- und/oder Deaktivierungsvorgang einer oder mehrerer der Regelpumpen während einer zeitlichen Adaptionsphase von der Dauer (TA) das Mikroprozessorsystem den Zeitverlauf der von ihm gebildeten Stellgröße des Dreh­ zahlsollwertes (nm) aller M aktiven drehzahlvariablen Regelpumpen und des daraus re­ sultierenden und mit Hilfe eines Drucksensors erfassten Zeitverlaufes des Förder­ drucks (pist) ermittelt, daß das Mikroprozessorsystem aus den Zeitverläufen von Stell­ größe (nm) und Regelgröße (pist) Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke errechnet und daß das Mikroprozessorsystem aus den Kenngrößen Parameter eines Reglers ermittelt und einstellt.
Damit wird der Betriebsbereich einer Pumpenanordnung nicht mehr durch die Stabili­ tätsgrenzen der Regelung festgelegt. Vielmehr wird der Betriebsbereich nur noch durch weitergehende Forderungen wie beispielsweise nach einem gutem Saugverhalten und/oder einem hohen Wirkungsgrad der Pumpenanordnung bestimmt.
Der wesentliche Vorteil dieser Lösung besteht in der positiven Verwertung der als störend und negativ empfundenen physikalischen Effekte. Dies bezieht sich vor allem auf die beim Schalten von Regelpumpen auftretenden Druckstöße. Auf ein Druck­ regelsystem wirkt sich jegliche Veränderung der Anzahl aktiver Pumpen als Störung aus. Diese störenden Effekte dauern im allgemeinen weniger als eine Sekunde, sie lassen sich jedoch meßtechnisch sehr einfach erfassen und mit Hilfe eines Mikropro­ zessorsystems informationstechnisch auswerten. Durch die erfindungsgemäße auto­ matische Optimierung der Reglerparameter wird die Häufigkeit des Aktivierens oder Deaktivierens von Förderpumpen über einen längeren Zeitraum erheblich minimiert, was in gleichem Maße für die damit einhergehenden Druckstöße gilt. Außerdem wird das Auftreten von Druckschwingungen durch fehleingestellte Reglerparameter verhin­ dert.
Veränderungen des Betriebsbereiches werden vom Mikroprozessorsystem während einer Adaptionsphase der Zeitdauer TA durch eine Ermittlung der Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke erkannt und anschließend durch eine für den jeweiligen Fall passende Bewertung oder Veränderung der Reglerparameter ausgeglichen. Dies erfolgt zu einem Zeitpunkt, der für das Regelsystem ohne zusätz­ lichen störenden Einfluß ist. Denn innerhalb der Adaptionsphase der Zeitdauer TA ist durch den Schaltvorgang der Regelpumpen die Regelgröße Förderdruck pist ohnehin dem störenden physikalischen Effekt eines Druckstoßes unterworfen. Die Adap­ tionsphase, die erfindungsgemäß ereignisgesteuert durch das Schalten von Förder­ pumpen gestartet wird, endet mit dem Ablauf der Zeitspanne TA. Eine weitere Adap­ tionsphase wird erst durch ein späteres Schaltereignis erneut gestartet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine zeitliche Dauer (TA) der Adap­ tionsphase der Reglerparameter dem vielfachen Wert einer Abtastzeitkonstanten (T0) des Mikroprozessorsystems entspricht.
Üblicherweise speichert ein Hersteller für den Betrieb eines Pumpenregelsystems in das Mikroprozessorsystem eine feste Vorgabe der Abtastzeitkonstanten T0 ein. Diese liegt bei einer typischen Pumpenanordnung meist in der Größenordnung von 0,01 bis 0,5 Sekunden. Falsche Werte verschlechtern das Regelverhalten eines Druckregel­ kreises deutlich. Eine zu geringe Abtastzeit erfordert eine höhere Leistung des Mikro­ prozessorsystems, erbringt jedoch aufgrund mechanischer und hydraulischer Träg­ heiten der Pumpenanordnung sowie einer meist vorhandenen Stromanstiegsbe­ grenzung im eingesetzten Frequenzumrichter keinerlei Vorteile. Außerdem gefährdet die Wahl einer zu kurzen Abtastzeit eine ordnungsgemäße Funktion der Parameter­ anpassung. Für Wasserversorgungsanlagen hat sich eine Abtastzeit im Bereich von T0 = 0,05 Sekunden als vorteilhaft erwiesen.
Gemäß den Ansprüchen 3 und 4 werden aus der sich aus den Drehzahlsollwerten aller M aktivierten drehzahlvariablen Regelpumpen zusammengesetzten Stellgröße u(ν) und dem daraus resultierenden und mit Hilfe eines standardmäßig vorhandenen Drucksensors gemessenen Zeitverlauf der Regelgröße pist die Kenngrößen Strecken­ verstärkung kS und Streckenzeitkonstante TS des hydraulischen Systems im offenen Regelkreis für ein mathematisches Modell in der Struktur eines PTN -Gliedes ermittelt. Der einfachste Spezialfall eines solchen Gliedes wird als PT1-Glied bezeichnet und ist auch vorbekannt als verzögerndes Glied erster Ordnung. Die mathematische Be­ schreibung im Laplacebereich erfolgt durch eine komplexwertige Übertragungsfunktion gemäß Formel (1):
Aus den Kenngrößen kS und TS und der Abtastzeit T0 können mit Hilfe der drei Einstell­ regeln (2a) die Parameter kp, TN und TV eines PID-Reglers errechnet werden:
kp = f1(kS, TS, T0) TN = f2(kS, TS, T0) TV = f3(kS, TS, T0) (2a)
Die Funktionale f1, f2 und f3 werden vom Hersteller der Pumpenanordnung fest vorge­ geben. In einer sehr einfachen Ausführung gemäß (2b) lassen sich anstelle dieser Funktionale einfache multiplikative Verknüpfungen mit den Parametern a, b und c an­ setzen, für die sich beispielsweise a = 0.2, b = 0.5, c = 0.05 wählen läßt, in weiteren Fällen können auch andere nicht-negative Werte erforderlich sein.
Ein Betreiber oder Hersteller einer geregelten Pumpenanlage gibt dem Regelsystem eine Grundeinstellung für verschiedene Parameter fest vor. Neben einer Wahl für die Abtastzeitkonstante T0 müssen zusätzlich lediglich die nachfolgend aufgeführten 11 Parameter eingegeben werden. Sie gelten für eine große Klasse typischer Pumpen­ anordnungen und sind nur bedingt anlagenspezifisch. Unter den üblichen Betriebs­ zuständen bleiben sie über die gesamte Lebensdauer einer Pumpenanordnung unver­ ändert:
  • - Eine Vorgabe der Adaptionsdauer TA für das Mikroprozessorsystem. Dieser Wert bestimmt die zeitliche Länge eines Adaptionszyklusses für die Reglerparameter. Er kann in der Größenordnung von 0,2 bis 10 Sekunden gewählt werden und sollte etwa dem zwanzigfachen Wert der Abtastzeitkonstanten T0 entsprechen.
  • - Eine Standardeinstellung τ zur Kompensation einer Totzeit Tt des Regelsystems. Diese wird beispielsweise durch die Trägheit der Förderpumpen oder durch zeitliche Verzögerungen, bedingt durch einen Stern-Dreieck-Anlauf für die elektrischen Antriebsmaschinen beeinflußt. Eine übliche Vorgabe für den Wert der kompensa­ torischen Totzeit ist τ = 0,2 Sekunden.
  • - Eine Standardeinstellung kP*, TN* und TV* für die Reglerparameter kP, TN und TV. Übliche Werte hierfür sind kP* = 1.0, TN* = 0,5 Sekunden und TV* = 0,05 Sekunden bei einer Abtastzeitkonstanten T0 = 0,05 Sekunden.
  • - Eine untere und obere Grenze kPU bzw. kPO des zulässigen Wertebereiches für eine Adaption der Reglerverstärkung kP. Ein zulässiger Bereich für kP liegt bei einer typi­ schen Pumpenanordnung meist in der Größenordnung von 0,1 bis 10.
  • - Eine untere und obere Grenze TNU bzw. TNO des zulässigen Wertebereiches für eine Adaption der Nachstellzeit TN. Ein zulässiger Bereich für TN liegt meist in der Größenordnung von 0,1 bis 10 Sekunden.
  • - Eine untere und obere Grenze TVU bzw. TVO des zulässigen Wertebereiches für eine Adaption der Vorhaltezeit TV. Ein zulässiger Bereich für TV liegt meist in der Größen­ ordnung von 0 bis 2 Sekunden.
Mit Hilfe solcher Standardeinstellungen für die zu ermittelnden Reglerparameter kann das Mikroprozessorsystem programmgesteuert eigenständig seine Reglerparameter optimieren. Die Vorgabe der angesprochenen Parameter bzw. die Eingabe der dafür notwendigen Daten in das Mikroprozessorsystem kann beispielsweise in einfachster Weise mit Hilfe von Eingabemitteln wie Tastatur, Display oder einer Kombination aus Tastatur und Display erfolgen, die eine Kommunikation mit dem Mikroprozessor er­ möglicht. Ebenso wäre es möglich, durch Schaltelemente oder über ein Bus-System entsprechende Werte in das Mikroprozessorsystem einzuspeichern.
Ein Hersteller oder Nutzer kann die Pumpenanordnung in den unterschiedlichsten Rohrleitungssystemen einsetzen. Die drei Reglerparameter kP, TV und TN erhalten somit für den jeweiligen Einsatzfall lediglich eine sehr grobe Grundeinstellung durch die Vorgabe einer Standardeinstellung kP*, TV* und TN*. Diese liegt bereits beim ersten Einschalten des Mikroprozessorsystems während der Inbetriebnahme der Pumpen­ anordnung vor.
Als Startwerte für eine Parameterschätzung zum Zeitpunkt t = 0 werden entweder die im vorangegangenen Schätzzyklus zuletzt ermittelten Werte genutzt oder beispiels­ weise in Umkehrung der Formeln (2b) die aus den vordefinierten Standardwerten kP* und TN* errechneten Streckenparameter entsprechend Formel (3) gesetzt:
Das Mikroprozessorsystem erkennt mit einer Instanz zur Adaptionsüberwachung die Unzulässigkeit von Reglerparametern, wenn deren Werte außerhalb definierter Be­ reiche liegen. Solche Bereiche sind durch die Vorgabe der unteren und oberen Grenz­ werte für den jeweiligen Reglerparameter durch den Hersteller oder Nutzer der Pum­ penanordnung spezifiziert. Ermittelt das Adaptionsverfahren unzulässige Reglerpara­ meter, werden die zuletzt errechneten Reglerparameter durch das Mikroprozessor­ system gelöscht und im nächsten Rechenschritt auf die vordefinierten Standardwerte kP*, TV* und TN* rückgesetzt. Dies geschieht auch in einer Initialisierungsphase beim erstmaligen Einschalten des Mikroprozessorsystems. In allen anderen Fällen startet ein neuer Adaptionszyklus mit den Werten, die im vorangegangenen Zyklus zuletzt ermit­ telt wurden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Mikroprozessorsystem bei Vorliegen mehrerer Stellgrößen nm als Eingangsgröße für die Identifikationsinstanz ein zusammengesetztes Stellsignal u(ν) verwendet, wobei in die Formel (4)
neben den Solldrehzahlen n1(ν) bis nM(ν) der drehzahlvariablen Regelpumpen auch deren festgelegte Mindestdrehzahlen n1,min bis nm,min eingehen. Alle Drehzahlsollwerte n1(ν) bis nM(ν) sind prozentual auf ihre jeweiligen Maximalwerte n1,max bis nm,max be­ zogen und deshalb mit dem Faktor 100 gewichtet.
Als erste Eingangsgröße eines Rechenverfahrens zur Bestimmung der Streckenpara­ meter kS und TS wird erfindungsgemäß ein Stellsignal u(ν) genutzt, als zweite Ein­ gangsgröße y(ν) die auf Änderungen von u(ν) reagierende Regelgröße des Förder­ druckes pist(t). Diese wird mit Hilfe eines Drucksensors mit nachfolgendem Abtast- Halteglied gemessen und durch einen Analog-Digitalwandler umgeformt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei einem vom Drucksensor ermittelten Unterdruck im Rohrleitungssystem vor der Aktivierung einer zusätzlichen Pumpe alle M bereits in Betrieb befindlichen drehzahlvariablen Regelpumpen vom PID- Regler getrennt und für die Zeitdauer des Umschaltvorganges auf einer gesteuerten Zeitrampe in ihrer Drehzahl abgesenkt werden und daß die Aktivierung einer zu­ sätzlichen Regelpumpe nach Ablauf eines Teils der Dauer von (TA) erfolgt und nach Ablauf der Gesamtdauer (TA) alle drehzahlvariablen Regelpumpen an den Regler übergeben werden. Diese Lösung verlängert zwar die Dauer der durch das Schalten von Regelpumpen ausgelösten Druckstöße, erzielt jedoch gleichzeitig eine Verbesse­ rung in Form einer Verringerung der Druckstoßintensität.
Mit Beginn dieses gesteuerten Betriebes startet ein neuer Zyklus für die Parameter­ schätzung der Gesamtdauer TA. Innerhalb dieses Zeitintervalls werden die Streckenpa­ rameter kS bzw. TS mit Hilfe eines Identifikationsverfahrens ermittelt. Nach Ablauf der Zeitdauer TA werden daraus mit Hilfe der Formeln (2) die entsprechenden Regler­ parameter kP, TN bzw. TV vom Mikroprozessorsystem errechnet und festgehalten. Unmittelbar im Anschluß daran wird der Regelkreis mit diesen neuen Reglerparametern wieder geschlossen.
In analoger Weise kann nach einer Ausgestaltung gemäß dem Anspruch 12 bei Über­ druck vor der Deaktivierung einer überzähligen Regelpumpe eine gesteuerte Anhebung der Drehzahl durch eine Zeitrampe der Dauer TA erfolgen, wobei auch während dieses Zeitabschnitts neben der Pumpendeaktivierung eine Parameterschätzung durchgeführt wird.
Die in Anspruch 13 beschriebene Ausgestaltung der Erfindung sieht in denjenigen Fällen, wo eine Parameterschätzung aufgrund physikalisch bedingter starker zeitlicher Verschiebungen Tt zwischen den Signalen u(ν) und y(ν) scheitert, die Berücksichtigung eines zeitlichen Versatzes zwischen diesen Signalen in Form einer kompensatorischen Totzeit τ vor. Physikalisch bedingte Verschiebungen können durch das Vorhandensein eines Stern-Dreieck-Anlaufes für die elektrischen Antriebsmaschinen, durch ein Zeitrelais oder durch die mechanische Trägheit der Förderpumpen verursacht sein. Die kompensatorische Totzeit τ wird vom Hersteller oder Betreiber der Anlage nach Erfahrungswerten fest vorgegeben. Sie kompensiert die durch die Anlagengege­ benheiten bedingte verzögerte Reaktion des Förderdrucksignals y(ν), indem das Stell­ signal u(ν) zeitlich um diese kompensatorische Totzeit τ verzögert dem Parameter­ schätz-Algorithmus übergeben wird, so daß dieser mit den zusammengehörenden, aber zeitlich zueinander versetzten Wertepaaren [u(ν-τ), y(ν)] arbeitet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
Fig. 1 eine Anlagenskizze einer typischen Pumpenanordnung mit zugehöriger Regelanlage, die
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur inneren Struktur eines Parameter-Schätzverfahrens und die
Fig. 3 bis 5 Diagramme, in denen die Signalverläufe für das Regelverhalten und die Parameteradaption der Pumpenanordnung dargestellt sind.
Die in Fig. 1 gezeigte Pumpenanordnung besteht aus drei parallel arbeitenden Krei­ selpumpen 11 bzw. 21, die ein Fluid, z. B. Wasser, in einem Rohrleitungssystem von einem gemeinsamen Zufluß 8 über einen gemeinsamen Abfluß 9 zu einem oder mehreren - hier nicht dargestellten - Verbrauchern fördern. Der Zufluß 8 befindet sich auf der Saugseite der Pumpenanordnung und der Abfluß 9 auf der Druckseite. Dabei ist mindestens eine der eingesetzten Kreiselpumpen mit Hilfe eines Frequenzumrich­ ters 12 drehzahlvariabel ausgebildet. Die dargestellte Konfiguration besteht aus einer drehzahlvariablen Kreiselpumpe 11, einem zugehörigen Frequenzumrichter 12 und zwei weiteren über Schütze 22 am Stromnetz 23 schaltbaren Kreiselpumpen 21. An­ stelle der schaltbaren Pumpen 21 können auch weitere drehzahlvariable Pumpen 11 mit zugehörigen Frequenzumrichtern 12 eingesetzt werden. Alle zu einem gegebenen Zeitpunkt bei laufendem Betrieb aktivierten Pumpen werden nachfolgend als Regel­ pumpen bezeichnet.
Zur Verhinderung von Rückströmungen sind die Kreiselpumpen mit Rückschlagklappen 6 ausgerüstet. Verzichtet wurde auf die Darstellung von manuellen Absperr-Armaturen, die häufig noch an den Anschlußstutzen der Pumpen vorgesehen sind, um im Servicefall, beim Ausbau einer Kreiselpumpe, nach einem vollständigen Schließen den Austritt des Fördermediums verhindern.
Grau hinterlegt ist ein Mikroprozessorsystem 4 dargestellt, welches fortlaufend den auf der Druckseite der Kreiselpumpen 11, 21 herrschenden Fluiddruck mit Hilfe eines Drucksensors 5 ermittelt. Zur strömungstechnischen Minimierung von auftretenden Druckstößen bei Schaltvorgängen kann auf Seiten des Rohrleitungssystems ein Druck­ ausgleichsbehälter 3 angebracht sein.
In dem Mikroprozessorsystem 4 steuert eine Koordinationsinstanz 49 das Zusam­ menwirken aller Teilfunktionen 40 bis 412. Um die Übersichtlichkeit der Darstellung in Fig. 1 zu gewährleisten, sind nur die Signalpfade zwischen diesen Teilfunktionen 40 bis 412 als Pfeile dargestellt. Die wirktechnischen Verbindungen zwischen der Koor­ dinationsinstanz 49 und den übrigen Teilfunktionen 40 bis 412 sind dagegen nicht explizit gezeigt. Zur Kommunikation mit einem Benutzer oder einem weiteren Rech­ nersystem dient ein Interface 7, das sowohl in Form einer Tastatur, eines Displays oder auch in Form eines Bus- oder Modem-Anschlusses vorliegen kann. Hierüber werden vom Hersteller oder Betreiber alle benötigten Parameter, insbesondere die Führungs­ größe psoll, die kompensatorische Totzeit τ, die Adaptionsdauer TA, die Standardwerte für die Reglerparameter kP*, TN* und TV* und jeweils deren obere bzw. untere Grenz­ werte kPU, kPO usw. in das Mikroprozessorsystem 4 eingegeben. Daneben können vom Hersteller weitere Größen, wie beispielsweise Minimaldrehzahlen für die dreh­ zahlvariablen Regelpumpen nm,min, ein Gedächtnisfaktor λ für die Parameterschätzung und die Abtastzeit T0 des Mikroprozessorsystems fest vorgegeben werden.
Ein Abtast-Halteglied 40 ermittelt in festen Zeitabständen der Dauer einer Abtastzeit­ konstanten T0 mit Hilfe eines Drucksensors 5 mit nachfolgendem Analog-Digitalwandler 411 den auf der Abflußseite 9 herrschenden Förderdruck Pist(t). Ein Reglerbaustein 42, hier als linearer PID-Regler ausgebildet, errechnet aus dem durch einen Differenzbilder 41 gelieferten Regelfehler (psoll - pist) den Stellwert n1, der über den Digital- Analogwandler 412 an den angeschlossenen Frequenzumrichter 12 ausgegeben wird.
Die Koordinationsinstanz 49 stellt dabei sicher, daß dieser Stellwert n1 weder die untere Grenze n1,min der Pumpendrehzahl unterschreitet noch deren maximal zulässige, feste obere Grenze n1,max übersteigt.
Ein Schaltblock 44 übernimmt bei länger anhaltendem Unterdruck (pist < psoll) das Ak­ tivieren weiterer Pumpen 21 bzw. bei länger andauerndem Auftreten von Überdruck (pist < psoll) die Deaktivierung überzähliger Regelpumpen 11, 21, falls sich die vom Regler 42 errechnete Stellgröße n1 bereits an ihrer jeweiligen oberen (n1,max) bzw. unteren (n1,min) Grenze befindet. Damit ändert sich die Anzahl M aktiver drehzahl­ variabler bzw. die Anzahl N drehzahlstarrer Regelpumpen 11, 21.
Zur Verminderung der Druckstöße beim Schalten von Pumpen mit fester Drehzahl 21 kann eine dazu gegenläufige Steuerung der jeweiligen Drehzahl nm aller drehzahlva­ riablen Regelpumpen 11 in Form einer Auf- bzw. Abwärts-Rampe der zeitlichen Dauer TA mit Hilfe eines Rampengenerators 43 anstelle der druckabhängigen Regelung der Pumpendrehzahl nm erfolgen. Hierzu findet ein Umschalter 48 Verwendung, wobei auch hier die Instanz 49 die Koordination aller Vorgänge übernimmt.
Die Identifikationsinstanz 400 errechnet auf Basis eines rekursiven Schätzverfahrens während einer zeitlichen Adaptionsphase der Dauer TA beim Aktivieren oder Deaktivie­ ren von Regelpumpen aus dem gemessenen und digitalisierten Zeitverlauf der Re­ gelgröße Förderdruck y(ν) = pist(ν) und dem sich aus dem Stellwertermittler 45 erge­ benden Stelleingriff u(ν-τ) die Kenngrößen Streckenverstärkung kS und Streckenzeit­ konstante TS des hydraulischen Systems.
In Fig. 1 errechnet sich das Stellsignal u(ν-τ) gemäß Formel (4) aus dem Drehzahl­ sollwert n1 der drehzahlvariablen Regelpumpe 11 und ihrer zugehörigen Mindestdreh­ zahl n1,min. Dabei läßt sich mit Hilfe von Block 45 das Stellsignal u zeitlich um den Wert τ zur Kompensation einer physikalisch bedingten Totzeit Tt in der Pumpenanordnung verschieben.
Während der zeitlichen Adaptionsphase der Dauer TA arbeitet die Pumpenanordnung in einem gesteuerten Betrieb. Der Regelkreis ist mit Hilfe von Umschalter 48 aufgetrennt, der Rampengenerator 43 fährt anstelle des PID-Reglers eine zum Aktivierungs- oder Deaktivierungsvorgang gegenläufige Rampe. Da der Regler 42 deaktiviert ist, hat die bisherige Einstellung der PID-Reglerparameter über den Drehzahlsollwert n1 keine Auswirkung auf den Förderdruck pist. Nach Ablauf der Adaptionsphase erfolgt wieder eine Umschaltung des Drehzahlsollwertes n1 auf den PID-Regler 42, der nunmehr mit einem neuen Parametersatz arbeitet. Dieser neue Parametersatz entstammt der Adaptionsinstanz 46, die gemäß der Einstellregel in Formel (2) aus den durch die Identifikationsinstanz 400 zuvor ermittelten Kenngrößen Streckenverstärkung kS und Streckenzeitkonstante TS zugehörige passende Reglerparameter errechnet. Gleich­ zeitig überwacht die Adaptionsinstanz 46 die Einhaltung der vom Nutzer oder Hersteller vorgegebenen Grenzen der Wertebereiche für die Parameteradaption und löst einen internen Reset für die ldentifikationsinstanz 400 aus, sobald einer der ermittelten Reglerparameter seinen derart spezifizierten Wertebereich verläßt.
Das Regelgerät in Form des Mikroprozessorsystems 4 enthält noch weitere Funktionen zur Erfassung, Überwachung, Verarbeitung und Anzeige von weiteren Unregel­ mäßigkeiten, Fehlern oder Abweichungen innerhalb der Pumpenanordnung. Diese sind strukturtechnisch in Block 47 zusammengefaßt.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, in dem die inneren Strukturen des Identifikationsblockes 400 und der Adaptionsinstanz 46 detailliert dargestellt sind. Die Identifikation basiert in diesem Ausführungsbeispiel auf einem rekursiven Least-Square-Schätzalgorithmus (RLS), wie er beispielsweise in der oben angegebenen Literatur beschrieben wird.
Die Schätzung erfolgt für die Streckenparameter kS und TS eines sogenannten Ver­ zögerungsgliedes erster Ordnung, welches mathematisch durch Formel (1) beschrie­ ben werden kann. Mit Hilfe eines Abtasthalteglieds 40 und eines Analog-Digitalwand­ lers 411 wird das kontinuierliche Förderdrucksignal pist(t) als Eingangsgröße y(ν) an Block 400 in zeitdiskreter Form übergeben. Eine weitere Eingangsgröße u(ν) ent­ stammt Block 45. Zwischengeschaltet sind zwei Verzögerungs- oder Speicherglieder 401 und 402, die den vorletzten Wert der jeweiligen Variablen enthalten. Die Aus­ gangsgrößen von Block 400 sind die Werte der Streckenparameter kS und TS bzw. ein inverser Wert 1/kS. Diese werden am Ende eines Schätzzyklusses nach einer Um­ rechnung in Block 46 als Reglerparameter kP, TN und TV an den Reglerbaustein 42 übergeben. Alle Zeitwerte t stehen gemäß Formel (5) über die Angabe des Abtast­ schrittes ν in Zusammenhang mit der Abtastzeit T0:
t = ν*T0 (mit ν = 0, 1, 2, . . .) (5)
Zunächst wird der Signalvektor g(ν) bzw. dessen transponierte Variante g T(ν) gemäß Formel (6) gebildet. Diese Zusammenführung wird durch Block 406 repräsentiert.
g T(ν) = [g1 g2] = [u(ν-1) y(ν-1)] (6)
Weiterhin benötigt man einen Parametervektor m T(ν) bzw. dessen transponierte Vari­ ante m T(ν). Dieser enthält gemäß Formel (7) die zu schätzenden Streckenparameter kS und TS in einem Zusammenhang mit der Abtastzeit T0. Die genaueren Zusammen­ hänge lassen sich beispielsweise aus der oben genannten Literaturstelle Isermann ent­ nehmen.
Vor Beginn der ersten Parameterschätzung oder nach einem Reset, verursacht bei­ spielsweise durch ein entsprechendes Überlaufsignal des nachgeschalteten Blocks 46, wird der Parametervektor m(ν) durch Block 408 mit Initialisierungswerten m(0) belegt. Dies kann entsprechend Formel (8) durch das Einsetzen der Formel (3) in Formel (7) für einen PID-Regler auf Basis einer unkritischen Standardeinstellung kP* und TN* ge­ schehen, die typisch ist für eine große Anzahl von Wasserversorgungsanlagen.
Zusätzlich wird eine Hilfsmatrix Φ(ν) benötigt, die den inneren Systemzustand reprä­ sentiert. Diese wird hier vor Beginn der ersten Parameterschätzung oder nach einem Reset durch Block 408 mit einer 2 × 2-Einheitsmatrix Φ(0) vorbelegt.
Nach einer Initialisierung des Parametervektors m und der Hilfsmatrix Φ startet der re­ kursive RLS-Algorithmus entsprechende Berechnungen für die Länge νA einer festge­ setzten zeitlichen Phase TA = νA * T0 mit den nachfolgenden Beziehungen gemäß den Formeln (9) und (10). Dafür wird zunächst in Block 409 der Parametervektor m(ν) zu m(ν + 1) angepaßt, indem die Differenz zwischen dem aktuell gemessenen Strecken­ ausgang y(ν) und dessen vorhergesagtem oder geschätztem Wert g T(ν) * m(ν) gebildet und anschließend zur Korrektur des Parametervektors m(ν) innerhalb von Formel (9) verrechnet wird. Mit einem vom Hersteller vorgegebenen Gedächtnisfaktor λ kann der Einfluß vorangegangener Signalwerte unterschiedlich gewichtet werden. Dieser Gedächtnisfaktor λ kann zu 0.99 gewählt werden.
Anschließend wird die Hilfsmatrix Φ(ν) in Block 410 zu Φ(ν + 1) aktualisiert. Die Rück­ führung über die Speicherglieder 404 bzw. 405 ermöglicht eine Verwendung der so ermittelten Werte im nächsten Durchlauf des Schätzalgorithmus.
Zuletzt wird der Parametervektor m(ν) gemäß Formel 11 umgerechnet in die beiden zu schätzenden Streckenparameter kS und TS, was in Block 403 erfolgt.
Diese beiden Kenngrößen werden in Block 46 entsprechend den Formeln (2) in die Reglerparameter umgerechnet, wobei eine Berechnung der Funktionale f1 bis f3 bzw. eine Gewichtung mit den vom Hersteller oder Nutzer vorgegebenen Faktoren a, b und c durch die Multiplizierer 461 vorgenommen wird. Mit Hilfe der Instanzen 462 läßt sich erkennen, wenn einer der Reglerparameter seinen zulässigen Wertebereich verläßt. Dieser Wertebereich wird durch die Vorgaben von den jeweiligen unteren und oberen Grenzwerten kPU, kPO, TVO usw. von Seiten des Herstellers oder Betreibers der Pum­ penanordnung spezifiziert. In Folge einer Wertebereichsübertretung läßt sich durch ein OR-Glied 463 ein Reset der Parameteridentifikation in Block 400 auslösen. Dabei werden die inneren Größen der Identifikationsinstanz 400 durch Block 408 auf Initiali­ sierungswerte m(0) und Φ(0) rückgesetzt und mit Hilfe von Schaltinstanz 464 die Reglerparameter auf die Standardeinstellung kP*, TN* und TV* umgeschaltet, bis der Schätzalgorithmus erneut zulässige Werte für die Strecken- und somit die Regler­ parameter ermittelt hat.
Block 48 zeigt einen Umschalter für einen Wechsel vom geregelten in den gesteuerten Betrieb. Die Umschaltung wird stets dann automatisch durchgeführt, sobald der För­ derdruck pist dauerhaft ein vorgegebenes Toleranzband um seinen zugehörigen Soll­ wert psoll verläßt.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen Diagramme der zeitlichen Signalverläufe, in denen das Regel­ verhalten einer versuchsweise ausgeführten Pumpenanordnung dargestellt ist. Dazu bestand die auf einem Versuchsstand aufgebaute Pumpenanordnung aus einer dreh­ zahlvariablen und weiteren starr am Stromnetz betriebenen Kreiselpumpen. Dargestellt sind die nachfolgend aufgeführten gemessenen Zeitverläufe eines Regelzyklusses von 20 Sekunden Dauer
  • - die Regelgröße des Förderdruckes pist (in Metern Förderhöhe),
  • - die Stellgröße n der variablen Pumpendrehzahl (prozentual bezogen auf die obere Grenze nmax),
  • - die mit Hilfe der Parameteridentifikation und Parameteradaption errechnete Regler­ verstärkung kP und
  • - die mit Hilfe der Parameteridentifikation und Parameteradaption ermittelte Nachstell­ zeit TN eines PI-Reglers zur Druckregelung.
Bei den Fig. 3 bis 5 liegt im zeitlichen Abschnitt der ersten 4 Sekunden der Anfahrvor­ gang der Pumpenanordnung. Hier wird die drehzahlvariable Pumpe 11 in Form einer linearen Rampe in ihrer Drehzahl hochgefahren, wobei sich der Förderdruck pist ent­ sprechend der Charakteristik der eingesetzten Pumpe und ausgehend von 0 m Förder­ höhe aufbaut. Die Drehzahlrampe beginnt beim aktuell eingestellten Wert der unteren Stellbereichsgrenze nmin, die in allen Figuren bei etwa 50% der maximalen Drehzahl nmax liegt. Sie endet beim Erreichen der maximalen Drehzahl nmax = 100% oder bei Überschreiten des eingestellten Sollwertes psoll durch den Förderdruck pist. Der Sollwert liegt bei 50 m Förderhöhe und wird erst nach Zuschalten weiterer drehzahlstarrer Pumpen 21 erreicht.
Die zeitlichen Signalverläufe für einen Hochlaufvorgang und ein sich anschließendes Regelverhalten sind bei einem Vordruck pvor = 0 gezeigt. Bei der Messung der zeitli­ chen Signalverläufe war der Fördermengenbedarf bzw. die Öffnung des druckseitigen Abflusses 9 konstant.
In den Fig. 3 bis 5 lassen sich drei Betriebsarten unterscheiden, die die ausgeführte Pumpenanordnung innerhalb der 20 Sekunden Meßzeit durchläuft:
1. Betriebsart Anfahrrampe
Etwa 1 Sekunde nach dem Start der Messung wird die drehzahlvariable Pumpe 11 über ein rampenförmiges Signal aus Block 43 über den Frequenzumrichter 21 quasikontinuierlich von der fest vorgegebenen Mindestdrehzahl nmin bis zur Syn­ chrondrehzahl nmax (z. B. 50 Hz oder 100% entsprechend ca. 2900 U/min für eine Asynchronmaschine mit der Polpaarzahl 1) hochgefahren. Während der Dauer dieser Rampe im Zeitraum t = 1 bis t = 4 Sekunden liegt ein gesteuerter Betrieb vor, der PID- Regler 42 ist durch das Umschaltglied 48 deaktiviert. Nach Erreichen der Synchron­ drehzahl bei t = 4 Sekunden (in anderen, hier nicht dargestellten Fällen bei Über­ schreiten des Drucksollwertes pist < 50 m) wird der PID-Regler 42 aktiviert, es liegt nun ein geregelter Betrieb vor. Die zeitliche Dauer dieser Rampe wird i. a. im Bereich 0.5-10 Sekunden vom Hersteller fest vorgegeben.
2. Betriebsart Kompensationsrampe
Erreicht der Förderdruck innerhalb einer gewissen Zeit nicht den vorgegebenen Sollwert, so muß bei Unterdruck eine drehzahlstarre Pumpe 21 zu­ geschaltet oder bei Überdruck eine Regelpumpe 11, 21 abgeschaltet werden. Dies übernimmt der Schaltblock 44. Zur Verringerung der dabei entstehenden Druckstöße wird zeitlich parallel dazu die drehzahlvariable Pumpe 11 über ein Signal vom Ram­ pengenerator 43 herunter- bzw. hochgefahren. Dabei liegt ein gesteuerter Betrieb vor, der PID-Regler 42 ist deaktiviert. Auch hier ist die zeitliche Dauer dieser Rampe durch Vorgabe der Adaptionszeitkonstanten TA festgelegt. Sie liegt in den Fig. 3-5 bei 0,5 Sekunden. Diese Phase tritt in Fig. 3 in den Zeiträumen t = 5-6 Sekunden bzw. t = 13-14 Sekunden auf. In Fig. 4 in den nach Sekunden bemessenen Zeiträumen 4-5 und 6,5-7,5 und 14,5-15,5; in Fig. 5 in den Zeiträumen 5-6 und 6,5-7,5 und 8-9 und 10,5-11,5.
Ein Wechsel der Stellung des Umschalters 48 hebt die Wirkung des Rampengenerators 43 auf und führt zur:
3. Betriebsart Regelbetrieb
Dies ist die meist vorliegende Betriebsart. Der PID-Regler 42 erhöht bzw. erniedrigt die Drehzahl n der drehzahlvariablen Pumpe 11 über sein Stellsignal n1 entsprechend der Differenz zwischen Soll- und Istwert des Förderdruckes.
Die Parameterschätzung und die Berechnung der zugehörigen Reglerparameter werden nur während einer Phase 1 (Erstadaption) und Phase 2 (Nachadaption) durch­ geführt. Innerhalb von Phase 3 dagegen werden die Reglerparameter konstant gehalten, um ein lineares Regelverhalten zu gewährleisten. Das Vorhandensein einer Totzeit (in allen Abbildungen etwa Tt = 0.2 Sekunden) zwingt zu einer zeitlichen Ver­ zögerung τ des Identifikationsvorgangs, wodurch sich kurzzeitige zeitliche Über­ schneidungen zwischen Phase 3 (Regelbetrieb) und den beiden Adaptionsphasen er­ geben können. Diese sind jedoch im praktischen Betrieb ohne schädliche Auswirkung.
Fig. 3 zeigt eine korrekt verlaufende Adaption der Reglerparameter. Während des Hochlaufvorgangs kommt es zu den Zeitpunkten t = 2,5 bzw. t = 3,5 Sekunden kurz­ zeitig zu einem Erreichen der oberen Schätzgrenze TNO für die Nachstellzeit TN. Hier­ durch wird der Adaptionsvorgang angehalten, der zuletzt geschätzte Wert der Nach­ stellzeit TN verworfen und auf den Mittelwert TN * gesetzt. Gleiches geschieht auto­ matisch mit der Reglerverstärkung kP, obgleich diese ihren zulässigen Bereich [kPN, kPO] nicht verlassen hat. Beim Ende der Anfahrrampe im Zeitpunkt t = 4,5 Sekunden liegt ein stabiler Satz Reglerparameter vor, der zum Zeitpunkt t = 13,5 Sekunden noch ge­ ringfügig modifiziert wird. Dieses Wertepaar [kP, TN] stellt ein stabiles und gleicher­ maßen ausreichend schnelles Reglerverhalten sicher.
Fig. 4 zeigt dagegen eine nicht korrekt verlaufene Adaption der Reglerparameter. Die Ursache liegt nicht in einer falschen Identifikation der Streckenparameter kS, TS, sondern in einer falschen Einstellung der Festwerte a, b für die Parameteradaption, wodurch sich der Ausregelvorgang deutlich verlangsamt.
Fig. 5 zeigt eine ebenfalls korrekte Adaption der Reglerparameter. Gezeigt wird ein Hochlauf bei hohem Fördermengenbedarf qist, was zur Aktivierung von insgesamt drei zusätzlichen Netzpumpen 21 führt. Dies ist ersichtlich am Anstieg der Regelgröße pist zu den Zeitpunkten t = 6, 7,5 und 9 Sekunden. Der durch das Vorhandensein nichtre­ gelbarer drehzahlstarrer Förderpumpen 2 verringerte Regeleingriff der drehzahlva­ riablen Pumpe 11 führt zu einer deutlich höheren Reglerverstärkung kP. Die fehlende Dämpfung der Regelstrecke durch die Wegnahme des Druckpolsters im Druckaus­ gleichsbehälter 3 macht sich bei der Adaption der Reglerparameter durch eine deutlich verringerte Nachstellzeit TN bemerkbar. Im Zusammenhang mit der derart entdämpften Regelstrecke führt dies zu leichten Schwingungen von Stell- und Regelgröße. Die maximale Amplitude dieser Oszillation liegt jedoch unterhalb von 5%, bezogen auf den Drucksollwert, und macht sich in räumlich ausgedehnten Rohrleitungssystemen kaum bemerkbar.
Bezugszeichenliste
kP
= Verstärkungsfaktor des PID-Reglers
kP
*= Standardeinstellung für kP
kPU
, kPO
= untere bzw. obere Grenze des Einstellbereiches für kP
TN
= Nachstellzeit des PID-Reglers
TNU
, TNO
, TN
*= Grenzen des Einstellbereiches und Standardeinstellung für TN
Tv= Vorhaltezeit des PID-Reglers
TVU
, TVO
, TV
*= Grenzen des Einstellbereiches und Standardeinstellung für TV
kS
= Streckenverstärkung des hydraulischen Systems (Regelstrecke)
TS
= Streckenzeitkonstante des hydraulischen Systems (Regelstrecke)
Tt
= Totzeitkonstante des hydraulischen Systems (Regelstrecke)
f1
, f2
, f3
= Funktionale für die Parameteradaption
a, b, c= Festwerte für die Parameteradaption
pist
= Förderdruck (Regelgröße)
psoll
= Sollwert für den Förderdruck (Führungsgröße)
pvor
= Vordruck (Störgröße)
n, nm
= Drehzahlsollwert n der Regelpumpe m (Stellgröße des Druckreglers)
nm,min,
nm,max
= Mindest- und Höchstdrehzahl einer Regelpumpe m
M, N= Anzahl aktiver drehzahlvariabler (M) bzw. -starrer (N) Regelpumpen
qist
= Durchfluß oder Fördermenge pro Zeiteinheit (Störgröße)
qmin
= Mindermengenbedarf (sehr geringer Durchfluß: qist
= qmin
≈ 0)
T0
= Abtastzeitkonstante des Mikroprozessorsystems
TA
= zeitliche Dauer von einem Adaptionszyklus
u, y= Eingangs- bzw. Ausgangsgröße des Parameterschätzers
G(s) = Übertragungsfunktion eines linearen zeitinvarianten Systems
g
, g T
= Signalvektor des RLS-Schätzers bzw. dessen Transponierte
m
, m T
= Parametervektor des RLS-Schätzers bzw. dessen Transponierte
m1
, m2
= Komponenten des Parametervektors
Φ
= Hilfsmatrix des RLS-Schätzers
λ= Gedächtnisfaktor des RLS-Schätzers
t= kontinuierliche Zeit
ν= diskrete Zeit
s= komplexwertige Frequenz (für eine Übertragungsfunktion)
τ= kompensatorische Totzeit des Mikroprozessorsystems
Tt
= reale Totzeit des physikalischen Systems

Claims (13)

1. Pumpenanordnung zur Druckregelung mit mindestens zwei parallel geschalteten Kreiselpumpen (11, 21) zur mengenvariablen Förderung von Flüssigkeiten in Rohr­ leitungssystemen, wobei auf der Druckseite (9) der Pumpenanordnung ein Druck­ sensor (5) zur Erfassung des Förderdruckes angeordnet ist und ein Mikroprozes­ sorsystem (4) in Abhängigkeit vom Signal des Drucksensors (5) durch Beeinflussung der Drehzahl von mindestens einer als Regelpumpe verwendeten, drehzahlvariablen Kreiselpumpe (11) den Förderdruck der Pumpenanordnung regelt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem Aktivierungs- und/oder Deaktivierungsvorgang einer oder mehrerer der Regelpumpen (11, 21) während einer zeitlichen Adaptionsphase von der Dauer (TA) das Mikroprozessorsystem (4) den Zeitverlauf der von ihm gebil­ deten Stellgröße des Drehzahlsollwertes (nm) aller M aktiven drehzahlvariablen Re­ gelpumpen (11) und des daraus resultierenden und mit Hilfe eines Drucksensors (5) erfassten Zeitverlaufes des Förderdrucks (pist) ermittelt, daß das Mikroprozessor­ system (4) aus den Zeitverläufen von Stellgröße (nm) und Regelgröße (pist) Kenn­ größen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke errechnet und daß das Mikroprozessorsystem (4) aus den Kenngrößen Parameter eines Reglers (42) ermittelt und einstellt.
2. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Dauer (TA) einer Adaptionsphase der Reglerparameter dem vielfachen Wert einer Abtastzeitkonstanten (T0) des Mikroprozessorsystems (4) entspricht.
3. Pumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem (4) mit Hilfe einer Identifikationsinstanz (400) auf Basis eines rekursiven Parameter-Schätzverfahrens für ein mathematisches Modell in der Struktur eines PTN-Gliedes die Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke errechnet.
4. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckenverstärkung (kS) und die Streckenzeitkonstante (TS) der Regel­ strecke die Kenngrößen für das regelungstechnische Verhalten der Regelstrecke bilden.
5. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem (4) die Parameter eines PID-Reglers (42) mit Hilfe der Einstellregeln nach Formel (2a) aus den Kenngrößen der Regel­ strecke
kP = f1(kS, TS, T0) TN = f2(kS, TS, T0) TV = f3(kS, TS, T0) (2a)
ermittelt.
6. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem erstmaligen Einschalten des Mikroprozessorsystems (4) in einer Initialisierungsphase vordefinierte Standardwerte kP*, TV* und TN* als Reglerparameter verwendet werden.
7. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein jeweils neuer Adaptionszyklus innerhalb der Identifika­ tionsinstanz (400) mit den im vorangegangenen Zyklus zuletzt ermittelten Werten gestartet wird.
8. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem (4) mit einer Instanz zur Adap­ tionsüberwachung (47) die Unzulässigkeit von Reglerparametern erkennt, die außerhalb der vom Hersteller oder Nutzer der Pumpenanordnung definierten Be­ reiche liegen, wobei die Bereiche durch Vorgabe der unteren und oberen Grenz­ werte für den jeweiligen Reglerparameter spezifiziert sind.
9. Pumpenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikropro­ zessorsystem (4) nach Erkennung der Unzulässigkeit von Reglerparametern die zuletzt errechneten Reglerparameter löscht und im nächsten Rechenschritt auf vor­ definierte Standardwerte kP*, TV* und TN* zurücksetzt.
10. Pumpenanordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroprozessorsystem eine Eingangsgröße u(ν) für eine Identifikationsinstanz (400) mit Hilfe eines Rechenblockes (45) nach der Formel:
bildet, wobei die Eingangsgröße u(ν) aus der Anzahl M der Solldrehzahlen n1(ν) bis nM(ν) aller M drehzahlvariablen Regelpumpen (11) mit deren festgelegten Mindest­ drehzahlen n1,min bis nM,min ermittelt wird.
11. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im druckseitigen Rohrleitungssystem (9) durch die aktivierten Regel­ pumpen (11, 21) nicht zu kompensierenden Unterdruck vor der Aktivierung einer zu­ sätzlichen Regelpumpe (11, 21) alle aktivierten drehzahlvariablen Regelpumpen (11) vom Regler (42) getrennt und für die Dauer (TA) einer zeitlichen Adaptionsphase in ihrer Drehzahl gesteuert abgesenkt werden und daß die Aktivierung einer zusätz­ lichen Regelpumpe (11, 21) nach Ablauf eines Teils der Dauer von (TA) erfolgt und nach Ablauf der Gesamtdauer (TA) alle drehzahlvariablen Regelpumpen (11) an den Regler übergeben werden.
12. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im druckseitigen Rohrleitungssystem (9) durch die aktivierten Regel­ pumpen (11, 21) nicht zu kompensierenden Überdruck vor der Deaktivierung einer überzähligen Regelpumpe (11, 21) alle aktivierten drehzahlvariablen Regelpumpen (11) vom Regler (42) getrennt und für die Dauer (TA) einer zeitlichen Adaptionsphase in ihrer Drehzahl gesteuert angehoben werden und daß die Deaktivierung einer überzähligen Regelpumpe (11, 21) nach Ablauf eines Teils der Dauer von (TA) erfolgt und nach Ablauf der Gesamtdauer (TA) alle übrigen drehzahlvariablen Regel­ pumpen (11) an den Regler übergeben werden.
13. Pumpenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein manuell eingestellter oder automatisch ermittelter Zeitver­ satz τ zwischen den Signalen der Eingangsgrößen u(ν) und y(ν) der Identifika­ tionsinstanz (400) eine in der Regelstrecke vorhandene Totzeit Tt kompensiert.
DE19842565A 1998-09-03 1998-09-17 Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen Expired - Fee Related DE19842565B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19842565A DE19842565B4 (de) 1998-09-03 1998-09-17 Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19840091.8 1998-09-03
DE19840091 1998-09-03
DE19842565A DE19842565B4 (de) 1998-09-03 1998-09-17 Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE19842565A1 true DE19842565A1 (de) 2000-03-09
DE19842565B4 DE19842565B4 (de) 2005-08-25

Family

ID=7879632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19842565A Expired - Fee Related DE19842565B4 (de) 1998-09-03 1998-09-17 Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19842565B4 (de)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10151227C1 (de) * 2001-10-16 2003-06-18 Hans Gustat Schaltung für die Steuerung von Wasserversorgungsanlagen und Verfahren der Steuerung
WO2007118706A1 (de) * 2006-04-19 2007-10-25 Ksb Aktiengesellschaft Kreiselpumpenaggregat mit schaltvorrichtung
DE102009039515A1 (de) * 2009-08-31 2011-03-03 Vcs Medical Technology Gmbh Vakuumtherapievorrichtung
DE102010055841A1 (de) * 2010-12-23 2012-06-28 Wilo Se Verfahren zum Betrieb eines Doppelpumpen- oder Multipumpenaggregates
CN105492768A (zh) * 2013-08-29 2016-04-13 卓越有限公司 用于确定正容积式泵中的物理变量的方法
DE102014222962A1 (de) * 2014-11-11 2016-05-12 Ksb Aktiengesellschaft Effizienter Betrieb von Mehrpumpenanlagen
DE102016119207A1 (de) * 2016-10-10 2018-04-12 Nolta Gmbh Pumpensteuerungseinrichtung, Pumpeinrichtung, Abwasseraufbereitungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei Pumpen
US10359040B2 (en) 2011-04-29 2019-07-23 Allweiler Gmbh Controller for controlling a frequency inverter and control method
CN110520804A (zh) * 2017-03-20 2019-11-29 B&R工业自动化有限公司 用于确定液压系统的调节参数的方法
EP4206471A1 (de) * 2021-12-30 2023-07-05 Wilo Se Verfahren zur regelung einer kreiselpumpe

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011050018A1 (de) * 2011-04-29 2012-10-31 Allweiler Gmbh Pumpen-System
DE102011115650B4 (de) 2011-09-28 2022-03-03 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Diagnose des Zustandes einer hydrostatischen Verdrängermaschine und hydraulische Anordnung mit hydrostatischer Verdrängermaschine
DE102013109412A1 (de) * 2013-08-29 2015-03-05 Prominent Gmbh Verfahren zur Verbesserung von Dosierprofilen von Verdrängerpumpen
DE102017223189A1 (de) 2017-12-19 2019-06-19 KSB SE & Co. KGaA Mehrpumpenanlage und Verfahren zu deren Betrieb
DE102022213991A1 (de) 2022-12-20 2024-06-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Verringerung von Leistungsverlusten in einem elektrohydraulischen System

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2756916A1 (de) * 1977-12-21 1979-06-28 Danfoss As Verfahren und regler zum bedarfsabhaengigen regeln der foerdermenge einer pumpenanordnung
US4624625A (en) * 1981-10-08 1986-11-25 Hewlett-Packard Company High pressure metering pump
EP0718496A2 (de) * 1994-12-19 1996-06-26 Martin Marietta Corporation Elektrohydraulisches System mit variabler Unterstützung
US5540555A (en) * 1994-10-04 1996-07-30 Unosource Controls, Inc. Real time remote sensing pressure control system using periodically sampled remote sensors

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2756916A1 (de) * 1977-12-21 1979-06-28 Danfoss As Verfahren und regler zum bedarfsabhaengigen regeln der foerdermenge einer pumpenanordnung
US4624625A (en) * 1981-10-08 1986-11-25 Hewlett-Packard Company High pressure metering pump
US5540555A (en) * 1994-10-04 1996-07-30 Unosource Controls, Inc. Real time remote sensing pressure control system using periodically sampled remote sensors
EP0718496A2 (de) * 1994-12-19 1996-06-26 Martin Marietta Corporation Elektrohydraulisches System mit variabler Unterstützung

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10151227C1 (de) * 2001-10-16 2003-06-18 Hans Gustat Schaltung für die Steuerung von Wasserversorgungsanlagen und Verfahren der Steuerung
WO2007118706A1 (de) * 2006-04-19 2007-10-25 Ksb Aktiengesellschaft Kreiselpumpenaggregat mit schaltvorrichtung
CN101427190B (zh) * 2006-04-19 2013-05-15 Ksb股份公司 具有开关装置的离心泵总成
DE102009039515A1 (de) * 2009-08-31 2011-03-03 Vcs Medical Technology Gmbh Vakuumtherapievorrichtung
DE102010055841A1 (de) * 2010-12-23 2012-06-28 Wilo Se Verfahren zum Betrieb eines Doppelpumpen- oder Multipumpenaggregates
US10359040B2 (en) 2011-04-29 2019-07-23 Allweiler Gmbh Controller for controlling a frequency inverter and control method
CN105492768B (zh) * 2013-08-29 2019-05-03 卓越有限公司 用于确定正容积式泵中的物理变量的方法
CN105492768A (zh) * 2013-08-29 2016-04-13 卓越有限公司 用于确定正容积式泵中的物理变量的方法
DE102014222962A1 (de) * 2014-11-11 2016-05-12 Ksb Aktiengesellschaft Effizienter Betrieb von Mehrpumpenanlagen
DE102016119207A1 (de) * 2016-10-10 2018-04-12 Nolta Gmbh Pumpensteuerungseinrichtung, Pumpeinrichtung, Abwasseraufbereitungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei Pumpen
DE102016119207B4 (de) * 2016-10-10 2020-03-12 Nolta Gmbh Pumpensteuerungseinrichtung, Pumpeinrichtung, Abwasseraufbereitungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb von wenigstens zwei Pumpen
CN110520804A (zh) * 2017-03-20 2019-11-29 B&R工业自动化有限公司 用于确定液压系统的调节参数的方法
US11149756B2 (en) 2017-03-20 2021-10-19 B&R Industrial Automation GmbH Method for determining closed-control parameters for a hydraulic system
EP4206471A1 (de) * 2021-12-30 2023-07-05 Wilo Se Verfahren zur regelung einer kreiselpumpe

Also Published As

Publication number Publication date
DE19842565B4 (de) 2005-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19842565A1 (de) Automatische Ermittlung der PID-Reglerparameter für einen Druckregelkreis in Mehrpumpenanlagen
DE69728254T2 (de) Regelsystem für dynamische kompressoren zur verhinderung des wiederauftretens des pumpens
DE102014112356B4 (de) Pumpspeicherkraftwerk
DE69823271T2 (de) Verbesserter adaptiver Durchflussregler
EP0132487B1 (de) Verfahren zum Regeln von mindestens zwei parallel geschalteten Turbokompressoren
DE69912942T2 (de) Regelungsystem für den betrieb mehrerer pumpen
EP2573400B1 (de) Verfahren zum Steuern einer Kompressoranlage
DE19742799B4 (de) Automatische Anpassung des Stellbereiches eines Druckregelkreises in Mehrpumpenanlagen
EP2678563B1 (de) Leistungsoptimiertes betreiben einer elektromotorisch angetriebenen pumpe durch mitkopplung
EP1134422A2 (de) Verfahren zur Regulierung des Pumpens eines Turbokompressors
DE3601288A1 (de) Wassergetriebener maschinensatz mit wirkungsgradoptimaler vorgabe des drehzahlsollwertes
DE102010055841A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Doppelpumpen- oder Multipumpenaggregates
EP2579112A1 (de) Regeleinrichtung
DE102007010768A1 (de) Verfahren für die Optimierung der Ventilstellung und der Pumpendrehzahl in einem Ventilsystem mit PID-Regelung ohne die Verwendung externer Signale
DE1628228B2 (de) Regelvorrichtung fuer einen verdichter
DE3809881A1 (de) Regelverfahren zur vermeidung des pumpens eines turbokompressors
DE19644961A1 (de) Verfahren zum Steuern des Motor-Pumpe-Systems einer hydraulischen Baumaschine
DE2735246A1 (de) Regeleinrichtung fuer einen turboverdichter
EP0822332B1 (de) Wasserkraftanlage
EP1936205A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats
CH639176A5 (de) Verfahren zur steuerung der leitschaufeln einer mehrstufigen hydraulischen maschine bei einem betriebsunterbruch.
DE3032023C2 (de)
DE946589C (de) Vorrichtung zur Drehzahlregulierung bzw. -ueberwachung, insbesondere bei Dampfturbinen
DE102022203051B3 (de) Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Pumpe
DE4122631A1 (de) Verfahren zum geregelten betreiben von verdichtern

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
8110 Request for examination paragraph 44
8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20120403