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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpvorrichtung mit mindestens einem intelligenten Pumpenmodul im Sinne oder ähnlich von Anforderungen aus ”Industrie 4.0” und einer Kontroll- und Steuereinheit im Sinne oder ähnlich von ”SCADA”.
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”Industrie 4.0” betrifft Automatisierungstechnik, die durch die Einführung von Verfahren der Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration, Selbstdiagnose und Kognition intelligenter werden und die Menschen bei ihrer zunehmend komplexen Arbeit besser unterstützen soll. ”SCADA” ist die Abkürzung für ”Supervisory Control and Data Acquisition” und bedeutet das Überwachen und Steuern technischer Prozesse mittels eine übergeordneten Computer-systems.
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Es ist bekannt, mehrere Vakuumpumpen gemeinsam über einen Frequenzumrichter für den Elektroantrieb der Vakuumpumpen anzusteuern. Die Intelligenz des Pumpenmoduls ermöglicht einen weitgehend selbstständigen Betrieb und unter anderem eine weitgehend selbstständige Anpassung an neue betriebliche Situationen oder Abläufe. Hierzu weist ein intelligentes Pumpenmodul im Sinne des vorliegenden Textes jeweils eine entsprechende Elektronik, zum Beispiel in Form eines intelligenten Frequenzumrichters oder einer modulinternen Elektronik (intelligente Kontroll-/Steuereinheit oder Regeleinheit), auf. Bei den bekannten Pumpenmodulen, die mehrere Vakuumpumpen aufweisen, besteht eine Schwierigkeit in der Synchronisation der Pumpen. Meist werden die Vakuumpumpen gleichzeitig aktiviert, wobei die schneller drehenden Pumpen solange gebremst werden, bis deren Drehfrequenz derjenigen der langsameren Pumpe entspricht. Dieses Prinzip ist umständlich und führt zu Leistungsverlusten. Die Vakuumpumpen werden typischerweise gleichzeitig aktiviert, wobei das Pumpenmodul die Synchronisation der Drehfrequenz der Vakuumpumpen im Modul selbstständig regelt. Die Regelung erfolgt, bis die Drehfrequenz der langsameren Pumpe(n) der schneller drehenden Pumpe(n) entspricht (Drehzahlerhöhung), alle Pumpen die gleiche Drehzahl haben, oder die Drehfrequenz der schnelleren Pumpe(n) der langsam drehenden Pumpe(n) entspricht (Drehzahlverringerung). Die bisherige Synchronisation ist aufwendig und muss durch ein separates Überwachungssystem geregelt werden. Ferner besitzen herkömmliche Vakuumpumpmodule keine Fähigkeiten (künstliche Intelligenz) Verfahren zur Selbstdiagnose, -optimierung, -konfiguration durchzuführen bzw. umzusetzen oder kognitiv zu arbeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derart vereinfachte Steuerung für ein intelligentes Vakuumpumpenmodul aus mehreren Vakuumpumpen zu schaffen, dass eine weitgehend vereinfachte Anbindung an eine übergeordnete Steuerung ermöglicht. Separate Beschaltungen und Überwachungen entfallen weitestmöglich und minimieren so die Installationskosten.
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Die erfindungsgemäße Vakuumpumpvorrichtung ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1.
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Demnach sind die Vakuumpumpen eines Pumpenmoduls sowie die Modulelektronik über die gemeinsame Datenbusleitung miteinander verbunden. Das Pumpenmodul ist zum gleichzeitigen Erkennen und Betreiben von mindestens n – 1 der Vakuumpumpen ausgebildet. Bei n handelt es sich dabei um eine natürliche Zahl größer als 1. Genau eine der betriebenen Vakuumpumpen wird als Masterpumpe mit einer Masterfrequenz betrieben, die den übrigen der betriebenen Vakuumpumpen als Slavepumpen vorgegeben wird. Diese Masterpumpe übernimmt mit Hilfe einer geeigneten intelligenten Elektronik Steuer- und Regelfunktionen für das Modul und ist Bestandteil desselben. Das Anlaufen der Vakuumpumpen erfolgt dadurch auf einfache Weise synchron, weil lediglich die Datenbusleitung dazu erforderlich ist, den Slavepumpen die Frequenz der Masterpumpe vorzugeben. Ein Einbremsen zu schnell drehender Pumpen ist nicht erforderlich. Im Falle einer defekten Pumpe kann der Defekt über die Datenbusleitung der Modulelektronik und der Kontrolleinheit umgehend mitgeteilt werden. Die Zuordnung von Master und Slave erfolgt vorzugsweise über einen intelligenten Frequenzumrichter oder eine modulinterne Elektronik (intelligente Kontroll-/Steuereinheit).
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Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist, dass jede der Vakuumpumpen eines Pumpenmoduls dazu geeignet ist, wahlweise als Masterpumpe oder als Slavepumpe betrieben zu werden oder als Reservepumpe nur bei Bedarf betrieben zu werden. Das heißt mit anderen Worten, dass jede der Vakuumpumpen mit einer vorgegebenen Frequenz als Masterfrequenz, die den übrigen Pumpen als Slavepumpen vorgegeben wird, betrieben werden kann. In entsprechender Weise kann jede der Pumpen als Slavepumpe mit der Frequenz der jeweiligen Masterpumpe betrieben werden. Von den n Vakuumpumpen wird eine Vakuumpumpe als Masterpumpe betrieben. Die übrigen n – 1 Pumpen können als Slavepumpen betrieben werden. Alternativ ist denkbar, dass nur n – 2 Pumpen als Slavepumpen der Masterpumpe folgend betrieben werden und eine Pumpe als Reservepumpe nur im Bedarfsfall betrieben wird. Beispielsweise kann die Reservepumpe automatisch aktiviert und hochgefahren werden, wenn ein Ausfall einer der übrigen Pumpen detektiert wird. Diese Erkennung ist Aufgabe der Masterpumpe mit Frequenzumrichter und der modulinternen Elektronik (intelligente Kontroll-/Steuereinheit). Die Reservepumpe kann je nach Anwendungsfall als Masterpumpe oder als eine der Slavepumpen eingesetzt werden.
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Die Masterpumpe überwacht die Betriebszustände und Status der zu dem Pumpenmodul gehörenden Vakuumpumpen. Im Störfall meldet die jeweilige Vakuumpumpe den Fehler an die Masterpumpe. Eine als defekt erkannte Pumpe wird automatisch abgeschaltet und die Reservepumpe des Moduls automatisch zugeschaltet. Die Betriebsbedingungen der abgeschalteten Pumpe werden der Reservepumpe über die Datenbusleitung mitgeteilt. Der Reservepumpe wird dann also auch die Masterfrequenz der Masterpumpe vorgegeben.
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Die als Reservepumpe eingesetzte Vakuumpumpe wird regelmäßig gewechselt, um eine gleichmäßige Betriebsdauer der Pumpen zu gewährleisten. Der Wechsel der Reservepumpe innerhalb des Moduls kann automatisch nach einer vorgegebenen Zeit in regelmäßigen Abständen erfolgen oder alternativ bei jedem erneuten Hochfahren des Pumpenmoduls.
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Über die Datenbusleitung können einer Masterpumpe Betriebsparameter der einzelnen Vakuumpumpen übermittelt werden, wie zum Beispiel die Masterfrequenz, die Drehrichtung, Ventilzustände, Temperatur und Drücke. Prozessbedingtes Rückwärtsdrehen einer der Vakuumpumpen wird automatisch erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet, zum Beispiel eine Gegenstrombremse aktiviert und/oder die jeweilige Vakuumpumpe oder das gesamte Pumpenmodul abgeschaltet. Die Gefahr von Schäden durch ein ungewünschtes Rückwärtsdrehen einzelner Vakuumpumpen ist dadurch vermieden.
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Das Pumpenmodul ist mit einer Kommunikationsschnittstelle zum Verbinden mit einem externen Personalcomputer oder einem Betriebs-(SCADA o. ä.) bzw. Datennetzwerk (LAN, WLAN, Internet) versehen. Die Betriebsparameter der Pumpen können so auch zur Ferndiagnose oder Fernsteuerung übertragen bzw. geändert werden.
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Als Vakuumpumpen kommen einstufige oder mehrstufige Pumpen in Betracht. So kann es sich bei den Vakuumpumpen eines Moduls beispielsweise um Vorvakuumpumpen oder um Roots- bzw. Hochvakuumpumpen handeln. Ein Pumpenmodul mit Vorvakuumpumpen kann zum Beispiel mit einem Pumpenmodul mit Rootspumpen derart gekoppelt betrieben werden, dass die beiden Module ein Pumpensystem aus Vorvakuumpumpen und Rootspumpen bilden. Dabei sind selbstverständlich beliebige Kombinationen aus verschiedenartigen Pumpenmodulen denkbar, um mehrstufige Pumpensystem zu bilden.
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Als Vakuumpumpen eines Pumpenmoduls kommen jeweils auch mehrstufige Pumpen in Betracht. So kann es sich beispielsweise bei jeder Vakuumpumpe eines Pumpenmoduls um einen mehrstufigen Pumpenstand mit einer Vorvakuumstufe und mindestens einer Roots- bzw. Hochvakuumstufe handeln.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, mehrere der Pumpenmodule, die jeweils mehrere Vakuumpumpen und eine mit den Pumpen verbundene Datenbusleitung aufweisen, separat und parallel zu betreiben. Die Verbindung erfolgt dabei über den Datenbus an die jeweilige Adresse des Pumpenmoduls. Einander entsprechende Pumpen verschiedener Pumpenmodule können dann beispielsweise mit denselben Steuerbefehlen angesteuert werden, um ein synchrones Hochfahren und einen Synchronbetrieb der parallelgeschalteten Pumpenmodule zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die Vakuumpumpen eines Pumpenmoduls vom gleichen Typ mit gleichen Eigenschaften. Beispielsweise kann es sich bei sämtlichen Pumpen eines Pumpenmoduls um Vorvakuumpumpen und bei den Vakuumpumpen eines anderen Pumpenmoduls um Roots-Pumpen handeln. Diese Funktionalität ermöglicht über den Betrieb eines Pumpenmoduls als ”Stand-alone-Modul” auch den parallelen Betrieb von gleichartigen Pumpmodulen, den Betrieb eines Vorvakuummoduls mit ein oder zwei Roots-Stufen.
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Auf diese Weise können auch Pumpensysteme aus Vorvakuumpumpen und mindestens einer Hochvakuumpumpe gebildet werden. Die Vorvakuumpumpen der Pumpensysteme bilden dabei dann ein Pumpenmodul und die Hochvakuumpumpen der zweiten Stufe ein weiteres Pumpenmodul. Im Falle eines drei- oder mehrstufigen Systems würden dann die Pumpen jeder Stufe ein Pumpenmodul bilden.
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Ebenfalls denkbar ist, dass es sich bei den Vakuumpumpen des Pumpenmoduls um eine Vorvakuumpumpe und mindestens eine Hochvakuumpumpe handelt, die ein Pumpensystem bilden. Im Falle eines Pumpensystems, das aus Rootspumpen und Schraubenpumpen besteht, ist es möglich, zuerst die Schraubenpumpe und dann die Rootspumpe zu starten und anschließend zuerst die Rootspumpe und dann die Schraubenpumpe zu stoppen. Die Schraubenpumpe ist dabei die Masterpumpe und wird über die Datenbusleitung angesteuert und die Rootspumpe ist die Slavepumpe. Mehrstufige Systeme zum Beispiel aus einer Vorvakuumpumpe und zwei Hochvakuumpumpen sind ebenfalls denkbar.
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Die intelligente Vakuumpumpenvorrichtung kann Betriebszustände eigenständig erkennen und dem Zustand entsprechend in geeigneter Weise durch gegebene Modulfunktionalitäten reagieren. Mehrere Beispiele seien hier genannt: Etwa eine Saugvermögensanpassung mittels PID-Regelung, die Aktivierung/Deaktivierung von Ventilen (z. B. Gasballast oder Sperrgas) oder etwa die Einhaltung von vorgegebenen Werten für Druck und Gastemperatur. Die Vakuumpumpenvorrichtung kann zur Saugvermögensanpassung als PID-(proportional integral derivative-)Regler ausgebildet sein oder eine PID-Funktionalität aufweisen, bei dem/der beispielsweise der Druck und die Gastemperatur vorgegeben werden. Bei sinkender Gaslast können Pumpen innerhalb des Moduls abgeschaltet werden und in entsprechender Weise können bei steigender Gaslast Pumpen innerhalb eines Moduls zugeschaltet werden. Der Wirkungsgrad, die Energieeffizienz und die Auspumpzeit werden dadurch verbessert. Das Saugvermögen eines jeweiligen Pumpenmoduls kann berechnet und beispielsweise über die Schnittstelle zur Anzeige kommuniziert werden. Das Pumpenmodul kann eine Lagerdiagnose durchführen, bei der die Betriebszeit und die Stromaufnahme gewertet werden oder ein Vergleich zu anderen Pumpen innerhalb des Moduls erfolgt. Bei anstehender Wartung oder Ausfall einer Pumpe kann eine automatische Benachrichtigung an einen Servicetechniker erfolgen.
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An dem Einlass eines Pumpenmoduls kann eine Ermittlung des Druckes erfolgen, um den Pumpvorgang im Falle kritischer Gase wie zum Beispiel Argon zu kontrollieren und um den Rezipientendruck unter Berücksichtigung der vorab installierten Leistungsgeometrie zu berechnen. Weiterhin ist denkbar, den Arbeitspunkt zu optimieren, indem Betriebszustände der Pumpen mit Hilfe von Kennlinien abgestimmt werden, insbesondere bei zweistufigen Modulkombinationen mit einem Vorpumpenmodul und einem Rootspumpenmodul. Dadurch können die Energieeffizienz verbessert und Temperatur und Verschleiß reduziert werden.
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Sich wiederholende Prozesssituationen sollten selbstständig erkannt werden können (Kognition) und bestimmte Ablaufmuster für einen vorausschauenden und zeitoptimierten Betrieb hinterlegt werden (Taktbetrieb, Zykluserkennung, Lüftungspurge). Lastspitzen während des Betriebs sollen abgefangen werden können.
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Erfindungsgemäß kann somit eine Überwachung der Betriebszustände der Vakuumpumpen innerhalb eines Moduls erfolgen. Es kann eine Statusüberwachung der Pumpen erfolgen, eine Berechnung des Modulsaugvermögens und eine Ermittlung der optimalen Pumpenanzahl unter energetischen Gesichtspunkten sowie deren Anpassung, zum Beispiel eine Begrenzung des Saugvermögens. Der Eingangsdruck und die Eingangstemperatur sowie der Ausgangsdruck können überwacht werden. Eine gaslastabhängige Pumpenansteuerung und eine Steuerung der Ventile ist möglich. Eine Lagerdiagnose kann erfolgen, wobei der Service bei anstehender Wartung oder drohendem Ausfall automatisch benachrichtigt wird. Eine Erfassung der Betriebsstunden ist zur Lagerdiagnose innerhalb des Pumpenmoduls ebenfalls möglich.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel,
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel und
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Vakuumpumpvorrichtung 10, die aus einem intelligenten Pumpenmodul 12 mit Elektronik 12 und einer Kontrolleinheit 14 besteht und mit einer Kontrolleinheit 14 verbunden ist. Das Pumpenmodul 12 enthält n Vakuumpumpen 16. N ist eine natürliche Zahl größer als 1 und in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine natürliche Zahl größer als 4. Bei sämtlichen Vakuumpumpen 16 handelt es sich um Vorvakuumpumpen. Die erste Pumpe ist eine Masterpumpe, die Pumpen 2 bis n – 1 sind Slavepumpen und die Pumpe n ist eine Reservepumpe. Sämtliche der Pumpen 16 sind über eine Datenbusleitung 18 miteinander verbunden. Die Datenbusleitung 18 überträgt die Masterfrequenz der Masterpumpe an die übrigen Pumpen 2 bis n – 1. Die Masterfrequenz wird der Masterpumpe von der Kontrolleinheit 14 über den Datenkanal 20 in 1 vorgegeben. Über den Datenkanal 22 werden von der Datenbusleitung 18 übertragene Betriebsparameter sämtlicher Pumpen 16 an die Kontrolleinheit 14 übermittelt.
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Die Kontrolleinheit 14 betreibt das Pumpenmodul mit n Pumpen. Im Normalfall arbeiten die Pumpen 1 bis n – 1 gleichzeitig, wobei die Betriebsfrequenz der ersten Pumpe (Masterpumpe) als Betriebsfrequenz den Pumpen 2 bis n – 1 (Slavepumpen) vorgegeben wird. Die n-te Pumpe wird nicht betrieben, sondern dient vielmehr als Ersatz für eine defekte Pumpe. Das intelligente Pumpenmodul erkennt einen Defekt einer der Vakuumpumpen 16 über die Datenbusleitung 18. Im Fall eines erkannten Defekts einer der Vakuumpumpen 16 wird diese über den Datenbusleitung 18 abgeschaltet und die Reservepumpe n wird als Ersatz für die defekte Pumpe in Betrieb genommen. In diesem Fall wird auch der Reservepumpe n die Masterfrequenz der Masterpumpe als Betriebsfrequenz vorgegeben. Die Reservepumpe wird dann als Slavepumpe betrieben.
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Falls ein Defekt der Masterpumpe (erste Vakuumpumpe 16) erkannt wird, wird diese vom Modul abgeschaltet und die Reservepumpe n wird dann automatisch als Masterpumpe in Betrieb genommen, deren Masterfrequenz den übrigen Vakuumpumpen 16 als Betriebsfrequenz vorgegeben wird.
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Die Kontrolleinheit 14 ist Bestandteil einer übergeordneten Steuereinheit mit einer in den Figuren nicht dargestellten Schnittstelle zum Anschluss eines PC oder eines Datennetzwerks ausgebildet und wird über Ereignisse im Modul informiert. Über diese Schnittstelle können sämtliche Daten übertragen werden, die die Kontrolleinheit über den Datenkanal 22 erhält oder über den Datenkanal 20 an das Pumpenmodul 12 überträgt.
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Das Pumpenmodul 12 ist dazu ausgebildet, bei jedem neuen Hochfahren und in regelmäßigen Zeitabständen die als Reservepumpe eingesetzte Vakuumpumpe 16 zu wechseln, um einen gleichmäßigen Verschleiß der Pumpen 16 zu erzielen. In entsprechender Weise wird auch bei jedem neuen Hochfahren des Pumpenmoduls 12 eine andere Pumpe als Masterpumpe verwendet.
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Die Ausführungsbeispiele der 2 und 3 unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass mehrere Pumpenmodule 12 mit der Kontrolleinheit 14 parallel verbunden sind. Jedes der Pumpenmodule 12 kann mit der Kontrolleinheit 14 kommunizieren oder durch diese angesteuert werden. Die Funktion jedes der Pumpenmodule 12 erfolgt wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 weisen beide Pumpenmodule 12 Vorvakuumpumpen auf. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 weist das eine Pumpenmodul 12 Roots-Pumpen und das andere Pumpenmodul 12 Vorvakuumpumpen auf.
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Das vierte Ausführungsbeispiel nach 4 unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel dadurch, dass nur das untere der beiden dargestellten Pumpenmodule 12 über Datenkanäle 20, 22 mit der Kontrolleinheit 14 kommuniziert und beide Pumpenmodule 12 über einen weiteren Datenkanal 30 miteinander verbunden sind. Dadurch kann das mit der Kontrolleinheit 14 verbundene Pumpenmodul 12 Informationen über den Betriebszustand des anderen Pumpenmoduls 12 über den Datenkanal 30 erhalten. Jedes der beiden Pumpenmodule 12 wird mit genau einer Masterpumpe betrieben. Die Masterpumpe des unteren Pumpenmoduls 12 wird über den Datenkanal 30 über den Betriebszustand der Masterpumpe des anderen Pumpenmoduls 12 informiert. Über den Datenkanal 30 ist es möglich, das Pumpenmodul 12 mit den Rootspumpen direkt oder falls notwendig erst später hochzufahren, wenn dies pumpen- oder applikationsbedingt erforderlich ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 ist jede Vakuumpumpe 16 eine Dreistufenvakuumpumpe (Pumpstand). Jede Vakuumpumpe 16 besteht aus einer Vorvakuumpumpe und zwei Rootspumpen. Die Vorvakuumstufe bildet die erste Stufe 24. Die zweite Stufe 26 und die dritte Stufe 28 werden jeweils von einer Rootspumpe gebildet. Die Pumpen 16 sind mit Datenleitungen derart versehen, dass jede erste Stufe 24 Rückmeldungen über den Betrieb der beiden übrigen Stufen 26, 28 erhält. Diese Informationen können über die Datenbusleitung 18, mit denen jeweils die ersten Stufen 24 verbunden sind, ausgetauscht und übertragen werden. Auf diese Weise kann die Masterpumpe Informationen über den Betriebszustand jeder Pumpstufe jeder Vakuumpumpe 16 erhalten. In entsprechender Weise können diese Informationen auch der Kontrolleinheit 14 mitgeteilt werden.
