Verfahren und Regler zum bedarfsabhängigen Regeln der Fördermenge
einer Pumpenanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum bedarfsabhängigen
Regeln der Fördermenge einer Pumpenanordnung, insbesondere für ein Wasserwerk, und auf einen Regler zur Durchführung dieses Verfahrens,
Beim Betrieb eines Wasserwerks ist darauf zu achten, daß der Druck
im System innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird, und zwar unabhängig von der jeweils entnommenen Wassermenge. Dies wird beispielsweise
dadurch erreicht, daß eine Pumpe mit konstanter Fördermenge eingeschaltet wird, wenn der Wasserspiegel in einem
Wasserturm eine vorgegebene Grenze unterschreitet, und erst wieder ausgeschaltet wird, wenn eine obere Grenze überschritten
wird. Ähnliche Verhältnisse ergeben sich bei einem Windkessel; die Pumpe wird eingeschaltet, wenn der Druck im Windkessel einen
unteren Grenzwert unterschreitet, und erst wieder ausgeschaltet, wenn dieser Druck einen oberen Grenzwert überschreitet. Bei diesem
Vorgehen müssen gewisse Druckschwankungen in Kauf genommen werden. Außerdem ist ein Druckspeicher notwendig, der den Druck in denjenigen
Zeiten annähernd aufrechterhält, in denen die Pumpe nicht arbeitet.
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Es sind ferner Regelpumpen bekannt, bei denen durch Änderung der Drehzahl eine Änderung der Fördermenge möglich ist.
Solche Regelpumpen sind Jedoch, insbesondere wenn es sich um große Fördermengen handelt, außerordentlich teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem bei einer für
größere Fördermengen ausgelegten Pumpenanordnung unter vertretbaren Kosten ein gewünschter Druck im System auch bei
stark unterschiedlicher Flüssigkeitsentnahme aufrechterhalten wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fördermenge in Abhängigkeit vom Druck stetig geändert wird,
indem in einer unteren Fördermengenzone eine Regelpumpe mit in einem vorgegebenen Regelbereich stetig änderbarer Antriebsdrehzahl allein und in mindestens einer anschließenden oberen
Fördermengenzone parallel dazu mindestens eine Zusatzpumpe mit konstanter Antriebsdrehzahl betrieben wird und die Regelpumpe
bei Aufwärtsregelung bei dem am Ende des Regelbereichs erfolgenden Zuschalten einer Zusatzpumpe auf den Anfang ihres
Regelbereichs und bei Abwärtsregelung bei dem am Anfang des Regelbereichs erfolgenden Abschalten einer Zusatzpumpe auf
das Ende des Regelbereichs umgeschaltet wird.
Bei diesem Verfahren kann auf Druckspeicher, wie Wassertürme oder Windkessel, verzichtet werden. Der Druck im System wird
vielmehr durch die stetige Regelung der Regelpumpe und das Zuschalten einer oder mehrerer Zusatzpumpen aufrechterhalten.
Die Regelpumpe ist nur für einen Teil der gesamten Fördermenge ausgelegt und erfordert daher keinen allzu großen
Kostenaufwand. Die Zusatzpumpen sind aufgrund der konstanten Betriebsweise ohnehin preiswert. Mit Hilfe des Reglers lassen
sich Druckschwankungen im System weitgehend vermeiden. Darüber hinaus ist es möglich, bestimmte Abhängigkeiten zwischen dem
Bedarf und dem zu erzeugenden Druck herbeizuführen.
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Die Regelabweichung kann einer P- und gegebenenfalls I- und D-Behandlung
unterworfen werden. Auf diese Weise lassen sich Verdrängerpumpen gut regeln. Die Regelabweichung kann aber außerdem
auch einer Operation "ziehe die Quadratwurzel" unterworfen werden. Auf diese Weise kann das Ausgangssignal des Reglers
linearisiert werden, wenn Kreiselpumpen benutzt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dem Sollwert eine Führungsgröße hinzuzufügen, die von der Fördermenge abhängig
ist. Auf diese Weise können von der Fördermenge abhängige Druckabfälle im Leitungssystem berücksichtigt
werden, so daß der Druck an den Verbrauchsstellen annähernd konstant geha"1 ,en wird.
Diese Führungsgröße kann beispielsweise von der Summe der Drehzahlen aller Pumpen bzw. einer entsprechenden Größe
abgeleitet sein, weil diese Drehzahlsumme bei Verdrängerpumpen mit konstantem Hub der Fördermenge entspricht.
Es empfiehlt sich, aus der Führungsgröße höhere Frequenzen herauszufiltern. Damit bleiben kurzfristige Druckspitzen im
System unberücksichtigt, während bei reellen Änderungen des Verbrauchs das Druckgefälle zur Verbrauchsstelle kompensiert
wird.
Günstig ist es ferner, wenn nach einem Umschalten der Regelpumpe die Regelung für eine vorgegebene Ruhezeit unterbrochen
wird. Damit haben eventuell kurzzeitig nach dem Umschalten auftretende Störungen keinen Einfluß auf die Regelung.
Des weiteren kann durch den Regler die jeweils einzuschaltende Zusatzpumpe nach einer vorgegebenen Reihenfolge gewählt werden.
Auf diese Weise sind die Zusatzpumpen nicht bestimmten Fördermengenzonen zugeordnet. Es ergibt sich daher eine gleichmäßige
Abnutzung.
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Ein Regler zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Mikrorechner, durch einen
Druckfühler, der ein analoges Drucksignal abgibt, durch eine Druck-Sollwert-Einstellvorrichtung, durch eine Analog-Digital-Umsetzvorrichtung, über die zumindest das Drucksignal dem
Mikrorechner in digitaler Form zuführbar ist, durch eine für die Regelpumpe vorgesehene Steuervorrichtung, durch eine
Digital-Analog-Umsetzvorrichtung, über die ein vom Mikrorechner abgegebenes digitales Steuer-Stellsignal in analoger Form dieser
Steuervorrichtung zuführbar ist, und durch eine für jede Zusatzpumpe vorgesehene Schaltvorrichtung, der ein digitales Schalt-Stellsignal vom Mikrorechner zuführbar ist.
Ein solcher Mikrorechner kann aufgrund seiner Programmierung nicht nur als Regler aus der Regelgröße die entsprechende
Stellgröße berechnen, sondern auch die Stellgröße in das Steuer-Stellsignal für die Regelpumpe und das Schalt-Stellsignal für die Zusatzpumpen aufteilen, die Reihenfolge der
Zusatzpumpe festlegen, zusätzliche Rechenoperationen zur Korrektur und Kompensation ausführen und dergleichen mehr.
Da der Mikrorechner nur digital arbeitet, sind eingangsseitig
und ausgangsseitig Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Umsetzvorrichtungen vorgesehen, sofern eine Digitalsteuerung, wie
bei der Zusatzpumpen-Schaltvorrichtung, nicht ausreicht.
die
Über/Analog-Digital-Umsetzvorrichtung können auch einstellbare
Konstanten, wie Druck-Sollwert oder Proportionalitätsfaktor, zuführbar sein, die als Spannungen an Potentiometern abgeifbar
sind. Da diese Potentiometer durch das Steuerwerk des Mikrorechners nacheinander abgefragt werden, genügt eine derartige
Umsetzvorrichtung, um alle Konstanten in den Rechenprozeß einzuführen.
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Des weiteren ist es günstig, wenn die Analog-Digital-Umsetzvorrichtung
einen Vergleicher aufweist, dessen erster Eingang mit den umzusetzenden Analogsignalen versorgt wird, und dessen
zweiter Eingang mit dem Analogsignalausgang eines Digital-Analog-Wandlers
verbunden ist, wenn der Mikrorechner Speicher für Digitalsignale hat, die nacheinander mit dem Eingang des Digital-Analog-Wandle
rs verbunden werden, und wenn das vom Vergleichsergebnis abhängige Ausgangssignal des Vergleichers den Inhalt
der Digitalsignalspeicher nacheinander den jeweils zugehörigen Analogsignalen nachführt. Da sich ein Digital-Analog-Wandler
sehr viel einfacher und billiger herstellen läßt als ein Analog-Digital-Wandler, läßt sich die erstrebte Analog-Digital-Umsetzvorrichtung
mit einem solchen Digital-Analog-Wandler, einem Vergleicher und entsprechenden Speichern des
Mikrorechners verhältnismäßig preiswert aufbauen.
Des weiteren kann eine mit einem Eingang des Mikrorechners verbundene Zahlen-Eingabevorrichtung, mit der die Zahl der
vorhandenen Zusatzpumpen eingebbar ist, vorgesehen sein. Auf diese Weise ist der Mikrorechner davon informiert, wieviel
Zusatzpumpen zur Verfügung stehen.
Vorteilhaft ist ferner ein mit einem Eingang des Mikrorechners verbundener Programmschalter zum Wirksammachen
der Operation "ziehe die Quadratwurzel". Es kann daher wahlweise eine normale P-, gegebenenfalls auch I- und D-Behandlung
der Regelabweichung oder zusätzlich zu dieser die genannte Wurzelzieh-Operation angewendet werden, mit
der das Ausgangssignal linearisiert werden kann.
In ähnlicher Weise kann auch ein mit einem Eingang des Mikrorechners verbundener Programmschalter zur Berücksichtigung
einer von der Fördermenge abhängigen Führungsgröße bei der Berechnung des Stellsignals vorgesehen sein.
Der Regler ist dann wahlweise auf ein solches Programm umschaltbar.
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Ferner empfiehlt sich eine Anzeigevorrichtung und ein willkürlich betätigbarer Umschalter, mit dessen Hilfe die Anzeigevorrichtung
mit Digitalsignalspeichern für Eingangswerte oder daraus berechnete Werte verbindbar ist. Auf diese Weise läßt
sich der Speicherinhalt für verschiedene vorhandene Daten anzeigen.
Es kann auch eine mit einem Eingang des Mikrorechners verbundene Umschaltvorrichtung zur Einführung verschiedener
Integrationszeitkonstanten-Bereiche vorgesehen sein. Dies ergibt eine sehr große Breite bei der Auswahl dieser Integrationszeiten
.
Der Druckfühler ist zweckmäßigerweise am Ausgang der Pumpenanordnung
angebracht. Dies ergibt einerseits kurze Verbindungswege und andererseits einen verhältnismäßig kleinen
Regelkreis.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Reglers mit zugehöriger Pumpenanordnung und
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm für den Signalfluß des Reglers der Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Pumpenanordnung 1 veranschaulicht, die eine Regelpumpe 2 und vier Zusatzpumpen 3, 4, 5 und 6 aufweist, die
alle zueinander parallel in ein Leitungsnetz 7 geschaltet sind und Flüssigkeit über einen gemeinsamen Ausgang 8 an
nicht dargestellte Verbraucher 9 fördern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um das Leitungsnetz
eines Wasserwerks mit einer sehr großen Zahl von Verbrauchern. Die Regelpumpe 2 ist mit Hilfe eines Steuerwerks 10 derart
regelbar, daß die Fördermenge in einem vorgegebenen Regel-
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- ίο -
bereich stetig von einem Minimalwert auf einen Maximalwert geändert v/erden kann. Die Zusatzpumpen 3 bis 6 sind über eine
Schaltvorrichtung 11 einzeln oder in beliebiger Kombination ein- und ausschaltbar; sie liefern dann je eine konstante
Fördermenge. Die Zusatzpumpen sind untereinander gleich groß. Ihre Fördermenge entspricht etwa der Differenz zwischen maximaler
und minimaler Fördermenge der Regelpumpe 2.
Am Ausgang 8 der Pumpenanordnung 1 ist ein Druckfühler 12 vorgesehen,
der ein analoges Drucksignal p.. abgibt. Das Drucksignal
kann durch einen Strom zwischen 0 und 20 mA dargestellt sein, der einen Spannungsabfall an einem Widerstand R1 erzeugt.
Demzufolge steht das Drv^ksignal p.. als Spannung an einem Eingang
eines Analogsignal-Umschalters 13 an, der über eine Steuerleitung 14 derart angesteuert wird, daß er bei jedem Arbeitszyklus
seine Eingänge einmal abfragt. Die anderen Eingänge dieses Analogsignal-Umschalters 13 sind mit Einstellvorrichtungen
15a bis 15f verbunden, die je aus einem Potentiometer P bestehen, das zwischen einer festen Spannung U^ und
Masse geschaltet ist und dessen Abgriff mit dem genannten Eingang des Umschalters 13 verbunden ist. Lediglich beispielsweise
ist angegeben, daß mit der Einstellvorrichtung 15a die Druckreferenz H , mit der Einstellvorrichtung 15b die
Proportionalitätskonstante K, mit der Einstellvorrichtung 15c die Integralzeit T., mit der Einstellvorrichtung 15d
die Differentialzeit T,, mit der Einstellvorrichtung 15e
eine für den Druckabfall im Leitungsnetz maßgebende Konstante Cp und mit der Einstellvorrichtung 15f die Ruhelage
^n einstellbar ist.
Kernstück des Reglers ist ein Mikrorechner M, dem die über die Leitung 16 abgegebenen analogen Ausgangssignale des Umschalters
13 über eine Analog-Digital-Umsetzvorrichtung 17 zuführbar sind. Zu diesem Zweck ist ein Vergleicher 18 vorgesehen, dessen einer
Eingang 19 mit der Leitung 16 verbunden ist, während sein anderer Eingang 20 mit dem Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers
21 in Verbindung steht, der seinerseits über eine Datenleitung
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22 mit Digitalsignalspeichern 23» die im Mikrorechner M lediglich angedeutet sind, verbunden ist. Wenn der Vergleicher 18
über seine Ausgangsleitung 24 ein von Null verschiedenes Signal in den Mikrorechner M eingibt, wird der Inhalt des jeweils
maßgebenden Digitalsignalspeichers 23 solange verändert, bis das Nullsignal erreicht ist. Auf diese Weise werden die Digitalwerte in den Speichern 23 den Analogwerten des Druckfühlers
bzw. der Einstellvorrichtungen 15a bis 15f nachgeführt.
Der Mikrorechner M berechnet zwei Ausgangssignale, nämlich ein digitales Steuer-Stellsignal S1 und ein digitales Schalt-Stellsignal s». Ersteres wird über eine Datenleistung 25 an eine
Digital-Analog-Umsetzvorrichtung 26 gegeben. Diese liefert über die analoge Signalleitung 27 ein analoges Steuer-Stellsignal
an die Steuervorrichtung 10, die ihrerseits die Drehzahl und damit die Fördermenge der Regelpumpe 2 bestimmt. Über eine Datenleitung
28 geht das digitale Schalt-Stellsignal S2, gegebenenfalls über
eine übliche Eingangs/Ausgangs-Vorrichtung, zur Schaltvorrichtung 11, in der durch dieses Signal eines oder mehrere Relais
zum Schalten der Zusatzpumpen 3 bis 6 betätigt werden.
An den Mikrorechner M ist über eine Datenleitung 29 eine Anzeigevorrichtung 30 angeschlossen, die mit Hilfe eines Umschalters
mit einem der Digitalsignalspeicher 23 für Eingangswerte oder daraus berechnete Werte verbindbar ist, so daß diese ziffernmäßig angezeigt werden. Beispielsweise kann auf diese Weise der
eingestellte Druck-Sollwert Hq, der gemessene Druck P1 oder ein
beliebiger anderer Wert angezeigt werden.
Eine Umschaltvorrichtung 32 erlaubt es, den Bereich der Integralzeit Τ. zu wählen, innerhalb dessen die Einstellvorrichtung 15c wirksam sein soll. Beispielsweise kann in einer
Einstellung die Integralzelt unendlich, in einer zweiten Einstellung eine Itegralzeit von 1 bis 300 Sekunden und in
einer dritten Einstellung eine Integralzelt von 0,5 bis
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- 12 20 Minuten eingestellt werden.
Des weiteren ist eine Zahleneingabevorrichtung 33 vorgesehen,
mit der die Zahl der vorhandenen Zusatzpumpen dem Mikrorechner M mitgeteilt werden kann. Diese Eingabe kann digital erfolgen.
Es genügt, Schalter mit einer konstanten Spannung zu verbinden.
Außerdem ist mit einem Eingang des Mikrorechners ein Block 34
mit mehreren Programmschaltern verbunden. Beispielsweise kann ein erster Programmschalter 34a zum Wirksammachen einer Operation
"ziehe die Quadratwurzel" (vgl. Fig. 2) vorgesehen sein. Ein weiterer Programmschalter 34b kann zur Berücksichtigung
einer von der Fördermenge abhängigen Führungsgröße bei der Berechnung des Stellsignals dienen.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei auf Fig. 2 verwiesen.
In der veranschaulichten Betriebsstellung werden einer Vergleichsschaltung
35 einerseits der Druck-Sollwert HQ und der
gemessene Druckwert P1 zugeführt. Die Regelabweichung E(K)
wird einer PID-Behandlung unterworfen, wie es im Block 36 veranschaulicht ist. Die darin zusätzlich erwähnte Probenzeit
T kann beispielsweise 100 Sekunden betragen. Die übrigen Werte sind bereits weiter oben beschrieben worden. Der so gebildete
Wert U(K) bildet direkt das Stellsignal s, das in einer Aufteilungsstufe 37 in das Steuer-Stellsignal S1 und
in das Schalt-Stellsignal s2 aufgeteilt wird derart, daß
beide zusammen ein Maß für die gesamte abzugebende Fördermenge darstellen. Das Schalt-Stellsignal S2 wird noch über
eine Reihenfolge-Wahlstufe 38 geleitet, welche ein modifiziertes Schalt-Stellsignal S2 1 abgibt. Auf diese Weise
wird sichergestellt, daß die Zusatzpumpen 3 bis 6 immer in derselben Reihenfolge nacheinander in Betrieb gesetzt
werden. Da sich das Schalt-Stellsignal S2 nur sprunghaft
ändern kann, läßt sich der Schaltvorgang der Zusatzpumpen 3 bis 6 bzw. der Umschaltvorgang der Regelpumpe 2 genau
feststellen, worauf in nicht veranschaulichter Weise
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der Regelvorgang im Mikrocomputer M für eine vorgegebene Ruhezeit
Tm unterbrochen wird.
Bisher wurde angenommen, daß die Pumpen 2 bis 6 Verdrängerpumpen sind. Es können aber auch Kreiselpumpen benutzt werden.
Hierzu wird der Programmschalter 34a in die andere Stellung
umgelegt. Es ergibt sich dann nicht mehr der Wert U(K), sondern dessen Quadratwurzel, behaftet mit einem Faktor C1, als Stellsignal
s. Hierdurch läßt sich der Ausgangswert, also die Fördermenge, mit Bezug auf den gemessenen Druck linearisieren.
Wenn der Programmschalter 34b umgeschaltet wird, wird dem Druck-Sollwert Hn in einer Summationsschaltung 40 eineFührungs-
vr2. ^
größe Cp *Z η überlagert, die einem zusätzlichen Druckabfall
entspricht, wie er bei höheren Fördermengen im Leitungsnetz auftritt. Dieser Ausdruck wird in einem Block 41 gebildet und
zwar unmittelbar aus der Stellgröße s, die ja bei Verdrängerpumpen mit konstantem Hub proportional der Drehzahlsumme ist.
Die Summe von Sollwert und FUhrungsgröße wird in einem Tiefpaßfilter 42 behandelt, der höhere Frequenzen und damit kurzzeitige
Druckspitzen herausfiltert. Damit ergibt sich ein vergleichsweise ruhiger kompensierter Sollwert setpo. Die Rechenregel
ergibt sich aus der Beschriftung des Blocks 42. Als neue Größe tritt lediglich eine feste Zeit T von etwa 600 Sekunden
auf. Mit dieser Maßnahme kann man erreichen, daß der Druck beim Verbraucher annähernd konstant bleibt, auch wenn die Fördermenge
wegen unterschiedlichen Verbrauchs stark geändert werden muß.
Die Aufteilung des Stellsignals s in der Aufteilungsstufe erfolgt
derart, daß bei kleinen Werten (=untere Fördermengenzone) nur die Regelpumpe 2 arbeitet. Beim weiteren Anwachsen von s
werden nacheinander die Zusatzpumpen 3 bis 6 eingeschaltet, wobei die Regelpumpe gleichzeitig vom Ende zum Anfang ihres
Regelbereichs umgeschaltet wird. Die Abschnitte zwischen dem Einschalten der einen und dem Einschalten der nächsten Zusatz
pumpe werden als obere Fördermengenzonen bezeichnet. Beim Ab nehmen von s erfolgt das Schalten in umgekehrter Reihenfolge.
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Die Anzeigevorrichtung ist so ausgelegt, daß eine Anzeigenänderung
in Abständen von etwa 1 Sekunde möglich ist. Die Schalter der Zahleneingabevorriehtung 33 und des Programmschalterblocks
34 können in einem einzigen Modul angeordnet sein, der auf einer gedruckten Schaltung im Gerät angeordnet
wird. Die analogen Signale können durchwegs durch einen Strom von θ bis 20 mA oder eine entsprechende Spannung dargestellt
werden.
Der Regler eignet sich nicht nur für Wasserwerke, sondern auch für Fernheizwerke, Kühlanlagen oder Klimaanlagen und vor
allen Dingen dort, wo die Anbringung eines Druckspeiehers
auf Schwierigkeiten st"3t.
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