DE69729772T2

DE69729772T2 - Elektronisch kompensierte Servosteuerung des Druckverlaufes einer Pumpe

Info

Publication number: DE69729772T2
Application number: DE69729772T
Authority: DE
Inventors: Eric J. Eden Prairie Schaffer; Neal A. Bloomington Werner; James J. Golden Valley Handzel
Original assignee: Graco Inc
Current assignee: Graco Inc
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: US5971714A; EP0810370A2; EP0810370A3; DE69729772D1; KR100475317B1; CN1175664A; CN1083943C; TW365630B; JPH112187A; EP0810370B1; KR970075367A

Description

Hintergrund der Erfindung
Diverse Pumpentypen sind für die Übertragung und die Zirkulation von Fluiden über viele Jahre verwendet worden. In vielen Fällen ist die erwünschte Pumpen-Konstruktion die einer Kolbenpumpe, es war jedoch einer der weniger wünschenswerten Aspekte solcher Kolbenpumpen, dass solche Pumpen zu Ausgangs-Pulsation neigen, was entweder Kompensation erfordert oder die Bereitschaft, mit einer solchen Pulsation zu leben. Ein solcher Versuch die Pulsation zu reduzieren ist in US Patent 5,145,339 gezeigt. Obwohl eine solche Konstruktion einen wesentlichen Fortschritt über andere Konstruktionen des Stands der Technik darstellt, bleibt doch etwas Pulsation übrig. Weitere Veröffentlichungen des Standes der Technik sind die Folgenden:
EP 0334994 offenbart eine Fluid-Förder-Pumpe vom Hin- und Herbewegungs-Typ, so konstruiert, dass Pulsationen kompensiert werden, die infolge der Kompressibilität des Fluids auftreten.
WO 9732128 bezieht sich auf ein Pumpen-System umfassend zwei Kolbenpumpen-Einheiten, die jeweils zumindest zwei Zylinder aufweisen, jeder mit einem Kolben und einer Steuer/Regel-Einheit für die Steuerung der Bewegung der Kolben in jedem Zylinder, um so, reagierend auf Messdaten, die Druckveränderungen in dem System auf der Druckseite anzeigen, einen Pulsations-reduzierten Fluss zu liefern.
US 4137011 sieht ein Fluss-Steuerungs/Regelungs-System vor, umfassend eine durch Motor angetriebene Pumpe, die einen Transport zu einer unter Druck stehenden Säule liefert, in welcher Pulsationen und Fluss-Veränderungen beseitigt werden, um so während des Betriebes des Systems einen im allgemeinen konstanten Fluss dadurch herzustellen, dass das auf die Pumpe wirkende Druck-Referenz-Niveau kontinuierlich abgesenkt wird.
US 4810168 offenbart eine Niedrig-Pulsation Pumpen-Vorrichtung, bei welcher ein Puls-Steuerungs/Regelungs-Mittel den Ort eines Hochgeschwindigkeits-Bereichs in jeder Periode bestimmt und auf der Basis von Druck-Information die Pulsation schrittweise reduziert.
EP 0050296 stellt eine verbesserte Pulsations-freie volumetrische Pumpe vom Hin- und Herbewegungs-Typ bereit, wobei eine Schaltung einen Antriebsmotor steuert, um die Rotations-Rate zu steuern/regeln. Eine andere Schaltung ist verwendet, um einen Druck des durch zwei Tauchkolben geförderten kombinierten Volumens zu messen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Pumpe vom Kolben-Typ bereitzustellen, welche im Wesentlichen frei von Pulsation ist, oder zumindest deren Pulsationen zu reduzieren, und wobei diese jedoch die erwünschten Aspekte einer Kolbenpumpe beibehält.
Andere Pumpen, welche sich auch zumindest einiger Pulsation erfreuen, sind Zahnrad-Pumpen und Nocken-Pumpen. Diese Erfindung ist auf alle diese Pumpen anwendbar, um Pulsation zu verringern.
Entsprechend einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Pumpen-System bereit, umfassend
eine Pumpe, einen rotierenden Motor, Mittel für das Abfragen der Druck-Kurve für jeden Pump-Zyklus;
Mittel welche eine kompensierende Druck-Kurve aus dem Abfrage-Mittel berechnen; und
Steuerungs/Regelungs-Mittel für den Motor, um die kompensierende Druck-Kurve anzuwenden;
dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel umfasst, welche die Phasen-Verzögerung zwischen einer Steuer-Eingabe an das Motor-Steuerungs/Regelungs-Mittel und dem durch das Abfrage-Mittel abgefragten Druck berechnen und für die Verzögerung kompensieren.
Bevorzugter Weise ist die Pumpe eine Mehr-Zylinder Hin- und Herbewegungs-Pumpe, bevorzugt eine Doppel-Kolben-Pumpe.
Das System entsprechend der Erfindung kann mit jeder Pumpe verwendet werden, welche die folgenden Eigenschaften hat: positive Verdrängung, Charakteristik sich wiederholender Zyklen, Rotations-Motor-Antrieb und eine Ausgangs-Druck-Kurve, die niemals auf Null abfällt.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren für die Steuerung/Regelung einer Pumpe mit Rotations-Motor und einem Motor-Steuerungs/Regelungs-Mittel bereit, welches umfasst:
Abfragen der Druck-Kurve für jeden Pump-Zyklus;
Berechnen einer kompensierenden Druck-Kurve aus dem Abfrage-Mittel;
Steuern/Regeln des Motors durch Anwendung der kompensierenden Druck-Kurve; und
dadurch charakterisiert, dass die Phasen-Verzögerung zwischen einer Steuer/Regel-Eingabe an das Motor-Steuerungs/Regelungs-Mittel und dem abgefragten Druck berechnet wird und dass für die Verzögerung kompensiert wird.
Die Konstruktion und der Betrieb der Steuerung/Regelung ist bei dieser Erfindung dazu ausgelegt durch das Abfragen der Pumpen-Druck-Charakteristik für jeden Pump-Zyklus, das Berechnen eines kompensierenden Bewegungs-Profils und das Anwenden des Profils auf den Motor der die Pumpe antreibt, die Druck-Veränderungen bei der Pumpen-Umschaltung zu minimieren. Tatsächlich kann diese Steuerung/Regelung mit jeder Pumpe verwendet werden, welche die folgenden Eigenschaften hat: positive Verdrängung, die Charakteristik sich wiederholender Zyklen, Rotations-Motor-Antrieb und eine Ausgangs-Druck-Kurve die niemals auf Null abfällt.
Dieses Steuerungs/Regelungs-System ist daher fähig die Druck-Variationen bei der Pumpen-Umschaltung zu minimieren. Zusätzlich hat es die Fähigkeit die Bewegungs-Profile adaptiv zu modifizieren, um Zustandsveränderungen wie Raten-Änderung, Material-Änderung (Zähigkeit, etc.) zu kompensieren. Es hat auch die Fähigkeit die Funktion der Pumpe, Schädigung und Fehlfunktion, zu diagnostizieren.
Frühere Versuche Pulsations-freien Output zu erzeugen haben mechanische Verfahren verwendet, so wie im vorerwähnten US Patent 5,145,339. Es wurden auch Versuche gemacht, die Druck-Änderungen durch elektronisches Schließen der Geschwindigkeits-Schleife oder durch Beibehalten einer konstanten Drehmoment-Last am Motor zu kompensieren, diese Verfahren sind reaktiv und haben so die Tendenz zum Überkompensieren und, wegen der hohen Trägheit des Systems, verzögert zu sein. Das ist insbesondere wahr, seit die Druck-Veränderungen dazu tendieren relativ schnelle Pulse zu sein, besonders da Pumpen höhere Durchfluss-Leistungen und höhere Geschwindigkeiten erreichen. Um Überkompensation zu reduzieren könnten Verstärkungen reduziert werden, aber dann wird die Pulsation verringert und nicht eliminiert.
Kontinuierliches Abfragen der Ausgangs-Druck-Kurve der Pumpe und das Berechnen eines wahren kompensierenden Bewegungs-Profils adressiert diese beiden Probleme. Kontinuierliches Abfragen durch die Steuerung/Regelung kann für sich verändernde Zustände kompensieren und auch Pumpen-Schädigung und Fehlfunktion diagnostizieren. Durch Modifizieren des Bewegungs-Profils der Pumpe, gleichzeitig zur Druck-Veränderung, wird Überkompensation des Ausgangs-Drucks eliminiert. Das Bewegungs-Profil kann auch, durch Adjustieren der Phase, mechanische Verzögerungen im System kompensieren.
Kurze Legenden der Zeichnungen
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden vollständiger ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, wobei gleiche Referenz-Zeichen sich in allen Ansichten auf die gleichen oder auf ähnliche Teile beziehen.
1 zeigt das Schema eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Pumpen-Systems entsprechend der Erfindung.
2 zeigt ein Diagramm des tatsächlichen Verhaltens und des berechneten kompensierenden Verhaltens.
3 zeigt ein Diagramm eines einzelnen kompensierenden Profils.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Illustriert in 1 ist ein System 10 bestehend aus einer Niedrig-Puls Doppel-Kolben-Pumpe 12 (eine bevorzugte Form einer Mehr-Zylinder Pumpe vom Hin- und Herbewegungs-Typ, ein Begriff welcher Zahnrad-Pumpen und Nocken-Pumpen einschließt) angetrieben durch einen Servomotor 14. Natürlich können auch andere Pumpen verwendet werden. Die absolute Stellung der Pumpe 12 ist bestimmt durch einen Annäherungs-Sensor 16, der eine einzelne Stellung der Pumpe für jeden Pump-Zyklus verfolgt, und dann einen Codierer 17, der die absolute Stellung des an die Pumpe gekoppelten Servomotors bestimmt.
Ein Pumpen-Sensor 18 am Ausgang der Pumpe 12 beobachtet den momentanen Druck. Ein Computer 20 zeichnet den Ausgangs-Druck der Pumpe 12 korreliert mit der absoluten Stellung der Pumpe 12 auf. Durch Analysieren der Druck-Kurve, für einzelne oder multiple Zyklen der Pumpe, kann eine Kurve des Drucks abhängig von der Stellung bestimmt werden, wie in 2 gezeigt. Damit kann ein kompensierendes Profil (auch in 2 gezeigt) für den Motor berechnet werden, welches, wenn auf eine Motor-Ansteuerung 22 angewandt, zu einem Pulsationsfreien Output führt. Zusätzlich ist der Computer 20 eingesetzt um die Phasen-Verzögerung zwischen den an die Motor-Ansteuerung 22 angelegten Steuer/Regel-Signalen und der resultierenden Druck-Variation, gemessen durch den Sensor 16, zu bestimmen und um eine geeignete Kompensation zu berechnen.
Diese Analyse und Kompensation kann wiederholt angewendet werden um das System kontinuierlich einzustellen. Durch kontinuierliches Beobachten des Drucks kann jeder Zustand erkannt werden, der außerhalb des normalen Bereichs der Pumpen-Charakteristik liegt, und ein einen Fehler anzeigender geeigneter Alarm kann bereitgestellt werden. Zusätzlich kann eine kontinuierlich wachsende Kompensation durchaus Evidenz für Verschleiß sein und ein Alarm kann rechtzeitig zum Ertönen gebracht werden.
Es ist bedeutsam, dass eine einzige Phasenverschiebung für eine Pumpe charakteristisch sein kann. Dies kann bestimmt werden durch das Beobachten der Antwort-Verzögerung des Ausgangs auf eine Druck-Spitze im Eingang, was leicht während des Betriebes nachgeprüft werden kann. Zum Beispiel kann der Ausgang gegen einen Eingang um X Grad der Motor/Pumpen Rotation verzögert sein.
Es zeigt sich, dass ein einziges kompensierendes Profil auf die meisten Druck-Abfälle anwendbar sein kann, wobei dessen Amplitude und Länge durch die Amplitude, Fläche und Länge des Druck-Abfalls bestimmt ist. Dieses würde den Rechenaufwand für die in Real-Zeit kompensierende Steuer-Kurve bedeutend verringern. 3 könnte einem derartigen Kompensations-Profil entsprechen.

Claims

Pumpen-System, umfassend eine Pumpe (12), einen Rotations-Motor (14), Mittel (16, 17) für das Abfragen der Druck-Kurve für jeden Pump-Zyklus; Mittel (20), welche eine kompensierende Druck-Kurve aus den Abfrage-Mitteln berechnen; und Steuerungs/Regelungs-Mittel (22) für den Motor für das Anwenden der kompensierenden Druck-Kurve, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Mittel (20) umfasst, welche die Phasen-Verzögerung zwischen einer Steuer-Eingabe an das Motor-Steuerungs/Regelungs-Mittel (22) und dem durch das Abfrage-Mittel abgefragten Druck berechnen, und für diese Verzögerung kompensieren.
System nach Anspruch 1, welches außerdem Mittel (17) für das Bestimmen der Rotations-Stellung des Motors umfasst.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpe eine Mehr-Zylinder Pumpe vom Hin- und Herbewegungs-Typ ist, bevorzugt eine Doppel-Kolben-Pumpe.
Verfahren zur Steuerung/Regelung einer Pumpe (12), welche einen Rotations-Motor (14) und ein Motor-Steuerungs/Regelungs-Mittel (22) aufweist, umfassend: Abfragen der Druck-Kurve für jeden Pump-Zyklus; Berechnen einer kompensierenden Druck-Kurve aus dem Abfrage-Mittel; Steuern/Regeln des Motors durch Anwenden der kompensierenden Druck-Kurve; und dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen-Verzögerung zwischen einer Steuer/Regel-Eingabe an das Motor- Steuerungs/Regelungs-Mittel (22) und dem abgefragten Druck berechnet wird, und dass für die Verzögerung kompensiert wird.