EP2357363B1

EP2357363B1 - Betriebssteuerungsvorrichtung für eine Verdrängerpumpe, Pumpensystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: EP2357363B1
Application number: EP10001449A
Authority: EP
Inventors: Stefan Werner; Michael Jäckle; Christian Hopf
Original assignee: Allweiler AG
Current assignee: Allweiler GmbH
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: JP5651196B2; CN102762865B; US9404482B2; EP2357363A1; EP2357363B8; CN102762865A; US20160281710A1; ATE552423T1; US20130183167A1; JP2013519815A; WO2011098270A1; US9797398B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebssteuerungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, ferner ein Pumpensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Pumpensystems.
Vor dem technischen Hintergrund des Beaufschlagens von Werkzeugmaschinen mit Kühl- und/oder Schmiermitteln bei Betriebsdrücken, welche 25bar und mehr erreichen können, kommt den eingesetzten Pumpen eine besondere Bedeutung zu. Insbesondere im Zusammenhang mit industriellen Bohr-, Fräs-oder Gewindebohrprozessen und einer Fluidbeaufschlagung in der genannten Größenordnung lässt sich so hohe Kühlleistung und entsprechend hohe Prozessgeschwindigkeit realisieren.
Für die Hochdruck-Kühlmittelzufuhr haben sich etwa im Werkzeugmaschinenbau Verdrängerpumpen durchgesetzt, da diese einen möglichen Fluiddruck, der 80bar erreichen kann, mit einem einzigen, kompakten Aggregat realisieren können und damit im genannten Hochdrucksektor gegenüber ansonsten üblichen Kreiselpumpen Vorteile aufweisen.
Dabei hat sich als Verdrängerpumpe insbesondere eine (dreispindelige) Schraubenspindelpumpe bewährt und durchgesetzt, bedingt durch deren pulsationsarme und gleichmäßige Fördercharakteristik, verbunden mit hoher Verschleißfestigkeit.
Konstruktionsbedingt benötigen jedoch Schraubenspindelpumpen (wie auch andere Verdrängerpumpen) in einem System mit zugehörigem Aggregat (z.B. der Werkzeugmaschine) ein Druckregelventil, um einen (vorgegebenen) Pumpendruck konstant zu halten. Die Pumpen werden dabei mit konstanter Drehzahl betrieben und stellen aufgrund ihrer Verdrängercharakteristik eine annähernd konstante Fördermenge zur Verfügung. Ein jeweils in einer Werkzeugmaschine eingesetztes Werkzeug erfordert bei dem vorgegebenen Druck eine Fluidfördermenge, welche üblicherweise unterhalb der von der Pumpe bereitgestellten Menge liegt; entsprechend wird die überschüssige Fördermenge (Differenzfördermenge) über das Druckregelventil abgeleitet, wodurch der Wirkungsgrad des Systems gegenüber dem (prinzipiell möglichen) hohen Wirkungsgrad der Verdrängerpumpe herabgesetzt wird, da die für den Druckaufbau in der Differenzfördermenge notwendige Pumpenleistung nicht genutzt wird.
Bei Arbeitspausen (etwa zum Werkzeugwechsel oder dgl.) darf kein Kühlschmiermittel zur Werkzeugmaschine gepumpt werden. Für diesen Zweck wird entweder ein Absperrventil in die Zuleitung zur Werkzeugmaschine installiert, oder die Pumpe wird abgeschaltet; aufgrund der hohen mechanischen Belastung kommt das Abschalten jedoch üblicherweise nur bei Systemen in Frage, die bei relativ geringem Druck arbeiten. Bei Systemen mit Absperrventil arbeitet die Pumpe (bei geschlossenem Absperrventil) weiter bei vollem Leistungsbedarf über das Druckregelventil, mit den entsprechend nachteiligen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad. Um bei dieser Fahrweise den Leistungsbedarf in Arbeitspausen zu reduzieren, wird oft ein steuerbares Druckregelventil eingesetzt, das in den Arbeitspauschen drucklos geschaltet werden kann.
Bekannt ist ferner der Einsatz von Druckregelventilen mit variablem Druck. Diese besitzen den Vorteil, dass die Fluidzufuhr den Erfordernissen des Prozesses geeignet angepasst werden kann, wobei etwa bei Werkzeugen mit geringem Druckbedarf mit dem Druck dann auch die Leistungsaufnahme der Verdrängerpumpe abnimmt. Gleichwohl ist auch bei dieser Vorgehensweise mit gesteuerten Ventilen die Leistungsaufnahme der Pumpe üblicherweise höher als der tatsächliche Leistungsbedarf für die Fluidversorgung des Werkzeugs, da eine höhere Fördermenge zur Verfügung gestellt wird als erforderlich. Da typischerweise Kühlmittelzufuhr und Kühlung bis zu 35% der Energieaufnahme einer Werkzeugmaschine beanspruchen, ist das Verbesserungs- bzw. Optimierungspotenzial beachtlich.
Ein weiterer Nachteil von zur Drucksteuerung verwendeten Ventilen liegt darin, dass etwa in Systemen zur Kühlschmiermittelversorgung von Werkzeugmaschinen das Schalten der Ventile zu Druckpulsationen führt, welche das System stark belasten, ggf. gar mechanische Schäden hervorrufen.
Als weiterer, als bekannt vorzusetzender Lösungsansatz ist die Variation der Drehzahl des Pumpenmotors mittels eines Frequenzumrichters bekannt. Dabei ist vorgesehen, den Druck im System nach der Pumpe über einen Drucksensor als Regelgröße an den Frequenzumrichter zurückzuführen und die Pumpenmotordrehzahl als Steuergröße mittels einer PI-Regelung (über den Umrichter) auf den Pumpenmotor aufzuprägen.
Eine derartige Regelung unter Einsatz eines klassischen Regelverfahrens weist jedoch den Nachteil eines ungenügenden Dynamikverhaltens auf; insbesondere ist es nicht möglich, ein schnelles Hochfahren des Pumpenmotors auf seine Soll-Drehzahl bzw. den Soll-Druck ohne nachteiliges Überschwingen zu realisieren. Dagegen führt ein stärker gedämpfter Anstieg zu vergleichsweise langen Hochfahr- und damit Totzeiten, was sich wiederum nachteilig in unproduktiven Betriebsnebenzeiten einer jeweiligen Werkzeugmaschine od. dgl. niederschlägt. Insbesondere hat es sich als wünschenswert erwiesen, einen Soll-Wert, ab einem Einschalten, in nicht mehr als 500ms zu erreichen, was etwa mit bekannten Regel-Algorithmen im vorliegenden Kontext der Betriebssteuerung einer Spindelpumpe in der Praxis unerreichbar ist.
Schließlich ist es als aus dem Stand der Technik vorauszusetzen, dass auch Kombinationen der vorbeschriebenen Lösungsansätze durchgeführt werden, d.h. eine Regelung des Pumpenmotors mit Pumpendruck als Steuergröße stattfindet und zusätzlich die Pumpe mit einem nachgeschalteten Ventil der vorbeschriebenen Art zusammenwirkt. Entsprechend weist auch eine derartige Technologie die festgestellten Nachteile hohen apparativen Aufwandes bzw. schlechter Dynamik auf.
Eine Betriebssteuerungsvorrichtung für eine einen Pumpenmotor aufweisende Verdrängerpumpe ist ferner aus der US 2002/0094910 A1 bekannt. Diese ist mit Ansteuerungsmitteln zur (Drehzahl-) Ansteuerung für einen Pumpenmotor versehen, ferner mit Zustandssensormitteln, welche in Form einer Öltemperatur Toil einen aktuellen Betriebsparameter der Verdrängerpumpe erfassen. Betriebsmodusmittel zum Vorgeben eines Betriebsmodus der Verdrängerpumpe sind den Ansteuerungsmitteln vorgeschaltet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Betriebssteuerungsvorrichtung für eine einen Pumpenmotor aufweisende Verdrängerpumpe zu schaffen, welche nach einem Aktivieren die Zielgrößen, etwa einen Soll-Druck und/oder eine Soll-Drehzahl, in möglichst kurzer Zeit und ohne Über- oder Unterschwingeffekte im Regelprozess erreicht. Dabei ist hoher apparativer Aufwand, insbesondere zusätzlicher Aufwand durch Absperr- und/oder Druckregelventile, zu vermeiden. Damit ist es auch Aufgabe der Erfindung, eine Betriebssteuerungsvorrichtung zu schaffen, welche flexibel einsetzbar ist, insbesondere für verschiedene Betriebsparameter-Soll-Werte geeignet ist (also etwa verschiedene Soll-Drücke für geeignet einzusetzende Werkzeuge), wobei die Leistungsaufnahme im Interesse einer Optimierung des energetischen Wirkungsgrads verringert werden soll und nachteilige Druckpulsationen im System zu vermeiden sind.
Die Aufgabe wird durch die Betriebssteuerungsvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, ferner das Pumpensystem nach dem unabhängigen Patentanspruch 12 sowie das Betriebsverfahren nach dem Patentanspruch 18 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind den erfindungsgemäßen Ansteuerungsmitteln (also etwa dem ansonsten bekannten Frequenzumrichter für den Pumpenmotor) Betriebsmodusmittel so zugeordnet, dass diese eine Mehrzahl von Betriebsmodi (außerhalb eines Ausschaltzustands) vorgeben können.
In Abkehr von einem traditionellen Regelbetrieb, etwa mit dem zu lösenden Dilemma zwischen Überschwingen bei schnellem Hochfahren und nachteiliger Zeitverzögerung bei langsamem Hochfahren, ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorgehensweise, im ersten Ansteuermodus und als Reaktion auf die detektierte Betriebsparameteränderung im vorbestimmten Zeitintervall, adaptiv und abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten und Betriebsbedingungen mit minimierter Anstiegszeit den Pumpendruck (Betriebsdruck, als typische Realisierungsform des Betriebsparameters) zu erhöhen, und dann gemäß der Erfindung beim Erreichen oder Überschreiten des ersten Betriebsparameter-Schwellwerts (also etwa eines Druck- oder Drehzahlschwellwerts) in den zweiten Ansteuermodus umzuschalten, welcher, zur Annäherung an den Betriebsparameter-Soll-Wert (also etwa den Soll-Druck oder eine Solldrehzahl) ein weniger steiles und damit Überschwingen vermeidendes Betreiben ermöglicht; nachfolgend würde dann auch im stationären Betrieb in diesem zweiten Betriebsmodus der Soll-Wert in ansonsten bekannter Weise eingeregelt.
Gemäß der Erfindung ist dabei der erste Betriebsparameter-Schwellwert als vorbestimmter Bruchteil des Betriebsparameter-Soll-Werts festgelegt oder wird erfindungsgemäß berechnet, wobei sich dieser Bruchteil gemäß bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung im Bereich zwischen 90% und 98% des Soll-Werts, insbesondere im Bereich zwischen 94% und 96% des Soll-Werts, bewegt. Alternativ kann auch ein vom Betriebsparameter-Sollwert abgeleiteter Schwellwert eines Pumpenparameters berechnet werden.
Auf diese Weise lässt sich besonders einfach und elegant ein sehr dynamisches, d.h. eine kurze Hoch- bzw. Anfahrzeit aufweisender, Pumpenbetrieb ermöglichen, welcher den Einsatzbedingungen etwa im Bereich der Fluidversorgung von Werkzeugmaschinen in günstiger Weise gerecht wird (ohne im Rahmen der Erfindung notwendigerweise auf Werkzeugmaschinentechnologie beschränkt zu sein).
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Betriebsmodusmittel zusätzlich einen zweiten Betriebsparameter-Schwellwert (also etwa Druckschwellwert) benutzen, welcher unterhalb des ersten Betriebsparameter-Schwellwerts liegt und die erfindungsgemäße Erfassung der Parameteränderung (relativ zur Zeiteinheit) auslöst; diesem Erfindungsaspekt liegt die erfinderische Erkenntnis zugrunde, dass nicht unmittelbar nach dem Aktivieren bzw. Einschalten bereits günstige Erfassungsbedingungen vorliegen, sondern erst ab Erreichen einer (durch den zweiten Betriebsparameter-Schwellwert bestimmten) Schwelle, etwa Druckschwelle, welche gemäß bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung im Bereich zwischen etwa 15% und 25%, günstig beispielsweise 20%, bezogen auf den Betriebsparameter-Soll-Wert, liegt.
Dabei ist es einerseits von der Erfindung umfasst, als Reaktion auf ein lediglich einmaliges Erfassen der Betriebsparameteränderung geeignete Vorgaben (Parameter) für das Anstiegsverhalten des Pumpendrucks während des ersten Ansteuermodus abzuleiten (in der praktischen Realisierung also etwa aus der Betriebsparameteränderung einen Verstärkungsfaktor für ein PI-Regelverhalten der Ansteuerungsmittel während des ersten Ansteuermodus zu bestimmen), alternativ und bevorzugt ist es gleichwohl, mehrfach und/oder kontinuierlich während des ersten Ansteuermodus die Betriebsparameteränderung pro Zeitintervall (also dessen Steigung im Zeitdiagramm) zu erfassen und daraufhin das (Regel-) Verhalten während des ersten Ansteuermodus anzupassen.
Zusätzlich vorteilhaft im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung ist es, bis zum Erreichen des zweiten Betriebsparameter-Schwellwerts einen Volllast-Startbetrieb durchzuführen, d.h. ein Anfahren des Pumpenmotors mit maximaler Ansteuerleistung vorzusehen. Dies bringt einerseits den Vorteil minimierten Zeitaufwand in dieser frühen Ansteuerphase ohne die Gefahr nachteiligen Überschwingens, andererseits liegen zum Ende dieser frühen Anfahrphase definierte Bedingungen etwa zum Ermitteln der erfindungsgemäßen Parameteränderung vor, um insoweit den weiteren Steuerverlauf während des ersten Ansteuermodus beeinflussen zu können.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich dabei als günstig und pragmatisch erwiesen, das Ansteuerverhalten im ersten sowie im zweiten Betriebsmodus durch ein Regelverhalten, etwa ein PI-Regelverhalten, abzubilden, gleichzeitig jedoch eine Abgrenzung zwischen den Ansteuermodi, etwa durch Änderung des Regelverstärkungsfaktors, vorzusehen.
Im Rahmen einer bevorzugten Realisierung der Erfindung liegt es, den Betriebsdruck (Pumpendruck) als Betriebsparameter anzusehen und dann die Betriebssteuerung in Richtung auf einen Soll-Druck der Pumpe (für einen jeweiligen Anwendungsfall, also etwa abhängig von einem konkret verwendeten Werkzeug) durchzuführen. Mit diesem Soll-Druck liegt dann sowohl der erste Schwellwert als Druck-Schwellwert vor, als auch der zweite Schwellwert. Entsprechend sind die Zustandsensormittel mittels eines Drucksensors realisiert, welcher diesen Betriebsdruck (bevorzugt kontinuierlich) erfasst und bereitstellt.
Alternativ ist es gleichwohl im Rahmen der Erfindung möglich, den Betriebsdruck als Betriebsparameter nicht unmittelbar mittels eines Sensors zu messen, sondern diesen aus anderen System- und Pumpenparametern (in ansonsten bekannter Weise) zu ermitteln, welche im Rahmen des Pumpensystems vorliegen, insbesondere unter Nutzung der (Pumpen-) Motorspannung, des Motorstroms, der Motordrehzahl, einer Motordrehbeschleunigung oder weiterer (etwa konstanter) Pumpenparameter einer jeweils verwendeten Verdrängerpumpe, welche geeignet zur Betriebsdruckbestimmung herangezogen und in ansonsten bekannter Weise zur Druckbestimmung verrechnet werden.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt es ferner, alternativ zum Betriebsdruck als Betriebsparameter andere Größen heranzuziehen, etwa eine (aktuelle) Fördermenge der Verdrängerpumpe oder eine Motordrehzahl des Pumpenmotors. Auch muss für den Betriebsparameter-Sollwert und den mindestens einen Schwellwert nicht notwendigerweise dieselbe Größe (z.B. Druck) erfasst werden.
Besonders geeignet und im Rahmen der Erfindung findet die Betriebssteuerungsvorrichtung Verwendung in einem Pumpensystem, welches der Betriebssteuerungsvorrichtung eine Verdrängerpumpe sowie ein von der Verdrängerpumpe mit Fluid beaufschlagtes Aggregat zuordnet; bevorzugt und vorteilhaft im Rahmen der Erfindung ist dabei die Verdrängerpumpe eine (weiter bevorzugt dreispindelige) Schraubenspindelpumpe, das Aggregat eine Werkzeugmaschine, welche weiter bevorzugt mit einem Betriebsdruck oberhalb von 20bar, noch weiter bevorzugt oberhalb von 40bar, und noch weiter bevorzugt oberhalb von 60bar mit Kühlschmiermittel durch die Verdrängerpumpe beaufschlagt wird. Besonders günstig und vorteilhaft ist es dabei, die Schraubenspindelpumpe in der Art einer Universalpumpe bei hohen Drehzahlen zu betreiben, da auf diese Weise vergleichsweise kleine und preiswerte Pumpen eingesetzt werden können. Entsprechend ist es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen, Verdrängerpumpen, insbesondere Schraubenspindelpumpen, vorzusehen, welche mit Betriebsdrehzahlen oberhalb von 3000/min., weiter bevorzugt oberhalb von 4000/min., im Rahmen des Pumpensystems betrieben werden.
Entsprechend erfindungsgemäß vorteilhaft ermöglicht es ein so aufgebautes System, den Betriebsparameter-Soll-Wert, etwa den Soll-Druck, in weniger als 500ms zu erreichen und stellt insoweit einen deutlichen Fortschritt gegenüber Vorgehensweisen nach dem Stand der Technik dar. Da zudem, gemäß günstigen Realisierungsformen der Erfindung, auf Ventile zur Druckregelung der Pumpe verzichtet werden kann, ermöglicht die vorliegende Erfindung nicht nur vorteilhaft das Vermeiden zusätzlichen mechanischen und Aggregataufwandes, auch besteht etwa die eingangs beschriebene, nachteilige Pulsation durch die Ventil-Schaltvorgänge gar nicht erst.
Im Ergebnis ermöglicht es daher die vorliegende Erfindung, in überraschend einfacher und eleganter Weise das sich aus dem Stand der Technik ergebene Problem dynamischen Betriebsverhaltens zu lösen, d.h. schnelles Erreichen eines Betriebsparameter-Soll-Wertes ohne Überschwingen, ohne dass zusätzlicher mechanischer Aufwand durch Ventile oder dgl. notwendig wird. Damit ist durch die vorliegende Erfindung die Voraussetzung für ein hohes Maß an Flexibilität und Adaptierbarkeit an verschiedene Betriebsbedingungen, etwa verschiedene in einer Werkzeugmaschine zu betreibende Werkzeuge mit jeweils unterschiedlichen Druckbedingungen, geschaffen, ohne dass aufwändiges Justieren, (Vor-) Konfigurieren oder dgl. Maßnahmen notwendig werden, so dass neben der beschriebenen Optimierung im Betrieb auch signifikante Effizienzsteigerungen in Einrichtungs- und Umrüstprozessen erreicht werden können. Die vorliegende Erfindung eignet sich in der beschriebenen Weise besonders günstig für das Anwendungsgebiet von Hochdruckpumpen zur Fluidversorgung für Werkzeugmaschinen in industriellen Einsatzumgebungen, ist jedoch auf dieses Einsatzgebiet nicht beschränkt. Vielmehr bietet die vorliegende Erfindung die beschriebenen Vorteile bei allen technischen Einsatzfeldern, welche adaptives, flexibles Steuerungsverhalten von Pumpen, insbesondere im Hochdruckbereich, benötigen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Fig. 1: ein schematisches Schaubild eines Pumpensystems mit Betriebs- steuerungsvorrichtung zur Realisierung eines bevorzugten Aus- führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: ein Druck-/Zeitdiagramm zum Verdeutlichen des Betriebsverhal- tens der Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3: ein Betriebsablaufdiagramm als Flussdiagramm zum Verdeutli- chen eines erfindungsgemäßen Betriebsablaufs;
Fig. 4: ein Druck-/Zeitdiagramm analog Fig. 2 zum Verdeutlichen des Be- triebsverhaltens konventioneller Vorrichtungen bei variierten Be- triebserfordernissen (z.B. unterschiedlicher Förderstrombedarf bei jeweils unterschiedlichen Werkzeugen im nachgeschalteten Ag- gregat).

Die Fig. 1 verdeutlicht in der Art eines schematischen Blockschaltbildes die Betriebssteuerungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Kontext eines Pumpensystems. Genauer gesagt verdeutlicht das Blockschaltbild der Fig. 1, gekennzeichnet durch die gestrichelte Einfassungslinie 10, eine Betriebssteuerungsvorrichtung mit Ansteuerungsmitteln 12, typischerweise realisiert als ansonsten bekannter Frequenzumrichter, zur Drehzahleinstellung und Ansteuerung einer nachgeschalteten Schraubenspindelpumpe 14, welche im Rahmen des in der Fig. 1 gezeigten Systems zur Förderung von Kühlfluid mit einer schematisch gezeigten Werkzeugmaschine 16 (typisches Beispiel Bohr- oder Fräsmaschine mit wechselbaren Werkzeugeinsätzen und entsprechend veränderlichem Förderstrombedarf für ein jeweiliges Werkzeug) zusammenwirkt.
Im Rahmen des gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiels sind den Ansteuerungsmitteln 12 Betriebsmodusmittel 18 in Form einer Steuereinheit (typischerweise realisiert aus Hard- oder Softwarekomponenten) vorgeschaltet, welche im Rahmen der Erfindung in ihr Ansteuerverhalten gegenüber den Ansteuerungsmitteln 12 sowohl berechnete oder vorbestimmte Schwellwerte 24 eines Betriebsparameters (im vorliegenden Fall der Pumpendruck P) einfließen lassen, als auch einen jeweils aggregat-spezifischen Sollwert 22 des Betriebsparameters (hier: Solldruck P soll) berücksichtigen. In der in Fig. 1 schematisch gezeigten Weise werden diese Einflussgrößen, nämlich mindestens ein Schwellwert sowie der Sollwert P soll, mittels funktionaler Einheiten 22, 24 geeignet bereitgestellt (bzw. wie nachstehend erläutert, berechnet).
Gezeigt ist zudem, wie eine Zustandssensoreinheit 20, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Drucksensor, ausgangsseitig der Spindelpumpe 14 einen Ist-Druck "P ist" erfasst und den Betriebsmodusmitteln 18 zur Berücksichtigung im Rahmen der weiteren Ansteuerung zuleitet.
Unter Bezug auf das Druck-/Zeitdiagramm der Fig. 2 sowie das Flussablaufdiagramm der Fig. 3 soll im Weiteren der Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verdeutlicht werden.
Angenommen wird beispielhaft, dass eine Schraubenspindelpumpe des Typs EMTEC 20 R38 der Anmelderin Allweiler AG, Radolfzell, einer Leistung von 7,5kW mit einer einspindeligen Werkzeugmaschine 16 zusammenwirkt, welche als Bohrmaschine ausgestaltet ist und insgesamt mit drei verschiedenen Bohrwerkzeugen betrieben wird. Jedes dieser drei Bohrwerkzeuge benötigt einen unterschiedlichen Förderstrom eines von der Pumpe 14 zu fördernden Kühl-/Schmiermittelfluids, wobei angenommen wird, dass dieser Förderstrom zwischen 5l/min. und 35l/min. liegt. Ein angenommener Betriebsdruck auf der Pumpen-Ausgangs- bzw. Aggregat-Eingangsseite wird jeweils mit 80bar angenommen.
Die Fig. 2 zeigt schematisch vor dem Aktivieren der Anordnung einen Leerlaufzustand in Schritt S10. Durch manuelle oder automatisierte Ansteuerung folgt dann in Schritt S12 die Inbetriebnahme Go.
Wie die Gegenüberstellung der Fig. 2 und 3 verdeutlicht, ermöglicht die vorliegende Erfindung durch geeignete Ansteuerung bzw. Einstellung durch die Betriebsmodusmittel 18 ein Betreiben des Pumpenmotors in mehreren, klar voneinander getrennten bzw. abgegrenzten Betriebsphasen. So ist zunächst gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 vorgesehen, dass ab dem Schritt der Inbetriebnahme zu einem Zeitpunkt t_o ein Ansteuern der Spindelpumpe mittels des Frequenzumrichters 12 mit maximaler elektrischer Ansteuerleistung erfolgt. Dies ergibt sich unmittelbar aus dem in Fig. 3 gezeigten Entscheidungsschritt E1, denn der hier geprüfte Differenzdruck P diff (als Differenz zwischen dem Volldruck "P soll" und dem erfassten Ist-Druck "P ist", bezogen auf den Solldruck, hier also 80bar) liegt mehr als 80% unterhalb des Betriebsparameter-Sollwerks (P soll). Quantitativ bedeutet dies das Realisieren eines unteren Schwellwerts, im Ausführungsbeispiel an der 80%-Schwelle (bezogen auf 80bar P soll, also P2 = 16 bar). Entsprechend führt die Verzweigung in Fig. 3 zum Betriebszustand des Schritts S14 "Start", entsprechend einem initialen Hochfahrmodus, hier bei voller elektrischer Leistung.
Wie die Fig. 2 erkennen lässt, erreicht zum Zeitpunkt t₁ der Pumpen-Ist-Druck "P ist" den unteren Schwellwert P2 bei 16bar; im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies nach ca. 80msec der Fall. Dies beendet die erste Phase, und die Betriebsmodusmittel wenden einen anderen Ansteuermodus auf den Pumpenmotor bzw. den vorgeschalteten Wechselrichter an. Konkret ergibt sich dies aus dem Flussablaufdiagramm der Fig. 3: Mit Überschreiten des unteren Schwellwerts P2 von 16bar (entsprechend einer Druckdifferenz von weniger als 80% bezogen auf den Druck-Sollwert) findet im Entscheidungsschritt E2 eine Verzweigung nach rechts statt. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform erfolgt damit in Schritt S16 eine Parametrisierung eines Steuerbetriebs in der zweiten Betriebsphase zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ in Fig. 2 (entsprechend einem Druckbereich von 16bar als unterem Schwellwert und 76bar als oberem Schwellwert, entsprechend 95% von P soll). Konkret wird hier ein PI-Regelbetrieb durchgeführt, wobei, nach dem Zeitpunkt t₁, durch die Betriebsmodusmittel 18 zunächst eine Druckdifferenz pro Zeitintervall als Steigung der Druckkurve (Fig. 2) ermittelt wird und abhängig von dieser Steigung dann das System einen Verstärkungswert sowie eine Integrationszeit für das PI-Regelverhalten im Zeitabschnitt t₁ und t₂ bestimmt und vorgibt, womit dann in Schritt S18 das System mit dieser Parametrisierung und beschrieben durch eine PI-Regelfunktion weiterbetrieben wird. Wie zudem die durch die Rückkoppelung der Fig. 3 gezeigte Schleife erkennen lässt, findet im Zeitbereich zwischen t₁ und t₂ eine kontinuierliche Parametrisierung (S16), d.h. wiederholte Messung einer aktuellen Steigung der Druckkurve und daraufhin Einstellung von P- und I-Werten der Regelung statt. Im konkreten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 würde etwa der dort gezeigte Kurvenverlauf mit einer Parametrisierung (S16) unmittelbar nach dem Zeitpunkt t₁ zu einer typischen Verstärkung von 8 bei Integrationszeit 5msec führen (etwa gegenüber der Maximalansteuerung in der Phase t₀ bis t₁, wo eine Ansteuerung mit Verstärkung V = 1 und Integrationszeit I = 2msec erfolgte).
In der in Fig. 2 gezeigten Weise erfolgt dann der Druckanstieg über der Zeit bis zum Erreichen eines oberen Schwellwerts P1 bei 76bar, wobei dieser Schwellwert auf 95% von P soll eingestellt ist. Dieser Schwellwert wird zum Zeitpunkt t₂ erreicht, im dargestellten Ausführungsbeispiel bei ca. 300msec bezogen auf t₀. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich wiederum das Betriebssteuerungs- bzw. Regelverhalten der Betriebsmodusmittel, wobei, gemäß positiv entschiedenem Entscheidungsschritt E3 (Fig. 3), das System in Schritt S20 den sogenannten Endregelbetrieb ausführt, nämlich einen Regelbetrieb, welcher typischerweise gegenüber einem Regelbetrieb in der vorgelagerten Betriebsphase eine verminderte Verstärkung und/oder verlängerte Integrationszeit für die PI-Parametrisierung besitzt, mit anderen Worten, ab dem oberen Schwellwert ein deutlich flacheres Anstiegsverhalten in Richtung auf den Sollwert P soll zeigt. Dies führt dann erfindungsgemäß und vorteilhaft dazu, dass im Zeitintervall zwischen t₂ und t₃ eine verlangsamte Annäherung an den Sollwert P soll (80bar) erfolgt, ohne dass etwa ein nachteiliges Überschwingen geschieht. Vielmehr stellt dieser in S20 durchgeführte Endregelbtrieb einen Betriebszustand dar, mit welchem sich in optimierter Zeit ab t₂ der Sollwert von unten angenähert erreichen lässt, wobei dann im weiteren stationären Betrieb auch mit diesen Regelparametern (typischerweise Verstärkung = 3, Integrationszeit 10msec) der stationäre Pumpenbetrieb durchgeführt wird.
Für den Fall, dass -- etwa durch eine unerwartete Belastung des Systems, wie es beispielsweise das Abschalten oder Ausfallen einer nachgeschalteten Werkzeugmaschine darstellt - kann es zu Betriebszuständen kommen, bei welchen ein aktueller Pumpendruck den Sollwert überschreitet. Prinzipiell wäre es möglich, durch den Endregelbetrieb (Schritt S20) auch diese Abweichung (nach oben) auszuregeln, was jedoch möglicherweise unerwünscht lange Zeit benötigt. Entsprechend ist, wie in Fig. 3 nachfolgend auf den Entscheidungsschritt E3 (Option "nein") gezeigt, vorgesehen, für einen solchen Fall, typisches Beispiel Überschreiten des Druck-Sollwerts um mehr als 5% (d.h. Ist-Druck > 105% von P) soll, auch hier wiederum auf die steile Parametrisierung des Betriebs von Schritt S16 bzw. S18, also entsprechend dem steilen Verhalten zwischen den Zeitabschnitten t₁ und t₂, umzuschalten. Sobald dann wieder die Toleranzschwelle (hier: 5%) für den Endregelbetrieb erreicht wird, läuft der Betrieb entsprechend weiter.
Zusätzlich zeigt das Flussablaufdiagramm der Fig. 3 das Einleiten einer Alarmroutine (Schritte S22 bzw. S24), wenn eine vorbestimmte Alarmbedingung in Schritt E3 erkannt wird; diese kann ein vorbestimmtes Druckverhalten sein, aber auch auf anderen Eingangsgrößen (z.B. das Überschreiten einer kritischen Temperatur) abstellen.
Insbesondere in der Gegenüberstellung mit den Kurvenverläufen der Fig. 4 verdeutlicht sich damit der vorteilhafte Effekt der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Ansteuermodi und dadurch erzeugten Betriebsphasen des Pumpenmotors im An- und Hochfahrzustand: So zeigt nämlich die Fig. 4 das Betriebsverhalten einer als bekannt vorausgesetzten Betriebssteuerungsvorrichtung mit derselben Pumpenkonfiguration, welche beispielsweise in Form eines PI-Reglers realisiert ist, für die verschiedenen Werkzeuge und die damit verbundenen verschiedenen Systembelastungen. Während etwa für das erste Bohrwerkzeug gemäß Kurve 40 ein geringer benötigter Förderstrom (5l/min) zu einem deutlichen Überschwingen des Systems führt, bewirkt ein demgegenüber hoher Förderstrombedarf eines großen Werkzeugs gemäß Kurve 42 (Förderstrombetrag 35l/min) einen sehr langen Einstiegszeitraum und überschreitet die benötigte 500msec-Grenze deutlich. Lediglich das mittlere Werkzeug gemäß Kurve 44 (Förderstrombetrag 15l/min) erreicht annähernd den Kurvenverlauf der Fig. 2 mit nur geringem Überschwingen beim Erreichen von P soll, wobei vorteilhaft und im Rahmen der Erfindung der kurze Kurvenverlauf der Fig. 2 für alle benötigten Werkzeuge, unabhängig vom jeweiligen Förderbedarf, erreicht wird und geeignet adaptiv eingestellt wird, nämlich durch jeweils geeignete, adaptive Parametrisierung im Bereich der Betriebsphasen unterhalb des oberen Schwellwertes, insbesondere im mittleren Anstiegsbereich des Verfahrensschritts S18 zwischen t₁ und t₂ (mit jeweils einer aktuellen Betriebssituation angepassten Parametrisierung).
Damit ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Vorsehen von zwei Schwellwerten P2, P1 (nämlich, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, bei 20% und 95% vom Sollwert) beschränkt, vielmehr ist es im Rahmen der Erfindung möglich, einen oder beide dieser Schwellwerte abweichend zu platzieren bzw. auszuwählen, auch ist von der Erfindung umfasst, lediglich einen Schwellwert (bevorzugt den oberen Schwellwert P1) oder beliebig viele Schwellwerte (ggf. durch einen stetigen Funktionszusammenhang beschrieben), vorzusehen und den wie beschrieben adaptiv parametrisierten Betrieb bis zu diesem oberen Schwellwert gemäß einmaliger oder wiederholter Steigungsmessung am Druckverlauf geeignet einzustellen bzw. anzupassen.
Auch liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, abweichend vom Druck als hier beispielhaft ausgewähltem Betriebsparameter andere Betriebsparameter vorzusehen, etwa eine Drehzahl des Pumpenmotors (wobei hier dann auch in analoger Weise ein oberer und ggf. unterer Schwellwert als jeweilige Bruchteile geeignet voreingestellt, bestimmt oder auf andere Weise ermittelt werden können).
Im Ergebnis ermöglicht es die vorliegende Erfindung, in überraschend wirksamer Weise ein sehr schnelles und dynamisches Anfahrverhalten einer Spindelpumpe zu realisieren, dabei gleichzeitig den erforderlichen apparativen und Hardware-Aufwand zu minimieren; gemäß bevorzugter Realisierung arbeitet nämlich etwa das in Fig. 1 schematisch gezeigte System ohne ein Druckregelventil, welches aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen der Spindelpumpe nachgeschaltet ist, so dass der Betrieb auch in energie-effizienter Weise erfolgt.

Claims

Betriebssteuerungsvorrichtung für eine einen Pumpenmotor aufweisende Verdrängerpumpe (14), mit
Mitteln zur Ansteuerung (12), insbesondere Drehzahleinstellung, für den Pumpenmotor,
Zustandssensormitteln (20) zum Erfassen eines aktuellen Betriebsparameters, insbesondere Betriebsdrucks, der Verdrängerpumpe,
und den Ansteuerungsmitteln vorgeschaltete Betriebsmodusmitteln (18) zum Vorgeben eines Betriebsmodus der Verdrängerpumpe,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebsmodusmittel so ausgebildet sind, dass unterhalb eines ersten Betriebsparameter-Schwellwerts (P1) durch die Ansteuerungsmittel ein erster Ansteuermodus für den Pumpenmotor eingestellt wird, der einen stetig ansteigenden Pumpendruck in Richtung auf einen Betriebsparameter-Sollwert (P soll) bewirkt, variabel, und in seinem Anstiegsverhalten des Pumpendrucks abhängig von einer erfassten Betriebsparameteränderung in einem vorbestimmten Zeitintervall ist,
und oberhalb des ersten Betriebsparameter-Schwellwerts durch die Ansteuerungsmittel ein zweiter, vom ersten Ansteuermodus verschiedener Ansteuermodus als Regelbetrieb auf den Betriebsparameter-Sollwert eingestellt wird,
wobei der erste Betriebsparameter-Schwellwert (P1) als Bruchteil des Betriebsparameter-Sollwerts und/oder eines hiermit korrelierten Pumpenparameters festliegt oder berechnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmodusmittel so ausgebildet sind, dass die Betriebsparameteränderung nach dem Erreichen eines zweiten Betriebsparameter-Schwellwerts (P2) erfasst und bestimmt wird,
wobei der zweite Betriebsparameter-Schwellwert (P2) als Bruchteil des Betriebsparameter-Sollwerts niedriger als der erste Betriebsparameter-Schwellwert (P1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameteränderung mehrfach erfasst und bestimmt wird und jeweils den ersten Ansteuermodus beeinflusst.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmodusmittel so ausgebildet sind, dass unterhalb des zweiten Betriebsparameter-Schwellwerts (P2) eine Ansteuerung des Pumpenmotors durch die Ansteuerungsmittel mit maximaler Ansteuerleistung und/oder zum Erreichen eines schnellstmöglichen Anstiegsverhaltens erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmodusmittel so ausgebildet sind, dass der erste Ansteuermodus ein Regelverhalten, insbesondere PI-Regelverhalten, aufweist, dessen Regelverstärkung größer als eine Regelverstärkung des insbesondere ein PI-Regelverhalten aufweisenden Regelbetriebs im zweiten Ansteuermodus ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandssensormittel einen Drucksensor (20) zum bevorzugt kontinuierlichen Erfassen des Betriebsdrucks als Betriebsparameter aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandssensormittel zum Bestimmen des Betriebsdrucks als Betriebsparameter aus Pumpen- und/oder Pumpenmotorparametern ausgebildet sind, die aus einer Motorspannung, eines Motorstroms, einer Motordrehzahl, einer Drehbeschleunigung und/oder Pumpenkonstanten der Verdrängerpumpe ausgewählt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandssensormittel zum Erfassen einer aktuellen Fördermenge der Verdrängerpumpe als Betriebsparameter ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bruchteil für den ersten Betriebsparameter-Schwellwert (P1) im Bereich zwischen 90% und 98%, insbesondere zwischen 94% und 96% des Betriebsparameter-Sollwerts (P soll) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der bevorzugt vorbestimmte Bruchteil für den zweiten Betriebsparameter-Schwellwert (P2) im Bereich zwischen 15% und 25%, insbesondere zwischen 18% und 22%, des Betriebsparameter-Sollwerts liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel zum Erfassen einer vorbestimmten Sollwertüberschreitung, die so ausgebildet sind, dass als Reaktion auf ein Überschreiten des Betriebsparameter-Sollwerts um einen vorbestimmten Toleranzwert die Betriebsmodusmittel einen vom zweiten Betriebsmodus verschiedenen Ansteuermodus für den Pumpenmotor einstellen, insbesondere Ansteuermodus mit Parametern, weiter bevorzugt Regelparametern, des ersten Ansteuermodus.
Pumpensystem mit einer Verdrängerpumpe, einem ausgangsseitig der Verdrängerpumpe vorgesehenen Aggregat (16) und der Betriebssteuerungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Pumpensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpensystem kein Druckregelventil für die Verdrängerpumpe aufweist.
Pumpensystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat eine Werkzeugmaschine (16) ist, die mittels der Verdrängerpumpe mit Kühl- und/oder Schmiermittelfluid beaufschlagt wird.
Pumpensystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe als Schraubenspindelpumpe ausgebildet ist.
Pumpensystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe für eine Betriebsdrehzahl oberhalb von 3000/min., bevorzugt oberhalb von 4000/min., eingerichtet ist und betrieben wird.
Pumpensystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmodusmittel der Betriebssteuerungsvorrichtung den ersten Ansteuermodus so einstellen, dass der Betriebsparameter-Sollwert in 500ms oder weniger nach einem Einschalten des Pumpenmotors erreicht wird.
Verfahren zum Betreiben des Pumpensystems nach einem der Ansprüche 12 bis 17 durch Ansteuern der Verdrängerpumpe mittels der Betriebssteuerungsvorrichtung, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Aktivieren des Pumpenmotors,

- Erfassen einer Betriebsparameteränderung der Pumpe pro vorbestimmtem Zeitintervall,

- Betreiben des Pumpenmotors im ersten Ansteuermodus, wobei der erste Ansteuermodus von der erfassten Betriebsparameteränderung abhängig und/oder beeinflusst ist,

- Betreiben des Pumpenmotors im zweiten Ansteuermodus als Reaktion auf ein Erreichen oder Überschreiten des ersten Betriebsparameter-Schwellwerts.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Betriebsparameteränderung im vorbestimmten Zeitintervall nach dem Erreichen oder Überschreiten eines zweiten Betriebsparameter-Schwellwerts erfolgt, welcher niedriger als der erste Betriebsparameter-Schwellwert ist.