EP2702459A1 - Steuermittel zum ansteuern eines frequenzumrichters sowie ansteuerverfahren - Google Patents

Steuermittel zum ansteuern eines frequenzumrichters sowie ansteuerverfahren

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EP2702459A1
EP2702459A1 EP12723626.3A EP12723626A EP2702459A1 EP 2702459 A1 EP2702459 A1 EP 2702459A1 EP 12723626 A EP12723626 A EP 12723626A EP 2702459 A1 EP2702459 A1 EP 2702459A1
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EP
European Patent Office
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manipulated variable
limit value
actual operating
operating parameter
displacement pump
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.)
Withdrawn
Application number
EP12723626.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Leiber
Martin Hoffmann
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.)
Allweiler GmbH
Original Assignee
Allweiler GmbH
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Publication date
Application filed by Allweiler GmbH filed Critical Allweiler GmbH
Publication of EP2702459A1 publication Critical patent/EP2702459A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04B49/06—Control using electricity
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    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
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    • F04C2/14—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C2/16—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
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    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/40—Electric motor
    • F04C2240/403—Electric motor with inverter for speed control

Definitions

  • the invention relates to control means according to the preamble of claim 1 for driving a frequency converter of a positive displacement pump motor of a positive displacement pump, in particular a spindle pump, comprising a controller for generating a manipulated variable (manipulated variable signal) for a frequency converter of a positive displacement motor in response to a reference variable (command variable signal) and a first actual operating parameter is formed, wherein the actual operating parameter, as will be explained, preferably measured directly by means of a sensor or calculated on the basis of another actual size, in particular is simulated.
  • a controller for generating a manipulated variable (manipulated variable signal) for a frequency converter of a positive displacement motor in response to a reference variable (command variable signal) and a first actual operating parameter is formed, wherein the actual operating parameter, as will be explained, preferably measured directly by means of a sensor or calculated on the basis of another actual size, in particular is simulated.
  • the invention relates to a Verdrängerpumpensystem according to claim 15, comprising a positive displacement pump, a Verdrängerpumpenmotor for driving the positive displacement pump, a Verdrängerpumpenmotor associated frequency converter (for controlled or controlled energization of the motor windings) and the frequency converter upstream, formed according to the concept of the invention control means, wherein the Control means are assigned officerss effetnvorgabesch, for example in the form of a process control room.
  • the invention relates to a drive method for driving a frequency converter of a positive displacement pump motor of a positive displacement pump according to the preamble of claim 21, wherein a control variable (control signal) for the frequency of the positive displacement motor in response to a command variable and a first actual parameter is generated.
  • Today's displacement pump motors for driving positive displacement pumps include a frequency converter with integrated controller, which is able to regulate the input signal, in particular a voltage signal for the frequency converter as a function of a measured actual operating parameter and a reference variable to be achieved.
  • the problem with this is that the controller associated with the frequency converter today is designed to be engine-specific, ie, it is not optimized with respect to the actual displacement pump of interest to the positive displacement pump can lead to problems with positive displacement pump systems, as of positive displacement pumps in principle compared to centrifugal pumps increased risk for the pump itself and / or for other process units. This is due to the different flow characteristics of positive displacement pumps. In principle, even in extreme cases, this can lead to complete self-destruction or sustained disruption of the positive-displacement pump, especially if signs of damage are not detected in time.
  • the present invention seeks to provide positive displacement pump-specific control means for providing the manipulated variable for the frequency converter of a positive displacement motor, the control means to minimize the risk to the associated positive displacement pump for itself or other process units and / or optimal Product quality, ie to ensure a good quality of the delivery fluid. Furthermore, the object is to provide a positive displacement pump system with correspondingly improved control means and a drive method for driving a frequency converter of a positive displacement motor, with which the above disadvantages can be avoided. This object is achieved with regard to the control means having the features of claim 1, with regard to the positive displacement pump system having the features of claim 16 and with regard to the actuation method having the features of claim 21. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
  • control variable in response to a command variable, for example, a desired volume flow or a desired pressure of the fluid generated control variable, preferably a voltage signal not directly, ie uncritically or without plausibility, ie pass review as an input to the frequency converter, but the Control variable, or later to be explained by possibly additionally provided, in particular second, correction means obtained, corrected control variable or according to a functional relationship from the control variable or the corrected control value determined comparison value with at least a first limit (pump protection limit) to compare, the at least a first limit reflects a potential hazard to the positive displacement pump and / or another process aggregate.
  • a command variable for example, a desired volume flow or a desired pressure of the fluid generated control variable, preferably a voltage signal not directly, ie uncritically or without plausibility, ie pass review as an input to the frequency converter, but the Control variable, or later to be explained by possibly additionally provided, in particular second, correction means obtained, corrected control variable or according to a functional relationship from the control variable or the corrected control
  • the first limit value is not a static, ie fixed or specified limit value (of course additionally a comparison with such fixed limit values can also be carried out), but a dynamically determined limit value which Basis of actual operating parameters is calculated.
  • the limit value is actually calculated as a function of actual operating parameters, wherein these actual operating parameters can be the first actual operating parameter, ie an actual controlled variable from the controlled system, on the basis of which the controller determines and corrects the manipulated variable at least one further, ie another actual operating parameter, which is either measured directly by means of a sensor or calculated on the basis of an actual value, in particular simulated.
  • the advantage of the invention is that it not only works with static limit values, but also takes into account according to the invention that the limit values are subject to dynamics, ie can change during operation of the positive displacement pump as a function of changing actual operating parameters.
  • a corrected manipulated variable is provided with the aid of first correction means, with which preferably the manipulated variable generated by the controller or an already previously corrected manipulated variable that was generated, for example, by second correction means, is overwritten.
  • the corrected manipulated variable assumes the maximum or minimum permissible value, that is to say preferably a first, currently calculated limit value in order to come as close as possible to the reference variable or more precisely the manipulated variable directly resulting from the reference variable.
  • the corrected manipulated variable is a quantity covered by a first limit value (preferably a correspondingly limited voltage signal).
  • the manipulated variable or a corrected manipulated variable determined by the controller as a function of the reference variable, (for example, a corrected manipulated variable obtained by first correction means)
  • the corrected correcting variable output by the first correcting means or a currently calculated comparative value are compared with at least one second limiting value (conveying fluid protection limit value) whose compliance or not exceeding or undershooting is intended to ensure the quality of the conveying fluid. In other words, exceeding or falling below the second limit value (with a defined probability) would impair a predetermined quality parameter of the fluid delivered by the positive displacement pump.
  • a corrected manipulated variable is output by second correction means, which is preferably either directly or indirectly in the form of a comparison value to the comparison with the at least one first limit value or as an input variable (target specification) is passed to the frequency converter.
  • the manipulated variable generated by the controller or the manipulated variable obtained from upstream further, for example, the first correction means, is preferably overwritten by the corrected manipulated variable of the second correction means.
  • the second limit value is not a fixed, stored limit value, but rather a second limit value calculated on the basis of current actual operating parameters, with the actual operating parameters used in the calculation being the first actual Operating parameter, in particular an actual control variable is and additionally to another (further) measured actual operating parameter or an, in particular based on an actual value calculated actual operating parameters.
  • a comparison of a manipulated variable, a corrected manipulated variable, a comparison value and / or an actual operating parameter can be carried out with a fixed bainfluid- limit and in case of exceeding or falling below a correction of the manipulated variable or the corrected manipulated variable can be performed.
  • a manipulated variable, a corrected manipulated variable or a comparison value either against at least one first (pump protection) limit value or only against a second (conveying fluid protection) limit value or alternatively against both at least one first (pump protection) limit value.
  • Limit value and additionally against at least a second (Förderfluidschutz-) limit value which in turn alternatively first against at least a first threshold and then subsequently against at least a second threshold can be compared, or conversely first against a second threshold and subsequently against a first threshold.
  • the core of the invention is therefore to assign the controller for generating a manipulated variable logic (logic means), which ensures that the controller output signal (manipulated variable) first with at least a first and / or at least a second limit (pump protection limit and / or bainfluidschutz limit ), wherein the at least one first and the at least one second limit currently, ie is calculated taking into account measured or calculated actual operating parameters and that, in the event that an above or below the at least one first limit value and / or the at least one second limit value is determined, generates a corrected manipulated variable and then this instead of the Controller originally generated manipulated variable or instead of an already previously corrected manipulated variable as an input signal to the frequency converter (frequency converter) is passed, which energizes the positive displacement motor based on this target specification.
  • a manipulated variable logic logic
  • the logic means in hardware separately from the controller, for example in the form of a microcontroller separate from the controller.
  • Preferred is an embodiment in which the controller and the control means are realized by a common microcontroller or comprise a common microcontroller.
  • it is particularly preferred if in the calculation of the at least one first limit value and / or the at least one second limit value positive displacement pump-specific parameters, in particular geometry parameters, such as a gap, and / or a spindle diameter are included.
  • the logic means several sets of system parameters are stored, which are specific for different positive displacement pumps (ie each record is specific to a positive displacement pump), in particular for different types and Sizes of positive displacement pumps and which can be selected between these data sets, in particular in a basic configuration, for example via a menu control. In this way it is possible to use the same control means in connection with different positive displacement pumps.
  • control means allow for the first time possible negative effects at current, changing operating parameters of a reference variable or the effects of a directly resulting from the reference variable manipulated variable on the integrity of the positive displacement pump and / or product quality, ie the quality of the agent the promotion pump funded delivery fluid on the basis of a comparison with a situativ determined, ie to change over time limit and counteract if necessary by recognizing a potential hazard as previously resulting directly from the reference variable, generated by the controller manipulated variable (voltage signal) directly from Frequency converter is converted into a Verdrängerpumpenmotor loftiere or the positive displacement motor is simply turned off by driving a contactor, but instead by a, in particular reduced, od he increased depending on a first operating parameter and another, preferably measured, actual operating parameter calculated corrected manipulated variable (preferably greater than zero) is passed to the frequency converter.
  • the corrected manipulated variable is that of the common or alternative provided first and second Grenzenvorgabeschn calculated first and second threshold.
  • the physical quantities (parameters) of the pump speed, the delivery fluid viscosity and the delivery fluid pressure are in the following physical relationship, i. are mutually interdependent:
  • n pump speed
  • the control means take into account all the above parameters for controlling the frequency converter, wherein preferably the pump speed is taken into account in the form of the manipulated variable, the delivery fluid pressure, preferably measured at or in the vicinity of the pressure port or alternatively from other parameters calculated as the first actual operating parameter and the conveying fluid viscosity or a parameter, in particular a fluid parameter to which the conveying fluid viscosity is physically related, in particular the conveying fluid temperature as the second operating parameter, the aforementioned first actual operating parameter, ie the conveying fluid pressure and the further actual Operating parameters preferably the delivery fluid viscosity or the delivery fluid temperature by means of the first limit value setting means are taken into account in order to calculate the first limit, therier falling short of or could cause a defect state of the positive displacement pump.
  • the comparison means then compare the control variable output by the controller, ie a speed signal with the first limit value, wherein first correcting means output a corrected manipulated variable, ie a corrected speed signal in the event that the manipulated variable output by the controller, taking into account the conveying fluid pressure and the conveying fluid viscosity or of a parameter related thereto in a functional context is below, wherein it is the corrected manipulated variable, ie the corrected speed signal is preferably the first, previously calculated using the first threshold value setting means limit value.
  • a delivery fluid volume flow (or the pump speed reflecting the delivery volume flow) or a delivery fluid pressure are used as reference variables.
  • This preferred embodiment does justice to the case that frequently occurs in practice that a rapid change in the disturbance, e.g. a sudden flow resistance change leads to a very rapid change in pressure and thus to a rapid change in the torque requirement at the pump. In the case of a rapid pressure reduction for large pump drives, this would lead to a rapid speed increase.
  • An impermissible speed increase can be prevented by taking into account the delivery fluid pressure, preferably measured at the discharge nozzle as a first operating parameter and the direct or indirect consideration of the delivery fluid viscosity as a second operating parameter in the calculation of the first limit, so that damaging the pump fails.
  • the conveying fluid pressure, the delivery fluid volume flow or the rotational speed or also the delivery fluid viscosity or a parameter, in particular a fluid parameter, of which the delivery fluid viscosity is directly dependent preferably come into consideration.
  • the manipulated variable is preferably the rotational speed or a rotational speed signal, wherein for calculating the limit value, in particular a maximum permissible rotational speed, a delivery fluid volume flow is considered as the first operating parameter and the delivery fluid pressure (in particular measured at the discharge port of the pump) is taken into account as a further actual operating parameter.
  • the comparison with the at least one limit value can be realized in different ways.
  • the manipulated variable generated by the controller is used for comparison with the first limit value, or alternatively the corrected manipulated variable output by the first correction means or by the optionally provided further, for example second, correction means. It is also possible not to directly use the aforementioned manipulated variable or a corrected manipulated variable for the comparison, but rather a comparison value which is calculated on the basis of a predetermined functional relationship from the manipulated variable or a corrected manipulated variable. In an analogous manner, it is possible to use the manipulated variable generated by the controller for the comparison with the second limit value or a corrected manipulated variable, wherein the corrected manipulated variable may be the corrected manipulated variable output by the first correcting means, if present, or that of the second correction means output corrected correcting variable. It is also possible to calculate a comparison value, eg a current shear rate, on the basis of one of the aforementioned values and to use this for the comparison.
  • a comparison value eg a current shear rate
  • the logic means may be the manipulated variable generated by the controller, a corrected manipulated variable or a comparison value calculated on the basis of the manipulated variable and / or the corrected manipulated variable or an actual operating parameter, in particular the first actual operating parameter and / or the further actual operating parameter are also compared with at least one for the control means associated positive displacement pump, fixed limit value, wherein in the event that such a limit is exceeded or fallen below by a certain level of correction means, a corrected control variable is output.
  • a corrected manipulated variable is output by the correction means, this manipulated variable correction being corrected by first correction means and / or or may be upstream or downstream by second correction means.
  • the corrected manipulated variable is a manipulated variable signal increased or reduced by a specific factor, or a manipulated variable signal, the value stored in a memory, or a simulated, calculated value for which an exceeding or falling below the limit value is not to be expected.
  • the last-described embodiment of the control means is primarily used to detect a sudden damage or sudden damage of the positive displacement pump. If, for example, an oscillation parameter is monitored by sensor means as the measured actual operating parameter and if it exceeds a limit value stored in a non-volatile memory or preferably alternatively or additionally depending on a further measured or calculated actual parameter, then the manipulated variable corresponding to the reference variable is not passed on but one, for example, reduced by a factor of 2 calculated manipulated variable to operate the positive displacement pump as long as possible without any damage, such as bearing damage occurs or worsens, for which the increased vibration value can be an indication.
  • the controller of the control means preferably formed by a microcontroller, there are different possibilities.
  • the controller is designed as a PI controller or as a PID controller.
  • this first actual operating parameter is a preferably measured, actual controlled variable from the controlled system, in particular a so-called actual main controlled variable, for example an actual pressure of the conveying fluid or an actual pressure difference of the conveying fluid, for example between suction and Pressure side of the positive displacement pump or an actual volume flow of the fluid.
  • the first operating parameter is preferably measured, but can alternatively also be simulated or calculated, in particular from a plurality of further actual operating parameters.
  • the first and / or second limit value must be calculated not only on the basis of the first actual operating parameter supplied to the controller, but additionally on the basis of a functional relationship on the basis of another (further) actual operating parameter.
  • the at least one further actual operating parameter can be a measured auxiliary variable or, in particular, the frequency converter calculated on the basis of an actual value measured, for example a frequency reference of the frequency converter or a nominal torque value of the frequency converter.
  • At least one further actual operating parameter is a measured or calculated on the basis of an actual value auxiliary control variable, in particular a speed of the positive displacement motor or a torque of the positive displacement motor. It is also possible for at least one further actual operating parameter to be included in the calculation of the first and / or second limit value and / or in the calculation of a corrected manipulated variable and / or in the calculation of a comparison value by a measured temperature, for example a conveying fluid temperature or a bearing temperature, in particular a rolling bearing of a drive spindle of the positive displacement pump act. It is also possible for the at least one further actual operating parameter to be a measured vibration value. It is also possible for the at least one further actual operating parameter to be a measured or calculated delivery fluid viscosity.
  • the at least one further actual operating parameter is a measured leakage quantity. It is particularly preferred if not only the first actual operating parameter and only a single further actual operating parameter are taken into account in the calculation of a limit value or a corrected manipulated variable but, for example, in addition to the first operating parameter, two or even more further, preferably different, actual values. operating parameters ..
  • the at least one further operating parameter may be a measured actual controlled variable, for example a measured actual main controlled variable, for example an actual pressure of the conveying fluid, an actual pressure difference or an actual volume flow. Too little pressure at the suction nozzle can be used as a cavitation indicator.
  • the delivery fluid viscosity is preferably taken into account, in particular for metrological reasons representative of the viscosity of the delivery fluid whose measured temperature.
  • the temperature can therefore be additionally or alternatively monitored by a pressure as actual operating parameters.
  • An excess temperature of the conveying fluid can be hazardous to the pump, in particular with regard to a possible bearing damage.
  • the engine speed can be taken into account in accordance with a fixed assignment or function which is directly proportional to the positive displacement pump speed (spindle speed), in particular corresponds to this. Too high or too low a speed can also be a risk, especially if further operating parameters, such as the temperature and / or the pressure exceeds or falls below certain limits.
  • vibrations (vibrations) of the positive-displacement pump and / or the positive-displacement pump motor can be monitored. Excessive vibrations jeopardize the alignment between positive displacement pump motor and positive displacement pump with the possible consequence of bearing damage to the positive displacement pump and / or the positive displacement motor.
  • the life of the positive displacement pump can be reduced by impermissible oscillations, in particular if further actual operating parameters, such as the rotational speed and / or the temperature and / or the pressure exceed or fall below certain limits.
  • the viscosity of the conveying fluid which is functionally related to the conveying fluid temperature, may be directly or indirectly above the temperature in determining a limit value, a corrected manipulated variable or, if provided of a comparative value. Too low a viscosity can be hazardous to the pump because of the resulting decreasing lubricating properties of the fluid between the spindles. Too high a viscosity may be positive displacement pump motor hazard, so that the torque increases too much.
  • too high a viscosity can be a risk of displacement, for example when using a magnetic coupling, which can often break off unnoticed due to too high a viscosity, which leads to the destruction of the positive displacement pump or of the magnetic coupling.
  • at least one of the following actual operating parameters be monitored, for example, the torque which is functionally dependent on the viscosity of the conveying fluid. In particular, the torque can be taken into account as an indicator of an increasing displacement of the positive displacement pump.
  • the positive displacement pump motor current can be included in the calculation of a limit value, a corrected manipulated variable or, if provided, in a comparison value.
  • the motor current is a simple and inexpensive to measure size, especially at constant other parameters, such as the viscosity of the torque, which in turn can indicate wear of the pump.
  • the leakage rate can be monitored. This is based on the idea that each mechanical seal requires a nominal leakage in order to lubricate the static and dynamic components of the mechanical seal. If the leakage rate increases, this can be an indicator of incipient mechanical seal damage.
  • the manipulated variable generated by the controller or the manipulated variable corrected by the correction means should be compared with a first or second limit value, but additionally or alternatively for this comparison, a comparison value should be calculated which is functional Relationship to the manipulated variable or the corrected manipulated variable, may be included in the calculation of this comparison value based on a functional relationship, several of the above actual operating parameters, in particular the first actual operating parameters and at least one of the other actual operating parameters.
  • first and / or second limiting value specification means and / or the first or second correction means take into account in their calculations for the displacement pump-specific geometry parameters assigned to the control means, for example a gap width and / or a spindle diameter.
  • the limit value specification means and / or the correction means may form a delivery fluid parameter stored in a storage, taking into account in particular a shearing behavior of the delivery fluid.
  • the at least one measured actual parameter for example the first actual operating parameter or a further actual parameter
  • the at least one measured actual parameter is not fed directly by sensor means into the control means but at the at least one actual operating parameter to the control means of a process control room is transmitted, in particular, as will be explained later, via a bus system.
  • a shear rate is taken into account in the calculation of the at least one first and / or at least one second limit value, in particular a maximum permissible shear rate stored in a memory and / or one currently based on at least one actual operating parameter calculated shear rate is considered according to a functional relationship.
  • a static limit value analysis takes place in which the manipulated variable, a corrected manipulated variable, a comparison value or directly a first operating parameter and / or a further operating parameter with one in a preferably non-volatile memory
  • the limit value stored in the logic means is / are compared and, if the limit value should be exceeded or undershot by a predetermined amount, a corrected manipulated variable is determined and output so as not to jeopardize the pump or product quality.
  • the manipulated variable predetermined by the controller or, based on a preceding comparison, already corrected manipulated variable can be increased or reduced by a predetermined amount, in particular a predetermined factor.
  • a second or second correction means may take into account a delivery fluid parameter (fluid-specific property value / constant) in accordance with a mathematical function or assignment which is stored, for example, in a non-volatile memory of the control means. Preferably, it can be selected manually or automatically under different fluid parameter data sets, for example as a function of a measurement result.
  • the shear behavior of the conveying fluid is preferably taken into account as the conveying fluid parameter, in particular if a shear gradient is used to determine a limiting value or a corrected actuating variable.
  • the logic means for determining and / or signaling a maintenance due date of the positive displacement pump in dependence of a measured or calculated actual operating parameter and / or in dependence of a are formed for the control means associated displacement pump specific parameters.
  • the logic means preferably comprise a corresponding functional unit which takes into account the measured or calculated actual parameter and / or the displacement-pump-specific parameter in determining the maintenance due date.
  • This functional unit preferably calculates the maintenance due date based on a predetermined (functional) assignment.
  • the maintenance due date is preferably signaled via corresponding signaling means, for example a display and / or an LED traffic light, which can emit different color signals.
  • the first and / or second correction means are designed such that, in the event that the limit value is exceeded or fallen below by a predetermined, in particular very high or very low value, a stop signal for the positive displacement pump motor, in particular emit for a motor contactor, due to which the positive displacement pump motor is stopped, in particular to avoid further endangering the positive displacement pump or other process units or the quality of the conveying fluid.
  • control means are communicating via a bus system, in particular a CAN bus system, in particular in order to communicate with other positive displacement pump control means and / or a process control center, ie to transmit and / or receive data.
  • a bus system in particular a CAN bus system, is assigned, which is known mainly from the automotive industry. This bus system is surprisingly found to be particularly reliable and robust in connection with positive displacement pump systems.
  • the control means are assigned input means, in particular in the form of at least one key, preferably in the form of a plurality of keys and / or a cloth screen, etc. in order to configure and / or read the control means.
  • via the input means one of a plurality of stored in a non-volatile memory system parameter data sets and / or bainfluidparameter poems algorithmsn.
  • control means have memory means which are designed and controlled to store, in particular also to log, received, calculated and / or transmitted data, in particular measured values or voltage profiles.
  • the memory means are particularly preferably designed and controlled in order to store measured actual operating parameters and / or reference variables and / or manipulated variables and / or corrected manipulated variables.
  • the invention also leads to a positive displacement pump system, comprising a positive displacement pump, preferably designed as an electric motor positive displacement motor and the positive displacement pumps associated, as described above formed control means for generating an optionally corrected manipulated variable, in particular a voltage signal for the also included by the system frequency converter of the positive displacement motor.
  • the control means are associated with reference variable presetting means, which supply the control means with the input guide variable, for example a nominal volume flow, a desired pressure, etc., preferably in the form of a voltage signal.
  • the function of the command value specification means can in particular be taken over by a process control center which, if present, forms further process units, such as further positive displacement pumps, monitoring and / or controlling and / or regulating in addition to the positive displacement pump assigned to the control means.
  • the reference variable can be preset manually, for example by a corresponding setting on the control means and then generated by the control means itself and / or by a simple voltage source separate from the control means and outputting an electrical voltage value as a reference variable.
  • control means are designed to communicate with the process control room and / or with other control means via a bus system, in particular a CAN bus system, wherein via this bus system, for example measured actual operating parameters can be transmitted and stored for example in one of several control means.
  • a bus system in particular a CAN bus system
  • the system preferably also comprises at least one sensor (sensor means), preferably at least two sensors, which are connected to the control means in signal-conducting fashion, the sensor or the sensors for measuring the first actual operating signal and possibly at least one further actual sensor.
  • Operating signal is formed and arranged.
  • a pressure sensor for determining a fluid pressure, in particular a differential pressure and / or a temperature, for example a delivery fluid temperature or a storage temperature.
  • the control means are signal-connected to the frequency converter in order to receive an actual auxiliary manipulated variable as the first and / or at least one further actual operating parameter, in particular a rotational frequency setpoint or a torque setpoint from the frequency converter.
  • the invention also leads to a drive method for driving a frequency converter, wherein the method or advantageous embodiment of the method has already been described above with reference to preferred control means.
  • control means which are designed to control variable generated by a controller with a first (pump protection)
  • control means which are designed to compare a manipulated variable generated by the controller with a (conveying fluid protection) limit value
  • Fig. 3 shows a further embodiment variant of control means in which the control variable generated by the controller with a first threshold and / or a second threshold is too comparable and possibly correctable, the comparison sequence also different, as shown in Fig. 4, i. can be realized in reverse order,
  • Fig. 4 is an NPSH diagram
  • Fig. 5 is a diagram of the physical relationship between the delivery fluid pressure, measured at the discharge nozzle of the pump, the
  • Delivery fluid viscosity (medium viscosity) and the pump speed, here a minimum pump speed.
  • a positive displacement pump system 1 comprises a in the embodiment shown as a single or multi-spindle pump, in particular three-spindle pump, trained positive displacement pump 2.
  • the positive displacement pump 2 is operatively connected to a motor shaft of a trained as an electric motor displacement pump motor 3, which comprises a frequency converter 4, depending on a generated by a controller 6
  • Manipulated variable Ys or a corrected manipulated variable Y's or possibly multiple times corrected manipulated variable Y's controls the energization of the motor windings of the positive displacement pump motor 3 and / or regulates.
  • the positive displacement pump system 1 comprises, for example, control means 5 formed by a microcontroller, comprising a previously mentioned regulator 6 and logic means 7.
  • the control means 5 are preceded by command value presetting means 8, for example a process control room, which supply the control means 5 with a reference variable W, for example an electrical voltage signal representing a set volume flow or a set pressure.
  • command value presetting means 8 for example a process control room, which supply the control means 5 with a reference variable W, for example an electrical voltage signal representing a set volume flow or a set pressure.
  • the reference variable W and an externally supplied first actual operating parameter X are supplied to the controller 6, more precisely to a difference former 9 of the controller 6, which calculates the difference XW.
  • the actual controller 6, which is designed, for example, as a PI or PID controller, thus determines a manipulated variable Ys on the basis of the reference variable W and the first actual operating parameter X measured here. This is not fed directly to the frequency converter 4 as in the prior art, but first passes through logic means 7.
  • first comparison means 10 which compare the control variable generated by the controller 6 Ys with at least a first limit, preferably a maximum to be observed first Limit value YGrenzmax and / or a minimum limit value Yorenzmin- to be followed
  • first comparison value specification means based on the manipulated variable Ys with the manipulated variable Ys in a functional context Comparative value are calculated, in its calculation according to a functional relationship and at least one actual operating parameters, for example, the first actual operating parameters X and at least one further, to be explained later further actual operation can incorporate parameters.
  • the comparison value specification means can take into account at least one geometry parameter of the positive displacement pump and / or one delivery fluid parameter, which then also takes into account the limit value must be taken into account.
  • this additional comparison value calculation step is saved and the manipulated variable Y s is compared directly with at least one first limit value Yorenzmax and / or Yorenzmin, wherein the at least one first limit value represents a positive-displacement pump limit whose overflow or undershoot is a defect of the positive-displacement pump entails or could have.
  • the comparison means 10 is associated with a first functional unit 1 1, which includes first correction means 13 in addition to first limit value specification means 12.
  • the functional unit 1 1 calculates the at least one first limit value Y limit, Y min value, which is supplied to the comparison means 10 in addition to the manipulated variable Y s generated by the controller 6.
  • the comparison means now check whether the manipulated variable Y s falls below a maximum first limit value YGrenzmax and / or whether the manipulated variable Ys exceeds a minimum first limit value Yorenzmin.
  • the manipulated variable Y s is a permissible control variable which does not endanger the positive displacement pump, which can be supplied to further comparisons and correction routines, not shown, or as shown directly as input signal to the frequency converter 4 of the positive displacement motor 3 on this basis controls.
  • the first actual operating unit 1 1 is supplied with the first actual operating parameter X and another measured or calculated actual operating parameter Y H and / or X H , wherein the actual operating parameter Y H is shown in FIG Embodiment is an auxiliary manipulated variable of the frequency converter, for example, a rotational frequency setpoint or a torque setpoint of the frequency converter. These are not measured values, but based on at least one actual parameter, for example based on a current control measurement calculated by the frequency converter, in particular simulated values.
  • the further actual operating parameter X H is an auxiliary control variable, for example an engine and / or positive displacement pump speed or a torque, which are preferably measured directly on the engine 3.
  • an operating parameter ie
  • the first actual operating parameter in this case the actual value of the controlled variable from the process control line 14, and at least one further actual operating parameter YH, XH or a preferably measured main control variable Y H H for the process control variable X, for example a pressure or a volumetric flow.
  • the comparator means detects that the maximum first limit value YGrenzmax has been exceeded and / or falls short of the minimum first limit value Ycrenzmin, this is reported to the first functional unit 1 1, whose first correction means 13 then determine a corrected manipulated variable Y's taking into account of the first actual operating parameter X and one of the aforementioned further actual operating parameters Y H , XH , YHH .
  • This corrected manipulated variable Y ' s can then, as shown, be supplied to the comparison means as an input for comparing with a first limit value Ycrenzmax and / or Yorenzmin or bypassing the comparison means (not shown) to a further comparison and correction procedure or directly to the frequency converter 4 as an input signal ,
  • specific geometry parameters GP and / or conveying fluid parameters FP specific to the conveying fluid can be supplied to the first limiting value specification means 12 and / or the first correction means 13 for the positive displacement pump assigned to the control means 5, which are included in the context of a functional relationship in the calculation of the first limit values Yorenzmax, YGrenzmin, and / or the corrected manipulated variable Y ' s .
  • the corrected manipulated variable Y ' s is the maximum or minimum permissible first limit value Ycrenzmax, YGrenzmin, by which the manipulated variable Ys generated by the controller comes as close as possible.
  • the first limit value specification means 12 and the first correction means 13 include a common computer (computer means), since the corrected manipulated variable Y ' s in the exemplary embodiment shown corresponds to a first limit value Ycrenzmax, YGrenzmin.
  • the manipulated variable Ys generated by the controller is overwritten with the corrected manipulated variable Ys.
  • the first correction means 13 and the first limit value specification means 12 can be realized completely separately, ie with their own calculation means, ie in separate functional units.
  • the corrected manipulated variable Y's should correspond to a first limit value, in which case, as shown in FIG. 1, limit value specification means 12 and correction means 13 merge with one another, ie have a common calculation routine.
  • FIG. 1 will be described with reference to exemplary, non-limiting concrete embodiments.
  • the first actual operating parameter X corresponds to the actual controlled variable, in the exemplary embodiment shown a pressure, measured in bar. It is assumed that the reference variable X is a pressure and is initially 20 bar. Likewise, the actual operating parameter X is measured as 20 bar.
  • the controller 6 determines a new manipulated variable Y s , in this case a speed-proportional voltage value, which is significantly smaller than in a previous run or in a previous calculation.
  • the first threshold value setting means 12 calculates a minimum allowable limit YGrenzmin. This represents in the embodiment shown a minimum allowable speed. Maintaining a minimum permissible speed is desirable in order to avoid the risk of lubricant leakage when this minimum permissible speed is exceeded.
  • the minimum permissible speed ie the minimum permissible limit YGrenzmin is calculated based on the following functional relationship:
  • Yorenzmax corresponds to the minimum permissible limit value. This is a minimum allowable speed (n ON
  • the first actual operating parameter X is in this case the measured controlled variable, here the new actual pressure of 10 bar.
  • the factor ⁇ ⁇ is a further operating parameters, namely a measure for the, in particular via a temperature measurement of the conveying fluid certain operating viscosity of the fluid or for the situation influence of viscosity on the maximum allowable pressure. This value is in the illustrated embodiment 10 0 '32 for the particular medium.
  • the constant k is the correction value for the lubricity of the medium, this is exemplified by 0.75 for the particular medium.
  • the constant b is a correction value for the tribocharging capability of the pump casing. This is in the embodiment shown 1.
  • the pump-specific characteristic value c is a characteristic value for the radially loaded rotor diameter. This is for example in the embodiment shown 0.55.
  • the minimum permissible limit YGrenzmin is supplied to the first comparison means 10, which compare the control variable Ys determined by the controller 6 with this. In dependence of the comparison, either the manipulated variable Ys determined by the controller is sent to the frequency or a corrected manipulated variable Y 's determined by the first correction means, which is preferably the previously calculated (or recalculated) minimum permissible limit Yorenzmin corresponds.
  • the first actual operating parameter X corresponds to the actual controlled variable, here a pressure.
  • An actual pressure of 20 bar is measured.
  • the setpoint of the controlled variable, ie the reference variable W changes from 20 to 30 bar.
  • the disturbance variable there is a change in the disturbance variable. It is assumed that the flow resistance increases, as a result of a smaller flow area, ie a smaller flow diameter, for example, as a result of a tool change.
  • the calculation is based on the functional relationship specified in the first embodiment. Since the manipulated variable Ys falls below the minimum permissible limit value Ycrenzmin, ie the minimum permissible rotational speed, a corrected manipulated variable Y ' s is output by the first correcting means 13, which is transmitted to the frequency converter instead of the manipulated variable Ys.
  • the corrected manipulated variable Y ' s preferably corresponds to the calculated minimum permissible value
  • the reference variable W is a volume flow measured in l / min.
  • the first actual operating parameter X is a measured volume flow. It is assumed that the volumetric flow demand increases during operation. In the example shown, the reference value is to double, namely from 1500 l / min to 3000 l / min.
  • the controller 6 determines a manipulated variable Ys, here a speed. This manipulated variable Ys, ie from the controller. 6 predetermined speed is compared by the comparison means 10 with a maximum allowable speed, ie a first limit Yorenzmax- This maximum allowable speed is determined based on the NPSH ve available, ie based on the existing NPSH or Haitureruckheimière the system.
  • this amounts to 8 mWs (meter of water column).
  • Yorenzmax another measured actual operating parameters
  • the viscosity of the medium, Yorenzmax that is, the maximum speed determined. This is done by way of example with reference to the diagram shown in FIG. 4 or alternatively via polynomials stored in a non-volatile memory, which are based on the following calculation basis:
  • NPSH / (pump size (d a ), lead screw angle, viscosity V, speed n) where from the pump size via the spindle diameter d a and the lead screw angle to the axial velocity of the medium within the pump valid for a certain size and pitch angle can be closed so that there is a simplified relationship:
  • Limit max ⁇ zul BG NPSH ⁇ can be produced. It is therefore possible to calculate a permissible pump speed n nd BG for a pump with a specific pump size, a specific spindle pitch angle and a specific NPSH value.
  • the water column (mWs) is indicated in meters on the left vertical axis of the NPSH. On the right vertical axis, the speed is given in revolutions per minute. On the horizontal axis, the axial velocity of the fluid is given in m / s.
  • the diagram refers to an exemplary pump with a size 20 and a lead angle of the spindle of 56 °.
  • the linearly rising line characterizes the axial velocity v ax of the medium (delivery fluid) as a function of the rotational speed.
  • the first limit value Yorenzmax ie the maximum permissible rotational speed
  • the diagram must move up to the linear line.
  • the maximum permissible speed ie the first limit value Yorenzmax
  • the maximum permissible speed can then be read on the right vertical axis. This is about 3800 revolutions / min for the measured viscosity, ie the other actual operating parameters.
  • the reference variable ie the required volume flow doubles, which is 3000 l / min due to the linear relationship between a manipulated variable change from the assumed 1500 rpm. Since this manipulated variable Y s of 3000 1 / min is smaller than the first limit YGrenzmax of about 3800 1 / min, the manipulated variable Ys can be transmitted to the frequency converter 4 as an input variable.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 differs from the exemplary embodiment according to FIG. 1 only in that the manipulated variable Ys generated by the controller 6 is not compared with at least one first limit value ensuring or representing the positive displacement pump protection, but with at least one second, the delivery fluid quality ensuring limiting value. In the exemplary embodiment shown, this is a second limit value.
  • the at least one second limit value Yorenzmax, Ycrenzmin ensures compliance with the delivery fluid quality.
  • a single, maximum second threshold Ycrenzmax is provided by second threshold presetting means 15, alternatively providing a plurality of second threshold values, e.g. in addition, a minimum limit value Yorenzmin that can be calculated to ensure the delivery fluid quality.
  • second comparison means 16 compare whether the manipulated variable Y s generated by the controller 6 or a manipulated variable already corrected in a preceding further correction procedure not included here exceeds the second limit value Yorenzmin by a certain amount. If the manipulated variable Ys is less than or equal to the maximum limit value, the manipulated variable Y s generated by the controller 6 or supplied to the comparison means 16 is made available (calculated) to the frequency converter 4.
  • the second limit value specification means 15 take into account the first actual operating parameter X and at least one further (other) actual operating parameter, for example an auxiliary manipulated variable Y H , an auxiliary controlled variable X H and / or a skin manipulated variable Y H H. Also it is feasible that in the calculation additionally take into account geometry parameters GP of the positive displacement pump and / or delivery fluid parameters FP, as well as the vibration.
  • the fourth example concerns the protection of the medium, i.
  • the second limit value is determined such that the manipulated variable does not result in a negative impairment of a quality parameter of the delivery fluid (delivery medium) conveyed by the positive displacement pump.
  • the second limit value corresponds to a maximum permissible speed.
  • the first operating parameter X is a volume flow of the process line.
  • the determination of the second limit value includes functional conditions of the pump, i. Speed relationships are taken into account, namely the angular velocity difference of the rotating positive displacement rotors (spindles) relative to the stationary pump housing.
  • the velocity ratios in the columns are directly proportional to the pump speed and there is an inversely directly proportional relation to the size of the function gap, i. to the current linear shear rate.
  • This function gap depends on the one hand on pump-specific conditions, namely on the present actual radial gap, i. from the fixed pump rotor radial play and also from current operating conditions, namely the current pressure load (delivery fluid pressure) and the respective current viscosity of the delivery fluid.
  • the latter two further actual operating parameters are measured and found in the calculation of the second limit Yorenzmax, i. considered in the calculation of the maximum permissible speed.
  • a delivery fluid having a dynamic viscosity ⁇ of 5 Pas is delivered.
  • D ZU a maximum permissible shear rate
  • the maximum permissible speed therefore corresponds to the limit value Y Gn
  • control means 5 are designed such that the manipulated variable Ys output by the controller 6 has both at least one first limit value (pump protection limit value) and at least one second limit (medium protection limit) can be compared.
  • the control variable Y s generated by the controller 6 is first compared with a first and then with a second threshold, wherein the reverse arrangement is of course feasible, ie, that first with a second and then with a first Limit value is compared.
  • the output value of the first comparison forms the input variable for the second comparison, wherein the output variable of the first comparison can be the uncorrected manipulated variable Y s , namely in the first comparison there is no limit value overshoot or undershoot and thus Y s is not corrected or alternatively by a manipulated variable Y's corrected by the first comparison means 10.
  • Ys or Y ' s are then the input variables for the second comparison means 16. If no correction is made here, the input value for the second comparison Y s or Y' s is sent to the frequency converter 4 or, in the case of a correction, the corrected manipulated variable Y s .
  • first and second decision-making means 20, 21 are provided in which it is determined whether a pump protection comparison or a medium protection comparison is to be carried out.
  • the respective decision can be predefined by software, for example, so that the user can alternatively only implement a pump protection comparison or a medium protection comparison, or both comparison operations.
  • the manipulated variable is a speed signal for the pump, the pump speed being plotted in the diagram on the left vertical axis.
  • the delivery pressure measured at the discharge nozzle of the pump, flows into the calculation of the first limit value, the delivery fluid pressure being plotted on the right vertical axis.
  • the delivery fluid viscosity (medium viscosity) flows into the calculation of the first limit value as a further actual operating parameter, the medium viscosity being plotted on the horizontal lower axis.
  • the delivery fluid volume flow or the pump speed or the delivery fluid pressure into consideration. In the specific embodiment, it is assumed that the delivery fluid pressure is the reference variable.
  • the conveying fluid viscosity due to a corresponding medium change from 12mm 2 / s to 9 mm 2 / s, to 6 mm 2 / s, to 4 mm 2 / s and then (stepwise) up to 2mm 2 / s drops.
  • the delivery fluid volume flow may fluctuate.
  • the reference variable ie the process pressure (delivery fluid pressure) should initially be kept at 10bar, then increase to 20bar, etc., ie incrementally by 10bar each to a maximum of 50bar. In other words, the reference variable gradually changes from initially 10bar to 50bar.
  • the controller outputs a manipulated variable (Y s ) as a function of the reference variable (W).
  • the first limit value specification means calculate a first limit value, in the present case a minimum rotational speed Yorenzmin as a function of the first actual operating parameter, here the delivery fluid pressure and the further actual operating parameter, here the medium viscosity, wherein in the concrete exemplary embodiment the medium viscosity is determined indirectly via the delivery fluid temperature.
  • the comparison means compare the control variable predetermined by the controller, ie a speed signal with the first limit value calculated by the first limit value specification means. If the manipulated variable in the illustrated embodiment is above this first limit value, the manipulated variable is forwarded to the frequency converter as an input signal.
  • a corrected manipulated variable is determined or determined as an input signal in the embodiment shown and passed on to the frequency converter as a corrected manipulated variable in the embodiment shown by the first correction means passing on the first limit value determined by the limit value specification means.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Steuermittel zum Ansteuern eines Frequenzumrichters (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) einer Verdrängerpumpe (2), umfassend einen Regler (6), der zum Erzeugen einer Stellgröße (Ys) für einen Frequenzumrichter (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) in Abhängigkeit einer Führungsgröße (W) und eines ersten Ist-Betriebsparameters (X) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dem Regler (6) Logikmittel (7) zugeordnet sind, die erste Grenzwertvorgabemittel (12) aufweisen, die ausgebildet sind, um mindestens einen ersten Grenzwert (YGrenzmax, YGrenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparametrs (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (XH, YH, YHH) zu ermitteln, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defektzustand der Verdrängerpumpe (2) zur Folge haben könnte.

Description

Steuermittel zum Ansteuern eines Frequenzumrichters
sowie Ansteuerverfahren Die Erfindung betrifft Steuermittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Ansteuern eines Frequenzumrichters eines Verdrängerpumpenmotors einer Verdrängerpumpe, insbesondere einer Spindelpumpe, umfassend einen Regler, der zum Erzeugen einer Stellgröße (Stellgrößensignal) für einen Frequenzumrichter eines Verdrängerpumpenmotors in Abhängigkeit einer Führungsgröße (Führungsgrößensignal) und eines ersten Ist-Betriebsparameters ausgebildet ist, wobei der Ist-Betriebsparameter, wie noch erläutert werden wird, bevorzugt mittels eines Sensors unmittelbar gemessen oder anhand einer anderen Ist-Größe berechnet, insbesondere simuliert ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verdrängerpumpensystem gemäß Anspruch 15, umfassend eine Verdrängerpumpe, ein Verdrängerpumpenmotor zum Antreiben der Verdrängerpumpe, einen dem Verdrängerpumpenmotor zugeordneten Frequenzumrichter (zum geregelten oder gesteuerten Bestromen der Motorwicklungen) sowie dem Frequenzumrichter vorgeschaltete, nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Steuermittel, wobei den Steuermitteln Führungsgrößenvorgabemittel, beispielsweise in Form einer Prozessleitwarte, zugeordnet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters eines Verdrängerpumpenmotors einer Verdrängerpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21 , wobei mit einem Regler eine Stellgröße (Stellsignal) für den Frequenzumrichter des Verdrängerpumpenmotors in Abhängigkeit einer Führungsgröße und eines ersten Ist-Parameters erzeugt wird.
Heutige Verdrängerpumpenmotoren zum Antreiben von Verdrängerpumpen umfassen einen Frequenzumrichter mit integriertem Regler, der in der Lage ist das Eingangssignal, insbesondere ein Spannungssignal für den Frequenzumrichter in Abhängigkeit eines gemessenen Ist-Betriebsparameters und einer zu erreichenden Führungsgröße zu regeln. Dabei gibt der Regler die in Abhängigkeit der Führungsgröße ermittelte Stellgröße„kritiklos" an den Frequenzumrichter weiter. Problematisch dabei ist, dass der dem Frequenzumrichter zugeordnete Regler heute lediglich motorspezifisch ausgelegt ist, d.h. nicht hinsichtlich der eigentlichen bei Verdrängerpumpensystemen interessierenden Verdrängerpumpe optimiert ist. Dies kann bei Verdrängerpumpensystemen zu Problemen führen, da von Verdrängerpumpen grundsätzlich im Vergleich zu Kreiselpumpen eine erhöhte Gefährdung für die Pumpe selbst und/oder für weitere Prozessaggregate ausgeht. Dies ist auf das von Strömungsmaschinen unterschiedliche Kennlinienverhalten von Verdrängerpumpen zurückzuführen. Grundsätzlich kann dies auch im Extremfall zu einer vollständigen Selbstzerstörung oder nachhaltigen Störung der Verdrängerpumpe führen, insbesondere dann, wenn Schädigungsanzeichen nicht rechtzeitig erkannt werden.
Auch wird der Einfluss des unmittelbar aus der Führungsgröße (Sollvorgabe) resultierenden Stellgrößensignals auf die Qualität des Förderfluids bei bekannten Verdrängerpumpen nicht berücksichtigt.
Ausgehend von dem vorstehend erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, verdrängerpumpenspezifische Steuermittel zur Bereitstellung der Stellgröße für den Frequenzumrichter eines Verdrängerpumpenmotors bereit zustellen, wobei die Steuermittel das Gefährdungsrisiko der zugeordneten Verdrängerpumpe für sich selbst oder weitere Prozessaggregate minimieren soll und/oder eine optimale Produktqualität, d.h. eine gute Qualität des Förderfluids sicherstellen soll. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Verdrängerpumpensystem mit entsprechend verbesserten Steuermitteln anzugeben sowie ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters eines Verdrängerpumpenmotors, mit welchem vorstehende Nachteile vermieden werden können. Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Steuermittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , hinsichtlich des Verdrängerpumpensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und hinsichtlich des Ansteuerverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die vom Regler in Abhängigkeit einer Führungsgröße, beispielsweise einem Sollvolumenstrom oder einem Solldruck des Förderfluids generierte Stellgröße, bevorzugt ein Spannungssignal nicht unmittelbar, d.h. kritiklos bzw. ohne Plausibilisierung, d.h. Überprüfung als Eingangssignal an den Frequenzumrichter weiterzugeben, sondern die Stellgröße, oder eine später noch zu erläuternde von ggf. zusätzlich vorgesehenen, insbesondere zweiten, Korrekturmitteln erhaltene, korrigierte Stellgröße oder gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße oder der korrigierten Stellgröße ermittelten Vergleichswert mit mindestens einem ersten Grenzwert (Pumpenschutzgrenzwert) zu vergleichen, wobei der mindestens eine erste Grenzwert ein Gefährdungspotenzial für die Verdrängerpumpe und/oder ein weiteres Prozessaggregat widerspiegelt. Anders ausgedrückt hätte ein Über- bzw. Unterschreiten des ersten Grenzwertes (mit einer definierten Wahrscheinlichkeit) einen vorbestimmten Defektzustand der Verdrängerpumpe zur Folge. Erfindungswesentlich ist es dabei, dass es sich bei dem ersten Grenzwert nicht um einen statischen, d.h. fest vorgegebenen bzw. festgelegten Grenzwert handelt (wobei selbstverständlich zusätzlich auch ein Vergleich mit derartigen festen Grenzwerten durchgeführt werden kann), sondern um einen dynamisch bestimmten Grenzwert, der auf Basis von Ist-Betriebsparametern errechnet wird. Anders ausgedrückt wird der Grenzwert in Abhängigkeit von Ist- Betriebsparametern aktuell berechnet, wobei es sich bei diesen Ist-Betriebsparametern um den ersten Ist-Betriebsparameter, also eine Ist-Regelgröße aus der Regelstrecke handeln kann, auf deren Basis der Regler die Stellgröße ermittelt und um mindestens einen weiteren, d.h. einen anderen Ist-Betriebsparameter, der entweder unmittelbar mittels eines Sensors gemessen oder auf Basis eines Ist-Wertes berechnet, insbesondere simuliert wird. Noch anders ausgedrückt besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass nicht nur mit statischen Grenzwerten gearbeitet wird, sondern gemäß der Erfindung Berücksichtigung findet, dass die Grenzwerte einer Dynamik unterliegen, d.h. sich im Betrieb der Verdrängerpumpe in Abhängigkeit von sich ändernden Ist- Betriebsparametern ändern können. Für den Fall, dass der so ermittelte erste (Pumpenschutz-)Grenzwert um ein bestimmtes Maß über- bzw. unterschritten wird, wird mit Hilfe von ersten Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße bereitgestellt, mit der vorzugsweise die vom Regler erzeugte Stellgröße oder eine bereits zuvor korrigierte Stellgröße, die beispielsweise von zweiten Korrekturmitteln erzeugt wurde, überschrieben wird. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die korrigierte Stellgröße den maximal oder minimal zulässigen Wert annimmt, also bevorzugt einen ersten, aktuell berechneten Grenzwert, um der Führungsgröße oder genauer der aus der Führungsgröße unmittelbar resultierenden Stellgröße möglichst nahe zu kommen. Anders ausgedrückt handelt es sich bei der korrigierten Stellgröße um eine auf einen ersten Grenzwert gedeckelte Größe (bevorzugt ein entsprechend begrenztes Spannungssignal).
Zusätzlich zu dem Vergleich der Stellgröße, einer korrigierten Stellgröße, oder eines aktuell ermittelten Vergleichswertes mit einem ersten, den Verdrängerpumpenschutz sicherstellenden Grenzwert kann die vom Regler in Abhängigkeit der Führungsgröße ermittelte Stellgröße oder eine korrigierte Stellgröße, (beispielsweise eine von ersten Korrekturmitteln erhaltenen korrigierte Stellgröße), insbesondere die von den ersten Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße oder ein aktuell berechneter Vergleichswert mit mindestens einem zweiten Grenzwert (Förderfluidschutz-Grenzwert) verglichen werden, dessen Einhaltung bzw. Nicht-Über- bzw. Unterschreiten die Qualität des Förderfluids sichern soll. Anders ausgedrückt würde ein Über- bzw. Unterschreiten des zweiten Grenzwertes (mit einer definierten Wahrscheinlichkeit) einen vorbestimmten Qualitätsparameter des mit der Verdrängerpumpe geförderten Fluids beeinträchtigen. Wird nun von Vergleichsmitteln ein Über- bzw. Unterschreiten (je nachdem, ob es sich um einen maximalen oder minimalen Grenzwert handelt) des mindestens einen zweiten Grenzwertes um ein vorbestimmtes Maß festgestellt, so wird von zweiten Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße ausgegeben, die bevorzugt entweder direkt oder indirekt in Form eines Vergleichswertes dem Vergleich mit dem mindestens einen ersten Grenzwert oder als Eingangsgröße (Sollvorgabe) an den Frequenzumrichter weitergegeben wird. Bevorzugt wird die vom Regler erzeugte Stellgröße oder die von vorgelagerten weiteren, beispielsweise den ersten Korrekturmitteln erhaltene Stellgröße mit der korrigierten Stellgröße der zweiten Korrekturmittel überschrieben.
Wesentlich ist hierbei auch, dass es sich bei dem zweiten Grenzwert nicht um einen fest vorgegebenen, abgelegten Grenzwert handelt, sondern um einen auf Basis aktueller Ist-Betriebsparameter berechneten zweiten Grenzwert, wobei es sich bei den in die Berechnung einfließenden Ist-Betriebsparametern um den ersten Ist- Betriebsparameter, insbesondere eine Ist-Regelgröße handelt und zusätzlich um einen anderen (weiteren) gemessenen Ist-Betriebsparameter oder um einen, insbesondere auf Basis eines Ist-Wertes berechneten Ist-Betriebsparameter. Selbstverständlich kann zusätzlich ein Vergleich einer Stellgröße, einer korrigierten Stellgröße, eines Vergleichswertes und/oder eines Ist-Betriebsparameters mit einem festen Förderfluid- Grenzwert durchgeführt und bei Über- bzw. Unterschreiten eine Korrektur der Stellgröße oder der korrigierten Stellgröße durchgeführt werden.
Wie bereits angedeutet liegt es im Rahmen der Erfindung eine Stellgröße, eine korrigierte Stellgröße oder einen Vergleichswert entweder nur gegen mindestens einen ersten (Pumpenschutz-)Grenzwert abzugleichen oder nur gegen einen zweiten (Förderfluidschutz-)Grenzwert oder alternativ gegen sowohl mindestens einen ersten (Pumpenschutz-)Grenzwert und zusätzlich gegen mindestens einen zweiten (Förderfluidschutz-)Grenzwert, wobei wiederum alternativ zuerst gegen mindestens einen ersten Grenzwert und dann nachfolgend gegen mindestens einen zweiten Grenzwert verglichen werden kann, oder umgekehrt zunächst gegen einen zweiten Grenzwert und nachfolgend gegen einen ersten Grenzwert.
Kern der Erfindung ist es also dem Regler zur Erzeugung einer Stellgröße eine Logik (Logikmittel) zuzuordnen, die dafür Sorge trägt, dass das Reglerausgangssignal (Stellgröße) zunächst mit mindestens einem ersten und/oder mindestens einem zweiten Grenzwert (Pumpenschutzgrenzwert und/oder Förderfluidschutz-Grenzwert) verglichen wird, wobei der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Grenzwert aktuell, d.h. unter Berücksichtigung gemessener oder berechneter Ist- Betriebsparameter berechnet wird und dass, für den Fall, dass ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen ersten Grenzwertes und/oder des mindestens einen zweiten Grenzwertes festgestellt wird, eine korrigierte Stellgröße erzeugt und dann diese anstelle der vom Regler ursprünglich erzeugten Stellgröße oder anstelle einer bereits zuvor korrigierten Stellgröße als Eingangssignal an den Frequenzumrichter (Frequenzumformer) weitergegeben wird, welcher auf Basis dieser Sollvorgabe den Verdrängerpumpenmotor bestromt.
Grundsätzlich ist es möglich, die Logikmittel hardwaremäßig getrennt von dem Regler auszuführen, beispielsweise in Form eines von dem Regler getrennten Mikrokontrollers. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der Regler und die Steuermittel von einem gemeinsamen Mikrokontroller realisiert sind bzw. einen gemeinsamen Mikrokontroller umfassen. Wie später noch erläutert werden wird, ist es besonders bevorzugt, wenn in die Berechnung des mindestens einen ersten Grenzwertes und/oder des mindestens einen zweiten Grenzwertes verdrängerpumpenspezifische Parameter, insbesondere Geometrieparameter, wie ein Spaltmaß, und/oder ein Spindeldurchmesser mit einfließen. Hierzu ist es besonders zweckmäßig, wenn in einem (nicht flüchtigen) Speicher, insbesondere einem EEPROM, der Logikmittel mehrere Datensätze von Systemparametern abgelegt sind, die spezifisch sind für unterschiedliche Verdrängerpumpen (d.h. jeder Datensatz ist spezifisch für eine Verdrängerpumpe), insbesondere für unterschiedliche Bauarten und Baugrößen von Verdrängerpumpen und das zwischen diesen Datensätzen, insbesondere bei einer Grundkonfiguration, beispielsweise über eine Menüsteuerung, ausgewählt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die gleichen Steuermittel im Zusammenhang mit unterschiedlichen Verdrängerpumpen einzusetzen.
Die nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Steuermittel ermöglichen erstmals mögliche negative Auswirkungen bei aktuellen, sich ändernden Betriebsparametern einer Führungsgröße bzw. die Auswirkungen aus einer aus der Führungsgröße unmittelbar resultierenden Stellgröße auf die Intaktheit der Verdrängerpumpe und/oder auf die Produktqualität, d.h. die Qualität des Mittels der Verdrängerpumpe geförderten Förderfluids anhand eines Vergleichs mit einem situativ bestimmten, d.h. sich im Laufe der Zeit ändernden Grenzwert zu erkennen und gegebenenfalls gegenzusteuern, indem bei Erkennen eines Gefährdungspotenzials nicht wie bisher die unmittelbar aus der Führungsgröße resultierende, vom Regler erzeugte Stellgröße (Spannungssignal) unmittelbar vom Frequenzumrichter in eine Verdrängerpumpenmotordrehzahl umgesetzt wird oder der Verdrängerpumpenmotor durch Ansteuerung eines Schützes einfach ausgeschaltet wird, sondern indem stattdessen eine, insbesondere reduzierte, oder erhöhte in Abhängigkeit eines ersten Betriebsparameters und eines weiteren, bevorzugt gemessenen, Ist-Betriebsparameters berechnete korrigierte Stellgröße (vorzugsweise größer null) dem Frequenzumrichter übergeben wird. Bevorzugt handelt es sich bei der korrigierten Stellgröße um den von den gemeinsam oder alternativ vorgesehenen ersten bzw. zweiten Grenzwertevorgabemitteln berechneten ersten bzw. zweiten Grenzwert.
Die physikalischen Größen (Parameter) der Pumpendrehzahl, der Förderfluidviskosität und des Förderfluiddrucks stehen in dem folgenden physikalischen Zusammenhang, d.h. sind gegenseitig voneinander abhängig:
n wobei
n = Pumpendrehzahl;
p = Förderfluiddruck in Druckleitung bzw. Förderfluiddruckdifferenz an der Pumpe Exponent a, Faktor b und c Konstanten der Verdrängerpumpe
k: Faktor der Förderfluidschmierfähigkeit
V : Förderfluidviskosität Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die Steuermittel sämtliche vorstehenden Parameter zur Ansteuerung des Frequenzumrichters berücksichtigen, wobei vorzugsweise die Pumpendrehzahl in Form der Stellgröße Berücksichtigung findet, der Förderfluiddruck, vorzugsweise gemessen am oder in der Nähe des Druckstutzens oder alternativ aus weiteren Parametern berechnet, als erster Ist-Betriebsparameter und die Förderfluidviskosität oder ein Parameter, insbesondere ein Fluidparameter, zu welchem die Förderfluidviskosität in einem physikalischen Zusammenhang steht, insbesondere die Förderfluidtemperatur als zweiter Betriebsparameter, wobei vorgenannter erster Ist-Betriebsparameter, d.h. der Förderfluiddruck und der weitere Ist-Betriebsparameter vorzugsweise die Förderfluidviskosität oder die Förderfluidtemperatur mittels der ersten Grenzwertvorgabemittel berücksichtigt werden, um den ersten Grenzwert zu berechnen, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defektzustand der Verdrängerpumpe zur Folge haben könnte. Die Vergleichsmittel vergleichen dann die vom Regler ausgegebene Stellgröße, also ein Drehzahlsignal mit dem ersten Grenzwert, wobei erste Korrekturmittel eine korrigierte Stellgröße, d.h. ein korrigiertes Drehzahlsignal für den Fall ausgeben, dass die vom Regler ausgegebene Stellgröße den unter Berücksichtigung des Förderfluiddrucks und der Förderfluidviskosität bzw. eines hierzu in einem funktionalen Zusammenhang stehenden Parameters über- bzw. unterschreitet, wobei es sich bei der korrigierten Stellgröße, d.h. dem korrigierten Drehzahlsignal vorzugsweise um den ersten, zuvor mit Hilfe der ersten Grenzwertvorgabemitteln errechneten Grenzwert handelt. Als Führungsgrößen kommen bei der bevorzugten Ausführungsform ein Förderfluidvolumenstrom (bzw. die den Fördervolumenstrom widerspiegelnde Pumpendrehzahl) oder ein Förderfluiddruck zur Anwendung.
Diese bevorzugte Ausführungsform wird dem in der Praxis häufig auftretenden Fall gerecht, dass eine schnelle Störgrößenänderung, z.B. eine schlagartige Durchflusswiderstandsänderung zu einer sehr schnellen Druckänderung und damit zu einer schnellen Änderung des Drehmomentbedarfs an der Pumpe führt. Im Falle einer schnellen Druckerniedrigung bei großen Pumpenantrieben würde dies zu einer schnellen Drehzahlerhöhung führen. Eine unzulässige Drehzahlerhöhung kann durch die Berücksichtigung des Förderfluiddrucks, vorzugsweise gemessen am Druckstutzen als erster Betriebsparameters und der unmittelbaren oder mittelbaren Berücksichtigung der Förderfluidviskosität als zweiter Betriebsparameter bei der Berechnung des ersten Grenzwertes verhindert werden, so dass eine Beschädigung der Pumpe ausbleibt.
Bei kleinen Antriebsmotoren würde eine sehr schnelle schlagartige Druckerhöhung zu einer schnellen Drehzahlreduzierung führen, wobei auch hier die Berücksichtigung des vorgenannten Erstbetriebsparameters und des vorgenannten weiteren Betriebsparameters zu einer korrigierten Stellgröße, d.h. einem korrigierten Drehzahlsignal führt, wodurch auch in diesem Fall eine Beschädigung der Pumpe verhindert werden kann.
Im Falle der Realisierung des Mediumschutzes kommen bevorzugt als Führungsgröße der Förderfluiddruck, der Förderfluidvolumenstrom bzw. die Drehzahl oder aber auch die Förderfluidviskosität bzw. ein Parameter, insbesondere ein Fluidparameter, von dem die Förderfluidviskosität unmittelbar abhängig ist in Betracht. Die Stellgröße ist bevorzugt die Drehzahl bzw. ein Drehzahlsignal, wobei zur Berechnung des Grenzwertes, insbesondere eine maximal zulässige Drehzahl bevorzugt als erster Betriebsparameter ein Förderfluidvolumenstrom und als weiterer Ist-Betriebsparamter der Förderfluiddruck (insbesondere gemessen am Druckstutzen der Pumpe) berücksichtigt wird. Wie erwähnt, kann der Vergleich mit dem mindestens einen Grenzwert auf unterschiedliche Weise realisiert werden. So ist es besonders bevorzugt, wenn zum Vergleich mit dem ersten Grenzwert die von dem Regler erzeugte Stellgröße herangezogen wird, oder alternativ die von den ersten Korrekturmitteln oder die von fakultativ vorgesehenen weiteren, beispielsweise zweiten, Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße. Auch ist es möglich, nicht unmittelbar die vorgenannte Stellgröße oder eine korrigierte Stellgröße für den Vergleich heranzuziehen, sondern einen Vergleichswert, der auf Basis eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs aus der Stellgröße oder einer korrigierten Stellgröße berechnet wird. In analoger Weise ist es möglich für den Vergleich mit dem zweiten Grenzwert die vom Regler erzeugte Stellgröße heranzuziehen oder eine korrigierte Stellgröße, wobei es bei der korrigierten Stellgröße um die, falls vorhanden, von den ersten Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße handeln kann oder um die von den zweiten Korrekturmitteln ausgegebene korrigierte Stellgröße. Ebenso ist es möglich einen Vergleichswert, z.B. eine aktuelle Scherrate, auf Basis eines der vorgenannten Werte zu berechnen und diesen für den Vergleich heranzuziehen.
Wie bereits angedeutet, können die Logikmittel die vom Regler erzeugte Stellgröße, eine korrigierte Stellgröße oder einen auf Basis der Stellgröße und/oder der korrigierten Stellgröße berechneten Vergleichswert oder ein Ist-Betriebsparameter, insbesondere der erste Ist-Betriebsparameter und/oder der weitere Ist-Betriebsparameter auch mit mindestens einem für die den Steuermitteln zugeordnete Verdrängerpumpe spezifischen, festen Grenzwert verglichen werden, wobei für den Fall, dass ein solcher Grenzwert um ein bestimmtes Maß über- bzw. unterschritten wird von Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße ausgegeben wird. Handelt es sich bei dem zu vergleichenden Ist-Betriebsparameter beispielsweise um einen gemessenen Ist-Schwingungswert und überschreitet dieser ein für die bestimmte Verdrängerpumpe maximales Maß (Grenzwert) so wird von Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße ausgegeben, wobei diese Stellgrößenkorrektur einer möglichen Korrektur durch erste Korrekturmittel und/oder durch zweite Korrekturmittel vor- oder nachgelagert sein kann. Bei der korrigierten Stellgröße handelt es sich im einfachsten Fall um ein um einen bestimmten Faktor erhöhtes oder reduziertes Stellgrößensignal, oder ein Stellgrößensignal, das ein in einem Speicher abgelegten Wert annimmt, oder ein simulierter, berechneter Wert, für den ein Über- bzw. Unterschreiten des Grenzwertes nicht zu erwarten ist.
Die zuletzt geschilderte Ausgestaltung der Steuermittel dient vor allem zum Erkennen einer plötzlich auftretenden Beschädigung oder eines plötzlich auftretenden Beschädigungsanzeichens der Verdrängerpumpe. Wird beispielsweise von Sensormitteln als gemessener Ist-Betriebsparameter ein Schwingungsparameter überwacht und überschreitet dieser einen in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegten oder bevorzugt alternativ oder zusätzlich einen in Abhängigkeit eines weiteren gemessenen oder berechneten Ist-Parameters bestimmten Grenzwert, so wird nicht die der Führungsgröße entsprechende Stellgröße weitergegeben, sondern eine, beispielsweise um den Faktor 2 reduzierte errechnete Stellgröße, um die Verdrängerpumpe noch möglichst lange betreiben zu können, ohne dass ein Schaden, beispielsweise ein Lagerschaden auftritt oder sich verschlimmert, für den der erhöhte Schwingungswert ein Indiz darstellen kann.
Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung des, vorzugsweise von einem Mikrokontroller gebildeten, Reglers der Steuermittel gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist der Regler als Pl-Regler oder als PID-Regler ausgeführt.
Im Hinblick auf die Auswahl bzw. Ausgestaltung des ersten Ist-Betriebsparameters, der dem Regler zum Ermitteln einer Stellgröße zugeführt wird und auf dessen Basis gegebenenfalls der erste (Pumpenschutz-)Grenzwert und/oder der zweite (Förderfluidschutz-)Grenzwert berechnet wird, und der ggf. zur Berechnung der korrigierten Stellgröße von den Korrekturmitteln herangezogen wird, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt handelt es sich bei diesem ersten Ist- Betriebsparameter um eine, bevorzugt gemessene, Ist-Regelgröße aus der Regelstrecke, insbesondere eine sogenannte Ist-Hauptregelgröße, beispielsweise einen Ist-Druck des Förderfluids oder eine Ist-Druckdifferenz des Förderfluids, beispielsweise zwischen Saug- und Druckseite der Verdrängerpumpe oder um einen Ist-Volumenstrom des Förderfluids. Der erste Betriebsparameter wird bevorzugt gemessen, kann alternativ auch simuliert bzw. berechnet werden, insbesondere aus mehreren weiteren Ist-Betriebsparametern. Wie eingangs bereits erläutert, muss der erste und/oder zweite Grenzwert nicht nur anhand des ersten, dem Regler zugeführten Ist-Betriebsparameters berechnet werden, sondern zusätzlich auf Grundlage eines funktionellen Zusammenhanges auf Basis eines anderen (weiteren) Ist-Betriebsparameters. Bei dem zumindest einen weiteren Ist- Betriebsparameter kann es sich um eine gemessene oder auf Basis eines, beispielsweise gemessenen, Ist-Wertes berechnete Hilfsstellgröße, insbesondere des Frequenzumrichters handeln, beispielsweise um einen Drehfrequenzsollwert des Frequenzumrichters oder einen Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters. Auch ist es möglich, dass es sich bei mindestes einem weiteren Ist-Betriebsparameter um eine gemessene oder auf Basis eines Ist-Wertes berechnete Hilfsregelgröße, insbesondere eine Drehzahl des Verdrängerpumpenmotors oder ein Drehmoment des Verdrängerpumpenmotors handelt. Auch ist es möglich, dass es sich bei mindestens einem weiteren Ist-Betriebsparameter der in die Berechnung des ersten und/oder zweiten Grenzwertes und/oder in die Berechnung einer korrigierten Stellgröße und/oder in die Berechnung eines Vergleichswertes einfließt um eine gemessene Temperatur, beispielsweise eine Förderfluidtemperatur oder eine Lagertemperatur, insbesondere eines Wälzlagers einer Antriebsspindel der Verdrängerpumpe handeln. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter um einen gemessenen Vibrationswert handelt. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem mindestes einen weiteren Ist-Betriebsparameter um eine gemessene oder berechnete Förderfluidviskosität handelt. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter um eine gemessene Leckagemenge handelt. Besonders bevorzugt ist es, wenn nicht nur der erste Ist-Betriebsparameter und nur ein einziger weiterer Ist-Betriebsparameter bei der Berechnung eines Grenzwertes oder einer korrigierten Stellgröße berücksichtigt werden, sondern beispielsweise zusätzlich zum ersten Betriebsparameter zwei oder noch mehr weitere, vorzugsweise unterschiedliche, Ist-Betriebsparameter..
Für Anwendungen des Mediumschutzes (bevorzugt nicht für Anwendungen des Pumpenschutzes) kann es sich bei dem mindestens einen weiteren Betriebsparameter um eine gemessene Ist-Regelgröße, beispielsweise eine gemessene Ist- Hauptregelgröße handeln, beispielsweise um einen Ist-Druck des Förderfluids, eine Ist- Druckdifferenz oder einen Ist-Volumenstrom. Ein zu geringer Druck am Saugstutzen kann als Kavitationsindikator genutzt werden. Bevorzugt wird neben dem Druck als Betriebsparameter die Förderfluidviskosität berücksichtigt, insbesondere aus messtechnischen Gründen stellvertretend für die Viskosität des Förderfluids dessen gemessene Temperatur.
Die Temperatur kann also zusätzlich oder alternativ von einem Druck als Ist- Betriebsparameter überwacht werden. Eine Übertemperatur des Förderfluids kann pumpengefährdend sein, insbesondere im Hinblick auf einen möglichen Lagerschaden.
Als Ist-Betriebsparameter kann bei der Grenzwertberechnung und/oder der Berechnung eines korrigierten Stellwertes zusätzlich oder alternativ zum Druck die Motordrehzahl gemäß einer festen Zuordnung bzw. Funktion berücksichtigt werden, die direkt proportional zur Verdrängerpumpendrehzahl (Spindeldrehzahl) ist, insbesondere dieser entspricht. Eine zu hohe oder zu niedrige Drehzahl kann ebenfalls ein Risiko darstellen, insbesondere dann, wenn weitere Betriebsparameter, wie beispielsweise die Temperatur und/oder der Druck gewisse Grenzen über- bzw. unterschreiten. Zusätzlich oder alternativ zu den vorstehenden Ist-Betriebsparametern können Schwingungen (Vibrationen) der Verdrängerpumpe und/oder des Verdrängerpumpenmotors überwacht werden. Zu starke Schwingungen gefährden dabei die Ausrichtung zwischen Verdrängerpumpenmotor und Verdrängerpumpe mit der möglichen Folge eines Lagerschadens an der Verdrängerpumpe und/oder am Verdrängerpumpenmotor. Auch sind bei unzulässigen Schwingungen Gleitringdichtungsschäden möglich. Insgesamt kann die Lebensdauer der Verdrängerpumpe durch unzulässige Schwingungen reduziert werden, insbesondere dann, wenn weitere Ist-Betriebsparameter, wie die Drehzahl und/oder die Temperatur und/oder der Druck gewisse Grenzen über- bzw. unterschreiten.
Zusätzlich oder alternativ zu den vorstehenden weiteren Betriebsparametern kann die Viskosität des Förderfluids, die in einem funktionalen Zusammenhang zur Förderfluidtemperatur steht, direkt oder mittelbar über die Temperatur bei der Bestimmung eines Grenzwertes, einer korrigierten Stellgröße oder, falls vorgesehen eines Vergleichswertes berücksichtigt werden. Eine zu geringe Viskosität kann verdrängerpumpengefährdend sein aufgrund daraus resultierender nachlassender Schmiereigenschaften des Förderfluids zwischen den Spindeln. Eine zu hohe Viskosität kann verdrängerpumpenmotorgefährdend sein, so dass das Drehmoment zu sehr ansteigt. Zudem kann eine zu hohe Viskosität (zu niedrige Temperatur) verdrängerpumpengefährdend sein, beispielsweise beim Einsatz einer Magnetkupplung, welche durch eine zu hohe Viskosität häufig unbemerkt abreißen kann, was zur Zerstörung der Verdrängerpumpe bzw. der Magnetkupplung führt. Neben den zuvor erläuterten Ist-Betriebsparametern, die einzeln, in Gruppen oder bevorzugt gemeinsam zur Sicherstellung eines Komponentenschutzes (Verdrängerpumpenschutzes) oder zur Sicherstellung bzw. Gewährleistung einer Förderfluidqualität gemessen und gemäß einer mathematischen Funktion bei Berechnungen berücksichtigt werden, kann mindestens einer der nachstehenden Ist- Betriebsparameter überwacht werden, beispielsweise das Drehmoment, welches funktional abhängig von Viskosität des Förderfluids ist. Insbesondere kann das Drehmoment als Indikator für einen ansteigenden Verdrängerpumpenverschleiß berücksichtigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Verdrängerpumpenmotorstrom in die Berechnung eines Grenzwertes, einer korrigierten Stellgröße oder falls vorgesehen in einen Vergleichswert einfließen. Der Motorstrom ist eine einfach und kostengünstig zu messende Größe, insbesondere bei gleichbleibenden anderen Parametern, wie beispielsweise der Viskosität für das Drehmoment, welche wiederum auf Verschleiß der Pumpe hinweisen kann. Zusätzlich oder Alternativ kann die Leckagerate überwacht werden. Hier liegt der Gedanke zugrunde, dass jede Gleitringdichtung eine Nennleckage benötigt, damit die statische und dynamische Komponente der Gleitringdichtung geschmiert wird. Steigt die Leckagerate an, kann dies ein Indikator für einen beginnenden Gleitringdichtschaden sein.
Falls nicht, was jedoch bevorzugt ist, unmittelbar die vom Regler erzeugte Stellgröße oder die von Korrekturmitteln korrigierte Stellgröße mit einem ersten oder zweiten Grenzwert verglichen werden soll, sondern zusätzlich oder alternativ für diesen Vergleich ein Vergleichwert berechnet werden soll, der in einem funktionalen Zusammenhang zur Stellgröße oder zur korrigierten Stellgröße steht, können in die Berechnung dieses Vergleichswertes anhand eines funktionalen Zusammenhangs mehrere der vorgenannten Ist-Betriebsparameter, insbesondere der erste Ist- Betriebsparameter und mindestens einer der weiteren Ist-Betriebsparemeter, einfließen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die ersten und/oder zweiten Grenzwertvorgabemittel und/oder die ersten oder zweiten Korrekturmittel bei ihren Berechnungen für die den Steuermitteln zugeordnete verdrängerpumpespezifische Geometrieparameter berücksichtigen, beispielsweise eine Spaltbreite und/oder einen Spindeldurchmesser. Zusätzlich oder alternativ können die Grenzwertvorgabemittel und/oder die Korrekturmittel einen in einem Speicher abgelegten Förderfluidparameter, insbesondere ein Scherverhalten des Förderfluids berücksichtigend, ausgebildet sein.
So ist es insbesondere im Hinblick auf die Überwachung der Qualität des Förderfluids oder des damit hergestellten Endproduktes vorteilhaft, die Winkelgeschwindigkeiten der Verdrängerpumpenspindel bei der Berechnung eines Grenzwertes, einer korrigierten Stellgröße oder, falls vorgesehen, bei der Berechnung eines Vergleichswertes zu berücksichtigen. Dabei sollte bevorzugt mindestens ein Geometrieparameter sowie der Steigungswinkel der betreffenden Spindel berücksichtigt werden, da unterschiedliche Steigungswinkel der Spindel bei gleicher Motordrehzahl zu unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten innerhalb der Verdrängerpumpe führen.
Denkbar ist auch eine Variante, bei der der mindestens eine gemessene Ist-Parameter, beispielsweise der erste Ist-Betriebsparameter oder ein weiterer Ist-Parameter nicht unmitttelbar von Sensormitteln in die Steuermittel eingespeist wird, sondern bei der der mindestens eine Ist-Betriebsparameter den Steuermitteln von einer Prozess-Leitwarte übermittelt wird, insbesondere, wie später noch erläutert werden wird, über ein Bussystem. Besonders bevorzugt ist es, wenn bei der Berechnung des mindestens einen ersten und/oder mindestens einen zweiten Grenzwertes eine Schergefälle Berücksichtigung findet, insbesondere ein maximal zulässiges, in einem Speicher abgelegtes Schergefälle und/oder ein aktuell anhand mindestens eines Ist-Betriebsparameters berechnetes Schergefälle gemäß einem funktionalen Zusammenhang berücksichtigt wird.
Wie bereits erläutert, ist es denkbar, dass neben einer dynamischen Grenzwertbetrachtung auch eine statische Grenzwertbetrachtung erfolgt, bei welcher die Stellgröße, eine korrigierte Stellgröße, ein Vergleichswert oder unmittelbar ein erster Betriebsparameter und/oder ein weiterer Betriebsparameter mit einem in einem, vorzugsweise nicht flüchtigen Speicher der Logikmittel abgelegten Grenzwert verglichen wird/werden und, sollte der Grenzwert um ein vorbestimmtes Maß über- bzw. unterschritten werden, eine korrigierte Stellgröße ermittelt und ausgegeben wird, um somit die Pumpe oder Produktqualität nicht zu gefährden. Im einfachsten Fall, kann hierzu die vom Regler vorgegebene Stellgröße oder aufgrund eines vorangehenden Vergleichs bereits korrigierte Stellgröße um ein vorgegebenes Maß, insbesondere einen vorgegebenen Faktor, erhöht oder reduziert werden.
Zusätzlich oder alternativ zu mindestens einem gemessenen und ersten Ist- Betriebsparameter und/oder zusätzlich oder alternativ zu einem gemessenen oder berechneten weiteren Ist-Betriebsparameter und/oder zu mindestens einem vorgegebenen verdrängerpumpenspezifischen Geometrieparameter können die ersten und/oder zweiten Grenzwertvorgabemittel und/oder die ersten und/oder zweiten Korrekturmittel bei der Berechnung des entsprechenden Grenzwertes oder der korrigierten Stellgröße einen Förderfluidparameter (fluidspezifischer Eigenschaftswert/Konstante) gemäß einer mathematischen Funktion oder Zuordnung berücksichtigend ausgebildet sein, der beispielsweise in einem nicht flüchtigen Speicher der Steuermittel abgelegt ist. Bevorzugt kann unter verschiedenen Fluidparameterdatensätzen manuell oder automatisch, beispielsweise in Abhängigkeit eines Messergebnisses, ausgewählt werden. Bevorzugt wird als Förderfluidparameter das Scherverhalten des Förderfluids berücksichtigt, insbesondere dann, wenn zur Bestimmung eines Grenzwertes oder einer korrigierten Stellgröße ein Schergefälle herangezogen wird.
Ganz besonders zweckmäßig ist es, wenn die Logikmittel zum Ermitteln und/oder Signalisieren einer Wartungsfälligkeit der Verdrängerpumpe in Abhängigkeit eines gemessenen oder berechneten Ist-Betriebsparameters und/oder in Abhängigkeit eines für den Steuermitteln zugeordneten verdrängerpumpenspezifischen Parameters ausgebildet sind. Bevorzugt umfassen die Logikmittel hierzu eine entsprechende Funktionseinheit, die den gemessenen oder berechneten Ist-Parameter und/oder den verdrängerpumpenspezifischen Parameter bei der Ermittlung der Wartungsfälligkeit berücksichtigend ausgebildet ist. Bevorzugt berechnet diese Funktionseinheit die Wartungsfälligkeit anhand einer vorgegebenen (funktionellen) Zuordnung. Die Wartungsfälligkeit wird bevorzugt über entsprechende Signalisierungsmittel, beispielsweise ein Display und/oder eine LED-Ampel, die unterschiedliche Farbsignale aussenden kann, signalisiert.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die ersten und/oder zweiten Korrekturmittel derart ausgebildet sind, dass diese für den Fall, dass der Grenzwert um einen vorgegebenen, insbesondere sehr hohen oder sehr niedrigen Wert über- bzw. unterschritten wird, ein Stoppsignal für den Verdrängerpumpenmotor, insbesondere für ein Motorschütz aussenden, aufgrund dessen der Verdrängerpumpenmotor gestoppt wird, insbesondere um eine weitere Gefährdung der Verdrängerpumpe oder weitere Prozessaggregate oder der Qualität des Förderfluids zu vermeiden.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Steuermittel über ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bussystem, kommunizierend ausgebildet sind, insbesondere um mit anderen Verdrängerpumpensteuermitteln und/oder einer Prozessleitwarte kommunizieren zu können, d.h. Daten übermitteln und/oder empfangen zu können. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn im Steuermodul, insbesondere zur Kommunikation mit der Leitwarte und/oder mindestens einem weiteren Modul ein CAN-Bussystem zugeordnet ist, welches vorwiegend aus der Automobiltechnik bekannt ist. Dieses Bussystem ist, wie sich überraschend herausgestellt hat, besonders zuverlässig und robust im Zusammenhang mit Verdrängerpumpensystemen. Besonders zweckmäßig ist es, wenn den Steuermitteln Eingabemittel, insbesondere in Form mindestens einer Taste, bevorzugt in Form von mehreren Tasten und/oder eines Tuchscreens, etc. zugeordnet sind, um die Steuermittel konfigurieren und/oder auslesen zu können. Besonders bevorzugt kann über die Eingabemittel einer von mehreren in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegten Systemparameterdatensätzen und/oder Förderfluidparameterdatensätzen ausgewählt werden.
Ganz besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsvariante der Steuermittel, bei der die Steuermittel Speichermittel aufweisen, die ausgebildet und angesteuert sind, um empfangene, errechnete und/oder ausgesendete Daten, insbesondere Messwerte oder Spannungsverläufe zu speichern, insbesondere mitzuloggen. Besonders bevorzugt sind die Speichermittel ausgebildet und angesteuert, um gemessene Ist-Betriebsparameter und/oder Führungsgrößen und/oder Stellgrößen und/oder korrigierte Stellgrößen zu speichern.
Die Erfindung führt auch auf ein Verdrängerpumpensystem, umfassend eine Verdrängerpumpe, einen vorzugsweise als Elektromotor ausgebildeten Verdrängerpumpenmotor sowie den Verdrängerpumpen zugeordnete, wie zuvor beschrieben ausgebildete Steuermittel zum Erzeugen einer, gegebenenfalls korrigierten Stellgröße, insbesondere einem Spannungssignal für den ebenfalls vom System umfassten Frequenzumrichter des Verdrängerpumpenmotors. Den Steuermitteln sind Führungsgrößenvorgabemittel zugeordnet, die die Steuermittel mit der Eingangsführungsgröße, beispielsweise einen Sollvolumenstrom, einem Solldruck, etc. bevorzugt in Form eines Spannungssignals, versorgen. Die Funktion der Führungsgrößenvorgabemittel kann insbesondere von einer Prozessleitwarte übernommen werden, die falls vorhanden, neben der den Steuermitteln zugeordneten Verdrängerpumpe weitere Prozessaggregate, wie weitere Verdrängerpumpen überwachend und/oder ansteuernd und/oder regelnd ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ zu einer Prozessleitwarte kann die Führungsgröße manuell, beispielsweise durch eine entsprechende Einstellung an den Steuermitteln vorgegeben und dann von den Steuermitteln selbst erzeugt und/oder von einer einfachen, von den Steuermitteln separaten Spannungsquelle erzeugt werden, die einen elektrischen Spannungswert als Führungsgröße ausgibt.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steuermittel mit der Prozessleitwarte und/oder mit weiteren Steuermitteln über ein Bussystem kommunizierend ausgebildet sind, insbesondere ein CAN-Bussystem, wobei über dieses Bussystem beispielsweise gemessene Ist-Betriebsparameter übermittelt und beispielsweise in einem von mehreren Steuermitteln gespeichert werden können.
Bevorzugt umfasst das System auch mindestens einen Sensor (Sensormittel), vorzugsweise mindestens zwei Sensoren, der bzw. die signalleitend mit den Steuermitteln verbunden sind, wobei der Sensor bzw. die Sensoren zum Messen des ersten Ist-Betriebssignals und ggf. mindestens eines weiteren Ist-Betriebssignals ausgebildet und angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich um einen Drucksensor zur Bestimmung eines Fluiddrucks, insbesondere eines Differenzdrucks und/oder einer Temperatur, beispielsweise einer Förderfluidtemperatur oder einer Lagertemperatur. Auch kann es sich um einen Drehzahlmesser zur Bestimmung der Verdrängerpumpenzahl und/oder um einen Drehmomentmesser zum Erfassen des Verdrängerpumpenmotordrehmoments und/oder um ein Vibrationssensor zum Messen eines Vibrationswertes und/oder um einen Fluidviskositatsmesser zum Bestimmen der Fluidviskosität und/oder einen Leckageratenmesser und/oder einen Volumenstrommesser handeln. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Steuermittel signalleitend mit dem Frequenzumrichter verbunden sind, um als ersten und/oder mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter eine Ist-Hilfsstellgröße zu empfangen, insbesondere einen Drehfrequenzsollwert oder einen Drehmomentsollwert aus dem Frequenzumformer.
Ferner führt die Erfindung auch auf ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters, wobei das Verfahren bzw. vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens bereits zuvor anhand von bevorzugten Steuermitteln beschrieben wurde.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Fig. 1 eine mögliche Ausgestaltung von Steuermitteln, die ausgebildet sind, um eine von einem Regler erzeugte Stellgröße mit einem ersten (Pumpenschutz-)
Grenzwert zu vergleichen,
Fig. 2 eine alternative Ausgestaltung von Steuermitteln, die ausgebildet sind um eine vom Regler erzeugte Stellgröße mit einem (Förderfluidschutz-)Grenzwert zu vergleichen,
Fig. 3 eine weitere Ausgestaltungsvariante von Steuermitteln bei denen die vom Regler erzeugte Stellgröße mit einem ersten Grenzwert und/oder einem zweiten Grenzwert zu vergleichbar und ggf. korrigierbar ist, wobei die Vergleichsreihenfolge auch anders, als in Fig. 4 dargestellt, d.h. in umgekehrter Reihenfolge realisiert sein kann,
Fig. 4 ein NPSH-Diagramm, und
Fig. 5 in einem Diagramm den physikalischen Zusammenhang zwischen dem Förderfluiddruck, gemessen am Druckstutzen der Pumpe, der
Förderfluidviskosität (Mediumviskosität) und der Pumpendrehzahl, hier einer Pumpenmindestdrehzahl.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
In Fig. 1 ist schematisiert der Aufbau eines Verdrängerpumpensystems 1 gezeigt. Dieses umfasst eine in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Ein- oder Mehrspindelpumpe, insbesondere Dreispindelpumpe, ausgebildete Verdrängerpumpe 2. Die Verdrängerpumpe 2 ist wirkverbunden mit einer Motorwelle eines als Elektromotor ausgebildeten Verdrängerpumpenmotors 3, welcher einen Frequenzumrichter 4 umfasst, der in Abhängigkeit einer von einem Regler 6 erzeugten Stellgröße Ys oder einer korrigierten Stellgröße Y's oder einer ggf. mehrfach korrigierten Stellgröße Y's die Bestromung der Motorwicklungen des Verdrängerpumpenmotors 3 steuert und/oder regelt. Zur Generierung der Stellgröße Ys oder einer korrigierten Stellgröße Y's umfasst das Verdrängerpumpensystem 1 , beispielsweise von einem Mikrokontroller gebildete Steuermittel 5, umfassend einen zuvor erwähnten Regler 6 sowie Logikmittel 7.
Den Steuermitteln 5 sind Führungsgrößenvorgabemittel 8 vorgeordnet, beispielsweise eine Prozessleitwarte, die die Steuermittel 5 mit einer Führungsgröße W versorgen, beispielsweise ein einen Sollvolumenstrom oder einen Solldruck repräsentierendes elektrisches Spannungssignal.
Die Führungsgröße W sowie ein von außen zugeführter erster Ist-Betriebsparameter X werden dem Regler 6, genauer einem Differenzbildner 9 des Reglers 6 zugeführt, welcher die Differenz X-W berechnet. Der eigentliche, beispielsweise als PI- oder PID- Regler ausgeführte Regler 6 bestimmt also auf Basis der Führungsgröße W und des ersten, hier gemessenen Ist-Betriebsparameters X eine Stellgröße Ys. Diese wird nicht wie im Stand der Technik unmittelbar dem Frequenzumrichter 4 zugeleitet, sondern durchläuft zunächst Logikmittel 7. Diese umfassen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel erste Vergleichsmittel 10, die die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Ys mit mindestens einem ersten Grenzwert vergleichen, vorzugsweise einen maximalen einzuhaltenden ersten Grenzwert YGrenzmax und/oder einen minimalen einzuhaltenden Grenzwert Yorenzmin- Anstelle eines unmittelbaren Vergleiches der Stellgröße Ys mit dem mindestens einen ersten Grenzwert kann mit Hilfe von nicht dargestellten (fakultativen) Vergleichswertvorgabemitteln auf Basis der Stellgröße Ys ein mit der Stellgröße Ys in einem funktionalen Zusammenhang stehender Vergleichswert berechnet werden, in dessen Berechnung gemäß einem funktionalen Zusammenhang auch mindestens ein Ist-Betriebsparameter, beispielsweise der erste Ist-Betriebsparameter X und mindestens ein weiterer, später noch zu erläuternder weiterer Ist-Betriebsparameter einfließen kann. Auch können die Vergleichswertvorgabemittel gemäß einem funktionalen Zusammenhang zur Berechnung des Vergleichswertes mindestens einen Geometrieparameter der Verdrängerpumpe und/oder einen Förderfluidparameter berücksichtigen, der bzw. die dann auch bei der Berücksichtigung des Grenzwertes weitere Berücksichtigung finden müssen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird dieser zusätzliche Vergleichswertberechnungsschritt jedoch eingespart und es wird unmittelbar die Stellgröße Ys mit mindestens einem ersten Grenzwert Yorenzmax und/oder Yorenzmin verglichen, wobei der mindestens eine erste Grenzwert einen Verdrängerpumpenschutzgrenzwert darstellt, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defekt der Verdrängerpumpe zur Folge hat oder haben könnte.
Den Vergleichsmitteln 10 ist eine erste Funktionseinheit 1 1 zugeordnet, die neben ersten Grenzwertvorgabemitteln 12 erste Korrekturmittel 13 beinhaltet. Die Funktionseinheit 1 1 berechnet den mindestens einen ersten Grenzwert YGrenzmax, Ycrenzmin der den Vergleichsmitteln 10 neben der vom Regler 6 erzeugten Stellgröße Ys zugeführt wird. Die Vergleichsmittel überprüfen nun, ob die Stellgröße Ys einen maximalen ersten Grenzwert YGrenzmax unterschreitet und/oder ob die Stellgröße Ys einen minimalen ersten Grenzwert Yorenzmin überschreitet. Falls dies der Fall ist, handelt es sich bei der Stellgröße Ys um eine zulässige, die Verdrängerpumpe nicht gefährdende Stellgröße, die weiteren nicht dargestellten Vergleichen und Korrekturroutinen zugeführt werden kann oder wie dargestellt unmittelbar als Eingangssignal dem Frequenzumrichter 4 der auf dieser Basis den Verdrängerpumpenmotor 3 ansteuert.
Zur Berechnung des mindestens einen ersten Grenzwertes wird der ersten Funktionseinheit 1 1 der erste Ist-Betriebsparameter X zugeführt und ein weiterer gemessener oder berechneter Ist-Betriebsparameter YH und/oder XH, wobei es sich bei dem Ist-Betriebsparameter YH in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Hilfsstellgröße des Frequenzumrichters handelt, beispielsweise um einen Drehfrequenzsollwert oder einen Drehmomentsollwert des Frequenz-umrichters. Hierbei handelt es sich nicht um gemessene Werte, sondern anhand mindestens eines Ist-Parameters, beispielsweise auf Basis einer aktuellen Steuermessung vom Frequenzumrichter berechnete, insbesondere simulierte Werte. Bei dem weiteren Ist- Betriebsparameter XH handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Hilfsregelgröße, beispielsweise einen Motor- und/oder Verdrängerpumpendrehzahl oder ein Drehmoment, die bevorzugt unmittelbar am Motor 3 gemessen werden. In jedem Fall wird also von den ersten Grenzwertvorgabemitteln 12 zur Berechnung des mindestens einen Pumpenschutz-Grenzwertes ein Betriebsparameter, also beispielsweise der erste Ist-Betriebsparameter, hier der Istwert der Regelgröße aus der Prozessregelstrecke 14, berücksichtigt und mindestens ein weiterer Ist- Betriebsparameter YH, XH oder eine, bevorzugt gemessene Hauptstellgröße YHH für die Prozessregelgröße X, beispielsweise ein Druck oder ein Volumenstrom.
Für den Fall, dass von den Vergleichsmitteln ein Überschreiten des maximalen ersten Grenzwertes YGrenzmax und/oder ein Unterschreiten des minimalen ersten Grenzwertes Ycrenzmin festgestellt wird, wird dies an die erste Funktionseinheit 1 1 gemeldet, deren erste Korrekturmittel 13 dann eine korrigierte Stellgröße Y's ermitteln unter Berücksichtigung des ersten Ist-Betriebsparameters X und eines der vorgenannten weiteren Ist-Betriebsparameter YH, XH, YHH. Diese korrigierte Stellgröße Y's kann dann, wie dargestellt den Vergleichsmitteln als Eingangsgröße zum Vergleichen mit einem ersten Grenzwert Ycrenzmax und/oder Yorenzmin zugeleitet werden oder unter Umgehung der Vergleichsmittel (nicht dargestellt) einem weiteren Vergleichs- und Korrekturprozedere oder unmittelbar dem Frequenzumrichter 4 als Eingangssignal.
Aus einem, bevorzugt nicht flüchtigen Speicher 19 können den ersten Grenzwertvorgabemitteln 12 und/oder den ersten Korrekturmitteln 13 für die den Steuermitteln 5 zugeordnete Verdrängerpumpe spezifische Geometrieparameter GP und/oder für das Förderfluid spezifische Förderfluidparameter FP, wie beispielsweise des Scherverhalten des Förderfluids, zugeleitet werden, die im Rahmen eines funktionellen Zusammenhangs Eingang finden in die Berechnung der ersten Grenzwerte Yorenzmax, YGrenzmin, und/oder der korrigierten Stellgröße Y's. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der korrigierten Stellgröße Y's um den maximal oder minimal zulässigen ersten Grenzwert Ycrenzmax, YGrenzmin, um der vom Regler erzeugten Stellgröße Ys möglichst nahezukommen. Insofern beinhalten die ersten Grenzwertvorgabemittel 12 und die ersten Korrekturmittel 13 einen gemeinsamen Rechner (Rechnermittel), da die korrigierte Stellgröße Y's in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Grenzwert Ycrenzmax, YGrenzmin entspricht. Die vom Regler erzeugte Stellgröße Ys wird mit der korrigierten Stellgröße Y's überschrieben. Insbesondere dann, wenn die korrigierte Stellgröße Y's nicht dem ersten Grenzwert entsprechen soll, können die ersten Korrekturmittel 13 und die ersten Grenzwertvorgabemittel 12 vollständig separat, d.h. mit eigenen Rechenmitteln, d.h. in voneinander getrennten Funktionseinheiten realisiert werden. Dies ist selbstverständlich auch für den davor dargelegten Fall möglich, dass die korrigierte Stellgröße Y's einem ersten Grenzwert entsprechen soll, wobei in diesem Fall, wie in Fig. 1 gezeigt, Grenzwertvorgabemittel 12 und Korrekturmittel 13 miteinander verschmelzen, also eine gemeinsame Rechenroutine aufweisen. Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 anhand von beispielhaften, nicht beschränkenden konkreten Ausführungsvarianten beschrieben.
Erstes Beispiel
Der erste Ist-Betriebsparameter X entspricht der Ist-Regelgröße, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Druck, gemessen in bar. Es wird angenommen, dass die Führungsgröße X ein Druck ist und zunächst 20 bar beträgt. Ebenso wird der Ist- Betriebsparameter X als 20 bar gemessen.
Nun erfolgt eine Führungsgrößenänderung. Die Führungsgröße X ändert sich beispielsweise durch eine entsprechende Vorgabe von 20 bar auf 10 bar. Hieraus resultiert eine Regelabweichung W-X = 10 bar. Der Regler 6 ermittelt eine neue Stellgröße Ys, in diesem Fall einen drehzahlproportionalen Spannungswert, der deutlich kleiner ist, als bei einem vorhergehenden Durchlauf bzw. bei einer vorhergehenden Berechnung. Die ersten Grenzwertvorgabemittel 12 berechnen einen minimal zulässigen Grenzwert YGrenzmin. Dieser repräsentiert in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine minimal zulässige Drehzahl. Das Einhalten einer minimal zulässigen Drehzahl ist wünschenswert, um die Gefahr eines Schmiermittelabrisses bei einem Unterschreiten dieser minimal zulässigen Drehzahl zu vermeiden.
Die minimal zulässige Drehzahl, d.h. der minimal zulässige Grenzwert YGrenzmin wird berechnet anhand des folgenden funktionalen Zusammenhangs:
In dem funktionalen Zusammenhang entspricht Yorenzmax dem mimimal zulässigen Grenzwert. Hierbei handelt es sich um eine minimal zulässige Drehzahl (nZU|äsSig).
Der erste Ist-Betriebsparameter X ist in dem Fall die gemessene Regelgröße, hier der neue Ist-Druck von 10 bar. Bei dem Faktor · α handelt es sich um einen weiteren Betriebsparameter, nämlich um ein Maß für die, insbesondere über eine Temperaturmessung des Förderfluids bestimmte, Betriebsviskosität des Förderfluids bzw. für die Einflusssituation der Viskosität auf den maximal zulässigen Druck. Dieser Wert beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 100'32 für das bestimmte Medium. Bei der Konstante k handelt es sich um den Korrekturwert für die Schmierfähigkeit des Mediums, dieser beträgt beispielhaft 0,75 für das bestimmte Medium.
Bei der Konstante b handelt es sich um einen Korrekturwert für die Tribobelastungsfähigkeit des Pumpenlaufgehäuses. Dieser beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 1 . Bei dem pumpenspezifischen Kennwert c handelt es sich um einen Kennwert für den radial belasteten Rotordurchmesser. Dieser beträgt beispielsweise in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 0,55.
Der minimal zulässige Grenzwert YGrenzmin wird den ersten Vergleichsmitteln 10 zugeführt, welche die vom Regler 6 ermittelte Stellgröße Ys mit diesem vergleichen. In Abhängigkeit des Vergleichs wird entweder die vom Regler ermittelte Stellgröße Ys an den Frequenzumrichter übermittelt oder es wird von den ersten Korrekturmitteln eine korrigierte Stellgröße Y's ermittelt, welche bevorzugt den zuvor berechneten (oder einem neu berechneten) minimal zulässigen Grenzwert Yorenzmin entspricht.
Zweites Beispiel
Der erste Ist-Betriebsparameter X entspricht der Ist-Regelgröße, hier einem Druck. Gemessen wird ein Ist-Druck von 20 bar. Aufgrund einer entsprechenden Vorgabe ändert sich der Sollwert der Regelgröße, d.h. die Führungsgröße W von 20 auf 30 bar. Gleichzeitig findet eine Änderung der Störgröße statt. Es wird angenommen, dass sich der Strömungswiderstand erhöht, in Folge einer kleineren Durchströmfläche, d.h. eines kleineren Durchströmdurchmessers, beispielsweise in Folge eines Werkzeugwechsels. Dies führt in der Praxis dazu, dass die Ist-Betriebsgröße X, d.h. der Ist-Druck die Führungsgröße W deutlich überschreiten wird, bzw. würde, da zunächst noch mit unveränderter Drehzahl gefördert wird und sich aber zwischenzeitlich der Strömungswiderstand aufgrund des Werkzeugwechsels deutlich erhöht hat. Die daraus entstehende Regelabweichung am Differenzbildnerausgang führt dann zu einer signifikanten Zurücknahme, d.h. Reduzierung der Stellgröße Ys. Für den Fall, dass diese unkorrigiert an den Frequenzumrichter 4 als Sollvorgabe übermittelt würde, würde dies zu einer Gefährdung der Pumpe hinsichtlich des zulässigen Drucks bei verringerter niedriger Drehzahl resultieren. Um dies zu verhindern, wird die vorgenannte Stellgröße Ys mit dem zu berechenden minimalen Grenzwert Yorenzmin (erster Grenzwert) verglichen, welcher die minimal zulässige Drehzahl repräsentiert. Die Berechnung erfolgt anhand des im ersten Ausführungsbeispiel angegebenen funktionalen Zusammenhangs. Da die Stellgröße Ys den minimal zulässigen Grenzwert Ycrenzmin, d.h. die minimal zulässige Drehzahl unterschreitet, wird von den ersten Korrekturmitteln 13 eine korrigierte Stellgröße Y's ausgegeben, die an Stelle der Stellgröße Ys an den Frequenzumrichter übermittelt wird.
Bevorzugt entspricht die korrigierte Stellgröße Y's dem berechneten minimal zulässigen
Grenzwert Ycrenzmin.
Drittes Beispiel
Die Führungsgröße W ist ein Volumenstrom gemessen in l/min. Der erste Ist- Betriebsparameter X ist ein gemessener Volumenstrom. Es wird angenommen, dass sich während des Betriebs die Volumenstromanforderung vergrößert. In dem gezeigten Beispiel soll sich die Führungsgröße verdoppeln und zwar von 1500 l/min auf 3000 l/min. Aus der hieraus resultierenden Regelabweichung W-X bestimmt der Regler 6 eine Stellgröße Ys, hier eine Drehzahl. Diese Stellgröße Ys, d.h. die vom Regler 6 vorgegebene Drehzahl wird von den Vergleichsmitteln 10 verglichen mit einer maximal zulässigen Drehzahl, d.h. einem ersten Grenzwert Yorenzmax- Diese maximal zulässige Drehzahl wird bestimmt auf Basis des NPSHverfügbar, d.h. auf Basis des vorhandenen NPSH bzw. der Haitedruckhöhe der Anlage. Diese beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 8 mWs (Meter Wassersäule). Auf Basis des NPSHverfügbar und einem weiteren, gemessenen Ist-Betriebsparameter, hier der Viskosität des Mediums, wird Yorenzmax, d.h. die maximal zulässige Drehzahl bestimmt. Dies erfolgt beispielhaft anhand des in Fig. 4 wiedergegebenen Diagramms oder alternativ über in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegte Polynome, die auf der folgenden Berechnungsgrundlage basieren:
NPSH = /(Pumpen - Baugröße (da ), Spindelsteigungswinkel, Viskosität V, Drehzahl n) wobei von der Pumpen-Baugröße über den Spindeldurchmesser da und dem Spindelsteigungswinkel auf die für eine bestimmte Baugröße und bestimmten Steigungswinkel gültige Axialgeschwinigkeit des Mediums innerhalb der Pumpe geschlossen werden kann, so dass vereinfacht folgender Zusammenhang besteht:
NPSH = {yax BG stgg 'Viskosität V, Drehzahl n) Folglich ist
v ax zulBG NPSH = f (v
' n) ' so dass über den Zusammenhang
v = S * n bzw. n = ^z-
S schließlich der Zusammenhang γ _ _ V ox zul BG NPSH
Grenz max ~ zul BG NPSH ~ hergestellt werden kann. Es kann also für eine Pumpe mit einer bestimmten Pumpenbaugröße, mit einem bestimmten Spindelsteigungswinkel und einem bestimmten NPSH-Wert eine zulässige Pumpendrehzahl nnd BG berechnet werden. Bei dem Diagramm gemäß Fig. 4 ist auf der linken Hochachse der NPSH in Metern Wassersäule (mWs) angegeben. Auf der rechten Hochachse ist die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute angegeben. Auf der Horizontalachse ist die Axialgeschwindigkeit des Fluids in m/s angegeben. Das Diagramm bezieht sich auf eine beispielhafte Pumpe mit einer Baugröße 20 und einem Steigungswinkel der Spindel von 56°. Die linear ansteigende Linie charakterisiert die Axialgeschwindigkeit vax des Mediums (Förderfluids) in Abhängigkeit der Drehzahl.
Zur Bestimmung des ersten Grenzwertes Yorenzmax, d.h. der maximal zulässigen Drehzahl muss in dem Diagramm ausgehend von einem NPSH von 8 mWs nach rechts verfahren werden, bis zu der für die gemessene Viskosität von 500 mm2/s charakteristische Kurve. Am Schnittpunkt mit dieser Kurve muss im Schaubild nach oben verfahren werden bis zu der linearen Linie. Im Schnittpunkt mit dieser Linie kann dann auf der rechten Hochachse die maximal zulässige Drehzahl d.h. der erste Grenzwert Yorenzmax abgelesen werden. Dieser beträgt für die gemessene Viskosität, d.h. den weiteren Ist-Betriebsparameter, etwa 3800 Umdrehungen/min.
Wie eingangs erwähnt, verdoppelt sich die Führungsgröße, d.h. der geforderte Volumenstrom, was aufgrund des linearen Zusammenhangs einer Stellgrößenänderung von den angenommenen 1500 1 /min auf 3000 1 /min beträgt. Da diese Stellgröße Ys von 3000 1 /min kleiner ist als der erste Grenzwert YGrenzmax von etwa 3800 1/min kann die Stellgröße Ys an den Frequenzumrichter 4 als Eingangsgröße übermittelt werden.
Würde sich die Führungsgröße nicht nur verdoppeln, sondern beispielsweise verdreifachen, würde hieraus eine Stellgröße von 4500 1 /Minute resultieren, welche größer wäre als der erste Grenzwert YGrenzmax, so dass die Korrekturmittel 13 die vom Regler 6 vorgegebene Stellgröße Ys durch eine korrigierte Stellgröße Y's überschreiben würden, welche beispielsweise dem ersten Grenzwert, d.h. in dem vorliegenden Beispiel 3800 1 /min entspricht. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 lediglich darin, dass die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Ys nicht mit mindestens einem ersten, den Verdrängerpumpenschutz sicherstellenden bzw. repräsentierenden Grenzwert verglichen wird, sondern mit mindestens einem zweiten, die Förderfluidqualität sicherstellenden Grenzwert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen zweiten Grenzwert.
Der mindestens eine zweite Grenzwert Yorenzmax, Ycrenzmin stellt die Einhaltung der Förderfluidqualität sicher. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird von zweiten Grenzwertvorgabemitteln 15 ausschließlich ein einziger, maximaler zweiter Grenzwert Ycrenzmax bereitgestellt, wobei alternativ auf mehrere zweite Grenzwerte, z.B. zusätzlich ein minimaler Grenzwert Yorenzmin, die die Förderfluidqualität sicherstellen berechnet werden können.
Jedenfalls vergleichen zweite Vergleichsmittel 16, ob die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Ys oder eine bereits in einem vorhergehenden, hier nicht umfassten weiteren Korrekturprozedere korrigierte Stellgröße den zweiten Grenzwert Yorenzmin um ein bestimmtes Maß überschreitet. Ist die Stellgröße Ys kleiner als der oder gleich dem maximalen Grenzwert wird die vom Regler 6 erzeugte bzw. die den Vergleichsmitteln 16 zugeführte Stellgröße Ys dem Frequenzumrichter 4 als Eingangsgröße bereitgestellt (berechnet).
Ansonsten wird mit Hilfe von neben den zweiten Grenzwertvorgabemitteln 15 in einer zweiten Funktionseinheit 17 umfassten zweiten Korrekturmitteln 18 eine korrigierte Stellgröße Y's bereitgestellt, mit der die Stellgröße Ys überschrieben wird. Zur Berechnung des mindestens einen zweiten Grenzwertes Yorenzmin berücksichtigen die zweiten Grenzwertvorgabemittel 15 anhand eines funktionalen Zusammenhangs den ersten Ist-Betriebsparameter X und mindestens eines weiteren (anderen) Ist- Betriebsparameters, beispielsweise eine Hilfsstellgröße YH, eine Hilfsregelgröße XH und/oder eine Hautstellgröße YHH. Auch ist es realisierbar, dass bei der Berechnung zusätzlich Geometrieparameter GP der Verdrängerpumpe und/oder Förderfluidparameter FP, sowie die Vibration Berücksichtigung finden.
Viertes Beispiel
Das vierte Beispiel betrifft den Schutz des Mediums, d. h der zweite Grenzwert wird so bestimmt, dass aus der Stellgröße keine negative Beeinträchtigung eines Qualitätsparameters des mit der Verdrängerpumpe geförderten Förderfluids (Fördermediums) resultiert.
In dem konkreten Beispiel soll sichergestellt werden, dass das Fördermedium nicht unzulässig geschert wird. In die Berechnung des zweiten Grenzwertes geht daher die maximal zulässige Scherrate des Mediums ein. Es soll wieder eine Drehzahlregelung realisiert werden, so dass der zweite Grenzwert einer maximal zulässigen Drehzahl entspricht. Dies bedeutet, dass der erste Betriebsparameter X ein Volumenstrom der Prozessstrecke ist. Neben der mediumspezifischen Grenze der maximal zulässigen Scherrate gehen in die Bestimmung des zweiten Grenzwertes Funktionsgegebenheiten der Pumpe ein, d.h. es finden Geschwindigkeitsverhältnisse Berücksichtigung, nämlich der Winkelgeschwindigkeitsunterschied der rotierenden Verdränger- Rotoren (Spindeln) gegenüber dem stillstehenden Pumpengehäuse. Die Geschwindigkeitsverhältnisse in den Spalten sind direkt proportional abhängig von der Pumpendrehzahl und es besteht ein umgekehrt direkt proportionaler Zusammenhang zu der Größe des Funktionsspaltes, d.h. zu dem jeweils aktuellen linearen Schergefälle. Dieser Funktionsspalt ist zum Einen abhängig von pumpenspezifischen Verhältnissen, nämlich von dem vorliegenden Ist-Radialspalt, d.h. von dem festegelegten Pumpenrotor- Radialspiel und zudem von aktuellen Betriebsverhältnissen, nämlich der jeweils aktuellen Druckbelastung (Förderfluiddruck) sowie der jeweils aktuellen Viskosität des Förderfluids. Letztgenannte beiden weiteren Ist-Betriebsparameter werden gemessen und finden bei der Berechnung des zweiten Grenzwertes Yorenzmax, d.h. bei der Berechnung der maximal zulässigen Drehzahl Berücksichtigung.
So wird beispielsweise ein Förderfluid mit einer dynamischen Viskosität η von 5 Pas gefördert. Dies entspricht einer kinematischen Viskosität v von 5000 mm2/s, wobei sich bei einer angenommenen Dichte p von 1000 kg/m3 unter Einhaltung einer maximal zulässigen Schubspannung τ von 100000 N/m2 ein maximal zulässiges Schergefälle DZU| von 20000 1 /sec für das Förderfluid in einer bestimmten Pumpe ergibt. Diese ist charakterisiert durch einen Rotordurchmesser von Da=70mm und durch einen differenzdruckabhängigen Radialspalt S = h0, der bei Δρ = 5 bar einen Wert von 0,021 mm ergibt. Hieraus ergibt sich eine maximal zulässige Drehzahl, d.h. ein zweiter Grenzwert Yorenzmax von 191 1 /min. Solange die von dem Regler 6 vorgegebene Stellgröße Ys unterhalb des vorgenannten Wertes liegt, kann die Stellgröße Ys unmittelbar an den Frequenzumrichter 4 weitergegeben werden - ansonsten wird die Stellgröße Ys durch eine von zweiten Korrekturmitteln 18 korrigierte bzw. begrenzte Stellgröße Y"s überschrieben.
Das oben beschriebene Beispiel basiert dabei auf den folgenden Berechnungsgrundlagen:
Aus z.B. Tzu1 = Ό * η und η = ν * ρ für newtonsche Flüssigkeiten folgt
D ' zul
zul
v * p
Des Weiteren gilt
W z,ul
Mit Einsetzen in
AW
Wzul = D^ * S bzw. in Dzul = -^- kann unter Zusammenfassung aller vorkommenden Konstanten zu k die maximal zulässige Drehzahl berechnet werden:
Ό * π * η D . * k * S
D =— - > n =——
k * S zul Ώα * π
Die maximal zulässige Drehzahl entspricht daher dem Grenzwert YGn
Für den Fall, dass das zu fördernde Förderfluid (Medium) kein newtonsches Verhalten aufweist, müssten beispielsweise für strukturviskose Förderfluide zunächst die Reynoldszahlen im Pumpenfunktionsspalt, das Schergefälle und die dadurch sich ergebenden repräsentativen Viskositäten gemäß bekannter physikalischer Zusammenhänge berechnet werden. Hierdurch können in gleicher Weise wie im Fall newtnischer Förderfluide die zulässigen Verhältnisse für diese Fluide überwacht und eingehalten werden.
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 vereint die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und Fig. 2, d.h. die Steuermittel 5 sind derart ausgebildet, dass die von dem Regler 6 ausgegebene Stellgröße Ys sowohl mit mindestens einem ersten Grenzwert (Pumpenschutzgrenzwert) als auch mit mindestens einem zweiten Grenzwert (Mediumschutzgrenzwert) verglichen werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird die vom Regler 6 erzeugte Stellgröße Ys zunächst mit einem ersten und daraufhin mit einem zweiten Grenzwert verglichen, wobei auch die umgekehrte Anordnung selbstverständlich realisierbar ist, d.h., dass zunächst mit einem zweiten und dann mit einem ersten Grenzwert verglichen wird.
Es ist für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 charakteristisch, dass der Ausgangswert des ersten Vergleiches die Eingangsgröße für den zweiten Vergleich bildet, wobei es sich bei der Ausgangsgröße des ersten Vergleiches um die nicht korrigierte Stellgröße Ys handeln kann, wenn nämlich bei dem ersten Vergleich keine Grenzwert Über- oder Unterschreitung vorliegt und Ys somit nicht korrigiert wird oder alternativ um eine von den ersten Vergleichsmitteln 10 korrigierte Stellgröße Y's. Ys oder Y's sind dann die Eingangsgrößen für die zweiten Vergleichsmittel 16. Erfolgt hier keine Korrektur wird der Eingangswert für den zweiten Vergleich Ys oder Y's an den Frequenzumrichter 4 geleitet oder im Falle einer Korrektur die korrigierte Stellgröße Y"s.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind erste und zweite Entscheidungsmittel 20, 21 vorgesehen, in denen bestimmt wird, ob ein Pumpenschutzvergleich bzw. ein Mediumschutzvergleich durchgeführt werden soll. Die jeweilige Entscheidung kann beispielsweise softwaremäßig vorgegeben werden, so dass der Benutzer alternativ nur ein Pumpenschutzvergleich oder einen Mediumschutzvergleich realisieren kann, oder beide Vergleichsoperationen.
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5
Dieses Ausführungsbeispiel stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Realisierung des Pumpenschutzes dar. Die Stellgröße ist ein Drehzahlsignal für die Pumpe, wobei die Pumpendrehzahl im Diagramm auf der linken Hochachse aufgetragen ist. Als erster Ist-Betriebsparameter fließt der Förderdruck, gemessen am Druckstutzen der Pumpe in die Berechnung des ersten Grenzwertes ein, wobei der Förderfluiddruck auf der rechten Hochachse aufgetragen ist. Die Förderfluidviskosität (Mediumviskosität) fließt als weiterer Ist-Betriebsparameter in die Berechnung des ersten Grenzwertes ein, wobei die Mediumviskosität auf der waagerechten unteren Achse aufgetragen ist. Als Führungsgrößen kommen hier alternativ der Förderfluidvolumenstrom bzw. die Pumpendrehzahl oder der Förderfluiddruck in Betracht. Im konkreten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass der Förderfluiddruck die Führungsgröße darstellt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Förderfluidviskosität (Mediumviskosität) wegen eines entsprechenden Mediumswechsel von 12mm2/s auf 9 mm2/s, auf 6 mm2/s, auf 4 mm2/s und dann (stufenweise) bis auf 2mm2/s absinkt. Der Förderfluidvolumenstrom darf schwanken. Die Führungsgröße, d.h. der Prozessdruck (Förderfluiddruck) soll anfänglich auf 10bar gehalten werden, danach auf 20bar, usw., also stufenweise um jeweils 10bar bis auf maximal 50bar steigen.. Anders ausgedrückt verändert sich die Führungsgröße stufenweise von anfänglich 10bar auf 50bar. Der Regler gibt in Abhängigkeit der Führungsgröße (W) eine Stellgröße (Ys) aus. Die ersten Grenzwertvorgabemittel berechnen einen ersten Grenzwert, im vorliegenden Fall eine Mindestdrehzahl Yorenzmin in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparameters, hier des Förderfluiddrucks und des weiteren Ist- Betriebsparameters, hier der Mediumviskosität, wobei im konkreten Ausführungsbeispiel die Mediumviskosität mittelbar bestimmt wird über die Förderfluidtemperatur. Im vorliegenden Ausführunsbeispiel hätte ein Unterschreiten des ersten Grenzwertes, also der Mindestdrehzahl einen Defektzustand der Verdrängerpumpe zur Folge. Die Vergleichsmittel vergleichen in dem konkreten Ausführungsbeispiel die vom Regler vorgegebene Stellgröße, d.h. ein Drehzahlsignal mit dem von den ersten Grenzwertvorgabemitteln berechneten ersten Grenzwert. Liegt die Stellgröße in dem gezeigten Ausführungsbeispiel oberhalb dieses ersten Grenzwertes, wird die Stellgröße an den Frequenzumrichter als Eingangssignal weitergegeben. Unterschreitet die Stellgröße den ersten Grenzwert wird im dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine korrigierte Stellgröße als Eingangssignal ermittelt bzw. bestimmt und an den Frequenzumrichter weitergegeben, wobei als korrigierte Stellgröße in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von den ersten Korrekturmitteln der von den Grenzwertvorgabemitteln ermittelte erste Grenzwert weitergegeben wird.
Bezugszeichenliste
1 Verdrängerpumpensystem
2 Verdrängerpumpe
3 Verdrängerpumpenmotor
4 Frequenzumrichter
5 Steuermittel
6 Regler
7 Logikmittel
8 Führungsgrößenvorgabemittel
9 Differenzbilder des Reglers
10 erste Vergleichsmittel
1 1 erste Funktionseinheit
12 erste Grenzwertvorgabemittel
13 erste Korrekturmittel
14 Prozessregelstrecke
15 zweite Grenzwertvorgabemittel
16 zweite Vergleichsmittel
17 zweite Funktionseinheit
18 zweite Korrekturmittel
19 Speicher
20 erste Entscheidungsmittel
21 zweite Entscheidungsmittel
Ys Stellgröße
Ys' korrigierte Stellgröße
Ys" korrigierte Stellgröße
X erster Ist-Betriebsparameter (bevorzugt Ist-Regelgröße)
YHH weiterer Ist-Betriebsparameter (Hauptstellgröße)
YH weiterer Ist-Betriebsparameter (Hilfsstellgröße)
XH weiterer Ist-Betriebsparameter (Hilfsregelgröße)
W Führungsgröße
GP Geometrieparameter der Verdrängerpumpe
FP Förderfluidparameter

Claims

Patentansprüche
Steuermittel zum Ansteuern eines Frequenzumrichters (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) einer Verdrängerpumpe (2), umfassend einen Regler (6), der zum Erzeugen einer Stellgröße (Ys) für einen Frequenzumrichter (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) in Abhängigkeit einer Führungsgröße (W) und eines ersten Ist-Betriebsparameters (X) , insbesondere des Förderfluiddrucks, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regler (6) Logikmittel (7) zugeordnet sind, die erste Grenzwertvorgabemittel (1 2) aufweisen, die ausgebildet sind, um mindestens einen ersten Grenzwert (Yorenzmax, Ycrenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparametrs (X) und mindestens eines weiteren Ist- Betriebsparameters (XH, YH, YHH), insbesondere der Förderfluidviskosität zu ermitteln, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defektzustand der Verdrängerpumpe (2) zur Folge haben könnte, und
die erste Vergleichsmittel (1 0) aufweisen, die ausgebildet sind, die Stellgröße (Ys) oder eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) oder einen gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Ys) oder der korrigierten Stellgröße (Y's, Y"s) ermittelten Vergleichswert mit dem mindestens einen Grenzwert (YGrenzmax, Ycrenzmin) zu vergleichen, und
die erste Korrekturmittel (1 3) aufweisen, die ausgebildet sind, um für den Fall, dass die ersten Vergleichsmittel (1 0) ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen ersten Grenzwertes (Yorenzmax, Ycrenzmin) um ein bestimmtes Maß feststellen eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) auszugeben, die vorzugsweise einem von den Grenzwertvorgabemitteln (12) ermittelten Grenzwert (YGrenzmax, Yasmin) entspricht, und/oder die zweite Grenzwertvorgabemittel (1 5) aufweisen, die ausgebildet sind, um mindestens einen zweiten Grenzwert (Ycrenzmax, YGrenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist-Betriebsparamteres (X) und mindestens eines weiteren Ist- Betriebsparameters (XH, YH, YHH) ZU ermitteln, dessen Über- bzw. Unterschreiten eine negative Beeinträchtigung eines Qualitätsparameters des mit der Verdrängerpumpe (2) geförderten Förderfluids zur Folge haben könnte, und die zweite Vergleichsmittel (1 6) aufweisen, die ausgebildet sind, die Stellgröße (Ys) oder eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) oder einen gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Ys) oder der korrigierten Stellgröße (Y's, Y"s) ermittelten Vergleichswert mit dem mindestens einen zweiten Grenzwert (YGrenzmax, YGrenzmin) zu vergleichen, und
die zweite Korrekturmittel (1 8) aufweist, die ausgebildet sind, um für den Fall, dass die zweiten Vergleichsmittel (1 6) ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen zweiten Grenzwertes (Ycrenzmax, YGrenzmin) um ein bestimmtes Maß feststellen, eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) auszugeben, die vorzugsweise einem von den zweiten Grenzwertvorgabemitteln (1 5) ermittelten Grenzwert (Ycrenzmax, YGrenzmin) entspricht.
Steuermittel nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Ist-Betriebsparameter eine gemessene Ist-Regelgröße (X) , insbesondere ein Ist-Druck, eine Ist-Druckdifferenz oder ein Ist-Volumenstrom des Förderfluids ist.
Steuermittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene Ist- Regelgröße (X), insbesondere ein Ist-Druck, eine Ist-Druckdifferenz oder ein Ist- Volumenstrom des Förderfluids ist, und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder auf Basis Ist-Wertes berechnete Hilfsstellgröße (YH), insbesondere ein Drehfrequenzsollwert des Frequenzumrichters (4) oder ein Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters (4) ist, und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder auf Basis eines Ist-Wertes berechnete Hilfsregelgröße (XH), insbesondere eine Drehzahl des Verdrängerpumpenmotors (3) oder ein Drehmoment des Verdrängerpumpenmotors (3) ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene Temperatur, insbesondere eine Förderfluidtemperatur oder einer Lagertemperatur der Verdrängerpumpe (2) ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist- Betriebsparameter ein gemessener Vibrationswert ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist-Betriebsparameter eine gemessene oder berechnete Förderfluidviskosität ist und/oder dass der mindestens eine weitere Ist- Betriebsparameter eine gemessene Leckagerate ist.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Logikmittel (7) mindestens ein Vergleichswertbestimmungsmittel umfassen, das ausgebildet ist, um auf Basis eines funktionalen Zusammenhangs aus der Stellgröße (Ys) oder aus der korrigierten Stellgröße (Y's, Y"s), und/oder aus dem ersten und dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter (XH, YH YHH). den Vergleichswert zu bestimmen.
Steuermittel nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergleichswertbestimmungsmittel derart ausgebildet sind, dass diese zur Bestimmung des Vergleichswertes im Rahmen des funktionellen Zusammenhangs zusätzlich mindestens einen, in einem Speicher (19) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Geometrieparameter (GP), vorzugsweise eine Spaltbreite oder einen Spindeldurchmesser, und/oder aus einem in einem Speicher (19) abgelegten Förderfluidparameter (FP), insbesondere das Scherverhalten des Förderfluids, berücksichtigen.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten und/oder die zweiten Grenzwertvorgabemittel den ersten bzw. zweiten Grenzwertes als Funktion mindestens eines in einem Speicher (19) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Geometrieparameter (GP), vorzugsweise eine Spaltbreite, oder einen Spindeldurchmesser, und/oder als Funktion eines in einem Speicher (1 9) abgelegten Förderfluidparameters (FP), insbesondere des Scherverhaltens des Förderfluids, bestimmend ausgebildet sind, und/oder dass die ersten und/oder die zweiten Korrekturmittel die korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) als Funktion mindestens eines in einem Speicher (1 9) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Geometrieparameter (GP), vorzugsweise eine Spaltbreite, oder einen Spindeldurchmesser, und/oder als Funktion eines in einem Speicher ( 1 9) abgelegten Förderfluidparameters (FP), insbesondere des Scherverhaltens des Förderfluids, bestimmend ausgebildet sind.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten und/oder die zweiten Grenzwertvorgabemittel den ersten bzw. zweiten Grenzwert als Funktion eines minimalen oder maximalen, in einem Speicher (1 9) abgelegten für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Schergefälles in der Verdrängerpumpe (2) und/oder als Funktion des Ist-Schergefälles bestimmend ausgebildet sind, und/oder dass die ersten und/oder die zweiten Korrekturmittel die korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) als Funktion mindestens eines in einem Speicher (1 9) abgelegten, für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Schergefälles in der Verdrängerpumpe (2) und/oder als Funktion des Ist-Schergefälles bestimmend ausgebildet sind.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuermittel (5) mindestens einen Eingang für den ersten Ist- Betriebsparameter (X) , und mehrere Eingänge für den zusätzlich mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter (XH, YH, YHH) aufweisen.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten Vergleichsmittel ausgebildet sind, um den ersten Ist-Betriebsparameter (X) und/oder den mindestens einen weiteren Ist- Betriebsparameter (XH, YH, YHH) und/oder einen gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus dem ersten Ist-Betriebsparameter (X) und/oder aus dem mindestens einen weiteren Ist-Betriebsparameter (XH, YH, YHH) berechneten
Wert, oder eine Stellgröße (Ys) des Reglers (6) oder eine korrigierte Stellegröße oder einen auf Basis der Stellgröße (Ys) oder der korrigierten Stellgröße (Y's, Y"s) berechneten Vergleichswert mit mindestens einem in einem Speicher (19) der Logikmittel (7) abgelegten Grenzwert zu vergleichen und dass die ersten bzw. zweiten Korrekturmittel, ausgebildet sind, um für den Fall, dass die ersten
Vergleichsmittel ein Über bzw. Unterschreiten des mindestens einen festgelegten Grenzwertes feststellen eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) auszugeben. 10. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem nicht flüchtigen Speicher (19), insbesondere einem EEPROM, der Steuermittel (5) unterschiedliche Systemparameterdatensätze für verschiedene Verdrängerpumpen (2), und/oder unterschiedliche Förderfluidparameter (FP), bevorzugt manuell, insbesondere über ein Auswahlmenü, auswählbar, abgelegt sind.
1 1 . Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Logikmittel (7) zum Ermitteln und/oder Signalisieren einer
Wartungsfälligkeit der Verdrängerpumpe (2) in Abhängigkeit des ersten Ist- Betriebsparameters (X) und/oder mindestens eines weiteren Ist- Betriebsparametes (XH, YH, YHH) und/oder eines für die den Steuermitteln (5) zugeordnete Verdrängerpumpe (2) spezifischen Parameters ausgebildet sind.
12. Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (5) zum Kommunizieren über ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bussystem, ausgebildet sind und eine entsprechende Schnittstelle umfassen.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuermittel (5) Speichermittel aufweisen, die ausgebildet und angesteuert sind, um die ersten Ist-Betriebsparameter (X) und/oder die mindestens einen weiteren Betriebsparameter (XH, YH, YHH) und/oder die Führungsgrößen (W) und/oder die Vergleichswerte und/oder die Grenzwerte, vorzugsweise jeweils mit einem Zeitstempel, speichern.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Eingabemittel, insbesondere in Form mindestens einer Taste, zur Konfiguration der Steuermittel (5) vorgesehen sind.
Steuermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Signalisierungsmittel, insbesondere ein Display und/oder oder mindestens eine LED, insbesondere eine LED-Ampel vorgesehen sind.
Verdrängerpumpensystem, umfassend eine Verdrängerpumpe (2), einen Verdrängerpumpenmotor (3) zum Antreiben der Verdrängerpumpe (2), einen dem Verdrängerpumpenmotor (3) zugeordneten Frequenzumrichter (4) sowie dem Frequenzumrichter (4) vorgeschaltete Steuermittel (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei den Steuermitteln (5) Führungsgrößenvorgabemittel (8) zugeordnet sind.
System nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Führungsgrößenvorgabemittel (8) als Prozessleitwarte ausgebildet sind, die zum Überwachen und/oder Ansteuern und/oder Regeln einer Vielzahl von Systemaggregaten, insbesondere Verdrängerpumpen (2), ausgebildet ist.
18. System nach einem der Ansprüche 16 oder 1 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Verdrängerpumpen (2) mit diesen zugeordneten Steuermitteln (5) vorgesehen sind.
19. System nach einem der Ansprüche 16 bis 1 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuermittel (5) mit der Prozessleitwarte und/oder mehrere Steuermittel (5) untereinander über ein Bussystem, insbesondere ein CAN-Bussystem kommunizierend ausgebildet sind.
20. System nach einem der Ansprüche 16 bis 1 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuermittel (5) signalleitend mit mindestens einem Sensor zum Empfangen des ersten Ist-Betriebsparameters (X) und/oder des zumindest einen weiteren gemessenen Ist-Betriebsparameters (XH, YH, YHH) verbunden ist und/oder dass die Steuermittel (5) signalleitend mit dem Frequenzumrichter (4) zum Empfangen des ersten Ist-Betriebsparameters (X) und/oder des zumindest einen weiteren gemessenen Ist-Betriebsparameters (XH, YH, YHH), insbesondere einer Verdrängerpumpenmotordrehzahl und/oder eines Drehfrequenzsollwertes des Frequenzumrichters (4) und/oder eines Drehmomentsollwert des Frequenzumrichters (4), verbunden ist.
21 . Verfahren zum Ansteuern eines Frequenzumrichters (4) eines Verdrängerpumpenmotors (3) einer Verdrängerpumpe (2), insbesondere zum Betreiben von Steuermitteln (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei mit einem Regler (6), eine Stellgröße (YS) für den Frequenzumrichter (4) des Verdrängerpumpenmotors (3) in Abhängigkeit einer Führungsgröße (W) und eines ersten Ist-Betriebsparameters (X) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von dem Regler (6) zugeordneten Logikmitteln (7) ein erster Grenzwert (YGrenzmax, Ycrenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist- Betriebsparameters (X) und mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (XH, YH, YHH) ermittelt wird, dessen Über- bzw. Unterschreiten einen Defektzustand der Verdrängerpumpe (2) zur Folge haben könnte
und dass eine Stellgröße (Ys) oder eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) oder ein gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Ys) oder der korrigierten Stellgröße (Y's, Y"s) ermittelter Vergleichswert mit dem mindestens einen Grenzwert (YGrenzmax, YGrenzmin) verglichen wird, und dass, für den Fall, dass ein Über- bzw. Unterschreiten des mindestens einen ersten Grenzwertes
(YGrenzmax, YGrenzmin) um ein bestimmtes Maß festgestellt wird, eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) ausgeben wird, die vorzugsweise einem von den Grenzwertvorgabemitteln ermittelten Grenzwert (YGrenzmax, Ycrenzmin) entspricht, und/oder ein zweiter Grenzwert (YGrenzmax, YGrenzmin) in Abhängigkeit des ersten Ist- Betriebsparamteres (X) und mindestens eines weiteren Ist-Betriebsparameters (XH, YH, YHH) ermittelt wird, dessen Über- bzw. Unterschreiten eine negative Beeinträchtigung eines Qualitätsparameters des mit der Verdrängerpumpe (2) geförderten Förderfluids zur Folge haben könnte,
und dass eine Stellgröße (Ys) oder eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) oder ein gemäß einem funktionalen Zusammenhang aus der Stellgröße (Ys) oder der korrigierten Stellgröße (Y's, Y"s) ermittelter Vergleichswert mit dem mindestens einen zweiten Grenzwert (YGrenzmax, Ycrenzmin) verglichen wird, und dass für den
Fall, dass ein Über bzw. Unterschreiten des mindestens einen zweiten Grenzwertes (YGrenzmax, Ycrenzmin) um ein bestimmtes Maß festgestellt wird, eine korrigierte Stellgröße (Y's, Y"s) ausgeben wird, die vorzugsweise einem von den zweiten Grenzwertvorgabemitteln ermittelten Grenzwert (YGrenzmax, Ycrenzmin) entspricht.
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