EP3592979B1 - Verfahren zur regelung der drehzahl einer kreiselpumpe - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl einer in einem offenen Hydraulikkreis betriebenen Kreiselpumpe, wobei der Regler der Pumpensteuerung eine Soll-Drehzahl des Pumpenantriebes unter Berücksichtigung einer Soll- und Ist-Förderhöhe sowie der Ist-Drehzahl bestimmt.
• Heutige drehzahlgeregelte Kreiselpumpen des Standes der Technik verwenden für die Bestimmung der Soll-Drehzahl überwiegend PI-Regler. Über den P-Anteil lässt sich festlegen wie schnell die Pumpe ihren Sollwert erreicht. Mittels des I-Anteils lässt sich einstellen, wie dynamisch bleibende Regelabweichungen eliminiert werden sollen. Bei einem I-Anteil von null verbleibt immer eine bleibende Regelabweichung.
• Da die Konfiguration beider Reglerparameter die Dynamik des Gesamtsystems beeinflusst, kann die Einstellung der Reglerparameter nicht separat, sondern nur unter ganzheitlicher Betrachtung der Systemdynamik erfolgen. In der Praxis stellt das richtige Einstellen dieser Parameter daher eine enorme Herausforderung dar. Auch beziehen sich die klassischen Einstellregeln für Pl- oder PID-Regler auf lineare Systeme, andernfalls muss vorab eine Linearisierung in einem Arbeitspunkt durchgeführt werden. Ist letzteres der Fall, so sind die gefundenen Reglerparameter üblicherweise nur in der Nähe des gewählten Arbeitspunktes optimal eingestellt.
• Aus den zuvor genannten Gründen stellt die Verwendung eines PI-Reglers für eine drehzahlgeregelte Kreiselpumpe nicht die optimale Lösung dar. Zum einen zeigen Pumpen ein stark nicht-lineares Verhalten, zum anderen müssen Pumpen in unterschiedlichen Betriebsbereichen stabil betrieben werden können. Beispielsweise kann der Betriebspunkt beim Hochfahren der Pumpe ein anderer sein als während des konstanten Pumpenbetriebs. Das Einstellen der Reglerparameter eines PI- bzw. PID-Reglers beruht folglich immer auf einem Kompromiss zwischen diesen unterschiedlichen Betriebspunkten der Pumpe.
• Aufgrund der oben beschriebenen Problematik wurden bereits andere Regelansätze getestet. Ein Beispiel sind sogenannte Affinitätsregler, die auf Grundlage der Affinitätsgesetze arbeiten. Diese Reglertypen gelten als robust, insbesondere auch in unterschiedlichen Betriebssituationen, und machen das zuvor diskutierte aufwendige Einstellen der Reglerparameter obsolet. Eine nachteilige Einschränkung dieser Reglertypen besteht jedoch darin, dass sich diese bisher nur in geschlossenen Hydraulikkreisen einsetzen lassen. Beim offenen Kreis, bei dem unter Umständen eine geodätische Höhe zu überwinden ist, ändert sich der mathematische Zusammenhang zwischen den genannten Größen und die Regelung führt zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis.
• Die EP 2 944 821 A1 offenbart ein Verfahren zur energieoptimierten Drehzahlregelung eines Pumpenaggregates. Die DE 10 2015 000 373 A1 offenbart ein Verfahren zur Reduzierung des Energieverbrauchs einer Förderpumpe, die Wasser aus einem Brunnen in ein Leitungsnetz fördert.
• Es wird daher nach einer passenden Reglermodifikation zur Lösung des vorgenannten Problems gesucht.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl einer in einem offenen Hydraulikkreis betriebenen Kreiselpumpe vorgeschlagen. Grundlage des Verfahrens ist ein Regler der Pumpensteuerung, der eine Soll-Drehzahl des Pumpenantriebes unter Berücksichtigung einer Soll- und Ist-Förderhöhe sowie einer Ist-Drehzahl berechnet. Dieser Regler ist weder ein PI- noch ein PID-Regler. Die Reglermodifikation sieht die Erweiterung um wenigstens einen Korrekturparameter zur Berücksichtigung und Kompensation einer von der Pumpe zu bewältigenden geodätischen Höhe vor. Mithilfe dieses Korrekturparameters lässt sich der Regelansatz auch für offene Hydraulikkreise einsetzen.
• Besonders bevorzugt ist es, wenn mittels des Korrekturparameters eine Verschiebung der Förderhöhen-Drehzahl-Kurve, insbesondere eine Vertikalverschiebung der Förderhöhen-Drehzahl-Kurve bewirkt wird. Hierdurch lässt sich die geodätische Höhe problemlos ausgleichen.
• Die vorgeschlagene Erweiterung des Regelansatzes ist für solche Reglertypen vorgesehen, die sich für die Soll- bzw. Stellwertbestimmung das Affinitätsgesetz zu Nutze machen, nachfolgend als Affinitätsregler bezeichnet. Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung geht der Regelansatz von einem quadratischen Zusammenhang zwischen Drehzahl und Förderhöhe für die Stellwertberechnung aus. Demzufolge ergibt sich eine parabelförmige Regelkurve, die durch den Korrekturparameter wahlweise nach oben bzw. unten verschoben wird.
• Weiterhin bevorzugt wird bei solchen Reglertypen für die Soll-Drehzahlberechnung der quadratische Zusammenhang zwischen Soll-Drehzahl und Soll-Förderhöhe ins Verhältnis zum quadratischen Zusammenhang zwischen Ist-Drehzahl und Ist-Förderhöhe gesetzt. Ausgehend von diesem Verhältnis lässt sich die Soll-Drehzahl bestimmen. Durch Invertierung des quadratischen Zusammenhangs kann gleichzeitig das nicht-lineare Verhalten der Pumpe kompensiert werden. Hierdurch lässt sich die Pumpe wie ein lineares System stabilisieren.
• Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die durch den quadratischen Zusammenhang zwischen Drehzahl und Förderhöhe definierte Parabel der Regelkurve durch den Korrekturparameter in den Koordinatenursprung verschoben, wodurch eine geodätische Höhe entweder auf Druck- oder Saugseite der Pumpe kompensiert werden kann.
• In der Praxis hängt der Korrekturwert von den Gegebenheiten des gesamten Hydrauliksystems ab. Auch können sich die geodätische Höhe und damit der benötigte Wert des Korrekturparameters im laufenden Pumpenbetrieb ändern. Aus diesem Grund ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wert des Korrekturparameters automatisch durch die Pumpensteuerung im laufenden Pumpenbetrieb ermittelt wird.
• Eine Möglichkeit zur automatischen Ermittlung des Korrekturparameters besteht darin, den Korrekturparameter bei Inbetriebnahme der Pumpe zunächst mit einem definierbaren Initialwert zu belegen. Als geeigneter Initialwert gilt beispielsweise der Wert null. Der erforderliche Wert des Korrekturparameters für den Ausgleich der geodätischen Höhe lässt sich dann im laufenden Betrieb aus dem sich einstellenden Regelfehler bestimmen, denn sowohl die Soll-Förderhöhe als auch die Ist-Förderhöhe sind der Pumpensteuerung bekannt. Im Nachgang kann der Wert des Korrekturparameters angepasst werden, bis die Soll-Förderhöhe erreicht wird.
• Mathematisch lässt sich die Ermittlung des Korrekturparameters k mittels der folgenden Gleichung $$k=\mathit{err}\cdot {\left(\frac{H_{\mathit{Soll}}}{H_{\mathit{Ist}}}-1\right)}^{-1}$$

  

  beschreiben. Der Ausdruck err charakterisiert hier den Fehlerwert, der sich zwischen Soll-Förderhöhe und sich einstellender Ist-Förderhöhe einstellt. Durch Erfassen der Differenz zwischen Soll- und sich einstellender Ist-Förderhöhe ist der Pumpensteuerung demzufolge der aktuelle Fehlerwert bekannt und die Pumpensteuerung kann auf Grundlage der obigen Gleichung den Korrekturwert k berechnen.
• Besonders bevorzugt ist es, wenn die Bestimmung des Korrekturparameters regelmäßig erfolgt, besonders bevorzugt in periodischen Abständen wiederholt wird. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn sich die geodätische Höhe im laufenden Pumpenbetrieb ändern kann. Eine Bestimmung des Korrekturparameters unmittelbar nach Erstinbetriebnahme ist ebenso sinnvoll. Alternativ bietet sich eine Bestimmung des Korrekturwertes zu unbestimmten zufälligen Zeitpunkten an.
• Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Kreiselpumpe mit einer Pumpensteuerung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dementsprechend ergeben sich für die Kreiselpumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich diskutiert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen im Folgenden anhand mehrerer Figurendarstellungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1:

eine Drehzahl-Förderhöhenkennlinie im geschlossenen hydraulischen Kreis;

Figur 2:

eine Drehzahl-Förderhöhenkennlinie im offenen hydraulischen Kreis;

Figur 3:

ein Zeit-Förderhöhediagramm zur Verdeutlichung der Regelungsqualität der erfindungsgemäßen Regelung gegenüber konventionellen Regeltechniken.

• Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht im Einsatz eines neuartigen Reglertyps für die Drehzahlregelung einer Kreiselpumpe. Anders als im Stand der Technik vorgeschlagen, wird gerade nicht auf einen PI- bzw. PID-Regler zurückgegriffen, sondern stattdessen ein sogenannter Affinitätsregler eingesetzt, der für die Stell-/Sollwertbestimmung auf die Affinitätsgesetze zurückgreift und demzufolge von einem quadratischen Zusammenhang zwischen Drehzahl und resultierender Förderhöhe der Kreiselpumpe ausgeht.
• Zur Funktionsbeschreibung dieses Affinitätsreglers wird auf die Figur 1 verwiesen. In der Diagrammdarstellung ist die Förderhöhe gegenüber der eingestellten Pumpendrehzahl eingetragen. Die Diagrammdarstellung zeigt hier im Einzelnen einen quadratischen Zusammenhang zwischen der Förderhöhe H und der Drehzahl n, was sich durch die Gleichung $$H\sim n^2$$

  

  beschreiben lässt. Zudem ist in der Figurendarstellung der Figur 1 exemplarisch eine Ist-Drehzahl n_ist sowie eine Soll-Drehzahl n_soll angedeutet. Aufgrund des quadratischen Zusammenhangs ist das Verhältnis zwischen den Soll- und Istwerten gemäß der folgenden Gleichung festgelegt: $$\frac{H_{\mathit{soll}}}{H_{\mathit{ist}}}=\frac{n_{\mathit{soll}}^2}{n_{\mathit{ist}}^2}$$

  
• Während des Betriebs sind Soll- und Istförderhöhe stets bekannt. Die aktuell vorliegende Istdrehzahl ist ebenfalls bekannt. Die Solldrehzahl (Stellwert) berechnet der Affinitätsregler gemäß Gl. 3 wie folgt: $$n_{\mathit{soll}}=\sqrt{\frac{H_{\mathit{soll}}}{H_{\mathit{ist}}}}\cdot n_{\mathit{ist}}$$

  
• Auf diese Weise stellt der Regler permanent die richtige Sollförderhöhe ein. Durch Invertieren des quadratischen Zusammenhangs zwischen Förderhöhe und Drehzahl wird das nichtlineare Verhalten der Pumpe kompensiert und die Pumpe lässt sich wie ein lineares System stabilisieren. Der Regler ist robust bei unterschiedlichen Betriebssituationen und das aufwendige Einstellen der Reglerparameter entfällt.
• Eine Einschränkung des Affinitätsreglers ist, dass er sich in der bisherigen Ausgestaltung nur in geschlossenen hydraulischen Kreisen einsetzen lässt. Beim offenen Kreis, bei dem eine geodätische Höhe zu überwinden ist, verschiebt sich die H/n - Kurve aus Figur 1 und der mathematische Zusammenhang ändert sich.
• Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Affinitätsregler derart zu modifizieren, dass diese auch zu passablen Ergebnissen innerhalb eines offenen Hydraulickreislaufs führt. Dies wird erfindungsgemäß durch die Erweiterungen des Affinitätsreglers um einen Parameter zur Beschreibung der geodätischen Höhe erreicht.
• Die Kurve in Figur 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Förderhöhe und Drehzahl bei der Annahme, dass eine saugseitige geodätische Höhe vorherrscht. Aufgrund der geodätischen Höhe verläuft die parabelförmige Kurve nicht mehr durch den Koordinatenursprung, sondern ist um den Wert k nach unten verschoben. $$H\sim n^2-k$$

  
• Würde eine druckseitige geodätische Höhe vorherrschen, dann wäre die Kurve nach oben verschoben. Wird der Affinitätsregler in seiner bisherigen Form angewendet, so würde nicht die Sollförderhöhe erreicht werden, sondern eine Förderhöhe, die um einen Fehlerwert (err) verschoben ist.
• Dieser Fehler (err) kann korrigiert werden, indem der Zusammenhang aus Gl. 1 und Gl. 2 um den Parameter k erweitert wird: $$\frac{H_{\mathit{soll}}+k}{H_{\mathit{ist}}+k}=\frac{n_{\mathit{soll}}^2}{n_{\mathit{ist}}^2}$$

  
• Auf diese Weise wird die Parabel zurück in den Ursprung verschoben und die Berechnung der Solldrehzahl erfolgt gemäß Gl. 6: $$n_{\mathit{soll}}=\sqrt{\frac{H_{\mathit{soll}}+k}{H_{\mathit{ist}}+k}}\cdot n_{\mathit{ist}}$$

  
• Eine Herausforderung ist, dass die geodätische Förderhöhe und dadurch der für den Regler notwendige Parameter k unter Umständen nicht bekannt ist. Daher wird im Rahmen dieser Idee vorgeschlagen, den Parameter k im Betrieb zu ermitteln. Hierfür wird k beim Einschalten des Reglers zunächst zu null angenommen. Wie in Figur 2 gezeigt, wird die Ist-Förderhohe folglich um einen Fehlerwert (err) verfehlt. Durch Erfassen der Differenz zwischen Soll- und sich einstellender Ist-Förderhöhe durch die Pumpensteuerung ist der Fehlerwert (err) bekannt. Durch Gleichsetzen von Gl. 2 und Gl. 5 lässt sich der Korrekturwert k anhand des Fehlerwertes bestimmen. $$k=\mathit{err}{\left(\frac{H_{\mathit{soll}}}{H_{\mathit{ist}}}-1\right)}^{-1}$$

  
• Die Bestimmung von k erfolgt im Pumpenbetrieb regelmäßig, da sich die geodätische Förderhöhe während des Betriebs verändern kann.
• Figur 3 zeigt ein Versuchergebnis mit drei unterschiedlichen Reglertypen. Die getestete Regelstrecke ist eine Pumpe, die eine geodätische Förderhöhe zu überwinden hat. Als Regler werden ein PI-Regler, ein konventioneller Affinitätsregler sowie ein Affinitätsregler mit der erfindungsgemäßen Erweiterung um den Korrekturparameter getestet. Die gewünschte Soll-Förderhöhe beträgt für alle gestesten Reglertypen 5 m.
• Figur 3 stellt ein Zeitdiagramm der durch die einzelnen Reglertypen eingestellten Ist-Förderhöhe dar. Der Kurvenverlauf 2 des konventionellen Affinitätsreglers ohne Korrektur der geodätischen Höhe zeigt zunächst ein sehr starkes Überschwingen, aufgrund der iterativen Korrektur der Regelabweichung wird die Soll-Förderhöhe dennoch erreicht. Der PI-Regler mit dem Kurvenverlauf 3 erreicht ebenfalls seinen Sollwert, allerdings erfordert dieses Ergebnis einen hohen Aufwand beim richtigen Einstellen der Reglerparameter. Die Kurve 1 des Affinitätsreglers mit Berücksichtigung der geodätischen Höhe zeigt das beste Ergebnis. Es gibt kein Überschwingen, keine bleibende Regelabweichung und die Soll-Förderhöhe wird zügig erreicht. Zudem ist das Einstellen von Reglerparametern nicht erforderlich. Hierdurch wird eine hohe Stabilität des Reglers auch bei einem sich ändernden Betriebsverhalten gewährleistet.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung der Drehzahl einer in einem offenen Hydraulikreis betriebenen Kreiselpumpe, wobei der Regler der Pumpensteuerung eine Soll-Drehzahl des Pumpenantriebes unter Berücksichtigung einer Soll- und Ist-Förderhöhe sowie der Ist-Drehzahl bestimmt, wobei der Regler für die Berechnung der Soll-Drehzahl einen Korrekturparameter zur Beschreibung der geodätischen Höhe berücksichtigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler als Affinitätsregler gestaltet ist und für die Stellwertbestimmung das Affinitätsgesetz nutzt, insbesondere einen quadratischen Zusammenhang zwischen Drehzahl und Förderhöhe für die Stellwertberechnung annimmt, dass der Wert des Korrekturparameters im laufenden Pumpenbetrieb ermittelt wird, wobei der Korrekturparameter im laufenden Pumpenbetrieb aus dem Regelfehler, insbesondere der Differenz zwischen Soll- und Ist-Förderhöhe, abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler die Soll-Drehzahl aus dem Verhältnis des quadratischen Zusammenhangs zwischen Soll-Drehzahl und Soll-Förderhöhe und des quadratischen Zusammenhang zwischen Ist-Drehzahl und Ist-Förderhöhe bestimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den quadratischen Zusammenhang definierte Parabel durch den Korrekturparameter in den Koordinatenursprung verschoben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturparameter bei Inbetriebnahme der Pumpe mit einem bekannten Initialwert belegt wird, insbesondere den Wert Null einnimmt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturparameter mittels der Gleichung $k=\mathit{err}\cdot {\left(\frac{H_{\mathit{soll}}}{H_{\mathit{ist}}}-1\right)}^{-1}$

   

   berechnet wird, wobei k der Korrekturparameter ist, err der Fehlerwert zwischen Soll-Förderhöhe H_Soll und sich einstellender Ist-Förderhöhe H_Ist ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Korrekturparameters während des Pumpenbetriebs bei Erstinbetriebnahme und/oder regelmäßig in periodischen Abständen und/oder zufällig erfolgt.
7. Kreiselpumpe mit einer Pumpensteuerung zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

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