EP3740682A1 - Verfahren zur eigendiagnose des mechanischen und/oder hydraulischen zustandes einer kreiselpumpe - Google Patents

Verfahren zur eigendiagnose des mechanischen und/oder hydraulischen zustandes einer kreiselpumpe

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EP3740682A1
EP3740682A1 EP19700893.1A EP19700893A EP3740682A1 EP 3740682 A1 EP3740682 A1 EP 3740682A1 EP 19700893 A EP19700893 A EP 19700893A EP 3740682 A1 EP3740682 A1 EP 3740682A1
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EP
European Patent Office
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pump
mechanical
power
speed
operating point
Prior art date
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EP19700893.1A
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English (en)
French (fr)
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EP3740682C0 (de
EP3740682B1 (de
Inventor
Martin Eckl
Joachim Schullerer
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KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP3740682C0 publication Critical patent/EP3740682C0/de
Publication of EP3740682B1 publication Critical patent/EP3740682B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0088—Testing machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/335—Output power or torque

Definitions

  • the invention relates to a method for self-diagnosis of the hydraulic and / or me chanical state of a centrifugal pump, in particular circulating pump.
  • the quality of the estimation result of the operating point module depends inter alia on the stored in the pump memory reference values or parameters, which is determined on a reference pump of the same type and in the pump control be deposited. Since in series production usually only random reference values for selected copies are produced, these may be too imprecise due to manufacturing tolerances for certain pump copies. In such a case, a subsequent optimization of these reference values during initial startup as well as in subsequent operation is desirable. Furthermore, wear and tear can lead to erroneous results.
  • the object of the present invention is therefore to expand the pump control by a kind of self-diagnostic function, the error in the operating point estimation can find and as a result, wear it early know it or make a subsequent parameter optimization.
  • the method according to the invention is primarily designed for circulating pumps, but the core aspect of the invention can be applied without restrictions to centrifugal pumps in the open hydraulic circuit.
  • the method is intended for a centrifugal pump, in particular circulation pump, which provides a pump control with an implemented motor model for the determination of the mechanical pump power and the driven pump speed.
  • the pump controller includes an operating point module for estimating the operating point of the pump based on the pump speed and the mechanical pump power.
  • the operating point module is usually implemented in the software of the pump control. According to the invention, for the diagnosis of the mechanical and / or hydraulic pump state by means of the motor model for a defined pump speed, it is proposed to determine the mechanical pump power and to compare this with an estimated mechanical pump power, which is determined by an inversely executed operating point estimate of the operating point module Pump speed is determined.
  • the conventional motor model of the pump control is set, which determines and outputs the mechanical pump performance in the current pump operation based on the actual speed driven.
  • the intended operating point module for estimating the operating point i. to estimate the present flow rate or head, used for other purposes, to determine based on a defined speed an estimated by the operating point module mechanical pump power. By comparing with the output mechanical pump power of the engine model that corresponds to the real pump power, the accuracy of the operating point module can be evaluated to estimate the operating point.
  • the estimated mechanical pump power should correspond to the mechanical pump power determined by the engine model. If deviations occur here instead, the pump control can accordingly close to an error situation within the centrifugal pump or circulating pump.
  • the operating point module for determining the ge estimated mechanical power for the defined pump speed to expecta tend flow and / or delivery height is supplied.
  • the expected delivery rate and / or delivery height is preferably determined using the affinity laws.
  • affinity law according to which the delivery flow behaves proportionally to a speed increase. Demge compared with the delivery height increases quadratically to the speed change. Taking advantage of these laws can for the defined speed, compared to a Previous speed represents a certain speed change, it can be assumed that for this, the flow rate and the delivery height changes accordingly with respect to the estimated for the previous speed value flow or conveyor height.
  • a difference between the performance values is preferably determined.
  • the difference amount is zero or almost zero.
  • the pump can instead conclude that an error has occurred.
  • a usable specification of the specific type of error or the cause of the error is desirable.
  • the method is repeatedly executed in the event of a malfunction for a number of deviating defined rotational speed values. Subsequently, an evaluation of the corresponding comparison results or of the difference values obtained between the power values can take place in order to be able to specify the type of error more precisely, for example, based on mathematical relationships between the individual difference values and the associated speed values. It can be assumed that the mechanical power dissipation depends quadratically on the speed. If such a mathematical relationship between the difference values and speed values is detected, a mechanical wear component can be detected as the decisive cause for the error behavior.
  • Other mathematical relationships Kings nen example refer to hydraulic errors, including, for example, a calcification of the can of the pump drive.
  • the operating point module used to estimate the operating point is also usually based on the affinity laws. For the applicability of these laws, however, it is imperative to pre-calculate the proportion of mechanical pump performance, which characterizes the mechanical power loss, since this proportion is not subject to the named regularities. For this purpose, a corresponding power correction value is usually used, which is offset before the operating point estimate on the supplied mechanical pump power, in particular is subtracted from this. Consequently, the accuracy and accuracy of this correction value is of high importance for the quality of the operating point estimate, ie how precisely the correction value reflects the actual mechanical power loss within the pump. The more precisely this parameter is determined, the more accurate is the operating point estimate.
  • the power correction value is systematically varied during repeated process execution for different defined speed values.
  • the systematic variation of the power correction value it is attempted to find a new uniform correction value which yields a difference amount equal to or near zero for all defined rotational speeds. If this is the case and it can be assumed that the power correction value used during initial start-up of the pump was not faulty, the necessary change in the power correction value that has now been determined can be an indication of the mechanical wear within the pump.
  • An adjustment of the power correction value, in particular an increase in value is a clear indication of the increasing wear inside the pump. The increase in value is also a measure of the progress of mechanical wear.
  • the inventive method can be used to any parameters for the Optimize operating point estimate, such as the aforementioned power correction value.
  • an iterative optimization method can be used to optimize the operating point estimate by correcting the power correction value.
  • a time-variant extended Kalman filter for permanent adaptation of the power correction value according to quadratic optimization can also be used.
  • the present invention also relates to a centrifugal pump, in particular circulation pump, with a variable speed Pum penantrieb and a pump controller for carrying out the method according to the invention. Consequently, the centrifugal pump, in particular circulating pump characterized by the same advantages and properties, as they have already been shown above by the method according to the invention. A repetitive description is omitted for this reason.
  • FIG. 1 shows two exemplary diagrams of possible pump characteristics
  • FIG. 2 shows a further diagram representation with different performance characteristics
  • FIG. 3 is a block diagram for illustrating the operating point module for operating point estimation
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram for clarifying the individual steps for carrying out the method according to the invention
  • Figure 5 a diagram to illustrate the relationship between rule speed and the mechanical power loss
  • FIG. 6 shows the diagrammatic representations of FIG. 1 to clarify the determination of the appropriate delivery height as a function of the mechanical pump output.
  • the centrifugal pump according to the invention in the form of a circulation pump is equipped with a Fre quenzumrichter and a speed control.
  • a Fre quenzumrichter In order for the pump control to be able to adjust the speed as needed, it requires knowledge of the current operating point (flow Q and head Fl).
  • flow Q and head Fl These values are estimated by means of an operating point module realized in software, i.
  • the current operating point is estimated based on mechanical power and speed. Both data provide a mathematical model of the engine, which runs redundantly to the pump on the processor.
  • the operating point estimation is based on the affinity laws taking into account deposited characteristics and a correction value for the mechanical butterver losses of the pump.
  • the affinity laws are well known in the literature and state that the power, flow rate, and head at a change in speed are as follows:
  • the diagram a) shows for the nominal speed nw the relationship between the flow rate and the mechanical power P mech , which is delivered by the engine.
  • Diagram b) shows the relationship between delivery head and delivery flow at rated speed PN ⁇
  • the mechanical power P meCh corresponds to the sum of hydraulic power Phydr, hydraulic power loss Phydrjoss and the mechanical power loss P mechjoss Figure 2 illustrates the individual performance curves depending on the randomlystro mes.
  • FIG. 3 shows the complete sequence of an operating point estimation by the pump-internal operating point module.
  • the input variables are the values provided by the motor control for the rotational speed n, Sf and the mechanical power P mech .
  • the mechanical losses P mech let deducted by the correction value R / wp - noh of the engine power P meCh, thereby enabling application of Af laws fiat.
  • the power is transformed based on the affinity laws on the normalized power PN, which would be at an increase in speed to nominal speed PN, transformed transform.
  • the normalized delivery flow Q n0rm which would be obtained at normalized power PN and nominal speed PN, can be derived with this standardized power PN.
  • the present invention describes a method by which deviations between real pump behavior and stored power correction values P korr and the factor a in the closed water cycle can be detected. This method is based on the fact that the pump briefly changes its speed during operation. The resulting changes in the operating point can be calculated by affinity from the previous operating point, as estimated from the mechanical power Pmech of the engine. By comparison of the two determined operating points, it is possible to conclude on the quality of the power correction values P korr or the factor a stored in the pump.
  • step 1 (initial situation) is considered.
  • the pump is still in the standard business; the operating mode "determination of the wear state" is not yet switched on.
  • the engine gets a setpoint speed n 0 . It is assumed that the setpoint and actual speeds are identical.
  • the operating point estimation determines the currently available delivery head ⁇ H est, o) and the delivery flow (Q est, o).
  • step 2 preparing speed variation
  • the pump will now check what would happen if the current speed no would change by the value / r without actually changing the speed. Due to the affinity laws (Eq.
  • the pump calculates the expected mechanical power P exp .
  • the value of the expected power P exP is stored.
  • step 3 varying the speed
  • the pump will actually increase the current speed no by the value / c and obtain from the motor model a currently existing mechanical power (P mech, i ). This power value is stored.
  • step 4 the evaluation is performed. Two power values P mech, P exp , which belong to the same operating point, were determined. P exp was calculated by affinity laws from another operating point. P mech. I was determined from the actual operating point.
  • the steps one to four described are carried out several times using different / c values. Knowing that the mechanical power dissipation is quadratically dependent on the speed n, the mechanical wear component can be clearly separated by systematically varying the power correction value a (Eq. Should it be possible to bring the error P error for all / c values to zero, then the deviations are due to mechanical friction. Otherwise, the error Perror can be attributed to non-mechanical influences (such as a calcification of the can). These non-mechanical influences will follow other mathematical contexts which are also determinable by variation of the gain k. The exact relationship between losses due to calcification of the gap tube and speed must be determined in the experiment.
  • the pump is able to detect its own state. It can determine the error of its stored data both after commissioning and during its lifetime.
  • the error during Translatin ist measure is due to manufacturing tolerances.
  • a change over the service life indicates wear and hydraulic wear.
  • the pump could permanently communicate its condition to the user and warn him of a failure.
  • the pump knows the error of its stored data and can conditionally distinguish between hydraulic influences and mechanical wear. In this way, by adjusting the stored data, it can optimize its own operating point estimate. This can be done by iterative parameter tuning. Alternatively, with a time variant extended Kalman filter a permanent parameter tuning according to a quadratic optimization done.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Zustandes einer Kreiselpumpe, insbesondere einer Umwälzpumpe, wobei die Pumpensteuerung ein mathematisches Motormodell zur Bestimmung der mechanischen Pumpenleistung und der Ist-Drehzahl der Pumpe umfasst und weiterhin ein Betriebspunktmodul zur Schätzung des Betriebspunktes der Pumpe auf Basis der Pumpendrehzahl und der mechanischen Pumpenleistung vorgesehen ist, wobei für eine Eigendiagnose der Pumpe die mittels des Motormodells für eine definierte Pumpendrehzahl bestimmte mechanische Pumpenleistung gegen eine geschätzte mechanische Pumpenleistung verglichen wird, wobei die geschätzte mechanische Pumpenleistung durch Inversion des Betriebspunktmoduls für die definierte Pumpendrehzahl bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Eigendiagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Zustandes einer Kreiselpumpe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose des hydraulischen und/oder me chanischen Zustandes einer Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe.
Heutige energiesparsame Kreiselpumpen sind mit Frequenzumrichter und Drehzahlre gelung ausgestattet, um die Drehzahl und damit die Pumpenleistung bedarfsgerecht einzustellen. Für die Regelung bzw. Bestimmung der erforderlichen Soll-Drehzahl benö tigt die Pumpensteuerung Kenntnis über den aktuellen Betriebspunkt (Förderstrom Q und Förderhöhe H) der Pumpe. Zur Einsparung von Herstellungskosten werden mo derne Kreiselpumpen allerdings ohne dedizierte Durchflusssensoren und/oder Druck sensor gefertigt. Stattdessen muss die Pumpensteuerung mittels eines Betriebspunkt moduls den aktuellen Betriebspunkt anhand der verrichteten mechanischen Leistung der Pumpe und der gefahrenen Drehzahl abschätzen. Beide Eingangsdaten ergeben sich durch ein mathematisches Modell des Motors, das redundant zur Pumpe auf dem Prozessor der Pumpensteuerung mitläuft.
Die Qualität des Schätzungsergebnisses des Betriebspunktmoduls hängt unter ande rem von den im Pumpenspeicher hinterlegten Referenzwerten bzw. Parametern ab, welche an einer baugleichen Referenzpumpe ermittelt und in der Pumpensteuerung hinterlegt werden. Da bei der Serienfertigung üblicherweise nur stichprobenartig Refe renzwerte für ausgewählte Exemplare erzeugt werden, können diese aufgrund von Fer tigungstoleranzen für gewisse Pumpenexemplare zu ungenau sein. In solch einem Fall ist eine nachträgliche Optimierung dieser Referenzwerte bei der Erstinbetriebnahme als auch im Folgebetrieb wünschenswert. Ferner können auch Verschleißerscheinungen zu fehlerhaften Ergebnissen führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Pumpensteuerung durch eine Art Selbstdiagnosefunktion zu erweitern, die Fehler in der Betriebspunkt schätzung auffinden kann und in Folge dessen Verschleißerscheinungen frühzeitig er kennen oder eine nachfolgende Parameteroptimierung vornehmen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen An sprüche.
Es wird also ein Verfahren zur Diagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Zu standes einer Kreiselpumpe vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor nehmlich für Umwälzpumpen konzipiert, der Kernaspekt der Erfindung lässt sich jedoch ohne Einschränkungen auf Kreiselpumpen im offenen Hydraulikkreislauf anwenden.
Der Einfachheit halber wird nachfolgend stets von einer Umwälzpumpe gesprochen, wobei die gemachten Ausführungen ebenso für Kreiselpumpen im offenen Kreislauf gel ten.
Das Verfahren ist für eine Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe bestimmt, die eine Pumpensteuerung mit einem implementierten Motormodell zur Bestimmung der mechanischen Pumpenleistung und der gefahrenen Pumpendrehzahl vorsieht. Ferner umfasst die Pumpensteuerung ein Betriebspunktmodul zur Schätzung des Betriebs punktes der Pumpe auf Basis der Pumpendrehzahl und der mechanischen Pumpenleis tung. Das Betriebspunktmodul ist üblicherweise in der Software der Pumpensteuerung umgesetzt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Diagnose des mechanischen und/oder hyd raulischen Pumpenzustands mittels des Motormodells für eine definierte Pumpendreh zahl die mechanische Pumpenleistung zu bestimmen und diese gegen eine geschätzte mechanische Pumpenleistung zu vergleichen, die durch eine invers ausgeführte Be triebspunktschätzung des Betriebspunktmoduls auf Grundlage der definierten Pumpen drehzahl bestimmt wird.
Im Endeffekt wird hierbei das konventionelle Motormodell der Pumpensteuerung einge setzt, das im laufenden Pumpenbetrieb auf Grundlage der gefahrenen Ist-Drehzahl die mechanische Pumpenleistung ermittelt und ausgibt. Ferner wird das vorgesehene Be triebspunktmodul zur Schätzung des Betriebspunkts, d.h. zur Schätzung der vorliegen den Fördermenge bzw. Förderhöhe, zweckentfremdet eingesetzt, um ausgehend von einer definierten Drehzahl eine durch das Betriebspunktmodul geschätzte mechanische Pumpenleistung zu ermitteln. Durch Vergleich mit der ausgegebenen mechanischen Pumpenleistung des Motormodells, die der realen Pumpenleistung entspricht, kann die Genauigkeit des Betriebspunktmoduls zur Schätzung des Betriebspunkts evaluiert wer den.
Bei Erstinbetriebnahme und richtiger Konfiguration der im Schätzungsmodul verwende ten Parameter bzw. Referenzwerte sollte die geschätzte mechanische Pumpenleistung der durch das Motormodell bestimmten mechanischen Pumpenleistung entsprechen. Kommt es hier stattdessen zu Abweichungen, kann die Pumpensteuerung demzufolge auf einen Fehlerfall innerhalb der Kreiselpumpe bzw. Umwälzpumpe schließen.
Gemäß bevorzugter Ausführung wird dem Betriebspunktmodul zur Bestimmung der ge schätzten mechanischen Leistung eine für die definierte Pumpendrehzahl zu erwar tende Fördermenge und/oder Förderhöhe zugeführt. Die zu erwartende Fördermenge und/oder Förderhöhe wird vorzugsweise unter Ausnutzung der Affinitätsgesetze ermit telt. Insbesondere wird hierbei auf die Aussage des Affinitätsgesetzes zurückgegriffen, wonach sich der Förderstrom proportional zu einer Drehzahlerhöhung verhält. Demge genüber nimmt die Förderhöhe quadratisch zur Drehzahländerung zu. Unter Ausnut zung dieser Gesetzmäßigkeiten kann für die definierte Drehzahl, die gegenüber einer vorherigen Drehzahl eine bestimmte Drehzahländerung darstellt, davon ausgegangen werden, dass sich für diese auch der Förderstrom bzw. die Förderhöhe entsprechend gegenüber dem für den vorherigen Drehzahlwert geschätzten Förderstrom bzw. Förder höhe ändert.
Mittels des Vergleichs wird vorzugsweise ein Differenzbetrag zwischen den Leistungs werten bestimmt. Im fehlerfreien Fall beträgt der Differenzbetrag null bzw. nahezu null. Bei Abweichungen kann die Pumpe stattdessen auf einen Fehlerfall schließen.
Neben der bloßen Fehlererkennung ist eine verwertbare Spezifizierung der konkreten Fehlerart bzw. der Fehlerursache wünschenswert. Für diesen Fall kann vorgesehen sein, dass das Verfahren bei einem Fehlverhalten für eine Reihe abweichender definier ter Drehzahlwerte wiederholt ausgeführt wird. Nachfolgend kann eine Auswertung der entsprechenden Vergleichsergebnisse bzw. der erhaltenen Differenzwerte zwischen den Leistungswerten erfolgen, um beispielsweise anhand mathematischer Zusammen hänge zwischen den einzelnen Differenzwerten und den zugeordneten Drehzahlwerten die Fehlerart genauer spezifizieren zu können. Hierbei kann angenommen werden, dass die mechanische Verlustleistung quadratisch von der Drehzahl abhängt. Wird ein solcher mathematischer Zusammenhang zwischen den Differenzwerten und Drehzahl werten erkannt, kann ein mechanischer Verschleißanteil als maßgebliche Ursache für das Fehlerverhalten detektiert werden. Andere mathematische Zusammenhänge kön nen beispielsweise auf hydraulische Fehler hinweisen, unter anderem beispielsweise auf eine Verkalkung des Spaltrohrs des Pumpenantriebes.
Das verwendete Betriebspunktmodul zur Schätzung des Betriebspunkts basiert übli cherweise ebenfalls auf den Affinitätsgesetzen. Für die Anwendbarkeit dieser Gesetz mäßigkeiten ist es jedoch zwingend notwendig, den Anteil der mechanischen Pumpen leistung, der die mechanische Verlustleistung charakterisiert, vorab herauszurechnen, da dieser Anteil nicht den benannten Gesetzmäßigkeiten unterliegt. Hierzu wird übli cherweise ein entsprechender Leistungskorrekturwert verwendet, der vor der Betriebs punktschätzung auf die zugeführte mechanische Pumpenleistung aufgerechnet wird, insbesondere von dieser subtrahiert wird. Demzufolge ist für die Qualität der Betriebs punktschätzung die Richtigkeit und Genauigkeit dieses Korrekturwertes von hoher Be deutung, d.h. wie genau der Korrekturwert die tatsächliche mechanische Verlustleistung innerhalb der Pumpe widerspiegelt. Je genauer dieser Parameter bestimmt wird, desto genauer ist letztendlich die Betriebspunktschätzung.
Genau dieser Parameter kann nachfolgend jedoch auch dafür eingesetzt werden, um nach dem Auftreten eines Fehlerfalls die Fehlerart weiter spezifizieren zu können. Hier bei wird der Leistungskorrekturwert während der wiederholten Verfahrensausführung für unterschiedliche definierte Drehzahlwerte systematisch variiert. Insbesondere wird mit tels der systematischen Variation des Leistungskorrekturwertes versucht, einen neuen einheitlichen Korrekturwert aufzufinden, der für sämtliche definierte Drehzahlen einen Differenzbetrag gleich bzw. nahe null ergibt. Ist dies der Fall und kann davon ausgegan gen werden, dass der bei der Erstinbetriebnahme der Pumpe eingesetzte Leistungskor rekturwert nicht fehlerhaft war, so kann die nun ermittelte notwendige Änderung des Leistungskorrekturwertes ein Indiz für den mechanischen Verschleiß innerhalb der Pumpe darstellen. Eine Anpassung des Leistungskorrekturwertes, insbesondere einer Werterhöhung ist ein deutliches Indiz für den zunehmenden Verschleiß innerhalb der Pumpe. Die betragsmäßige Werterhöhung ist zudem ein Maßstab für den Fortschritt des mechanischen Verschleißes.
Lässt sich demgegenüber kein passender Leistungskorrekturwert bestimmen, ist eine mechanische Ursache unwahrscheinlicher und es kann als Flinweis auf einen hydrauli schen Fehler interpretiert werden. Oftmals führt eine Verkalkung des Spaltrohrs des An triebsmotors der Pumpe zu einem solchen nicht mechanisch begründeten Fehlverhal ten.
Es ist vorstellbar, dass das Verfahren während der Erstinbetriebnahme der Kreisel pumpe bzw. Umwälzpumpe oder alternativ zu einem späteren Zeitpunkt im laufenden Pumpenbetrieb zur Ausführung kommt. Bei der Erstinbetriebnahme der Pumpe kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu eingesetzt werden, etwaige Parameter für die Betriebspunktschätzung zu optimieren, so beispielsweise den zuvor genannten Leis tungskorrekturwert. Für die Optimierung der Betriebspunktschätzung durch Korrektur des Leistungskorrekturwertes kann beispielsweise ein iteratives Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen. Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise auch ein zeitvari- anter erweiterter Kalman Filter zur permanenten Anpassung des Leistungskorrekturwer tes gemäß quadratischer Optimierung zur Anwendung kommen.
Bei der Verfahrensausführung im laufenden Betrieb kann mittels des Verfahrens statt- dessen auf einen mechanischen oder hydraulischen Fehler der Pumpe geschlossen werden und dies dem Nutzer visuell und/oder akustisch zur Anzeige gebracht werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn dem Nutzer eine Warnung kurz vor einem möglichen Pumpendefekt bzw. Pumpenausfall zur Anzeige gebracht wird. Auch ist es vorstellbar, dass die Pumpe permanent ihren Zustand dem Anwender mitteilt und ihn kurz vor ei nem Ausfall warnt.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pum penantrieb sowie einer Pumpensteuerung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Demzufolge zeichnet sich die Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe durch dieselben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschrei bung wird aus diesem Grund verzichtet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt werden. Es zeigen:
Figur 1 : zwei exemplarische Diagrammdarstellungen für mögliche Pumpenkennlinien;
Figur 2: eine weitere Diagrammdarstellung mit unterschiedlichen Leistungskennlinien;
Figur 3: eine Blockdarstellung zur Darstellung des Betriebspunktmoduls zur Betriebs punktschätzung; Figur 4: eine schematische Blockdarstellung zur Verdeutlichung der einzelnen Schritte für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 5: eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwi schen Drehzahl und der mechanischen Verlustleistung und
Figur 6: die Diagrammdarstellungen der Figur 1 zur Verdeutlichung der Ermittlung der passenden Förderhöhe in Abhängigkeit der mechanischen Pumpenleistung.
Die erfindungsgemäße Kreiselpumpe in Form einer Umwälzpumpe ist mit einem Fre quenzumrichter und einer Drehzahlregelung ausgestattet. Damit die Pumpensteuerung die Drehzahl bedarfsgerecht einstellen kann, benötigt sie das Wissen über den aktuel len Betriebspunkt (Förderstrom Q und Förderhöhe Fl). Diese Werte werden mittels ei nes in Software realisierten Betriebspunktmoduls geschätzt, d.h. der aktuelle Betriebs punkt wird anhand der mechanischen Leistung und der Drehzahl geschätzt. Beide Da ten liefert ein mathematisches Modell des Motors, welches redundant zur Pumpe auf dem Prozessor mitläuft.
Die Betriebspunktschätzung erfolgt anhand der Affinitätsgesetze unter Berücksichtigung hinterlegter Kennlinien sowie eines Korrekturwertes für die mechanischen Leistungsver luste der Pumpe. Die Affinitätsgesetze sind in der Literatur allgemein bekannt und besa gen, dass sich Leistung, Förderstrom und Förderhöhe bei einer Änderung der Drehzahl wie folgt verhalten:
Des Weiteren werden in der Pumpensteuerung die Zusammenhänge von mechanischer Leistung und Förderstrom sowie Förderhöhe und Förderstrom bei Nenndrehzahl in Form von Kennlinien hinterlegt. Das Diagramm a) zeigt für die Nenndrehzahl nw den Zu sammenhang zwischen Förderstrom und mechanischer Leistung Pmech, die vom Motor abgegeben wird. Das Diagramm b) zeigt den Zusammenhang zwischen Förderhöhe und Förderstrom bei Nenndrehzahl PN·
Die mechanische Leistung PmeCh entspricht der Summe aus hydraulischer Leistung Phydr, hydraulischer Verlustleistung Phydrjoss sowie der mechanischen Verlustleistung P mechjoss Figur 2 stellt die einzelnen Leistungskurven in Abhängigkeit des Förderstro mes dar.
Es ist bekannt, dass die hydraulische Pumpenleistung Phydr, sowie die hydraulische Ver lustleistung Phydr oss der Pumpe ausreichend genau den Affinitätsgesetzen folgen. Die mechanische Verlustleistung P mech oss der Pumpe hingegen folgt diesen Gesetzen nicht, kann aber als förderstromunabhängig und annähernd proportional zum Quadrat der Drehzahl angenommen werden. Vergleiche hierzu die Diagrammdarstellung der Figur 5, die die Pumpendrehzahl der mechanischen Verlustleistung gegenüber stellt. Gezeigt sind zum einen die reale Messkurve einer untersuchten Umwälzpumpe sowie die ent sprechende quadratischer Interpolation. Mathematisch lässt sich der Zusammenhang wie folgt beschreiben:
Die mechanischen Verluste sind zwar relativ gering, allerdings müssen sie vor der An wendung der Affinitätsgesetze heraus gerechnet werden, denn der geringe Anteil würde durch die dritte Potenz (Gl. 3) das Ergebnis signifikant verfälschen. Um dies zu verhin dern, wird der Zusammenhang zwischen Drehzahl n und mechanischen Verlusten Pmech joss in der Pumpe hinterlegt. Die Figur 3 zeigt den vollständigen Ablauf einer Betriebspunktschätzung durch das pumpeninterne Betriebspunktmodul. Die Eingangsgrößen sind die von der Motorege- lung bereitgestellten Werte für die Drehzahl n,Sf und die mechanische Leistung Pmech. Im Bereich a) der Figur 3 werden die mechanischen Verluste Pmech, lass durch den Korrektur wert R/wp- noh der Motorleistung PmeCh abgezogen und dadurch eine Anwendung der Af finitätsgesetze ermöglicht.
Im Bereich b) wird die Leistung anhand der Affinitätsgesetze auf die normierte Leistung PN, die bei einer Erhöhung der Drehzahl auf Nenndrehzahl PN vorliegen würde, transfor miert. Mit dieser normierten Leistung PN kann anhand der hinterlegten P/Q-Kennlinie (Figur 1 a) der normierte Förderstrom Qn0rm abgeleitet werden, der sich bei normierter Leistung PN und Nenndrehzahl PN einstellen würde.
Qnorm wird im Bereich c) mittels Affinitätsgesetzen auf die aktuell vorliegende Drehzahl riist rücktransformiert. Auf diese Weise erhält man den geschätzten Förderstrom G Äquivalent zu den Bereichen b) und c) wird in den Bereichen d) und e) die geschätzte Förderhöhe Hest bestimmt. Dieser Vorgang wird nochmals anschaulich in Figur 6 an hand der gegenübergestellten Diagramme der Figur 1 wiedergegeben. Zunächst (Figur 6a)) wird anhand des Diagramms der Figur 1 a) der für die normierte Leistung PN pas sende normierte Förderstrom QN bestimmt. Im nächsten Schritt wird für den normierten Förderstrom QN aus dem Diagramm 1 b) die normierte Förderhöhe HN ausgelesen. Falls in der Pumpe ein Drucksensor vorhanden ist, können die geschätzte und die gemes sene Förderhöhe durch Multisensor Datenfusion zusammengeführt und dadurch die Be triebspunktschätzung verbessert werden.
Mit dem Verfahren der Betriebspunktschätzung lassen sich aus der mechanischen Leis tung Pmech und der Drehzahl nist der Förderstrom Qest und die Förderhöhe Hest bestim men. Allerdings funktioniert dies nur unter der Annahme, dass die hinterlegten Kennli nien sowie die hinterlegten Leistungskorrekturwerte Pkorr exakt stimmen. In der Praxis hingegen sind Abweichungen zwischen hinterlegten Daten und realem Pumpenverhal ten möglich. Dies kann folgende Ursachen haben: Aufgrund von mechanischem Verschleiß sowie Spaltrohrverkalkung verändert sich das Reibverhalten mit der Zeit. Dies führt dazu, dass die Leistungskorrekturwerte Pkorr nicht mehr stimmen.
Aufgrund von Ablagerungen in der Pumpe sowie durch Spaltaufweitung verändert sich das hydraulische Verhalten der Pumpe. Dies führt dazu, dass die hinterlegten Q/H- und Q/P-Kennlinie nicht mehr stimmen.
Aufgrund von Toleranzen sind die Leistungskorrekturwerte sowie die hinterlegten Kennlinien von Pumpe zu Pumpe unterschiedlich. Da nur eine Pumpe vermessen und die Daten in allen Pumpen dieser Baureihe hinterlegt sind, stimmen die hinter legten Daten nur bedingt.
Aufgrund der genannten Einschränkungen sind Abweichungen von bis zu 15 % bei der Betriebspunktschätzung möglich. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem Abweichungen zwischen realem Pumpenverhalten und hinterlegten Leistungs korrekturwerten Pkorr bzw. des Faktors a im geschlossenen Wasserkreislauf detektiert werden können. Dieses Verfahren basiert darauf, dass die Pumpe während des Be triebs kurzzeitig ihre Drehzahl verändert. Die sich daraus ergebenden Änderungen des Betriebspunkts können mittels Affinität aus dem vorherigen Betriebspunkt berechnet so wie aus der mechanischen Leistung Pmech des Motors geschätzt werden. Durch Ver gleich der beiden ermittelten Betriebspunkte lässt sich auf die Qualität der in der Pumpe hinterlegten Leistungskorrekturwerte Pkorr bzw. des Faktors a schließen.
Diese Bewertung ist nur gültig, wenn die Anlagenkennlinie während der Drehzahlände rung konstant bleibt. Im Heizkreis bedeutet dies, die Thermostatventile dürfen sich nicht anpassen. Da die Drehzahländerung sehr schnell und nur für einen sehr kurzen Zeit raum erfolgt, wird davon ausgegangen, dass diese Voraussetzung erfüllt ist.
Das Verfahren gliedert sich in vier Schritte und wird anhand Figur 4 erläutert. Zunächst wird Schritt 1 (Ausgangssituation) betrachtet. Die Pumpe befindet sich noch im Regel- betrieb; die Betriebsart„Ermittlung des Abnutzungszustands“ ist noch nicht eingeschal tet. Der Motor bekommt eine Solldrehzahl n0. Es wird davon ausgegangen, dass Soll- und Ist-Drehzahl identisch sind. Die Betriebspunktschätzung ermittelt die aktuell vorlie gende Förderhöhe {Hest,o) sowie den Förderstrom ( Qest,o ).
Wenn die Pumpe in die Betriebsart„Ermittlung des Abnutzungszustands“ schaltet, dann werden die aktuell vorliegenden Werte für no, Qest,o und Hest,o gespeichert. Fortan wird Schritt 2 (Vorbereitung Drehzahlvariation) betrachtet. Die Pumpe wird jetzt prüfen, was passieren würde, wenn sich die aktuelle Drehzahl no um den Wert /r ändern würde, ohne die Drehzahl tatsächlich zu ändern. Aufgrund der Affinitätsgesetze (Gl. 1 und Gl.
2) wird erwartet, dass sich in diesem Fall der sich einstellende Förderstrom Qexp um den Faktor /r ändert ( Qexp = k-Qest,o). Entsprechend würde sich die Förderhöhe um den Fak tor /^ ändern ( Hexp = k2-Hest,o).
Mit einer inversen Betriebspunktschätzung berechnet die Pumpe daraus die erwartete mechanische Leistung Pexp. Der Wert der erwarteten Leistung PexP wird gespeichert. Im nächsten Schritt (Schritt 3: Drehzahl variieren) wird die Pumpe die aktuelle Drehzahl no tatsächlich um den Wert /c erhöhen und aus dem Motormodell eine aktuell vorliegende mechanische Leistung ( Pmech, i ) erhalten. Dieser Leistungswert wird gespeichert. Im Schritt 4 erfolgt die Auswertung. Es wurden zwei Leistungswerte P mech, Pexp ermittelt, die zum gleichen Betriebspunkt gehören. Pexp wurde mittels Affinitätsgesetzen aus ei nem anderen Betriebspunkt berechnet. Pmech.i wurde aus dem tatsächlichen zugehöri gen Betriebspunkt bestimmt. Wenn die in der Pumpe hinterlegten Leistungskorrektur werte Pton- bzw. a exakt stimmen, dann ist die Differenz zwischen beiden Leistungswer ten ( Pmech, 1 und Pexp) gleich null ( Perror = 0). Ist Per ungleich null, so ist die hinterlegte Leistungskorrektur fehlerhaft. Dies liegt entweder daran, dass sich aufgrund von me chanischem Verschleiß die Reibverhältnisse verändert haben oder ein nicht mechani scher Einfluss gegeben ist, beispielsweise dass sich aufgrund von Verkalkung das Spaltrohr zugesetzt hat.
Um diese beiden Einflüsse separieren zu können, werden die beschriebenen Schritte eins bis vier mehrfach unter Verwendung unterschiedlicher /c-Werte durchgeführt. Mit dem Wissen, dass die mechanische Verlustleistung quadratisch von der Drehzahl n abhängt, kann der mechanische Verschleißanteil eindeutig separiert werden, indem der Leistungskorrekturwert a (Gl. 4) systematisch variiert wird. Sollte es dadurch gelingen, den Fehler Perror für alle /c-Werte gegen null zu bringen, dann sind die Abweichungen auf mechanische Reibung zurückzuführen. Andernfalls lässt sich der Fehler Perror auf nichtmechanische Einflüsse (wie bspw. eine Verkalkung des Spaltrohrs) zurückführen. Diese nichtmechanischen Einflüsse werden anderen mathematischen Zusammenhän gen folgen, die ebenfalls durch Variation des Verstärkungsfaktors k bestimmbar sind. Der exakte Zusammenhang zwischen Verlusten aufgrund von Verkalkung des Spalt rohrs und Drehzahl muss im Experiment bestimmt werden.
Durch die Erfindung sind zusammenfassend die folgenden Anwendungsszenarien denkbar. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine abschließende Aufzählung.
1. Flealth-Monitoring / Conditioning-Monitoring
Mit dem vorgestellten Verfahren ist die Pumpe in der Lage, ihren eigenen Zustand zu erfassen. Sie kann den Fehler ihrer hinterlegten Daten sowohl nach der Inbetriebnahme als auch während der Lebensdauer ermitteln. Der Fehler während der Erstinbetrieb nahme ist auf Fertigungstoleranzen zurückzuführen. Eine Veränderung über die Le bensdauer deutet auf Verschleiß und hydraulische Abnutzung hin. Die Pumpe könnte permanent ihren Zustand dem Anwender mitteilen und ihn kurz vor einem Ausfall war nen.
2. Verbesserung der Betriebspunktschätzung
Die Pumpe kennt den Fehler ihrer hinterlegten Daten und kann bedingt zwischen hyd raulischen Einflüssen und mechanischem Verschleiß unterscheiden. Auf diese Weise kann sie durch Anpassen der hinterlegten Daten ihre eigene Betriebspunktschätzung optimieren. Dies kann durch iteratives Parameter Tuning erfolgen. Alternativ kann mit einem Zeitvarianten extended Kalman-Filter ein permanentes Parametertuning gemäß einer quadratischen Optimierung erfolgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich sehr genau auf Fehler der hinterleg- ten Leistungskorrekturwerte schließen. Allerdings können Abweichungen der hinterleg ten P/Q- und Fl/Q-Kennlinie (in sensorlosen Systemen) nicht detektiert werden. Aus di versen Versuchen ist jedoch bekannt, dass die dominantesten Abnutzungserscheinun gen auf die Verkalkung des Spaltrohrs und in etwas geringerem Ausmaß auf mechani schen Verschleiß zurückzuführen sind. Somit kann dieses Verfahren zumindest einen relevanten Anteil der Abnutzung erkennen und entsprechend die Betriebspunktschät zung teilweise verbessern.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Eigendiagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Zustandes einer Kreiselpumpe
1. Verfahren zur Eigendiagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Zustan des einer Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, wobei die Pumpensteue rung ein mathematisches Motormodell zur Bestimmung der mechanischen Pum penleistung und der Ist-Drehzahl der Pumpe umfasst und weiterhin ein Betriebs punktmodul zur Schätzung des Betriebspunktes der Pumpe auf Basis der Pum pendrehzahl und der mechanischen Pumpenleistung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Eigendiagnose der Pumpe die mittels des Motormodells für eine definierte Pumpendrehzahl bestimmte mechanische Pumpenleistung gegen eine geschätzte mechanische Pumpenleistung verglichen wird, wobei die geschätzte mechanische Pumpenleistung durch Inversion des Betriebspunktmoduls für die definierte Pum pendrehzahl bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Betriebspunkt modul zur Bestimmung der geschätzten mechanischen Leistung eine für die defi nierte Pumpendrehzahl zu erwartende Fördermenge und/oder Förderhöhe zuge führt wird, wobei die zu erwartende Fördermenge und/oder Förderhöhe vorzugs weise unter Ausnutzung der Affinitätsgesetze ermittelt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Vergleichs ein Differenzbetrag zwischen den Leistungswerten be stimmt wird und bei einem Differenzbetrag ungleich null ein Fehlverhalten der Pumpe erkannt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Fehlverhalten für unterschiedliche definierte Dreh zahlwerte wiederholt ausgeführt wird und durch Auswertung der Vergleichsergeb nisses bzw. der Differenzwerte eine Fehlerbestimmung vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Be triebspunktmoduls ein Leistungskorrekturwert in die mechanische Pumpenleistung eingerechnet wird, um eine mechanische Verlustleistung zu kompensieren, wobei dieser Korrekturwert während der wiederholten Verfahrensausführung systema tisch variiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der systemati schen Variation des Leistungskorrekturwertes versucht wird, einen neuen einheitli chen Leistungskorrekturwert zu ermitteln, der für die verschiedenen definierten Drehzahlen einen Differenzbetrag gleich bzw. nahe Null ermöglicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung von einem erhöhten mechanischen Verschleiß der Pumpe ausgeht, sofern ein neuer einheitlicher Leistungskorrekturwert ermittelbar ist und andernfalls von ei nem nicht mechanischen Fehler, insbesondere einem hydraulischen Fehler inner halb der Pumpe ausgeht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während der Erstinbetriebnahme der Pumpe oder zu einem späteren Zeitpunkt im laufenden Pumpenbetrieb zur Ausführung kommt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verfahrens ausführung während der Erstinbetriebnahme eine Optimierung der Betriebspunkt schätzung durch Korrektur des Leistungskorrekturwertes vorgenommen werden kann, insbesondere mittels iterativem Optimierungsverfahrens und/oder unter Ver wendung eines Zeitvarianten erweiterten Kalman-Filters zur permanenten Anpas sung des Leistungskorrekturwertes gemäß quadratischer Optimierung.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verfahrensausführung im laufenden Betrieb ein mechanischer und/oder hyd raulische Fehler der Pumpe erkannt wird und dem Nutzer visuell und/oder akus tisch angezeigt wird, insbesondere erfolgt eine Warnung kurz vor einem Pumpen ausfall.
11. Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pum penantrieb und einer Pumpensteuerung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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