JP5702302B2 - コンプレッサシステムを制御する方法 - Google Patents

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Description

発明の詳細な説明
本発明は、任意に異なる構成及び/又は性能の複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムを制御する方法に関するものである。同時に、本発明は斯かるコンプレッサシステムのための制御手段並びに斯かるコンプレッサシステムの制御のためのデータレコードに関するものである。
十分に加圧された流体を供給するため、コンプレッサシステム、任意に工業用に設けられたコンプレッサシステムは通常、この加圧された流体を供給するための非常に多くの個々のコンプレッサを必要とする。このようなコンプレッサシステムを効率的に稼動するためには、個々の部品並びにコンプレッサシステム全体のコストパフォーマンスは、コンプレッサシステムの構造及び設計中だけでなくその稼働中においてもますます考慮されている。コンプレッサシステムのコストパフォーマンスに関するこのような点は、満たされなければならない環境上の規制及び品質上の要件に加えて通常考慮される。コンプレッサシステムのエネルギー消費はこれに関連して全ランニングコストの80％にまで達することがある。これはコンプレッサシステムオペレータにとってエネルギー需要が主なコスト要因となっているからである。
コンプレッサシステムの省エネ潜在力を利用するため、熱回収又は漏洩の減少に関する対策とは別に、適切な制御・調整用システムを用いることによりコンプレッサシステムの運転コストをかなり減少させることができる。コンプレッサシステムを制御又は調整することにより、例えば、様々なコンプレッサを適切に分けることができ、以って故障の危険性を低下させ、或いはコンプレッサシステムの保守を容易にしている。或るコンプレッサが故障した場合には、例えば無負荷又は停止状態にある他のコンプレッサを、制御又は調整することにより当たらせることができ、コンプレッサシステムの動作圧力が低下するか又は停止状態にならないように加圧流体の提供をさせることができる。
最も簡単な場合としては、カスケード又は圧力帯(帯域)調整を使用して複数のコンプレッサから成るコンプレッサシステムを制御し、これによって所定の運転条件においてコンプレッサシステムのどのコンプレッサをそれぞれの場合にスイッチオン又はスイッチオフするかを決定する。カスケード調整の場合には、各コンプレッサには決められた圧力範囲が付与され、これにより各コンプレッサのスイッチオン又はオフが制御によって決定される。コンプレッサに付与される、圧力帯とも称される個々の圧力範囲を定義するおかげで、多数のコンプレッサをそれぞれスイッチオンすることにより、又は他のものと比較してより大きな供給量を有するコンプレッサをスイッチオンすることにより加圧流体の撤退率が高くても加圧流体の需要量を含めることができる。しかしながら、このような調整における欠点は、加圧流体の現在の消費量又は加圧流体の現在の撤退の変化が通常考慮されていないという点である。
改良された圧力帯制御は、単一の圧力帯を介してあらゆる所望数のコンプレッサを制御する可能性を利用している。このような制御方法は、一方ではコンプレッサシステムに充満している加圧流体の最大圧力の減少を達成することができ、同時に他方ではコンプレッサシステムにおけるあるエネルギー損失をも減少させることができる。
けれどもそのことが示していることは、コンプレッサシステムからの加圧流体の変動する撤退において互いに相対的に個々のコンプレッサを通常の等級別の圧力帯調整が、加圧流体の需要を一方では十分に含めることができ、他方ではエネルギー効率上含めることができるようにコンプレッサシステムを制御することには向いていないということである。例えば、動作状態又は状況がコンプレッサシステムに生じ、これは加圧流体の不十分な供給又はエネルギー的に極端に非効率な供給につながる。このような従来技術の欠点によれば、課題は、コンプレッサシステムからの加圧流体の撤退が変動しても加圧流体を十分供給することができ、この場合、同時にその制御によって生ずるスイッチング動作ができるだけ経済的なものであるコンプレッサシステムを制御する改良された方法を提案することである。
本発明によれば、この課題は、請求項１により、異なる構造及び／又は性能の複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムを制御する方法によって解決される。さらに、この課題は請求項１６に係るコンプレッサシステムのための制御手段、並びに請求項１７及び１８に係るコンプレッサシステムを制御するためのデータレコードによって解決される。
本発明の課題は、任意に異なる構造及び/又は性能の複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムを制御する方法によって任意に解決され、ここでは、該コンプレッサシステムが、加圧流体システムからの加圧流体の撤退（取り出し）が場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、この場合、該システムを現在の条件に適応させるためのスイッチング動作に関する一定の又は可変の間隔で下記の判定：事前選択ステップにおいて、該複数を組み合わせて利用できるスイッチング選択肢の中から、該現在の条件を考慮していくつかのスイッチング選択肢を除外すること；主選択ステップにおいて、残ったスイッチング選択肢が一つ以上の最適化基準を参照しながら互いに比較較量され最適なスイッチング選択肢を該最適化基準の中から選択すること；及び、制御ステップにおいて、該選択されたスイッチング選択肢を該コンプレッサシステムでの実行のために出力すること；が行われる。
この課題はさらに、任意に異なる構造及び/又は性能の複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムを制御する方法によって解決され、ここでは、該コンプレッサシステムが、加圧流体システムからの加圧流体の撤退が場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、該システムの制御では、可変のスイッチオン圧力に達した時に圧縮された加圧流体の発生を増加させると共に可変のスイッチオフ圧力に達した時には圧縮された加圧流体の発生を減少させる措置を講じ、該スイッチオフ圧力は可変であり該コンプレッサシステムの現在の形態に基づき及び/又は規定したスイッチング動作(該コンプレッサシステム形態の規定した変化)を考慮して変更できる。
以下、所定の過大圧力の維持は、実際の圧力プロセスによって到達され得る適応圧力がアンダーカットされないか僅かにされるか及び/又は短くアンダーカットされるか、そして選択的には圧力上限値を超えないか又は僅かに超えるか及び/又は短く超えるように行われる。
本発明の課題は、さらに、任意に異なる構造及び/又は性能の複数のコンプレッサを備えるコンプレッサシステムの制御手段によって付加的に解決され、ここでは、該コンプレッサシステムが、加圧流体システムからの加圧流体の撤退が場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、この場合、該システムを現在の条件に適応させるためのスイッチング動作に関する一定の又は可変の間隔で判定を行い、該制御手段が、下記の手段：複数組み合わせて利用できるスイッチング選択肢の中から、好ましくは該現在の条件を考慮していくつかのスイッチング選択肢を除外する除外手段；残ったスイッチング選択肢を、一つ以上の最適化基準を参照しながら互いに比較較量し最適なスイッチング選択肢を該最適化基準の中から選択する選択手段；及び、該選択されたスイッチング選択肢を該コンプレッサシステムでの実行のために出力するように構成された出力手段；を備えることによって解決される。
本発明の課題はさらに、任意に異なる構造及び/又は性能の複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムの制御手段によって解決されるものであり、ここでは、該コンプレッサシステムが、加圧流体システムからの加圧流体の撤退が場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図し、該制御手段が、加圧流体の過剰生成時に、該コンプレッサシステムの現在の形態に基づき及び/又は規定したスイッチング動作(該コンプレッサシステム形態の規定した変化)を考慮してスイッチオフ圧力を決定するスイッチオフ圧力決定手段を備えたものである。
本発明の課題はさらに、コンプレッサシステムを制御するため、好ましくはデータネットワークで伝送されるように構成され又はデータキャリアに記憶されるデータレコードによって解決され、ここでは、任意に異なる構造及び/又は性能の複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムが、加圧流体システムからの加圧流体の撤退が場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、この場合、該システムを現在の条件に適応させるためのスイッチング動作に関する一定の又は可変の間隔で下記の判定：事前選択ステップにおいて、該複数を組み合わせて利用できるスイッチング選択肢の中から、好ましくは該現在の条件を考慮していくつかのスイッチング選択肢を除外すること；主選択ステップにおいて、残ったスイッチング選択肢が一つ以上の最適化基準を参照しながら互いに比較較量され最適なスイッチング選択肢を該最適化基準の中から選択すること；及び、制御ステップにおいて、該選択されたスイッチング選択肢を該コンプレッサシステムでの実行のために出力すること；が行われる。
本発明の課題はさらに、コンプレッサシステムを制御するため、好ましくはデータネットワークで伝送されるように構成され又はデータキャリアに記憶されるデータレコードによって解決され、ここでは、任意に異なる構造及び/又は性能の複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムが、加圧流体システムからの加圧流体の撤退が場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、該システムの制御では、可変のスイッチオン圧力に達した時に圧縮された加圧流体の発生を増加させると共に可変のスイッチオフ圧力に達した時には圧縮された加圧流体の発生を減少させる措置を講じ、該スイッチオフ圧力は可変であり該コンプレッサシステムの現在の形態に基づき及び/又は規定したスイッチング動作(該コンプレッサシステム形態の規定した変化)を考慮して変更できる。
以下、制御という用語は調整の意味にも理解されるものとする。コンプレッサシステムを制御する方法並びにこの方法の個々の実施態様が制御固有の且つ調整固有の特徴を提示することができるので、両用語の厳しい区別は理解のためにここでは放棄した。
本発明の中心的な思想は、加圧された流体システムを現在の条件に適応させるためのスイッチング動作を実行する前に多数の可能なスイッチング選択肢(Schaltalternatiren)をそれぞれの場合において考慮することであり、そのスイッチング選択肢とは、実行のための最善の可能なスイッチング選択肢を選択することができるように一つの最適基準又は一つ以上の最適基準を参照しながら互いに比較されるものである。この際、多くの可能なスイッチング選択肢を、主たる選択ステップを実現する前の事前選択ステップを用いることで除外することができ、これにより、小数の可能なスイッチング選択肢を互いに比較さえすればよい。異なる選択ステップを分離することにより、コンプレッサシステムにおいて実現するためにスイッチングコマンドを介して制御ステップにおいてその後に出力される最善の可能なスイッチング選択肢を比較的迅速に選択することが可能となる。
その結果、スイッチング動作をより短く連続的な時間間隔で行うことができ、それによりコンプレッサシステムの現在の条件に対して加圧された流体システムの改良された適応を達成することができる。この結果さらに、コンプレッサ動作のコストパフォーマンスが向上する。例えば加圧された流体システムから加圧流体の重要な撤退、すなわち取り出し(離脱)(Entnahme)が生ずる場合には、事前選択ステップを実行することによりコンプレッサシステム制御が、一つ以上の最適基準を参照しながら比較的多数の可能なスイッチング選択肢を比較することにより不必要に複雑になった重み付けを回避することができ、またより少数の可能な適当なスイッチング選択肢に重み付けを限定することができる。その結果、現在の制御が、加圧流体システムから加圧流体の重要な撤退に対しての適切で最善に可能なスイッチング選択肢に非常に短時間で応答することができる。
本発明のさらに別の中心的な思想は、コンプレッサシステムの制御を、圧縮された加圧流体の発生を減少させるためのスイッチオフ圧力(これは可変)に達する時に行うということである。従ってこの制御はスイッチング動作が規則として固定された所定の圧力値に達する時にトリガーされるという従来技術から知られた典型的な圧力帯制御とは異なっている。スイッチオフ圧力の可変構造によってコンプレッサ計画の現在の構成に対する駆動動作の適切な適応を可能にするか、或いはコンプレッサシステム構成の限定された変化により規定された駆動動作も考慮することができる。
通常の圧力帯制御を用いたコンプレッサシステムを用いることの非効率性の主な理由は、一方では大き過ぎる所定の圧力帯が加圧流体システムにおいて不必要に高い圧力に一時的になってしまい、これによって負荷が掛かっているコンプレッサは不必要な仕事をしてしまうということである。他方、小さ過ぎるほどの所定圧力帯は不必要に頻繁なスイッチング動作をもたらしてしまい、これは大方の場合スイッチング動作を伴った不必要な仕事になってしまう。
以上及び以下において、スイッチオン圧力は、仮想圧力値(それに達すると、コンプレッサシステムの制御によって加圧流体システムに充満した過大圧力を低下させることに対抗するスイッチング動作が実行される原因となる)として理解するものとする。それゆえスイッチオン圧力はスイッチオフ圧力より低く、これも同様に仮想圧力値と定義され、これに達した時、スイッチング動作がコンプレッサシステムにおいて増大する実際の圧力プロフィールで同様に引き起こされ、この結果、コンプレッサがスイッチオフされることになる。ここでのコンプレッサのスイッチオン及びスイッチオフはコンプレッサユニット全体を負荷運転又は無負荷運転にそれぞれスイッチオン又はオフさせるだけでなく出力を徐々に高い方又は低い方の値へ変化させることを含み得る。
コンプレッサシステムにおいて実現されるスイッチング選択肢に従い、コンプレッサシステムにおいて充満する圧力(過大圧力)の変化（プロフィール）が起こる。実際に測定可能なパラメータを形成するこの圧力プロフィールは、加圧流体システムから加圧流体が撤退することによって生ずるか又は各コンプレッサによって加圧流体を供給することから生ずる時間経過における局所的な最小値及び最大値を呈する。スイッチオフ圧力を超えた時に実行されるべき通常のスイッチング動作は、コンプレッサ又はコンプレッサグループを負荷状態から無負荷運転状態又は停止状態にスイッチングすること、或いは負荷運転コンプレッサ又はコンプレッサグループの運転パワーを減少させることである。スイッチオフ圧力と比較してより低いスイッチオン圧力を下回る時にコンプレッサシステムにおいて実行されるべき通常のスイッチング動作は、加圧流体の増大した運搬を達成するため、停止状態又は無負荷運転状態にあるコンプレッサを負荷運転状態にスイッチングすること、或いは負荷運転中のコンプレッサ又はコンプレッサグループの運転パワーを増大させることである。
コンプレッサの構造的な特性により、スイッチオフ圧力を実質的に超える時のスイッチング動作は即座に実行される。しかしながら、コンプレッサシステムにおいて減少しスイッチオン圧力を下回る過大圧力で実現されるスイッチング動作は通常ある一定の時間遅延(無駄時間)でのみ実行される。なぜならコンプレッサを停止状態又は無負荷運転状態から所望の運転スピードに駆動する場合、技術的には予備運転が必要であるからである。従って、このような予備運転時間はコンプレッサのスイッチオンと比較してコンプレッサのスイッチオフ時の方がより短く、ただし二つのスイッチング動作は誘導スイッチング動作の実行となり、これは通常時間的にふらつくものである。
従って、実際には仮想スイッチオフ圧力は到達すべき実際の圧力プロフィールの局部的な最大値と同じである。例外としてあり得るのは、加圧流体需要を非常に急速に低下させる場合及び/又は負荷状態をスイッチオフすべき小さ過ぎるコンプレッサを誤って選択してしまう場合であるが実際にはほとんど起きない。これとは対照的に、通例仮想スイッチオン圧力は到達すべき仮想適応圧力(これには実際の圧力経過の最小値が相当する)より大きく超えている。なぜなら、スイッチオン動作はスイッチオン圧力を下回る時に実行されるように引き起こされるけれども、それは、コンプレッサの内在的な遅延時間による時間的にふらついた全加圧流体供給を開始させるだけであるからである。
従ってコンプレッサシステムを制御するための本発明の方法の課題は、実際の圧力プロフィールの最小値ができるだけ精密に但しそれより低くはならないように適応圧力に達するようにスイッチオン圧力を決定することである。言い換えると、適応圧力は、実際の圧力プロフィールの最小値ができるだけ精密に到達する仮想圧力値である。従って適応値は、可能であれば、アンダーカットされないように実際の圧力値に対するデフォルト値であり、これは一つの可能な実施態様においてはコンプレッサシステムの現在の動作状態の関数として可変的に評価することができる。
加圧流体システム内の部品の圧力抵抗限界と合わせるため、通常現実の圧力プロフィールは、できれば圧力上限値を超えないことも必要である。この結果、圧力上限値に達すると、実際の圧力プロフィールが、できれば圧力上限値を超えないように遅くともコンプレッサシステムにおいて適切なスイッチング動作、例えば負荷状態にあるコンプレッサのスイッチオフがトリガーされる。実際には、圧力上限値は、エネルギー消費量を最小にするための基準によりその都度決定されるスイッチオン圧力を越えるほど高くなるように設定することができ、スイッチオフ圧力及びこれに大部分が対応する実圧力プロフィールの最大値が、圧力上限値に影響を及ぼさず従って適応圧力及び圧力上限値との間の圧力許容範囲内に、主に又は専らエネルギー的な側面から生じる。
もし、実圧力プロフィールができるだけ精密に減少する圧力プロフィールで適応圧力に達するようにその都度個々のスイッチング動作に対する仮想スイッチオン圧力が評価されるなら、それを全コンプレッサシステムのエネルギー消費量に積極的に影響を及ぼすものである。何故ならコンプレッサのスイッチオンが早過ぎることによる圧力レベルの不必要な上昇が防止され不必要な仕事効率が生じない。
なお現在の時点では、実圧力プロフィールの最小値ができる限り精密に所定の適応圧力に達するがそれより下回らないか又は僅かに下回るか及び/又は短く下回るようにコンプレッサシステムの制御によって可変の仮想スイッチオン圧力の決定がなされる。このため、スイッチオン圧力は、負荷状態にスイッチされるべきコンプレッサ又はコンプレッサグループのスイッチオン応答時間が予知された圧力プロフィールに従うように決定される。スイッチオン又はスイッチオフ圧力をコンプレッサシステムの制御によって決定することは、圧力の代わりに時間的にコンプレッサシステムの制御によって行なえ得るものでもあり、この場合スイッチオン又はスイッチオフ圧力の決定はスイッチオン又はスイッチオフ時間を適当に決定することによって置き換えられる。従って時間的な制御は圧力的な制御に基づく本制御と等価である。スイッチオン時間の決定はスイッチオン圧力(スイッチオフ時間又はスイッチオフ圧力も同様)の決定と同様に、将来のスイッチング動作に対してケースバイケースで実行される。
さらに、加圧流体システムにおいて所定の過大圧力を供給するために提供される本方法を、超えるべきではない負圧をユーザーに利用可能な形で維持しなければならない真空システムにおいても同様に用いることができる。対応するシステムに含まれるポンプをスイッチオンすると該システムにおける加圧流体の圧力低下を招き、ポンプ又はポンプグループをスイッチオフすると、真空状態をやめるか又は真空状態が例えば漏洩によって劣化する場合に加圧流体システムにおける圧力の上昇を招くことになる。当業者が理解するところでは、所定の過大圧力を維持するためにシステムを制御する本方法を、コンプレッサ又はポンプシステム(ここでは所定の負圧を超えてはならない)を制御するための方法に乗り換えることが同様にして実現できる。
コンプレッサシステムを制御する本方法の一つの好ましい実施態様では、可変であり得るスイッチオン圧力に達した時、圧縮された加圧流体の発生を増大させるための措置、及び可変であり得るスイッチオフ圧力に達した時に圧縮された加圧流体の発生を減少させる措置を講じるためのシステムの制御を提供する。
コンプレッサシステムを制御するための本方法の別の好ましい実施態様では、その都度エネルギー最適化において評価、任意に計算すべきスイッチオフ圧力を提供する。従って、コンプレッサシステムは、最適化という目的、すなわちエネルギー需要を最小にするという目的で主に制御され、この場合所定の過大圧力が同時に維持される、すなわち好ましくはアンダーカットされないか又は僅かにされるか及び/又は短くアンダーカットされるものである。最適化又は最小化は、可能なスイッチング選択肢の範囲内で単に最適化又は最小化と以下理解すべきである。このエネルギー需要の最小化により、本方法は、加圧流体システムにおける圧力をコンプレッサシステムのエネルギー需要というよりむしろ最も重要な制御パラメータとして制御する従来からの圧力帯制御方法とは大きく異なっている。目標とする省エネは、多数の異なるスイッチング選択肢から適切なスイッチング選択肢を選択することによって利用可能となる技術的な自由度の開発で実現可能である。任意に、可変スイッチオン圧力は、実圧力プロフィールがスイッチオン圧力を下回る時、仮想適応圧力が実圧力プロフィールの反転点においてできるだけ精密に実圧力の最小値に対応するような場合において決定することができる。このような最適化では一方では所望の圧力レベルを維持することができ、他方では必要なスイッチング動作の数を低く維持でき、この結果非常にコストパフォーマンスが高い動作となる。
本発明による方法の別の実施態様では、最適なスイッチオフ圧力は、一つのスイッチング選択肢に関連する所定の周期的時間間隔における全仕事損失からの商及び時間間隔自体を計算上最小化することにより決定される。この場合、全仕事損失は、前記時間間隔における全負荷運転中のコンプレッサの仕事損失、前記時間間隔においてスイッチオンされるべき全てのコンプレッサの無負荷運転仕事損失及び前記時間間隔におけるスイッチオン及びオフされるべき全てのコンプレッサのスイッチング仕事損失の和を含んでいる。周期的な時間間隔は、この場合、いわゆるスイッチングサイクルの観測に基づいている。このような(仮想)スイッチングサイクルは、最小値から最大値へ立ち上がり再び最小圧力値(これは加圧流体の一時的に本質的に一定の撤退で生じる)に立ち下がる時間間隔(スイッチングサイクル期間)内において、すなわち少なくともスイッチングサイクル期間中、同様に(周期的に)繰り返す時間‐圧力‐プロフィールである。計算を簡略化するため最小圧力−最大圧力間の実圧力プロフィールがそれぞれの場合において線形又はほぼ直線状になるものとみなすことができるように加圧流体システムからの加圧流体の撤退が生ずるとみなすことができる。スイッチオン圧力に達する時の負荷状態又はスイッチオフ圧力に達する時の無負荷状態にスイッチングされるべきコンプレッサは公知のものであることを前提としており適切なる経験則によって予め選択することもできる。さらに通常、残りのコンプレッサの運転状態は実圧力の圧力プロフィールによって影響を受けるだけであり、その他は変らないままであるとみなされる。
スイッチングサイクルは、実の、同様に周期的な圧力プロフィールの周期長に関わるものである。簡単化を前提とすると、一つのスイッチングサイクル中、すなわち前述した周期的時間間隔中のコンプレッサシステムに含まれる全てのコンプレッサの平均エネルギー需要を一つの閉数学表現で最小化することができる。しかしながらこの場合、全てのコンプレッサの全平均エネルギー需要を観測する必要はなく、むしろ適切に定義した全パワー損失PVを、代表的に扱われる単純化としてみなすことができる。最も簡単なケースとしては、このパワー損失は、前述した全仕事損失及び一つのスイッチングサイクルの定期的時間間隔の長さから商として計算することができる。このように定義した全パワー損失は、一つのスイッチングサイクル内で時間的に平均化したパワー損失である。下記に詳細に説明する通り、単純な数学的操作により最適化されたスイッチングサイクル圧力差を計算することが可能となり、これは簡単に決められるパラメータから導き得るものである。このスイッチングサイクル差は、スイッチオフ圧力と適応圧力との差によって定義される。
試験によって分かったことは、スイッチングサイクル圧力差の最適化を最適化基準と呼ぶ制御又は調整方法によりコンプレッサシステムのエネルギー消費量を減少させる上でかなりの成功を収めたということである。
本発明方法をさらに展開することにより、該スイッチオフ圧力の計算には下記のパラメータを含む：任意に、継続して増加する圧力に対して供給する時、該負荷運転中のコンプレッサのエネルギー需要及び/又は；無負荷運転又は停止状態にスイッチングされるべき該コンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；該無負荷運転中のコンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；スイッチング選択肢毎にスイッチングされるべき該コンプレッサのスイッチング損失エネルギー。この際、当該パラメータは、既知の経験則によって確立することができるか、或いは適切な計算方法によってそれぞれ適当な試験において決定することができる。それらは任意に、全負荷、無負荷或いはスイッチング状態に対するタイムチャートとして個々のコンプレッサの時間的な動作を量的な形で含み得るものであり、この場合、一つのスイッチング時間とスイッチング動作の完全な履行との間の時間遅れを明確に考慮することができる。従って遅延時間は計算パラメータとして適切なスイッチオン又はスイッチオフ圧力を決定することにもなる。
本発明によれば、該スイッチオン圧力は、該実圧力プロフィールが計算された適応圧力に達するようにコンプレッサシステムを制御する方法において計算され、該適応圧力は該スイッチオン圧力より低く、できるだけ精密で、好ましくは5％より低い偏差で、さらには好ましくは2％より低く、そしてさらに好ましくはそれ以下にならず又は僅かに及び/又は短く下回るものである。
本発明による方法のさらに別の実施態様では、加圧流体の発生を減少させるための該スイッチング選択肢が、加圧流体の発生を増大させるためのスイッチング選択肢以外の最適化基準により評価される。本発明方法のさらに微分した適応が可能であり、これにより例えば実圧力プロフィールの反転点、すなわちその最小及び最大圧力値が所定の適応圧力及びスイッチオフ圧力(これは一つのスイッチングサイクル期間においてエネルギー消費量最適化の基準によるケースバイケースで決まる又は計算された値)にできるだけ精密に近づくことが達成できるということである。
本発明による方法のさらに発展した実施態様では、最適化基準の中で加圧流体の発生を減少させるためのスイッチング選択肢を重み付けして選択することに関して判定が行われ、該基準は、考慮中の異なるスイッチング選択肢の各総エネルギー支出を主に又は専ら考慮したものである。
さらに発展させた実施態様では、異なるスイッチング選択肢の総エネルギー支出の考慮に含まれるのは少なくとも下記のものである：負荷運転中コンプレッサのエネルギー需要及び/又は；アイドル運転又は停止状態においてスイッチングされるべきコンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；該アイドル運転中のコンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；スイッチング選択肢毎にスイッチングされるべき該コンプレッサのスイッチング損失エネルギー。全エネルギー支出は、コンプレッサシステムを利用する全期間に渡ってケースバイケースで最適化したやり方で計算され、適切なスイッチング選択肢を選択することに直接加わるので、コンプレッサシステムの特にエネルギー効率制御が達成される。
また実施態様によれば、スイッチング選択肢の評価及び選択がリアルタイム(実時間)に行うことができる。ここでは、リアルタイムとは、実現されるべき二つのスイッチング選択肢の時系列よりかなり短い時間次元として理解される。従ってスイッチング選択肢の評価及び選択は、加圧流体システムに与えられた加圧流体の予期せぬ重要な変化も考慮することができるようにするため十分な速度で行われる。言い換えると、スイッチング選択肢の評価及び選択によって生ずる遅れは本制御方法においてはっきりと考慮される必要はない。
本発明による方法の別の実施態様では、スイッチオフ及び/又はスイッチオン圧力の決定はリアルタイムで行われる。従って、加圧流体システムにおける変化動作状態に対して制御を即座に適応させることが、他のスイッチング選択肢の選択を必要とするスイッチオフ及び/又はスイッチオン圧力の決定に必要な時間中に生ずる基本的に新しい動作状態無しで十分な速度で行うことができる。
本発明による方法のさらに好ましい実施態様としては、本システムの制御が、過去のスイッチング動作(適応制御)からの経験的なパラメータを考慮して行われる。負荷状態にスイッチされるコンプレッサの生産開始が、実圧力プロフィールの圧力反転を適応圧力に対してできるだけ近くに生じさせるようにするため十分早く実行されるようにスイッチオン圧力を本制御が任意に決定することができる。これに対して、本制御方法は、スイッチング選択肢を実現するためのスイッチオンコマンドの送信と実圧力プロフィールへの影響の実際の開始との間の期間として理解すべき各コンプレッサのスイッチオン応答時間を適応的に学習することができる。このスイッチオン圧力は、実圧力プロフィールがスイッチオン圧力から適応圧力へ降下することが期待される期間とスイッチオン応答時間が等しくなるように選択することができる。この期間は、適切なる想定、例えば線形的に降下する圧力プロフィールを想定してさらに別の圧力プロフィールの予測によって推定することができる。
各コンプレッサのスイッチオン応答時間を適応的に学習することは、任意に一つのコンプレッサ又はコンプレッサグループの実圧力プロフィールの多くの選択された周期的な時間間隔に渡って実圧力プロフィールを評価することによって行うことができる。この適応的に学習したスイッチオン応答時間は、新しい値、例えば移動平均値を適切に形成することによって継続的にもさらに更新することができる。
この際、本制御の適応的な学習行動は、コンプレッサシステムのエネルギー需要を最適化する目標を決定的に支えている。この場合の適応的な行動は基本的な学習アルゴリズム及び適応パラメータに通常基づいており、このパラメータは本制御方法の過程で本制御によって再調節されスイッチング選択肢の評価及び選択をさらに行うために更新した状態で本制御から得られるものである。この結果、この適応的な学習行動により本制御は、稼働中のコンプレッサシステムのあらゆる制御技術的に重要な特性及び条件に対して自動的に適応可能にしている。適用技術的に重要なパラメータも収集且つ評価(エネルギー需要のレベル)することができるので、本制御は、エネルギー最適化の観点から動作状態におけるコンプレッサシステムの振舞いに柔軟に適応するものである。
基本的な学習アルゴリズムにより、長い期間に渡って追跡された測定値を評価することにより、或いは適当な数の個々の事象を評価することにより、指定された適応パラメータを計算することができる。いずれのやり方も、適応パラメータを計算することからの短期間の影響又は特異な影響を保持しながらコンプレッサシステムの稼動運転中に適応パラメータを再調節するのに適している。
本制御の適応的な振舞いによって比較的少ない制御パラメータのみでうまくいくことができ、この場合の制御の振舞いは手作業で最適化又は再最適化する必要もなく、またコンプレッサシステムの拡張又は構造的な変更でさえ更なる適応化を行う必要が無い。この場合の本質的なパラメータは典型的には適応圧力であるが、スイッチオフ圧力又はスイッチングサイクル圧力差は、エネルギー需要を最小化することに関する基準に基づきスイッチオフ圧力及び適応圧力から生ずることになる。従って、本制御の起動及び保守のための稼働中‐技術的及び保守‐技術的支出が最小となる。
本発明による方法のさらに発展した実施態様においては、該経験によるパラメータには下記のものを含む：個々のコンプレッサ又はコンプレッサのある組み合わせのエネルギー需要(流量毎のエネルギー需要)のレベル及び/又は；該コンプレッサのスイッチオン応答時間及び/又は；該加圧流体ユーザーの消費行動及び/又は；該圧力アキュムレータのサイズ及び/又は；該コンプレッサ又はコンプレッサのある組み合わせの圧力補償度。
エネルギー需要のレベルは、稼働中の個々のコンプレッサ又はコンプレッサの組み合わせを適応パラメータとしてエネルギー利用することを表しており、エネルギー需要と関わったコンプレッサを介して運ばれる流量との比として表される。この場合、エネルギー需要並びに運ばれた流量は、コンピュータによる及び/又は計測学的な手法で入手できるようになった電力消費量又は運搬量を数字に積算することにより適切に選択した期間に渡って計算される。エネルギー需要レベルを計算することは実際に実行した仕事(負荷仕事、負荷運転、仕事損失、スイッチング仕事損失)並びに十分な正確性で実際に運んだ流量の全てを表しているので、コンプレッサの純粋に理論的な名目上の値から計算された値とは対照的にエネルギー需要レベルが比較的正確な形で稼働中における実際のエネルギー利用を反映することになる。
この際、過去のエネルギー上好ましくない負荷サイクルにより、対応する低エネルギー利用を呈し低レベル(正帰還)であるように負荷状態にスイッチされるべき集合体の選択において恐らく不適切に長く分類されるコンプレッサ又はコンプレッサグループにとって、エネルギー需要レベルが補償メカニズムによってコンプレッサシステムの現在のエネルギー利用特性に連続的に適応されるということを本制御において考慮に入れることができる。
この場合に注意すべきことは、負荷状態にスイッチングする時、無負荷状態にあり且つ比較的大きな残留無負荷パワーを有するコンプレッサは、比較的小さな残留無負荷仕事を有するか又はそのモーターが無負荷仕事損失及び起動仕事を回避することによってエネルギーを節約するために既にスイッチオフされているコンプレッサに望ましいということである。さらに、負荷状態からスイッチングする時、等価な又は類似のサイズのコンプレッサの中で好ましいのは、無負荷仕事を避けることによりエネルギーを節約するため予期された小さな無負荷仕事損失を有するものである。
本制御に関する個々のコンプレッサの圧力−技術的効果は適応パラメータとしてのコンプレッサの圧力補償度として表わされ、また適当な数の個々の事象を平均化することによりスイッチング動作の圧力補償効果を介して決定することができる。この場合、スイッチング動作の圧力補償効果は経年圧力変化から取ることができる。
スイッチングされるべきコンプレッサの選択においては、好ましくはその圧力補償効果(圧力補償度の合計)がコンプレッサシステムの現在の稼動状態(現在の圧力プロフィール)に適応されるコンプレッサ又はそのグループのみが考慮されることが好ましいので、選択されたコンプレッサのスイッチングによりやがて確立されるべき望ましい圧力プロフィールを通常誘導するので、実際には付加的でエネルギー的に不利なスイッチング動作は必要とされない。
加圧された流体減少における急速な変化によって特徴付けられる動作状態においては、所定の条件の下で、その圧力補償効果が圧力方向と反対の点で実圧力プロフィールを完全には補償することができずスイッチング時間において実圧力プロフィールの不十分な補償を構成するコンプレッサを選択することができる。このような場合、本制御は従って、不十分な補償の範囲に適応される期間によってスイッチング時間を進ませることができる。本実施態様によれば、時間バッファが設けられて必要に応じて時間的にさらにコンプレッサをスイッチするようにしており、これにより良くても更なるコンプレッサをスイッチする必要は無く、或いは、スイッチオン動作後、比較的長い時間に渡ってエネルギー的に好ましいレベルに少なくとも圧力を安定させることができるということが達成できる。
さらに、非常に稀なケースとして起こり得るのは、コンプレッサシステムから撤退される加圧流体の強い変動条件の下で適応圧力を許容できない程アンダーカットされるということである。このような状況では、本制御は、一つ以上の付加的なコンプレッサを負荷状態に即座にスイッチングすることにより即座に必要となり状況適応された適応圧力から実圧力プロフィールの偏差を是正することができる。稼動スイッチオン動作中、すなわちスイッチオンされたコンプレッサの圧力補償効果が開始される前は依然として将来の圧力補償効果が望ましい実圧力プロフィールを確立するために十分なものであると期待されるかどうかを実圧力プロフィールに基づいてチェックすることができる。もし将来の圧力補償効果が十分なものであると決定される場合には、それ以上のコンプレッサは負荷状態に切り替える必要は無い。さもなければ一つ以上のコンプレッサを即座に負荷状態に切り替える。
本発明による方法の別の実施態様としては、該経験によるパラメータは下記のものを含む：該加圧流体システムの記憶ボリューム及び設置計画に依存したコンプレッサの圧力補償度及び/又は；前動作モード、周囲温度、メンテナンス、摩耗及び汚染状態に依存したコンプレッサのエネルギー需要のレベル及び/又は；加圧流体の撤退の変化の典型的なパターンに依存したコンプレッサのスイッチオン応答時間及び圧力補償度。従って、本方法は純粋にコンプレッサ固有特性だけでなくコンプレッサの相互作用及び運転状態又は使用環境から来る部分的な特性を適応的に学習することができる。
本発明による方法のさらに好ましい実施態様では、該コンプレッサ又は該コンプレッサの組み合わせの起動挙動を考慮し、任意に好ましくは適応的に学習したスイッチオン応答時間を考慮して、該スイッチオン圧力より低く、できるだけ精密で、好ましくは5％より低い偏差で、さらには好ましくは2％より低く、そしてさらに好ましくはそれ以下にならず又は僅かに及び/又は短く下回る適応圧力に該実圧力プロフィールが達するようにコンプレッサ又はコンプレッサの組み合わせのスイッチオンが十分早く行われることを特徴としている。従って、実圧力プロフィールは比較的狭い限界内におけるその最小圧力値においてできるだけ精密な形で仮想的に決定された適応圧力に達する。
本発明による方法のさらに別の実施態様では、該コンプレッサ又はコンプレッサの組み合わせは好ましくは、負荷状態にスイッチングされるべきコンプレッサのスイッチング選択肢を決定する際に選択され、該コンプレッサはエネルギー需要レベルに対して実験に基づく（好ましい経験的な）パラメータ値を有する。従って、コンプレッサシステムの可能な省エネ運転が保証される。
コンプレッサシステムを制御するための本方法の別の実施態様では、このようなコンプレッサは好ましくは負荷状態にスイッチングされるべきコンプレッサのスイッチング選択肢を決定する際に選択され、該コンプレッサは無負荷状態にあり、さらには長く残っている無負荷運転時間を依然有し及び/又は該コンプレッサは好ましくは低い残留無負荷仕事を有する、無負荷状態又は停止状態にスイッチングされるべきコンプレッサとして選択されることが好ましい。従って全ての仕事損失の和としての総仕事損失も減少される。何故なら無負荷パワーの削減が、エネルギー最適化の観点から選択されるべきスイッチング選択肢の決定において考慮されるからである。
本発明による方法のさらに別の好ましい実施態様では、スイッチング選択肢の決定及び/又はスイッチオフ圧力の決定及び/又はスイッチオン圧力の決定は一定加圧流体減少とみなして実行される。この場合、定加圧流体減少の仮定は、各次のスイッチオン又はスイッチオフ圧力を決定するためにのみ合理的に実施される。今後のスイッチオン又はスイッチオフ圧力を引き続き決定するためには、加圧流体減少のための新しく一定の値を仮定する。このように定加圧流体減少を仮定することにより、次のスイッチオン動作を含むスイッチングサイクル中の実圧力プロフィールを、エネルギーの観点からの表現を扱うために数学的に簡単な形で計算することができる。この結果、コンプレッサシステムの動作に関連するエネルギー最適又は最大効率をもスイッチングサイクルの期間中に計算することができる。
本発明による方法のさらに別の実施態様では、加圧流体の撤退の現在値の決定は測定手段によって決定されるか、或いは過去の実圧力プロフィール、該コンプレッサの動作状態及び/又は該コンプレッサシステムの可能な適応的に調整されるアキュムレータサイズから計算されるかのいずれかである。
本発明による方法のさらに別の実施態様では、所定の条件下において、スイッチオン圧力又はスイッチオフ圧力に達する時にトリガーされるべきスイッチオン又はスイッチオフコマンドが抑圧され及び/又は付加的なスイッチオンコマンド又はスイッチオフコマンドがスイッチオン圧力又はスイッチオフ圧力に達することとは別にトリガーされる。付加的なスイッチオフコマンドは、例えば、圧力上限値を実圧力プロフィールが超えないように圧力上限値に近づいた時発生させることができる。さらに、決定されたスイッチオンコマンドは、さらに実圧力プロフィールをより良く推定することができるように加圧流体システムからの加圧流体の撤退が減少することにより減少する圧力プロフィールの明瞭且つ永続する正曲線について抑制することができる。従って、スイッチオフコマンドも撤退される加圧流体を増やすことから生ずる増大実圧力プロフィールの明瞭且つ永続的な負曲線についても抑制することができる。ここでもまた、改良されたエネルギー計算を行うための方法によって選択されるスイッチング選択肢は、該別の圧力プロフィールを推定し且つその結果のエネルギー消費量に関する改良された未来のスイッチング動作を行えるように初期に抑制される。
本発明による方法の他の同様に好ましい実施態様において、問題となるコンプレッサの稼動時間数などの複数のスイッチング選択肢をエネルギー的に等価な別の基準として決定する時、同じことが付加的に考慮される。従って、コンプレッサシステムを構成する異なったコンプレッサの稼動時間数はほぼ均一であり、以って個々のコンプレッサの保守−分担又は使用−分担停止が所定程度まで減少させることができるということを保証することができる。
本発明による方法のさらに別の実施態様では、該決定されたスイッチオフは、必要となり得るスイッチオン動作が、可能なスイッチング組み合わせの起動挙動を考慮した時間で実行することができるようにされた時の該制御方法によってのみトリガーされる。このコンプレッサシステムのコンプレッサ又はコンプレッサの組み合わせの起動動作を検討することにより、加圧流体システムにおいて所定の過大圧力を常に維持することが可能となる。予測できない場合及び通常の場合、時間的に実行できない決定されたスイッチング動作の開放により別のコンプレッサ又はコンプレッサグループのエネルギー的に好ましくないスイッチオンを回避することができる。
本発明の他の実施態様は従属請求項から生ずる。
以下本発明の図面によって説明される例示的な実施態様に基づいて本発明を以下詳細に説明する。
複数のコンプレッサを備えたコンプレッサシステムの概略図である。 図1に示すコンプレッサシステムを制御するための本発明に係る制御手段の一実施態様を示した概略図である。 本発明に係る制御方法の一実施態様をフローチャートで示した概略図である。 本発明による制御方法の一実施態様に係る特定の制御パラメータを示すコンプレッサシステムにおける実圧力プロフィールを示した図である。
図1は、それぞれが通信バス5と接続された合計で6個のコンプレッサ2で構成されるコンプレッサシステム1を概略的に示したものである。適切な圧力路を介して、各コンプレッサ1は、例えばドライヤ又はフィルタとして実現可能な処理素子21に接続されている。これら6個のコンプレッサ2は中央の加圧流体貯蔵庫3に対して流体供給するものであり、この貯蔵庫3は測定手段20を有しており、さらにこの測定手段20は通信バス5に通信可能に結合されている。測定手段20は、この場合、例えば加圧流体貯蔵庫3内の圧力状態を常に測定可能にしており、通信バス5を介してコンプレッサシステム1の制御に測定されたパラメータを与えることができ、これらのパラメータは制御技術の観点から制御方法41(ここでは図示せず)において利用できるものである。
コンプレッサ2によって供給される加圧流体貯蔵庫3における加圧流体は、機能素子22(この場合は例えば制御バルブ)をさらに有することができる適切な圧力路を介して加圧流体を撤退させるためにユーザーに送られる。加圧流体貯蔵庫3内に保持される過大圧力の制御又は調整は中央制御手段4によって行われ、この中央制御手段4は図示されていないが通信バスに通信可能に接続されている。この場合、コンプレッサ2と通信バス5との間の通信は普通の有線信号回線又は無線通信パスを介して行われる。
実施態様によれば、選択された通信プロトコルによって以下に詳細に説明する制御方法をリアルタイムに確実に実行することができる。加圧流体貯蔵庫3内に広がる圧力は測定手段20によって同様にリアルタイムに検出することが好ましい。実際には、1秒を下回る、好ましくは10分の1秒を下回る時間間隔によるサンプリングが本目的に適している。典型的な加圧流体の用途においては、測定手段20が圧力貯蔵庫3内の過大圧力を測定することになる。また可能な真空用途においては、測定手段20は、上述の如く、加圧流体貯蔵庫3に同様に与えることができる対応負圧を測定することになる。当業者には明らかなように、コンプレッサ2はこの目的のため適切な真空ポンプで置き換えられる。測定手段20によって検出される圧力値は、本制御/調整方法において導入されるようにするため、使用目的に応じて多かれ少なかれ円滑化され絶対的又は時間微分的或いはこれらの組合せで評価することができる。このように条件付けられた圧力値は、とりわけエネルギー的に最適なスイッチオフ圧力103(ここでは図示せず)を計算するため、コンプレッサの圧力補償度を計算するため、及び停止状態又は無負荷状態でのコンプレッサのスイッチオン応答時間を計算するために用いることができる。
さらに、中央制御手段に同様に接続された別の測定手段を設けることができ、これは、例えばスイッチオン応答時間を高精度で決定するために測定した加圧流体消費量、又は加圧流体の撤退を確かめるものである。
通信バス5を介して中央制御手段と交換されるコンプレッサの運転データはとりわけ各コンプレッサの現在の運転状態に関するものである。この情報は、負荷状態にスイッチされるべきコンプレッサを選択するための他のものの中から本制御又は調整方法に必要とされる。さらに、この情報はモータ速度を含んでおり、これに基づき本制御方法はコンプレッサ又はコンプレッサグループのエネルギー消費量を確かめることができる。それはさらに、運転時間後、コンプレッサが例えば無負荷運転状態にある場合を評価するため、又は運転時間後、コンプレッサが負荷運転状態にある場合に予期されたコンプレッサ内圧力センサの情報、並びにコンプレッサが負荷運転状態にあるかそれとも全く無いかについての情報を含み得る。或いは、コンプレッサの上述した動作データのいくつか又は全てを作り直すか又はデータ処理によって近似することができるので、それらは通信バス5を介して交換する必要もなく十分な近似で中央制御手段が利用可能な全て同じものである。
用途−技術的な理由から、コンプレッサシステム1はさらに編集用素子21を備えることができ、これはシステム内流体圧力の特性変化に要因を与えるものである。しかしながら、コンプレッサシステム内の編集用素子21の影響は、本方法又は調整の適切な適応学習行動によって適切に補償することができる。オフ状態並びに無負荷運転状態からのコンプレッサのスイッチオン応答時間が大きくなるという状態で、フィルタが徐々に汚染されていくことにより、中央加圧流体貯蔵庫とコンプレッサとの間の加圧流体運搬における時間遅れの増加は、例えば適応的に補償することができる。このようなスイッチオン応答時間の増大は本方法によって簡単に補償することができるので、フィルタの汚染が増加することは加圧流体貯蔵庫3内の所定の過大圧力の維持に影響しない。
用途−技術的な考慮に基づき、コンプレッサシステム1は圧力安定化のための一つ以上の圧力調整バルブをさらに備えることができる。
図2は、制御手段4の制御方法の概略図を示す。制御手段4は、この場合、通信バス5と通信できるようになっており、データの読み込み、読み出しを行うことができる。制御手段4は通信バス5を介して個々のコンプレッサ2に対して任意にスイッチングコマンドを送信することができる。制御パラメータを供給するため、又はコンプレッサ2を特徴付けるためのデータを入力するため、制御手段4は供給インタフェース40を備えている。このデータは制御方法41に送られ、適応制御方法によるソフトウェアアプリケーションとして実行される。制御方法41は適切な制御コマンド、又はコンプレッサ2を制御するためのスイッチングコマンドを生成し、これらは通信バス5を介してコンプレッサ2に送られる。制御方法41はその目的のため制御アルゴリズム42を含んでおり、これは適応圧力101と圧力上限値104との間の圧力許容範囲内のコンプレッサシステムのエネルギー需要を最適化するものである。なお、ここでは制御アルゴリズム42は調整用アルゴリズムとしても理解することができる。制御手段4はここでは示されていない適当なタイマーを有するシステムクロックを備えており、これは制御方法41に適切なタイミングを与えることができる。
実施態様によれば、制御アルゴリズム42は、エネルギー誘導型適応調整を可能にし、利用可能な圧力制御範囲内でエネルギー目標として負荷状態からスイッチオフされるようにコンプレッサのためのスイッチオフ圧力103を評価する。この目的のため、制御アルゴリズム42は数学的な分析形式でエネルギー的に最適なスイッチオフ圧力103を計算する。この最適なスイッチオフ圧力103は、スイッチオフ圧力103に依存する一つのスイッチングサイクル中においてコンプレッサシステム1の全てのコンプレッサ2の全パワー損失を表す関数の最小値によって本実施態様に従い規定される。この実施態様では、計算の前提として、加圧流体の撤退が平均定数に留まっているということと、従ってスイッチングサイクルが二つの連続する最小圧力又は最大圧力間を均一に繰り返すということがある。加圧流体の撤退が平均定数であるという前提では、圧力プロフィール変動が実圧力プロフィールにおいても考慮できるようにしている。
この際、エネルギー誘導型制御アルゴリズム42は、それらの自由度が固定の制御パラメータによって、或いは非常に小さいか厳密に予め決められた圧力調整範囲によって占有されているわけでも制限されているわけでもないという点で現在の調整−技術的自由度を利用しているが、エネルギーの点ではそれを最適化する。スイッチすべきコンプレッサ2の選択、及び時点又は実行すべきスイッチング動作の圧力の双方はパラメータ化されないがエネルギー的に最適なようにケースバイケースで制御方法41によって計算される。
制御方法41のエネルギー誘導とは別に、それは、稼動運転中適応パラメータを最適化することについての適応行動によっても特徴付けられる。この際、適応行動は、コンプレッサシステム1のエネルギー需要を最適化することを決定的に支持している。適応行動は、制御方法41に含まれる適応アルゴリズム43に基づくもので、これはコンプレッサシステムの動作中に全ての適応パラメータを調整し且つ制御アルゴリズム42が利用できるようにしている。また、この適応行動により、コンプレッサの選択が切替えられる、コンプレッサシステム及び稼動中の使用の調整−関連・固定・可変特性又は条件に自動的に適応されるようになっている。このような適応パラメータの例は、コンプレッサ2の運搬流量毎のエネルギー需要並びに加圧流体システムの圧力−技術的に能動的な蓄積量及びコンプレッサ2の一時的なスイッチング行動であり得る。
図3は、コンプレッサシステム1を制御するための本発明方法の実施態様による個々のステップのシーケンスをフローチャートで示したものである。この場合、決定されたスイッチング選択肢13は、詳細には示されていない制御手段4の除外手段6における事前選択ステップ10において、組み合わせて得られる多数のスイッチング選択肢13から、好ましくは現在の条件を考慮しながら、除外される。この事前選択とは、例えば、所定のスイッチング選択肢13の技術的な実現可能性を考慮した選択基準に基づいて行われ得るものである。この場合、全体で例えば8個の組み合わせ可能なスイッチング選択肢13を利用でき、これらから、4つのスイッチング選択肢13(×印で除外されている)が現在の稼動条件として不適切なものであるとして示され、従って前もって除外されている。残りの4つのスイッチング選択肢13から、事前選択ステップ10で除かれていないスイッチング選択肢13の全てを互いに比較することにより一つ以上の最適化基準を参照して、詳細には示されていない制御手段4の選択手段7における主選択ステップ11において一つのスイッチング選択肢13が選択される。主選択ステップ11で評価される選択されたスイッチング選択肢13は、コンプレッサシステム1で実行されるという理由から、詳しくは示されていない制御手段4の出力手段8における制御ステップにおいて出力される。この場合には、この出力は、出力手段8から通信バス5への情報の転送として象徴的に示されているが、これは限定して解釈すべきものではない。
図4は、周期的な時間間隔Tswitch中において加圧流体システムにおける実圧力プロフィール105を示したものである。この周期的時間間隔Tswitchの長さはここでは一つのスイッチングサイクルの長さにちょうど関連している。本発明の制御方法の一実施態様では、エネルギー最適化の原理により利用可能な圧力許容範囲内で負荷状態からスイッチングされるべきコンプレッサ2の個々のスイッチオフ圧力103を評価する。この場合、現在の許容範囲は、アンダーカットすべきでない適応圧力103と超えるべきでない圧力上限値104との間の圧力範囲である。本実施態様例では、エネルギー的に最適なスイッチングサイクル圧力差、及び負荷状態にスイッチされるべきコンプレッサ2のエネルギー的に最適なスイッチオフ圧力103がエネルギー最適値として数学的分析手法により計算される。この計算では、加圧流体の撤退は平均すると一定であると仮定されることになる。圧力降下は、実圧力プロフィールをほぼ表している線形的に降下する直線の立ち上がりとして表されることになる。類似なこととして、加圧流体システム内の加圧流体の増加は、単調に上昇する直線として実際に上昇する圧力プロフィールの大きく類似した数学的な平均化によって表すことができる。
加圧流体の平均的に一定の撤退という前提の下では、次のスイッチオン動作を含むスイッチングサイクルはエネルギー的に単純な数学的表現で表すことができる。このような単純な数学的表現により、斯かるスイッチングサイクル中コンプレッサシステムのエネルギー最適値又は最大効率を計算することができる。この目的のため、制御方法41は、スイッチングサイクル(周期的時間間隔Tswitch当たりの全仕事損失)に依存して全合計パワー損失が最小になるようにスイッチングすべきコンプレッサ2のスイッチオフ圧力103を調整する。
負荷運転中並びにスイッチング中及びアイドル運転中のコンプレッサ2はスイッチングサイクルに応じてそのパワー損失に貢献する。負荷運転中のコンプレッサ(負荷作業)のエネルギー需要はスイッチングサイクル圧力差と共に上昇する。何故ならその内部作業圧力差が平均すると上昇するためである。これと対照的に、スイッチングされるべきコンプレッサのスイッチング仕事損失並びに無負荷仕事損失は上昇するスイッチングサイクル圧力差と共に減少する。これはスイッチングサイクルの数(周波数)が減少するからである。エネルギー最適化における損失成分の和は、計算されたスイッチングサイクル圧力差における最小値を占める。最小化すべき表現は下記の式(1)に従うものとなる。
Figure 0005702302
この場合、ΔWloadはスイッチオン圧力と比較して圧力上昇によりスイッチングサイクル当たりの負荷運転コンプレッサの仕事損失であり、ΔWno-loadは無負荷性能により且つその運転後時間のスイッチングサイクル毎にスイッチングされるべきコンプレッサの無負荷仕事損失であり、ΔWswitchは無負荷運転中(恐らくはモータ再起動)のスイッチング時におけるゆっくりした内部圧力補償プロセス及び負荷状態へスイッチングする時の内部圧力適応)によりスイッチングされるべきコンプレッサ2のスイッチングサイクル毎のスイッチング仕事損失であり、Tswitchは周期的な圧力上昇及びそれに続く圧力降下に渡って一時的に広がるスイッチングサイクルの期間である。
全仕事損失の個々の成分は、この場合下記の式(2)に従って計算される。
Figure 0005702302
 この場合、rloadは圧力単位当たりの負荷運転中のコンプレッサ2の負荷性能の相対的増加であり、Δpswitchはスイッチングサイクル差であり、Pload1はコンプレッサ(スイッチングされるコンプレッサ2を含み、これはスイッチオン圧力102において圧力プロフィールの過程でスイッチオフ圧力103に向かって負荷運転中のもの)の負荷性能であり、Idp/dtIaverage1はスイッチオフ圧力103に向かう実圧力プロフィール中の予測された平均圧力上昇量であって釣り合った期間に基づいて計算されるものであり、Pload2はコンプレッサ(スイッチングされるべきコンプレッサ2を除き、これはスイッチオン圧力102において圧力プロフィールの過程でスイッチオフ圧力103に向かって負荷運転中のものである)の負荷性能であり、Idp/dtIaverage2はIdp/dtIaverage1からスイッチオン圧力102に向かう圧力プロフィール中の予測された平均圧力下降量でありスイッチングされるべきコンプレッサ2の圧力補償効果である。
無負荷仕事損失ΔWno-loadは下記の式(3)に基づいて計算される。
Figure 0005702302
この場合、Pno-loadはスイッチングすべき個々のコンプレッサの無負荷性能であり、Tno-loadはスイッチングすべき個々のコンプレッサの無負荷状態での運転後時間でありスイッチオフ−オン間の時間に制限される。
スイッチング仕事損失ΔWswitchは、スイッチングされるべきコンプレッサ2のスイッチングサイクル当たりのスイッチング仕事損失Wswitchの和として下記の式(4)により計算される。
Figure 0005702302
さらに、スイッチングサイクルの周期的時間間隔Tswitchは、図4により単純な幾何学上の考慮から生ずる下記の相関に基づいた式(5)に従って容易に計算することができる。
Figure 0005702302
 エネルギー的に最適なスイッチングサイクル圧力差Δp switch,optの計算は、個々の仕事損失ΔWload,ΔWno-load,ΔWswitch並びに周期的時間間隔の長さ(スイッチングサイクル期間)Tswitchの項を、スイッチングサイクルに依存するパワー損失Pvについての式(1)に単純に挿入し、これに続いてスイッチングサイクル圧力差Δpswitch及びこれに対応した偏差のゼロ設定により導くことにより式(1)を用いて計算することができる。この結果、エネルギー的に最適なスイッチングサイクル圧力差Δpswitch,optは数学的に表現が容易な形に式(6)に示す如く表すことができる。
Figure 0005702302
この結果、加圧流体を用いた場合のエネルギー的に最適なスイッチオフ圧力は、適応圧力101と計算されたエネルギー的に最適なスイッチングサイクル圧力差Δpswitch,optとの和となる。対応する真空用途の場合には、例えば、エネルギー的に最適なスイッチオフ圧力103は当業者に明らかなように二つの既述した値の差となる。
さらにここで指摘すべきことは、本実施態様による制御方法は、コンプレッサ2のスイッチオン又はオフと状態変化の実際の実行時点との間の時間から決定される個々のコンプレッサ2又はコンプレッサ2の組み合わせの遅延時間を考慮しているという点である。従って、スイッチオフ時間Toffと同様にスイッチオン時間Tonは、実圧力プロフィールの最小圧力値又は最大圧力値と比較して時間的に進められる。
さらに、図4は図示のために部分的に理想化したスイッチングサイクルを示している。圧力上限値104はシステムの不確実性、例えば構成素子の圧力抵抗によって決まる。この図における最も低い部分は既に何回も説明した適応圧力101を表している。ここに示したスイッチングサイクルにおける圧力プロフィールは(局所的な)最小値Pminと(局所的な)最大値Pmaxとの間で動く。時点Toffでは、上昇する圧力プロフィールでスイッチオフ圧力103に到達した時、圧縮され加圧された流体の発生を減少させる措置が講じられ、これにより、圧力はスイッチオフ圧力103を超えて(局所的な)最大値Pmaxへすぐに上昇するが、その後圧力上昇は圧力降下に反転するという作用がある。スイッチオン圧力102が下降圧力プロフィールに一旦達すると、圧縮され加圧された流体の発生を増加させる措置が講じられ、圧力はさらに(局所的な)最小値Pminまで減少するがその後圧力低下は新しい圧力上昇に転じる。
なおここで、上記の記載はそれが単独であろうと又はいかなる組合せであろうと本発明に本質的なものとして、任意に図面に示された詳細において、請求項化されている。その変形例は当業者に通じたものであろう。
1 コンプレッサシステム
2 コンプレッサ
3 加圧流体貯蔵庫
4 制御手段
5 通信バス
6 排除手段
7 選択手段
8 出力手段
9 スイッチオフ圧力決定手段
10 事前選択ステップ(Vorselektionsschritt)
11 主選択ステップ
12 制御ステップ
13 スイッチング選択肢
20 測定手段
21 処理素子
22 機能素子
30 データレコード
40 供給インタフェース
41 制御方法
42 制御アルゴリズム
43 適応アルゴリズム
101 適応圧力
102 スイッチオン圧力
103 スイッチオフ圧力
104 圧力上限
105 実圧力プロフィール
Ton スイッチオン時間
Toff スイッチオフ時間

Claims (18)

  1. 複数のコンプレッサ(2)を備えたコンプレッサシステム(1)を制御する方法であって、該コンプレッサシステム(1)は、加圧流体システムからの加圧流体の取り出しにかかわらず該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、この場合、該システムを現在の条件に適応させるためのスイッチング動作に関する一定の又は可変の間隔で下記の判定が行われることを特徴とした方法：
    −事前選択ステップ(10)において、該複数を組み合わせて利用できるスイッチング選択肢(13)の中から該現在の条件を考慮していくつかのスイッチング選択肢(13)を除外すること；
    −主選択ステップ(11)において、残ったスイッチング選択肢(13)が、一つ以上の最適化基準を参照しながら互いに比較較量され最適なスイッチング選択肢(13)を該最適化基準の中から選択すること；及び、
    −制御ステップ(12)において、該選択されたスイッチング選択肢(13)を該コンプレッサシステム(1)での実行のために出力すること。
  2. 請求項１において、
    該システム(1)の制御では、可変のスイッチオン圧力(102)に達した時に圧縮された加圧流体の発生を増加させると共に可変のスイッチオフ圧力(103)に達した時には圧縮された加圧流体の発生を減少させる措置を講ずることを特徴とした方法。
  3. 複数のコンプレッサ(2)を備えたコンプレッサシステム(1)を制御する方法であって、該コンプレッサシステム(1)は、加圧流体システムからの加圧流体の取り出しが場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、この場合、
    該システム(1)の制御では、可変のスイッチオン圧力(102)に達した時に圧縮された加圧流体の発生を増加させると共にスイッチオフ圧力(103)に達した時には圧縮された加圧流体の発生を減少させる措置を講じる、請求項1又は2の方法において、
    該スイッチオフ圧力(103)は可変であり、現在のコンプレッサシステム形態に基づき及び/又は該コンプレッサシステム形態の規定された変化を考慮して変更できることを特徴とした方法。
  4. 請求項２又は３において、
    該最適スイッチオフ圧力(103)は一つのスイッチング選択肢(13)に関連する所定の周期的時間間隔及び該時間間隔自体での総仕事損失の商を計算上最小化することにより決定され、この場合、該総仕事損失は前記時間間隔における全負荷運転中のコンプレッサ(2)の仕事損失、前記時間間隔においてスイッチオンされるべき全ての該コンプレッサ(2)の無負荷運転仕事損失及び前記時間間隔においてスイッチオン及びオフされるべき全ての該コンプレッサ(2)のスイッチング仕事損失の和を含んでいることを特徴とした方法。
  5. 請求項４において、
    該最適スイッチオフ圧力(103)は、適応圧力(101)とエネルギー的に最適なスイッチオフ圧力差Δpswitch,optの和として計算され、この場合該Δpswitch,optが下記の式に基づいて計算されることを特徴とした方法。
    Figure 0005702302
     ここで、P no-load はスイッチングすべき個々のコンプレッサの無負荷性能、T no-load はスイッチングすべき個々のコンプレッサの無負荷状態での運転後時間、ΣW switch はスイッチングされるべきコンプレッサのスイッチングサイクル当たりのスイッチング仕事損失の和、r load は圧力単位当たりの負荷性能の相対的増加、P load1 はコンプレッサ（スイッチングされるコンプレッサを含み、スイッチオン圧力において圧力プロフィールの過程でスイッチオフ圧力に向かって負荷運転中のスイッチングされるもの）の負荷性能、ldp/dtl average1 はスイッチオフ圧力に向かう実圧力プロフィールの予測された平均圧力上昇量であって釣り合った期間に基づいて計算されるもの、P load2 はコンプレッサ（スイッチングされるべきコンプレッサを除き、スイッチオン圧力において圧力プロフィールの過程でスイッチオフ圧力に向かって負荷運転中のもの）の負荷性能、ldp/dtl average2 はldp/dtl average1 からスイッチオン圧力に向かう圧力プロフィール中の予測された平均圧力下降量でありスイッチングされるべきコンプレッサの圧力補償効果、を示す。
  6. 請求項５において、
    該スイッチオフ圧力(103)の計算には下記のパラメータを含むことを特徴とした方法：
    −該負荷運転中のコンプレッサ(2)のエネルギー需要及び/又は；
    −無負荷運転又は停止状態にスイッチングされるべき該コンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；
    −該無負荷運転中のコンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；
    −スイッチング選択肢(13)毎にスイッチングされるべき該コンプレッサのスイッチング損失エネルギー。
  7. 請求項２乃至６のいずれか一つにおいて、
    該スイッチオン圧力(102)は、該実圧力が、該スイッチオン圧力(102)より低い計算された適応圧力(101)に達するようにコンプレッサシステム(1)を制御する方法において計算され、これにより、該実圧力は、該適応圧力から5％より低く外れていることを特徴とした方法。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一つにおいて、
    加圧流体の発生を減少させるための該スイッチング選択肢(13)は、加圧流体の発生を増大させるためのスイッチング選択肢(13)以外の最適化基準により評価されることを特徴とした方法。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一つにおいて、
    最適化基準の中で加圧流体の発生を減少させるための該主選択ステップ(11)のスイッチング選択肢(13)を重み付けして選択することに関して判定が行われ、該基準は、考慮中の異なるスイッチング選択肢(13)の各総エネルギー支出を主に又は専ら考慮したものであり、
    異なるスイッチング選択肢(13)の総エネルギー支出の考慮に含まれるのは少なくとも下記のものであることを特徴とした方法：
    −負荷運転中コンプレッサのエネルギー需要及び/又は；
    −無負荷運転又は停止状態にスイッチングされるべきコンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；
    −該無負荷運転中のコンプレッサの無負荷運転損失及び/又は；
    −スイッチング選択肢(13)毎にスイッチングされるべき該コンプレッサのスイッチング損失エネルギー。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一つにおいて、
    該スイッチング選択肢(13)の評価及び選択はリアルタイムに行われることを特徴とした方法。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一つにおいて、
    該スイッチオフ圧力(103)及び/又はスイッチオン圧力(102)の決定がリアルタイムに行われることを特徴とした方法。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか一つにおいて、
    該システム(1)の制御が、過去のスイッチング動作から実験に基づいたパラメータを考慮して行われることを特徴とした方法。
  13. 請求項１２において、
    該実験に基づいたパラメータには下記のものを含むことを特徴とした方法：
    −個々のコンプレッサ(2)又はコンプレッサ(2)のある組み合わせのエネルギー需要のレベル及び/又は；
    −該コンプレッサ(2)のスイッチオン応答時間及び/又は；
    −該加圧流体ユーザーの消費行動及び/又は；
    −該圧力アキュムレータのサイズ。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか一つにおいて、
    該コンプレッサ(2)又は該コンプレッサの組み合わせのスイッチオン応答時間を考慮して、該実圧力が該適応圧力(101)に達するように該コンプレッサ(2)又は該コンプレッサ(2)の組み合わせのスイッチオンが十分早く行われ、これにより該実圧力は5%より低く該適応圧力から外れることを特徴とした方法。
  15. 請求項１乃至１４のいずれか一つにおいて、
    該コンプレッサ(2)又はコンプレッサ(2)の組み合わせは、負荷状態にスイッチングされるべきコンプレッサ(2)のスイッチング選択肢(13)を選択する際に選択され、該コンプレッサはエネルギー需要レベルに対して実験に基づくパラメータ値を有することを特徴とした方法。
  16. 複数のコンプレッサ(2)を備えたコンプレッサシステム(1)の制御手段(4)であって、該コンプレッサシステム(1)が、加圧流体システムからの加圧流体の取り出しが場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、この場合、該システムを現在の条件に適応させるためのスイッチング動作に関する一定の又は可変の間隔で判定を行い、該制御手段が、下記の手段を有することを特徴とするもの：
    −複数組み合わせて利用できるスイッチング選択肢(13)の中から、該現在の条件を考慮していくつかのスイッチング選択肢(13)を除外する除外手段；
    −残ったスイッチング選択肢(13)を、一つ以上の最適化基準を参照しながら互いに比較較量し最適なスイッチング選択肢(13)を該最適化基準の中から選択する選択手段；及び、
    −該選択されたスイッチング選択肢(13)を該コンプレッサシステム(1)での実行のために出力するように構成された出力手段(8)。
  17. コンプレッサシステム(1)を制御するためのデータレコード(30)であって、複数のコンプレッサ(2)を備えたコンプレッサシステム(1)が、加圧流体システムからの加圧流体の取り出しが場合によって変動しても該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、この場合、該システムを現在の条件に適応させるためのスイッチング動作に関する一定の又は可変の間隔で下記の判定が行われることを特徴とするもの：
    −事前選択ステップ(10)において、該複数を組み合わせて利用できるスイッチング選択肢の中から、該現在の条件を考慮していくつかのスイッチング選択肢(13)を除外すること；
    −主選択ステップ(11)において、残ったスイッチング選択肢(13)が一つ以上の最適化基準を参照しながら互いに比較較量され最適なスイッチング選択肢(13)を該最適化基準の中から選択すること；及び、
    −制御ステップ(12)において、該選択されたスイッチング選択肢(13)を該コンプレッサシステム(1)での実行のために出力すること。
  18. コンプレッサシステム(1)を制御するためのデータレコード(30)であって、複数のコンプレッサ(2)を備えたコンプレッサシステム(1)が、加圧流体システムからの加圧流体の取り出しにかかわらず該加圧流体システムにおける所定の過剰圧力を維持することを意図しており、該システム(1)の制御では、可変のスイッチオン圧力(102)に達した時に圧縮された加圧流体の発生を増加させると共に可変のスイッチオフ圧力(103)に達した時には圧縮された加圧流体の発生を減少させる措置を講じる、請求項1において、
    該スイッチオフ圧力(103)は可変であり、現在のコンプレッサシステム形態に基づき及び/又は該コンプレッサシステム形態の規定した変化を考慮して変更できることを特徴としたデータレコード。
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