RU2776905C2 - Method for self-diagnostics of mechanical and/or hydraulic state of centrifugal pump - Google Patents
Method for self-diagnostics of mechanical and/or hydraulic state of centrifugal pump Download PDFInfo
- Publication number
- RU2776905C2 RU2776905C2 RU2020123872A RU2020123872A RU2776905C2 RU 2776905 C2 RU2776905 C2 RU 2776905C2 RU 2020123872 A RU2020123872 A RU 2020123872A RU 2020123872 A RU2020123872 A RU 2020123872A RU 2776905 C2 RU2776905 C2 RU 2776905C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pump
- mechanical
- speed
- power
- determined
- Prior art date
Links
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 title abstract 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 8
- 238000004092 self-diagnosis Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 6
- 235000015450 Tilia cordata Nutrition 0.000 description 6
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 6
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Данное изобретение касается способа самодиагностики гидравлического и/или механического состояния центробежного насоса, в частности, циркуляционного насоса.The present invention relates to a method for self-diagnosis of the hydraulic and/or mechanical condition of a centrifugal pump, in particular a circulation pump.
Современные энергосберегающие центробежные насосы снабжены частотными преобразователями и средствами регулирования частоты вращения, чтобы при необходимости настраивать частоту вращения и, тем самым, мощность насоса. Для регулирования, соответственно, определения требуемой заданной частоты вращения управляющее устройство насоса нуждается в сведениях об актуальной рабочей точке (расход Q и напор Н насоса) насоса. Для экономии производственных расходов современные центробежные насосы изготовляются, однако, без индивидуальных датчиков расхода и/или датчиков давления. Вместо этого управляющее устройство насоса с помощью модуля рабочей точки должно оценивать актуальную рабочую точку на основе механических характеристик насоса и используемой частоты вращения. Эти входные данные получаются с использованием математической модели двигателя, которая избыточно для насоса работает на процессоре управляющего устройства насоса.Modern energy-saving centrifugal pumps are equipped with frequency converters and means of speed control in order to adjust the speed and, therefore, the power of the pump, if necessary. In order to control, respectively, determine the required set speed, the pump control needs information about the current operating point (flow Q and head H of the pump) of the pump. To save operating costs, modern centrifugal pumps are manufactured, however, without individual flow sensors and/or pressure sensors. Instead, the pump controller, using the duty point module, must estimate the current duty point based on the mechanical characteristics of the pump and the speed used. These inputs are obtained using a mathematical motor model that is redundant for the pump to run on the pump control processor.
Качество результата оценки модуля рабочей точки зависит среди прочего от сохраненных в блоке памяти насоса опорных значений, соответственно, параметров, которые определяются на конструктивно одинаковом эталонном насосе и сохраняются в управляющем устройстве насоса. Поскольку при серийном производстве обычно опорные значения создаются лишь выборочно, для выбранных экземпляров, то они могут быть слишком неточными для определенных экземпляров насосов вследствие производственных допусков. В таком случае желательна последующая оптимизация этих опорных значений при первом пуске в эксплуатацию, как и при последующей работе. Далее, явления износа тоже могут приводить к ошибочным результатам.The quality of the result of the evaluation of the operating point modulus depends, inter alia, on the reference values or parameters stored in the pump memory, which are determined on a structurally identical reference pump and stored in the pump controller. Since reference values are usually only created randomly in batch production for selected instances, they can be too inaccurate for certain pump instances due to manufacturing tolerances. In such a case, subsequent optimization of these reference values during initial commissioning is desirable, as well as during subsequent operation. Further, wear phenomena can also lead to erroneous results.
В международной публикации WO 2008/138 520 А1 раскрыт способ контроля исправности состояния двигателя, при котором актуальная рабочая точка двигателя оценивается в отношении ограниченного рабочего диапазона двигателя, а при оставлении этого рабочего диапазона констатируется неисправность, причем этот ограниченный рабочий диапазон образован рабочими точками двигателя.In the international publication WO 2008/138 520 A1, a method for monitoring the health of an engine condition is disclosed, in which the current operating point of the engine is evaluated in relation to a limited operating range of the engine, and when this operating range is left, a malfunction is stated, and this limited operating range is formed by operating points of the engine.
В заявке US 2010/0300220 A1 представлен еще один способ контроля циркуляционного насоса.US 2010/0300220 A1 presents yet another way to control a circulation pump.
Задача данного изобретения заключается поэтому в том, чтобы управляющее устройство насоса дополнительно снабдить функцией самодиагностики такого рода, которая может обнаруживать ошибки в оценке рабочей точки и вследствие этого заблаговременно распознавать явления износа или предпринимать последующую оптимизацию параметров.The object of the present invention is therefore to provide the pump controller with a self-diagnostic function of this kind, which can detect errors in the duty point estimation and therefore detect wear phenomena in advance or undertake subsequent parameter optimization.
Эта задача решается посредством способа с признаками независимого пункта 1. Предпочтительные варианты способа являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.This problem is solved by means of a method with features of
Таким образом, предлагается способ диагностики механического и/или гидравлического состояния центробежного насоса. Этот предлагаемый изобретением способ разработан преимущественно для циркуляционных насосов, однако, главный аспект данного изобретения может без ограничений применяться и в центробежных насосах в открытом гидравлическом контуре.Thus, a method is provided for diagnosing the mechanical and/or hydraulic condition of a centrifugal pump. This method according to the invention has been developed primarily for circulation pumps, however, the main aspect of the present invention can be applied without limitation to centrifugal pumps in an open hydraulic circuit.
Простоты ради в дальнейшем всегда речь идет о циркуляционном насосе, причем приведенные рассуждения действительны и для центробежных насосов в открытом контуре.For the sake of simplicity, in what follows we always refer to a circulation pump, and the above considerations are also valid for centrifugal pumps in an open circuit.
Указанный способ предназначен для центробежного насоса, в частности, циркуляционного насоса, в котором предусмотрено управляющее устройство насоса с реализованной моделью двигателя для определения механической мощности насоса и достигнутой частоты вращения насоса. Далее, управляющее устройство насоса содержит модуль рабочей точки для оценки рабочей точки насоса на основе частоты вращения насоса и механической мощности насоса. Модуль рабочей точки обычно используется в программном обеспечении управляющего устройства насоса.Said method is intended for a centrifugal pump, in particular a circulation pump, in which a pump control device with an implemented motor model is provided for determining the mechanical power of the pump and the reached pump speed. Further, the pump controller includes an operating point module for estimating the operating point of the pump based on the pump speed and the mechanical power of the pump. The duty point module is typically used in the pump master software.
Согласно изобретению, предлагается, для диагностики механического и/или гидравлического состояния насоса с помощью модели двигателя для заданной частоты вращения насоса определять механическую мощность насоса и сравнивать ее с расчетной механической мощностью насоса, которая определяется путем инверсно выполненной оценки рабочей точки указанного модуля рабочей точки на основе заданной частоты вращения насоса.According to the invention, it is proposed, in order to diagnose the mechanical and/or hydraulic condition of the pump, using an engine model for a given pump speed, to determine the mechanical power of the pump and compare it with the calculated mechanical power of the pump, which is determined by inversely performed evaluation of the operating point of the specified operating point modulus based on set pump speed.
В конечном итоге при этом используется обычная модель двигателя управляющего устройства насоса, которая в рабочем режиме насоса на основе реализуемой фактической частоты вращения определяет механическую мощность насоса и выдает результат. Далее, модуль рабочей точки, предусмотренный для оценки этой рабочей точки, т.е. для оценки имеющегося расхода насоса и, соответственно, напора насоса, используется не по назначению, чтобы исходя из определенной частоты вращения определять посредством этого модуля рабочей точки расчетную механическую мощность насоса. Путем сравнения с выданной механической мощностью насоса указанной модели двигателя, которая соответствует реальной мощности насоса, можно оценивать точность модуля рабочей точки для оценки этой рабочей точки.Ultimately, this uses a conventional motor model of the pump controller, which, in the operating mode of the pump, determines the mechanical power of the pump based on the realizable actual speed and gives the result. Further, the operating point module provided for evaluating this operating point, i. e. is used inappropriately to estimate the available pump flow and therefore the pump head, in order to determine the rated mechanical power of the pump from a certain speed using this operating point module. By comparing with the output mechanical power of the pump of the specified engine model, which corresponds to the actual power of the pump, the accuracy of the operating point modulus for estimating this operating point can be evaluated.
При первом пуске в эксплуатацию и правильной конфигурации используемых в оценочном модуле параметров, соответственно, опорных значений указанная расчетная механическая мощность насоса должна соответствовать механической мощности насоса, определенной посредством модели двигателя. Если же вместо этого возникнут отклонения, то управляющее устройство насоса в соответствии с этим может сделать вывод о неисправности внутри центробежного насоса, соответственно, циркуляционного насоса.When commissioning for the first time and correctly configuring the parameters used in the evaluation module, respectively, the reference values, the specified calculated mechanical power of the pump must correspond to the mechanical power of the pump determined by the motor model. If, instead, deviations occur, the pump controller can accordingly conclude that there is a fault within the centrifugal pump or the circulation pump.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, на модуль рабочей точки для определения расчетной механической мощности подается расход насоса и/или напор насоса, ожидаемые для определенной частоты вращения насоса. Эти ожидаемые расход насоса и/или напор насоса определяются предпочтительно с использованием законов сродства. В частности, при этом опираются на утверждение закона сродства, согласно которому объемная подача ведет себя пропорционально увеличению частоты вращения. В противоположность этому, напор насоса возрастает квадратично изменению частоты вращения. При использовании этих закономерностей для заданной частоты вращения, которая в отличие от предыдущей частоты вращения представляет собой изменение частоты вращения, можно исходить из того, что для нее изменяется также объемная подача и, соответственно, напор насоса по сравнению с расчетными для предыдущего значения частоты вращения объемной подачей, соответственно, напором насоса.According to a preferred embodiment, the operating point module is supplied with the pump flow and/or pump head expected for a certain pump speed to determine the calculated mechanical power. These expected pump flow and/or pump head are preferably determined using affinity laws. In particular, this is based on the statement of the law of affinity, according to which the volumetric flow behaves in proportion to the increase in the speed of rotation. In contrast, the pump head increases quadratically with the change in speed. When using these patterns for a given speed, which, in contrast to the previous speed, is a change in speed, it can be assumed that the volumetric flow and, accordingly, the pump head also change for it compared to those calculated for the previous value of the volumetric speed. supply, respectively, the pressure of the pump.
Посредством этого сравнения предпочтительно определяется разница между значениями мощности. В отсутствие неисправности эта разница равна нулю или, соответственно, почти равна нулю. При наличии отклонений насос вместо этого может сделать вывод о неисправности.By means of this comparison, the difference between the power values is preferably determined. In the absence of a fault, this difference is zero or, accordingly, almost zero. If there are deviations, the pump may instead conclude that there is a fault.
Помимо простого детектирования неисправности желательно пригодное для использования специфицирование конкретного вида неисправности, соответственно, причины неисправности. Для такого случая может быть предусмотрено, что при некорректном поведении для ряда отклоняющихся значений заданной частоты вращения указанный способ выполняется повторно. Затем может осуществляться интерпретация соответствующих результатов сравнения,In addition to simple fault detection, a usable specification of the specific fault type or cause of the fault is desirable. For such a case, it can be provided that, in the event of an incorrect behavior for a number of deviating values of the desired speed, said method is repeated. The corresponding comparison results can then be interpreted,
соответственно, полученных значений разницы между значениями мощности, чтобы, например, с использованием математических зависимостей между отдельными значениями разницы и соответствующими значениями частоты вращения можно было точнее определить вид неисправности. При этом можно считать, что механическая мощность потерь квадратично зависит от частоты вращения. Если детектируется такая математическая зависимость между значениями разницы и значениями частоты вращения, то можно выявить долю механического износа как основную причину этого некорректного поведения. Другие математические зависимости могут указывать, например, на гидравлическую неисправность, среди прочего, например, на известковые отложения в щелевой трубе привода насоса.respectively, obtained values of the difference between the power values, so that, for example, using mathematical relationships between the individual values of the difference and the corresponding speed values, it is possible to more accurately determine the type of fault. In this case, we can assume that the mechanical power loss depends quadratically on the rotational speed. If such a mathematical relationship between the difference values and the speed values is detected, then the mechanical wear fraction can be identified as the main cause of this incorrect behavior. Other mathematical dependencies may indicate, for example, a hydraulic failure, among other things, for example, lime deposits in the slotted tube of the pump drive.
Используемый модуль рабочей точки для оценки этой рабочей точки обычно тоже базируется на законах сродства. Однако, для возможности применения этих закономерностей совершенно необходимо предварительно рассчитать ту долю механической мощности насоса, которая характеризует механическую мощность потерь, поскольку эта доля не подчиняется известным закономерностям. Для этого обычно используется соответствующее скорректированное значение мощности, которое перед оценкой рабочей точки учитывается в подаваемой механической мощности насоса, в частности, вычитается из нее. Вследствие этого для качества оценки рабочей точки большое значение имеют правильность и точность этого скорректированного значения, т.е. насколько точно это скорректированное значение отражает фактическую механическую мощность потерь внутри насоса. Чем точнее определяется этот параметр, тем точнее в конечном счете будет оценка рабочей точки.The operating point modulus used to estimate this operating point is usually also based on affinity laws. However, in order to be able to apply these regularities, it is absolutely necessary to pre-calculate the proportion of the mechanical power of the pump that characterizes the mechanical power of losses, since this proportion does not obey known regularities. For this, a corresponding corrected power value is usually used, which is taken into account in the mechanical power delivered by the pump, in particular subtracted from it, before the duty point is estimated. As a result, the correctness and accuracy of this corrected value is of great importance for the quality of the operating point estimate, i.e. how accurately this corrected value reflects the actual mechanical power loss inside the pump. The more precisely this parameter is determined, the more accurate the final estimate of the operating point will be.
Однако, именно этот параметр может быть в дальнейшем использован для того, чтобы после возникновения неисправности можно было дополнительно специфицировать вид неисправности. При этом указанное скорректированное значение мощности систематически варьируется для различного заданного значения частоты вращения во время повторного осуществления способа. В частности, посредством систематического изменения скорректированного значения мощности пытаются найти новое единое скорректированное значение, которое дает для всех заданных частот вращения получается одинаковым, соответственно, почти равным нулю. Если это так, то можно исходить из того, что использованное при первом пуске в эксплуатацию насоса скорректированное значение мощности не было ошибочным, так что это определенное необходимое изменение скорректированного значения мощности представляет собой признак механического износа внутри насоса. Корректировка указанного скорректированного значения мощности, в частности повышения значения является явным признаком возрастающего износа внутри насоса. Повышение значения по модулю к тому же является показателем роста механического износа.However, it is this parameter that can be used in the future so that after the occurrence of a malfunction, it is possible to additionally specify the type of malfunction. At the same time, said corrected power value is systematically varied for a different speed setpoint during the repetition of the method. In particular, by systematically changing the corrected power value, an attempt is made to find a new uniform corrected value, which gives the same, respectively almost zero, for all given speeds. If this is the case, then it can be assumed that the corrected power value used during the first commissioning of the pump was not erroneous, so that this certain necessary change in the corrected power value is a sign of mechanical wear inside the pump. Correction of the specified corrected power value, in particular an increase in the value, is a clear sign of increasing wear inside the pump. An increase in the modulo value is also an indicator of an increase in mechanical wear.
Если же, напротив, нельзя определить подходящее скорректированное значение мощности, то механическая причина является менее вероятной, и это можно интерпретировать как указание на гидравлическую неисправность. Зачастую известковые отложения в щелевой трубе приводного двигателя насоса ведут к некорректному поведению, которое обусловлено немеханическими неисправностями.If, on the other hand, no suitable corrected power value can be determined, then a mechanical cause is less likely, and this can be interpreted as an indication of a hydraulic failure. Often, lime deposits in the slotted tube of the pump drive motor lead to incorrect behavior, which is due to non-mechanical faults.
Возможно, что указанный способ выполняется во время первого пуска в эксплуатацию центробежного насоса, соответственно, циркуляционного насоса или - альтернативно - в более поздний момент времени в рабочем режиме насоса. При первом пуске в эксплуатацию насоса этот предлагаемый изобретением способ может использоваться для того, чтобы оптимизировать какие-то параметры для оценки рабочей точки, например, вышеупомянутое скорректированное значение мощности. Для оптимизации оценки рабочей точки путем исправления скорректированного значения мощности можно использовать, например, итерационный метод оптимизации. Альтернативно или дополнительно для непрерывной правки скорректированного значения мощности, согласно квадратичной оптимизации, может применяться, например, нестационарный расширенный фильтр Калмана.It is possible that said method is carried out during the first commissioning of the centrifugal pump or circulation pump, or alternatively at a later point in time in the operating mode of the pump. When the pump is first put into operation, this method according to the invention can be used to optimize some parameters for estimating the operating point, for example the above-mentioned corrected power value. To optimize the operating point estimate by correcting the corrected power value, for example, an iterative optimization method can be used. Alternatively or additionally, for continuous editing of the corrected power value, according to quadratic optimization, for example, a non-stationary extended Kalman filter can be used.
При осуществлении способа в рабочем режиме с помощью этого способа вместо этого можно сделать вывод о механическом или гидравлическом дефекте в насосе, и это доводится до сведения пользователя визуально и/или акустически. Особенно предпочтительно, если пользователю выдается предупреждение незадолго перед возможным дефектом насоса или, соответственно, выходом насоса из строя. Возможно также, что насос непрерывно сообщает пользователю о своем состоянии и предупреждает его незадолго до выхода из строя.When the method is carried out on-line, a mechanical or hydraulic defect in the pump can instead be inferred by this method and this is communicated to the user visually and/or acoustically. It is particularly advantageous if a warning is given to the user shortly before a possible defect in the pump or, accordingly, failure of the pump. It is also possible that the pump continuously reports its status to the user and warns him shortly before failure.
Наряду с предлагаемым изобретением способом данное изобретение касается также центробежного насоса, в частности циркуляционного насоса, имеющего привод насоса с изменяемой частотой вращения, а также управляющее устройство насоса для осуществления предлагаемого изобретением способа. Сообразно с этим указанный центробежный насос, в частности циркуляционный насос характеризуется теми же преимуществами и свойствами, которые уже были рассмотрены в связи с вышеупомянутым предлагаемым изобретением способом. По этой причине от повторного их описания здесь отказались.In addition to the method according to the invention, the invention also relates to a centrifugal pump, in particular a circulation pump having a variable speed pump drive and a pump controller for carrying out the method according to the invention. Accordingly, said centrifugal pump, in particular the circulation pump, has the same advantages and properties as have already been discussed in connection with the method of the invention mentioned above. For this reason, they are not described here again.
Другие преимущества и детали данного изобретения будут представлены ниже в связи с показанным на чертежах примером выполнения. На этих чертежах представлено следующее.Other advantages and details of the present invention will be presented below in connection with the exemplary embodiment shown in the drawings. These drawings show the following.
Фиг. 1: два примера диаграммы для возможных характеристических кривых насоса;Fig. 1: two diagram examples for possible pump characteristic curves;
Фиг. 2: еще одна диаграмма с различными характеристическими кривыми мощности;Fig. 2: another diagram with different power characteristic curves;
Фиг. 3: блок-схема для изображения модуля рабочей точки для оценки рабочей точки;Fig. 3: block diagram for showing the operating point unit for operating point estimation;
Фиг. 4: блок-схема для пояснения отдельных этапов для указанного варианта выполнения предлагаемого изобретением способа,Fig. 4: block diagram for explaining the individual steps for the specified embodiment of the method according to the invention,
Фиг. 5: диаграмма для пояснения взаимосвязи между частотой вращения и механической мощностью потерь, иFig. 5: diagram to explain the relationship between rotation speed and mechanical power loss, and
Фиг. 6: диаграммы по Фиг. 1 для пояснения метода определения подходящего напора насоса в зависимости от механической мощности насоса.Fig. 6: diagrams of FIG. 1 to explain the method for determining the appropriate pump head depending on the mechanical power of the pump.
Предлагаемый изобретением центробежный насос в форме циркуляционного насоса оснащен частотным преобразователем и устройством регулирования частоты вращения. Для того, чтобы управляющее устройство насоса могло настраивать частоту вращения по мере необходимости, ему требуется информация об актуальной рабочей точке (расход Q и напор Н насоса). Эти значения оцениваются с помощью реализованного в программном обеспечении модуля рабочей точки, т.е. эта актуальная рабочая точка оценивается по механической мощности и частоте вращения. Оба параметра дает математическая модель двигателя, которая избыточно для насоса работает на процессоре.The centrifugal pump according to the invention in the form of a circulation pump is equipped with a frequency converter and a speed control device. In order for the pump controller to be able to adjust the speed as needed, it needs information about the current operating point (flow rate Q and head H of the pump). These values are evaluated using the operating point module implemented in the software, i.e. this actual duty point is evaluated from mechanical power and speed. Both parameters are given by the mathematical model of the engine, which is redundant for the pump to work on the processor.
Оценка рабочей точки осуществляется с использованием законов сродства с учетом сохраненных характеристических кривых, а также скорректированного значения для потерь механической мощности насоса. Эти законы сродства общеизвестны в литературе и утверждают, что мощность, объемная подача и напор насоса при изменении частоты вращения ведут себя следующим образом:The duty point is estimated using affinity laws, taking into account the stored characteristic curves, as well as a corrected value for the mechanical power loss of the pump. These affinity laws are well known in the literature and state that the power, volumetric flow and head of the pump behave as follows when changing the speed:
Далее, в управляющем устройстве насоса указанные зависимости механической мощности и объемной подачи, а также напора насоса и объемной подачи при номинальной частоте вращения сохраняются в форме характеристических кривых. На диаграмме а) для номинальной частоты вращения nN показана зависимость между объемной подачей и механической мощностью Рмех, которую выдает двигатель. Диаграмма b) показывает зависимость между напором насоса и объемной подачей при номинальной частоте вращения nN.Further, in the pump control device, the specified dependences of mechanical power and volume flow, as well as pump head and volume flow at nominal speed, are stored in the form of characteristic curves. Diagram a) for the rated speed n N shows the relationship between the volumetric flow and the mechanical power P mech that the engine produces. Diagram b) shows the relationship between pump head and volume flow at nominal speed n N .
Механическая мощность Рмех соответствует сумме гидравлической мощности Ргидр, мощности гидравлических потерь Ргидр.потерь, а также мощности механических потерь Рмех. потерь. На Фиг. 2 отдельно представлены кривые мощности в зависимости от объемной подачи.The mechanical power P mech corresponds to the sum of the hydraulic power P hydr, the power of hydraulic losses P hydr.losses , and the power of mechanical losses P mech. losses . On FIG. 2 separately shows the power curves depending on the volume flow.
Известно, что гидравлическая мощность насоса Ргидр, а также мощность гидравлических потерь Ргидр.потерь насоса достаточно точно следуют законам сродства. Мощность механических потерь Рмех.потерь насоса, напротив, не следует этим законам, однако, может приниматься как независимая от объемной подачи и примерно пропорциональная квадрату частоты вращения. В связи с этим можно сравнить диаграмму на Фиг. 5, где частота вращения насоса противопоставлена мощности механических потерь. Во-первых, показана реальная кривая измерения испытуемого циркуляционного насоса, а также соответствующая квадратичная интерполяция. Математически эту зависимость можно представить следующим образом:It is known that the hydraulic power of the pump P hydr , as well as the power of hydraulic losses P hydr.losses of the pump quite accurately follow the laws of affinity. The power of mechanical losses P mechanical losses of the pump, on the contrary, does not follow these laws, however, it can be taken as independent of the volumetric flow and approximately proportional to the square of the rotational speed. In this regard, one can compare the diagram in Fig. 5, where pump speed is opposed to mechanical loss power. First, the actual measurement curve of the circulating pump under test is shown, as well as the corresponding quadratic interpolation. Mathematically, this dependence can be represented as follows:
Механические потери, хотя они и относительно низкие, должны, однако, высчитываться перед применением законов сродства, так как эта небольшая доля из-за третьей степени (см. уравнение 3) значительно искажала бы результат. Чтобы предотвратить это, указанная зависимость между частотой вращения n и механическими потерями Рмех.потерь запоминается в насосе.Mechanical losses, although relatively low, must, however, be calculated before applying the laws of affinity, since this small fraction due to the third power (see Equation 3) would greatly distort the result. To prevent this, said relationship between the speed n and the mechanical loss P mechanical loss is stored in the pump.
На Фиг. 3 полностью показан процесс оценки рабочей точки с помощью расположенного внутри насоса модуля рабочей точки.On FIG. Figure 3 shows the full process of estimating the duty point using the duty point module located inside the pump.
Входными величинами являются предоставляемые регулирующим устройством двигателя значения частоты вращения nтекущ. и механической мощности Рмех. В области а) этой Фиг. 3 механические потери Рмех.потерь посредством скорректированного значения Ркорр вычитаются из мощности двигателя Рмех, и благодаря этому возможно применение законов сродства.The input values are the speed values n current provided by the motor controller . and mechanical power R mech . In area a) of this Fig. 3 mechanical losses P mech.losses are subtracted from the motor power P mech by means of the corrected value Pcorr , and due to this, the application of the laws of affinity is possible.
В области b) эта мощность на основании законов сродства трансформируется до нормированной мощности Pn, которая имела бы место при повышении частоты вращения до номинальной частоты вращения nN. С этой нормированной мощностью PN на основании сохраненной характеристической кривой P/Q (Фиг. 1а) может быть выведена нормированная объемная подача Qнорм, которая установилась бы при нормированной мощности PN и номинальной частоте вращенияIn area b), this power, on the basis of the laws of affinity, is transformed to the normalized power P n , which would take place when the speed is increased to the nominal speed n N . With this normalized power P N , on the basis of the stored characteristic curve P/Q (Fig. 1a), the normalized volumetric flow Qn norm can be derived, which would be established with a normalized power P N and nominal speed
Qнорм в области с) посредством законов сродства трансформируется обратно до актуально имеющейся частоты вращения nтекущ.. Таким образом получают расчетную объемную подачу Qрасчетн. В областях d) и е) эквивалентно областям b) и с) определяется расчетный напор насоса Нрасчетн.. Этот процесс еще раз наглядно представлен на Фиг. 6 с помощью диаграмм, противопоставленных диаграмма на Фиг. 1. Сначала (Фиг. 6а) с помощью диаграммы на Фиг. 1а) определяется нормированная объемная подача Qn, подходящая для нормированной мощности Pn. На следующем этапе для нормированной объемной подачи Qn из диаграммы 1b) считывается нормированный напор насоса НN. Если в насосе имеется датчик давления, то расчетный и измеренный напор насоса могут сводиться путем объединения данных от систем с многими датчиками (Multisensor Datenfusion), и благодаря этому оценка рабочей точки может быть улучшена.Q norms in area c) are transformed back to the currently available speed n current by means of affinity laws . . Thus, the calculated volumetric flow Q calculated is obtained. In areas d) and e), equivalent to areas b) and c), the design head of the pump H calc is determined. . This process is illustrated again in Fig. 6 with diagrams contrasted with the diagram in FIG. 1. First (FIG. 6a) using the diagram in FIG. 1a) determines the normalized volumetric flow Q n suitable for the normalized power P n . In the next step, for the normalized volume flow Q n from diagram 1b), the normalized pump head H N is read. If the pump has a pressure transducer, the calculated and measured pump head can be summed up by combining data from systems with multiple sensors (Multisensor Datenfusion) and thus the duty point estimate can be improved.
Этим способом оценки рабочей точки можно по механической мощности Рмех и частоте вращения nтекущ. определить объемную подачу Qрасчетн. и напор насоса Нрасчетн.. Однако, это работает только при условии, что сохраненные характеристические кривые, а также сохраненные скорректированные значения мощности Ркорр точно соответствуют действительности. На практике же, напротив, возможны отклонения между сохраненными данными и реальным поведением насоса. Причины для этого могут быть следующие.This method of estimating the operating point is possible according to the mechanical power P mech and the rotational speed n current. determine the volume flow Q calc. and pump head H calc. However, this only works if the stored characteristic curves as well as the stored corrected power values Pcorr exactly correspond to reality. In practice, however, there may be deviations between the stored data and the actual behavior of the pump. The reasons for this may be the following.
- вследствие механического износа, а также отложения извести в щелевой трубе со временем изменяются фрикционные свойства. Это ведет к тому, что скорректированные значения мощности Ркорр больше не являются правильными.- due to mechanical wear, as well as lime deposits in the slotted pipe, the friction properties change over time. This leads to the fact that the corrected power values P corr are no longer correct.
- вследствие отложений в насосе, а также из-за расширения щелевого зазора (Spaltaufweitung) изменяется гидравлическая характеристика насоса. Это ведет к тому, что сохраненные характеристические кривые Q/H и Q/P больше не соответствуют действительности.- due to deposits in the pump, as well as due to the expansion of the slot gap (Spaltaufweitung), the hydraulic characteristic of the pump changes. This means that the stored Q/H and Q/P characteristic curves no longer correspond to reality.
- вследствие допусков указанные скорректированные значения мощности, а также сохраненные характеристические кривые отличаются от насоса к насосу. Поскольку измеряется только один насос, и эти данные сохраняются во всех насосах этого конструктивного ряда, то эти сохраненные данные корректны лишь условно.- due to tolerances, the specified corrected power values as well as the stored characteristic curves differ from pump to pump. Since only one pump is measured and this data is stored in all pumps of this series, these stored data are only conditionally correct.
Из-за указанных ограничений возможны отклонения до 15% при оценке рабочей точки. Данное изобретение описывает способ, с помощью которого могут детектироваться отклонения между реальным поведением насоса и сохраненными скорректированными значениями мощности Ркорр и, соответственно, коэффициента α в замкнутом водяном контуре. Этот способ базируется на том, что насос во время работы кратковременно изменяет свою частоту вращения. Получающиеся в результате изменения рабочей точки по сродству могут рассчитываться по предыдущей рабочей точке, а также оцениваться по механической мощности Рмех двигателя. Путем сравнения обеих определенных рабочих точек можно сделать вывод о качестве сохраненных в насосе скорректированных значений мощности Ркорр, соответственно, коэффициента α.Due to these limitations, deviations of up to 15% are possible when estimating the operating point. The present invention describes a method by which deviations between the actual behavior of the pump and the stored corrected values of the power Pcorr and, accordingly, the coefficient α in a closed water circuit can be detected. This method is based on the fact that the pump briefly changes its speed during operation. The resulting affinity operating point changes can be calculated from the previous operating point and can also be estimated from the mechanical power Pmech of the engine. By comparing the two determined operating points, a conclusion can be drawn about the quality of the corrected power values Pcorr stored in the pump, respectively the factor α.
Эта оценка действительна лишь тогда, когда характеристика системы остается постоянной во время изменения частоты вращения. В контуре отопления это означает, что терморегулирующие клапаны не должны подгоняться. Так как это изменение частоты вращения происходит очень быстро и лишь за очень короткий временной промежуток, то исходят из того, что указанная предпосылка выполняется.This rating is only valid if the system characteristic remains constant during speed changes. In a heating circuit, this means that the thermostatic valves do not have to be adjusted. Since this change in speed occurs very quickly and only in a very short time period, it is assumed that the specified prerequisite is fulfilled.
Указанный способ делится на четыре этапа и поясняется с обращением к Фиг. 4. Сначала рассматривается этап 1 (исходная ситуация). Насос еще находится в нормальном режиме эксплуатации; режим работы «определение состояния износа» еще не включен. Двигатель достигает заданной частоты вращения n0. Исходят из того, что заданная и фактическая частоты вращения идентичны. Оценка рабочей точки определяет актуально имеющийся напор насоса (Нрасчетн.,0), а также объемную подачу (Qрасчетн.,0).This method is divided into four steps and will be explained with reference to FIG. 4. Stage 1 (initial situation) is considered first. The pump is still in normal operation; the operating mode "detection of the state of wear" is not yet enabled. The engine reaches the set speed n 0 . It is assumed that the set and actual speeds are identical. The operating point evaluation determines the currently available pump head (N cal.,0 ) as well as the flow rate (Q cal.,0 ).
Когда насос включается в режим «определение состояния износа», тогда запоминаются эти актуально имеющиеся значения для n0, Qрасчетн.,0 и Нрасчетн.,0. Далее рассматривается этап 2 (подготовка изменения частоты вращения). Теперь насос проверяют на предмет того, что произошло бы, если бы актуальная частота вращения по изменилась на величину k без фактического изменения частоты вращения. На основании законов сродства (см. уравнения 1 и 2) ожидается, что в этом случае устанавливающаяся объемная подача Qожидаем. изменяется на величину k (Qожидаем.=k-Qтекущ.,0).When the pump is switched on in the "detection of the state of wear" mode, then these currently available values for n 0 , Q calculated, 0 and H calculated, 0 are stored . Next, step 2 (preparation for changing the speed) is considered. The pump is now checked to see what would happen if the actual speed po changed by the amount k without actually changing the speed. Based on the laws of affinity (see
Соответственно, напор насоса изменился бы на величину k2 (Ножидаем.=k2 - Нтекущ.,0).Accordingly, the pump head would change by the value of k 2 (N expect. =k 2 - N current., 0 ).
С помощью инверсной оценки рабочей точки указанный насос по этим величинам рассчитывает ожидаемую механическую мощность Рожидаем. Это значение ожидаемой мощности Рожидаем. запоминается. На следующем этапе (этап 3: изменяют частоту вращения) насос повышает актуальную частоту вращения n0 фактически на величину k и из модели двигателя получает актуально имеющуюся механическую мощность (Рмех,1). Это значение мощности запоминается. На этапе 4 производится интерпретирование. Были определены два значения мощности Рмех, u Рожидаем., относящиеся к одной рабочей точке. Значение Рожидаем. было вычислено посредством законов сродства по другой рабочей точке. Значение Pмex,1 было определено по фактической соответствующей рабочей точке. Если сохраненные в насосе скорректированные значения мощности Ркорр и α являются точными, то разница между обоими значениями мощности (Pмex,1 и Рожидаем.) равна нулю (Рдефект=0). Если Рдефект не равно нулю, то сохраненная корректировка мощности является ошибочной. Причина заключается либо в том, что вследствие механического износа изменились фрикционные свойства, либо имеется не механическое влияние, например, из-за известковых отложений добавилась и щелевая труба.Using the inverse duty point estimate, said pump calculates the expected mechanical power P expected from these values. This is the value of the expected power P expected. is remembered. In the next step (step 3: change the rotational speed), the pump increases the actual rotational speed n 0 by actually the value k and obtains the currently available mechanical power ( Pmech,1 ) from the motor model. This power value is memorized. Step 4 is the interpretation. Were determined two power values P mech , u P expected. related to one operating point. The value of P is expected. was calculated by means of affinity laws for another operating point. The value of P mex,1 was determined from the actual corresponding operating point. If the corrected power values P corr and α stored in the pump are accurate, then the difference between both power values (P mex,1 and P expected. ) is zero (P defect = 0). If P defect is not equal to zero, then the stored power correction is erroneous. The reason is either that the frictional properties have changed due to mechanical wear, or there is a non-mechanical influence, for example, a slotted pipe has also been added due to lime deposits.
Для того, чтобы можно было разделить эти два воздействия, описанные этапы 1-4 осуществляются многократно с применением различных значений к.In order to be able to separate these two actions, the described steps 1-4 are carried out repeatedly using different values of k.
Зная, что мощность механических потерь квадратично зависит от частоты вращения n, можно однозначно выделить долю механического износа, поскольку скорректированное значение мощности α (уравнение 4) систематически варьируется. Если за счет этого удается свести до нуля значение ошибки Рдефект для всех значений k, тогда эти отклонения сводятся к механическому трению. В противном случае это значение ошибки Рдефект можно отнести на счет немеханических влияний (как, например, известковые отложения в щелевой трубе). Эти немеханические влияния следуют другим математическим зависимостям, которые тоже могут быть определены путем изменения коэффициента умножения k. Точная зависимость между потерями из-за известковых отложений в щелевой трубе и частотой вращения должна определяться в ходе эксперимента.Knowing that the power of mechanical losses depends quadratically on the speed of rotation n, it is possible to single out the share of mechanical wear unambiguously, since the corrected power value α (equation 4) varies systematically. If due to this it is possible to reduce the value of the error P defect to zero for all values of k, then these deviations are reduced to mechanical friction. Otherwise, this error value P defect can be attributed to non-mechanical influences (such as lime deposits in a slotted pipe). These non-mechanical influences follow other mathematical relationships, which can also be determined by changing the multiplication factor k. The exact relationship between the limescale loss in the slotted pipe and the rotational speed must be determined by experiment.
Благодаря данному изобретению возможны, таким образом, следующие сценарии применения. Однако, при этом речь не идет о законченном перечислении.Thanks to the present invention, the following application scenarios are thus possible. However, this is not a complete enumeration.
1. Мониторинг исправности оборудования / мониторинг состояния оборудования1. Equipment health monitoring / equipment condition monitoring
С помощью предлагаемого способа насос может определить свое собственное состояние. Он может определять ошибки в своих сохраненных данных как после пуска в эксплуатацию, так и в течение срока службы. Ошибка во время первого пуска в эксплуатацию относится на счет производственных допусков. Изменение в течение срока службы указывает на износ и гидравлическое изнашивание. Указанный насос мог бы непрерывно сообщать пользователю о своем состоянии и предупреждать его незадолго перед выходом из строя.Using the proposed method, the pump can determine its own state. It can detect errors in its stored data both after commissioning and during its lifetime. An error during initial commissioning is attributed to manufacturing tolerances. The change over the service life is indicative of wear and hydraulic wear. Said pump could continuously report its status to the user and warn him shortly before failure.
2. Улучшение оценки рабочей точки2. Improved operating point estimate
Указанный насос опознает ошибку в своих сохраненных данных и может условно отличать гидравлические влияния от механического износа. Таким образом он может путем корректировки сохраненных данных оптимизировать свою собственную оценку рабочей точки. Это может осуществляться путем итерационной настройки параметров. Альтернативно с использованием нестационарного расширенного фильтра Калмана может осуществляться непрерывная настройка параметров согласно квадратичной оптимизации.The indicated pump recognizes an error in its stored data and can conditionally distinguish between hydraulic influences and mechanical wear. In this way he can optimize his own operating point estimate by correcting the stored data. This can be done by iterative parameter tuning. Alternatively, using a non-stationary extended Kalman filter, continuous tuning of the parameters according to quadratic optimization can be performed.
Предлагаемым способом согласно изобретению можно очень точно сделать вывод об ошибке в сохраненных скорректированных значениях мощности. Однако, отклонения в сохраненных характеристических кривых P/Q и H/Q (в бессенсорных системах) могут не обнаруживаться. Однако, из различных экспериментов известно, что преобладающие явления изнашивания можно отнести на счет известковых отложений в щелевой трубе и в несколько меньшей степени на счет механического износа. Тем самым, этим способом можно распознать по меньшей мере одну релевантную долю изнашивания и соответственно частично улучшить оценку рабочей точки.With the method according to the invention, the error in the stored corrected power values can be very accurately deduced. However, deviations in the stored P/Q and H/Q characteristic curves (in sensorless systems) may not be detected. However, it is known from various experiments that the predominant wear phenomena can be attributed to lime deposits in the slotted tube and, to a lesser extent, to mechanical wear. In this way, at least one relevant wear fraction can be recognized in this way and the estimate of the operating point can be partially improved accordingly.
Claims (13)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018200651.2A DE102018200651A1 (en) | 2018-01-16 | 2018-01-16 | Method for the self-diagnosis of the mechanical and / or hydraulic condition of a centrifugal pump |
DE102018200651.2 | 2018-01-16 | ||
PCT/EP2019/050883 WO2019141658A1 (en) | 2018-01-16 | 2019-01-15 | Method for the self-diagnosis of the mechanical and/or hydraulic state of a centrifugal pump |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020123872A RU2020123872A (en) | 2022-02-17 |
RU2020123872A3 RU2020123872A3 (en) | 2022-02-17 |
RU2776905C2 true RU2776905C2 (en) | 2022-07-28 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2230938C2 (en) * | 2003-03-11 | 2004-06-20 | Николаев Валентин Георгиевич | Method of control operation of system of vane chargers at variable load |
WO2008138520A1 (en) * | 2007-05-12 | 2008-11-20 | Ksb Aktiengesellschaft | Device and method for fault monitoring |
US20100300220A1 (en) * | 2007-09-20 | 2010-12-02 | Grundfos Management A/S | Method for monitoring an energy conversion device |
RU2536656C2 (en) * | 2009-05-20 | 2014-12-27 | КСБ Акциенгезельшафт | Method and device for determination of working machine working point |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2230938C2 (en) * | 2003-03-11 | 2004-06-20 | Николаев Валентин Георгиевич | Method of control operation of system of vane chargers at variable load |
WO2008138520A1 (en) * | 2007-05-12 | 2008-11-20 | Ksb Aktiengesellschaft | Device and method for fault monitoring |
US20100300220A1 (en) * | 2007-09-20 | 2010-12-02 | Grundfos Management A/S | Method for monitoring an energy conversion device |
RU2536656C2 (en) * | 2009-05-20 | 2014-12-27 | КСБ Акциенгезельшафт | Method and device for determination of working machine working point |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6918307B2 (en) | Device, system and method for on-line monitoring of flow quantities | |
CN101832419B (en) | Methods and apparatus to arbitrate valve position sensor redundancy | |
US6976503B2 (en) | Diagnostic system and method for a valve | |
CN101454580B (en) | Method for fault localization and diagnosis in a fluidic installation | |
JP6234584B2 (en) | Calculation method of physical variable in positive displacement pump | |
US10437265B2 (en) | Performance monitoring of pump-valve system | |
JP2001152875A (en) | Method and system for compensating measurement error | |
CN106288566A (en) | Refrigeration system is intersected map parts | |
US20120328410A1 (en) | Surge estimator | |
JP4706316B2 (en) | Tire testing apparatus and tire testing method | |
US11181130B2 (en) | Method and system for diagnosing abnormality of hydraulic device | |
JP2017129565A (en) | Speed estimation systems | |
CN109654662A (en) | Detection element control method and device and air conditioning unit | |
CN104514705B (en) | The control of pumping system | |
CN111566354B (en) | Method for self-diagnosis of mechanical and/or hydraulic conditions of a centrifugal pump | |
CN115552150A (en) | Method for determining the current wear state of a hydrostatic machine | |
RU2776905C2 (en) | Method for self-diagnostics of mechanical and/or hydraulic state of centrifugal pump | |
CN107918275A (en) | The climb displacement method and linear electric machine of linear electric machine | |
CA2922313C (en) | Method for improving metering profiles of displacement pumps | |
JP6342266B2 (en) | Fault diagnosis device for hydraulic pump | |
US11371511B2 (en) | Diagnostic apparatus for fuel pump | |
WO2023006398A1 (en) | Method and system for self-diagnosing of preassembled ultrasonic flowmeter | |
EP4191866A1 (en) | A method of setting up an electrical motor speed control in a fluidic system | |
RU2614948C1 (en) | Method of estimating technical condition of machines | |
EP4293230A1 (en) | Method for estimating system curve for pump assembly, and power converter system for pump assembly utilizing said method |