WO2001011748A1 - Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen motor angetriebenen arbeitsmaschine - Google Patents

Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen motor angetriebenen arbeitsmaschine Download PDF

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Bernd Köhler
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B2203/0209—Rotational speed
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    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements

Definitions

  • the invention relates to a device for fault monitoring of a machine driven by an electric motor with variable speed, the motor being switched off when a fault occurs, and to a method for fault monitoring.
  • impermissible operating states can occur due to system malfunctions. This can, for example, lead to a malfunction of the system due to a broken pipe, incorrect operation of fittings, an insufficient delivery rate or the like. Among other things, this can be idling, dry running or falling below a specified minimum delivery rate.
  • the invention is based on the problem of ensuring reliable fault monitoring for driven machines driven by variable-speed motors and systems or systems supplied by them.
  • fault monitoring is provided in that a control device acts on the electric motor at variable speed, which, with the aid of a previous learning function, detects operating values which are used for fault monitoring and in the event of a fault registered by comparison, the motor is switched off.
  • a motor fed by a frequency converter can be used as the drive.
  • the fault monitoring according to the invention is preferably used for a conveyor device for a fluid driven by an electric motor and / or a system supplied by the conveyor device.
  • the method for operating the device according to the invention provides that before activation of the fault monitoring, the control device runs a learning function in which all possible operating states for the engine, the working machine and / or for a system supplied by the working machine are run through, during the learning function detected operating values of the engine in their assignment to that driven by the engine
  • Machine and / or the system stored, held and for Fault monitoring can be used.
  • the learning function can take place within a system specific to the use of the conveyor.
  • the device for fault monitoring is activated. This carries out either a constant or periodic comparison of the operating state with the operating values recorded during the learning function.
  • the data of the operating states can be recorded and stored in various forms: they can be recorded and saved as analog or digital values, as one or more curves, diagrams or in the form of tables.
  • Use fault monitoring for dry running protection and to protect against falling below a specified minimum delivery rate can also be used with other machines as protection against impermissible operating states. For example, falling below a specified minimum load can be prevented.
  • a learning process in a closed-off conveyor system that is to say with a zero delivery rate, also known as operation against a closed slide valve
  • no amount is delivered by a working machine in the form of a pump.
  • it is registered which power is delivered from the drive motor to the working machine.
  • the speed ranges run through during the learning process are recorded and saved with the corresponding power outputs.
  • the motor which can be regulated in its speed, travels with the connected working machine in a speed range which ranges between zero speed or zero load and / or up to a predetermined maximum speed or a predetermined load limit of the engine.
  • the control device determines the speed values and the power values delivered to the connected working machine. These values are recorded, assigned and saved.
  • the control device which can be an independent component, part of a motor or part of an electrical frequency converter, constantly compares the values of the motor during operation.
  • the fault monitoring activated after the learning process uses the constantly recorded motor values and compares them with the values stored during the learning process. The fault monitoring then reacts when the values determined in the learning process are reached or fallen below.
  • the learning process can be done in the simplest way, e.g. B. during the installation of such a machine connected to the engine in a system or even before delivery to a manufacturer, be passed through at short notice.
  • the speed and power values recorded in the process which are stored in the form of curves, diagrams, tables or the like, are then available for fault monitoring during later operation. Complex sensors and their corresponding cabling are therefore no longer necessary.
  • the figure shows the function of a learning function in the manner of a flow chart. For the sake of clarity, the data processing elements have not been shown.
  • a control device influencing the engine records the operating values of the machine.
  • the control device registers whether the system is in an operating state that corresponds to a limit state.
  • the control values required for the respective system are specified by the manufacturer or entered into the control device during commissioning.
  • the limit state is also entered or specified, which will later be recorded in a system. In fluid transport systems in which a regulated pump is used, pump operation against a closed slide valve on the pressure side represents such a limit state.
  • the learning function is terminated.
  • the learning function is automatically activated when a limit state is present.
  • an internal counter is reset and it is determined whether the speed of the motor is equal to or less than a predetermined maximum speed. Or whether the operating value to be monitored is equal to or less than a maximum operating value.
  • the operating value can be, for example, an output to be monitored. To rule out the destruction of a machine to be monitored, a maximum performance value must not be exceeded even with the learning function.
  • the learning function is ended.
  • a setpoint is set.
  • the target value results from an initial value to which the product is added, which is derived from the multiplication of an interval value with the respective counter value.
  • a setpoint or operating value determined in this way is saved.
  • the speed is shown in the drawing as an example for a setpoint.
  • the set speed used as an example in the flowchart is composed of an initial speed to which the product of a speed interval multiplied by a counter value is added.
  • An operating value can also be used instead of the speed. Such operating values are a function of the speed.
  • a loop function is processed in which the counter value is increased by one value in each case. This process continues until the determined values correspond to the respective maximum value.
  • the learning function ends when it is reached. With the help of the last value determined in the learning function, there is a setpoint or operating value for the respective system, which can be used to reliably monitor faults.
  • Speed values or the operating states different results can occur. It must therefore be checked in individual cases whether a learning function can only be carried out with speed values, only with operating values or with both values as setpoints.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Arbeitsmaschine, wobei bei Auftreten einer Störung eine Abschaltung des Motors erfolgt. Eine auf den Motor einwirkende Regeleinrichtung, erfaßt in einer Lernfunktion dessen Betriebswerte, die dann für die Störungsüberwachung verwendet werden. Hierauf gerichtete Verfahrensschritte sehen vor Aktivierung der Störungsüberwachung eine Lernfunktion der Regeleinrichtung vor. Dabei durchfährt die Arbeitsmaschine und/oder eine von der Arbeitsmaschine versorgte Anlage alle möglichen Betriebszustände, in welchen die während der Lernfunktion erfaßten Betriebswerte des Motors in ihrer Zuordnung zu der durch den Motor angetriebenen Arbeitsmaschine und/oder die Anlage gespeichert, vorgehalten und für die Störungsüberwachung genutzt werden.

Description

STÖRUNGSÜBERWACHUNG EINER DURCH EINEN ELEKTRISCHEN MOTOR ANGETRIEBENEN ARBEITSMASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Arbeitsmaschine, wobei bei Auftreten einer Störung eine Abschaltung des Motors erfolgt, sowie ein Verfahren zur Störungsüberwachung.
Bei Antriebsmotoren mit veränderbarer Drehzahl muß sichergestellt werden, daß bei Störungen eine Abschaltung des Antriebes erfolgt. Die Drehzahlveränderung erfolgt im allgemeinen mit sogenannten Frequenzumrichtern, die durch Veränderung der Frequenz des vom Frequenzumrichters zur Verfügung gestellten Spannungssystems eine nahezu stufenlose Drehzahlregelung der Arbeitsmaschine ermöglichen.
In Anlagen, in denen mit einem solchen drehzahlgeregelten Motor ausgerüstete Arbeitsmaschinen, beispielsweise in Form von Pumpen oder Lüfter integriert sind, können durch Anlagenstörungen unzulässige Betriebszustände auftreten. Dies kann beispielsweise durch einen Rohrleitungsbruch, durch eine Fehlbedienung von Armaturen, durch eine zu geringe Fördermenge oder ähnliches zu einer Störung der Anlage führen. Unter anderem können dies Leerlauf, Trockenlauf oder Unterschreitung einer vorgegebenen Mindestfördermenge sein.
Bei mit einem Fördermedium gefüllten Anlagen ist es zum Beispiel bekannt, Sensoren zu integrieren, mit deren Hilfe die Durchflussmenge oder das Vorhandensein eines Fluides registriert wird. Bei Unterschreitung vorgegebener Werte wird dann mit Hilfe eines vom Sensor gelieferten Signals eine Abschaltung des Antriebsmotors bewirkt. Die Verwendung solcher Sensoren stellt jedoch einen erheblichen zusätzlichen Aufwand dar, verbunden mit aufwendigen analytischen Maßnahmen zur Ermittlung der Anlagenbedingungen sowie den Einsatz zusätzlicher Bauteile zur Gewährleistung der Abschaltfunktion. Derartige Bauteile bilden jedoch ein Gefährdungspotential für die Betriebssicherheit eines solchen Motors.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für durch drehzahlvariable Motoren angetriebene Arbeitsmaschinen und durch diese versorgte Anlagen oder Systeme eine zuverlässige Störungsüberwachung sicherzustellen.
Die Lösung dieses Problems sieht eine Einrichtung nach den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren nach den Merkmalen von Anspruch 4 vor.
Mit einer solchen Einrichtung ist eine Störungsüberwachung dadurch gegeben, daß auf den elektrischen Motor mit variabler Drehzahl eine Regeleinrichtung einwirkt, welche mit Hilfe einer vorherigen Lernfunktion Betriebswerte erfaßt, die für die Störungsüberwachung verwendet werden und bei einer durch Vergleich registrierten Störung eine Abschaltung des Motors erfolgt. Hierbei kann als Antrieb ein durch einen Frequenzumrichter gespeister Motor verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Störungsüberwachung wird vorzugsweise für eine durch einen elektrischen Motor angetriebene Fördereinrichtung für ein Fluid und/oder eine durch die Fördereinrichtung versorgte Anlage verwendet.
Das Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß vor Aktivierung der Störungsüberwachung die Regeleinrichtung eine Lernfunktion durchläuft, in welchem alle für den Motor, die Arbeitsmaschine und/oder für eine von der Arbeitsmaschine versorgten Anlage möglichen Betriebszustände durchfahren werden, wobei die während der Lernfunktion erfaßten Betriebswerte des Motors in ihrer Zuordnung zu der durch den Motor angetriebenen
Arbeitsmaschine und/oder die Anlage gespeichert, vorgehalten und für die Störungsüberwachung genutzt werden. Die Lernfunktion kann innerhalb einer für den Einsatz der Fördereinrichtung spezifischen Anlage erfolgen.
Nach Speicherung der in der Lernfunktion erfaßten Betriebswerte wird die Einrichtung zur Störungsüberwachung aktiviert. Diese führt entweder einen ständigen oder periodischen Vergleich des Betriebszustandes mit den während der Lernfunktion erfaßten Betriebswerten durch.
Beim einem Betrieb mit einem aktiviertem Leerlauf-, Trockenlauf- und/oder Mindestmengenschutz erfolgt ein Vergleich der aktuellen Betriebsdaten des
Motors mit den beim Lernprozeß gespeicherten Werten. Bei Erreichen und/oder Unterschreiten dieser gespeicherten Werte schaltet der Motor ab.
Die Daten der Betriebszustände können in verschiedener Form erfaßt und gespeichert werden: sie können als analoge oder digitale Werte, als eine oder mehrere Kurven, Diagramme oder in Form von Tabellen erfaßt und gespeichert werden.
Empfehlenswert bei der Verwendung eines solchen Motors für Förderein- richtungen ist es, daß die Lernfunktion bei einem Betrieb mit Nullfördermenge erfolgt. Dadurch kann in einfacher Weise bei einem Vergleich solcher gespeicherter Werte mit den aktuellen Werten der Betriebszustände ein Fehler in einer Fördereinrichtung ohne zusätzliche Bauteile erkannt werden.
Schließlich wird empfohlen, bei Fördereinrichtungen die Einrichtung zur
Störungsüberwachung für den Trockenlaufschutz und zur Sicherung gegen die Unterschreitung einer vorgegebenen Mindestfördermenge zu nutzen. Das Verfahren kann auch bei anderen Arbeitsmaschinen als Schutz gegen unzulässige Betriebszustände genutzt werden. So kann beispielsweise die Unterschreitung einer vorgegebenen Mindestlast verhindert werden. Beispielsweise bei einem Lernprozess in einem abgesperrten Fördersystem, also bei einer Nullfördermenge, auch als ein Betrieb gegen geschlossenen Schieber bekannt, wird von einer Arbeitsmaschine in Form einer Pumpe keine Menge gefördert. Es wird bei diesem Lernprozeß jedoch registriert, welche Leistung vom Antriebsmotor an die Arbeitsmaschine abgegeben wird. Die beim Lernprozess durchlaufenen Drehzahlbereiche werden mit den entsprechenden Leistungsabgaben erfasst und gespeichert.
Der in seiner Drehzahl regelbare Motor fährt mit der angeschlossenen Arbeitsmaschine einen Drehzahlbereich ab, der zwischen der Drehzahl Null bzw. der Last Null und/oder bis zu einer vorgegebenen Maximaldrehzahl bzw. einer vorgegebenen Lastgrenze des Motors reicht. Bei einem solchen Durchfahren eines Drehzahlbandes ermittelt die Regeleinrichtung die Drehzahlwerte sowie die an die angeschlossene Arbeitsmaschine abgegebenen Leistungswerte. Diese Werte werden erfasst, zugeordnet und gespeichert. Die Regeleinrichtung, die ein selbständiges Bauteil, Bestandteil eines Motors oder Bestandteil eines elektrischen Frequenzumformers sein kann, vergleicht im laufenden Betrieb ständig die Werte des Motors. Die nach dem Lernprozeß aktivierte Störungsüberwachung verwendet die ständig erfaßten Motorwerte und vergleicht diese mit den während des Lernprozesses gespeicherten Werten. Bei Erreichen oder Unterschreiten der im Lernprozeß ermittelten Werte reagiert dann die Störungsüberwachung.
Der Lernprozess kann in einfachster Weise, z. B. bei der Installation einer solchen mit dem Motor verbundenen Arbeitsmaschine in einer Anlage oder auch bereits vor der Auslieferung bei einem Hersteller, kurzfristig durchfahren werden. Die dabei aufgenommenen Drehzahl- und Leistungswerte, die in Form von Kurven, Diagrammen, Tabellen oder dergleichen gespeichert werden, stehen dann bei einem späteren Betrieb für eine Störungsüberwachung zur Verfügung. Aufwendige Sensoren und deren entsprechende Verkabelungen sind daher nicht mehr erforderlich. In der Figur ist die Funktion einer Lernfunktion nach Art eines Ablaufdiagrammes dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der datenverarbeitenden Elemente verzichtet.
Eine den Motor beeinflussende Regeleinrichtung erfasst die Betriebswerte der Maschine. In der Lernfunktion registriert die Regeleinrichtung, ob sich die Anlage in einem, einem Grenzzustand entsprechenden Betriebszustand befindet. Die für die jeweilige Anlage notwendigen Regelwerte werden vom Hersteller vorgegeben oder bei einer Inbetriebnahme in die Regeleinrichtung eingegeben. Dabei wird auch der Grenzzustand eingegeben oder vorgegeben, den es später in einer Anlage zu erfassen gilt. In Fluidtransportsystemen, in denen eine geregelte Pumpe eingesetzt ist, stellt ein Pumpenbetrieb gegen einen auf der Druckseite befindlichen, geschlossenen Schieber einen solchen Grenzzustand dar.
Erkennt die Regeleinrichtung, daß sich die Anlage nicht in einem Grenzzustand befindet, dann wird die Lernfunktion abgebrochen. Dagegen wird beim Vorhandensein eines Grenzzustandes automatisch die Lernfunktion aktiviert. Dazu erfolgt eine Nullstellung eines internen Zählers und es wird festgestellt, ob die Drehzahl des Motors gleich oder kleiner einer vorgegebenen Maximaldrehzahl ist. Oder ob derjenige Betriebswert, den es zu überwachen gilt, gleich oder kleiner eines maximalen Betriebswertes ist. Der Betriebswert kann beispielsweise eine zu überwachende Leistung sein. Um eine Zerstörung einer zu überwachenden Maschine auszuschließen, darf auch bei der Lernfunktion ein maximaler Leistungswert nicht überschritten werden.
Befinden sich die zu überwachenden Werte oberhalb der Maximaldrehzahl oder oberhalb eines maximalen Betriebswertes, so wird die Lernfunktion beendet. Befinden sich dagegen die zu überwachenden Werte unterhalb eines vorgegebenen Maximalwertes, so wird ein Sollwert gesetzt. Der Sollwert ergibt sich aus einem Anfangswert, zu dem das Produkt addiert wird, welches sich aus der Multiplikation von einem Intervallwert mit dem jeweiligen Zählerwert ergibt. Ein so ermittelter Sollwert oder Betriebswert wird gespeichert. In der Zeichnung ist als Beispiel für einen Sollwert die Drehzahl aufgeführt. Die im Ablaufdiagramm beispielhaft verwendete gesetzte Drehzahl setzt sich zusammen aus einer Anfangsdrehzahl, zu der das Produkt aus einem Drehzahlintervall multipliziert mit einem Zählerwert addiert wird. Anstelle der Drehzahl kann auch ein Betriebswert Verwendung finden. Solche Betriebswerte sind eine Funktion der Drehzahl. Nach Ermittlung des Drehzahlwertes erfolgt die Abarbeitung einer Schleifenfunktion, bei der der Zählerwert jeweils um einen Wert erhöht wird. Dieser Vorgang erfolgt so lange, bis die ermittelten Werte dem jeweiligen Maximalwert entsprechen. Bei dessen Erreichen endet die Lernfunktion. Mit Hilfe des in der Lernfunktion zuletzt ermittelten Wertes existiert ein Drehsoll- oder Betriebswert für die jeweilige Anlage, mit dessen Hilfe eine sichere Störungsüberwachung möglich ist.
In einer Anlage sind Betriebszustände möglich, bei denen aufgrund der
Drehzahlwerte oder der Betriebszustände unterschiedliche Resultate auftreten können. Es ist daher im Einzelfall zu prüfen, ob eine Lernfunktion nur mit Drehzahlwerten, nur mit Betriebswerten oder mit beiden Werten als Sollwerten durchzuführen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Arbeitsmaschine, wobei bei Auftreten einer Störung eine Abschaltung des Motors erfolgt, gekennzeichnet durch eine auf den Motor einwirkende Regeleinrichtung, welche in einer Lernfunktion Betriebswerte erfaßt, welche für die Störungsüberwachung verwendet werden.
2. Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, da ein Frequenzumrichter den Motor speist.
3. Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch einen elektrischen Motor angetriebene
Fördereinrichtung für ein Fluid und/oder eine durch die Fördereinrichtung versorgte Anlage überwacht werden.
4. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Aktivierung der Störungsüberwachung die
Regeleinrichtung eine Lernfunktion durchläuft, in welchem alle für den Motor, die Arbeitsmaschine und/oder für eine von der Arbeitsmaschine versorgten Anlage möglichen Betriebszustände durchfahren werden, wobei die während der Lernfunktion erfaßten Betriebswerte des Motors in ihrer Zuordnung zu der durch den Motor angetriebenen Arbeitsmaschine und/oder die Anlage gespeichert, vorgehalten und für die Störungsüberwachung genutzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lernfunktion innerhalb einer für den Einsatz der Fördereinrichtung spezifischen Anlage erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Speicherung der in der Lernfunktion erfaßten Betriebswerte die Einrichtung zur Störungsüberwachung aktiviert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen ständigen Vergleich des Betriebszustandes mit den während der Lernfunktion erfaßten
Betriebswerten.
8. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen periodischen Vergleich des Betriebszustandes mit den während der Lernfunktion erfaßten Betriebswerten.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb mit aktiviertem Leerlauf-, Trockenlauf- und/oder Mindestmengenschutz die Regeleinrichtung die aktuellen Betriebsdaten des Motors mit den beim Lernprozeß gespeicherten
Werten vergleicht und daß bei Erreichen und/oder Unterschreiten dieser gespeicherten Werte eine Abschaltung des Motors erfolgt.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten der Betriebszustände als eine Folge von digitalen oder analogen Werten erfaßt und gespeichert werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten der Betriebszustände in Form einer oder mehrerer Kurven, Diagramme oder Tabellen erfaßt und gespeichert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lernfunktion bei einem Betrieb mit Nullfördermenge erfolgt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Störungsüberwachung für den Trockenlaufschutz der Fördereinrichtung genutzt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Störungsüberwachung für die Sicherung der Fördereinrichtung gegen die Unterschreitung einer vorgegebenen Mindestfördermenge genutzt wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, daß die Einrichtung zur Störungsüberwachung zur Sicherung der Arbeitsmaschine gegen die Unterschreitung einer vorgegebenen Mindestlast genutzt wird.
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