DE102007022348A1

DE102007022348A1 - Einrichtung und Verfahren zur Störungsüberwachung

Info

Publication number: DE102007022348A1
Application number: DE102007022348A
Authority: DE
Inventors: Marjan Silovic
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2007-05-12
Filing date: 2007-05-12
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2008138520A1; CN101680457B; CN101680457A; EP2145112A1; EP2145112B2; EP2145112B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Kreiselpumpe sowie ein Verfahren zur Störungsüberwachung mit einer solchen Einrichtung. Dabei erfasst die Einrichtung vor Aktivierung der Störungsüberwachung Betriebswerte des Motors, speichert diese, hält sie vor und vergleicht während einer Störungsüberwachung aktuelle Betriebswerte des Motors mit den gespeicherten Werten. Die Einrichtung (1) wertet einen aktuellen Motorbetriebspunkt (55) in Bezug auf einen vorgegebenen, begrenzten Betriebsbereich (52) des Motors aus und stellt bei Verlassen dieses Betriebsbereichs (52) eine Störung (36) fest. Der begrenzte Betriebsbereich (52) ist dabei durch Motorbetriebspunkte gebildet (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Kreiselpumpe, wobei die Einrichtung vor Aktivierung der Störungsüberwachung Betriebswerte des Motors erfasst, speichert und vorhält und während einer Störungsüberwachung aktuelle Betriebswerte des Motors mit den gespeicherten Werten vergleicht, sowie ein Verfahren zur Störungsüberwachung mit einer solchen Einrichtung.
Bei Antriebsmotoren mit veränderbarer Drehzahl muss sichergestellt werden, dass bei Störungen bei Bedarf eine Abschaltung des Antriebs erfolgt. Die Drehzahlveränderung erfolgt im allgemeinen mit sogenannten Frequenzumrichtern, die durch Veränderung der Frequenz des vom Frequenzumrichter zur Verfügung gestellten Spannungssystems eine nahezu stufenlose Drehzahlregelung der Kreiselpumpe ermöglichen. In Anlagen, in denen mit einem solchen drehzahlgeregelten Motor ausgerüstete Kreiselpumpen 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.
Es ist ebenfalls bekannt, zur Störungsüberwachung elektrische Motorgrößen wie die Leistung und die Drehzahl heranzuziehen. Dabei erfolgt üblicherweise eine Grenzwertüberwachung der Leistung. Eine solche Art der Leistungsüberwachung ist zwar einfach zu realisieren, weist aber den Nachteil auf, dass sie wechselnden Anlagenbedingungen, wie sie in offenen Systemen beispielsweise durch einen sich verändernden Vordruck einer Kreiselpumpe oder druckseitig variierende Abnahmemengen auftreten, nicht gerecht wird.
Aus der DE 100 17 861 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Störungsüberwachung bekannt, wonach eine Einrichtung zur Störungsüberwachung vor Aktivierung der Störungsüberwachung eine Lernfunktion durchläuft, in der Betriebswerte des Motors erfasst und gespeichert werden. Nach Speicherung der in der Lernfunktion erfassten Betriebswerte wird die Einrichtung zur Störungsüberwachung aktiviert. Dabei erfolgt ein Vergleich der aktuellen Betriebsdaten des Motors mit den gespeicherten Werten. Bei Erreichen und/oder Unterschreiten dieser gespeicherten Werte schaltet der Motor ab. Das beschriebene Verfahren bedingt allerdings einen vorgegebenen Inbetriebnahmevorgang. So werden für eine Leistungsüberwachung bei einem Lernprozess vor Aktivierung der Störungsüberwachung in einem eigens dazu einzustellenden Grenzzustand der Anlage, beispielsweise bei abgesperrtem Fördersystem gemäß aller möglichen Betriebszustände, mehrere verschiedene Drehzahlbereiche angefahren und jeweils die entsprechenden Leistungsabgaben des Antriebsmotors erfasst und gespeichert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Störungsüberwachung für Kreiselpumpen zu entwickeln, die bei geringem Inbetriebnahmeaufwand auch bei wechselnden Anlagenbedingungen einsetzbar ist.
Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass die Einrichtung einen aktuellen Motorbetriebspunkt in Bezug auf einen begrenzten Betriebsbereich des Motors auswertet und bei Verlassen des Betriebsbereichs eine Störung feststellt, wobei der begrenzte Betriebsbereich durch Motorbetriebspunkte gebildet ist. Der begrenzte Betriebsbereich ist zweckmäßigerweise durch einzelne, charakteristische Motorbetriebspunkte gebildet. Mittels dieses auf einzelnen, charakteristischen Motorbetriebspunkten basierenden Bereichs wird die Störungsüberwachung durchgeführt. Messungen im Fördermedium sind dadurch ebenso wenig durchzuführen wie die Erfassung und Speicherung von Messreihen von elektrischen Motorgrößen während einer Inbetriebnahmephase. Bei drehzahlgeregelten Antrieben sind darüber hinaus die Motorgrößen in aller Regel durch interne Messwerte eines Frequenzumrichters bekannt, so dass zusätzliche Messungen überflüssig sind.
Eine anschauliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Betriebsbereich in einem Motorgrößendiagramm durch mindestens eine, jeweils zwei Motorbetriebspunkte beinhaltende, insbesondere Anfangs- und Endpunkte verbindende, Begrenzungskurve begrenzt ist. Während eines Betriebs der Kreiselpumpe mit drehzahlgeregeltem Antrieb wird dann ständig oder periodisch der aktuelle Motorbetriebspunkt sowie dessen Position im Motorgrößendiagramm analysiert. Bei Verlassen des begrenzten und/oder vorgegebenen Bereichs wird eine Störung erkannt und es kann eine geeignete Reaktion erfolgen.
Eine Begrenzungskurve kann wahlweise durch ein lineares, quadratisches oder kubisches Polynom gebildet sein. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung an unterschiedliche Anlagengegebenheiten.
Die Einrichtung weist erfindungsgemäß Mittel zum Eingeben und/oder Einlesen von Eingabe- und/oder Parameterwerten auf. Somit können charakteristische Motorbetriebspunkte und Kurvenarten eingegeben werden. Die notwendigen Parameter zur Definition des begrenzten Betriebsbereichs können unabhängig ihrer Herkunft manuell eingegeben oder durch sonstige geeignete Mittel, die beispielsweise im Rahmen einer Parameterübertragung Verwendung finden, eingelesen werden. Die Parameterwerte sind beispielsweise manuell oder per Messvorrichtung während eines Lernvorgangs, bei dem bei geschlossenem und/oder offenem druckseitigem Ventil jeweils bei minimaler und maximaler Frequenz die elektrische Leistung des Antriebsmotors bestimmt wird, oder mittels Berechnungen ermittelt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der begrenzte Betriebsbereich des Motors und/oder die charakteristischen Motorbetriebspunkte aus einem zulässigen Betriebsbereich der Kreiselpumpe abgeleitet. Ein zulässiger Betriebsbereich der Kreiselpumpe ist aus deren Kennlinien, aufgetragen über einer Fördermenge Q der Kreiselpumpe, insbesondere der Förderhöhenkennlinien H(Q) bekannt. Daraus wird erfindungsgemäß ein begrenzter Betriebsbereich des Motors abgeleitet. Üblicherweise wird ein zulässiger Betriebsbereich einer Kreiselpumpe durch charakteristische Kennlinienpunkte, wie beispielsweise minimale oder maximale Fördermenge einer Kreiselpumpe definiert. Erfindungsgemäß wird durch Übertragung, beispielsweise rechnerisch, in ein Motorgrößendiagramm und Verbinden der jeweiligen Anfangs- und Endpunkte durch Begrenzungskurven ein begrenzter Betriebsbereich des Motors definiert, der für die Störungsüberwachung herangezogen wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass zwei Kurven in einem Leistungs-Frequenz-Diagramm den begrenzten Bereich festlegen. Die Störungsüberwachung erfolgt durch Auswertung von elektrischen Leistungs- und Frequenzwerten. Ein zulässiger Leistungswert P bei einer Frequenz f, die zwischen einer ersten, beispielsweise minimalen, Frequenz f_min und einer zweiten, beispielsweise maximalen, Frequenz f_max liegt, muss innerhalb des durch die charakteristischen Motorbetriebspunkte und den Begrenzungskurven definierten Bereichs liegen. Zusammen mit der Ausgestaltung, wonach der begrenzte Betriebsbereich des Motors und/oder die charakteristischen Motorbetriebspunkte aus einem zulässigen Betriebsbereich der Kreiselpumpe abgeleitet sind, ergeben sich zusätzliche Vorteile. Typischerweise ist die Förderhöhenkennlinie einer Kreiselpumpe bekannt. Durch charakteristische Kennlinienpunkte wird ein zulässiger Betriebsbereich der Kreiselpumpe aufgespannt. Durch Transformation dieser Kennlinien punkte in ein Leistungs-Frequenz-Diagramm, hier als P-f-Diagramm bezeichnet, und zwei verbindende Kurven ist im Leistungs-Frequenz-Diagramm ein Abbild eines zulässigen Betriebsbereichs geschaffen und damit eine einfache Störungsüberwachung durch Auswertung von elektrischen Leistungs- und Frequenzwerten.
Typischerweise verbindet im Leistungs-Frequenz-Diagramm eine erste Begrenzungskurve ein Punktepaar (P_min,min; f_min), (P_min,max; f_max) und eine zweite Begrenzungskurve ein Punktepaar (P_max,min; f_min), (P_max,max, f_max). Dabei kennzeichnet bei der Leistung P der erste Index eine erste, beispielsweise minimale, oder zweite, beispielsweise maximale, Leistung bei einer Frequenz entsprechend dem zweiten Index.
Die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm sind dabei zweckmäßigerweise aus Transformation von Kennlinienpunkten (Q_min,min; n_min), (Q_min,max, n_max), (Q_max,min, n_min), (Q_max,max; n_max) einer Förderhöhenkennlinie der Kreiselpumpe abgeleitet. Dabei kennzeichnet bei dem Durchfluss Q der erste Index einen ersten oder zweiten Durchfluss bei einer Drehzahl entsprechend dem zweiten Index. So wird aus ohnehin bekannten, charakteristischen Kennlinienpunkten der Förderhöhenkennlinie in dem Leistungs-Frequenz-Diagramm ein Bereich aufgespannt, der zu einer einfachen Störungsüberwachung dient. Ein aktueller Leistungswert braucht während eines Betriebs einer Kreiselpumpe nur noch hinsichtlich seiner Grenzwerte bei einer aktuellen Frequenz ausgewertet werden. Dabei werden die Grenzwerte aus dem vorgegebenen, gespeicherten Begrenzungskurvenverlauf und/oder durch Interpolation von vor einer Störungsüberwachung in einer Speichervorrichtung abgespeicherten Stützstellen ermittelt.
Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm aus Transformation von Kennlinienpunkten (Q_min; n_nenn), (Q_max; n_nenn) minimaler und maximaler Fördermenge bei Nennbetrieb der Kreiselpumpe abgeleitet sind.
Zusätzlicher Nutzen wird durch eine Ausgestaltung erreicht, wonach die Einrichtung Mittel zum wahlweisen Einstellen einer Aktion der Einrichtung bei Feststellen einer Störung aufweist. Bei Feststellen einer Störung wird wahlweise eine Warnungs- oder A larmmeldung erzeugt wird und/oder ein Betrieb der Kreiselpumpe fortgesetzt oder gestoppt. Dabei ist ebenfalls daran gedacht, dass eine Aktion nicht unmittelbar bei einem Feststellen einer Störung erfolgt, sondern bereits im Vorfeld einer sich anbahnenden Störung. So kann beispielsweise vor einem drohenden Verlassen des begrenzten Betriebsbereich gewarnt werden.
Zweckmäßigerweise ist die Einrichtung zur Störungsüberwachung in eine auf den Motor einwirkende Steuer- oder Regeleinrichtung, eine Schaltvorrichtung, eine Anzeige- und/oder eine Diagnoseeinrichtung integriert. Die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Mittel wie Mikrorechner, Speichervorrichtung und/oder Anzeigemittel sowie erforderliche Anweisungen in Form von Computerprogrammen sind in bestehende Steuer-, Regel-, Anzeige-, Diagnoseeinrichtungen, Schaltvorrichtungen und/oder andere elektronische Geräten integrierbar oder in separaten Geräten anordenbar. Eine solche Einrichtung ist neben einer aktuellen Störungsüberwachung ebenfalls in der Lage, eine Aufzeichnung von Messgrößen und berechneten Werten durchzuführen.
Es ist außerdem vorgesehen, dass ein Frequenzumrichter den Motor speist und/oder dieser die Einrichtung zur Störungsüberwachung darstellt oder beinhaltet. Alle für die Störungsüberwachung erforderlichen Motorgrößen, insbesondere an den Motor abgegebene Leistung und Frequenz, sind ohnehin während eines Betriebs des Frequenzumrichters verfügbar, so dass eine Störungsüberwachung nach der Erfindung ohne zusätzliche Messgrößen auskommt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Kreiselpumpe ist vorgesehen, dass ein aktueller Motorbetriebspunkt in Bezug auf einen begrenzten Betriebsbereich des Motors ausgewertet und bei Verlassen des Betriebsbereichs eine Störung festgestellt wird, wobei der begrenzte Betriebsbereich durch Motorbetriebspunkte gebildet wird. Zweckmäßigerweise wird der begrenzte Betriebsbereich durch einzelne, charakteristische Motorbetriebspunkte gebildet.
Dabei wird nach einer Ausgestaltung der Betriebsbereich in einem Motorgrößendiagramm durch mindestens eine, jeweils zwei Motorbetriebspunkte beinhaltende, insbesondere Anfangs- und Endpunkte verbindende, Begrenzungskurve begrenzt. Die Begrenzungskurve kann durch ein lineares, quadratisches oder kubisches Polynom gebildet werden.
Ein einfaches Verfahren zur Störungsüberwachung erhält man, wenn zwei Kurven in einem Leistungs-Frequenz-Diagramm den begrenzten Bereich festlegen. Zweckmäßigerweise verbindet dabei eine erste Begrenzungskurve im Leistungs-Frequenz-Diagramm ein Punktepaar (P_min,min; f_min), (P_min,max; f_max) und eine zweite Begrenzungskurve ein Punktepaar (P_max,min; f_min), (P_max,max, f_max).
Wie bereits oben ausgeführt, ist es von Vorteil, wenn der begrenzte Betriebsbereich des Motors und/oder die charakteristischen Motorbetriebspunkte aus einem zulässigen Betriebsbereich der Kreiselpumpe abgeleitet werden und/oder die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm mittels Transformation von Kennlinienpunkten (Q_min,min; n_min), (Q_min,max; n_max), (Q_max,min; n_min), (Q_max,max; n_max) der Förderhöhenkennlinie der Kreiselpumpe abgeleitet werden. Dabei kennzeichnet bei dem Durchfluss Q der erste Index einen ersten oder zweiten Durchfluss bei einer Drehzahl entsprechend dem zweiten Index. Eine Verwendung von folgenden Punkten hat sich als zweckmäßig herausgestellt:
(Q_min,min; n_min), minimal zulässiger Durchfluss Q_min bei Minimaldrehzahl n_min,
(Q_min,max; n_max), minimal zulässiger Durchfluss Q_min bei Maximaldrehzahl n_max,
(Q_max,min; n_min), maximal zulässiger Durchfluss Q_max bei Minimaldrehzahl n_min,
(Q_max,max; n_max) maximal zulässiger Durchfluss Q_max bei Maximaldrehzahl n_min.
Die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm können auch mittels Transformation von Kennlinienpunkten (Q_min; n_nenn), (Q_max; n_nenn) minimaler und maximaler Fördermenge bei Nennbetrieb der Kreiselpumpe abgeleitet werden. Die erforderliche Umrechnung auf andere Drehzahlen oder Frequenzen kann mittels Affinitätsgesetze erfolgen.
Zusätzlich ist vorgesehen, dass bei Feststellen einer Störung eine Warnungs- oder Alarmmeldung erzeugt wird und/oder ein Betrieb der Kreiselpumpe fortgesetzt oder gestoppt wird. Ebenfalls kann eine Aktion vor oder nach einem Verlassen des begrenzten Betriebsbereichs erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Störungsüberwachung, die
2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens vor Aktivierung einer Störungsüberwachung, die
3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens während einer Störungsüberwachung, und die
4 ein erfindungsgemäßes Motorgrößendiagramm (Leistungs-Frequenz-Diagramm) und diesem zu Grunde liegende Förderhöhenkennlinie.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung 1 zur Störungsüberwachung, bestehend aus Mikrorechner 2 mit Speichervorrichtung 3, Anzeigemittel 4, sowie Mittel zum Eingeben 5 und Mittel zum Einlesen 6 von Eingabe-, Parameter- und/oder sonstigen Werten.
Die Einrichtung 1 weist zwei Eingänge 7, 8 zum Einlesen aktueller Leistungs- und Frequenzdaten eines, hier nicht dargestellten, Antriebsmotors einer Kreiselpumpe auf. Die Einrichtung 1 kann dazu mit ihren Eingängen 7, 8 beispielsweise an einen seriellen Datenbus angeschlossen sein. Die Kreiselpumpe wird durch einen elektrischen Motor, der beispielsweise von einem Frequenzumrichter gespeist wird, mit variabler Drehzahl angetrieben. Darüber hinaus ist die Einrichtung 1 mit Ausgängen 9, 12, 13 ausgestattet.
Vor Aktivierung einer Störungsüberwachung werden Betriebswerte des Motors erfasst. Dies kann beispielsweise durch Eingabe von vier einzelnen, charakteristischen Motorbetriebspunkten ((P_min,min; f_min), (P_min,max; f_max) und (P_max,min; f_min), (P_max,max, f_max) über die Mittel zum Eingeben 5 erfolgen.
Weiterhin werden über die Mittel zum Eingeben 5 die Verläufe der Begrenzungskurven eingegeben. Über die Speichervorrichtung 3 wird so ein definierter, vorgegebener, begrenzter Betriebsbereich, hier der Betriebsbereich in einem P-f-Diagramm, abgespeichert und für eine Störungsüberwachung vorgehalten.
Alternativ ist vorgesehen die charakteristischen Motorbetriebspunkte aus einem zulässigen Betriebsbereich der Kreiselpumpe abzuleiten. Über die Mittel zum Eingeben 5 können zu diesem Zweck auch beispielsweise Kennlinienpunkte (Q_min,min; n_min), (Q_min,max; n_max), (Q_max,min; n_min), (Q_max,max; n_max) einer Förderhöhenkennlinie H(Q) der Kreiselpumpe oder Kennlinienpunkte (Q_min; n_nenn), (Q_max; n_nenn) minimaler und maximaler Fördermenge bei Nennbetrieb der Kreiselpumpe sowie minimale und maximale Drehzahlen oder Frequenzen eingegeben werden, woraus durch Transformation der Kennlinienpunkte vier Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm ermittelbar sind, mit denen die Störungsüberwachung durchgeführt wird. In der Speichereinrichtung 3 sind dafür die erforderlichen Rechenvorschriften in Form von für den Mikrorechner 2 verfügbaren Algorithmen abgelegt.
Ebenso kann über die Mittel 5 eine gewünschte Aktion der Einrichtung 1 bei Feststellen einer Störung eingestellt werden, ob bei Feststellen einer Störung eine Warnungs- oder Alarmmeldung erzeugt wird und/oder ein Betrieb einer Kreiselpumpe fortgesetzt oder gestoppt wird.
Über die Mittel zum Einlesen 6 können sämtliche, in der Einrichtung 1 erforderlichen Eingabe- und/oder Parameterwerte sowie Algorithmen per digitaler Datenschnittstelle übertragen werden.
Die Einrichtung 1 wertet mit ihrem Mikrorechner 2 während einer Störungsüberwachung einen aktuellen Motorbetriebspunkt, hier bekannt über die Eingangsgrößen Leistung P und Frequenz f, in Bezug auf den begrenzten Betriebsbereich des Motors aus.
Dabei wird ein aktueller Leistungswert P nur noch hinsichtlich seiner Grenzwerte bei einer aktuellen Frequenz f ausgewertet, wobei ein Über- oder Unterschreiten eines jeweiligen Grenzwertes ein Verlassen des begrenzten Betriebsbereichs bedeutet und zum Feststellen einer Störung führt.
Ergebnisse der Störungsüberwachung oder auch sämtliche im Mikrorechner 2 verfügbaren Daten werden über die Anzeigemittel 4, wie etwa ein Display 10 oder eine LED-Anzeige 11, angezeigt und über die Ausgänge 9, 12, 13 externen Geräten zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Die Ausgänge 12, 13 sind beispielsweise für eine Warnungs- oder Alarmmeldung durch externe Geräte nutzbar. In 1 ist die Einrichtung 1 zur Störungsüberwachung als separates Gerät gezeigt. Ebenso gut ist es möglich, dass die Einrichtung in eine auf den Motor einwirkende Steuer- oder Regeleinrichtung, eine Schaltvorrichtung und/oder eine Anzeige- und/oder Diagnoseeinrichtung integriert ist. Ebenfalls ist es vorgesehen, dass ein Frequenzumrichter, in dem ohnehin permanent die aktuellen Leistungs- und Frequenzwerte ermittelt werden, selbst die Einrichtung zur Störungsüberwachung darstellt oder beinhaltet.
In der 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens vor Aktivierung einer Störungsüberwachung dargestellt. Zunächst werden in einem Schritt 21 mittels der Parameter f_min und f_max eine erste und eine zweite Motorfrequenz festgelegt. In aller Regel wird es sich dabei um die minimal und die maximal erlaubte Motorfrequenz handeln, so dass nachfolgende Ausführungen speziell einen solchen Fall beschreiben, ohne dass dies eine Einschränkung der Erfindung auf diesen bedeutet. Die Parameter sind in eine vorgeschlagene Einrichtung durch Bedienhandlungen eingebbar oder werden als Teil eines Parametersatzes der Einrichtung während eines Parametriervorganges zur Verfügung gestellt. In gleicher Weise werden in 22 begrenzende Kennlinienpunkte eines zulässigen Betriebsbereichs einer Kreiselpumpe festgelegt. Idealerweise sind dies die folgenden, charakteristischen Kennlinienpunkte, hier mit A bis D bezeichnet, einer Förderhöhenkennlinie der Kreiselpumpe, die zusammen mit der Anlagenkennlinie deren zulässigen Betriebsbereich definieren:
A = (Q_min,min; n_min), minimal zulässiger Durchfluss Q_min bei Minimaldrehzahl n_min,
B = (Q_min,max; n_max), minimal zulässiger Durchfluss Q_min bei Maximaldrehzahl n_max,
C = (Q_max,min; n_min), maximal zulässiger Durchfluss Q_max bei Minimaldrehzahl n_min,
D = (Q_max,max; n_max) maximal zulässiger Durchfluss Q_max bei Maximaldrehzahl n_min.
Erfolgt eine Störungsüberwachung hinsichtlich einer Betriebsgrenze, die beispielsweise durch einen minimal zulässigen Durchfluss Q_min der Kreiselpumpe beschrieben ist, genügt selbstverständlich die Festlegung einer Teilmenge obiger Kennlinienpunkte, beispielsweise A, B.
In einem nächsten Schritt 23 werden die Kurvenverläufe der Begrenzungskurven festgelegt. Eine Begrenzungskurve verbindet in einem Motorgrößendiagramm beispielsweise jeweils Anfangs- und Endpunkte A'' und B'' bzw. C'' und D', die aus den zulässigen Betriebsbereich der Kreiselpumpe begrenzenden Kennlinienpunkten A und B bzw. C und D abgeleitet sind. Zweckmäßigerweise sind hierzu weitere Parameter für den Kurvenverlauf einer ersten Begrenzungskurve zwischen Punkt A'' und B'' und einer zweiten Begrenzungskurve zwischen C'' und D'' vorgesehen, durch die lineare, quadratische oder kubische Verläufe wählbar sind. Dabei dienen die verschiedenen Verläufe einer Anpassung der Störungsüberwachung an unterschiedliche Anlagengegebenheiten.
Sind die Parameter festgelegt, erfolgt in Schritt 24 eine Transformation der Kennlinienpunkte A bis D in die entsprechenden Anfangs- und Endpunkte A'' bis D'' der Begrenzungskurven. A'' bis D'' stellen beispielsweise Anfangs- und Endpunkte in einem Leistungs-Frequenz-Diagramm, kurz P-f-Diagramm, dar. Im Einzelnen bedeuten:
A'' = (P_min,min; f_min), minimale Leistung bei minimaler Motorfrequenz,
B'' = (P_min,max; f_max), minimale Leistung bei maximaler Motorfrequenz,
C'' = (P_max,min; f_min), maximale Leistung bei minimaler Motorfrequenz,
D'' = (P_max,max; f_max), maximale Leistung bei maximaler Motorfrequenz.
Die Zusammenhänge einer Transformation der Kennlinienpunkte A bis D in die entsprechenden Anfangs- und Endpunkte A'' bis D'' der Begrenzungskurven sind später noch in 4 anhand eines Leistungs-Frequenz-Diagramms und diesem zu Grunde liegende Förderhöhenkennlinie grafisch verdeutlicht.
Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, die Punkte A'' bis D'' in einem separaten Gerät zu berechnen oder auf andere Weise zu gewinnen und die Werte anschließend in eine Einrichtung 1 zur Störungsüberwachung zu übertragen.
Zwischen jeweiligen Werten minimaler und maximaler Frequenz, also zwischen A'' und B'' sowie zwischen C'' und D'' werden gemäß dem gewünschten Kurvenverlauf in einem weiteren Schritt 25 die Begrenzungskurven berechnet. Dies erfolgt beispielsweise, in dem in einer Art Wertetabelle eine bestimmte Anzahl von berechneten Kurvenzwischenwerten abgespeichert wird. Es genügt alternativ ein Speichern der Punkte A'' bis D'' und die Art der Kurvenverläufe zwischen diesen Punkten. Durch die Anfangs- und Endpunkte und diese verbindende Begrenzungskurven, zusammen mit deren vorgegebenen Kurvenverläufen ist in jedem Fall ein begrenzter Bereich im Motorgrößendiagramm eindeutig definiert und für eine anschließende Störungsüberwachung nutzbar.
In Abwandlung des dargestellten Verfahrens ist es gemäß der Erfindung ebenfalls möglich, die vier Punkte A'' bis D'' im Leistungs-Frequenz-Diagramm aus Transformation der Kennlinienpunkte (Q_min; n_nenn), (Q_max; n_nenn) minimaler und maximaler Fördermenge bei Nennbetrieb der Kreiselpumpe zu erhalten. Dies kann beispielsweise mittels einer der beschriebenen Transformation vorangehenden Errechnung der Punkte A bis D aus den Kennlinienpunkten (Q_min; n_nenn), (Q_max; n_nenn) erfolgen. Darüber hinaus kann der begrenzte Betriebsbereich des Motors auch aus anderen Punkten abgeleitet und definiert sein.
Wie bereits in 1 beschrieben, ist es darüber hinaus und abweichend zum hier beschriebenen Verfahren vorgesehen, die Punkte A'' bis D'' der Begrenzungskurven im Motorgrößendiagramm direkt vorzugeben. Diese können manuell per Messvorrichtung während eines Lernvorgangs, mittels Berechnungen, grafischer Methoden oder durch sonstige geeignete Methoden ermittelt werden. Bei einem Lernvorgang können beispielsweise bei geschlossenem und/oder offenem druckseitigem Ventil jeweils bei minimaler und maximaler Frequenz die elektrische Leistung des Antriebsmotors in einer Anlage gemessen und so die Punkte A'', B'' und/oder die Punkte C'', D'' bestimmt werden.
3 zeigt einen typischen Ablauf einer Störungsüberwachung während eines Betriebes einer Kreiselpumpe. Eine erfindungsgemäße Störungsüberwachung kann nach entsprechenden Vorbereitungsschritten gemäß den in 2 beschriebenen aktiviert werden und während eines Betriebs einer Kreiselpumpe unter anderem eine Leerlauf-, Trockenlauf-, Mindestmengen- und/oder Überlastschutzfunktion realisieren. Dabei werden in Schritt 31 ständig oder periodisch aktuelle Motorbetriebswerte wie elektrische Motorleistung und Motorfrequenz bzw. Drehzahl des Antriebsmotors erfasst oder ermittelt. Diese Werte werden entweder durch geeignete Sensormittel erfasst oder werden aus einem Drehzahlregelgerät, das den Motor speist, erhalten. In einem Frequenzumrichter beispielsweise werden ohnehin permanent die aktuellen Leistungs- und Frequenzwerte bestimmt und sind verfügbar. Diese werden für eine Störungsüberwachung ohne zusätzlichen Messaufwand herangezogen. Vorgesehen ist es, dass dabei der Frequenzumrichter selbst die Einrichtung zur Störungsüberwachung darstellt oder beinhaltet. Ebenso sind andere Leistungsermittlungsgeräte geeignet.
Durch die aktuell ermittelten Motorbetriebswerte ist in Schritt 32 ein aktueller Motorbetriebspunkt in einem Motorgrößendiagramm bestimmbar. In einem erfindungsgemäßen P-f-Diagramm mit einem zuvor ermittelten, vorgegebenen, begrenzten Bereich ist ein solcher Motorbetriebspunkt bereits durch die aktuelle elektrische Leistung und die aktuelle Motorfrequenz definiert. Während eines störungsfreien Betriebs der Kreiselpumpe oder des Kreiselpumpenaggregates befindet sich der Motorbetriebspunkt innerhalb des begrenzten Bereichs. Im Falle einer Störung unter- bzw. überschreitet der Motorbetriebspunkt die erste bzw. zweite Begrenzungskurve, befindet sich also außerhalb des begrenzten Bereichs. Die eigentliche Störungsüberwachung 33 besteht in einer einfachen Auswertung der Position des Motorbetriebspunktes im Motorgrößendiagramm. Dazu wird der aktuelle Leistungswert hinsichtlich seiner Grenzwerte bei einer aktuellen Frequenz f ausgewertet. Dabei können die Grenzwerte bei einer konkreten Frequenz aus dem vorgegebenen, gespeicherten Begrenzungskurvenverlauf ermittelt werden. Bei gespeicherten Kurvenverläufen nach Art einer Wertetabelle werden gegebenenfalls durch Interpolationsmethoden die entsprechenden Kurvenwerte zum aktuellen Frequenzwert f ermittelt. Weitere Möglichkeiten hierfür sind bekannt und brauchen hier nicht näher ausgeführt werden.
Es wird – wie in 34, 35 gezeigt – festgestellt, ob sich der Motorbetriebspunkt innerhalb, oberhalb oder unterhalb eines begrenzten Bereiches befindet. Dabei reduziert die Vorgabe von Mindestzeitdauern t_o bzw. t_u, für die der Motorbetriebspunkt außerhalb des empfohlenen Bereichs liegen muss, bevor auf Störung erkannt wird, die Anfälligkeit gegenüber Fehlmessungen. Außerdem werden dadurch nur kurzzeitig anstehende Störungen ignoriert. Bei Feststellen einer tatsächlichen Störung 36 erfolgt wahlweise einstellbar gegebenenfalls eine Warnungs- oder Alarmmeldung und es wird ein Betrieb der Kreiselpumpe fortgesetzt oder gestoppt.
4 zeigt ein Leistungs-Frequenz-Diagramm (P-f-Diagramm) 41 als erfindungsgemäßes Motorgrößendiagramm zusammen mit einer diesem zu Grunde liegenden Förderhöhenkennlinie H(Q) in einem H-Q-Diagramm 42 einer Kreiselpumpe. Dargestellt sind eine Kennlinie für maximale Drehzahl 43 und eine Kennlinie für minimale Drehzahl 44 sowie Anlagenkennlinien 45 bzw. 46 bei minimal bzw. maximal zulässigem Pumpendurchfluss Q_min bzw. Q_max. Aufgrund eines in der Anlage vorhandenen Systemdrucks befinden sich sämtliche Kennlinien im H-Q-Diagramm 42 auf einem Höhenniveau 47. Die Kennlinienpunkte A bis D definieren einen zulässigen Betriebsbereich 48 der Kreiselpumpe. Sind die Kennlinienpunkte im H-Q-Diagramm 42 nicht verfügbar, kann auch auf entsprechende Punkte A' bis D' einer Kennlinie P(Q) 49 zurückgegriffen werden.
Exemplarisch ist ein Betriebspunkt 50 der Kreiselpumpe im Bereich der Kennlinie 51 eines wirkunggradoptimalen Pumpendurchflusses Q_opt eingezeichnet.
Eine Transformation der Kennlinienpunkte A bis D in die Punkte A'' bis D'' in das P-f-Diagramm 41 ist grafisch veranschaulicht. Hier ist schrittweise eine Transformation aus dem H-Q-Diagramm 42 in das P-Q-Diagramm 49 und anschließend in das P-f-Diagramm 41 gezeigt. Auch können verfügbare Punkte A' bis D' eines P-Q-Diagramms 49 transformiert werden. Im Motorgrößendiagramm 41 ist durch die Punkte A'' bis D'' ein begrenzter Bereich 52 definiert, der zu einer Störungsüberwachung herangezogen wird. Dabei werden die Punkte A'' und B'' durch eine erste Begrenzungskurve 53 verbunden und die Punkte C'' und D'' durch eine zweite Begrenzungskurve 54. In dieser Darstellung verlaufen die Begrenzungskurven 53, 54 linear. Andere Verläufe wie quadratische oder kubische sind je nach Anlagenverhältnissen auswählbar.
Durch Auswertung eines aktuellen Motorbetriebspunktes 55 sowie dessen Position im Motorgrößendiagramm 41 und bei dessen Verlassen des begrenzten Bereichs 52 erfolgt ein Feststellen einer Störung 36. Ohne weiteres ist zudem ermöglicht, eine Störungsüberwachung nur bezüglich einer der beiden Begrenzungskurven 53, 54, also im konkreten Fall entweder eine Überlast- oder eine Unterlastüberwachung durchzuführen.
Zusätzlich ist vorgesehen, dass erst bei einem Über- und/oder Unterschreiten von aus den Begrenzungskurven abgeleiteten Kurven ein Feststellen einer Störung und/oder eine Warnungs- und/oder Alarmmeldung erfolgt. Hier sind durch Korrekturfaktoren aus der Begrenzungskurve 54 bzw. 53 abgeleitete Kurven 56, 57 bzw. 58, 59 dargestellt, deren Über- und/oder Unterschreiten eine Warnungs- bzw. Alarmmeldung zur Folge hat.
Der begrenzte Betriebsbereich muss nicht – wie hier beschrieben – durch die Punkte A'' bis D'' berandet sein, sondern der begrenzte Betriebsbereich kann aus anderen Motorbetriebspunkten gebildet sein und/oder aus anderen geeigneten Kennlinienpunkten ei ner Kreiselpumpenkennlinie, insbesondere einem H-Q-Diagramm oder einem P-Q-Diagramm, abgeleitet sein.
Die Ausführungen in der Figurenbeschreibung beschränken sich im Wesentlichen auf ein Beispiel mit Leistungs-Frequenz-Diagramm. Das beschriebene Verfahren mit Einrichtung 1 zur Störungsüberwachung ist auf andere Motorgrößendiagramme übertragbar, insbesondere auf ein Leistungs-Drehzahl-Diagramm.
Auch wenn im Einzelnen nicht darauf eingegangen wird, sei darauf hingewiesen, dass in einer erfindungsgemäßen Einrichtung 1 zur Störungsüberwachung sämtliche innerhalb eines Lebenszyklus der Kreiselpumpe erfassten oder berechneten Größen sowie Störungszustände speicherbar, abrufbar und an periphere Geräte ausgebbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10017861 A1 [0005]

Claims

Einrichtung zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Kreiselpumpe, wobei die Einrichtung vor Aktivierung der Störungsüberwachung Betriebswerte des Motors erfasst, speichert und vorhält und während einer Störungsüberwachung aktuelle Betriebswerte des Motors mit den gespeicherten Werten vergleicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) einen aktuellen Motorbetriebspunkt (55) in Bezug auf einen begrenzten Betriebsbereich (52) des Motors auswertet und bei Verlassen des Betriebsbereichs eine Störung (36) feststellt, wobei der begrenzte Betriebsbereich (52) durch Motorbetriebspunkte gebildet ist.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Betriebsbereich (52) durch einzelne, charakteristische Motorbetriebspunkte gebildet ist.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsbereich (52) in einem Motorgrößendiagramm (41) durch mindestens eine, jeweils zwei Motorbetriebspunkte beinhaltende, insbesondere Anfangs- und Endpunkte verbindende, Begrenzungskurve (53, 54) begrenzt ist.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzungskurve (53, 54) durch ein lineares, quadratisches oder kubisches Polynom gebildet ist.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) Mittel zum Eingeben (5) und/oder Einlesen (6) von Eingabe- und/oder Parameterwerten aufweist.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Betriebsbereich (52) des Motors und/oder die charakteristischen Motorbetriebspunkte aus einem zulässigen Betriebsbereich (48) der Kreiselpumpe abgeleitet sind.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kurven in einem Leistungs-Frequenz-Diagramm den begrenzten Bereich (52) festlegen.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Begrenzungskurve (53) im Leistungs-Frequenz-Diagramm ein Punktepaar (P_min,min; f_min), (P_min,max; f_max) und eine zweite Begrenzungskurve (54) ein Punktepaar (P_max,min; f_min), (P_max,max, f_max) verbinden.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm aus Transformation (24) von Kennlinienpunkten (Q_min,min; n_min), (Q_min,max; n_max), (Q_max,min; n_min), (Q_max,max; n_max) einer Förderhöhenkennlinie (42, 43, 44) der Kreiselpumpe abgeleitet sind.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm aus Transformation (24) von Kennlinienpunkten (Q_min; n_nenn), (Q_max; n_nenn) minimaler und maximaler Fördermenge bei Nennbetrieb der Kreiselpumpe abgeleitet sind.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel zum wahlweisen Einstellen einer Aktion der Einrichtung (1) bei Feststellen einer Störung (36).
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass die Einrichtung (1) in eine auf den Motor einwirkende Steuer- oder Regelein richtung, eine Schaltvorrichtung, eine Anzeige- und/oder eine Diagnoseeinrichtung integriert ist.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzumrichter den Motor speist und/oder die Einrichtung (1) zur Störungsüberwachung darstellt oder beinhaltet.
Verfahren zur Störungsüberwachung einer durch einen elektrischen Motor mit variabler Drehzahl angetriebenen Kreiselpumpe, wobei vor Aktivierung der Störungsüberwachung Betriebswerte des Motors erfasst, gespeichert und vorgehalten werden und während einer Störungsüberwachung ein Vergleich von aktuellen Betriebswerten des Motors mit den gespeicherten Werten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Motorbetriebspunkt (55) in Bezug auf einen begrenzten Betriebsbereich (52) des Motors ausgewertet und bei Verlassen des Betriebsbereichs (52) eine Störung (36) festgestellt wird, wobei der begrenzte Betriebsbereich (52) durch Motorbetriebspunkte gebildet wird.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Betriebsbereich (52) durch einzelne, charakteristische Mortorbetriebspunkte gebildet wird.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsbereich (52) in einem Motorgrößendiagramm (41) durch mindestens eine, jeweils zwei Motorbetriebspunkte beinhaltende, insbesondere Anfangs- und Endpunkte verbindende, Begrenzungskurve (53, 54) begrenzt wird.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzungskurve (53, 54) durch ein lineares, quadratisches oder kubisches Polynom gebildet wird.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der begrenzte Betriebsbereich (52) des Motors und/oder die charakteristischen Motorbetriebspunkte aus einem zulässigen Betriebsbereich (48) der Kreiselpumpe abgeleitet werden.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kurven in einem Leistungs-Frequenz-Diagramm den begrenzten Bereich (52) festlegen.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Begrenzungskurve (53) im Leistungs-Frequenz-Diagramm ein Punktepaar (P_min,min; f_min), (P_min,max; f_max) und eine zweite Begrenzungskurve (54) ein Punktepaar (P_max,min; f_min), (P_max,max, f_max) verbinden.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm mittels Transformation (24) von Kennlinienpunkten (Q_min,min; n_min), (Q_min,max; n_max), (Q_max,min; n_min), (Q_max,max; n_max) einer Förderhöhenkennlinie (42, 43, 44) der Kreiselpumpe abgeleitet werden.
Einrichtung zur Störungsüberwachung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Punkte im Leistungs-Frequenz-Diagramm mittels Transformation (24) von Kennlinienpunkten (Q_min; n_nenn), (Q_max; n_nenn) minimaler und maximaler Fördermenge bei Nennbetrieb der Kreiselpumpe abgeleitet werden.
Verfahren zur Störungsüberwachung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellen einer Störung (36) eine Warnungs- oder Alarmmeldung erzeugt wird und/oder ein Betrieb der Kreiselpumpe fortgesetzt oder gestoppt wird.