-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Informationsaustausch zwischen einem externen Empfänger und einer Pumpe umfassend einen Elektromotor als Pumpenantrieb sowie einen Frequenzumrichter zur drehzahlgeregelten Steuerung des Motors, wobei durch die Pumpe ein akustisches Informationssignal generiert wird, das durch den externen Empfänger detektierbar ist.
-
Moderne Pumpen, bspw. Heizungsumwälzpumpen, werden heutzutage aus Effizienzgründen drehzahlgeregelt betrieben. Der Pumpenantrieb in Form eines Elektromotors wird mittels eines Frequenzumrichters gespeist. Die erzeugte Ausgangsspannung des Frequenzumrichters, die dem Motor als Motorspannung zugeführt wird, kann zur Drehzahlanpassung verändert werden.
-
Neben der energieeffizienten Ansteuerung der Pumpen ist es zudem zunehmend wichtig, eine Kommunikationsverbindung der Pumpe mit wenigstens einem externen Empfänger zum Zwecke des Informationsaustauschs zu schaffen. Der externe Empfänger kann eine zentrale Steuerungs- oder Verwaltungseinheit oder auch einfach nur ein handelsübliches Smartphone oder Tablett sein, auf der bzw. dem eine Applikation zur Kommunikation mit der Pumpe läuft. Über die Schnittstelle sollen Betriebsdaten der Pumpe zur externen Überwachung, Verwaltung oder Steuerung übermittelt werden. Damit die Pumpen kommunikationsfähig sind, ist die Integration einer gesonderten Kommunikationshardware in die Pumpe notwendig. Bekannt ist bspw. die Integration eines Bluetooth-Kommunikationsmoduls, was jedoch mit erhöhten Produktionskosten für die Pumpe einhergeht.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache und kostengünstige Kommunikationsmöglichkeit für eine Pumpe zu schaffen.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Informationsaustausch zwischen einem externen Empfänger und einer Pumpe gemäß den Merkmalen des Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner wird die Aufgabe durch eine Pumpe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
-
Ausgehend von einer bekannten Pumpe, die einen Elektromotor sowie einen Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung der Pumpe aufweist, wird vorgeschlagen auf gesonderte Hardware für die Kommunikation mit wenigstens einem externen Empfänger zu verzichten. Stattdessen soll die bereits bestehende Hardware des Frequenzumrichters zweckentfremdet zu Kommunikationszwecken genutzt werden, was durch Anpassung der Steuerung des Frequenzumrichters ermöglicht wird, insbesondere kann eine softwarebasierte Steuerungslogik des Frequenzumrichters einfach angepasst werden.
-
Erfindungsgemäß wird konkret vorgeschlagen, wenigstens einen Betriebsparameter des Frequenzumrichters im laufenden Pumpenbetrieb derart zu variieren, so dass die Pumpe im laufenden Pumpenbetrieb ein dediziertes akustisches Signal erzeugt, das durch einen externen Empfänger eindeutig detektierbar ist. Vereinfacht gesagt wird durch gezielte Modifikation der Motoransteuerung, die jedoch die Drehzahlregelung nicht nennenswert beeinflusst, das reguläre Betriebsgeräusch der Pumpe gezielt verändert, so dass dies durch einen externen Empfänger erkannt werden kann.
-
Auf diese Weise lässt sich eine einfache Möglichkeit zum Informationsaustausch zwischen Pumpe und einem beliebigen Empfänger realisieren. Für die meisten Anwendungsfälle ist die so geschaffene Möglichkeit ausreichend, bspw. um einen Alarm oder sonstigen Pumpenstatus oder Zustand zu signalisieren. Eine bestehende Pumpe bedarf keiner hardwareseitigen Ergänzung, stattdessen genügt die programmatische Anpassung des Frequenzumrichters. So lassen sich auch bestehende Pumpen nachträglich modifizieren und mit einer Kommunikationsmöglichkeit nachrüsten.
-
Für die Umsetzung des Verfahrens ist darauf zu achten, dass die reguläre Pumpenfunktion durch die Variation des Betriebsparameters des Frequenzumrichters im Idealfall nicht oder zumindest nur geringfügig beeinflusst wird.
-
Gemäß vorteilhafter Ausführung kann bspw. die erzeugte Ausgangsspannung des Frequenzumrichters, d.h. die Motorspeisespannung, verändert werden, wodurch ein erfassbares akustisches Signal generiert wird. Zum regulären Betrieb des Pumpenmotors wird die Motorspannung mit variabler Grundfrequenz und Amplitude am Ausgang des Frequenzumrichters erzeugt. Bevorzugt kann dieser Spannung bspw. ein Spannungsverlauf mit höherer Frequenz als der Grundfrequenz eingeprägt werden, d.h. eine sogenannte Hochspannungsinjektion durch geeignete Ansteuerung des Frequenzumrichters vorgenommen werden. Durch geeignete Einprägung eines hochfrequenten Spannungsverlaufs auf die grundfrequente Motorspannung lässt sich ein definierbares akustisches Signal während des laufenden Pumpenbetriebs erzeugen, das durch den Empfänger detektierbar ist. Diese zusätzliche Frequenzmodulation der Motorspannung beeinflusst den regulären Pumpenbetrieb nicht oder nur marginal, so dass die Pumpe weiterhin ordnungsgemäß funktioniert. Durch Erzeugung des akustischen Signals per Hochfrequenzinjektion kann die Pumpe somit bedarfsweise eine akustische Indikation ausgeben, die von einem beliebigen, mit einem akustischen Empfänger ausgestatteten Endgerät detektierbar ist.
-
Anstatt der Möglichkeit zur Hochfrequenzinjektion wird in vorteilhafter Ausführung der Erfindung vorgeschlagen, die Schaltfrequenz, mit der die integralen Schaltelemente des Inverterbausteins des Frequenzumrichters geschaltet werden, zu modifizieren. Die Anpassung der Schaltfrequenz hat in der Regel keinen Einfluss auf die erzeugte Ausgangspannung, führt jedoch zu einem abweichenden akustischen Betriebsgeräusch der Pumpe, was wiederrum als Informationssignal durch einen Empfänger detektierbar ist.
-
Vorstellbar ist beispielsweise, dass die Schaltelemente originär mit einer üblicherweise konstanten Referenzschaltfrequenz geschaltet werden. Steht eine Informationsübermittlung von der Pumpe an einen Empfänger an, so wird die Schaltfrequenz bevorzugt um einen definierten Betrag erhöht oder reduziert. Diese Abweichung der aktuellen Schaltfrequenz von einer originären Referenzschaltfrequenz kann akustisch erfasst und dadurch von einem Empfänger erkannt werden. Beispielsweise könnte bei einer originären Referenzschaltfrequenz von 16kHz durch eine Verringerung der Schaltfrequenz auf 15kHz eine Information, wie bspw. ein Alarm, von der Pumpe an einen Empfänger signalisiert werden.
-
Die definierte Änderung der Schaltfrequenz kann gemäß einer bevorzugten Erweiterung der Erfindung auch dazu genutzt werden, eine binäre Datenfolge von der Pumpe an einen Empfänger zu übermitteln. Zu diesem Zweck muss die Änderung der Schaltfrequenz zeitlich getaktet werden, d.h. die Änderung der Schaltfrequenz muss zu definierten Zeitpunkten erfolgen. Ist der Empfänger mit der zeitlichen Änderungsrate synchronisiert, lässt sich eine binäre Datenfolge von der Pumpe an den Empfänger übermitteln.
-
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Informationsübertragung ist für unterschiedliche Anwendungszwecke nutzbar, bei denen eine Informationsübertragung von der Pumpe an wenigstens einen Empfänger erfolgen soll. Denkbar ist es bspw., dass die Pumpe mittels des Verfahrens ihren aktuellen Zustand übermittelt. Ein Pumpenbetrieb ohne modifizierten Betriebsparameter des Frequenzumrichters signalisiert bspw. einen ordnungsgemäßen Funktionszustand der Pumpe, während ein Betrieb mit modifiziertem Betriebsparameter und folglich Generierung des akustischen Signals eine Anomalie im Pumpenverhalten anzeigen soll.
-
In der Praxis hat der Pumpenhersteller oftmals ein Interesse daran, dass die beim Kunden eingesetzten Pumpen registriert werden, d.h. der Pumpenhersteller die Pumpe eindeutig mit einer spezifischen Kundenkennung verknüpfen kann, um dadurch einen dedizierten Kundenservice anbieten zu können. Hierbei ist es bspw. von Vorteil, wenn durch die Modifikation des Betriebsparameters ein akustisches Signal erzeugt wird, wodurch einem Empfangsgerät angezeigt wird, ob die Pumpe bereits beim Hersteller registriert wurde oder nicht. Eine dedizierte Applikation, ausgeführt auf einem Smartphone, Tablet oder Laptop, könnte auf diese Weise im Empfangsbereich das akustische Signal detektieren und den Nutzer bei der Registrierung der Pumpe automatisch unterstützen. Auch könnte die Applikation dem Kunden anzeigen, ob die Pumpe ordnungsgemäß funktioniert oder gegebenenfalls ein Fehlerfall vorliegt.
-
Für die Erfassung und Auswertung des akustischen Signals verwendet das externe Empfangsgerät bevorzugt ein verbautes, handelsübliches Mikrophon. Mittels Audioanalyse des aufgezeichneten Audiosignals, insbesondere mittels Frequenzanalyse wie Fast Fourier Transformation (FFT) oder Diskreter Fourier Transformation (DFT), kann eine auf dem Gerät ausgeführte Applikationen die übermittelte Information aus dem aufgezeichneten Audiosignal extrahieren.
-
Das mittels des Verfahrens erzeugte akustische Signal kann für den Menschen hörbar sein, so dass zur Informationsübertragung prinzipiell kein technisches Gerät notwendig ist, sondern der Nutzer bereits das geänderte Betriebsgeräusch der Pumpe erkennen und idealerweise bewerten kann. Es spricht jedoch nichts dagegen, die Modifikation des Betriebsparameters so zu wählen, dass der Mensch die Änderung des Betriebsgeräusches, d.h. das generierte akustische Signal, nicht wahrnehmen kann.
-
Die Erfindung betrifft neben dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, umfassend einen Elektromotor sowie einen Frequenzumrichter zur drehzahlvariablen Regelung des Elektromotors. Erfindungsgemäß ist der Frequenzumrichter, insbesondere die Steuerung des Frequenzumrichters, zur Durchführung der Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung konfiguriert. Demzufolge ergeben sich für die erfindungsgemäße Pumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des Verfahrens diskutiert wurden. Auf eine wiederholende Erläuterung wird der Einfachheit halber verzichtet.
-
Die Pumpe kann eine Heizungsumwälzpumpe, eine Zirkulationspumpe für eine Druckerhöhungsanlage oder eine sonstige Kreiselpumpe sein. Der Elektromotor ist ein Umrichter-gesteuerter Wechselstrom- oder Drehstrommotor. Generell ist das Verfahren für beliebige Motortypen einsetzbar, die mittels Frequenzumrichter angesteuert werden, wie bspw. Synchron- und Asynchronmotoren, Reluktanzmotoren, Synchronreluktanzmotoren, usw..
-
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Figuren ausgeführten Anwendungsschritte näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1: eine schematische Skizzierung der Verfahrensschritte gemäß eines ersten Anwendungsszenarios und
- 2: eine Skizzierung der schematischen Schritte während eines zweiten Anwendungsszenarios.
-
Im Folgende wird ein mögliches Anwendungsszenario für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Bei der hier dargestellten Pumpe 1 handelt es sich um eine Heizungsumwälzpumpe, die in der Heizungsanlage des Kunden 5 verbaut ist. Die Heizungsumwälzpumpe 1 umfasst einen Elektromotor, der mittels integriertem Frequenzumrichter energieeffizient geregelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird hier dazu eingesetzt, um eine Statusinformation durch die Hardware der Pumpe 1 ausgeben zu lassen, die dann durch ein beliebiges Endgerät 2 detektierbar ist. Im konkreten Ausführungsbeispiel zeigt diese Statusinformation, nachfolgend als „akustische rote oder grüne Lampe“ bezeichnet, an, ob die Pumpe 1 beim Pumpenhersteller 3 registriert wurde oder nicht. Die Skizze der 1 zeigt die schematischen Schritte für den Registrierungsprozess.
-
Schritt 1:
-
Im Auslieferungszustand der Pumpe 1 sendet diese ein akustisches Signal 20 („akustische rote Lampe“) aus, welches über das Mikrophon eines Smartphones 2 erkannt werden kann und welches eine DeviceID der Pumpe 1 beinhaltet. Die Erzeugung des akustischen Signals 20 erfolgt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Variation eines Betriebsparameters des verbauten Frequenzumrichters der Pumpe 1.
-
Neben dem zum Betrieb des Motors benötigten Spannungsverlaufs in einer Grundfrequenz, besteht hier die Möglichkeit mittels einer sogenannten Hochfrequenz-Injektion einen zusätzlichen hochfrequenten Spannungsverlauf durch den Frequenzumrichter erzeugen zu lassen. Dieser hochfrequente Spannungsverlauf lässt sich derart einprägen, so dass ein akustisches Signal 20 entsteht, welches durch das Smartphone 2 und die dort installierte Applikation erfasst und ausgewertet werden kann. Insbesondere führt die Applikation eine Echtzeit FFT-Analyse des zuvor über das Mikrophon des Smartphones aufgezeichneten Signals durch.
-
Alternativ dazu könnte ein akustisch erfassbares oder wahrnehmbares Signal 20 durch die Variation der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters erzeugt werden, so dass die Abweichung zu einer festgelegten Referenzfrequenz zur Übertragung von Informationen genutzt werden kann. Bei einer Referenzschaltfrequenz von 16kHz könnte beispielsweise eine Schaltfrequenz von 15kHz signalisieren, dass die Pumpe 1 nicht registriert ist („akustische rote Lampe“). Die Grundfrequenz für den eigentlichen Betrieb des Motors liegt dabei üblicherweise im Bereich 50Hz bis 300Hz und wird durch die Variation der Schaltfrequenz nicht beeinflusst. Legt man für die Variation zwischen zwei oder sogar mehr Schaltfrequenzen ein festes Zeitfenster fest, so besteht die Möglichkeit rudimentäre digitale Informationen wie die DevicelD in Form von binären ,1' und ,0' als „Broadcast“ zu senden.
-
Bei Ausführung einer entsprechenden Applikation auf dem Smartphone 2 kann das akustische Signal 20 ausgewertet und die Pumpe 1 als noch nicht registrierte Pumpe identifiziert werden. Ferner kann das akustische Signal 20 bereits die DevicelD der Pumpe 1 beinhalten, die das Smartphone 2 empfängt und im weiteren Prozess verwenden kann.
-
Schritt 2:
-
Nach Empfang der DeviceID der Pumpe 1 durch das Smartphone 2 wird der Anwender 5 über die App des Smartphones 2 zu einer Online-Registrierung der Pumpe 1 geleitet. Die Verbindung zwischen Smartphone 2 und Cloud 3 kann dabei zumindest teilweise per Mobilfunkstandard, bspw. LTE, oder WLAN erfolgen. Die DeviceID wird an einen Cloud-Dienst 3 des Pumpenherstellers übertragen und dort mit einer CustomerID in Verbindung gebracht.
-
Schritt 3
-
Nach Bereitstellung und Verknüpfung der CustomerID mit der DeviceID wird die CustomerID im Nachgang über eine optionale zusätzliche digitale Kommunikationsverbindung zwischen Smartphone 2 und Pumpe 1 gemäß dem Bluetooth/Bluetooth Low Energy Standard auf die Pumpe 1 gespielt. Das erzeugte akustische Signal 20 der Pumpe 1 ändert sich zur „akustischen grünen Lampe“, bspw. indem die Variation des Betriebsparameters rückgängig gemacht wird. Die Übertragung der CustomerID an die Pumpe 1 ist jedoch nur optional, alternativ könnte der Pumpe 1 auch durch eine manuelle Eingabe am Bedienfeld der Pumpe angezeigt werden, dass die Registrierung erfolgreich war.
-
Schritt 4:
-
Die registrierte Pumpe 1 sendet eine Kennung ihres Gesundheitswertes 4 an die App des Smartphones 2, entweder ebenfalls über das akustische Signal 20 oder aber bevorzugt über die aufgebaute Bluetooth-Verbindung.
-
Schritt 5:
-
Dieser Gesundheitswert 4 wird von dem Smartphone 2 zur Cloud 3 gesendet. In der Cloud 3 wird ein Vergleich des überlieferten Gesundheitswertes 4 der Pumpe 1 mit den Gesundheitswerten 7 einer anonymen Flotte 10 vergleichbarer Pumpenmodelle angestellt. Der Kunde 5 erhält anschliessend eine Bewertung 6 seiner eigenen Pumpe 1 im Vergleich zur anonymen Flotte 10.
-
Schritt 6:
-
Im Fall einer Störung oder dem Auftreten einer Anomalie wird das akustische Signal 20 wieder genutzt, um den Kunden 5 auf die Anomalie der Pumpe 1 aufmerksam zu machen. Die akustische „grüne Lampe blinkt“ und signalisiert so eine Anomalie. Der Service 11 kann nun aktiv auf den Kunden 5 mit bekannter CustomerID zugehen und Service für die Pumpe 1 anbieten.
-
2 zeigt ein modifiziertes Anwendungsszenario für das erfindungsgemäße Verfahren. Im Unterschied zum ersten Szenario gemäß 1 tritt beim Use-Case gemäß 2 bereits eine Störung bei einer noch nicht registrierten Pumpe auf („rote Lampe“). Die Pumpe 1 ist hier in der Lage, die Anomalie auch ohne Anbindung an die Cloud 3 selbsttätig zu erkennen. Nach Detektion der Anomalie durch die Pumpe 1 wird das akustische Signal genutzt, um den Kunden auf die Pumpe 1 aufmerksam zu machen. Sofern das akustische Signal durch das Smartphone 2 erkannt wird, soll auch hier der Registrierungsprozess ausgeführt werden, um die eindeutige DeviceID der Pumpe 1 mit einer CustomerID zu verknüpfen und dadurch kundenspezifischen Service anbieten zu können.