VERFAHREN ZUR EIGENDIAGNOSE DES MECHANISCHEN UND/ODER HYDRAULISCHEN ZUSTANDES EINER KREISELPUMPE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigendiagnose des hydraulischen und/oder mechanischen Zustandes einer Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe.

[0002] Heutige energiesparsame Kreiselpumpen sind mit Frequenzumrichter und Drehzahlregelung ausgestattet, um die Drehzahl und damit die Pumpenleistung bedarfsgerecht einzustellen. Für die Regelung bzw. Bestimmung der erforderlichen Soll-Drehzahl benötigt die Pumpensteuerung Kenntnis über den aktuellen Betriebspunkt (Förderstrom Q und Förderhöhe H) der Pumpe. Zur Einsparung von Herstellungskosten werden moderne Kreiselpumpen allerdings ohne dedizierte Durchflusssensoren und/oder Drucksensor gefertigt. Stattdessen muss die Pumpensteuerung mittels eines Betriebspunktmoduls den aktuellen Betriebspunkt anhand der verrichteten mechanischen Leistung der Pumpe und der gefahrenen Drehzahl abschätzen. Beide Eingangsdaten ergeben sich durch ein mathematisches Modell des Motors, das redundant zur Pumpe auf dem Prozessor der Pumpensteuerung mitläuft.

[0003] Die Qualität des Schätzungsergebnisses des Betriebspunktmoduls hängt unter anderem von den im Pumpenspeicher hinterlegten Referenzwerten bzw. Parametern ab, welche an einer baugleichen Referenzpumpe ermittelt und in der Pumpensteuerung hinterlegt werden. Da bei der Serienfertigung üblicherweise nur stichprobenartig Referenzwerte für ausgewählte Exemplare erzeugt werden, können diese aufgrund von Fertigungstoleranzen für gewisse Pumpenexemplare zu ungenau sein. In solch einem Fall ist eine nachträgliche Optimierung dieser Referenzwerte bei der Erstinbetriebnahme als auch im Folgebetrieb wünschenswert. Ferner können auch Verschleißerscheinungen zu fehlerhaften Ergebnissen führen.

[0004] Die WO 2008/138520 A1 offenbart ein Verfahren zur Störungsüberwachung, bei dem 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 ist.

[0005] Die US 2010/0300220 A1 zeigt ein weiteres Verfahren zur Überwachung einer Kreiselpumpe.

[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Pumpensteuerung durch eine Art Selbstdiagnosefunktion zu erweitern, die Fehler in der Betriebspunktschätzung auffinden kann und in Folge dessen Verschleißerscheinungen frühzeitig erkennen oder eine nachfolgende Parameteroptimierung vornehmen kann.

[0007] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0008] Es wird also ein Verfahren zur Diagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Zustandes einer Kreiselpumpe vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vornehmlich für Umwälzpumpen konzipiert, der Kernaspekt der Erfindung lässt sich jedoch ohne Einschränkungen auf Kreiselpumpen im offenen Hydraulikkreislauf anwenden. Der Einfachheit halber wird nachfolgend stets von einer Umwälzpumpe gesprochen, wobei die gemachten Ausführungen ebenso für Kreiselpumpen im offenen Kreislauf gelten.

[0009] Das Verfahren ist für eine Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe bestimmt, die eine Pumpensteuerung mit einem implementierten Motormodell zur Bestimmung der mechanischen Pumpenleistung und der gefahrenen Pumpendrehzahl vorsieht. Ferner umfasst die Pumpensteuerung ein Betriebspunktmodul zur Schätzung des Betriebspunktes der Pumpe auf Basis der Pumpendrehzahl und der mechanischen Pumpenleistung. Das Betriebspunktmodul ist üblicherweise in der Software der Pumpensteuerung umgesetzt.

[0010] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Diagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Pumpenzustands mittels des Motormodells für eine definierte Pumpendrehzahl die mechanische Pumpenleistung zu bestimmen und diese gegen eine geschätzte mechanische Pumpenleistung zu vergleichen, die durch eine invers ausgeführte Betriebspunktschätzung des Betriebspunktmoduls auf Grundlage der definierten Pumpendrehzahl bestimmt wird.

[0011] Im Endeffekt wird hierbei das konventionelle Motormodell der Pumpensteuerung eingesetzt, das im laufenden Pumpenbetrieb auf Grundlage der gefahrenen Ist-Drehzahl die mechanische Pumpenleistung ermittelt und ausgibt. Ferner wird das vorgesehene Betriebspunktmodul zur Schätzung des Betriebspunkts, d.h. zur Schätzung der vorliegenden Fördermenge bzw. Förderhöhe, zweckentfremdet eingesetzt, um ausgehend von einer definierten Drehzahl eine durch das Betriebspunktmodul geschätzte mechanische Pumpenleistung zu ermitteln. Durch Vergleich mit der ausgegebenen mechanischen Pumpenleistung des Motormodells, die der realen Pumpenleistung entspricht, kann die Genauigkeit des Betriebspunktmoduls zur Schätzung des Betriebspunkts evaluiert werden.

[0012] Bei Erstinbetriebnahme und richtiger Konfiguration der im Schätzungsmodul verwendeten Parameter bzw. Referenzwerte sollte die geschätzte mechanische Pumpenleistung der durch das Motormodell bestimmten mechanischen Pumpenleistung entsprechen. Kommt es hier stattdessen zu Abweichungen, kann die Pumpensteuerung demzufolge auf einen Fehlerfall innerhalb der Kreiselpumpe bzw. Umwälzpumpe schließen.

[0013] Gemäß bevorzugter Ausführung wird dem Betriebspunktmodul zur Bestimmung der geschätzten mechanischen Leistung eine für die definierte Pumpendrehzahl zu erwartende Fördermenge und/oder Förderhöhe zugeführt. Die zu erwartende Fördermenge und/oder Förderhöhe wird vorzugsweise unter Ausnutzung der Affinitätsgesetze ermittelt. Insbesondere wird hierbei auf die Aussage des Affinitätsgesetzes zurückgegriffen, wonach sich der Förderstrom proportional zu einer Drehzahlerhöhung verhält. Demgegenüber nimmt die Förderhöhe quadratisch zur Drehzahländerung zu. Unter Ausnutzung dieser Gesetzmäßigkeiten kann für die definierte Drehzahl, die gegenüber einer vorherigen Drehzahl eine bestimmte Drehzahländerung darstellt, davon ausgegangen werden, dass sich für diese auch der Förderstrom bzw. die Förderhöhe entsprechend gegenüber dem für den vorherigen Drehzahlwert geschätzten Förderstrom bzw. Förderhöhe ändert.

[0014] Mittels des Vergleichs wird vorzugsweise ein Differenzbetrag zwischen den Leistungswerten bestimmt. Im fehlerfreien Fall beträgt der Differenzbetrag null bzw. nahezu null. Bei Abweichungen kann die Pumpe stattdessen auf einen Fehlerfall schließen.

[0015] Neben der bloßen Fehlererkennung ist eine verwertbare Spezifizierung der konkreten Fehlerart bzw. der Fehlerursache wünschenswert. Für diesen Fall kann vorgesehen sein, dass das Verfahren bei einem Fehlverhalten für eine Reihe abweichender definierter Drehzahlwerte wiederholt ausgeführt wird. Nachfolgend kann eine Auswertung der entsprechenden Vergleichsergebnisse bzw. der erhaltenen Differenzwerte zwischen den Leistungswerten erfolgen, um beispielsweise anhand mathematischer Zusammenhänge zwischen den einzelnen Differenzwerten und den zugeordneten Drehzahlwerten die Fehlerart genauer spezifizieren zu können. Hierbei kann angenommen werden, dass die mechanische Verlustleistung quadratisch von der Drehzahl abhängt. Wird ein solcher mathematischer Zusammenhang zwischen den Differenzwerten und Drehzahlwerten erkannt, kann ein mechanischer Verschleißanteil als maßgebliche Ursache für das Fehlerverhalten detektiert werden. Andere mathematische Zusammenhänge können beispielsweise auf hydraulische Fehler hinweisen, unter anderem beispielsweise auf eine Verkalkung des Spaltrohrs des Pumpenantriebes.

[0016] Das verwendete Betriebspunktmodul zur Schätzung des Betriebspunkts basiert üblicherweise ebenfalls auf den Affinitätsgesetzen. Für die Anwendbarkeit dieser Gesetzmäßigkeiten ist es jedoch zwingend notwendig, den Anteil der mechanischen Pumpenleistung, der die mechanische Verlustleistung charakterisiert, vorab herauszurechnen, da dieser Anteil nicht den benannten Gesetzmäßigkeiten unterliegt. Hierzu wird erfindungsgemäß ein entsprechender Leistungskorrekturwert verwendet, der vor der Betriebspunktschätzung auf die zugeführte mechanische Pumpenleistung aufgerechnet wird, insbesondere von dieser subtrahiert wird. Demzufolge ist für die Qualität der Betriebspunktschätzung die Richtigkeit und Genauigkeit dieses Korrekturwertes von hoher Bedeutung, d.h. wie genau der Korrekturwert die tatsächliche mechanische Verlustleistung innerhalb der Pumpe widerspiegelt. Je genauer dieser Parameter bestimmt wird, desto genauer ist letztendlich die Betriebspunktschätzung.

[0017] Genau dieser Parameter kann nachfolgend jedoch auch dafür eingesetzt werden, um nach dem Auftreten eines Fehlerfalls die Fehlerart weiter spezifizieren zu können. Hierbei wird der Leistungskorrekturwert während der wiederholten Verfahrensausführung für unterschiedliche definierte Drehzahlwerte systematisch variiert. Insbesondere wird mittels der systematischen Variation des Leistungskorrekturwertes versucht, einen neuen einheitlichen Korrekturwert aufzufinden, der für sämtliche definierte Drehzahlen einen Differenzbetrag gleich bzw. nahe null ergibt. Ist dies der Fall und kann davon ausgegangen werden, dass der bei der Erstinbetriebnahme der Pumpe eingesetzte Leistungskorrekturwert nicht fehlerhaft war, so kann die nun ermittelte notwendige Änderung des Leistungskorrekturwertes ein Indiz für den mechanischen Verschleiß innerhalb der Pumpe darstellen. Eine Anpassung des Leistungskorrekturwertes, insbesondere einer Werterhöhung ist ein deutliches Indiz für den zunehmenden Verschleiß innerhalb der Pumpe. Die betragsmäßige Werterhöhung ist zudem ein Maßstab für den Fortschritt des mechanischen Verschleißes.

[0018] Lässt sich demgegenüber kein passender Leistungskorrekturwert bestimmen, ist eine mechanische Ursache unwahrscheinlicher und es kann als Hinweis auf einen hydraulischen Fehler interpretiert werden. Oftmals führt eine Verkalkung des Spaltrohrs des Antriebsmotors der Pumpe zu einem solchen nicht mechanisch begründeten Fehlverhalten.

[0019] Es ist vorstellbar, dass das Verfahren während der Erstinbetriebnahme der Kreiselpumpe bzw. Umwälzpumpe oder alternativ zu einem späteren Zeitpunkt im laufenden Pumpenbetrieb zur Ausführung kommt. Bei der Erstinbetriebnahme der Pumpe kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu eingesetzt werden, etwaige Parameter für die Betriebspunktschätzung zu optimieren, so beispielsweise den zuvor genannten Leistungskorrekturwert. Für die Optimierung der Betriebspunktschätzung durch Korrektur des Leistungskorrekturwertes kann beispielsweise ein iteratives Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen. Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise auch ein zeitvarianter erweiterter Kalman Filter zur permanenten Anpassung des Leistungskorrekturwertes gemäß quadratischer Optimierung zur Anwendung kommen.

[0020] Bei der Verfahrensausführung im laufenden Betrieb kann mittels des Verfahrens stattdessen auf einen mechanischen oder hydraulischen Fehler der Pumpe geschlossen werden und dies dem Nutzer visuell und/oder akustisch zur Anzeige gebracht werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn dem Nutzer eine Warnung kurz vor einem möglichen Pumpendefekt bzw. Pumpenausfall zur Anzeige gebracht wird. Auch ist es vorstellbar, dass die Pumpe permanent ihren Zustand dem Anwender mitteilt und ihn kurz vor einem Ausfall warnt.

[0021] Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb sowie einer Pumpensteuerung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Demzufolge zeichnet sich die Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe durch dieselben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.

[0022] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt werden. Es zeigen:

Figur 1:

zwei exemplarische Diagrammdarstellungen für mögliche Pumpenkennlinien;

Figur 2:

eine weitere Diagrammdarstellung mit unterschiedlichen Leistungskennlinien;

Figur 3:

eine Blockdarstellung zur Darstellung des Betriebspunktmoduls zur Betriebspunktschätzung;

Figur 4:

eine schematische Blockdarstellung zur Verdeutlichung der einzelnen Schritte für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 5:

eine Diagrammdarstellung zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen Drehzahl und der mechanischen Verlustleistung und

Figur 6:

die Diagrammdarstellungen der Figur 1 zur Verdeutlichung der Ermittlung der passenden Förderhöhe in Abhängigkeit der mechanischen Pumpenleistung.

[0023] Die erfindungsgemäße Kreiselpumpe in Form einer Umwälzpumpe ist mit einem Frequenzumrichter und einer Drehzahlregelung ausgestattet. Damit die Pumpensteuerung die Drehzahl bedarfsgerecht einstellen kann, benötigt sie das Wissen über den aktuellen Betriebspunkt (Förderstrom Q und Förderhöhe H). Diese Werte werden mittels eines in Software realisierten Betriebspunktmoduls geschätzt, d.h. der aktuelle Betriebspunkt wird anhand der mechanischen Leistung und der Drehzahl geschätzt. Beide Daten liefert ein mathematisches Modell des Motors, welches redundant zur Pumpe auf dem Prozessor mitläuft.

[0024] Die Betriebspunktschätzung erfolgt anhand der Affinitätsgesetze unter Berücksichtigung hinterlegter Kennlinien sowie eines Korrekturwertes für die mechanischen Leistungsverluste der Pumpe. Die Affinitätsgesetze sind in der Literatur allgemein bekannt und besagen, dass sich Leistung, Förderstrom und Förderhöhe bei einer Änderung der Drehzahl wie folgt verhalten:

[0025] Des Weiteren werden in der Pumpensteuerung die Zusammenhänge von mechanischer Leistung und Förderstrom sowie Förderhöhe und Förderstrom bei Nenndrehzahl in Form von Kennlinien hinterlegt. Das Diagramm a) zeigt für die Nenndrehzahl n_N den Zusammenhang zwischen Förderstrom und mechanischer Leistung P_mech, die vom Motor abgegeben wird. Das Diagramm b) zeigt den Zusammenhang zwischen Förderhöhe und Förderstrom bei Nenndrehzahl n_N.

[0026] Die mechanische Leistung P_mech entspricht der Summe aus hydraulischer Leistung P_hydr, hydraulischer Verlustleistung P_hydr,loss sowie der mechanischen Verlustleistung P_mech,loss. Figur 2 stellt die einzelnen Leistungskurven in Abhängigkeit des Förderstromes dar.

[0027] Es ist bekannt, dass die hydraulische Pumpenleistung P_hydr, sowie die hydraulische Verlustleistung P_hydr,loss der Pumpe ausreichend genau den Affinitätsgesetzen folgen. Die mechanische Verlustleistung P_mech,loss der Pumpe hingegen folgt diesen Gesetzen nicht, kann aber als förderstromunabhängig und annähernd proportional zum Quadrat der Drehzahl angenommen werden. Vergleiche hierzu die Diagrammdarstellung der Figur 5, die die Pumpendrehzahl der mechanischen Verlustleistung gegenüber stellt. Gezeigt sind zum einen die reale Messkurve einer untersuchten Umwälzpumpe sowie die entsprechende quadratische Interpolation. Mathematisch lässt sich der Zusammenhang wie folgt beschreiben:

[0028] Die mechanischen Verluste sind zwar relativ gering, allerdings müssen sie vor der Anwendung der Affinitätsgesetze heraus gerechnet werden, denn der geringe Anteil würde durch die dritte Potenz (Gl. 3) das Ergebnis signifikant verfälschen. Um dies zu verhindern, wird der Zusammenhang zwischen Drehzahl n und mechanischen Verlusten P_mech,loss in der Pumpe hinterlegt.

[0029] Die Figur 3 zeigt den vollständigen Ablauf einer Betriebspunktschätzung durch das pumpeninterne Betriebspunktmodul. Die Eingangsgrößen sind die von der Motoregelung bereitgestellten Werte für die Drehzahl n_ist und die mechanische Leistung P_mech. Im Bereich a) der Figur 3 werden die mechanischen Verluste P_mech,loss durch den Korrekturwert P_korr von der Motorleistung P_mech abgezogen und dadurch eine Anwendung der Affinitätsgesetze ermöglicht.

[0030] Im Bereich b) wird die Leistung anhand der Affinitätsgesetze auf die normierte Leistung P_N, die bei einer Erhöhung der Drehzahl auf Nenndrehzahl n_N vorliegen würde, transformiert. Mit dieser normierten Leistung P_N kann anhand der hinterlegten P/Q-Kennlinie (Figur 1a) der normierte Förderstrom Q_norm abgeleitet werden, der sich bei normierter Leistung P_N und Nenndrehzahl n_N einstellen würde.

[0031] Q_norm wird im Bereich c) mittels Affinitätsgesetzen auf die aktuell vorliegende Drehzahl n_ist rücktransformiert. Auf diese Weise erhält man den geschätzten Förderstrom Q_est. Äquivalent zu den Bereichen b) und c) wird in den Bereichen d) und e) die geschätzte Förderhöhe H_est bestimmt. Dieser Vorgang wird nochmals anschaulich in Figur 6 anhand der gegenübergestellten Diagramme der Figur 1 wiedergegeben. Zunächst (Figur 6a)) wird anhand des Diagramms der Figur 1a) der für die normierte Leistung P_N passende normierte Förderstrom Q_N bestimmt. Im nächsten Schritt wird für den normierten Förderstrom Q_N aus dem Diagramm 1b) die normierte Förderhöhe H_N ausgelesen. Falls in der Pumpe ein Drucksensor vorhanden ist, können die geschätzte und die gemessene Förderhöhe durch Multisensor Datenfusion zusammengeführt und dadurch die Betriebspunktschätzung verbessert werden.

[0032] Mit dem Verfahren der Betriebspunktschätzung lassen sich aus der mechanischen Leistung P_mech und der Drehzahl nist der Förderstrom Q_est und die Förderhöhe H_est bestimmen. Allerdings funktioniert dies nur unter der Annahme, dass die hinterlegten Kennlinien sowie die hinterlegten Leistungskorrekturwerte P_korr exakt stimmen. In der Praxis hingegen sind Abweichungen zwischen hinterlegten Daten und realem Pumpenverhalten möglich. Dies kann folgende Ursachen haben:

• Aufgrund von mechanischem Verschleiß sowie Spaltrohrverkalkung verändert sich das Reibverhalten mit der Zeit. Dies führt dazu, dass die Leistungskorrekturwerte P_korr nicht mehr stimmen.
• Aufgrund von Ablagerungen in der Pumpe sowie durch Spaltaufweitung verändert sich das hydraulische Verhalten der Pumpe. Dies führt dazu, dass die hinterlegten Q/H- und Q/P-Kennlinie nicht mehr stimmen.
• Aufgrund von Toleranzen sind die Leistungskorrekturwerte sowie die hinterlegten Kennlinien von Pumpe zu Pumpe unterschiedlich. Da nur eine Pumpe vermessen und die Daten in allen Pumpen dieser Baureihe hinterlegt sind, stimmen die hinterlegten Daten nur bedingt.

[0033] Aufgrund der genannten Einschränkungen sind Abweichungen von bis zu 15 % bei der Betriebspunktschätzung möglich. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem Abweichungen zwischen realem Pumpenverhalten und hinterlegten Leistungskorrekturwerten P_korr bzw. des Faktors α im geschlossenen Wasserkreislauf detektiert werden können. Dieses Verfahren basiert darauf, dass die Pumpe während des Betriebs kurzzeitig ihre Drehzahl verändert. Die sich daraus ergebenden Änderungen des Betriebspunkts können mittels Affinität aus dem vorherigen Betriebspunkt berechnet sowie aus der mechanischen Leistung P_mech des Motors geschätzt werden. Durch Vergleich der beiden ermittelten Betriebspunkte lässt sich auf die Qualität der in der Pumpe hinterlegten Leistungskorrekturwerte P_korr bzw. des Faktors α schließen.

[0034] Diese Bewertung ist nur gültig, wenn die Anlagenkennlinie während der Drehzahländerung konstant bleibt. Im Heizkreis bedeutet dies, die Thermostatventile dürfen sich nicht anpassen. Da die Drehzahländerung sehr schnell und nur für einen sehr kurzen Zeitraum erfolgt, wird davon ausgegangen, dass diese Voraussetzung erfüllt ist.

[0035] Das Verfahren gliedert sich in vier Schritte und wird anhand Figur 4 erläutert. Zunächst wird Schritt 1 (Ausgangssituation) betrachtet. Die Pumpe befindet sich noch im Regelbetrieb; die Betriebsart "Ermittlung des Abnutzungszustands" ist noch nicht eingeschaltet. Der Motor bekommt eine Solldrehzahl n₀. Es wird davon ausgegangen, dass Soll- und Ist-Drehzahl identisch sind. Die Betriebspunktschätzung ermittelt die aktuell vorliegende Förderhöhe (H_est,0) sowie den Förderstrom (Q_est,0).

[0036] Wenn die Pumpe in die Betriebsart "Ermittlung des Abnutzungszustands" schaltet, dann werden die aktuell vorliegenden Werte für n₀, Q_est,0 und H_est,0 gespeichert. Fortan wird Schritt 2 (Vorbereitung Drehzahlvariation) betrachtet. Die Pumpe wird jetzt prüfen, was passieren würde, wenn sich die aktuelle Drehzahl n₀ um den Wert k ändern würde, ohne die Drehzahl tatsächlich zu ändern. Aufgrund der Affinitätsgesetze (Gl. 1 und Gl. 2) wird erwartet, dass sich in diesem Fall der sich einstellende Förderstrom Q_exp um den Faktor k ändert (Q_exp = k·Q_est,0). Entsprechend würde sich die Förderhöhe um den Faktor k² ändern (H_exp = k²·H_est,0).

[0037] Mit einer inversen Betriebspunktschätzung berechnet die Pumpe daraus die erwartete mechanische Leistung P_exp. Der Wert der erwarteten Leistung P_exp wird gespeichert. Im nächsten Schritt (Schritt 3: Drehzahl variieren) wird die Pumpe die aktuelle Drehzahl n₀ tatsächlich um den Wert k erhöhen und aus dem Motormodell eine aktuell vorliegende mechanische Leistung (P_mech,1) erhalten. Dieser Leistungswert wird gespeichert. Im Schritt 4 erfolgt die Auswertung. Es wurden zwei Leistungswerte P_{mech, 1}, P_exp ermittelt, die zum gleichen Betriebspunkt gehören. P_exp wurde mittels Affinitätsgesetzen aus einem anderen Betriebspunkt berechnet. P_mech,1 wurde aus dem tatsächlichen zugehörigen Betriebspunkt bestimmt. Wenn die in der Pumpe hinterlegten Leistungskorrekturwerte P_korr bzw. α exakt stimmen, dann ist die Differenz zwischen beiden Leistungswerten (P_mech,1 und P_exp) gleich null (P_error = 0). Ist P_error ungleich null, so ist die hinterlegte Leistungskorrektur fehlerhaft. Dies liegt entweder daran, dass sich aufgrund von mechanischem Verschleiß die Reibverhältnisse verändert haben oder ein nicht mechanischer Einfluss gegeben ist, beispielsweise dass sich aufgrund von Verkalkung das Spaltrohr zugesetzt hat.

[0038] Um diese beiden Einflüsse separieren zu können, werden die beschriebenen Schritte eins bis vier mehrfach unter Verwendung unterschiedlicher k-Werte durchgeführt.

[0039] Mit dem Wissen, dass die mechanische Verlustleistung quadratisch von der Drehzahl n abhängt, kann der mechanische Verschleißanteil eindeutig separiert werden, indem der Leistungskorrekturwert α (Gl. 4) systematisch variiert wird. Sollte es dadurch gelingen, den Fehler P_error für alle k-Werte gegen null zu bringen, dann sind die Abweichungen auf mechanische Reibung zurückzuführen. Andernfalls lässt sich der Fehler P_error auf nichtmechanische Einflüsse (wie bspw. eine Verkalkung des Spaltrohrs) zurückführen. Diese nichtmechanischen Einflüsse werden anderen mathematischen Zusammenhängen folgen, die ebenfalls durch Variation des Verstärkungsfaktors k bestimmbar sind. Der exakte Zusammenhang zwischen Verlusten aufgrund von Verkalkung des Spaltrohrs und Drehzahl muss im Experiment bestimmt werden.

[0040] Durch die Erfindung sind zusammenfassend die folgenden Anwendungsszenarien denkbar. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um eine abschließende Aufzählung.

1. Health-Monitoring / Conditioning-Monitoring

[0041] Mit dem vorgestellten Verfahren ist die Pumpe in der Lage, ihren eigenen Zustand zu erfassen. Sie kann den Fehler ihrer hinterlegten Daten sowohl nach der Inbetriebnahme als auch während der Lebensdauer ermitteln. Der Fehler während der Erstinbetriebnahme ist auf Fertigungstoleranzen zurückzuführen. Eine Veränderung über die Lebensdauer deutet auf Verschleiß und hydraulische Abnutzung hin. Die Pumpe könnte permanent ihren Zustand dem Anwender mitteilen und ihn kurz vor einem Ausfall warnen.

2. Verbesserung der Betriebspunktschätzung

[0042] Die Pumpe kennt den Fehler ihrer hinterlegten Daten und kann bedingt zwischen hydraulischen Einflüssen und mechanischem Verschleiß unterscheiden. Auf diese Weise kann sie durch Anpassen der hinterlegten Daten ihre eigene Betriebspunktschätzung optimieren. Dies kann durch iteratives Parameter Tuning erfolgen. Alternativ kann mit einem zeitvarianten extended Kalman-Filter ein permanentes Parametertuning gemäß einer quadratischen Optimierung erfolgen.

[0043] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich sehr genau auf Fehler der hinterlegten Leistungskorrekturwerte schließen. Allerdings können Abweichungen der hinterlegten P/Q- und H/Q-Kennlinie (in sensorlosen Systemen) nicht detektiert werden. Aus diversen Versuchen ist jedoch bekannt, dass die dominantesten Abnutzungserscheinungen auf die Verkalkung des Spaltrohrs und in etwas geringerem Ausmaß auf mechanischen Verschleiß zurückzuführen sind. Somit kann dieses Verfahren zumindest einen relevanten Anteil der Abnutzung erkennen und entsprechend die Betriebspunktschätzung teilweise verbessern.

Ansprüche

1. Verfahren zur Eigendiagnose des mechanischen und/oder hydraulischen Zustandes einer Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, wobei die Pumpensteuerung ein mathematisches Motormodell zur Bestimmung der mechanischen Pumpenleistung und der Ist-Drehzahl der Pumpe umfasst und für eine Eigendiagnose der Pumpe die mittels des Motormodells für eine definierte Pumpendrehzahl bestimmte mechanische Pumpenleistung gegen eine geschätzte mechanische Pumpenleistung verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebspunktmodul zur Schätzung des Betriebspunktes der Pumpe auf Basis der Pumpendrehzahl und der mechanischen Pumpenleistung vorgesehen ist, wobei die geschätzte mechanische Pumpenleistung durch Inversion des Betriebspunktmoduls für die definierte Pumpendrehzahl bestimmt wird und innerhalb des Betriebspunktmoduls ein Leistungskorrekturwert in die mechanische Pumpenleistung eingerechnet wird, um eine mechanische Verlustleistung zu kompensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Betriebspunktmodul zur Bestimmung der geschätzten mechanischen Leistung eine für die definierte Pumpendrehzahl zu erwartende Fördermenge und/oder Förderhöhe zugeführt wird, wobei die zu erwartende Fördermenge und/oder Förderhöhe vorzugsweise unter Ausnutzung der Affinitätsgesetze ermittelt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Vergleichs ein Differenzbetrag zwischen den Leistungswerten bestimmt wird und bei einem Differenzbetrag ungleich null ein Fehlverhalten der Pumpe erkannt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Fehlverhalten für unterschiedliche definierte Drehzahlwerte wiederholt ausgeführt wird und durch Auswertung der Vergleichsergebnisses bzw. der Differenzwerte eine Fehlerbestimmung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskorrekturwert während der wiederholten Verfahrensausführung systematisch variiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der systematischen Variation des Leistungskorrekturwertes versucht wird, einen neuen einheitlichen Leistungskorrekturwert zu ermitteln, der für die verschiedenen definierten Drehzahlen einen Differenzbetrag gleich bzw. nahe Null ermöglicht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpensteuerung von einem erhöhten mechanischen Verschleiß der Pumpe ausgeht, sofern ein neuer einheitlicher Leistungskorrekturwert ermittelbar ist und andernfalls von einem nicht mechanischen Fehler, insbesondere einem hydraulischen Fehler innerhalb der Pumpe ausgeht.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während der Erstinbetriebnahme der Pumpe oder zu einem späteren Zeitpunkt im laufenden Pumpenbetrieb zur Ausführung kommt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verfahrensausführung während der Erstinbetriebnahme eine Optimierung der Betriebspunktschätzung durch Korrektur des Leistungskorrekturwertes vorgenommen werden kann, insbesondere mittels iterativem Optimierungsverfahrens und/oder unter Verwendung eines zeitvarianten erweiterten Kalman-Filters zur permanenten Anpassung des Leistungskorrekturwertes gemäß quadratischer Optimierung.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verfahrensausführung im laufenden Betrieb ein mechanischer und/oder hydraulische Fehler der Pumpe erkannt wird und dem Nutzer visuell und/oder akustisch angezeigt wird, insbesondere erfolgt eine Warnung kurz vor einem Pumpenausfall.

11. Kreiselpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, mit einem drehzahlvariablen Pumpenantrieb und einer Pumpensteuerung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

Claims

1. Method for self-diagnosis of the mechanical and/or hydraulic state of a centrifugal pump, in particular a circulating pump, wherein the pump controller comprises a mathematical motor model for determining the mechanical pump power and the actual speed of the pump and for self-diagnosis of the pump, the mechanical pump power determined by means of the motor model for a defined pump speed is compared with an estimated mechanical pump power, characterized in that an operating point module is provided for estimating the operating point of the pump on the basis of the pump speed and the mechanical pump power, wherein the estimated mechanical pump power is determined by inversion of the operating point module for the defined pump speed and, within the operating point module, a power correction value is included in the mechanical pump power in order to compensate a mechanical power loss.

2. Method according to Claim 1, characterized in that an expected delivery rate and/or delivery head for the defined pump speed is fed to the operating point module to determine the estimated mechanical power, wherein the expected delivery rate and/or delivery head are preferably established using the laws of affinity.

3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that, by means of the comparison, a difference is determined between the power values and erroneous behaviour of the pump is identified if the difference is not equal to zero.

4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is carried out repeatedly for different defined speed values in the event of erroneous behaviour and error determination is carried out by evaluating the comparison results or the difference values.

5. Method according to Claim 4, characterized in that the power correction value is varied systematically during repeated performance of the method.

6. Method according to Claim 5, characterized in that it is attempted, by systematic variation of the power correction value, to establish a new uniform power correction value which enables a difference equal or close to zero for the various defined speeds.

7. Method according to Claim 6, characterized in that the pump controller assumes increased mechanical attrition of the pump if a new uniform power correction value can be established and otherwise assumes a nonmechanical error, in particular a hydraulic error within the pump.

8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is carried out during initial commissioning of the pump or at a later point in time during ongoing pump operation.

9. Method according to Claim 8, characterized in that, when the method is carried out during initial commissioning, the operating point estimation can be optimized by correction of the power correction value, in particular by means of an iterative optimization method and/or using a time variant-extended Kalman filter for permanent adaptation of the power correction value by quadratic optimization.

10. Method according to either of Claims 8 and 9, characterized in that, when the method is carried out during ongoing operation, a mechanical and/or hydraulic error of the pump is identified and displayed visually and/or acoustically to the user, in particular a warning is issued shortly before pump failure.

11. Centrifugal pump, in particular circulating pump, with a variable-speed pump drive and a pump controller for carrying out the method according to one of the preceding claims.

Revendications

1. Procédé d'autodiagnostic de l'état mécanique et/ou hydraulique d'une pompe centrifuge, notamment d'une pompe de recirculation, la commande de pompe comprenant un modèle de moteur mathématique destiné à déterminer la puissance de pompe mécanique et la vitesse de rotation réelle de la pompe et à effectuer un autodiagnostic de la pompe, la puissance de pompe mécanique déterminée au moyen du modèle de moteur pour une vitesse de rotation de pompe définie étant comparée à une puissance de pompe mécanique estimée, caractérisé en ce qu'un module de point de fonctionnement destiné à estimer le point de fonctionnement de la pompe en fonction de la vitesse de rotation de pompe et de la puissance mécanique de la pompe est fourni, la puissance de pompe mécanique estimée étant déterminée par inversion du module de point de fonctionnement pour la vitesse de rotation de pompe définie et une valeur de correction de puissance étant introduite par calcul dans la puissance de pompe mécanique dans le module de point de fonctionnement afin de compenser une perte de puissance mécanique.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un débit de refoulement et/ou une hauteur de refoulement attendus pour la vitesse de rotation de pompe définie sont fournis au module de point de fonctionnement pour déterminer la puissance mécanique estimée, le débit de refoulement et/ou la hauteur de refoulement attendus étant de préférence déterminés à l'aide des lois d'affinité.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une différence entre les valeurs de puissance est déterminée au moyen de la comparaison et un dysfonctionnement de la pompe est détecté si la différence n'est pas égale à zéro.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé est mis en œuvre de manière répétée en cas de dysfonctionnement pour différentes valeurs de vitesse de rotation définies et une détermination d'erreur est effectuée par évaluation du résultat de comparaison ou des valeurs de différence.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on fait varier la valeur de correction de puissance systématiquement lors de la mise en œuvre répétée du procédé.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la variation systématique de la valeur de correction de puissance permet de tenter de déterminer une nouvelle valeur de correction de puissance uniforme qui permet une différence égale à zéro ou proche de zéro pour les différentes vitesses définies.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la commande de pompe suppose une usure mécanique accrue de la pompe si une nouvelle valeur de correction de puissance uniforme peut être déterminée et suppose sinon un défaut non mécanique, en particulier un défaut hydraulique, à l'intérieur de la pompe.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé est mis en œuvre lors du démarrage initial de la pompe ou à un instant ultérieur pendant le fonctionnement continu de la pompe.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, lorsque le procédé est mis en œuvre lors de la première mise en service, l'estimation du point de fonctionnement peut être optimisée par correction de la valeur de correction de puissance, notamment au moyen d'un procédé d'optimisation itératif et/ou à l'aide d'un filtre de Kalman étendu variable dans le temps destiné à effectuer un ajustement permanent de la valeur de correction de puissance selon une optimisation quadratique.

10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que, lorsque le procédé est mis en œuvre en cours de fonctionnement, un défaut mécanique et/ou hydraulique de la pompe est détecté et indiqué à visuellement et/ou acoustiquement à l'utilisateur, en particulier, un avertissement étant effectué peu de temps avant la panne de la pompe.

11. Pompe centrifuge, en particulier pompe de recirculation, comprenant un entraînement de pompe à vitesse variable et une commande de pompe, qui est conçue pour mettre en œuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes.

Zeichnung