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Energieoptimierte Pumpenanwendungen

: Schneider Electric


Bei der Konzeption und Dimensionierung von Pumpenanwendungen mit schwankenden Förderströmen oder Druckverhältnissen, wie dies z.B. bei Wasserversorgungs-, Drucksteigerungs- oder Bewässerungsanlagen gegeben ist, muss neben den fluidtechnischen Grundanforderungen auch die Wirtschaftlichkeit und Anlagenverfügbarkeit mit in die Betrachtung einbezogen werden, zumal die laufenden Betriebskosten die Anschaffungskosten bei weitem übersteigen.

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Die Planung und Realisierung von energieoptimierten Systemen stellt diesbezüglich sowohl eine ökologisch als auch ökonomisch sinnvolle Vorgehensweise dar. Als prinzipielle Steuer- bzw. Regelkonzepte stehen Möglichkeiten zur Auswahl, die in der Folge beschrieben werden.

Pumpe mit starrer Drehzahl und mechanischem Stellglied

Mechanische Stellglieder in der Rohrleitung bewirken eine Veränderung der Anlagenkennlinie. Der Betriebspunkt der Anlage stellt sich im Schnittpunkt der Anlagenkennlinie (Abb. 1 - blau) mit der Pumpenkennlinie (Abb. 1 - grün) ein. So führt der Einsatz eines Schiebers oder Drosselventils zur Reduzierung des Förderstromes zu zusätzlichen Druckverlusten am Stellglied und damit zu einer steileren Anlagenkennlinie.
Zur systembedingten Förderenergie kommt die Energie zur Abdeckung des Druckverlustes und der erhöhten Verlustenergie, bedingt durch den ungünstiger werdenden Wirkungsgrad der Pumpe, hinzu. Diese Ausführungsvariante stellt bei Neuanlagen aus energetischer Sicht keine akzeptable Lösung dar. Bei bestehenden Anlagen sollte die Möglichkeit zur Umstellung auf eine energieoptimierte Lösung untersucht werden.

Pumpe mit drehzahlvariablem Antrieb

Wird die Pumpe z.B. durch Einsatz eines Frequenzumrichters drehzahlvariabel betrieben, erfolgt die Veränderung des Förderstromes durch Beeinflussung
der Pumpenkennlinie (Abb. 2 - grün). Die Anlagenkennlinie (Abb. 2 - blau) bleibt dabei unverändert. Dies vermeidet zusätzliche Druckverluste und hält den Pumpenwirkungsgrad im gesamten Regelbereich nahe dem möglichen Optimum. Die erzielbaren Energieeinsparungen im Vergleich zu mechanischen Stellorganen lassen sich mit Hilfe einfacher PC-Programme klar vorausberechnen.

Pumpen im Kaskadenbetrieb

Treten prozessbedingt sehr große Förderstromdifferenzen auf (z.B. Wasserversorgungsanlage), bietet sich die Überlegung an, anstatt einer großen drehzahlgeregelten Pumpenanlage mehrere kleine Pumpen in Kaskadenschaltung zu verwenden. Dabei werden mehrere Pumpen saug- und druckseitig parallel geschaltet und in Abhängigkeit der prozessbedingten Auslastung geregelt bzw. zu- und abgeschaltet.
Die einzelnen Pumpen und Antriebe werden dabei stets in ihrem optimalen Regel- bzw. Wirkungsgradbereich betrieben. Es ergibt sich neben den geringeren Betriebs- (Energie) kosten zusätzliches Einsparungspotential durch die Verwendung kleinerer Systemeinheiten bei gleichzeitig erhöhter Betriebssicherheit!

Die Zu- und Abschaltbefehle der einzelnen Kaskadenantriebe können entweder durch direktes Auswerten der Regelabweichung des Prozessreglers oder abgeleitet aus der Frequenz des Leitantriebes erfolgen. Die Auswertung der Regelabweichung ist einfach durchzuführen und bedarf nur weniger Einstellungen hinsichtlich der Zu- und Abschaltdynamik. Sind die einzelnen Kaskadenpumpen ungleich in ihrer Nennfördermenge oder sollen die Kaskadenpumpen zur jeweiligen Kaskadenstufe wirkungsgradoptimiert betrieben werden, so muss für jede Kaskadenpumpe eine eigene Frequenzschwelle für die Zu- und Abschaltung vorgesehen werden. Zur Anpassung an die erlaubten Druck- bzw. Förderstromtoleranzen sowie der Größe des anlagenseitigen Druckspeichers sind die Schaltbefehle zeitlich verzögerbar auszuführen. Dadurch werden dynamisch bedingte, unnötige Zu- und Abschaltungen einzelner Kaskadenantriebe
bei kurzen Druckschwankungen vermieden.

Automatischer Motorwechsel

Das Prinzip der Kaskadenschaltung ist die bedarfsgerechte Zu- und Abschaltung einzelner Kaskadenstufen. Dies führt jedoch automatisch dazu, dass die Grundlastpumpe (= Leitantrieb) öfters in Betrieb ist als die Spitzenlastpumpe, d.h. die Betriebsstunden der einzelnen Kaskadenantriebe verhalten sich proportional zum benötigten Förderstrom gemäß dem Tagesgang der Anlage. Entsprechend der Auslegung kann die Spitzenlastpumpe z.B. nur in Notsituationen (Löschwasserbereitstellung) zum Einsatz kommen. Um Probleme bzw. Schäden an jenen Pumpen, die nicht regelmäßig in Verwendung sind (Dichtungsprobleme, Festrosten…), zu vermeiden und die Betriebsstunden aller Kaskadenantriebe auszugleichen, ist es sinnvoll, einen automatischen Motorwechsel vorzusehen. Dabei ist, entsprechend eines vorgewählten Beobachtungszeitfensters, zu jeder Zu- oder Abschaltung einer Kaskadenstufe automatisch ein hinsichtlich seiner Betriebsstunden passender Antrieb auszuwählen. Durch den Aufbau einer Frequenzumrichterschiene kann auch der Motor des Leitantriebes in den automatischen Pumpenwechsel mit aufgenommen werden.

Prozessregler

Entsprechend der anlagenseitigen Konzeptionierung ist eine für die Anwendung geeignete Regelung aufzubauen. In den meisten Fällen wird dies eine Druck-, Differenzdruck oder Volumenstromregelung sein. Der hierfür zum Einsatz kommende Prozessregler in PID Struktur ist im Frequenzumrichter >pDRIVE< MX eco des Leitantriebes integriert. Neben den Grundfunktionalitäten des PID Reglers sind folgende Reglereigenschaften für einen stabilen und ausreichend dynamischen Betrieb vorgesehen.

Der Ausgang des Prozessreglers (Frequenzsollwert) ist in seinem Min und Max Wert begrenzt ausgeführt,
um die drehzahlgeregelten Pumpen nicht unterhalb ihrer minimal erlaubten Drehzahl zu betreiben. Bei einer auftretenden Begrenzung am Frequenzumrichter wird dies dem Regelkreis zugeführt um den Integral Anteiles des Reglers anzuhalten. (Anti- Windup Verhalten)

Kompensation der Druckverluste

Für eine Druckregelung wäre es ideal den Druckistwert am Verbraucher zu erfassen. Meist ist dies jedoch aufgrund der Anlagenausdehnung nicht möglich, sodass nur der Druck am Ausgang der der Pumpe für die Regelung zur Verfügung steht. Der am Rohrleitungsnetz auftretende Druckabfall ist proportional zum Quadrat des Durchflusses. D.h. trotz Druckregelung an der Pumpenanlage ist der tatsächliche Druck am Verbraucher, bedingt durch die Rohrleitungsverluste nicht konstant, sondern abhängig vom Durchfluss. Um diesen Druckabfall zu kompensieren wird der Drucksollwert am Prozessregler in Abhängigkeit des Förderstromes im >pDRIVE< MX eco kompensiert.

Ist- (Messwert) Aufbereitung

Soll der Regelkreis als Volumenstromregler ausgeführt werden, muss der Durchfluss gemessen und dem Regelkreis als Istwert zugeführt werden. Dazu stehen vielfältige Messverfahren zur Verfügung. Stellen Messwertaufnehmer ein standardisiertes Messsignal wie etwa 4-20mA zur Verfügung, ist keine weitere Aufbereitung erforderlich (z.B. magnetisch induktive Meßsysteme). Erfolgt die Messung mit einfachen, kostengünstigen Messwertaufnehmern wie etwa Turbinenradzählern, so steht das Ausgangssignal lediglich als ein dem Durchfluss proportionales Frequenzsignal zur Verfügung. Dieses ist vor der Zuführung zum Regelkreis mit geeigneten Frequenz / Analogwandlern zu bewerten. Ebenso sind Durchflussmessung mit Normblenden und Wirkdruckgebern bzw. Differenzdruckmessungen über anlagenseitige Einbauten üblich.


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Special Automation aus der Cloud

cloud.JPG Immer mehr Teile der industriellen Automatisierung sollen in die Cloud verlegt werden. Nicht nur die in rapide steigenden Mengen generierten Daten, sondern neben Auswerte-, Überwachungs- und Kontrollmechanismen auch Steuerungs-, Regelungs- und sogar Safety-Algorithmen. Wozu eigentlich? Was lässt sich vernünftig in die Cloud verlegen? Was sollte man dabei beachten? Und was ist das überhaupt, die Cloud?
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Im Gespräch

/xtredimg/2018/Automation/Ausgabe222/15861/web/F_Press_MRK_trade_fair_model_0037_cold1_2016_04.jpgKräftemessen auf der Intertool
In der ISO/TS 15066 ist von maximal zulässigen Kräften bei MRK-Anwendungen die Rede. Aber was steckt tatsächlich hinter den von dieser Technischen Spezifikation vorgegebenen biomechanischen Grenzwerten? Um ein bisschen ein Gefühl dafür zu bekommen, was da verlangt wird, lädt Pilz auf der diesjährigen Intertool zum selber Austesten ein. Was die Firma Pilz bei diesem Thema zum Experten macht und worauf es bei der Umsetzung einer normgerechten Mensch-Roboter-Kollaboration ganz allgemein ankommt, verrät der Certified Machinery Safety Expert Ing. Bernhard Buchinger, der bei Pilz als Senior Manager Consulting Services tätig ist. Das Gespräch führte Sandra Winter, x-technik
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