Jan. 2016 – März 2022

Im Rahmen von DATA∙e∙Pump fand ein Technologietransfer in vorwiegend mittelständische Unternehmen der Metropolregion Nürnberg statt. Die Zielgruppen sind Betreiber, Automatisierungstechniker, Systemintegratoren, Pumpen- und Systemhersteller, aber auch Dienstleister wie z. B. kommunale Wasserversorger, die mit verbesserten Pumpensystemen ihre Preise trotz steigender Kosten stabil halten können.

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Motivation

Pumpen haben weltweit ein sehr breites Einsatzgebiet und benötigen daher einen entsprechend hohen Anteil der insgesamt bereitgestellten Energie (bis zu 20% in Industrieländern). Die Automatisierungstechnik bietet die Möglichkeit, einen Teil dieser großen Energiemenge einzusparen, ohne die Anlagentopologie selbst zu ändern. Je nach Prognosemodell sind Stromeinsparungen von bis zu 33,6 PJ pro Jahr alleine für industrielle Pumpensysteme in Deutschland möglich, wobei hier Pumpen 12% des gesamten Stromverbrauchs im Industriesektor ausmachen. In industriellen sowie in kommunalen Anlagen sind die Komponenten von Pumpensystemen auf unterschiedlichste Art und Weise zueinander angeordnet. So versorgen einzelne, parallel oder in Reihe angeordnete Pumpen sowohl Verbraucher als auch Speicher oder ganze Speichersysteme. Für konkrete Anwendungsfälle ist ein Einsparpotential von bis zu 60% möglich. Jedoch bleiben die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der Anlagenkomponenten selbst im drehzahlgeregelten Betrieb bei der Betrachtung der Energieeffizienz oftmals unberücksichtigt. Die Pumpe wird somit abseits des Bestpunktes betrieben, wodurch der Wirkungsgrad abnimmt, was eine Minderung der Gesamteffizienz des Systems zur Folge hat. Um die Pumpe effizient betreiben zu können, müssen sämtliche Kennlinien der Pumpe und der Anlage im Automatisierungssystem hinterlegt werden. Diese Kennlinien sind oftmals nur in unzureichender Qualität verfügbar und spiegeln die realen Bedingungen nicht wider. Des Weiteren stellt es einen großen Aufwand dar, Kennlinien im Automatisierungssystem zu implementieren und anzupassen.

Ziele

Für den Betrieb von Pumpensystemen wird in der Regel eine Kombination aus Frequenzumrichter und Elektromotor sowie separater Sensorik zur Druck- oder Durchflussmessung an der Pumpe eingesetzt. Ein wirklich optimierter Betrieb ist aber nur dann möglich, wenn weitaus mehr Informationen über die aktuellen Systemzustände vorhanden sind, als nur Druck oder Durchfluss der Pumpe und Drehzahl des Motors. Hier bleibt das mögliche Potential des Frequenzumrichters zur modellbasierten Generierung und Beobachtung zusätzlicher nichtgemessener Systemgrößen ungenutzt. Ein effizienter Pumpenbetrieb wird stark durch die jeweils implementierte Reglerstruktur mit den entsprechend eingestellten Parametern beeinflusst. Diese Reglerparameter werden in der Praxis mittels klassischer Reglereinstellverfahren, vorhandener Autotuning-Programme oder nach jeweiligem Ermessen und Erfahrungsschatz des zuständigen Personals eingestellt. Speziell auf individuelle Pumpensysteme angepasste Regler finden derzeit kaum Verwendung. Ferner ist das Anlagenverhalten von äußeren Einflüssen (Temperaturschwankungen) und sonstigen inneren Systemparametervariationen (variierende Betriebszustände, Dichte- und Viskositätsänderung, Alterung etc.) abhängig. Diese Einflussfaktoren bleiben in der Anlagenautomation bisher unberücksichtigt, da die hierfür notwendigen Modelle nicht in den Steuerungen implementiert sind. Durch modellbasierte Zustandsüberwachung können die Ursachen zurückverfolgt und deren Auswirkungen auf die Effizienz kompensiert werden.

Prozessführung

Ein wichtiger Ansatz ist eine verbesserte Prozessführung beim Betrieb von Pumpenanlagen in Verbindung mit neuartigen Steuer- und Regelalgorithmen. Vor allem bei Fluidförderanlagen mit Speichersystemen, wie etwa in kommunalen Versorgungsunternehmen, eröffnet dies ein nicht unerhebliches Einsparpotential.

Steigerung der Energieeffizienz durch adaptive Betriebsführung

Steigerung der Energieeffizienz durch adaptive Betriebsführung

Adaptive Pumpensteuerungen bieten sich genau dann an, wenn mehrere Freiheitsgrade in den Betriebsmöglichkeiten bestehen. Dies ist primär bei parallel oder in Reihe verschalteten Pumpen bzw. bei Füllvorgängen von Fluidspeichern oder Druckbehältern der Fall. Kombinationen dieser Anlagentopologien haben indes noch einen weiteren Freiheitsgrad für die Fahrweise von Pumpen. Zusätzliche Freiheitsgrade bei der Optimierung sind Zeitvorgaben oder sich ändernde Fluideigenschaften. Werden für die Automatisierung nun selbsttunende Steuerungen eingesetzt, können durch Online-Optimierung während des Betriebs die Steuerparameter direkt an das reale Anlagenverhalten angepasst und so eine wirklich optimale Betriebsweise generiert werden.

Energieeinsparpotential

Energieeinsparpotential

Um das Energieeinsparpotential von Kreiselpumpen durch verbesserte Betriebsführung aufzuzeigen, können verschiedene Fahrweisen für Füllvorgange betrachtet werden. Füllvorgänge von Speichern finden beispielsweise in Wasserversorgungssystemen, in der Petrochemie oder auch in der Lebensmittelindustrie Anwendung. Prinzipiell kann zwischen drei verschiedenen Möglichkeiten (Abbildung 1) unterschieden werden: Das Befüllen mit konstanter Drehzahl (NC), mit konstantem Volumenstrom (QC) oder mit einer an den Füllstand angepasste Drehzahl (LC).

Werden unterschiedliche Systemparameter, wie der dynamische Druckverlust, die statische Förderhöhe oder das Füllvolumen, betrachtet, können sich Energieeinsparungen bis zu 70 % pro Füllvorgang ergeben. Eine Übersicht über das Einsparpotential verschiedener Speichersysteme gibt Abbildung 2.

Tuning eines Pumpensystems im laufenden Betrieb

Tuning eines Pumpensystems im laufenden Betrieb

Eine Möglichkeit, Pumpen im laufenden Betrieb zu tunen, bietet die Dynamische Optimierung. Ein speziell für Pumpen entwickelter Algorithmus kann mehrere Pumpen in einem System aufeinander abstimmen, während Systemparameter ständigen Änderungen unterliegen. In Abbildung 3 ist der Tuningvorgang von zwei parallel betriebenen Pumpen aufgezeigt. Dieser Tuningvorgang wurde am Pumpenprüfstand am NCT durchgeführt. Bei gleichzeitiger Einhaltung des Sollwertes (Volumenstrom) passt die SPS die Drehzahlvorgaben an das energetische Optimum an.

Auch das Zu- und Abschalten von Pumpen kann hiermit erkannt werden (Abbildung 4). Hier wird für den Referenzwert der variierende Sollwert angenommen und in Abhängigkeit davon können die Drehzahlvorgaben stattfinden. Der dynamische Optimierungsalgorithmus verfeinert sich selbst und passt die Drehzahlen (rot und blau) dem Leistungsoptimum an (Vergleich: grauer Drehzahlverlauf ist optimal)

Um Tuningvorgänge sinnvoll zu gestalten, müssen Pumpen im Betrieb in einem passenden Arbeitsbereich befinden, da sonst Dichtungen und Lager Schaden nehmen können oder Kavitation entstehen kann. Abbildung 5 zeigt hierfür den empfohlenen Bereich, in welchem Dauerbetrieb stattfinden soll, um potentielle Schäden an der Pumpe zu vermeiden. Dies muss während des Tuningvorgangs berücksichtigt werden.

Modellbildung von Pumpensystemen

Modellbildung von Pumpensystemen

Um eine Vielzahl an Anlagentopologien betrachten zu können, bieten sich Simulationsprogramme an. Zur Verifikation der Modelle, wie in Abbildung 6 gezeigt, müssen Versuche an Pumpenprüfständen gefahren und mit Simulationsergebnissen verglichen werden. Die Modellierung im Rahmen der Entwicklungsarbeit findet mit MATLAB/Simulink statt, da ein eindimensionales Strömungsmodell ausreichend genau ist und Reglerstrukturen sowie Optimierungsalgorithmen einfach in das Programm zu implementieren sind.

Das Beschleunigungsverhalten einer eindimensionalen Flüssigkeitssäule ist in Abbildung 7 dargestellt. Eine Wassersäule von ca. 75 m Länge wurde durch eine konstant anliegende Pumpendrehzahl beschleunigt. Im oberen Drehzahlbereich stimmt das zu verifizierende Modell in Simulink sehr gut mit dem realen Verhalten überein. Entfernt sich der Betriebspunkt der Anlage vom Nennbetriebsbereich, treten Abweichungen der Affinitätsgesetze auf. Dies ist auch beim Beschleunigungsverhalten im unteren Drehzahlbereich erkennbar. Durch eine angepasste Modellierung kann dieser Effekt berücksichtigt werden. Zu Beginn der Messaufzeichnungen sind starke Schwankungen zu erkennen. Die Ursache hierfür wird mit der installierten Messtechnik (Volumenstrombestimmung über Differenzdruck) begründet. Die auftretenden Spitzen stellen neben der Strömungsgeschwindigkeit auch die Druckausbreitung im System mit dar. Mit diesen mathematischen Modell können am Rechner unterschiedliche Anlagen simuliert werden und optimale Betriebspunkte gefunden werden. Mithilfe dieser optimalen Betriebspunkte können so selbstoptimierende Steuerungsalgorithmen für unterschiedliche Anwendungen entworfen werden.

Automatisierung

Der Teilbereich der effizienten Automatisierung untergliedert sich nochmals in drei ineinandergreifende Themengebiete: Modellbildung, Regelung und Parameterschätzung.

Steigerung der Energieeffizienz durch adaptive Betriebsführung

Modellbildung

Grundlage aller Schätz- und Regelungsmethoden bildet ein valides mathematisches Modell des gesamten hydraulischen Fluidfördersystems. In der nachfolgenden Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung eines einfachen hydraulischen Systemabschnittes gegeben, welcher mittels zweier charakteristischer Zustandsgleichungen charakterisiert werden kann.

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Energieeinsparpotential

Regelung

Hauptsächlich finden sich in der industriellen Anwendung im Bereich der Fluidfördertechnik PI- oder PID-Regelstrukturen, da diese die einerseits gängigste und andererseits auch einfachste Art der Regelung sowie deren Auslegung darstellen. Im Projekt DATA∙e∙Pump wurden sowohl empirisch ausgelegte PI-Reglerstrukturen als auch adaptive Reglerformen sowie Zustandsregler für die Verwendung bei der Druck- oder Volumenstromregelung entworfen.

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Tuning eines Pumpensystems im laufenden Betrieb

Schätzung

Parameterschätzmethoden zählen eher zu den Methoden der höhreren Regelungstechnik und sind oftmals in gängigen Industrieandwendungen nicht implementiert.

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Versuchsstand

Eigens für das Projekt DATA∙e∙Pump wurde ein Versuchsstand mithilfe mehrerer Abschlussarbeiten entwickelt, gebaut, instrumentiert, automatisiert und in Betrieb genommen. Der Versuchsstand besteht im Wesentlichen aus zwei Kreiselpumpen (2,2 kW und 3 kW) sowie einem oberen und einem unteren Tank. Beide Kreiselpumpen können entweder einzeln, parallel oder in Reihe betrieben werden, sodass möglichst alle Kombinationen abgedeckt werden können. Instrumentiert ist der Versuchsstand mit sechs Drucksensoren, einer Normblende zur Volumenstrommessung, einem Temperaturfühler sowie zwei Drehmomentmesswellen zur Drehzahl- und Drehmomenterfassung. Betreibbar ist diese Versuchsanlage sowohl im Hand- als auch im Automatikbetrieb.

Projektergebnisse

Im Rahmen der effizienten Prozessführung entstand eine Doktorarbeit als Grundlage der Ergebnisse. Hierin werden Kreiselpumpensysteme zunächst grundlegend charakterisiert und modelliert sowie weiterführend in realen Anlagen implementierbare Optimierungsalgorithmen entwickelt. Getestet wurden diese Algorithmen sowohl am projektfinanzierten Versuchsstand sowie an realen Druckerhöhungsanlagen auf dem Prüfstand des Kooperationspartners SPECK Pumpen Verkaufsgesellschaft GmbH. Alle Ergebnisse aus diesem Teilbereich wurden sowohl in Form der erwähnten Doktorarbeit als auch in entsprechenden Konferenzbeiträgen und Zeitschriften veröffentlicht. Die markanten Ergebnisse aus dem Teilbereich zur effizienten Automatisierung betreffen vor allem die allgemeine kennlinienfreie Modellbildung von Kreiselpumpensysteme mithilfe elektrohydraulischer Analogien in Form von Differentialgleichungen. Diese bilden die Grundlage für zahlreich entwickelten Volumenstrom- und Parameterschätzmethoden für solche Systeme. Detaillierte Ausführungen finden sich sowohl in entsprechenden Konferenzbeiträgen sowie in den Zwischenberichten zur Modellbildung, Regelung und Parameterschätzung zu diesem Projekt. Aus dem Teilbereich der effizienten Antriebstechnik entstammt der Prototyp zur DATA∙e∙Box, welche im Rahmen einer Abschlussabeit entwickelt wurde. Anspruch dieser DATA∙e∙Box ist die Verwendung kostengünstiger Hardware, z. B. in Form eines Raspberry Pi, und Sensorik zur Charakterisierung des an den Motor angeschlossenen Pumpensystems. Grundlage hierfür bilden eigens entwickelte Schätzalgorithmen. Detaillierte Berichte hierzu finden sich in den Zwischenberichten zur DATA∙e∙Box.

Projektkonsortium

Das Projekt DATA∙e∙Pump ist ein Projekt der Forschungsgruppe Automatisierungstechnik am Nuremberg Campus of Technology in Kooperation mit dem Institut ELSYS.

 

Das durchgängige Design des Logos sowie der Präsentationen und sonstigen Vorlagen entwarf Herr Dipl.-Des. Stefan Klingenberger. Der Bereich der effizienten Prozessführung wurde von Herrn Thomas Hieninger, M.Sc., und der Bereich der effizienten Automatisierung von Herrn Florian Goppelt, M.Eng., bearbeitet. Herr Dr.-Ing. Georg Möller übernahm den Bereich der effizienten Antriebstechnik. Dominic Häuslein, M.Sc., arbeitete an der Modifizierung des Versuchsstandes sowie bei der Aufbereitung und der anschaulichen Darstellung des Wissens mit.

Förderung

DATA∙e∙Pump wurde von der EU im Rahmen des Programms EFRE gefördert.

Projektleitung

Ihre Ansprechpartner

Weitere Informationen

Konferenzbeiträge

Konferenzbeiträge

• F. Goppelt; S. Becker; T. Hieninger; R. Schmidt-Vollus: "Parameterization of Simple Flow Rate Models for Real Centrifugal Pump Systems", In: IEE 8th International Conference on Control and Systems (ICSC) 2019, Marrakesch, Marokko, 23. - 25. Oktober 2019,  DOI: 10.1109/ICSC47195.2019.8950545.

• T. Hieninger; F. Goppelt; R. Schmidt-Vollus: "Energetic Optimization and Saving Potential of Head-Controlled Identical Parallel Driven Centrifugal Pumps by On-Line Switch Point Detection", In: IEEE 8th International Conference on Control and Systems (ICSC) 2019, Marrakesch, Marokko, 23. - 25. Oktober 2019,  DOI: 10.1109/ICSC47195.2019.8950613.

• F. Goppelt; T. Hieninger; R. Schmidt-Vollus: "Modeling Centrifugal Pump Systems from a System-Theoretical Point of View", In: IEEE 18th Mechatronika 2018, Brno, Tschechien, 05.-07. Dezember 2018, e-ISBN: 978-80-214-5542-9.

• T. Hieninger; F. Goppelt; R. Schmidt-Vollus: "On-Line Self-Tuning for Centrifugal Pumps Driven in Parallel Mode Using Dynamic Optimization", In: IEEE 18th Mechatronika 2018, Brno, Tschechien, 05. -07. Dezember 2018, e-ISBN: 978-80-214-5542-9.

• T. Hieninger; R. Schmidt-Vollus: "Energieeffizienter Betrieb von Wasserspeichern durch Online-Optimierung", Industrietage Wassertechnik 2017, Dortmund, Deutschland, 14.-15. November 2017.

• T. Hieninger; R. Schmidt-Vollus: "Self-Tuning Pump Operation Mode for Fluid Storages to Increase Energy Efficiency", In: 15th International Conference on Computing and Control for the Water Industry, Sheffield, England, 05.-07. September 2017,  DOI: 10.15131/shef.data.5364052.

• F. Goppelt; R. Schmidt-Vollus: "Beitrag zur Modellierung von Kreiselpumpen mit konzentrierten Parametern und Möglichkeiten zur Parameterschätzung", In: 18. Leitkongress der Mess- und Automatisierungstechnik - Automation 2017 - Technology networks Processes, Baden-Baden, 26.-28. Juni 2017, Düsseldorf: VDI Verlag, VDI-Berichte 2293, 2017, DOI: 10.13140/RG.2.2.16135.91046.

Zeitschriftenveröffentlichungen

Zeitschriftenveröffentlichungen

• T. Hieninger; F. Goppelt; R. Schmidt-Vollus; E. Schlücker: "Energy-saving potential for centrifugal pump storage operation using optimied control schemes", Energy Efficiency 14 (2021), DOI: 10.1007/s12053-021-09932-5.

• T. Hieninger; F. Goppelt.; R. Schmidt-Vollus: "On-Line Optimization Method for Energy Efficient Pump-Storage Operation with Integrated Filing Time Constraint", Computer Sciene & Information Technology 9 (2019), S.59-68,  DOI: 10.5121/csit.2019.90506.

• T. Hieninger; R. Schmidt-Vollus; M. Norden: "Prozessoptimierung durch Self-Tuning in Pumpensystemen - eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung", Prozesstechnik & Komponenten (2017), S. 4-8.

Verwandte Projekte