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Pumpenteststand

Über EasyLabFallstudien und Anwendungen → Pumpenteststand

Themen auf dieser Seite:
  1. Problem- und Aufgabenstellung
  2. Testaufbau
  3. Intelligente Pumpe
  4. Automatisierte Kennlinienerfassung

1. Problem- und Aufgabenstellung

Im Einsatzbereich industrieller Pumpen gibt es heutzutage an vielen Stellen noch Defizite in der Steuer- und Regelbarkeit. Muss zum Beispiel ein bestimmter Durchfluss innerhalb eines Rohres erreicht werden, so wird oft nicht die Pumpenleistung gedrosselt, sondern es wird ein Ventil nachgeschaltet. Neben einem höheren Stromverbrauch bedeutet dies natürlich einen höheren Verschleiß. Die erste Aufgabenstellung sollte es daher sein, eine Pumpe mit EasyKit in Betrieb zu nehmen und ihren Durchfluss bei veränderlichem Druck zu regeln.

Für eine gute Dimensionierung einer solchen Regelung ist es notwendig möglichst viele Informationen über die Pumpe und den zugehörigen Motor zu erhalten. Vor allem sind Kennlinien des Durchflusses in Abhängigkeit von der Drehzahl bei unterschiedlichem Differenzdruck wichtig. Hierfür sollte ein Tool zur automatisierten Kennlinienerfassung entwickelt werden, welches auf EasyKit basiert und über MATLAB angesteuert wird.

2. Testaufbau

Im Aufbau (siehe Abbildung 1) wird eine Testflüssigkeit (meist Wasser) durch das System gepumpt.

Mechanischer Aufbau des Pumpenteststandes
Abbildung 1: Mechanischer Aufbau des Pumpenteststandes

Im unteren rechten Bereich der Abbildung 1 ist die Pumpe mit dem Motor zu erkennen. Dieser wird von einem Frequenzumrichter betrieben. Vor und hinter der Pumpe befinden sich Drucksensoren, mit welchen der Differenzdruck gemessen werden kann. Außerdem befindet sich hinter der Pumpe ein Durchflusssensor. Oberhalb der Sensoren befindet sich auf der Zu- und Ablaufseite jeweils ein Ventil, durch welches ein Unter- oder Überdruck erzeugt werden kann. Auf der linken Seite des Testaufbaus in Abbildung 1 ist im oberen Bereich ein Wasserausgleichsbehälter zu erkennen. Im unteren Bereich der linken Seite ist ein Wasserboiler zu finden, welcher aber für die aktuellen Messungen nicht von Bedeutung ist.

Anschlussbox der Elektronik
Abbildung 2: Anschlussbox der Elektronik

Zur einfachen Handhabung wurden alle Mess- und Stellgrößen auf ein Anschlussboard gelegt, welches in Abbildung 2 zu sehen ist. Sämtliche Signale liegen hier als analoge Größen vor.

3. Intelligente Pumpe

Für die ersten Tests wurde der Durchfluss der Pumpe über EasyKit geregelt. Dazu wurden der Durchflusssensor und die Drucksensoren jeweils an einen analogen Eingang angeschlossen. Der Frequenzumrichter, welcher die Drehzahl des Motors bestimmt, wurde mit einem analogen Ausgang verbunden. Im Anschluss wurde das Programm in EasyLab erstellt. Es ist unter Abbildung 3 zu finden. Dabei ist zu erwähnen, dass hier nur der Datenflussgraph des Hauptprogramms abgebildet ist. Es existieren noch zwei Nebenprogramme, welche ausgeführt werden, sobald ein kritischer Über- oder Unterdruck im System gemessen wird. Im unteren Bereich der Abbildung 3 befindet sich die Auswahllogik hierfür. Im oberen Bereich ist der Regelkreis für die Durchflussregelung zu finden. Der Regelkreis beginnt links mit einem Soll-Ist-Wert-Vergleich. Der Ist-Wert wird dabei aus einem analogen Eingang ausgelesen und in Liter pro Minute umgerechnet. Dieser Wert wird vom Sollwert abgezogen und in den Regler gespeist. Für diesen müssen, entweder mit entsprechenden Berechnungsvorschriften oder mit experimentellen Methoden, die Parameter bestimmt werden. Der Regler bestimmt das Stellsignal in Umdrehungen pro Minute. Dieses wird nun wieder auf die elektrische Stellgröße des Ausgangssignals umgerechnet und in den Ausgangskanal eingespeist.

EasyLab Datenflussgraph des Hauptprogramms zur Regelung des Durchflusses
Abbildung 3: EasyLab Datenflussgraph des Hauptprogramms zur Regelung des Durchflusses

Das Programm wurde auf den Mikrocontroller übertragen und der Sollwert wurde sprungförmig von 5 auf 15 Liter pro Minute erhöht. In Abbildung 4 ist der Verlauf der relevanten Größen während dieses Vorganges zu sehen.

Sprungantwort des Pumpenteststandes mit EasyKit
Abbildung 4: Sprungantwort des Pumpenteststandes mit EasyKit

4. Automatisierte Kennlinienerfassung

Bisher wurden EasyKit und EasyLab zur Steuerung und Regelung des Systems eingesetzt. Oft ist es aber notwendig, dass die Daten des Mikrocontrollers in anderer Form weiter genutzt werden. Daher steht eine Schnittstelle zur Verfügung, welche in PC-Programme eingebunden werden kann. Für die automatisierte Kennlinienerfassung wurde dies für MATLAB umgesetzt. Die Elektronik von EasyKit hat hier immer noch eine Regelungsaufgabe. Allerdings wird nun der Druck auf der Druckseite mit Hilfe des Ventils geregelt. Die Vorgabewerte werden über MODBUS an die Elektronik übergeben. Außerdem werden die analogen Signale vom Mikrocontroller gemessen und über die MODBUS-Schnittstelle MATLAB zur Verfügung gestellt.
In MATLAB wurde ein Programm erstellt, welches die einzelnen Messpunkte eines Arbeitsplanes einstellt und entsprechende Messkurven erstellt. In Abbildung 5 ist die Oberfläche des Programms zu finden.

MATLAB-Oberfläche zur automatischen Erfassung der Pumpenkennlinien
Abbildung 5: MATLAB-Oberfläche zur automatischen Erfassung der Pumpenkennlinien

Neben den zeitlichen Verläufen können die Abhängigkeiten der Werte untereinander angezeigt werden. Beispielhaft ist dies in Abbildung 6 zu sehen. Aus diesen Werten können auch die mathematischen Teilmodelle und das Gesamtmodell berechnet werden. Die Daten werden außerdem als Tabelle gespeichert und stehen später für andere Auswertemethoden zur Verfügung.

Dreidimensionale Darstellung einer Testmessung der automatisierten Kennlinienerfassung
Abbildung 6: Dreidimensionale Darstellung einer Testmessung der automatisierten Kennlinienerfassung