TIA PID Regelung mit stossfreier Umschaltung

[Waelder]

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Hallo zusammen,

ich habe folgendes Problem. Ich möchte eine stossfreie Umschaltung in einem Regelkreis ermöglichen. Ich habe 2 große Wasserpumpen, die mir auf einer Leitung den Wasserdruck aufrechterhalten müssen. Ich mach das z.Zt. mit einem PID Regler. Der hat bis anhin eine Pumpe geregelt. Nun ist aber die Forderung die 2 Pumpe auch zuzuschalten, da der bisherige Druck nicht mehr genügend ist. Mit einer Pumpe funktioniert es so weit optimal.

Ich möchte die Steuerung nun wie folgt auslegen:

• Im Normalfall läuft immer nur Pumpe A (abwechselnd mit B)
• Erreicht die Pumpe A zum Beispiel 95% Leistung möchte ich Pumpe B zuschalten

Ich habe jetzt folgenden Gedanken:

Wenn die Pumpe B zugeschaltet wird, halbiere ich die Stellgröße vom PID (LMN/2) und schalte diesen Wert auf beide Pumpen. Ich lass es dann so ein paar Sekunden bis sich die Drehzahlen angeglichen haben und schalte die halbierte Leistung vom PID wieder auf normal zurück. Dann müsste es rein rechnerisch möglich sein, dass beide Pumpen dann den Druck konstant halten.

Das Problem wird nun sein, dass ich, wenn beide Pumpen wieder auf minimaldrehzahl sind, die Pumpe A wegschalte. Mein Gedanke war dann die Initialisierung des I-Anteils auf 50% aber ob das dann vernünftig klappt?

Verwendeter Regler : TIA - PID_Compact

Gruss & Danke für eure Gedanken
Wälder

 

[Thomas_v2.1]

Der "alte" CONT_C macht das so, wenn du auf MAN stellst, dann wird der interne I-Anteil so berechnet, dass sich bei bei Umschaltung auf Automatik keine Änderung an der Stellgröße ergibt.

Der PID_Compact ist mir aber nicht ganz geheuer, darum verwende ich auch in den 1200/1500ern eine eigene SCL Version des alten CONT_C.

 

[Holzmichl]

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Wenn die Pumpe B zugeschaltet wird, halbiere ich die Stellgröße vom PID (LMN/2) und schalte diesen Wert auf beide Pumpen. Ich lass es dann so ein paar Sekunden bis sich die Drehzahlen angeglichen haben und schalte die halbierte Leistung vom PID wieder auf normal zurück. Dann müsste es rein rechnerisch möglich sein, dass beide Pumpen dann den Druck konstant halten.

Würde ich so nicht machen, beziehungsweise glaube ich nicht, dass das physikalisch so funktioniert.

Reine Theorie
Pumpen parallel: Doppelte Fördermenge + gleicher Druck
Pumpen in Reihe: Doppelter Druck + gleiche Fördermenge

(In der Praxis natürlich nicht ganz so, da das nur bei freiem Auslauf gilt und bei doppelter Fördermenge auch der Widerstand größer wird und die Kennlinie in Richtung Druck++ / Fördermenge-- verschiebt.)

Annahme: Deine Pumpen sind parallel verbaut - typische "Doppelpumpe"
Jede Pumpe hat eine pumpenspezifische Kennlinie. Wenn Du das so machen willst, müsstest Du die spezifische Kennlinie auswerten und die Drehzahl genau auf den neuen Einsatzpunkt ansteuern. Sehe ich eher als zu aufwendig und kompliziert an.

Außer deine Pumpen sind nicht parallel sondern in Reihe verbaut, dann wäre dein Ansatz richtig.


Kurzer Vorschlag meinerseits:
Bei Startpunkt zweite Pumpe = 95% PID = Sollwert der ersten Pumpe
Ich würde die zweite Pumpe mit einer Mindestdrehzahl starten, z.B. 20% und die erste Pumpe rein auf dem Regler lassen.
Dann die 2te Pumpe mit einer eher langsamen getakteten Rampe auf den PID-Sollwert hochfahren lassen.
Der PID regelt dann praktisch stoßfrei die erste Pumpe zurück, bis beide Pumpen im Gleichlauf sind. Die Rampe der zweiten Pumpe so gestalten, dass der PID die geänderte Situation ausregeln kann.

Beim Abschalten der 2ten Pumpe bei niedriger Last wieder ähnlich verfahren und die abzuschaltende Pumpe langsam runterrampen.

 

[Slartibartfass]

Ich nehme das mal zum Anlaß nach langer Zeit mal wieder einen Beitrag zu schreiben.

Wenn die Pumpe B zugeschaltet wird, halbiere ich die Stellgröße vom PID (LMN/2) und schalte diesen Wert auf beide Pumpen. Ich lass es dann so ein paar Sekunden bis sich die Drehzahlen angeglichen haben und schalte die halbierte Leistung vom PID wieder auf normal zurück. Dann müsste es rein rechnerisch möglich sein, dass beide Pumpen dann den Druck konstant halten.

Es hängt zwar sehr von den örtlichen Gegebenheiten ab, aber aus meiner Erfahrung wird das nicht funktionieren. Ich vermute, daß es um Kreiselpumpen geht, die auf eine gemeinsame Druckleitung arbeiten.
Die Kennlinie einer Kreiselpumpe ist nicht linear, aus diesem Grund kannst Du nicht so ohne weiteres eine Stellgröße mit halber Fördermenge ableiten. Ein weiteres Problem ist, daß die nachgestartete Pumpe sehr lange gegen die geschlossene Rückschlagklappe arbeitet, wirklich gemeinsam arbeiten die Pumpen erst, wenn ihre Drehzahlen fast gleich sind. Wie groß der Bereich von "fast gleich" ist, hängt dann wieder vom Unterschied im Verscheiß der beiden Pumpen ab.

Mein Vorschlag:
Die zweite Pumpe starten und eine Drehzahl kurz unter die der ersten Pumpe anfahren. An diesem Punkt sollte die Pumpe gerade noch nicht fördern. Dann mit einer rel. langsamen Rampe die Pumpe an den Reglerstellwert ranführen. Das muß langsam genug sein, daß der Regler den Druckanstieg bei Förderbegin ausregeln kann. In dieser Phase wird Pumpe 1 durch den Regler langsamer und Pumpe 2 durch die Rampe schneller. Irgendwann laufen beide Synchron.
Zum Abschalten einer Pumpe machst Du es umgekehrt. Die abzuschaltende Pumpe fährst Du über eine rel. langsame Rampe runter, sodaß der Regler den Druckabfall ausregeln kann. Irgendwann hört die Pumpe auf zu fördern und sie kann stoßfrei abgeschaltet werden.

Den Pumpenwechsel würde ich auch über diese Abfolge machen.

Falls Du aus dem FU die Wirkleistung lesen kannst, kann das helfen die genauen Schaltpunkte festzulegen. Aus dem Vergleich der beiden Wirkleistungen läßt sich außerdem der Verschleißzustand ableiten.

PS: Ich sehe gerade, der Holzmichl hat fast das selbe geschrieben ...

Gruß Micha

 

[Waelder]

Hallo zusammen,

vielen Dank für die Anregungen. Also die Pumpen sind sog. Tiefbrunnen Pumpen mit jede ca. 35kw el. Leistung. Die Kameraden sitzen ca. in 30m Tiefe und fördern Grundwasser in unser Werk. Die Regelung geschieht mit PI001.

Zwei Pumpen gleichzeitig packen problemlos den gewünschten Druck, auch ohne PID

Die gelben Pfeile sollen die zu Regelnden Elemente darstellen. Die linke pumpe ist aber eher unrelevant sie dient nur der Grundlast wenn das Werk steht.

@Slartibartfass & @Holzmichl

DIese Idee habe ich auch schon überdacht und finde diese Lösung eigentlich recht gut. Ich werde wohl diese Funktion mal in Betracht ziehen und das System mal so testen.

Gruss Wälder

 

[Thomas_v2.1]

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Du bist doch sehr umfangreich mit Messtechnik ausgestattet. Damit sollte sich doch in einem kurzen Versuch im Handbetrieb feststellen lassen, mit welcher Drehzahl du im Parallelbetrieb fortsetzen musst um die gleiche Menge zu fördern.

Wenn du die Pumpenkennline und zumindest die Anlagenkennlinie im Ansatz hast, dann kannst du die Berechnungen auch selber anstellen. Ich mache gerade dazu ein paar Programmversuche in Python mit numpy, sollte aber auch in Excel möglich sein.

 

[Slartibartfass]

Die konkrete Situation ist doch etwas anderst, als ich sie mir vorgestellt habe. Bei meinen Überlegungen bin ich von einer gemeinsamen Saugleitung ausgegangen. Durch die unterschiedlichen Niveaus in den Tiefbrunnen ist der statische Druck der Wassersäulen den die Pumpen überwinden müssen unterschiedlich. Die Niveauunterschiede wirken u.U. sehr störend auf das oben beschriebene Konzept. Zum Glück ist ausreichend Messtechnik vorhanden.
Ich würde mit ein paar Versuchen im Handbetrieb testen ob der oben beschriebene Ansatz funktioniert. Gerade bei deutlich unterschiedlichen Niveau in den Brunnen sehe ich Probleme. Andererseits muß die Lösung nicht komplizierter sein als nötig.

Ein weiterer Ansatz wäre eine zweistufige Regelung. Ein überlagerter Führungsregler arbeitet als Druckregler, seine Stellgröße ist Durchfluß. Für jede Pumpe baust Du eine Durchflussregelung auf. Deren Sollwert die vom Führungeregler vorgegebene Menge ist, Stellgröße ist die Drehzahl. Beim Start der zweiten Pumpe rampst Du die Sollmenge des Durchflussreglers der gestarteten Pumpe langsam an die vom Führungsregeler vorgegebene Menge, bzw. bei Anhalten rampst Du sie langsam gegen 0.

Wichtig ist hierbei ein sauberes ein und ausschalten der Regler mit MAN_ON und die Wertversorgung von MAN. Ein Blatt Papier mit der aufgezeichneten Reglerstruktur hilft dabei ungemein. Das Aufschalten auf einen weggelaufenen Regler ist das Gegenteil von stoßfrei.

Auf dem Anlagenschema sind in der Druckleitung über den Pumpen Klappen dargestellt. Sind das Rückschlagklappen, oder müssen die aktiv aufgefahren werden? Falls es keine Rückschlagklappe gibt und die Pumpen gegen die geschlossene Klappe angefahren werden, bräuchte man wieder einen anderen Ansatz.

Mein Lieblingsregler ist übrigens auch der alte CONT_C (der auch in TIA verfügbar ist). Einfach und gut.

 

[Ing_Lupo]

Hallo

hast Du die Pumpenkennlinien für FU Betrieb ? Wenn nicht diese Aufnehmen und die Mindestdrehzahl beim Pumpenhersteller abfragen.

Damit stellt man sicher, daß die Pumpen nicht in Gavitation laufen.

Wenn man jetzt je Pumpe ein Cont_C (ich liebe den auch) parametriert, Zu- und Abschaltschwelle einstellt sollte das passen.
Die Stoßfreiheit ergibt sich aus dem PID und Schaltpunkten.

 

[Holzmichl]

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Wobei ich bei solchen Hochdruck-Tiefbrunnen-Pumpen auch keine konkrete Erfahrung mit der gemeinsamen Regelung von 2 Pumpen habe.
Typischerweise gibt es hier eine Min-Frequenz am FU von 25Hz oder 30Hz und Max von 50-60Hz mit einer Angabe, wie schnell ab Anlauf die Min-Frequenz erreicht sein muss um die Pumpenlagerung nicht zu beschädigen. Ob das dann wirklich stoßfrei geht?
Die Druck-Kennlinie solcher Pumpen ist normalerweise sehr steil. Könnte evtl sein, dass die Pumpe nahe Min-Drehzahl schon relativ viel Druck aufbaut, wenn wenig Durchfluss möglich ist durch das Druckniveau der anderen Pumpe.
Gibt kein Patentrezept - möglichst vorsichtig antesten!

 

[Thomas_v2.1]

Wobei ich bei solchen Hochdruck-Tiefbrunnen-Pumpen auch keine konkrete Erfahrung mit der gemeinsamen Regelung von 2 Pumpen habe.
Typischerweise gibt es hier eine Min-Frequenz am FU von 25Hz oder 30Hz und Max von 50-60Hz mit einer Angabe, wie schnell ab Anlauf die Min-Frequenz erreicht sein muss um die Pumpenlagerung nicht zu beschädigen. Ob das dann wirklich stoßfrei geht?

Ich habe bisher auch immer gedacht, bei einer Pumpe und 25 Hz Min-Frequenz macht man nichts falsch.
Aber die Anlage die ich aktuell analysiere (alt), bei der ist bei den FUs eine Min-Frequenz von 38 Hz eingestellt. Jetzt habe ich mir mal die vorliegende Pumpenkennlinie vorgenommen, die vermutete Anlagenkennlinie eingezeichnet, und da erkennt man die es zu diesen 38 Hz kommt. Bei geringerer Drehzahl reicht der Druck nicht mehr aus um die statische Höhe zu überwinden, ergo Pumpe fördert nichts mehr.

Ich hänge das Diagramm mal an. Ich hätte dazu noch ein paar andere Fragen, wenn hier doch noch welche sind mit Pumpen-Know-How würde ich dazu mal einen eigenen Thread starten.