Titel: Verfahren zur überwachung einer Energieumwandlungseinrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur überwachung einer Energieumwandlungseinrichtung, die aus mehreren funktionell miteinander verknüpften Funktionseinheiten besteht. Solche Energieumwandlungseinrichtungen im Sinne der Erfindung können beispielsweise elektromoto- risch angetriebene Kreiselpumpenaggregate, elektromotorisch angetriebene Kompressoren, damit bestückte Anlagen oder dergleichen sein. Sie bestehen aus mehreren funktionell miteinander verknüpften Funktionseinheiten, wie beispielsweise Elektromotor und Kreiselpumpe oder Elektromotor und Verdrängerpumpe oder Verbrennungsmotor und elektrischer Generator. Derartige Energieumwandlungseinrichtungen finden heutzutage in nahezu allen technischen, aber auch häuslichen Bereichen Anwendung.

Zwar ist man im Zuge der knapper werdenden Ressourcen stets be- müht, Maschinen, Anlagen oder sonstige Energieumwandlungseinrichtungen so aufzubauen, dass diese mit möglichst hohem Wirkungsgrad über lange Zeit arbeiten, doch stellt sich in der Praxis häufig das Problem, dass die anfänglich hohen Wirkungsgrade nachlassen und die Einrichtung weiterbetrieben wird, obwohl sie schon lange nicht mehr den gewünschten Wirkungsgrad aufweist. Dieses Phänomen ist beispielsweise bei Heizungsumwälzpumpen oder bei Kühlschränken zu beobachten. Ein Austausch erfolgt typischerweise nur dann, wenn ein Defekt offenkundig ist oder die Einrichtung den bestimmungsgemäßen Dienst vollständig versagt.

In vielen solcher Fälle wäre es jedoch wirtschaftlich sinnvoll, die Einrichtung vorher auszutauschen oder zumindest die defekte oder mangelhaft arbeitende Funktionseinheit zu ersetzen oder instandzusetzen.

Vor diesem Hintergrund sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, ein Verfahren zur überwachung einer Energieumwandlungseinrichtung, die aus mehreren funktionell miteinander verknüpften Funktionseinheiten besteht, zu schaffen, bei dem leistungsabhängige Größen mindestens einer Funktionseinheit in zeitlichen Abständen selbsttätig erfasst und/oder errechnet werden und miteinander oder mit davon abgeleiteten Werten und/oder mit vorgegebenen Werten verglichen werden und in Abhängigkeit dieses Vergleichs ein entsprechendes Signal erzeugt wird. Anhand dieses Signals kann dann festgestellt werden, ob die Einrichtung noch mit der gewünschten Effektivität arbeitet, ggf. eine oder auch mehrere Funktionseinheiten ungenügende Leistung erbringen bzw. mit einem verringerten Wirkungsgrad arbeiten und somit ermittelt werden, ob die Einrichtung instandzusetzen oder auszutauschen ist.

Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, mindestens eine Funktionseinheit in zeitlichen Abständen hinsichtlich ihres Wirkungsgrades zu überwachen und das Ergebnis mittels eines Signals anzuzeigen oder automatisch auswertbar zu machen. Dabei werden in einfachster Form in zeitlichen Abständen leistungsabhängige Größen einer Funktionseinheit selbsttätig erfasst und mit vorgegebenen, mit zuvor ermittelten oder davon abgeleiteten Werten verglichen. So kann beispielsweise durch Vergleich einer unmittelbar nach Inbetriebnahme der Einrichtung ermittelten leistungsabhängigen Größe einer ihrer Funktionseinheiten und Vergleich mit vorgegebenen Werten ermit- telt werden, ob überhaupt die fabrikmäßig vorgesehene Performance erbracht wird oder nicht. Es kann dann in weiteren, vorzugsweise größeren zeitlichen Abständen durch Vergleich mindestens einer leistungs-

abhängigen Größe ermittelt werden, ob und in welchem Maße sich der Wirkungsgrad der Funktionseinheit verschlechtert hat. Dabei wird vorteilhaft gemäß der Erfindung nicht nur eine, sondern es werden zweckmäßigerweise sämtliche den Wirkungsgrad der Einrichtung wesentlich bestimmende Funktionseinheiten in der vorbeschriebenen Weise überwacht. Durch die überwachung des Leistungsverhaltens und entsprechende Signalverarbeitung kann eine Energieumwandlungseinrichtung, also insbesondere ein Aggregat, eine Maschine oder eine Anlage selbstlernend seine individuellen Leistungseigenschaften, das daraus resultierende Betriebsverhalten, die Lebenserwartung und dergleichen ermitteln und anzeigen.

Leistungsabhängige Größen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind solche, welche in irgendeinem Zusammenhang mit der Leistungscha- rakteristik einer Funktionseinheit stehen. So kann beispielsweise bei diskontinuierlich arbeitenden Aggregaten, wie beispielsweise dem Kompressor eines Kühlschrankes, auch der zeitliche Verlauf der Ein- und Ausschaltvorgänge eine leistungsabhängige Größe im Sinne der vorliegenden Erfindung sein.

Vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Einrichtungen sind in den weiteren Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung angegeben.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden leistungsabhängige Größen mindestens zweier funktionell miteinander verknüpfter Funktionseinheiten, vorzugsweise sämtlicher Funktionseinheiten in zeitlichen Abständen selbsttätig erfasst und/oder errechnet, wobei die leistungsabhängigen Ausgangsgrößen oder davon abgeleitete Größen der einen Funktionseinheit die leistungsabhängigen Eingangsgrößen des dieser funktionell nachgeschalteten Funktionseinheit bilden.

Durch diese Verknüpfung können bei der Berechnung mathematische Modelle eingesetzt werden und die vorgenannten überwachungsaufgaben unter Zugrundelegung nur vergleichsweise weniger zu messender Größen zuverlässig gewährleistet werden.

Vergleichsweise einfach kann die erfindungsgemäße Wirkungsgradüberwachung der Einrichtung oder zumindest einzelner Funktionseinheiten der Einrichtung erfolgen, wenn die Funktionseinheiten stets im gleichen Betriebspunkt laufen, da dann typischerweise ein Messwert aus- reicht, um die bestimmungsgemäße oder abgefallene Leistung/Wirkungsgrad der jeweiligen Einheit zu bestimmen. Komplizierter ist dies jedoch, wenn eine Energieumwandlungseinrichtung wie beispielsweise eine Heizungsumwälzpumpe zu überwachen ist. Derartige Aggregate bestehen typischerweise aus den Funktionseinheiten Motor und Kreiselpumpe, wobei die Kreiselpumpe typischerweise ständig ihren Betriebspunkt ändert, da sich der Rohrnetzwiderstand der Heizungsanlage aufgrund äußerer Einflüsse ändert. Um hier vergleichbare leistungsabhängige Größen zu haben, ist es zweckmäßig, die sich anhand eines elektrisch-mechanischen Motormodells sowie die sich aufgrund eines mechanisch-hydraulischen Pumpenmodells ergebenden Größen an der Schnittstelle zwischen Motor und Pumpe anzuwenden, um auf diese Weise den Leistungsstand des Pumpenaggregats zu ermitteln. Alternativ kann die Ermittlung auch dadurch erfolgen, dass zwei hydraulische Größen der Pumpe, typischerweise die Fördermenge und die Förderhöhe ermittelt werden und über eine entsprechende Modellrechnung mit der vom Motor abgegebenen mechanischen Leistung gleichgesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, bei derartigen Einrichtungen, bei denen die Betriebspunkte ständig wechseln und somit davon auszugehen ist, dass bei zeitlich mit Abstand erfolgenden Messungen aller Voraussicht nach nicht derselbe Betriebspunkt wieder erreicht wird, in zeitlich kurzem Ab-

stand mehrere Messungen durchzuführen und anhand der so ermittelten Betriebspunkte leistungsabhängige, ggf. mehrdimensionale Flächenverläufe an den Schnittstellen der Funktionseinheiten zueinander zu ermitteln und mit zuvor ermittelten zu vergleichen. Dabei werden diese rechnerisch ermittelten Flächen vorteilhaft unter Verwendung eines Kάlmάn-Filters angenähert, so dass schon mit vergleichsweise wenigen Messungen die jeweilige leistungsbestimmende Fläche hinreichend genau bestimmt werden kann. Es kann dann der Abstand solcher in längerem zeitlichen Abstand ermittelten Flächen in einem be- stimmten Betriebspunkt oder das zwischen den Flächen aufgespannte Volumen als Maß für die Wirkungsgradänderung, typischerweise den Wirkungsgradabfall herangezogen werden.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren während des norma- len Betriebs der Einrichtung, also bei einem Pumpenaggregat während des bestimmungsgemäßen Förderbetriebs durchgeführt, wobei der zeitliche Abstand zum Erfassen der quasi zeitgleichen Betriebspunkte zur Bestimmung des Flächenverlaufs im Bereich von beispielsweise Minuten liegen kann, wohingegen das Zeitintervall, nach dem eine Vergleichs- messung durchgeführt wird, im Tages-, Wochen- oder Monatsbereich liegen kann, je nach Gerätetyp. Vergleichsweise lange Intervalle werden sich z. B. bei Heizungsumwälzpumpen ergeben, wohingegen kurze Intervalle bei Kompressoren, insbesondere für Kühlanlagen zweckmäßig sein können, da mit einem solchen überwachungsverfahren nicht nur eine Wirkungsgradverschlechterung, sondern auch ein möglicherweise zu erwartender Ausfall der Einrichtung detektiert werden kann.

Der zeitliche Abstand, in welchem die zum Vergleich anstehenden leistungsabhängigen Größen ermittelt werden, hängt also sowohl vom Maschinentyp, als auch vom Einsatzzweck ab. Der Vergleich erfolgt jedoch zweckmäßigerweise unter Zugrundelegung der zuvor erfassten Größen oder vorgegebener Werte, wobei letzteres Verfahren den Vor-

teil hat, dass damit auch bereits eine Schlechtfunktion bei Inbetriebnahme detektierbar ist.

Mit deutlich geringerem messtechnischen und rechnerischen Aufwand kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, wenn zunächst eine die Leistungsaufnahme des Motors bestimmende elektrische Größe des Motors und mindestens eine den hydraulischen Betriebspunkt der Pumpe bestimmende Größe erfasst und gespeichert werden und für die spätere Vergleichsmessung so lange gewartet wird, bis der zuvor erfasste hydraulische Betriebspunkt erneut erreicht ist und dann die Leistungsaufnahme des Motors bestimmende Größen des Motors erfasst und mit den zunächst gespeicherten verglichen werden. Dann kann ein direkter Vergleich erfolgen, ohne dass Betriebspunktabweichungen und damit die vorgenannten Flächenverläufe ermittelt werden müssen.

Alternativ können auch die später zur Vergleichsmessung erfassten Größen in einem beliebigen Betriebspunkt der Anlage erfasst werden, wenn die erfassten Größen unter Zugrundelegung eines mathemati- sehen, elektrischen Motormodells und/oder eines mathematischhydraulischen Pumpenmodells transferiert, d.h. auf betriebspunktunabhängige Größen umgerechnet werden und dann mit den gespeicherten Größen verglichen werden oder umgekehrt, so dass auch unabhängig vom Betriebspunkt ein Vergleich der leistungsbestimmenden Größen möglich ist.

Vorteilhaft wird gemäß der Erfindung das Verfahren erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit angewendet, wobei diese vorbestimmte Zeit mindestens der Einfahrzeit des Aggregats, insbesondere des Pumpen- aggregats entspricht. Dies ist sinnvoll, damit sich die mechanischen Teile des Aggregats einstellen, etwaige Einfahrwiderstände in den Lagern überwunden werden und dann nach der Einfahrzeit ein zunächst quasi

stationärer Betriebszustand erreicht werden kann, der eine Basis für die normalen leistungsbestimmenden Eigenschaften des Gerätes bildet, so dass nur Abweichungen von diesem Zustand später detektiert werden.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn nach Ablauf der vorbestimmten Zeit, also typischerweise der Einfahrzeit selbsttätig mindestens ein Betriebsprofil erfasst und der zu erwartende Energieverbrauch unter Berücksichtigung der ggf. ermittelten Wirkungsgradänderung bestimmt und durch geeignete Mittel angezeigt wird. Mit diesem Verfahren ist es möglich, nach der Einfahrzeit selbsttätig zu ermitteln, ob das Aggregat die hinsichtlich Leistung/Wirkungsgrad angegebenen Werte erfüllt bzw. welcher darüber hinausgehende veränderte Energieverbrauch aufgrund einer Wirkungsgradverschlechterung zu erwarten sein wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es für eine Vergleichsmessung nicht erforderlich, denselben Betriebspunkt anzufahren. Es kann vielmehr anhand mehrerer Betriebspunkte ein von der Leistung einer Funktionseinheit abhängiger, mehrdimensionaler Modellcharakter aufweisender Flächenverlauf ermittelt und gespeichert werden und in zeitlichen Abständen erneut ein solcher Flächenverlauf ermittelt und gespeichert und mit dem oder einem zuvor ermittelten verglichen werden, wobei dann der Abstand der Flächenverläufe in einem vorbestimmten Betriebspunkt oder Betriebsbereich oder das zwischen den Flächenverläufen aufgespannte Volumen als Maß für die Wirkungsgradänderung herangezogen werden. Eine solche Auswertung ist besonders vorteilhaft, da sie während des kontinuierlichen Betriebs ohne jeglichen Eingriff in das Betriebsverhalten der Maschine erfolgen kann. Ein solches Verfahren ist insbesondere bei Kreiselpumpenaggregaten, wie sie beispielsweise als Heizungsumwälz- pumpen eingesetzt werden, von Vorteil, die üblicherweise auf sich ständig ändernden Betriebspunkten laufen. Zur Ermittlung des Flächenverlaufs anhand der Betriebspunkte wird vorteilhaft ein Kάlmάn-Filter

verwendet. Dieses Iterαtionsverfαhren erlaubt es, mit nur einer vergleichsweise kleinen Anzahl von gemessenen Betriebspunkten den Flächenverlauf hinreichend genau zu bestimmen, um die hier in Rede stehenden Abweichungen zu detektieren und quantitativ bestimmen zu können.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell bei beliebigen Energieumwandlungseinrichtungen, die aus mehreren funktionell miteinander verknüpften Funktionseinheiten bestehen, zur überwachung einge- setzt werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz bei Kreiselpumpenaggregaten, bei Kompressoren, bei Heizungsanlagen, bei Kühlschränken, Gefriertruhen und dergleichen, die typischerweise über Jahre und Jahrzehnte betrieben werden, ohne dass eine Wirkungsgradverschlechterung auffallen würde oder sich ein Ausfall ankündigt. So ist das erfin- dungsgemäße überwachungsverfahren sowohl geeignet, einen Schlechtlauf, also eine Wirkungsgradverschlechterung zu detektieren und anzuzeigen, der einen vorzeitigen Austausch des Aggregats oder zumindest einer Funktionseinheit des Aggregats wirtschaftlich sinnvoll erscheinen lässt, als auch, wie dies beispielsweise bei Gefriertruhen oder Gefrierschränken von besonderem Vorteil ist, den zu erwartenden Ausfall des Aggregates anzeigen zu können, um rechtzeitig für Ersatz zu sorgen. Auch bei größeren Maschinen, deren Stillstand wirtschaftliche Konsequenzen nach sich zieht, kann das erfindungsgemäße Verfahren wirksam eingesetzt werden, um einen bevorstehenden Ausfall rechtzei- tig vorher anzuzeigen. Es versteht sich, dass dann zweckmäßigerweise entsprechende Kennwerte vorgegeben werden, welche im Laborversuch zuvor ermittelt wurden, so dass anhand der Wirkungsgradänderung bzw. des Leistungsänderungsverlaufs der Maschine die Ausfallzeit zumindest grob bestimmt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft in Form eines Softwareprogramms in die bei modernen Aggregaten ohnehin Vorhände-

ne digitale Steuer- und Regelelektronik implementiert werden. Bei Pumpenaggregaten und Kompressoren kann eine solche Steuer- und Regelelektronik sowohl im Aggregat selbst als auch in dem Klemmen- o- der Anschlusskasten des Aggregats vorgesehen sein.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Kreiselpumpenaggregat mit einem elektrischen Motor und einer davon angetriebenen Kreiselpumpe in einer dort vorgesehenen Einrichtung zur ü- berwachung der Leistungscharakteristik von mindestens einer Funkti- onseinheit des Aggregats angewandt. Auch bei einem Kompressoraggregat mit einem elektrischen Motor und einer davon angetriebenen Verdrängerpumpe kann eine solche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Einrichtung zur überwachung der Leistungscharakteristik, insbesondere zur Wirkungsgraderfassung und -überwachung vorgesehen sein. Vorteilhaft kann ein Kühlaggregat mit einem elektrischen Motor, mit einer davon angetriebenen Verdrängerpumpe, mit einem Verdampfer und mit einem Kondensator mit einer Einrichtung zur überwachung der Leistungscharakteristik versehen sein, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, wobei die überwachung der Leistungscharakteristik sich nicht nur auf Motor und Verdrängerpumpe beschränkt, sondern vorteilhaft Verdampfer und Kondensator mitum- fasst.

Insbesondere bei Kühlschränken ist eine Verminderung des Wirkungs- grades dadurch zu ermitteln, dass die Laufzeit des Kompressors nach der Installation der Einrichtung überwacht wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Laufzeit innerhalb von 24 Stunden ermittelt wird und dann später, beispielsweise nach sechs Monaten mit der sich dann ergebenden Laufzeit innerhalb von 24 Stunden verglichen wird. Es ist in einfachster Form davon auszugehen, dass aufgrund von gleichbleibenden Umgebungsverhältnissen und Benutzerverhalten eine zunehmende Einschaltdauer durch eine Wirkungsgradverschlechterung

der Anlage bedingt ist. Genauere Rückschlüsse lassen sich durch eine Analyse des zeitlichen Verlaufs der Kompressorlaufzeit ermitteln.

In analoger Weise kann bei einer Heizanlage eine Einrichtung zur über- wachung der Leistungscharakteristik vom Brenner und mindestens einem von diesem beheizbaren Wasserkreislauf vorgesehen sein, um auf diese Weise beispielsweise Verbrennungsrückstände am Primärwärmetauscher und damit einhergehende Wirkungsgradverschlechterungen erfassen zu können. Hier kann durch Anbringung einer entsprechenden Signallampe somit auch ein Hinweis auf den erforderlichen Reinigungsservice gegeben werden, der damit bedarfsabhängig bestimmt werden kann.

Zweckmäßigerweise ist die Einrichtung so ausgebildet, dass sie selbsttä- tig nach einer vorbestimmten Zeit nach Inbetriebnahme des Aggregats bzw. der Anlage mit der Erfassung und Speicherung der zur überwachung der Leistungscharakteristik, insbesondere zur Wirkungsgradermittlung und -überwachung relevanten Größen beginnt und in angemessenen zeitlichen Abständen diese Größen erneut erfasst und mit den vorgespeicherten und/oder den ursprünglich gespeicherten Größen vergleicht und eine ggf. unzulässig hohe Abweichung anzeigt. Die Einrichtung weist daher gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft einen Messwertspeicher auf, in dem zumindest die zu Beginn der Messung erfassten Größen oder davon abgeleitete Größen abgespei- chert sind.

Zweckmäßigerweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Maschine nach Möglichkeit in ihrer Gesamtheit überwacht. Es kann jedoch auch ausreichend sein, nur eine Funktionseinheit der Maschine zu überwachen. Dies wird insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die Maschine eine Funktionseinheit aufweist, die typischerweise deutlich vor

allen anderen Funktionseinheiten durch Verschleiß oder auch anderweitig ausfällt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere oder bevorzugt sämtliche Funktionseinheiten einer Energieumwandlungseinrichtung, also einer Maschine, eines Aggregats oder einer Anlage erfasst werden, um im Falle einer Wirkungsgradverschlechterung diese dann gezielt einer oder mehreren Funktionseinheiten zuordnen zu können, um dann gezielt nur diese Funktionseinheit oder Funktionseinheiten instandzusetzen oder auszutauschen. Dies wird insbesondere bei größeren Maschinen wirtschaftlich sinnvoll sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 anhand eines Schaubilds das grundlegende Prinzip eines mit Leistungsflächen arbeitenden erfindungsgemäßen

überwachungsverfahrens,

Fig. 2 a das überwachungsverfahren nach Fig. 1 , dargestellt anhand eines Kreiselpumpenaggregates,

Fig. 2 b ein alternatives überwachungsverfahren für eine Kreiselpumpe,

Fig. 2 c eine weitere Variante eines überwachungsverfahrens für eine Kreiselpumpe,

Fig. 3 ein überwachungsverfahren, dargestellt anhand eines Kompressors,

Fig. 4 ein überwαchungsverfαhren, dargestellt anhand eines

Kühlgeräts und

Fig. 5 ein überwachungsverfahren, dargestellt anhand einer Heizungsanlage.

In Fig. 1 ist eine Energieumwandlungseinrichtung bestehend aus den Funktionseinheiten 1 und 2 beispielhaft für eine Vielzahl von Maschinen, Anlagen und Aggregaten dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbei- spiel werden die Funktionseinheiten 1 und 2 unabhängig voneinander überwacht. Dabei wird zunächst einmal die von der Funktionseinheit 1 aufgenommene Leistung Pi in Abhängigkeit von einer oder mehreren

Variablen x i erfasst und abgespeichert, wie in Fig. 1 mit 3 dargestellt.

Die Variablen x i sind durch ύ i und y i gebildet, so dass die in 3 darge- stellte Fläche der Energiebilanz der Funktionseinheit 1 am Eingang entspricht. Entsprechend stellt sich am Ausgang eine Leistung P2 ein, die wiederum abhängig von den Variablen x 1 ist. Diese Fläche ist in 4 dargestellt. Die Funktionseinheiten 1 und 2 sind funktionell, z. B. über eine Welle, miteinander verbunden, weshalb die Darstellung 4 der Darstel- lung 5 entspricht, welche die Leistung P2 hier in Abhängigkeit von X2 entsprechend der Energiebilanz am Eingang der Funktionseinheit 2 definiert und zwar im Abhängigkeit der Variablen ü2 und yi . Am Ausgang der Funktionseinheit 2 stellt sich eine Leistung P3 ein, wie sie in 6 dargestellt ist und die abhängig von X2 ist.

Die in den Darstellungen 3 bis 6 durch Schraffur gekennzeichnete Flächen werden zu Beginn des Verfahrens ermittelt. Dies kann fabrikmäßig erfolgen oder aber auch erst nach einiger gewissen Zeit im Betrieb. Dies kann als Initialisierungsvorgang erfolgen oder auch während des Be- triebs. In jedem Fall erfolgt es zu einem Zeitpunkt ti, der, wenn mehrere Betriebspunkte zu erfassen sind, auch einen Zeitbereich darstellen kann.

Zu einem Zeitpunkt h wird dann in gleicher Weise eine Energiebilanz am Eingang der Funktionseinheit 1 , am Ausgang der Funktionseinheit 1 , am Eingang der Funktionseinheit 2 und am Ausgang der Funktionseinheit 2 erstellt. Die entsprechenden Darstellungen sind mit 3', 4', 5' und 6' ge- kennzeichnet. Durch Vergleich dieser zum Zeitpunkt h, der ebenfalls ein Zeitbereich sein kann, ermittelten Größen bzw. Flächen mit den zum Zeitpunkt ti ermittelten und gespeicherten Größen bzw. Flächen können Wirkungsgradabsenkungen einzelner Funktionseinheiten 1 , 2 erfasst werden wobei der Abstand der schraffierten Flächen in 3 und 3' bzw. 4 und 4' bzw. 5 und 5' bzw. 6 und 6' in einem vorbestimmten Betriebspunkt ermittelt oder das zwischen diesen Flächen aufgespannte Volumen ermittelt wird und beim überschreiten eines vorbestimmten Wertes ein Signal erzeugt wird, welches dem Benutzer kenntlich macht, dass in der Maschine eine Wirkungsgradverschlechterung stattgefunden hat, wel- che einen Austausch oder eine Reparatur oder einen alsbaldigen Austausch oder eine alsbaldige Reparatur zweckmäßig erscheinen lassen. Hier können durch Abstufung der Werte unterschiedliche Signale erzeugt werden, beispielsweise ein erstes Warnsignal, welches auf einen über einen gewissen Wert verminderten Wirkungsgrad hinweist und ein zweites Warnsignal, das auf eine solche Verminderung des Wirkungsgrades hinweist, die einen Austausch oder eine Reparatur erfordert. Da die Funktionseinheiten 1 und 2 gesondert voneinander überwacht werden, kann weiterhin festgestellt werden, welche der Funktionseinheiten für die Wirkungsgradverminderung ganz oder teilweise verantwortlich ist.

Wie dies bei einer konkreten Anwendung aussehen kann, ist beispielsweise anhand von Fig. 2 a, b und c dargestellt. Dargestellt ist dort eine Einrichtung bestehend aus einem Elektromotor I a und einer Pumpe 2a, die einen Verbraucher 7 speist. Die vom Motor I a aufgenommene e- lektrische Leistung ist mit Pi angegeben. Der Motor wandelt die elektrische Leistung in ein Drehmoment Te bei einer Drehzahl a*. Diese am

Ausgang des Motors I a anstehende mechanische Leistung P2 stellt zugleich die am Eingang der Pumpe 2a anstehende mechanische Leistung P2 dar, die innerhalb der Pumpe in eine hydraulische Leistung P3 umgewandelt wird, die durch die von der Pumpe zwischen Saug- und Druckseite erzeugte Druckdifferenz 40 und den Volumenstrom durch die Pumpe q bestimmt ist. Um die anhand von Fig. 2a aus Motor I a und Pumpe 2a bestehende Einrichtung vollständig zu überwachen ist es zweckmäßig, an den jeweiligen Schnittstellen Flächen zu bestimmen, welche die Leistung der jeweiligen Funktionseinheit in jedem möglichen Betriebspunkt umfasst, und zwar jeweils am Eingang und am Ausgang derselben. Der formelmäßige Zusammenhang stellt sich dabei wie folgt dar:

Variable: • q - Volumenstrom durch die Pumpe [m ³ /h]

• Ap - von der Pumpe aufgebauter Differenzdruck [bar]

• CDr - Geschwindigkeit der die Pumpe antreibenden Welle [U/sec]

• Te - Drehmoment der Welle [Nm]

• V - Versorgungsspannung [V] • / - Versorgungsstrom [A]

• φ - Winkel zwischen der Versorgungsspannung V und dem Motorstrom / [U]

• COe - Versorgungsfrequenz [U/sec]

• P) - dem Motor zugeführte elektrische Leistung [W] • ?2 - mechanische Leistung an der Motorwelle [W]. Die Leistung Pz ist proportional zum Schlupf s des Motors. Dies ist Pz cc s.

• Pz - hydraulische Leistung der Pumpe [W]

• η _m ~ Motorwirkungsgrad

η _P ~ Pumpenwirkungsgrαd

Diese Variablen sind wie folgt miteinander verknüpft:

COe- CA

S - cos

P ₃ = K q δp

Pi ηm = Pi

P ₃ η _P = P ₂

Die mathematische Beschreibung der die Leistung des Motors in allen Betriebspunkten definierenden Fläche gemäß Darstellung 8 ergibt sich somit aus folgenden Gleichung:

(Gleichung 8)

wobei vorausgesetzt wird, dass die Versorgungsspannung durch den sd K _λ ω _e + K ₀ Vektor gegeben ist. Rs (Statorwiderstand), Us (induksq tive Verluste des Stators), L _m (magnetische Induktion), U (induktive Ver¬

0 - luste des Rotors), Rr (Rotorwiderstand) und J (Matrix ) ssiind die

1 0 Konstanten des Motors.

Die Leistung am Eingang der Pumpe 2a gemäß Darstellung 9 kann bekanntermaßen durch die Pumpengleichung

P ₂ (q,ω _r ) = -a _P2 q ² ω _r + a _P2 qω ² + a _PO ω] + Bω ² (9)

beschrieben werden, in welcher die Konstanten 072, an, an und ß Pum- penkonstanten sind.

Die am Ausgang der Pumpe 2a anstehende Leistung gemäß Darstellung 10 kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

P _i (q,ω _r ) = -a _p2 q ³ + a _p2 q ² ω _r + a _pO qω ² + p _φel q (10)

In dieser Gleichung lauten die Konstanten a _P 2, a _P ι, a _P o und p _O ffset.

Die anhand der Darstellungen 8, 9 und 10 in Fig. 2a dargestellten drei- dimensionalen Flächen, welche jeweils die Leistung an den Schnittstellen vor, zwischen und hinter den Funktionseinheiten I a und 2a beschreiben, werden zu einem Zeitpunkt ti erfasst und gespeichert. Die Erfassung erfolgt typischerweise während des normalen Betriebs während einer kurzen Zeitspanne, die bezogen auf das überwachungsinter- vall (Zeit von Ti bis h) vernachlässigbar klein ist, wonach dann nach einer längeren Zeitspanne, nämlich zum Zeitpunkt h dieser Vorgang wiederholt wird, sodass sich die Flächen gemäß den Darstellungen 8', 9' und 10' ergeben. Dabei werden die Flächen 8 und 8' sowie 9 und 9' und schließlich 10 und 10' zum Zeitpunkt ti und h miteinander vergli- chen. Wenn die Flächen übereinstimmen, arbeitet das Aggregat unverändert. Wenn hingegen zwei dieser Flächen in einem Betriebspunkt voneinander beabstandet sind, dann hat sich eine der Funktionseinheiten in ihrer Leistungscharakteristik geändert, typischerweise verschlechtert. Wenn also beispielsweise ein Abstand zwischen den Flächen ge- maß Darstellung 10 und 10' und im übrigen übereinstimmende Flächen festgestellt werden, dann ist davon auszugehen, dass zwar der Motor I a mit unvermindertem Wirkungsgrad arbeitet, dass jedoch innerhalb

der Pumpe 2α ein den Wirkungsgrad verändernder Vorgang stattgefunden hat. Umgekehrt kann bei einer Veränderung der Flächen gemäß den Darstellungen 9 und 9' auf gleichbleibende Pumpenleistungscharakteristik jedoch veränderten Motorwirkungsgrad geschlossen werden.

Bei der überwachung wie sie anhand von Fig. 2a dargestellt wird, erfolgt eine Leistungsüberwachung vor und hinter jeder Funktionseinheit I a, 2a. Dies kann je nach Anwendung jedoch entbehrlich sein. Auch müssen nicht zwingend die die Eingangs- oder Ausgangsleistung repräsentierenden mehrdimensionalen und Modelcharakter aufweisenden Flächenverläufe ermittelt werden, wie sie durch die Gleichungen 8, 9 und 10 definiert sind, sondern es kann, wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b verdeutlicht, z.B. an Stelle der Leistung P3 gemäß Darstel- lung 10 in Fig. 2a alternativ die hydraulische Leistungscharakteristik ermittelt werden, also der von der Pumpe 2a aufgebrachte Differenzdruck in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl cor und der Durchflussmenge q. Der zum Zeitpunkt ti erfasst und gespeichert wird. Die in Darstellung 10a aufgeführte mehrdimensionale Fläche sowie die zum Zeit- punkt t2 in Darstellung 10a' aufgeführte Fläche ist jeweils durch die Gleichung definiert.

Ap(q,ω _r ) = -a _p2 q ² + a _p2 q ^ι ω _r + a _p0 ω ² _r + p _φeι ( 10a)

Anhand von Fig. 2c ist eine weitere Möglichkeit der überwachung eines solchen Pumpenaggregates bestehend aus den Funktionseinheiten I a und 2a dargestellt. Wie die Darstellung 1 1 verdeutlicht, ist dort die Leistung Pi in Abhängigkeit von ω _e und Q gemäß Darstellung 8a erfasst und wird mit der entsprechenden Leistung gemäß Darstellung 8a' im zeitli- chen Abstand zwischen ti und h verglichen. Auch die Leistung P2 wird dort in Abhängigkeit von δ _p und o bestimmt, wie die Darstellung gemäß 9a bzw. 9a' verdeutlicht. Schließlich wird bei dem anhand von Fig.

2c dargestellten überwachungskonzept der Wirkungsgrad des Motors η _m sowie der Wirkungsgrad der Pumpe η _p direkt überwacht, wie die Darstellungen I I a und I I b bzw. I I a' und I I b' verdeutlichen. Diese Unterschiede sollen lediglich verdeutlichen, dass es eine Vielzahl von Möglichkeiten der überwachung der Leistungscharakteristik der gesamten Einrichtung aber auch der Funktionseinheiten davon gibt, wie dies vorstehend anhand des aus den Funktionseinheiten Motor I a und Pumpe 2a bestehenden Kreiselpumpenaggregats verdeutlicht worden ist.

Der Wirkungsgrad des Motors η _m ist der Quotient aus P ₂ und Pi und ist abhängig von ωe (der Versorgungsfrequenz) und s , dem Schlupf des Motors. Der Motorwirkungsgrad ist in Fig. 2c in der Darstellung 1 I a durch die Fläche im Diagramm in jedem Betriebspunkt dargestellt. In der Dar- Stellung 9a ist die Leistung P2 in Abhängigkeit von δp und q gezeigt.

Daraus ergibt sich der Wirkungsgrad der Pumpe η _P in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl (Cλ) und der Fördermenge q , wie die in 1 I b dargestellte Fläche verdeutlicht. In 8a ist die Leistung Pi des Motors I a in Abhängigkeit der Versorgungsfrequenz und der Durchflussmenge der Pumpe ebenfalls in Form einer Fläche dargestellt. Analog zu Fig. 1 sind die anhand der Flächen 8a, 9a, I I a und 1 I b dargestellten Leistungen bzw. Wirkungsgrade zum Zeitpunkt ti ermittelt und abgespeichert worden, wohingegen zum Zeitpunkt h entsprechende Vergleichsflächen ermittelt worden sind, wobei als Maß für die Wirkungsgradveränderung der Abstand der Flächen in den Darstellungen 1 I a und 1 I a' sowie 1 I b und I I b' herangezogen werden. Wenn beispielsweise der Wirkungsgrad der Pumpe 2a im Laufe der Zeit ti bis h aufgrund eines Lagerschadens nachlässt, so werden die Flächen in den Darstellungen I I a und 1 I a' ineinander liegen, wohingegen die Flächen in den Darstellun- gen 1 1 b und 1 1 b' einen deutlichen Abstand voneinander aufweisen werden, bezogen auf einen Betriebspunkt. Anstelle dieses Abstands kann auch ein Volumen definiert werden.

Anhand von Fig. 3 ist beispielhaft dargestellt, wie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kompressor überwacht werden kann. Der Kompressor weist eine Funktionseinheit 1 b in Form eines Motors und eine davon angetriebene Funktionseinheit 2b in Form einer Verdrängerpumpe auf, welche einen Verbraucher 7b speist. Auch hier werden zu einem Zeitpunkt ti eine die Motorleistung repräsentierende Fläche gemäß Darstellung 12 sowie eine die Pumpenleistung repräsentierende Fläche gemäß Darstellung 13 ermittelt und gespeichert und in zeitli- chem Abstand, beispielsweise zum Zeitpunkt h entsprechend den Darstellungen 12' und 13' anhand aktueller Werte zum Zeitpunkt h ermittelt und mit den gespeicherten vergleichen, wobei auch hier der Abstand der Flächen gemäß den Darstellungen 12 und 12' bzw. 13 und 13' und das dazwischen aufgespannte Volumen als Maß für die Wirkungsgrad- Verschlechterung herangezogen wird. Die rechnerischen Zusammenhänge ergeben sich wie folgt:

• Pm ~ Eingangsdruck am Kompressor [bar]

• poυt - Ausgangsdruck am Kompressor [bar] • Tm ~ Eingangstemperatur am Kompressor [ ⁰ K]

• Tout ~ Ausgangstemperatur am Kompressor [ ⁰ K]

• cύ, ~ Drehzahl der den Kompressor antreibenden Welle [U/sec]

• Pι ~ vom Motor aufgenommene elektrische Leistung [W]

• ?2 ~ Leistung an der Antriebswelle [W]. Die Leistung ?2 ist proportional zum Schlupf des Motors s. Dies ist ?2 <χ s.

Weiterhin gelten die folgenden mathematischen Beziehungen:

Pl = Wr Je

n-\ ₌ \n(T _om )- Xn(T _1n ) " ln(p _ou ,)-ln(/?,J

Bei einem αdiαbαten Kompressionszyklus ergibt sich somit die Leistung P2 wie folgt:

P ₂ = k _o ω _rPm In Pout + k,ω' + k ₂ ω (13)

wobei k = δV/(2π) ist.

Für den Fall, dass im Kompressorkreislauf kein adiabater Prozess abläuft, kann die Leistung wie folgt angegeben werden:

n-\

P ₂ = k _o ω _rPιn Pout -1 + k _λ ω' + k ₂ ω

wobei k = δV n/(n-l) l[2τij, wobei n eine Konstante ungleich 1 ist, die den Wärmefluss während der Kompression beschreibt. Wenn der Prozess unter konstanter Temperatur abläuft, kann somit n ebenfalls als konstant angenommen werden. Der Ausdruck n/(n-l) ergibt sich aus folgender Gleichung:

Tout = T _1n [P ₀ UtJPi _n )W"

Das bedeutet, dass dieser Ausdruck anhand der Temperaturen Tm und Toυt sowie der Drücke Pout und Pm wie folgt ermittelt werden kann:

n-\_ In(T ₀ J-In(T _1n )

" HPOU,)-HPJ

Die Motorleistung Pi kann in analoger Weise wie oben durch die Gleichung (8) angeben überwacht werden.

Anhand von Fig. 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren für einen Kühl- schrank dargestellt bestehend aus einem Motor I c, einer Verdrängerpumpe 2c, deren Ausgang einen Verdampfer 3c beaufschlagt, der über eine Drossel 4c mit einem Kondensator 5c verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang der Pumpe 2c leitungsverbunden ist. Der Kühlraum ist mit 7c gekennzeichnet.

In diesem System ergeben sich folgende Variablen:

• Tι ~ Temperatur am Austritt des Verdampfers 3c

• Th - Temperatur am Eintritt des Kondensators 5c • Tbox ~ Temperatur im Kühlraum 7c

• Tamb ~ Umgebungstemperatur

• Qi - Kühlleistung

• Q2 - an die Umgebung abgegebene Leistung

• W - von der Pumpe 2c abgegebene Leistung • cor - Geschwindigkeit der Motorwelle [U/sec]

• Te - Drehmoment [Nm]

• Pi - vom Motor abgegebene mechanische Leistung

Diese stehen in folgendem mathematischen Zusammenhang:

T - T

T eq = i± rr, -L . ( Vτ amb _ τ box ) I

Die die Leistung des Motors I c beschreibende Fläche gemäß Darstel- lung 14 entspricht der gemäß Darstellung 12 in Fig. 3 bzw. Darstellung 8 in Fig. 2a Für die die Leistung P2 und P3 definierenden Flächen ergeben sich folgende Zusammenhänge:

Pi -T _box )+ K _ω .ω ³ ( 15)

P _i = R _λ '^ ^L ' (T _ιmb -Tj) (1 7)

Die Gleichung 15 beschreibt dabei die Leistung P2am Eingang des Kompressors wohingegen die Gleichung 17 die Leistung am Ausgang des Kompressors beschreibt. Wie insbesondere die Darstellung 17 verdeutlicht, können die hier zur Ermittlung der Leistung an den Schnittstellen der Funktionseinheiten zu ermittelnden Flächen zwei- oder mehrdi- mensional sein. Die Fläche gemäß Darstellung 17 ist zweidimensional, also eine Linie. Die übrigen hier dargestellten Flächen sind sämtlichst dreidimensional. Es versteht sich, dass diese Flächen ggf. auch mehr als dreidimensional sein können, je nach Art der zu überwachenden Maschine und der dahinter stehenden mathematisch physikalischen Zu- sammenhänge.

Auch hier erfolgt die überwachung in analoger Weise, indem die die Leistung an den Schnittstellen der Funktionseinheiten angebenden Flächen gemäß Darstellungen 14, 15 und 17 zum Zeitpunkt ti sowie nach zeitlichem Abstand zum Zeitpunkt h ermittelt werden (es ergeben sich dann die Flächen gemäß den Darstellungen 14' 15' und 17'), um dann durch Ermittlung des Abstandes der Flächen bzw. das dazwischen aufgespannte Volumen zu ermitteln, welche der Funktionseinheiten I c, 2c, um welches Maß in ihrem Wirkungsgrad abgefallen sind.

Schließlich ist anhand von Fig. 5 dargestellt, wie das erfindungsgemäße überwachungsverfahren am Primärkreislauf einer Heizungsanlage anwendbar ist. Die Heizungsanlage weist einen Brenner 20 auf, der in einem Brennraum 21 Wasser in einer Leitung 22 erwärmt. Das vom Bren- ner 20 erwärmte Wasser wird im Primärkreislauf der Heizungsanlage geführt und gelangt nach Abfuhr seiner Wärme in einen Wärmetauscher

23, in welchem das aus dem Brennraum 21 austretende Abgas seine Wärme an das Wasser abgibt. Das Abgas tritt über den Ausgang 24 ins Freie. Die Variablen dieses Systems sind:

• q ~ Volumenstrom des durch die Leitung 22 strömenden Wassers

• m _g ~ Abgasmasse

• Tw.out ~ die Temperatur des aus der Leitung 22 austretenden Wassers

• Tw.m ~ die Temperatur des in die Leitung 22 eintretenden Wassers

• Tg.oυt ~ die Temperatur des Abgases am Austritt • Tg.m ~ die Verbrennungstemperatur

• Tamb ~ die Umgebungstemperatur

• Pi ~ die durch den Brennstoff in das System eingebrachte Leistung

• P ₂ ~ die durch das Wasser aus dem System abgeführte Leistung

Hierbei ergeben sich folgende Zusammenhänge:

P ₂ ⁼ Pw Q Cpw (Tw,ou1 — Tw.in)

in der /v die Dichte des Wassers und C _pw die spezifische Wärmekapazität des Wassers darstellen. Die zu berechnenden Flächen ergeben sich hierbei wie folgt und sind zum Zeitpunkt ti durch die Darstellung 16 und zum Zeitpunkt h durch die Darstellung 16' angegeben:

UA UA P ₂ = P _x - m _g C _p J _v , _m - m,C„ (T _gJ -T _w _ _oul > ^ ^< »~ ^C - + m _g C _pg T _amb ( 1 6)

wobei Cp ₉ und C _P w die spezifische Wärmekapazität des Abgases, U der Wärmeübertragungskoeffizient und A die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Brenner 20 und der Leitung 22 sind. Dabei werden die

durch das Abgas abgeführte Leistung P _1n und der Massestrom m _g des Abgases als konstant angenommen, ebenso die Umgebungstemperatur T _amb . Ggf. können diese Größen auch in einfacher Weise durch

Messung ermittelt werden.

Wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele verdeutlichen, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei unterschiedlichsten Einrichtungen wie Aggregaten, Maschinen und Anlagen eingesetzt werden, wobei vorteilhaft stets die mehrdimensionalen Flächen ermittelt werden, welche jeweils die Leistung an den Schnittstellen der Funktionseinheiten zueinander in jedem beliebigen Betriebspunkt definieren und somit ein zuverlässiges Maß für die Leistungscharakteristik der Funktionseinheiten sowie bei entsprechender Auswertung der gesamten Einrichtung ergeben, wenn diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten (z. B. ti und t2) miteinan- der verglichen werden. Es versteht sich, dass die Zeitpunkte ti und hier nur beispielhaft zu verstehen sind, zweckmäßigerweise bleiben die zum Zeitpunkt ti ermittelten Werte stets abgespeichert, um sie mit späteren vergleichen zu können, was jedoch nicht ausschließt, dass auch Zwischenwerte gespeichert werden um ggf. auch die Geschwindigkeit der änderung zu erfassen. Auch dies kann in einer entsprechenden Auswerteinrichtung ausgewertet werden. Insoweit wird insbesondere auf EP 1 564 41 1 Al verwiesen, wo vergleichbare Auswertungen im Einzelnen beschrieben sind.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bei den vorstehend dargestellten Ausführungsbeispielen stets zwei- oder mehrdimensionale Flächen zur Ermittlung der Leistungsbilanz an den Schnittstellen der Funktionseinheiten verwendet worden sind, da dies eine Auswertung praktisch unabhängig vom jeweiligen Betriebspunkt ermöglicht. Es kön- nen bei im Wesentlichen konstanten Betriebspunkten diese Auswertungen auch vereinfacht erfolgen, indem einzelne Größen im zeitlichen Abstand miteinander verglichen werden, über die mittelbar oder unmit-

telbαr Rückschlüsse über den Wirkungsgrad erfolgen können. Die in Rede stehenden zwei- oder mehrdimensionalen Flächen werden vorteilhaft während des Betriebs ermittelt, wobei durch geeignete Iterationsverfahren versucht wird, unter Zugrundelegung möglichst weniger un- terschiedlicher Betriebspunkte eine hohe Genauigkeit der Flächen zu erzielen. Dies kann insbesondere unter Verwendung des Kάlmάnfilters erreicht werden, wie weiter oben schon beschrieben worden ist. Es können jedoch auch andere geeignete Iterationsverfahren Verwendung finden. Auch ist es denkbar, dass, beispielsweise bei einem Pum- penaggregat, bestimmte Betriebspunkte gezielt angefahren werden, um die die Leistungsbilanz repräsentierende Fläche mit möglichst hoher Genauigkeit zu erfassen oder durch gezieltes Anfahren von definierten Betriebspunkten auf das Ermitteln solcher Flächen verzichten zu können.