Neues Verfahren zum Online-Pumpenmonitoring

Bei Neubau und Sanierung größerer Immobilien, beispielsweise Hotels, Bürogebäude, Krankenhäuser, Industriegebäude etc. wird der Einsatz moderner Gebäudeautomation (GA) zunehmend wichtiger: Durch die Vernetzung lassen sich erhebliche Einsparpotenziale im Gebäudebetrieb erschließen. In der Haustechnik werden zur Förderung von warmem oder kaltem Wasser wegen ihrer Wartungsarmut und ihres nahezu geräuschlosen Betriebs vielfach Nassläuferpumpen in großer Stückzahl für Heizungs- und Klimaanlagen eingesetzt. Die technischen Möglichkeiten und wichtigsten Funktionen der GA umfassen unter anderem:

• Steuerung von technischen Komponenten oder Systemen abhängig von Bedarf, Zustand, Tageszeit oder Jahreszeit,
• Laststeuerung und Optimierung auf Basis der Verbrauchsdatenerfassung wie zum Beispiel der elektrischen oder der hydraulischen Energie,
• Dokumentation von Betriebs-, Zustands- und Störmeldungen,
• Meldung von eventuellen Störungen oder unzulässigen Betriebszuständen und mögliche Alarmierung,
• Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Feldgeräte, wie Pumpen, Ventile und Stellklappen, zur Optimierung des Gesamtsystems,
• Asset-Management zur Werterhaltung durch eine zustands- und verschleißabhängige Wartung der installierten technischen Komponenten, wie Pumpen, Motoren oder Lüfter.

Bei der Gebäudeleittechnik können die Ebenen der Feldgeräte, die Prozess- und die Managementebene unterschieden werden. Pumpen aus der Feld­ebene kommunizieren über standardisierte Schnittstellen mit der übergeordneten Prozessebene. Zur Einbindung von Nassläuferpumpen in eine GA kommen grundsätzlich zwei Möglichkeiten in Betracht:

• Ankopplung über eine digitale Schnittstelle wie zum Beispiel über den standardisierten PLR- oder LON-Bus.
• Ankopplung über potenzialfreie Kontakte entsprechend VDI 3814.

Wilo bietet mit den neuen TOP-S Protect­modulen (Bild 2) nun die Möglichkeit, Standard-Nassläuferpumpen intelligent in eine Gebäude­automation gemäß Klemmen nach VDI 3814 einzubinden. Tabelle 1 stellt beispielhaft die für wichtige Steuer- und Meldefunktionen erforderlichen Bus-Datenpunkte den Klemmenfunktionen nach VDI 3814 gegenüber.

Sollen die Nassläuferpumpen nach bestimmten Steuerprogrammen als Einzel- oder Doppelpumpe ein- oder ausgeschaltet werden, kann die Ext.-Off-Klemme beispielsweise direkt mit einem SPS-Ausgang verbunden werden. Die Stand-by-Leistung bleibt mit wenigen Watt dabei äußerst gering. Voluminöse, dreiphasige Schütze zum Schalten der Pumpen können dadurch entfallen. Lediglich im Austauschfall ist eine sichere Netztrennung herzustellen.

Funktion Betriebsmeldung – SBM

Für die Rückmeldung, ob die Pumpe tatsächlich läuft und in Betrieb ist, dient die als Schließer ausgeführte Sammelbetriebsmeldung SBM. Damit ist eine kontinuierliche Überwachung über den ­sicheren Pumpenlauf gewährleistet. Wird die Pumpe beispielsweise nicht mehr mit 230/400 V Netzspannung versorgt, öffnet das Betriebsmelderelais und signalisiert, dass die Pumpe aktuell kein Wasser fördert. Weiterhin kann aus der Betriebsmeldung die Gesamtlaufzeit der Pumpenaggregate ermittelt und für eventuelle Wartung- oder Servicearbeiten herangezogen werden.

Funktion Störmeldung – SSM

Kommt es im Laufe des Pumpenbetriebes irgendwann zu einer Störung, ist es wichtig, jeden möglichen Fehler, der zu einem Pumpenstillstand führt, sofort zu erkennen und über eine Klemme gemäß VDI 3814 an die Gebäudeautomation weiterzuleiten. Tabelle 2 fasst die Bedeutung und Funktion der Betriebs- und Störmeldeklemmen zusammen.

Kommt es darauf an zu prüfen, ob die Pumpe tatsächlich läuft, so ist die Betriebsmeldung SBM auszuwerten. So steht die Pumpe beispielsweise still, falls eine Störung vorliegt oder die Pumpe vom Netz getrennt wurde. Beide Fälle können aber aus der Auswertung des SBM-Kontakts allein nicht unterschieden werden. Wird, wie Tabelle 2 zeigt, nur der SSM-Kontakt ausgewertet, kann die Pumpe trotz nicht gestörtem Betrieb still stehen, ­sobald die 230/400V-Versorgung unterbrochen ist. Zu einer umfassenderen Zustandsaussage kommt man aus der Auswertung von SBM- und SSM-Kontakt. Dadurch kann eindeutig unterschieden werden, ob die Pumpe wegen einer Störung (SSM = 1) oder einer Netzunterbrechung (SSM = 0) still steht. Die Wilo-Protect-Module bieten beide Klemmen für alle ein- und dreiphasigen Pumpen der Baureihe TOP-S serienmäßig.

Neues Verfahren überwacht Pumpen

Die Wirkungsweise der Pumpenüberwachung ist in Bild 1 dargestellt. An jedem Elektromotor ist von außen ein geringes magnetisches Feld messbar, welches mit der Netzfrequenz von 50 Hz um den Motor rotiert (gelber Zeiger). Dabei ist zu beachten, dass die gemessenen 50 Hz keineswegs die Motordrehzahl repräsentieren. Allerdings wird die Größe des Magnetfeldes (Länge des Zeigers) in sehr geringem Maße durch die Drehbewegung des Rotors beeinflusst, mit anderen Worten die Länge des Zeigers wird schwach moduliert, erkennbar an einer Schwebung im Sensorsignal (Bild 4, links). Fehlt diese geringe Modulation (Bild 4, rechts) können nur zwei Ursachen vorliegen:

• Die Pumpe steht still, n = 0 min^–1
• Die Pumpe läuft trocken, n> 2900 min^–1

Die im Protectmodul vorhandene empfindliche Sensorik erfasst das modulierte Magnetfeld, wertet dieses aus und zeigt die Störung über eine rote Stör-LED und das Störmelderelais an. Welche Fehler zu einem Pumpenstillstand führen können, zeigt Tabelle 3.

Doppelpumpen: Hohe Verfügbarkeit

Doppelpumpen sind im Prinzip zwei autark ­arbeitende Einzelpumpen mit einem gemeinsamen Doppelpumpengehäuse und integrierter Umschaltklappe (Bild 3). Die Wahrscheinlichkeit, dass beide Pumpen unabhängig zum gleichen Zeitpunkt ausfallen, kann als äußerst gering bezeichnet werden. Deshalb ist das Pumpen-Monitoring umso interessanter und wichtiger, da sofort automatisch auf die noch intakte Pumpe umgeschaltet und der Pumpenfehler zur Gebäudeleittechnik gemeldet werden kann.

Muss eine Pumpeneinheit ausgetauscht werden und ist dabei der Wasserkreislauf zu öffnen, besteht die Möglichkeit, dies auf einen späteren Zeitpunkt, beispielsweise außerhalb der Heiz- oder Kühlperiode, zu verschieben. Die automatische Umschaltung auf die ungestörte Pumpe ist Bestandteil der im Protectmodul vorhandenen Doppelpumpensteuerung. Durch eine intelligente Pumpenumschaltung wird ein unnötiger Klappenschlag vermieden. Wird die Doppelpumpe über die Ext.-off Klemme ausgeschaltet und in den Stand-by-Modus versetzt, so erfolgt alle 24 Stunden ein kurzer Anlauf, der so genannte Pumpenkick. Ein eventuelles Blockieren der Reservepumpe durch länger andauernde Stillstandzeiten (z.B. im Sommer-/Winterbetrieb) wird so vermieden. Bei hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit sollte daher die Pumpe gerade bei längeren Stillstandszeiten im Stand-by mit sehr geringen Leistungsverlusten (Netzteil) betrieben werden.

Aber auch bei Betrieb einer Einzelpumpe ist die eindeutige und sekundenschnelle Erkennung und Meldung einer Pumpenstörung von großem Vorteil. So können Folgestörungen in einem angeschlossenen Kühl- oder Heizkreislauf vermieden werden.

Zusammenfassung

Wilo hat mit einem neuartigen und zum Patent angemeldeten Diagnoseverfahren ein nachrüst­bares Monitormodul für alle Nassläuferpumpen entwickelt, welches die kontinuierliche Über­wachung des fehlerfreien Pumpenbetriebs ermöglicht. Damit kann, wie heute bei allen Elektronikpumpen üblich, eine Störung lokal für die Doppelpumpensteuerung oder zentral für eine ­angeschlossene Gebäudeleittechnik erfasst und gemeldet werden. Die Verfügbarkeit wird durch eine schnelle, eindeutige Fehlererkennung sowie die integrierte Doppelpumpensteuerung deutlich erhöht.

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