Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Umsetzung einer Modellreduktionsmethode zur automatisierten Bereitstellung von hochaufgelösten echtzeitfähigen digitalen Zwillingen für die Smartisierung von Pumpen am Beispiel der Berechnung von Axial- und Radialkräften

Viele maschinenbauliche Produkte werden in Zukunft nur dann wettbewerbsfähig sein, wenn sie über eine gewisse eingebaute Intelligenz verfügen, die sie z. B. zur Selbstüberwachung oder -optimierung befähigt. Dies gilt insbesondere für reife Produkte wie die hier untersuchten Pumpen, bei denen die rein maschinenbauliche Weiterentwicklung in zwar wichtigen, aber nur noch vergleichsweise kleinen Schritten erzielt werden kann. Durch eine „Smartisierung“, d. h. eine Ergänzung um Fähigkeiten, die durch eingebettete Software und digitale Schnittstellen definiert sind, werden dagegen völlig neuartige Technologiesprünge möglich.

Für die Weiterentwicklung von Pumpen zu smarten Pumpen sind schlanke Rechenmodelle und echtzeitfähige Algorithmen zentral. Im Projekt wird eine Methode für das Erstellen von reduzierten Modellen umgesetzt, die auf kostengünstigen Mikrocontrollern eine automatische Selbstüberwachung der Pumpe in Echtzeit erlauben. Der unmittelbare Nutzen für die KMU besteht in einem prototypischen smarten Pumpensystem, das mit Hilfe eines Mikrokontrollers und kostengünstigen Sensoren (z. B. Drucksensoren) den Strömungszustand in ihrem Inneren überwachen kann. Der konkrete, sehr anspruchsvolle Anwendungsfall besteht dabei in der Überwachung von Radial- und Axialkräften. Der Prototyp umfasst auch die Entwicklungsumgebung aus Hard- und Software, der die Umsetzung zukünftiger smarter Pumpensysteme nach Projektende bei den KMU ermöglicht.

Der Wandel von Pumpen zu intelligenten Pumpen erfordert eine Kombination von Expertisen aus den Bereichen Maschinenbau, angewandter Informatik und eingebetteten Systemen. Eine solch übergreifende und umfassende Expertise ist in der Regel nur in forschenden Großkonzernen verfügbar und kann von KMU kaum intern aufgebaut werden. Um die Konkurrenzfähigkeit durch Innovationen im hier bearbeiteten Themenfeld zu sichern, ist ein unternehmensübergreifendes, vorwettbewerbliches Projekt nach Einschätzung der Antragsteller ideal geeignet.

Ergebniszusammenfassung:

- Eine Methode zur Modellreduktion von Geschwindigkeits- und Druckfeldern wurde entwickelt, die darüber hinaus eine echtzeitfähige Zustandsüberwachung (Softsensorik) des vollständigen Strömungsverhaltens innerhalb der Kreiselpumpe ermöglicht und schließlich die am Rotor auftretenden Axial- und Radialkräfte berechnet. Neben der automatisierten Prüfung der Beobachtbarkeit und der Lokalisation von besonders geeigneten Messorten, an denen die wenigen zeitlich aufgelösten Informationen über die zu überwachende Pumpe bereitgestellt werden, wurden die besagten Methoden auf einem Mikrocontroller umgesetzt und an einem Hardware-in-the-Loop (HiL) Aufbau getestet. Damit wurden die Realisierbarkeit auf einem kostengünstigen Mikrochip und das Potential zur Echtzeitüberwachung von Pumpensystemen ohne erhebliche Mehrkosten gezeigt.

- Die Zustandsüberwachung erfolgte mit Messungen der Geschwindigkeiten. Auf Basis der gemessenen Geschwindigkeiten erfolgte eine realistische Rekonstruktion des gesamten Strömungsfeldes, das beispielhaft zur Berechnung der dynamischen Rotorkräfte verwendet wurde. Weil eine praktische Umsetzung von Geschwindigkeitsfeldern sich in realen Pumpensystemen als schwierig erweisen dürfte, wurde außerdem gezeigt, dass eine Zustandsüberwachung auf Basis von praktisch viel einfacher durchzuführenden Druckmessungen ebenfalls grundsätzlich funktioniert.

- Die entwickelten Methoden zur Modellreduktion und Details zum Aufbau eines virtuellen (HiL-) Pumpenprüfstands stehen für die Mitglieder des projektbegleitenden Ausschusses zur Verfügung. Dabei dienen die vollständig in C++ entwickelten und implementierten Algorithmen als Vorlage für die unternehmensinterne Realisierung von reduzierten Modellen und der zugehörigen Zustandsüberwachung, die die Portierung auf anwendungsspezifische Mikrocontroller und Pumpen vereinfachen.