Echtzeitfähige digitale Zwillinge von Kreiselpumpen

Projektlaufzeit: 01.07.2019 - 30.06.2022
Fördergeber: BMWK

Fähigkeiten zur Selbstüberwachung oder zur selbstständigen Optimierung im laufenden Betrieb werden in Zukunft ausschlaggebend für die Wettbewerbsfähigkeit bereits weit entwickelter Maschinen und Technologien sein. Diese sogenannte „Smartisierung“ ist eine Schlüsselvoraussetzung für zukünftige Technologiesprünge und eine Marktdiversifikation in der Pumpenindustrie. Und genau hier setzt das AiF-Vorhaben an. Für die Weiterentwicklung von Pumpen zu smarten, digitalisierten Pumpen sind Modelle („digitale Zwillinge“) ein zentraler Aspekt. Mit „Modell“ oder „digitalem Zwilling“ ist hier jede zweckmäßige quantitative Beschreibung der Pumpe gemeint. Bereits heute werden in der Pumpenindustrie Simulationen zur Beschreibung der Vorgänge in Pumpen in Form von CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics) eingesetzt. Mit gängigen CFD-Tools kann das Strömungsverhalten zwar bereits mit sehr hoher Genauigkeit berechnet werden, eine Echtzeitanwendung ist jedoch auf Grund von hohem Rechenleistungsbedarf nicht möglich. Ein zentraler Schritt des hiesigen Vorhabens besteht deshalb in der Entwicklung und Umsetzung von Methoden, die eine Reduktion von bestehenden CFD-Modellen zu einfachen, schlanken (d.h. echtzeitfähigen) und dennoch genauen Modellen und Algorithmen zulassen, die in Pumpen eingebettet werden können.

Das reduzierte Modell wurde zunächst an einer realistischen Radialpumpe mit niedriger spezifischer Drehzahl entwickelt und getestet. Im Gegensatz zum CFD-Modell besteht das reduzierte Modell aus wenigen gewöhnlichen Differentialgleichungen, mit denen das gesamte dreidimensionalen Geschwindigkeits- und Druckfelder rekonstruiert werden kann. Dabei wurde dann ein sogenanntes Soft-Sensor-System eingesetzt, die eine Rekonstruktion des gesamten Strömungs- und Druckfeldes aus wenigen Messwerten des Strömungs- und Druckfeldes in Echtzeit erlauben. Auf Basis der Ergebnisse der Softsensorik wurde die Rekonstruktion der Strömungsfelder mit einer geringen Abweichung von der CFD-Lösung erzielt. Das resultierende reduzierte Modell und der modellbasierte Softsensor wurden auf einem Mikrocontroller umgesetzt und an einem Hardware-in-the-Loop (HiL) Aufbau, d.h. mit realisiertem Mikrocontroller, aber virtueller Versuchspumpe in Form des CFD-Modells, getestet. Die Funktionalität des reduzierten Modells und des Softsensors wurde an diesem HiL-Aufbau nachgewiesen, an dem die echtzeitnahe Überwachung von Axial- und Radialkräften in einer Kreiselpumpe demonstriert wurde.

Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie von der Ruhr-Universität Bochum durchgeführt.

Informationen zum Abschlussbericht

Ansprechpartner: Romuald Skoda