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1. Ablaufschlauch Abbildung 2 3 Wasserf hrung in einer Waschmaschine IAS 10a Die Sensoren dienen nicht nur der Steuerung des Programmablaufs s e erf llen auch Sicherheitsfunktionen indem sie z B verhindern dass die Wasserheizung arbeitet ohne dass Wasser in der Trommel ist oder dass ab einem gewissen Wasserstand die Ablaufpumpe zwangsweise eingeschaltet wird und die Maschine entleert 2 1 2 2 Tachogenerator Trommelmotor Dabe handelt es sich um ein frequenzanaloges Sensorelement Direkt auf der Welle des Trommelmotors sitzt ein Generator der bei drehendem Motor eine Wechselspannung abgibt deren Frequenz direkt proportional zur Motordrehzahl ist Dieser Generator besteht aus einem auf der Welle montierten Permanentmagneten und einer feststehenden Spule Dennoch bei zu niedrigerer Geschwindigkeit ist die Amplitude der induzierten Spannung noch gering sie steigt 17 bei h herer Drehzahl bis zu einem Maximalwert von etwa 16 Volt Spitze Spitze Erst dann kann man die Trommelgeschwindigkeit richtig erfassen die Amplitude bleibt konstant lediglich die Frequenz ndert sich weiterhin 2 1 2 3 T rverriegelung Schaltkontakt Es handelt sich hier um einen einfachen elektromechanischen Kontakt der aktiviert wird sobald der Verriegelungsmechanismus seine Arbeitsposition erreicht hat und damit das ffnen der T r nicht mehr m glich ist Er gibt die Netzspannung 230V als Ausgangsspannung ab und versorgt damit alle Aktoren des
2. 2 1 4 Steuerungsplatine Die Steuerungsplatine des Waschtrockners bernimmt die komplette Regelung und Steuerung der Anlage Sie hat die Aufgabe die Sensoren mit Spannung zu versorgen die Daten auszuwerten das Waschprogramm weiterzuschalten und einzelne Aktoren anzusteuern die nicht direkt mit dem Programmwahlschalter verbunden sind Auf hr befindet sich der Mikrocontroller des Systems 22 2 1 5 Liste der Verbraucher In der unten stehenden Tabelle werden die nach Messungen am Waschtrockner wichtigsten Energieverbraucher aufgelistet Tabelle 2 2 Wichtigsten Energieverbraucher des Waschtrockners Ablaufpumpe 30 W 230V AC 50Hz Wasserheizung Leistungsaufnahme 1 950 W Gemessene Widerstandswert 27 Q Luftheizung Anschlusswiderstand 70Q Heizwendel Stromaufnahme 3 A Heizwendel Leistung 700 W Heizwendel zusammen 1400 W 2 1 6 Programmablauf Betriebsmodus Bei der Untersuchung des Waschtrockners lassen sich drei verschiedene F lle f r den Betrieb des Waschtrockners identifizieren Bei der genaueren Betrachtung des technischen Prozesses stellt man fest dass bei diesem Waschtrockner wesentlich mehr als nur drei F lle vorhanden sind weil die Maschine um einiges mehr als drei Wasch und Trockenprogramme anbietet Im Rahmen der drei identifizierten F lle werden alle m glichen Programmteile und Teilfunktionalitaten des Wasch Trockners abgedeckt Daher kann man andere Wasch Programme die man als zus tzliche
3. Off gewechselt 58 4 3 3 3 Steuerung Die Steuerung wird durch Funktionen und Parameter in einem Zustand realisiert Wenn ein Zustand akt v ist werden Funktionen ausgef hrt oder Parameter gesetzt welche in diesem Zustand vordefiniert sind z B sind beim Zustand Off alle Verbrauer Werte auf 0 gesetzt 4 4 Algorithmus zur Generierung von Optimierungsvorschl gen Der Algorithmus zur Generierung von Optimierungsvorschlagen ist als Script OptAlgo m in MATLAB geschrieben F r die Optimierung muss das System f r die elektrische Energieanalyse d e verf gbare Informationen und Kenntnisse betrachten Die Optimierung besteht darin die Simulation mit allen m glichen Kombinationen der zu variierenden Parameter zu starten und die Ergebnisse mit dem aus der Simulation des Ist Zustands zu vergleichen Ist nach Ende einer Simulation mit einer Kombination der gesamte Energieverbrauch kleiner als bei der Simulation des Ist Zustands werden diese Parameterwerte als Optimierungsparameter ausgegeben 4 5 Installation und Ausf hrung Der Prototyp wurde in einer aktuellen Version von MATLAB Version 7 11 0 584 R2010b realisiert Es ist also gut m glich dass bei fr heren Versionen kleine Anpassungen notwendig sind Da alle Einstellungen ber eine Benutzungsoberfl che gemacht werden muss diese ge ffnet werden Die Benutzungsoberfl che muss erstmal in GUIDE ge ffnet werden dazu klickt man auf den Namen der Datei mit d
4. 3 2 Systemkomponente 3 2 1 Simulationsmodell Der Waschtrockner kann als Zustandsautomat interpretiert werden Nach der Definition besteht ein Zustandsautomat aus Zust nden und Zustands berg ngen G hn09b Ein Zustand entspricht einer Zeitspanne in der das Objekt auf ein Ereignis wartet welches einen Zustands bergang auch Transition in einen Folgezustand ausl st Ereignisse treten zu einem bestimmten Zeitpunkt auf und haben in der Regel keine Dauer Zur Beschreibung eines Zustandsautomaten dient das Zustandsdiagramm Das Zustandsdiagramm des Systems in Abbildung 3 2 zeigt die wichtigsten Zust nde n denen sich der Waschtrockner befinden kann Au erdem sind die Ereignisse die die Zustands berg nge ausl sen eingetragen F r einen Waschtrockner st es m glich alle Einstellungen an der Maschine sowohl vor als auch nach dem Dr cken des Hauptschalters zu machen Hier wird die zweite Variante gew hlt da dadurch schon die Energie die im Stand By Modus verbraucht wird gespart werden kann 42 On Bedingung 3 Waschen Bedingung 2 Bedingung 4 Trocknen Abpumpen Bedingung 5 Bedingung 1 Bedingung 6 Abbildung 3 2 Zustandsdiagramm des Waschtrockners Der Anfangszustand ist der Zustand Waschtrockner aus Nachdem der Waschtrockner beladen wurde die T r geschlossen st alle Einstellungen Wachprogramm w hlen Waschtemperatur einstellen Schleuderdrehzahl w hlen gemacht wurden u
5. Abbildung 3 3 Ablaufplan der Generierung von Optimierungsvorschl gen 47 3 2 3 Anwendung von Optimierungsma nahmen Wenn die Nutzerentscheidung gemacht ist m ssen die n tigen Anwendungen am realen System z B Ver nderungen von Konfigurationsparametern wenn m glich durchgef hrt werden 3 3 Schnittstellenbeschreibung 3 3 1 GUI Die grafische Benutzungsoberflache wird mit Hilfe von MATLAB entworfen Sie ist daf r da um die Interaktion zwischen dem Nutzer und das System zu erm glichen In Abbildung ist der Entwurf des GUIs dargestellt Die Benutzungsoberfl che muss folgende Komponenten beinhalten e Drei Buttons ein f r den Start der Generierung von Optimierungsvorschlagen eins f r die Anwendung der gew hlten Optimierungsma nahme und eins zum Schlie en des GUIs e Ein Feld f r die Eingabe der Betriebsparameter e Ein Feld f r die Eingabe der Nebenbedingungen e Ein Feld in dem die Optimierungsvorschl ge ausgegeben werden Die Optimierungsvorschl ge werden in List Form dargestellt Der Nutzer muss eine Variante w hlen und mit Buttondruck wird der Vorschlag zur ck an das System geschickt Dieser Vorschlag wird entweder vom Simulationsmodell oder vom realen System bernommen Benutzungsoberfl che Betriebsparameter Nebenbedingungen Anwendung am Optimierungsvorschlage per bit Abbildung 3 4 Entwurf der GUI 48 4 Prototypische Umsetzung des Systems Wie die einzelnen Komponenten des konzipierte
6. S StE MKOMPORENI u eek eine 41 3221 Smula on model Enea a ee 41 Benutzte Formeln f r die Berechnung des Energieverbrauchs ue 42 3 2 2 Generierung von Optimierungsvorschl gen ussssssesssseeeeesennnnnnnseeeeneeeennnn 44 3 2 3 Anwendung von Optimierungsma nahmen ussssssssssseeeeessnnnnnnseeeeeeenennnn 47 3 3 SchnittstellenDeschreibune sn a ae 47 Sol all Keen epee ye eee ee nena eer Cerner Rtn ren eer eee een er Renn a ere 47 4 Prototypische Umsetzung des Systeme ccccccccssssssssssscccccsssssssssssccccccssccsssscssccccssssesees 48 Gok Strukturdes Prototypen alien 48 4 2 Benulzunss oberll che ent eeeie eeieiiualinn 48 3 st ALI ONS MOGI nen 51 43 1 a a a a ete 53 42 OUDOT ee see reine 53 4 3 3 Beschreibune der Zustandenaunaeseiinaeie ee ieh 54 4 4 Algorithmus zur Generierung von Optimierungsvorschl gen e 58 4 5 Installation und Ausf hrung a a 58 Zu evahtierende Lestialle mit Ersebnisse u ae 58 5 ZUSaAImmMEenfassunp 5 occ c2scwa5 ccccb occas te E A E 61 ict Eamon C0 ses 61 5 2 Problem oncatecrachstaotsacierepsaaapigetecn teh tas heten eh es agereceraaGstenaioeien aco naementenS teens 61 Danksagung eu E N OS 62 K teraturverzeichnis a aa E EAEE a 63 1V Abbildungsverzeichnis Abbildung 2 1 IAS Waschtrockner TAS 10a cc eeccsseececccseeessseseeecccesuseeesseeececesseaeeesees 13 Abbildung 2 2 Prinzipieller Auf
7. leistungsf hige Rechen Engine und technische Programmierumgebung mit interaktiven Analyse und Visualisierungswerkzeugen Unterschiedliche Anwendungsgebiete werden dabei in sogenannte Toolboxen gegliedert und k nnen je nach Bedarf der Basis Software durch Add Ons hinzugef gt werden Die wichtigsten Bereiche sind B BelO e Technische Berechnungen Mathematische Berechnungen Analyse Visualisierung und Algorithmenentwicklung e Entwicklung von Steuerungen und Regelungen Model Based Design von Steuer und Regelsystemen einschlie lich Simulation Rapid Prototyping und Codeerzeugung f r Embedded Systems e Digitale Signalverarbeitung Analyse von Signalen Algorithmen Entwicklung und Design von DSP Systemen e Kommunikationssysteme Entwicklung und Simulation komplexer Kommunikationssysteme e Bildverarbeitung Bilderfassung Bildanalyse und aufbereitung sowie Entwicklung von Bildverarbeitungsalgorithmen 35 e Messtechnik und Testen Hardwareanschl sse und Datenanalyse f r Test und Messanwendungen e Bioinformatik Analyse Visualisierung und Simulation von biologischen Daten und Systemen e Computational Finance Analyse Simulation und Implementierung f r Finanzanwendungen 2 4 2 Simulink Die MATLAB Erweiterung Simulink ist eine Umgebung f r die Mehrdom nensimulation und das Model Based Design dynamischer Systeme und Embedded Systems Es bietet eine interaktive grafische Entwicklungs
8. 60 Zwischenschl Motor Motor 250 Schl_Drehzahl 4 5 Schl_Drehzahl 3 60 Trockenzeit gt 0 amp count 0 gt X X 1 Trocknen Endschl FREENET MOORES R Motor Motor 250 Schl_ Drehzahl Schl_Drehzahi 9 60 LV 106 Trockenzeit 60 Power 0 Off Abpumpe 0 WH 0 Motor 0 LH 0 LV 0 count Anzahl_Spuelgaenge x Anzahl_Spuelgaenge 1 Gur E L Abbildung 4 8 Zustandsdiagramm in Stateflow Chart 4 3 3 1 Zust nde Die zwe Hauptzust nde sind Off und On Der On Zustand besteht aus f nf Subzust nden Diese k nnen aktiv nur dann sein wenn der Waschtrockner im Zustand On ist Die Zust nde sind Waschen Sp len Schleudern Abpumpen sowie Trocknen Der Zustand der aktiv ist sobald die Simulation anf ngt ist der Zustand mit dem Default Transition Dieser wird mit bl festgelegt Das gilt sowohl f r die Hauptzust nde als auch f r die Subzust nde 55 e Zustand Waschen In diesem Zustand wird das Wasser erstmals aufgeheizt bis zur gew nschten Waschtemperatur und somit wird der Energieverbrauch der Wasserheizung ermittelt Der Energieverbrauch des Motors w hrend des Waschgangs wird berechnet Waschen WH 4 1826 Wasservol Waschtemp Zulauftemp Motor Motor 250 Schl_Drehzahl 52 Waschzeit 39 60 Abbildung 4 9 Zustand Waschen in Stateflow Chart DSH Eel CENTER EE Aan
9. BE hao j1 x O Eunction y z waschen WV WT ZT WZ 5D y WH 4 1826 WV WI ZT Motor 250 5D 52 WZ 39 60 x iin y WH a z Motor 9 end Abbildung 4 10 Programm Code der Funktion Waschen m e Zustand Sp len Der Energieverbrauch des Motors w hrend des Sp lgangs wird berechnet Spuelen Motor Motor 250 Schl_Drehzahl 52 5760 count count 1 Abbildung 4 11 Zustand Spuelen in Stateflow Chart DSW AR SDD dan BB ao sia x 8 1 lfeunction y spuelen SD 2 a Motor 250 SD 52 5 60 S y Motor GF end Abbildung 4 12 Programm Code der Funktion Spuelen m 56 e Zustand Schleudern Der Energieverbrauch des Motors w hrend des Schleudergangs wird berechnet Schleudern Zwischenschl Motor Motor 250 Schl_Drehzahl 4 5 Schl_Drehzahl 3 60 X x 1 Endschl Motor Motor 250 Schl_Drehzahl Schl_Drehzahl 9 60 Abbildung 4 13 Zust nde Zwischenchleudern und Endschleudern in Stateflow Chart OGRE 44O7 SB Menh DIL OGE KLAR SD Ada BB hao tia x amp O Baal 20 1a x 988 9 Function y Zwischenschleudern SD 1 function y Endschleudern SD 2 4 Motor 250 5D 4 5 5D 3 60 a Motor 250 SD SD 9 60 4 5 y Motor a REES 6 end 6 end Abbildung 4 14 Program
10. Wasch Trockners erst dann mit Spannung wenn der Nutzer vor Ort nicht mehr die M glichkeit hat in die Trommel zu greifen 2 1 2 4 Thermostate des Trockners Die Thermostate bestehen aus drei Elementen e Arbeitsthermostat welcher die Spannungsversorgung f r den Heizkreis mit der schwarzen Anschlussfarbe unterbricht e Sicherheitsthermostat 1 an Anschluss A2 welcher die Spannungsversorgung beider Heizkreise auf Seite der Phase sowohl f r den roten als auch f r den schwarzen Heizkreis unterbricht e Sicherheitsthermostat 2 an Anschluss Bl welcher die Spannungsversorgung beider Heizkreise auf Seite des N Leiters sowohl f r den roten als auch f r den schwarzen Heizkreis unterbricht Diese haben die Aufgabe die Warmluftheizung bei berschreiten einer bestimmten Lufttemperatur abzuschalten um die Maschine und die in ihr enthaltene W sche zu sch tzen 2 1 2 5 Kontrollschalter Trockner Timer Dieser Kontrollschalter signalisiert der Steuerungsplatine dass vom Nutzer mit Hilfe des Trocknerdrehschalters ein Trockenvorgang ausgew hlt wurde Der Kontakt ist direkt mit diesem Drehschalter verbunden Der Kontrollschalter wird geschlossen solange der vom Nutzer eingestellte Zeit und die daf r etwa zehn Minuten notwendige Abk hlzeit noch nicht abgelaufen ist Welche Heizstufe und welche Trockenzeit gew hlt wurde kann mit diesem Kontakt nicht ermittelt werden Der Trocknerschalter wird in der Regel von der Software automatisch gesteuer
11. Waschtrockners und die Betriebsparameter Das System hat die M glichkeit Simulationen mit verschiedenen Parametern durchzuf hren und das Ergebnis zu analysieren Folgende Parameter variieren dabei e Waschzeit e Waschtemperatur e Zulauftemperatur Bevor das System eine Simulation durchf hrt muss das System den Parameterwert ver ndern Waschzeit Wasschternperatur Zulauftemperstur Abbildung 4 6 Zu variierende Parameterbl cke 4 3 2 Output Im System zur elektrischen Energieanalyse ist es erforderlich das Ergebnis der Simulation als Zahlenwert zu bekommen da es immer w eder zum Vergleich herangezogen werden muss Deswegen werden die Energieverbr uche aller Komponenten aufsummiert und der Gesamtenergieverbrauch als Ausgangsgr e ausgegeben Abbildung 4 7 Gesamtenergieverbrauch des Waschtrockners 54 4 3 3 Beschreibung der Zustanden Das Zustandsdiagramm des Waschtrockners l sst sich in Stateflow wie folgt darstellen Der Waschtrockner arbeitet in verschiedenen Zust nden Die berg nge zwischen den Zust nden k nnen durch Bedingungen ausgel st werden File Edit View Simulation Tools Format Add Patterns Help y Spuelen Waschen Motor Motor 250 Schl_Drehzahl 52 5760 _ WH 4 1826 Wasservol Waschtemp Zulauftemp count count 1 Motor Motor 250 Schl_Drehzahl 52 Waschzeit 39 60 Abpumpen Abpumpe Abpumpe 30 2
12. die Arbeit ben tigten Informationen aufgef hrt 2 1 2 1 Niveauschalter Um den Wasserstand in dem Waschtrockner zu erfassen sind zwei Niveauschalter mit jeweils drei unabh ngigen Schaltelementen vorhanden Es handelt sich bei diesen sechs Elementen um 16 Umschaltkontakte deren Schalterstellung vom Wasserstand n der Trommel abh ngt Teilweise werden die Umschalter auch nur als Ein bzw Ausschaltkontakt verwendet Die Schalter kommen nicht direkt mit Wasser n Ber hrung stattdessen sind s e an einen Schlauch angeschlossen n dem s ch der Luftdruck n Abh ngigkeit des F llstandes der Maschine ndert Damit dieser Luftdruck nicht entweicht wenn die T re der Maschine ge ffnet wird ist eine sogenannte Luftfalle bzw Dom am unteren Ende der Waschtrommel angeschlossen Deutlich ist dies im unteren Bild zu sehen ber einen Schlauch wird die komprimierte Luft an die Niveauschalter die eigentlich Luftdruckschalter sind weitergeleitet der Luftdruck im Schlauch kann selbst bei ge ffneter Maschinent r nicht entweichen Ventil Kondensationswasser Wasserhahn Druckschalter vr lt Einspulkasten or oe Einlaufschlauch rommelrippe fi ait Sa _ Waschtrommel d Sicherheitsniveau b Schonniveau Slawen ai a Normalniveau N j c Sparniveau Zulaufschlauch Waschbottich Druckschal terschlauch Dom Heizung Luftfalle Laugenpumpe S Auslaufschlauch
13. die Maschine eingelassen wird Aus diesem Grund ist in der Maschine ein F llstandssensor vorhanden der die Spannungsversorgung ab einem gewissen Wasserstand unterbricht Diese Sicherheitsvorrichtung k nnte berbr ckt werden da ein weiterer Niveauschalter bei viel zu hohem Wasserstand das Zwangsentleeren des Bottichs veranlasst Allerdings ist eine solche Uberbriickung wenn tiberhaupt nur dann sinnvoll wenn sie nach einer Aktivierung nur eine kurze Zeit eingeschaltet ist und sich dann von selbst zuriicksetzt Somit ist gew hrleistet dass bei versehentlicher Aktivierung oder nicht erfolgtem Abschalten des Ventils wertvolles Trinkwasser nicht unn tig vergeudet wird 2 1 3 3 Ablaufpumpe Die Ablaufpumpe n mmt ihre Dienste wahr entweder zum Wechsel des Wassers nach der Vorw sche zum Entfernen nach einem Waschgang w hrend eines Schleuder oder Trockenvorgangs Abf hren des Kondensationswassers oder zum Schutz der Maschine wenn sich ein durch ein Defekt oder eine ungeeignete Manipulation von au en zu viel Wasser in der Trommel befindet und diese zum berlaufen droht Die Betriebsspannung betr gt 230V Ein Betrieb der Pumpe ohne Wasser ist offensichtlich m glich da dies im Trocknerbetrieb durchgef hrt wird und es keinen Niveauschalter gibt der dies verhindert 20 2 1 3 4 Umlaufpumpe Ihre Aufgabe ist die Waschlauge unterhalb der Trommel anzusaugen und sie von oben wieder in die Trommel einzuf llen Ziel dabei ist
14. erzeugte Energie wird in der Anwendung heute nicht optimal genutzt da bei der Optimierung in Engineering und Betrieb nur einzelne Bestandteile und Teilsysteme betrachtet werden Eine Ursache daf r ist die hohe Komplexit t heutiger Systeme und den dadurch bedingten Herausforderungen bez glich deren Modellierung Analyse und Optimierung selbst bez glich einzelner Aspekte w e beispielsweise der elektrischen Energie 2 3 1 Warum Energieoptimierung Gr nde zum Energiesparen gibt es genauso viele wie es auch Ausreden daf r gibt Eine konsequent optimierte Anlage spart nicht nur Geld sondern arbeitet immer auch in anderen Bereichen rationell und effizient Bei sonst gleichen Leistungen wird das sparsamere Produkt vorgezogen Dieses Thema ist f r den Betreiber einer Anlage wichtiger als f r den Lieferanten Der Kunde muss schlie lich w hrend der Lebensdauer der Anlage f r die Energiekosten aufkommen Energieeffizienz kann als wesentliches Verkaufsargument verwendet werden einleuchtende Verbesserungen vorausgesetzt 2 3 2 Vorgehen bei der Energieoptimierung Generell kann man den Energieoptimierungsprozess in drei Schritte aufteilen Im ersten Schritt steht die Bestandsaufnahme und Analyse des zu optimierenden Systems Um ein System energietechnisch zu betrachten ist es hilfreich den Energieflusses zu analysieren Durch die Betrachtung der Energiestr me und Energieverbraucher k nnen Einsparpotentiale ausfindig gemacht werden Hie
15. zu m ssen 5 1 Erfahrungen Im Laufe dieser Diplomarbeit habe ich einen deutlichen berblick ber das IAS Vorgehensmodell bekommen Davon habe ich gelernt wie man ein Projekt planen und organisieren kann Zum Beginn der Arbeit habe ich Dokumente aus B chern und aus Internet gesucht die ber den Waschtrockner und ber den Energieverbrauch von automatisierten Systemen berichten Dadurch bekam ich Kenntnisse ber die Komponenten die Arbeitsweise sowie der Energieverbrauch des Waschtrockners Au erdem lernte ich den modellbasierten Anstz zur elektrischen Energieanalyse kennen W hrend der Arbeit habe ich die M glichkeit gehabt mit dem Entwicklungstool Matlab und seine Erweiterungen Simulink und Stateflow umzugehen Da diese in der Industrie immer noch sehr gefragt sind sind sie gute Vorkenntnisse f r mein sp teres Berufsleben 5 2 Probleme Am Anfang jeder Phase bin ich vielen Problemen begegnet Meistens habe ich nicht gut verstanden wie die Vorgehensweise bei der Phase ist da diese Arbeit der erster Projekt den ich nach dem Modell zur konzeptioneller Arbeit gemacht habe Um diese Probleme zu l sen musste ich aus B chern und im Internet recherchieren und mit meinem Betreuer diskutieren was aber am Ende dazu beigetragen hat dass ich noch mehr unabh ngiger bei der L sung von Problemen wurde In der Prototyping Phase traten auch Probleme bei der Erstellung des Simulationsmodells auf welche am Ende doch noch gel st werd
16. DA Nr 2079 Analyse der Entwicklung eines technischen Systems mit f hrender funktionaler Sicht am Beispiel eines Waschtrockners Stuttgart IAS 2006 Malz C Beck A Studienarbeit SA 2267 Untersuchung von Strategien zur Energieeinsparung in Prozessautomatisierungssystemen Stuttgart LAS 2009 Homepage der F rma Mathworks http www mathworks de products stateflow description html Pfister M Beck A Studienarbeit SA 2302 Konzeption einer Energiesimulation f r den Modellprozess AS Aufzug in Modelica Stuttgart IAS 2010 Pfister M Beck A Ausarbeitung DA Nr 2357 Entwicklung eines Konzepts zur modellbasierten Generierung von Energieoptimierungsvorschl gen Stuttgart IAS 2011 Gebrauchsanweisung Waschtrockner Privileg Duo 6610 Schweizer M Traumiiller J Diplomarbeit DA 1933 Entwurf und Implementierung einer Mikrocontroller basierten Steuerung mit flexibler Diagnoseintegration f r einen Wasch Trockner Stuttgart IAS 2003 Wang F Beck A Ausarbeitung SA Nr 2306 Konzeption einer Energiesimulation f r den Modellprozess Industrieller Kaffeeautomat in Matlab Simulink Stuttgart IAS 2010 Wikipedia Elektrische Energie http de wikipedia org wiki Elektrische_Energie Wikipedia Nebenbedingungen http de wikipedia org wiki Nebenbedingung Wikipedia Bottich http de wikipedia org wiki Bottich 65 Erkl rung Ich erkl re die Arbeit selbst ndig verfasst und bei der Erstellung
17. F lle auff hren w rde als Unterf lle dieser drei Hauptf lle darstellen die sich nur in ihren Prozessparametern unterscheiden Es gen gt daher drei allgemeine Wasch und Trockenprogramme zu betrachten um alle F lle der Maschine zu erfassen Um eine eindeutige Bas s f r weitere Untersuchungen zu schaffen werden den drei F llen nun folgende drei Programme des Waschtrockners zugeordnet e Der Fall Waschen wird dem Programm Normalwasche 30 95 C Schalterstellung A Trockenzeitvorwahl 0 zugeordnet Die Maschine muss aus und leer sein der Wasserzulauf Wasserablauf und Stromanschluss m ssen gew hrleistet sein und der Trockenzeitwahlschalter muss auf null gesetzt sein Dann k nnen folgende Schritte der Reihe nach get tigt werden Maschine beladen T r schlie en 23 Wasch Programm A w hlen Falls Energiesparmodus nur ohne Vorw sche m glich dann Wasch Programm B w hlen Waschtemperatur einstellen von 30 bis 95 C Falls Energiesparmodus nur ohne Vorw sche m glich dann Waschtemperatur auf 60 C einstellen Schleuderdrehzahl w hlen 650 oder 1000 U min Waschmittelkammer mit Waschpulver bef llen Vor und Hauptw sche Falls Energiesparmodus nur ohne Vorw sche m glich dann Waschmittelkammer mit Waschpulver bef llen nur Hauptw sche Eco Taste w hlen um die Maschine im Sparmodus zu betreiben Maschine starten Ein Aus Taste Vorwaschgang Falls Energiesparmodus nur ohne Vorw sch
18. Leistung des Motors nmax ist die Schleuderdrehzahl die als Eingangsparameter des Simulationsmodells angegeben ist e Abpumpe Luftheizung und Luftventilator Den Energieverbrauch dieser Komponenten wird nach der folgenden Formel berechnet E P t In der unten stehenden Tabelle wird aufgelistet welche Verbraucher n welchen Zust nden akt v sind Tabelle 3 1 Akt ve Verbraucher in den unterschiedlichen Zust nden Waschen Sp len Schleudern Trocknen Ab pumpen Trommel motor Luft heizung 3 2 2 Generierung von Optimierungsvorschl gen Die Realisierung erfolgt durch einen Algorithmus der in MATLAB programmiert wird Nach der Simulation mit Betriebsparametern bekommt das Programm die Simulationsergebnisse Energiekosten der Komponente vom S mulationsmodell und kann mit der Berechnung der Optimierungsvorschl ge beginnen F r die Optimierung ist es erstmal notwendig alle Parameter deren Werte variieren k nnen und somit Einfluss auf die Energiekosten haben zu identifizieren Hier sind die variablen Parameter e Die Waschtemperatur e Die Waschzeit e Die Zulauftemperatur Es wird untersucht unter welchen Bedingungen diese Parameter variieren und welche Grenzwerte s e haben F r die Generierung der Optimierungsvorschl ge wird mit alle m gliche kombinationen dieser drei Parameter s muliert und die Ergebnisse mit dem der ersten Simulation d h mit Betriebsparametern vergliechen Ist der Energieverb
19. Waschtemperatur F r die zwei oben genannten Waschprogramme stehen zwei verschiedene Waschtemperaturen zur Auswahl 40 C und 60 C e Ein Textfeld zur Eingabe der Zulauftemperatur Wird eine Zahl kleiner 10 oder gr er 60 eingegeben erscheint ein Fenster mit einer Fehlermeldung e Ein Drop Down Menu zum W hlen der Schleuderdrehzahl Es gibt zwei m gliche Schleuderdrehzahlen 650 U min und 1000 U min e Ein Textfeld zur Eingabe der Trockenzeit Der Trockenzeitwahlschalter auf dem Waschtrockner geht von 0 bis 120 min Wird eine Zahl kleiner O oder gr er 120 eingegeben erscheint ein Fenster mit einer Fehlermeldung e Ein Drop Down Menu zum Wahlen der Heizleistungsart Man kann entweder halbe Heizleistung oder mit volle Heizleistung ausw hlen 2 Ein Panel f r die Nebenbedingungen das die folgenden Elemente beinhaltet e Ein check Box und ein dazugehoriges Drop Down Menu zum W hlen des Verschmutzungsgrades Der Verschmutzungsgrad ist in drei Kategorien untergeteilt die W sche ist entweder leicht verschmutzt oder mittel verschmutzt oder aber stark verschmutzt e Ein check Box und ein dazugeh riges ein Drop Down Menu zum Wahlen des Gewichts der W sche Der Waschtrockner darf mit maximal f nf Kilogramme W sche beladen werden e Ein check Box und ein dazugeh riges ein Textfeld zur Eingabe der vom Nutzer gew nschten maximalen Waschzeit Nicht alle Nebenbedingungen m
20. bau des Waschtrockners TAS 10a 15 Abbildung 2 3 Wasserf hrung in einer Waschmaschine IAS 10a 16 Abbildung 2 4 Einfl sse auf die elektrischen Energiekosten 220sssssssesennnnnnnnnnnnnnennnnnn 28 Abbildung 2 5 berblick ber den Ansat senio enn a A a a 31 Abbildung 2 6 Generierung von Optimierungsvorschl gen ussssssessseseeeeesennnnnnseeneeeenennnn 33 Abbildung 2 7 MATLAB Programm bersicht B BelO 0nnnnneeeeeennnnen 34 Abbildung 2 8 Simulink Programm bersicht B BelO 00000sssesnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 35 Abbildung 2 9 Benutzeroberfl che von S imulink ussssssessssseeeessssnnnnnssseeeennnnnnnnnnnennenennennnn 36 Abbildung 2 10 Eigenschaftsfenster einer Simulink Komponente ussssneeeeeeennennen 36 Abbildung 2 11 Variablenzuweisung in M Code B BelO neneneeeeeennenen 37 Abbildung 2 12 Funktionszuweisung in M Code B Bel0 2uue0ssssnnennseeeeeeeeennnn 37 Abbildung 2 13 Verzweigung in M Code BaBel0 nnnensssnnennnnsssssssserrssssssssserrssssssssseeeessssss 38 Abbildung 2 14 For Schleife in M Code B BelO sss0000000000eeeenssnnnnnnneeneeeeeennnn 38 Abbildung 2 15 While Schleife in M Code B Bel0 s 000002000seeeennnnnnneeeeeeeeeennnn 39 Abbildung 3 1 St
21. benen C Code Math1 1 2 4 4 Der M Code Eine Variablendeklaration wie in vielen anderen Programmiersprachen notwendig ist 1m M Code nicht notwendig Die Variablenzuweisung erfolgt nach folgender Syntax rn en u gl Abbildung 2 11 Variablenzuweisung in M Code B Be10 Beispiel Last 8 Funktionen werden nach dem Schema in Abbildung deklariert BO 7 function I Ruckgabewert we k Funktionsname u pr k Ber pr Nia 4 Fa x ar bergabewert J I aa Vg I a i N Ausdruck 3 end He er i F Abbildung 2 12 Funktionszuweisung in M Code B Be10 Beispiel 38 function sin wert Sinusfkt Zahl SIN were S nd zanl 2 end F r die Verzweigung wird das in Abbildung dargestellte Schema verwendet Bedingung Bedingung else Anweisung A Anweisung ce Anweisung gt end gt Abbildung 2 13 Verzweigung in M Code BaBe10 Beispiel IE Usbergabewert L lt 20 Rueckgabewert 1 15 elseif Uebergabewert 1 20 R eckgabewert L 107 else Rueckgabewert 1 30 end F r Schleifen werden die in den Abbildungen dargestellten Schemas verwendet for Anweisung Bereichsangabe Anfangswert Variable gt Bereichsangabe Werte Array es Endwert i Schrittweite Abbildung 2 14 For Schleife
22. deten Werkzeuge 2 4 1 MATLAB MATLAB ist ein kommerzielles plattformunabh ngiges Softwarewerkzeug der 1984 gegr ndeten Firma The MathWorks Dabei bildet das numerische Berechnungstool MATLAB die Basis der Software und dient zur L sung mathematischer Probleme DiBe09 MATLAB ist eine hochentwickelte Sprache f r technische Berechnungen und eine interaktive Umgebung f r die Algorithmenentwicklung die Visualisierung und Analyse von Daten sowie f r numerische Berechnungen Mit MATLAB lassen sich technische Probleme schneller l sen als mit herk mmlichen Programmiersprachen wie C C und Fortran 34 MATLAB Abk rzung f r MATr x LABoratory wurde in den 1970er Jahren zur Verwendung der FORTRAN Bibliotheken LINPACK und EISPACK an der Universit t von New Mexico entwickelt Die Bibliotheken beinhalten grundlegende Funktionen zur Berechnung von linearen Gleichungssystemen und Eigenwertberechnungen von Matrizen Das zun chst nur an Universit ten eingesetzte Softwarewerkzeug erm glichte eine Benutzung ohne weitere Programmierkenntnisse in FORTRAN wurde Mitte der 1980er Jahre zu einem kommerziellen Produkt und z hlt heute zu den wichtigsten Softwaretools zur Berechnung numerischer Gleichungen nicht zuletzt dadurch dass der Funktionsumfang von MATLAB seither st ndig erweitert wird DiBe09 Abbildung 2 7 MATLAB Programm bersicht B Be10 Ingenieure und Wissenschaftler unterschiedlicher Anwendungsbereiche nutzen die
23. die Bestimmung der Wirkleistung verwendete 8kW Leistungs Messgerat HM8115 2 der Firma Hameg misst je einmal die Spannung mit einem Echteffektivwertwandler und den Strom mit einem Echteffektivwertwandler Die Momentanleistung wird mit einem Analogmultiplexer 26 ermittelt Die Spannung und der Strom zum Zeitpunkt t werden gemessen und multipliziert Die Wirkleistung wird dann durch Integration der Momentanleistung ber eine Periode 7 gebildet Hame09 Nach Messung und Berechnung k nnen die Werte ber eine Schnittstelle ausgelesen werden und der Energieverbrauch ber die gemessene Zeit bestimmt werden 2 3 Energieanalyse und Energieoptimierung Energieoptimierung ist ein u ert aktuelles Thema in der Wissenschaft sowie in der Wirtschaft im Hinblick auf die Verknappung fossiler Energietr ger Wir Menschen wollen nicht auf Komfort oder Produkte verzichten Die Energieoptimierung also die Steigerung der Energieeffizienz und damit die Reduktion des Energieverbrauchs und der nachhaltige Umgang mit den verf gbaren Ressourcen stellt eine der zentralen Herausforderung der n chsten Jahrzehnte dar Die Energieoptimierung allgemein befasst sich einerseits mit der optimalen Energieumwandlung der in Prim renergietr gern enthaltenen Energie in direkt nutzbare Energieformen wie thermische mechanische oder elektrische Energie Andererseits spielt vor allem die effiziente Nutzung der Energie eine entscheidende Rolle Selbst noch so effizient
24. dieser Arbeit die einschl gigen Bestimmungen insbesondere zum Urheberrechtsschutz fremder Beitr ge eingehalten zu haben Soweit meine Arbeit fremde Beitr ge z B Bilder Zeichnungen Textpassagen enth lt erkl re ich dass diese Beitr ge als solche gekennzeichnet sind z B Z tat Quellenangabe und ich eventuell erforderlich gewordene Zustimmungen der Urheber zur Nutzung dieser Beitr ge in meiner Arbeit eingeholt habe Unterschrift Stuttgart den 15 04 2011
25. e Es existieren hierbei zwei Funktionstypen nutzerbezogene und produktbezogene Funktionen Eine nutzerbezogene Funktion ist die erwartete oder erbrachte Wirkung eines Produktes um einen Teil der Bed rfnisse eines bestimmten Nutzers zu erf llen Eine produktbezogene Funktion ist die Wirkung eines Bestandteils oder zwischen den Bestandteilen 28 eines Produktes zum Zweck der Erf llung der nutzerbezogenen Funktionen Zusammen bilden die nutzerbezogenen und die produktbezogenen Funktionen die Gesamtfunktionalit t des automatisierten Systems Diese Funktionalit t wird durch die Bestandteile des technischen Systems und der Automatisierungseinrichtungen erbracht die hierbei die elektrische Energie verbrauchen Die Funktion des automatisierten Systems verursacht also die gesamten elektrischen Energiekosten Neben der Funktion existieren weitere Einfl sse auf die elektrischen Energiekosten wie in der folgenden Abbildung dargestellt Parameter wissen Betrachtetes System gt ve rsorgungs parameter Automatisiertes System Bedienparameter Energie versorgung Betriebsparameter Umgebungs parameter Energiekostenparameter MD Energiekosten Einfluss Abbildung 2 4 Einfl sse auf die elektrischen Energiekosten Ein weiterer Einflussfaktor sind die Nutzer die mit dem System interagieren Mit ihren Bedieneingriffen aktivieren oder parametrieren sie die Systemfunktionen z B Temperatur
26. e lich das Modell an die ver nderte Situation angepasst und automatisiert anwendbare Optimierungsma nahmen umgesetzt BeG l0 33 Neben bedingungen Nutzer Optimierungs vorschlage Entscheidung System zur Unterst tzung bei den Energiekostenanalysetatigkeiten E Analyzer Initialer Energiezustand N Mutation gt Integriertes Energie Aius Zu e kosten Und Auswirkungs rear ntegriertes simulations kosten model A modell gt nO an u 3 A Neben ao Fi Situations Optimierungs zu wissen wissen Abbildung 2 6 Generierung von Optimierungsvorschl gen Mit Unterst tzung eines Systems das den Ansatz implementiert muss der Nutzer nur noch die Nebenbedingungen vorgeben und eine Entscheidung ber die umzusetzenden Optimierungsma nahmen treffen Dies reduziert das erforderliche Wissen und die n tige Interaktion zur Optimierung auf ein Minimum und erh ht die Anwendbarkeit f r Alltagsnutzer F r die Umsetzung des m Kapitel 3 konzipierten Konzepts eignet sich das Entwicklungswerkzeug MATLAB Simulink das im folgenden Kapitel n her vorgestellt wird 2 4 Einf hrung in MATLAB Simulink Stateflow F r die prototypische Umsetzung des entwickelten Konzepts zur modellbasierten elektrische Energieanalyse von automatisierten Systemen wird das Softwarewerkzeug MATLAB Simulink der Firma The MathWorks als Entwicklungstool verwendet Die folgenden Kapitel geben einen kurzen berblick ber die verwen
27. e Einheit Wattsekunde Ws verwendet Dabei ist 1 Ws 1 J Joule Bei der Messung des Energieverbrauchs im Bereich der elektrischen Energietechnik ist die Angabe kWh Kilowattstunde blich 1 kWh 3 600 000 Ws 1 Ws 2 778 10 7 kWh Wikil Oa Allgemein ist diese Energie definiert als das Produkt aus Spannung U Strom I und Zeit t E U I t Im physikalischen Sinne kann Energie in einem geschlossenen System nicht verbraucht sondern nur umgesetzt werden Dennoch spricht man umgangssprachlich von Energieverbrauch wenn man den Energieumsatz eines Systems innerhalb eines gestimmten Zeitraums betrachtet Es wird unterschieden zwischen Energiebedarf und Energieverbrauch Bedarfswerte sind berechnete Erwartungswerte die auf bestimmten Vorgaben beruhen Verbrauchswerte hingegen sind tats chliche gemessene Verbr uche Daf r wird die Spannung und der Strom ber eine gewisse Zeit gemessen und daraus die Energie ermittelt 2 2 1 Energiebedarf Der Energiebedarf von Waschtrocknern kann n f nf Klassen charakterisiert werden 25 Ein Zustand bedarf Waschvorgangsbedarf Sp lvorgangsbedarf Schleudervorgangsbedarf Trocknungsvorgangsbedarf Der Energiebedarf im Ein Zustand des Waschtrockners wird als Stillstandsbedarf oder Standby Bedarf bezeichnet Dabei werden nur Teile ber cksichtigt die zur Betriebsbereitschaft oder zum Betrieb der Maschine beitragen PfBe10 Der Waschvorgangsbedarf bezeichnet den gesamten Energiebedarf der Maschine
28. e elektrische Energieanalyse mu so detailliert wie m glich Information ber die Energiekosten und Energieverteilung im betrachteten System ausliefern Mit anderen Worten die verbrauchte Energie von einzelnen Bestandteilen oder Untersysteme und die Ursachen der Energiekosten m ssen bestimmt werden Diese Ursachen k nnen vom System selbst von den Bedieneingriffen oder von der Umgebung stammen Deshalb mu die elektrische Energieanalyse all diese Ursachen aufzeichnen erfassen und analysieren Die Gesamtheit von m glichen Funktionen eines automatisierten Systems geht von der eingebauten Struktur und Verhalten hervor d h seine Bestandteile und ihre Interaktionen Deshalb um die Energiekostenaufteilung zu bestimmen die Systemstruktur und das Verhalten m ssen in einem Weg modelliert werden der die berwachung der Energiekosten des Systems und den einzelnen Bestandteile erlaubt Da die Funktion von den Bedieneingriffen und der Umgebung beeinflu t ist und die Ursachen der Energiekosten diagnostiziert sein m ssen m ssen Struktur und Verhaltensmodelle das widerspiegeln Die Bestimmungsparameter und die gesamten Energiekosten des Systems sind 30 system spezifisch und urspr nglich bekannt w hrend des Betriebes Um die erste Phase im Energieoptimierungsproze auszuf hren Bestimmung des aktuellen Energiekostensstands muss die Analyse imstande sein entscheidende Eingabeparametern und die gesamten Energiekosten des Systems zu erfass
29. e m glich dann Vorw sche entf llt Hauptwaschgang Sp lgang Schleudern und Abpumpen Nach Beendigung des Waschvorgangs Maschine ausschalten Ein Aus Taste Maschine entleeren Der Fall Trocknen wird dem auf Programmteil H folgenden reinen Trockenprogramm zugeordnet Die Maschine muss aus und leer sein der Wasserzulauf Wasserablauf und Stromanschluss m ssen gew hrleistet sein Dann k nnen folgende Schritte der Reihe nach get tigt werden Maschine beladen T r schlie en Trocken Programm w hlen es gibt zwei Einstellpositionen welche die gleiche Funktion haben Trockenzeit ber orange Zeitskala w hlen Trocknen mit voller Heizleistung Falls man mit halber Heizleistung trocknen m chte dann Trockenzeit ber graue Zeitskala w hlen Trocknen mit halber Heizleistung Maschine starten Ein Aus Taste Trocknen Maschine beginnt mit dem Trockenvorgang Abk hlen Verbrennungsschutz da W sche sehr hei Nach Beendigung des Trockenvorgangs Maschine ausschalten Ein Aus Taste Maschine entleeren Der Fall Waschen und Trocknen wird dem Programm Normalwasche 30 95 C Schalterstellung A Trockenzeitvorwahl gt 0 zugeordnet Die Maschine muss aus und leer sein der Wasserzulauf Wasserablauf und Stromanschluss m ssen gew hrleistet sein Dann k nnen folgende Schritte der Reihe nach get tigt werden Maschine beladen T r schlie en Wasch Programm A w hlen Falls Waschen im Energiespa
30. eils verwendet Eine kennzeichnende Gr e in technischen Prozessen mit deren Hilfe Aussagen ber Aufbau Leistungsfahigkeit eines Systems Modells oder Werkzeugs gewonnen werden Dude07 Die Schnittstelle ist ein Teil eines Systems was aus mehreren Ports besteht und dient der Kommunikation zwischen Komponenten Schnittstelle zwischen einem Automatisierungscomputer und der Systemumgebung ber die Informationen ausgelesen werden k nnen LiMa06 Simulation Simulationsmodell System Szenario Umgebung Zustand 1X Vorgehensweise zur Analyse eines Systems Experimente werden an einem experimentierf higen Modell durchgef hrt um Erkenntnisse ber das Verhalten des realen Systems zu gewinnen Ein spezielles Modell dessen Gegenstand Inhalt und Darstellung f r Zwecke der Simulation konstruiert wird Eine abgegrenzte Anordnung von Komponenten die miteinander in Beziehung stehen Ein System ist durch seine definierten Grenzen zur Umwelt die Komponenten des Systems und deren dynamische Relationen bestimmt Beck1 1 Beschreibt den ausgedachten Entwurf eines Ablaufes Der Bereich und die physikalischen Eigenschaften um ein System Eine Gesamtheit aller Eigenschaften oder Attribute die zur Abgrenzung und Unterscheidung des jeweils betrachteten Objekts von anderen Objekten n tig sind WaBel0 Zusammenfassung Automatisierte Systeme werden heute in vielen Bereichen des t glichen Lebens eingese
31. eine kleine Menge an Wasser ben tigt das die Wand des Kondensationsgef es k hlt damit der beim Trocknen entstehende Dampf niederschlagen und kondensieren kann Die Funktionsweise des Magnetventils ist vergleichbar mit einem einfach elektrischen Schalter ein aus Die Betriebsspannung betr gt 230V AC 2 1 3 10 Luftheizung Um die Luft bis zur gew nschten Temperatur zu erhitzen sind zwei Heizkreise in den Waschtrockner eingebracht Es wird je nach vom Nutzer eingestellte Trocknerwunsch ein oder beide in Gang gesetzt Sollte die W sche schonend getrocknet werden so wird lediglich ein Heizkreis eingeschaltet ansonsten die beiden Jede Heizwendel wird mit Netzspannung betrieben und weist einen Anschlusswiderstand von 700 auf Die gemessene Stromaufnahme je Heizwendel betr gt 3 Ampere laut Datenblatt besitzt jede Heizwendel eine Leistung von 700 Watt zusammen also 1400 Watt Um ein berhitzen zu vermeiden sind zwei Sicherheitsthermostate und ein Arbeitsthermostat eingebaut siehe Kapitel 2 1 2 4 Die Spannungsversorgung beider Heizwendeln wird unterbrochen wenn sich zu viel Wasser in der Trommel befindet 2 1 3 11 Luftventilator Seine Aufgabe ist die Luft in der Maschine zirkulieren zu lassen sowohl die hei e Luft w hrend des Trocknungsvorgangs als auch die kalte Luft w hrend des Abk hlens Er wird mit Netzspannung betrieben Auch er wird bei zu viel Wasser n der Trommel von der Spannungsversorgung getrennt
32. en Schlie lich mu es m glich sein alternative L sungen zu analysieren um Ma nahmen zu finden die die Ursachen der Energiekosten beseitigen Deshalb Prognose der Energiekosten f r hypothetische Systemstruktur und Systemverhalten vorgeschlagene Bedieneingrifffolge oder angenommene Umgebungsparameter Entwicklung mu besorgt werden BeJa10 2 3 4 Existierende Analyseans tze Energieoptimierung ist kein neues Thema mehr deshalb existieren auch in der Literatur viele Ans tze dazu Diese k nnen in vier Kategorien aufgeteilt werden kennzahlenbasierte wissensbasierte ressourcenbasierte und s mulationsbasierte Ans tze In folgende Abs tze werden sie kurz beschrieben e Kennzahlenbasierte Ans tze Im allgemein dr cken Energiekennzahlen das Verh ltnis zwischen einem energetischen Wert z B Energiekosten und einem vordefinierten Leistungsindikator z B Produktionsmenge oder Umweltbedingungen z B Wetter aus In komplexen Systemen k nnen Kennzahlen sowohl f r das ganze System als auch f r einzelne Komponente bestimmt werden Das erlaubt das berwachen des Einflu es und Erfolgs der Optimierungsma nahmen auf die kritischen Systemteile d h potentielle Energieverbraucher e Wissensbasierte Ans tze Der Kern von wissensbasierten Ans tzen ist eine allgemeine Wissensbasis ber energetische Zusammenh ngeen und Einfl sse z B elektrischer Energieverlust eines Kabels wird durch Leitungswiderstand vergr ert Leitu
33. en Parameter Fenster kann man sowohl die Werte als auch das zeitliche Verhalten ndern Output the constant specified by the Constant value parameter If Constant value is a vector and Interpret vector parameters as 1 D is on treat the constant value as a 1 D array Otherwise output a matrix with the same dimensions as the constant value Constant value Interpret vector parameters as 1 D Sampling mode Sample based Sample time Abbildung 2 10 Eigenschaftsfenster einer Simulink Komponente 31 2 4 3 Stateflow Stateflow erweitert Simulink um eine Umgebung zur Entwicklung von Zustandsautomaten und FlowCharts Stateflow stellt die Sprachelemente zur Verf gung die zur Beschreibung komplexer Logik in nat rlicher leicht lesbarer und bersichtlicher Form erforderlich sind Stateflow ist nahtlos in Simulink und MATLAB integriert und stellt eine effiziente Plattform f r die Entwicklung von Embedded Systemen mit Steuerungs berwachungs und Moduslogiken dar Mit Stateflow Diagrammen lassen sich Zustandssysteme mit hierarchisch und parallel angeordneten Zust nden sowie ereignisgesteuerte berg nge zwischen diesen grafisch darstellen Im Gegensatz zu konventionellen Zustandsdiagrammen bietet Stateflow zus tzlich M glichkeiten zur Nutzung von Ablaufsteuerungen Grafikfunktionen MATLAB Funktionen Wahrheitstabellen temporale Operatoren Directed Event Broadcasting sowie die Unterst tzung fur handgeschrie
34. en konnten 62 Danksagung Diese Arbeit entstand mit der Unterst tzung mehrerer Personen und ohne ihre Hilfe w re die Vollendung sicher schwer m glich gewesen Herrn Prof Dr Ing Dr h c P G hner m chte ich f r die Bereitstellung dieser Diplomarbeit danken Meinem Betreuer Dipl Ing Andreas Beck bin ich f r seine fachliche Unterst tzung und die aufgebrachte Zeit f r Fragen und Probleme meinerseits genauso zu Dank verpflichtet wie meinen Komillitonen der IAS die stets hilfsbereit und ansprechbar waren zusammen mit all den anderen die mich n der einen oder anderen Weise bei meiner Arbeit unterst tzt haben 63 Literaturverzeichnis B Bel0 Beck11 BeG l0 BeJalO DiBe09 Dude07 Gohn09b Hame09 IAS10a IAS10b K hn05 LaG 99 B urle A Beck A Ausarbeitung WSA Nr 2342 Konzeption eines Praktikumversuchs zur Einf hrung in die Simulation des Energieverbrauchs technischer Systeme Stuttgart IAS 2010 Beck A Modellbasierte nutzerorientierte elektrische Energieanalyse automatisierter Systeme Grundlagen Zielsetzung und Anforderungen Zwischenbericht Stuttgart IAS 2011 Beck A Gohner P Generation of Optimization Proposals for electrical Energy Analysis of Industrial Automation Systems IEEE International Energy Conference and Exhibition EnergyCon 2010 Manama Bahrain 2010 Beck A Jazdi N Model based Electrical Energy Analysis of Industrial Au
35. er rechten Maus Taste und w hlt Open n GUIDE Dann dr ckt gt k nnen alle Einstellungen gemacht werden w e Betriebsparameter und Nebenbedingungen man auf die gr ne Schaltfl che um die Benutzungsoberfl che auszuf hren Erst jetzt eingeben und auf den Start Button dr cken Im Folgenden soll getestet werden welche Auswirkung das Gewicht der W sche auf die Generierung der Optimierungsvorschlage hat Da das Gewicht der W sche wenn es als Nebenbedingung angegeben ist Einfluss auf die zu erw rmende Wassermenge und somit auch auf den Energieverbrauch hat sollte es mehr M glichkeiten geben f r die Optimierung bei einer kleineren W schemenge Zu evaluierende Testf lle mit Ergebnisse Der Unterschied zwischen beiden Testf lle besteht nur dar n dass beim zweiten Testfall das Gewicht der W sche gleich f nf Kilogramme gew hlt wurde statt zwei Kilogramme wie beim ersten Testfall 59 1 Erster Testfall Betriebsparameter Waschprogramm Pflegeleicht Schleuderdrehzahl 650 U min Waschtemperatur 60 Grad Temperatur des Leitungswasser 10 Grad Trockenzeit 30 min Heizleistung halb Nebenbedingungen Verschmutzungsgrad mittel Gewicht der W sche 2 kg Maximale Waschzeit 80 min Ausgabe der Opt Vorschl gen Vorschlag 1 WTemp 30 WZeit 60 ZTemp 10 Vorschlag 2 WTemp 30 WZeit 60 ZTemp 60 3 WTemp 30 WZeit 80 ZTemp 10 30 WZert 50 ZTemp 60 Vorschlag 6 WTem
36. ert e Dann wird ein Cell Array erzeugt das alle m glichen Intervallkombinationen enth lt Jedes Element des Cell Array ist eine Kombination aus jeweils einem Wert f r jeden variablen Parameter Pi 4 Die Simulation wird mit einer Kombination durchgef hrt A Das Ergebnis wird mit dem von der Simulation des Ist Zustands verglichen 6 Ist der Energieverbrauch gesenkt wird erst die aktuelle Parameterintervallkombination gespeichert f r die Generierung des Optimierungsvorschlags und danach gepr ft ob alle 46 Kombinationen untersucht sind Wenn ja bergang zum Punkt 7 wenn nein wird mit der n chsten Kombination s muliert d h zur ck zum Punkt 4 Ist der Energieverbrauch nicht gesenkt dann wird auch gepr ft ob alle Kombinationen untersucht sind Wenn ja Ubergang zum Punkt 7 sonst zur ck zum Punkt 4 7 Der Optimierungsvorschlag wird ausgegeben Energie kosten Ist Simulation des Ist Zustands Neben Ri bedingung identifikation 2 Parameterintervall 3 Parameterintervall variation Simulation des 4 Optimierungs vorschlags 5 Vergleich mit Ist Zustand Aktuelle Parameterintervall kombination speichern 6 1 Energieverbrauch gesenkt Optimierungs vorschl ge Intervallkombinationen untersucht Ausgabe der 7 ern gt Optimierungs vorschl ge
37. f hler Waschwasser Um feststellen zu k nnen welche Temperatur das Waschwasser tats chlich aufweist ist in der Trommel ein Sensor eingebaut der seinen Widerstandswert in Abh ngigkeit der Temperatur ndert Er weist ein sogenanntes NTC Verhalten auf d h bei h herer Temperatur sinkt sein Widerstand Er ist mit anderen auf der Steuerungsplatine eingebauten Wi derst nden als Spannungsteiler verschaltet so dass eine der Temperatur proportionale Spannung m Bereich zwischen 0 und 5 Volt vom Mikrocontroller ausgewertet werden kann 2 1 2 11 Codierelemente Programmwahlschalter Der Programmwahlschalter steht dem Nutzer zur Verf gung um Waschprogramme auszuw hlen Ist das Waschprogramm eingestellt und der Waschtrockner in Gang gesetzt bernimmt das Programm die Steuerung des Programmwahlschalters Je nach Waschprogrammfortschritt wird der Programmwahlschalter gegen den Uhrzeigersinn elektronisch von der Software zur ckgedreht Dabe sind mehr als hundert Zswischenstellen 2 1 3 Aktoren Aktoren beschreiben allgemein Elemente die eine Eingangsgr e in eine andersartige Ausgangsgr be umwandeln um eine gew nschte Aktion oder einen Effekt hervorzurufen Unter Aktoren werden in der Regel technische Einrichtungen verstanden Vergleicht man mit einem Menschen stellen sie die Muskeln dar die zur Ausf hrung von Bewegungen oder zum Aufbringen von Kr ften erforderlich sind Die Aufgabe von Aktoren ist die Umsetzung der vom Automatis
38. g des Motors betr gt 230V 2 1 3 7 Trommelmotor Dieser Motor treibt ber einen Riemen die Trommel an um die W sche beim Waschen gleichm ig zu durchfeuchten den Schmutz auszuwaschen und beim Schleudern von Wasser zu befreien Hier kommt der Universalmotor zum Einsatz Der kann sowohl mit Gleich als auch mit Wechselspannung betrieben werden F r die Drehzahlsteuerung wird sowohl eine Phasenanschnittsteuerung als auch eine Feldschw chbetrieb durchgef hrt Fur die Phasenanschnittsteuerung ist auf der Steuerungsplatine ein Leistungs Triac vorhanden Dieser wird vom Mikrocontroller mit Hilfe eines separaten ICs angesteuert Im Feldschw chbetrieb besitzt der Motor ein zu schwaches Drehmoment um anlaufen zu k nnen deshalb kann in diesen Betriebsmodus nur dann sinnvoll gewechselt werden wenn der Motor sich bereits dreht 21 2 1 3 8 Timer Motor Trocknersteuerung Nachdem der Nutzer die Trocknerzeit eingegeben hat wird der Timer Motor in Betrieb genommen Dieser Motor hat die Aufgabe den Drehschalter der Trocknersteuerung im Laufe der Zeit weiterzudrehen und nach Ablauf der eingestellten Zeit wird noch circa zehn Minuten ben tigt um der Trockner abzuk hlen Erst dann wird das Schaltelement zur Signalisierung der Beendigung des Trockenvorgangs eingeschaltet und das ffnen des Trockners wird m glich Die Betriebsspannung dieses Motors betr gt 230V AC 50Hz 2 1 3 9 Magnetventil f r Kondensationswasser Im Trocknerbetrieb wird
39. grad anpassen oder einen anderen Waschprogramm ausw hlen Aktivierung und Parametrierung wirken s ch auf die Bestandteile aus die die Funktion erf llen Daher haben diese Ver nderungen der gerade ausgef hrten Funktionen positiven oder negativen Einfluss auf die Energiekosten Schlie lich muss noch die Umgebung als zus tzlicher Faktor ber cksichtigt werden Bestimmte Funktionen z B Heizen und K hlen h ngen direkt von Umgebungsparametern wie Temperatur oder Feuchtigkeit ab In Systemen mit var ablem Versorgungspegel kann auch die Wahl von Versorgungsspannung und strom Einfluss auf d e Energiekosten des Systems haben Die Umgebung kann daher die zur Erf llung der Funktion n tige Verbrauchsmenge erh hen oder verringern Au erdem muss auch die R ckwirkung der Funktionen auf die Umgebung ber cksichtigt werden Eine Heiz oder K hleinrichtung beispielsweise erh ht die Umgebungstemperatur Darum beeinflusst ein System sich selbst und andere Systeme in seiner Umgebung IAS10b 29 2 3 3 2 Generierung von Energieoptimierungsvorschl gen Das Problem f r den Nutzer bei der Optimierung ist nun das energieoptimale Anwendungsprofil f r sein System zu finden so dass seine Bed rfnisse und Anforderungen an das System gedeckt sind Dabei kennt der Nutzer in der Regel seine Bed rfnisse und Anforderungen sehr genau Die Herausforderung ist die Identifikation der optimalen Anwendung des Systems Dies beinhaltet einerseits m gliche Opt
40. hysikalischen Sinne nicht verbraucht werden Sie wird lediglich in andere Energieformen umgesetzt bleibt allerdings im Gesamtsystem erhalten Ein Prozess wodurch die Beschreibung Analyse und Bewertung von Projekten gemacht werden IAS WebBoard Konzept Ma nahme Modell Nebenbedingung Nutzer Parameter Schnittstelle Sensor Vill Mikrocontroller Board das am Institut f r Automatisierungs und Softwaretechnik entwickelt wurde Es handelt sich um eine Platine die mit einem Controller der Familie M16C der Firme Renesas und mit einem Ethernet IC fiir die Daten bertragung via Ethernet ausgestattet ist Es besteht die M glichkeit f r eine CAN Erweiterung Stellt einen Plan f r ein Vorhaben dar Es beschreibt die Handlungsschritten die zum Erreichen eines Zieles notwendig sind Eine Handlung die man ausf hrt um ein bestimmtes Ziel zu erreichen Ein Entwurf oder eine Nachbildung eines Systems oder Prozesses mit deren Hilfe eine Untersuchung oder Erforschung erleichtert bzw erm glicht wird Dude07 Eine Nebenbedingung kann eine Vorgabe beschreiben die sich beispielsweise aus dem physikalischen Zusammenhang ergibt oder eine zus tzliche Vorgabe durch die erst eine eindeutige L sung des Problems m glich wird Nebenbedingungen kommen bei Optimierungsproblemen vor wo eine Zielfunktion minimiert oder maximiert werden soll Wikil Ob Eine Person die ein Hilfsmittel zur Erzielung eines Vort
41. iche Werte an deshalb wurden in dem Algorithmus Werte f r diese minimale Waschtemperatur gesetzt Verschmutzungsgrad leicht gt minimale Waschtemperatur 10 C Verschmutzungsgrad mittel gt minimale Waschtemperatur 30 C Verschmutzungsgrad stark gt minimale Waschtemperatur 60 C e Die Waschzeit h ngt vom Verschmutzungsgrad und von der Waschtemperatur ab Die maximale Waschzeit ist eine Konstante Nebenbedingung Die minimale Waschzeit f Verschmutzungsgrad maximale Waschtemperatur Die maximale Waschtemperatur ist aber eine Konstante Somit h ngt die minimale Waschzeit nur vom Verschmutzungsgrad ab d h minimale Waschzeit f Verschmutzungsgrad Der Verschmutzungsgrad nimmt aber nur drei m gl che Werte an deshalb wurden in dem Algorithmus Werte f r diese minimale Waschzeit gesetzt Verschmutzungsgrad leicht gt minimale Waschzeit 50 min Verschmutzungsgrad mittel gt minimale Waschzeit 60 min Verschmutzungsgrad stark gt minimale Waschzeit 70 min e Die Zulauftemperatur ist abh ngig von der Nutzersituation Folgende Werte wurden angenommen maximale Zulauftemperatur 60 C minimale Zulauftemperatur 10 C 3 Es werden mehrere Intervallkombinationen durch Permutation gebildet e Zuerst wird f r jeden variablen Parameter Pi einen Array erzeugt mit alle Werte die diesen Parameter annehmen kann die Werte gehen von Pi min bis P max und immer um dPi inkrementi
42. ierungs Computersystem ausgegebenen Informationen in Stelleingriffe in dem technischen Prozess LaG699 19 Beispielsweise um die Trommel zu bewegen wird eine gewisse Kraft ben tigt und diese wird durch den Aktor Trommelmotor aufgebracht Genauso w e bei den Sensoren oben beruhen die Funktionsweise und die Identifikation von Aktoren ausschlie lich auf ScTr03 also es wird wieder keine neue Untersuchungen am Waschtrockner durchgef hrt 2 1 3 1 T rverriegelungsmechanismus Der hier verwendete Mechanismus ist ein Bimetallmechanismus Beim Starten des Programms flie t bei geschlossener T re Strom durch ein Bimetall das sich erw rmt und den Mechanismus zum Verriegeln der T r aktiviert Sie l sst sich nun nicht mehr ffnen Nach Beendigung des Waschvorgangs Beenden des Stromflusses und Abk hlen des Bimetalls verstreicht etwa zwei Minuten bis die T r entriegelt wird Erst dann kann die T r wieder gefahrlos ge ffnet werden Auch wenn die Maschine randvoll mit Wasser gef llt ist kann die T r nach einem Stromausfall oder dem Abschalten des Ger ts ge ffnet werden Ein entsprechender Warnhinweis findet sich in der Bedienungsanleitung 2 1 3 2 Magnetventil Wasserzulauf Der Wasserzulauf in den Waschtrockner wird elektrisch durch das An und Abschalten des Magnetventils geregelt Das Magnetventil wird ber die Netzspannung 230V versorgt Es ist zu beachten dass die Maschine berl uft wenn unkontrolliert Wasser in
43. il Begriffsverzeichnis Aktor Algorithmus Analyse Anforderung Aufwand Bedieneingriff Benutzungsoberfl che Bottich Energiefluss Energieverbrauch Evaluierung Eine Einheit zur Umsetzung von Stellinformation tragenden Signalen geringer Leistung in leistungsbehaftete Signale einer zur Prozessbeeinflussung notwendigen Energieform WaBel0 Eine pr zise endliche Beschreibung eines allgemeinen L sungsverfahrens unter Verwendung ausf hrbarer elementarer Verarbeitungsschritte Kiihn05 Systematische Untersuchung eines Sachverhaltes bei der das untersuchte Objekt untergliedert wird Die Bestandteile werden anschlieBend geordnet untersucht und ausgewertet Teil einer Anforderungsspezifikation Die ist eine Aussage ber die F higkeit die ein System besitzen muss um diese Spezifikation zu erf llen Der Aufwand ist allgemein der Einsatz oder die zu erbringende Leistung um ein Ziel zu erreichen oder einen Plan zu realisieren Ein Eingriff von au en durch einen Benutzer n ein System durch Ver nderung von Parametern PfBell Eine Software Komponente in einem System die der Interaktion zwischen Mensch und Maschine ber graphische Symbole dient Gro es offenes Gef das meistens aus Holz Metall oder Beton gefertigt ist Wikil 1 Bezeichnet den Transport von Energie zwischen verschiedenen Anlagen oder Systemen Energiemenge die genutzt wird Allerdings kann die Energie im p
44. imierungsma nahmen zur Anpassung der Betriebsparameter d h der Bedieneingriffe und der Umgebung andererseits aber auch Anpassungen von Systemstruktur und verhalten Daher ben tigt der Nutzer f r die Optimierung derzeit ein tiefes Verst ndnis und Wissen ber seine Systeme um sie optimal anzuwenden und zu kombinieren Heutige automatisierte Systeme sind zunehmend komplex Sie sind hoch integriert und oft physikalisch oder logisch verteilt Um diese Komplexit t zu beherrschen werden die Systeme durch Experten entwickelt die auf eine spezielle Dom ne spezialisiert sind Die Nutzer selbst stehen im Alltag einer Vielzahl unterschiedlicher solcher komplexer Systeme gegen ber und m ssen diese Bedienen Die zus tzliche Aufgabe der Generierung von Optimierungsvorschl gen st f r den Alltagsnutzer daher kaum machbar wenn nicht sogar unm glich Deshalb ben tigen die Nutzer Unterst tzung bei der Identifikation von Optimierungspotential der Generierung von Optimierungsvorschl gen und die Umsetzung von Optimierungsma nahmen f r ihre Systeme IAS10b 2 3 3 3 Anforderungen an die elektrische Energieoptimierung Eine Technik f r die elektrische Energieanalyse mu mehrere Anforderungen erf llen Es mu m glich sein das betrachtete System und seine Alternativen zu analys eren Um die Alternativen zu generieren und Entscheidungen in Energieoptimierung zu treffen mu es bekannt sein wo und warum die Energie verbraucht wird Folglich di
45. in M Code B Be10 Beispiel end Beispiel end 39 drsp Schlertenvariable 1 2 nm Ser 1 end fOr AS 1 02 0 2120 0 O fprintf ss sd Schleifenvariable 1 1 Bedingung bu ee end Abbildung 2 15 While Schleife in M Code BaBe10 eps 1 while lt eps gt 1 eps eps 2 disp eps 40 3 Konzeption des System zur elektrischen Energieanalyse F r das konzipierte System zur Energieanalyse eines Waschtrockners werden n diesem Kapitel nacheinander die Architektur und ihre Komponente vorgestellt 3 1 Systemarchitektur In Abbildung 3 1 ist die allgemeine Struktur des zu entwickelnden Systems dargestellt Neben Q bedingungen Nutzer Optimierungs vorschl ge qa 2 Simulationsmodell Entscheidung Generierung von Optimierungsvorschl gen Ausgew hlter Anwendung von Optimierungsma nahmen Vorschlag S Eneraieanaivae eines Waschtrockners Optimierungsma nahmen Struktur und Verhalten Betriebsparameter Abbildung 3 1 Struktur des Systems zur elektrischen Energieanalyse Das System ist durch die orangene Linie begrenzt und besteht haupts chlich aus drei Komponenten e Simulationsmodell e Generierung von Optimierungsvorschl gen e Anwendung von Optimierungsma nahmen Als Eingabe f r das System s nd hier e Die Nutzereingriffe e Die Umgebungsparameter wie Temperatur e Die Nebenbedingungen die vom Nutzer angegeben sind z
46. lagert die eigentliche W schetrommel Uber einen Wasserzulauf kann die Trommel mit Wasser gef llt werden Dabei fliest das Wasser durch den Sp lkasten in dem sich das Waschmittel befindet Ein Verteiler sorgt daf r dass gem Waschprogramm die richtige Kammer durchsp lt wird Im Bottich sorgt ein Heizstab daf r dass das Wasser auf die gew nschte Temperatur erw rmt wird Die Bottichentl ftung verhindert dabei dass sich auf Grund des Einf ll und Erhitzungsvorgangs ein berdruck im Bottich aufbauen kann der die Maschine besch digen k nnte W hrend des Waschvorgangs wird mittels Umlaufpumpe eine kontinuierliche Durchfeuchtung und Sp lung der W sche gew hrleistet Ist der Waschvorgang abgeschlossen sorgt d e Ablaufpumpe f r eine Entleerung des Bottichs wobei ein vorgeschaltetes Flusensieb ein Verstopfen der Wasserleitung verhindern soll Anschlie end tritt die Trocknereinrichtung in Kraft bei der durch eine spezielle Heizung erw rmte Luft ber einen Ventilator in den Bottich eingeblasen wird ber eine weitere ffnung 15 kann die Luft den Bottich wieder verlassen so dass eine Zirkulation entsteht Die w hrend des berstr mens der W sche durch die Luft aufgenommene Feuchtigkeit schl gt sich au erhalb des Bottichs an einer mit Wasser gek hlten Fl che n eder Daher spricht man auch von einem sog Kondensationstrockner der ber eine Kondensationseinheit verf gt Neben den bereits angesprochenen Aktoren gibt es noch ei
47. m Code der Funktionen Zwischenchleudern m und Endschleudern m e Zustand Abpumpen Der Energieverbrauch der Ablaufpumpe wird berechnet Abpumpen Abpumpe Abpumpe 30 2 60 Abbildung 4 15 Zustand Abpumpen in Stateflow Chart 57 DSB amp AmM9C B hao ihia x amp unction y abpumpen Abpumpe 30 2 60 a y Abpumpe Ane WN Mr TA end Abbildung 4 16 Programm Code der Funktion Abpumpen m e Zustand Trocknen Hier wird der Energieverbrauch aller zwei in diesem Zustand aktiven Verbraucher berechnet Trocknen LH Heizleistung 00 Trockenzeit 60 LV 106 Trockenzeit 60 Abbildung 4 17 Zustand Trocknen in Stateflow Chart L ELLA EELE Be 10 11 x l0 1 ifeunction y z trocknen TZ HL 3 LH HL 700 Tz 60 4 5 LV 106 Tz 60 6 Tos y LH B z LY Sc end Abbildung 4 18 Programm Code der Funktion Trocknen m 4 3 3 2 Transition Transition beschreiben die berg nge von einem Zustand zu einem anderen In Stateflow ist es m glich Parameter Bedingungen Funktionen als Ereignisse zu interpretieren F r das Zustandsdiagramm des Waschtrockners werden die Transitionen Beispielsweise durch Eingangssignale ausgel st z B f r Power 1 wird vom Zustand Off zum Zustand On gewechselt und umgekehrt f r Power 0 wird vom Zustand On zum Zustand
48. mit sehr wenig Wasser auszukommen indem die W sche nicht in der Waschlauge schwimmt sondern durch Berieselung von oben benetzt wird Die Betriebsspannung betr gt 230V 2 1 3 5 Wasserheizung Ihre Aufgabe ist das im Bottich befindliche Wasser aufzuheizen damit sich der Schmutz besser in der Waschlauge aufl st Es handelt sich um einen elektrischen Widerstand der sich durch den Stromfluss erhitzt Wird die W rme nicht durch das umgebende Wasser aufgenommen besteht die Gefahr dass die Heizwendel durchbrennt die Maschine besch digt oder ein Feuer ausgel st wird Die Heizung wird mit Netzspannung betrieben Laut Datenblatt der Maschine hat die Heizung eine Leistungsaufnahme von 1 950 Watt Der gemessene Widerstandswert liegt bei 27 Ohm wobei die Heizwendel ein rein ohmsches Verhalten aufweist also keine nennenswerten Kapazit ten oder Induktivit ten besitzt 2 1 3 6 Motor f r Programmdrehschalter Der Nutzer w hlt das gew nschte Waschprogramm durch Drehen des Programmdrehschalters aus Der Motor st mit dem Programmdrehschalter verbunden und steuert au erdem den Wassereinlass in die unterschiedlichen Waschmittelkammern des E insp lkastens ber ein Hebelgest nge Der Motor dreht sich bei Ansteuerung kontinuierlich weiter wobei ein Mechanismus den Drehschalter stufenweise weiterschaltet Ein Einschalten des Drehschalters aus der Stop Position heraus ist nicht m glich da dies mechanisch unterbunden ist Die Betriebsspannun
49. n Systems umgesetzt wurden wird in den folgenden Kapiteln beschrieben 4 1 Struktur des Prototyps In Abbildung 4 1 ist die allgemeine Struktur des Prototyps dargestellt Benutzungsoberfl che _ Nebenbedingungen Betnebsparameter Optimierungsvorschlage Generierungvon Optimierungsvorschl gen Simulationsmodell Abbildung 4 1 Struktur des Prototyps Der Prototyp beinhaltet das System zur elektrischen Energieanalyse und das Simulationsmodell Das Programm besteht aus zwei Teilen l Benutzungsoberfl che zur Interaktion mit dem Nutzer und zur Konfiguration des Systems 2 Algor thmus zur Generierung von Optimierungsvorschl gen zur Sammlung und Bewertung von Optimierungsma nahmen 4 2 Benutzungsoberfl che Die Benutzungsoberflache gibt dem Nutzer die M glichkeit seine Nebenbedingungen vorzugeben und sich Optimierungsvorschl ge anzeigen zu lassen Zus tzlich k nnen die Betriebsparameter konfiguriert werden auf deren Bas s die Optimierung durchgef hrt wird Diese Parameter sollen bei Anbindung an die reale Waschmaschine automatisiert erfasst und ausgewertet werden 49 Die Benutzungsoberfl che beinhaltet folgende Elemente 1 Ein Panel f r die Betriebsparameter das die folgenden Elemente beinhaltet e Ein Drop Down Menu zum W hlen des Waschprogramms Hier sind zwei Waschprogramme f r die Simulation w hlbar Pflegeleicht und Koch Buntw sche e Ein Drop Down Menu zum W hlen der
50. n der modellbasierten elektrische Energieanalyse des Waschtrockners 13 2 1 Systemanalyse des IAS Waschtrockners uussssseesssseeeeessssnnnnnnsssnnennnnnnnnnnnnnnenennennnn 13 2 1 1 Aufbauund F nkti nsprinzip e eee ker ana a a 14 2 Da CMM OU Heer ee ee ee re ee 15 231 3 PRI OME N ae EE 18 2 14 SEuertnesplatne auene is 21 21 3 LEE der Verbraucher ui sen nee cuenta aire deter tasers 22 2 1 6 Programmablauf Betriebsmodus 222000000B00snnsnsseeeeeennnnnnnnnneneeeeennnnnn 22 2 2 JEDELSIEVETDIAUch nel 24 2 2 1 Enero DOG AUD ee ee ee 24 2 2 2 EnersieverbDrauch asien hausen 25 2 3 Energieanalyse und Energieoptimierung usssssssssssseeeesnennnnnnnsnenennnnnnnnnnnnnnenennennnn 26 Zak Warum Enersieoptimierine aaa 26 2 3 2 Vorgehen beider Enersie ptimieruns aan ee 26 2 3 3 Generierung von Energieoptimierungsvorschl gen f r automatisierte SEI Der en een ner rere 21 Zoom Existierende Analyseansatze anne ek 30 111 2 3 5 Modellbasierte elektrische Energieanalyse von automatisierten Systemen 31 2 4 Einf hrung in MATLAB Simulink Stateflow cc ccsseseseecececeeeeeeeeseeeceeeeeeaaeeeeees 33 24 MATEAB sets een Ha 33 22 2 SUM Ink area eures 35 24 3 SOON essen A heine 37 244 DM Code nee aE Meet eet ee een eae 37 3 Konzeption des System zur elektrischen Energieanal yse scccccccccssssssssssssccccssscssees 40 Sel SYyStemarchitektur u a na is ee tited 40 3 2
51. nd einschlie end der Hauptschalter eingeschaltet ist und den Start Knopf gedriickt ist geht die Maschine in den Zustand Waschtrockner an ber Dieser Zustand ist wiederrum in f nf Subzust nden untergeteilt Waschen Sp len schleudern Abpumpen Trocknen Nach Ausschalten des Hauptschalters erreicht der Waschtrockner wieder der Zustand Waschtrockner aus In jedem Zustand wird der Enernieverbrauch von denjenigen Verbraucher berechnet die in diesem Zustand akt v sind Benutzte Formeln f r die Berechnung des Energieverbrauchs e Wasserheizung Die Energie der Wasserheizung ist die Heizenergie die von der Wassermenge und von der Temperaturdifferenz zwischen Waschtemperatur und Zulauftemperatur abh ngt c m AT Es wird die folgende Formel benutzt c 4 1826 J K g ist die W rmekapazit t vom Wasser m die Masse des Wassers 1 Liter Wasser 1 Kg und Delta T die Temperatur nderung Also Endtemperatur minus Anfangstemperatur 43 e Motor Die Energie des Motors ist die Schleuderenergie Die Stromaufnahme von dem Motor ist proportional zur Drehzahl des Motors also I n k n I Strom k Proportionalit tsfaktor n Drehzahl Mit P U I1 Feen _k Imax nmax wobei maximaler Strom P n U Imax nmax n i Fine Pii maximale Drehzahl Also ist und mit haben wir Die Schleuderenergie wird dann folgenderma en berechnet Pmax 250 V ist die
52. ne Reihe von Sensoren wie Wassertemperatursensoren oder F llstandsensoren die f r den Ablauf des Waschprogramms notwendig sind IAS10a Magnetventile NS Sp lkastenventil zn 7 mit Verteiler os Fy Ct gt K Sp lkasten E Bottichentl ftung S FT Trommel Wasserstandssensoren Luftventilator Luftheizung Kondensations einheit Ablaufpumpe KNS x UG er ii MR L gt 2 asserheizung Ne ae Flusensieb Abbildung 2 2 Prinzipieller Aufbau des Waschtrockners IAS 10a K In der Maschine gibt es Sensoren f r den Wasserstand die Wassertemperatur das gew hlte bzw aktuelle Waschprogramm und die Drehzahl des Trommelmotors Die Aktoren in der Maschine sind Magnetventile Pumpen Motoren und Heizungen f r Luft und Wasser 2 1 2 Sensoren Die Aufgabe von Sensoren besteht darin die meist nicht elektrischen physikalischen Prozessgr en zu erfassen und diese n elektrische oder optische Gr en zu wandeln Zum Beispiel in unserem Fall kommt ein Temperatursensor zur Wassertemperaturabfrage zum Einsatz Er weist ein sogenanntes NTC Verhalten auf d h bei h herer Temperatur sinkt sein Widerstand Das Ausgangssignal ist eine Spannung die proportional zur Temperatur ist Die Funktionsweise bzw die Identifikation von Sensoren beruhen ausschlie lich auf ScTr03 Es wird also keine neue Untersuchungen am Waschtrockner durchgef hrt Es werden lediglich die f r
53. nenen 55 Abbildung 4 12 Programm Code der Funktion Spuelen m usssssssssssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenn 55 Abbildung 4 13 Zust nde Zwischenchleudern und Endschleudern in Stateflow Chart 56 Abbildung 4 14 Programm Code der Funktionen Zwischenchleudern m und Enaschleudern m zus nes ess eee ale a nee esse 56 Abbildung 4 15 Zustand Abpumpen in Stateflow Chart 20uusssennnnnnnnnnnnnnnnnnennnnenn 56 Abbildung 4 16 Programm Code der Funktion Abpumpen m ccccccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 57 Abbildung 4 17 Zustand Trocknen in Stateflow Chart 222222220seeeeeeeeennnnnnnnnnnnnnnenen 57 Abbildung 4 18 Programm Code der Funktion Trocknen m uesssssssssssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenn 57 Abbildung 4 19 Generierte Optimierungsvorschl ge Gewicht der W sche 2 kg 59 Abbildung 4 20 Generierte Optimierungsvorschl ge Gewicht der W sche 2 kg 60 Tabellenverzeichnis Tabelle 2 1 Technische Daten des Waschtrockners Priv Tabelle 2 2 Wichtigsten Energieverbraucher des Waschtrockners Tabelle 3 1 Aktive Verbraucher in den unterschiedlichen Zust nden cccecescecescececeecess yi Abkurzungsverzeichnis DA Diplomarbeit GUI Graphical User Interface IAS Institut f r Automatisierungs und Softwaretechnik SA Studienarbeit WSA Wahlstudienarbeit V
54. ngswiderstand wird durch Leitungsl nge vergr ert und durch Leitungsquerschnitt verringert Die Wissensbasis wird von einer Probleml sungskomponente verwendet die das allgemeine Wissen auf ein spezifisches Problem anwendet Energieoptimierungsma nahmen werden dadurch erzeugt indem erstens die Informationen ber das besondere betrachtete System z B Leitungsquerschnitt erfasst werden Diese Informationen dienen als Eingabedaten der Probleml sungskomponente died letztendlich m gliche Optimierungsma nahmen z B Leitungsquerschnitt vergr ern um Verluste zu reduzieren vorschl gt e Ressourcenbasierte Ans zte Die in der Literatur beschriebenen Methoden zerlegen das betrachtete System in Einheiten die die Energiequellen Energiespeicherungen und Energiekostener darstellen Diese Einheiten werden dazu verwendet die optimale Konstellation von Energieproduktion Energiespeicherung und Energiekosten m Laufe der Zeit zu bestimmen Verschiedene Ans tze ber cksichtigen auch Umweltumst nde durch Verwenden von Vorhersage und vorhandene Information ber Netzereignisse z B Versorgungsunterbrechung oder die Umgebung z B Wetter 31 e Simulationsbasierte Ans zte Die betrachteten Systeme werden strukturell in Komponenten ihre Schnittstellen und ihre Verbindungen zerlegt kombiniert mit einer Beschreibung ihres inneren Verhaltens Die Modelle erlauben entweder Experimente mit v llig virtuellen Eingangsdaten d h ohne ein ech
55. nn AN ol LTR Universit t Stuttgart ERTER rinses Institut fur Automatisierungs und Softwaretechnik Af ae Prof Dr Ing Dr h c P G hner 15 04 2011 Diplomarbeit Mireille Laure Tchuisseu 3090 DA Entwicklung eines Systems zur elektrischen Energieanalyse eines Waschtrockners Betreuer Prof Dr Ing Dr h c Peter G hner Prof Dr Ing Martin Radetzki Dipl Ing Andreas Beck Diese Arbeit widme ich meiner lieben Mutter Emilienne die mich in ihrer Warmherzigkeit und Liebe gro gezogen hat mich in jeder Hinsicht immer unterst tzt hat und ohne die ich nicht w re wo ich jetzt bin meinem geliebten Ehemann St phane der mich immer mit Liebe Geduld und Unterstiitzung jeglicher Art w hrend der schweren Zeit meines Studiums begleitet hat meiner wunderbaren T chter Joyce Latoya Jodie Latisha und Emma Joann die durch deren zauberhaftes L cheln Fr hlichkeit und Liebe mir immer Mut gegeben haben weiter zu machen il Inhaltsverzeichnis Inhaltsyerzeichn1s 5 Ehe il AbDildungssverzeichnisz u e eier inne Iv Tabelleny rzerc ins wiciss seaseeevsitaricrsarsasiicrciicsenentirarinianisinnic ennai Vv A DKULZUMNESY CPZCICIING 45 sien svesscdavsadedansccsdcissadestanssasackassadesanecsescdsanastanseacactanaadecenecessacasacestansensese vi BEPLIEISVETZEICHNIS Ha as Mende wkaeescsvo tenses deeds Rane ease vii Zusammenfassuns vsere a e a a aaa E a EEA X PL DSUF ACU nee xi 1 EINIEHUNS esan E E ERE 12 2 Grundlage
56. ockners ausf hrt 2 3 function y SimModell P WZ WV WI ZT SD TZ HL A 5 i WH 0 Motor 0 Abpumpe 0 LH 0 LV 0 Initialisierung der Verbraucherwerte auf 0 a it P 1 Power gleich i 6 w 1 2 waschen WV WI ZT WZ SD Funktion waschen gibt ein zwei Elementiges 7 Array zur ck mit an erster Stelle der 8 Verbrauch von der Wasserheizung und 9 tan zweiter Stelle der Verbrauch von dem Motor ER WH WH w 1 2 Oe Motor Motor w 2 12 ai a abpumpen I Abpumpe Abpumpe a 15 46 for k 1 A_5 Die Anzahl der Sp lg nge ist in A 5 gespeichert 17 18 S spuelen SD T9 Motor Motor 5 20 28 ZSCH Zwischenschleudern SD 22 Motor Motor ZSCH 23 24 if k A S5 Das Endschleudern erfolgt nur nachdem 25 alle Zwischenschleudern erfolgt sind 26 ESCH Endschleudern SD 23 Motor Motor ESCH Yd ioe end 29 30 a abpumpen amp es Abpumpe Abpumpe a b A end Kane t 1 2 trocknen TZ HL Funktion trocknen gibt ein zwei Elementiges 34 Array zur ck mit an erster Stelle der Verbrauch 35 von der Luftheizung und an zweiter Stelle der 36 Verbrauch von dem Luftventilator ah is LH LH t 1 36 LV LV t 2 3 end 40 v WH Motor Abpumpe LH LV 41 end Abbildung 4 5 Programm Code der Funktion SimModell m 53 4 3 1 Input Zu den Eing ngen des Simulationsmodells z hlen der Schalter des
57. oday in many areas of daily life but the main question by the users of these systems is how to reduce energy costs By optimizing the parameters of the industrial automation systems you can reduce their energy costs At the IAS an approach to the model based and user oriented energy cost analysis is investigated The aim of this work was based on this approach to develop and prototypically implement a system for the electrical energy analysis of a washing dryer After researching the informations which are required for the energy analysis of the washing dryer first a simulation model of a washing dryer was developed in the work with which the energy cost of a washing dryer can be computed On this basis the system for the electrical energy analysis was developed Focus of the system is an optimization algorithm with which energy optimization proposals can be automatically generated on the basis of model based knowledge Finally the concept was implemented as a prototype in MATLAB With the realized system it is now possible to perform an energy analysis with different parameter values By the optimization proposals which are generated the user will be shown optimization options that can be automatically implemented with appropriate communications interface at the washing dryer and hence to reduce the energy costs 12 1 Einleitung Heutzutage werden immer mehr Funktionen und Features in den Ger ten umgesetzt um den Menschen zu
58. p 95 WZeit 60 ZTemp 60 Vorschlag 7 WTemp 95 WZeit 80 ZTemp 10 Vorschlag 8 WTemp 95 WZeit 80 ZTemp 60 Abbildung 4 19 Generierte Optimierungsvorschl ge Gewicht der W sche 2 kg 2 Zweiter Testfall Betriebsparameter Waschprogramm Pflegeleicht Schleuderdrehzahl 650 U min Waschtemperatur 60 Grad Temperatur des Leitungswasser 10 Grad Trockenzeit 30 min Heizleistung halb Nebenbedingungen Verschmutzungsgrad mittel Gewicht der W sche 5 kg Maximale Waschzeit 80 min Abbildung 4 20 Generierte Optimierungsvorschl ge Gewicht der W sche 5 kg 61 5 Zusammenfassung In dieser Arbeit wurde ein System f r die elektrische Energieanalyse eines Waschtrockners entwickelt Dazu wurde zuerst der Waschtrockner analysiert und gemessen und auf dieser Basis ein S mulationsmodell zur Simulation des Energieverbrauchs anhand von Stateflow in Matlab Simulink realisiert In der Konzeption ist das Verhalten des Waschtrockners in verschiedenen Zust nden dargestellt Das System enth lt einen Algorithmus mit dem automatisiert Optimierungsvorschl ge zur Reduktion des Energieverbrauchs des beobachteten Systems generiert werden k nnen Nach der Erstellung des Prototyps wurden Testszenarien ausgef hrt um die Richtigkeit des Systems zu pr fen Somit hat der Nutzer die M glichkeit automatisierte Systeme n Bezug auf den Energieverbrauch zu optimieren ohne selbst systemspezifisches Wissen besitzen
59. rauch des Waschtrockners aus der Simulation mit einer Kombination kleiner als der Energieverbrauch aus der Simulation mit Betriebsparametern werden die Werte der var ablen Parameter als Vorchlag f r die Optimierung vorgegeben Der Algorithmus ist folgender 1 Zuerst wird die Simulation des Ist Zustands d h mit den Betriebsparametern durchgef hrt Die Ergebnisse werden gespeichert damit man sie sp ter mit den Ergebnissen aus anderen S mulationen vergleichen kann 2 Dann werden anhand der vom Nutzer vorgegebenen Nebenbedingungen Parameterintervalle f r die var ablen Parameter berechnet um zu sehen um wie viel man den Parameterwert erh hen muss bis das Maximum erreicht ist Es gilt f r jeden variablen Parameter P F a AP EFF N Intervall Intervallanzahl Z bei max RER die Grenzwerte f r den und variablen Parameter ist und der Intervallanzahl die Genauigkeit festlegt Grenzwerte der var ablen Parameter 45 e Die Waschtemperatur h ngt vom Verschmutzungsgrad und von der Waschzeit ab Die maximale Waschtemperatur 95 C maximale Waschtemperatur des Waschtrockners Die minimale Waschtemperatur f Verschmutzungsgrad maximale Waschzeit Die maximale Waschzeit ist aber eine Konstante was als Nebenbedingung angegeben ist Somit h ngt die minimale Waschtemperatur nur vom Verschmutzungsgrad ab d h minimale Waschtemperatur f Verschmutzungsgrad Der Verschmutzungsgrad n mmt aber nur drei m gl
60. rbei wird nicht nur die Umwandlung und Verteilung der Energie betrachtet sondern auch die Anlagen und Prozesse der Produktion W hrend der Analyse 27 ergeben sich meistens schon erste unmittelbare Energieeffizienz Potentiale sowie weitere M glichkeiten deren technische und wirtschaftliche Machbarkeit erst noch weiter gepr ft werden m ssen Allein durch organisatorische Ma nahmen kann oft schon Energie eingespart werden Im zweiten Schritt werden Energieeinsparkonzepte ausgearbeitet Diese k nnen Ma nahmen enthalten die auf einzelne Bauteile eingehen sowie Ma nahmen die komplette Teilsysteme oder das Gesamtsystem beeinflussen Generell lassen sich die Ma nahmen wie folgt zusammenfassen Nicht verwendete Ger te oder unn tige Prozesse werden eliminiert veraltete oder schlecht ausgelegte Ger te werden ersetzt und die Leistung wird an die Bed rfnisse des Prozesses oder der Nutzer angepasst Sicherheitsmargen sollten berpr ft und berdimensionierte Sicherheitsmargen sollten neu berechnet und so gering wie m glich ausgelegt werden Aussch sse n jeglicher Form sind zu verhindern da sie nur unn tig Energie verbrauchen Eine weitere Ma nahme ist die optimale Regelung der Ger te und Anpassung der Regelung an die Bed rfnisse der Nutzer oder an d e Bed rfnisse des Prozesses Des Weiteren kann Energie in Form von W rme oder Bremsenergie in andere Formen von Energie umgewandelt werden Der dritte und letzte Schritt ist die Unter
61. rd zuerst eine Systemanalyse des IAS Waschtrockners durchgef hrt dann werden die Formeln zur Berechnung des Energieverbrauchs und der Energiebedarf von Waschtrockner vorgestellt und schlie lich wird ber die Ans tze insbesonderen ber den Modellbasierten Ansatz f r die elektrische Energieanalyse von automatisierten Systemen eingegangen 2 1 Systemanalyse des IAS Waschtrockners Die Grundlage des Projekts bildet der IAS Waschtrockner Es handelt sich dabei um ein Ger t vom Typ PRIVILEG DUO 6610 das eine Kombination aus Waschmaschine und Trockner in einem Ger t darstellt Wie in Abbildung 2 1 zu sehen ist ist die Wascheinheit eine Frontlader Maschine d h die T r befindet sich auf der Stirnseite der Maschine Im rechten oberen Teil der Maschinenfront sind zahlreiche Taster und Drehschalter angebracht Dadurch bietet die Maschine viele Einstellm glichkeiten f r Waschprogramme Sparprogramme Wassermengenwahl und Schleuderdrehzahl Abbildung 2 1 IAS Waschtrockner IAS10a 14 In der folgenden Tabelle sind die technischen Daten des Waschtrockners aufgelistet Tabelle 2 1 Technische Daten des Waschtrockners Priv Fassungsverm gen Waschen Max 5 kg Fassungsverm gen Trocknen Max 2 5 kg Gesamtanschlusswert 2200 W Heizung Waschen 1950 W Heizung Trocknen 700 1400 W Hauptmotor Waschen 250 W Hauptmotor Schleudern 250 W Min Wasserdruck 2 1 1 Aufbau und Funktionsprinzip Im einen Bottich befindet sich drehbar ge
62. rmodus nur ohne Vorw sche m glich dann Wasch Programm B w hlen 24 Waschtemperatur einstellen von 30 bis 95 C Falls Waschen im Energiesparmodus nur ohne Vorw sche m glich dann Waschtemperatur auf 60 C einstellen Schleuderdrehzahl w hlen 650 oder 1000 U min Trockenzeit ber orange Zeitskala w hlen Trocknen mit voller Heizleistung Falls Trocknen mit halber Heizleistung dann Trockenzeit ber graue Zeitskala w hlen Trocknen mit halber Heizleistung Waschmittelkammer mit Waschpulver bef llen Vor und Hauptw sche Falls Waschen im Energiesparmodus nur ohne Vorw sche m glich dann Waschmittelkammer mit Waschpulver bef llen nur Hauptw sche Eco Taste w hlen um die Maschine im Sparmodus zu betreiben Maschine starten Ein Aus Taste Vorwaschgang Falls Waschen im Energiesparmodus nur ohne Vorw sche m glich dann Vorw sche entf llt Hauptwaschgang sSp lgang Schleudern und Abpumpen Trocknen Maschine beginnt mit dem Trockenvorgang Abk hlen Verbrennungsschutz da W sche sehr hei Nach Beendigung des Wasch und Trockenvorgangs Maschine ausschalten Ein Aus Taste Maschine entleeren 2 2 Elektrische Energie Die elektrische Energie oder elektrische Arbeit ist eine Form der Energie oder physikalischen Arbeit die mittels der Elektrizit t geleistet werden kann In der Physik wird f r die elektrische Energie das Formelzeichen E und di
63. ruktur des Systems zur elektrischen Energieanalyse csssseeeeeeeeeeeeees 40 Abbildung 3 2 Zustandsdiagramm des Waschtrockme cccccccsssssseeecceeceeeaeeesseeeceeeeeeaaeeesees 42 Abbildung 3 3 Ablaufplan der Generierung von Optimierungsvorschl gen 46 Abbilduns 3 Fatw rl der GU Presan a a a 47 Abbildung 4 1 Str kt r d s Pros A 48 Abbildung 42 Benutzunss obertl ch nsee a are 50 Abbildung 4 3 Benutzungsoberfl che List Box mit Optimierungsvorschl gen 51 Abbildung 4 4 Blockschaltbild des S mulationsmodells c cc cccccescsssecccecceeeeeesseeeeeeseeeaeeeeeees 31 Abbildung 4 5 Programm Code der Funktion SimModell m ssssssnnnnnseen 32 Abbildung 4 6 Zu variierende Parameterbl cke 00 0 0 ceccsssccccccceeeeeseeeccccceeeaeeeeseeceeeeeeaaeeenees 53 Abbildung 4 7 Gesamtenergieverbrauch des WaschtrockneePS cccccccccceeccesseeeeseeeeeeeeeeaeeeeees 53 Abbildung 4 8 Zustandsdiagramm in Stateflow Chatt cccccccccccssssssssecccecceeseeeeeeeceeeeeeeaeeenees 54 Abbildung 4 9 Zustand Waschen in Stateflow Chart ccccccccccccccccccceeeeeesesesssseseeeeeeeeeeeeees 55 Abbildung 4 10 Programm Code der Funktion Waschen m ccccccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 55 Abbildung 4 11 Zustand Spuelen in Stateflow Chart 222222220sseeeeeeennennnnnnnnnnnnnnnnn
64. schen Ist Zustands Generierung von Optimierungsvorschl ge Evaluierung entsprechend der Nebenbedingungen Automatische Anwendung wenn m glich Integriertes Simulationsmodell pr in gt er dynamische Aare nderung und modell Individuelle Unabh ngige Parameter Parameter Modellsituation Systemmodelle profile modelle Situations Parameter Optimierungs wissen wissen wissen Abbildung 2 5 berblick ber den Ansatz 32 Grundlage des Ansatzes bildet ein ausf hrbares Modell des betrachteten Systems Dieses Modell bildet die Systemstruktur und das Systemverhalten in Abh ngigkeit der Bedieneingriffe und der Umgebunsseinfl sse ab Das Ergebnis dieses ersten Schritts st ein ausf hrbares Modell das den energetischen Ausgangszustand des betrachteten Systems repr sentiert Das Modell erlaubt direkten Zugriff auf den Energieverbrauchsverlauf einzelner Systembestandteile und integriert alle Zusammenh nge und Einfl sse auf die elektrischen Energiekosten des betrachteten Systems Die bleibende Herausforderung ist die Reduktion des Aufwands und der Komplexit t f r die Optimierung Mit den vorgestellten Modellen m sste der Nutzer die Optimierungsvorschlage selbst identifizieren und berpr fen um passende Optimierungsma nahmen zu finden Daf r ben tigt er aber Expertenwissen ber das System und m gliche Anpassungen Daher sieht der Ansatz die Integration dieses Wissens in die Modelle vor Das Wi
65. schtemp 30 Waschzei 30 Zulauften 4 Jig j Abbildung 4 3 Benutzungsoberfl che List Box mit Optimierungsvorschl gen 4 3 Simulationsmodell Abbildung 4 4 zeigt das Blockschaltbild des Simulationsmodells in Simulink m Simulationsmodell PAE x e lt File Edit View Simulation Format Tools Help Deus Bel e gt T 282 gt fo Normal 23 B2 amp RBB amp Power C Schleuderdrehzshl Trockenzeit Heizleistung Energieverbrauch C Anzehl_Spuelgsenge Scope Waschzeit Wesschtemperstur Zulsuftemperstur Zustandsdiagramm Ready 100 ode45 4 Abbildung 4 4 Blockschaltbild des Simulationsmodells 32 Auf der linken Seite des Bildes sind die Eing nge dargestellt Sie werden als Constant Bl cke repr sentiert In der Mitte ist das Zustandsdiagramm zu sehen dessen innere Struktur und Beschreibung 1m Abschnitt 3 3 ausf hrlich erkl rt werden Auf der rechten Seite des Bilds st der Ausgang dargestellt Das Simulationsmodell wurde auch als Funktion SimModell m in MATLAB geschrieben wo die einzelnen Zust nde wiederrum als kleine Funktionen geschrieben wurden In der unteren Abbildung sieht man den Programm Code dieser Funktion 7 CAUsers Mireille Documents MATLAB Simh File Edit Text Go Cell Tools Debug Desktop Window Help DEM LAMIC oD Aa DM AL BBB DM stack Base fr Ba fo x 8810 1 Funktion die die Simulation des Waschtr
66. ssen definiert die Variabilit t und m gliche Anpassungen Bez glich des Systems sind dies strukturelle Ver nderungen oder Anpassungen des Systemverhaltens wie beispielsweise der Einsatz effizienterer Bestandteile Eine Anpassung des Nutzerverhaltens w re z B die zeitliche Verschiebung der Aktivierung einer Funktion zur Vermeidung von Stand By Zeiten oder eine andere Reihenfolge bei der Aktivierung der Funktionen Anpassungen der Umgebung sind eine Ver nderung von Umgebungsparametern w e Temperatur oder Energieversorgungsparameter Die kombinierten Modelle mit integriertem Wissen werden abschlie end dazu genutzt Optimierungsvorschl ge zu generieren Diese Vorschl ge bas eren auf den Betriebsparameterprofilen und der vom Nutzer vorgegebenen Nebenbedingungen Die Generierung sieht eine fortlaufende Anpassung der ver nderlichen Modellparameter d h Systemstruktur Systemverhalten Umgebungsparameter und Nutzerverhalten mit anschlie ender Ausf hrung des Modells vor w e n Abbildung dargestellt Jede Anpassung resultiert in einem neuen Verbrauchsszenario Die Resultate werden durch Vergleich mit den vorangegangenen Verbrauchsszenarien evaluiert Dies erlaubt die automatische Identifikation und Bewertung von Optimierungsvorschl gen f r das System die Umgebung und das Nutzerverhalten Diese automatisch generierten Vorschl ge dienen dem Nutzer als Bas s f r seine Entscheidungsfindung Auf Grundlage der Entscheidung des Nutzers wird schli
67. ssen gew hlt werden Damit eine angegebene Nebenbedingung g ltig st muss der check Box gecheckt werden 3 Ein Start Button Start der Analyse und der Generierung von Optimierungsvorschl gen 4 Ein Panel mit integrierter List Box f r die Ausgabe der Optimierungsvorschlage In Abbildung 4 2 ist die List Box nach der Optimierung dargestellt Die Struktur des Vorschlages ist 50 Nummer des Vorschlages z B Vorschlag 1 Zu ver ndernder Parameter mit Wert z B Parameter Wert des Parameters Eine Schaltfl che Opt Vorschlag anwenden um der ausgew hlte Vorschlag direkt am Waschtrockner anzuwenden Die Schaltfl che wird erst nach Auswahl eines der Vorschl ge aktiv Eine Schaltfl che Close um die Benutzungsoberflache zu schlie en Trockenzet Verschmutzungsgrad Max Waschzet 2 none A man Abbildung 4 2 Benutzungsoberfl che 51 Ausgabe der Opt Vorschl gen orschlag 1 Waschtemp 30 Waschzet 60 Zulauften Vorschlag 2 Waschtemp 30 Waschzeit 60 Zulauftemy Vorschlag 3 Waschtemp 30 Waschzei 60 Zulauftemy Vorschlag 4 Waschtemp 30 Waschzei 60 Zulauftemy Vorschlag 5 Waschtemp 30 Waschzeit 70 Zulauftemy Aroro Vorschlag 6 Waschtemp 30 Waschzei 70 Zulauftemg Vorschlag 7 Waschtemp 30 Waschzei 70 Zulauftemy Vorschlag 8 Waschtemp 30 Waschzei 70 Zulauftemy Vorschlag 9 Waschtemp 30 Waschzei 80 Zulauftemy Vorschlag 10 Wa
68. suchung Umsetzung und Evaluierung der Ma nahmen Viele Ma nahmen f hren zu gro en Energieeinsparungen und amortisieren sich innerhalb von wenigen Jahren Um die Ma nahmen zu bewerten m ssen Evaluierungsspezifikationen erarbeitet werden Nur so kann festgestellt werden wie effizient die verschiedenen Ma nahmen sind und welche Einsparung sie letztendlich gebracht haben Das Einsparpotential ist zwar eine beliebte Gr e doch letztlich z hlt nur was auch wirklich eingespart wurde MaBe09 2 3 3 Generierung von Energieoptimierungsvorschl gen f r automatisierte Systeme Die Energieoptimierung zielt darauf ab Ma nahmen zu identifizieren die entweder die Energiekosten reduzieren oder den Zeitpunkt der Energiekosten zu optimieren Der optimale Verbrauchszeitpunkt ist Ziel wenn der Nutzer einen Versorgungsvertrag abgeschlossen hat der zeitabh ngige Energiekosten vorsieht Daher muss ein allgemein g ltiger Optimierungsansatz beide Dimensionen in Betracht ziehen Neben Vorschl gen zur Energiekostenminimierung m ssen also auch Vorschl ge zur zeitlichen Lastverschiebung generiert werden Zus tzlich m ssen die Einfl sse auf die elektrischen Energiekosten von automatisierten Systemen mit einbezogen werden 2 3 3 1 Einfl sse auf die elektrischen Energiekosten Automatisierte Systeme erf llen eine definierte Funktion wie den Transport und die Bearbeitung von Werkst cken den Ablauf chemischer Prozesse oder auch die Reinigung von W sch
69. t aber kann jedoch durch den Nutzer manuell auf Null zuriickgesetzt werden 2 1 2 6 E Taste Ist die E Taste bet tigt so werden die Waschprogramme in Energiesparprogramme ausgef hrt Bei zus tzlicher Einstellung der Waschtemperatur von 95 auf 60 Grad wird die Waschzeit verl ngert aber das Wasser nicht so stark erhitzt was bis zu 30 Energie spart 18 2 1 2 7 Wasser Plus Schalter Dieser Schalter befindet s ch hinter der Blende der Waschmittelschublade oben links an der Maschine In gedriickter Position wird beim Sp len bei eingestellten normalen Waschprogrammen die Wassermenge erh ht 2 1 2 8 Schleudern Taste Mit diesem Schalter kann der Nutzer die maximale Schleuderdrehzahl vorgeben Er kann w hlen ob sich die Trommel beim Schleudervorgang mit maximal 1000 U min oder 650 U min dreht Dieser Schalter st nur manuell an der Maschine beeinflussbar 2 1 2 9 Temperaturwahlschalter Einstellbarer Thermostat Mit diesem Drehknopf kann der Nutzer vorgeben auf welche Temperatur das Waschwasser aufgeheizt werden soll Dieses Element ist als Spannungsteiler beschaltetes Drehpotentiometer ausgef hrt das in Stufen eingestellt werden kann Es besitzt einen Gesamtwiderstand von 10 kU die angelegte Spannung betr gt 5 Volt Die davon abgeteilte Spannung wird direkt vom Mikrocontroller der Steuerungsplatine ausgewertet Die w hlbaren Temperaturstufen n C sind kalt 30 40 50 60 70 80 95 2 1 2 10 Temperatur
70. tes System oder verbunden mit einem echten System Ein Experiment kann der Gebrauch und Optimierung von fiktiven Eingangsdaten Priifung von Anderungen im Verhalten von einzelnen Komponenten oder Bestimmung von Wirkungen verursacht durch Strukturanderung im System sein In den existierenden Ans tzen werden entweder nicht alle Zusammenh nge und Einfl sse in den betrachteten Systemen ber cksichtigt oder sie erfordern ein tiefes Wissen und Verst ndnis des Systems Folglich war es notwendig einen neuen Ansatz zu entwickeln was m folgenden Kapitel beschrieben wird BeJalO 2 3 5 Modellbasierte elektrische Energieanalyse von automatisierten Systemen Der Ansatz der modellbasierten elektrischen Energieanalyse von automatisierten Systemen E Analyzer soll den Nutzer bei der Optimierung seiner Systeme z B seiner Waschmaschine unterst tzen Wie in Abbildung 2 5 dargestellt wird in einem ersten Schritt durch entsprechende Modellierung und Modellverkn pfung der Ist Zustand ermittelt In einem zweiten Schritt werden auf dieser Bas s durch gezielte Ver nderungen der Modelle Optimierungsvorschl ge generiert ber d e der Nutzer dann entscheidet Die ausgew hlten Optimierungsvorschl ge werden schlie lich soweit m glich automatisiert umgesetzt Neben bedingungen Nutzer Optimierungs vorschl ge Entscheidung System zur Unterst tzung bei den Energiekostenanalysetatigkeiten E Analyzer Ermittlung des energeti
71. tomation Systems IEEE International Conference on Automation Quality and Testing Robotics AQTR 2010 Cluj Napoca Romania 2010 Ditterich D Beck A Ausarbeitung DA Nr 2279 Untersuchung von Methoden und Werkzeugen zur Simulation des Energieverbrauchs von Prozessautomatisierungssystemen Stuttgart IAS 2009 Duden Das Fremdw rterbuch 9 Aufl Mannheim 2007 G hner P Skript zur Vorlesung Informatik II Grundlagen der Softwaretechnik Universit t Stuttgart Institut f r Automatisierungs und Softwaretechnik 2009 Hameg Instruments GmbH Benutzerhandbuch des SkW Power Meters HMS8115 2 Mainhausen 2009 Homepage der Institut f r Automatisierungs und Softwaretechnik Universitat Stuttgart www ias uni stuttgart de forschung demonstrationsanlagen id 13 Homepage der Institut f r Automatisierungs und Softwaretechnik Universit t Stuttgart http www ias uni stuttgart de forschung forschungsthemen be_thema html K hn P J Skript zur Vorlesung Einf hrung in die Informatik I II Teil A Grundlagen und Technische Informatik Universit t Stuttgart Institut f r Kommunikationsnetze und Rechnersysteme 2005 Lauber R Gohner P Prozessautomatisierung I 3 vollst berarb Aufl 1999 Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1999 LiMa06 MaBe09 Math 1 PfBel0 PfBel 1 Priv ScTr03 WaBel0 Wiki10a Wiki10b Wikill 64 Li D Maurmaier M Ausarbeitung
72. tzt aber die Hauptfrage bei den Nutzern dieser Systeme ist wie man die Energiekosten reduzieren kann Durch die Optimierung der Parameter der automatisierten Systeme lassen sich deren Energiekosten senken Am IAS wird ein Ansatz zur modellbasierten nutzerorientierten Energiekostenanalyse erforscht Ziel dieser Arbeit war es auf Basis dieses Ansatzes ein System zur elektrischen Energieanalyse eines Waschtrockners zu entwickeln und prototypisch umzusetzen Nach Recherche der fiir die Energieanalyse des Waschtrockners erforderlichen Informationen wurde in der Arbeit zun chst ein Simulationsmodell eines Waschtrockners konzipiert mit dem die Energiekosten eines Waschtrockners berechnet werden k nnen Auf dieser Basis wurde das System zur elektrischen Energieanalyse konzipiert Mittelpunkt des Systems ist ein Optimierungsalgorithmus mit dem Energieoptimierungsvorschl ge auf Basis von modellbasiertem Wissen automatisiert generiert werden k nnen Das Konzept wurde schlie lich prototypisch in MATLAB umgesetzt Mit dem realisierten System ist es nun m glich eine Energieanalyse mit verschiedenen Parameterwerten durchzuf hren Durch die Optimierungsvorschl ge d e generiert werden werden dem Nutzer Optimierungsmoglichkeiten aufgezeigt die bei entsprechender Kommunikationsanbindung automatisch am Waschtrockner umgesetzt werden k nnen und somit zur Reduzierung der Energiekosten f hren xl Abstract Industrial automation systems are used t
73. um Zweck der Optimierung Die Ausgabe des Systems sind die generierten Optimierungsvorschl ge die der Nutzer bekommt und dann eine Entscheidung trifft ob die Optimierungsma nahme durchgef hrt wird 41 F r das Simulationsmodell werden nur die Bestandteile die eine Bedeutung f r die Energiekosten haben ber cksichtigt Au erdem m ssen m S mulationsmodell genau wie im realen System folgende ber cksichtigt werden e Der Einfluss der Umgebung e Die Nutzereingriffe e Die Energiekosten der einzelnen Komponenten des Waschtrockners Der Block Generierung von Optimierungsvorschlagen analysiert die Daten ber die Energiekosten des Systems welche er vom Simulationsmodell bekommt Auf Grund der Ergebnisse und der vom Nutzer angegebenen Nebenbedingungen werden m gliche Ver nderungen gesucht die zu optimierten Energiekosten f hren Die S mulation wird mit diesen nderungen nochmals durchgef hrt Der Prozess wird solange wiederholt bis alle M glichkeiten getestet wurden sind Au erdem schlie t dieser Block Wissen mit ein Dies ist eine Zusammenstellung von Kenntnissen ber das System Wirkungen auf System und dessen Komponenten und Auswirkungen der Ver nderungen Diese Kenntnisse werden bei der Generierung von Optimierungsvorschl gen benutzt Der Block Anwendung von Optimierungsma nahmen bekommt die Entscheidung die der Nutzer gemacht hat und wendet Optimierungsma nahmen falls m glich automatisiert an
74. umgebung mit individuell anpassbaren Blockbibliotheken mit denen man zahlreiche zeitvariante Systeme entwerfen simulieren implementieren und testen kann Die Blockdiagramme k nnen in einem Editor per Drag and Drop in verschiedenen hierarchischen Segmentebenen aufgebaut werden und an integrierte grafische Visualisierungen angebunden werden die eine detaillierte Analyse zulassen In den Abbildungen 2 8 und 2 9 sind eine Programm bersicht sowie die Benutzeroberfl che von Simulink zu sehen yy war CHI EI Abbildung 2 8 Simulink Programm bersicht B Bel0 36 File Edit View Help C i Enter search term j Libraries Library Simulink Most Frequently Usec lt Commonly Used Blocks N Continuous Continuous oem i ieee i ra Discontinuities In Discrete p Discrete 2 Logic and Bit Operations ae i ogic and Bit m Lookup Tables Operations e Lookup Tables Im Math Operations Math X Model Model Verification A mice a i Model Wide Utilities Ports amp Subsystems Ps Model Wide ai Ports amp Signal Attributes Utilities KAS Subsystems Signal Routing i Sinks Signal Attributes Signal Routing Sources Pr User Defined Functions 34 Sinks 53 oe Additional Math amp Discrete Abbildung 2 9 Benutzeroberfl che von Simulink In Simulink k nnen Symbole durch eine Rechts Klick angepasst werden Durch einen Doppelklick auf einzelne Komponenten ffnet sich der
75. unterst tzen Was allerdings oft vernachl ssigt wird st d e Steigerung der Energiekosten durch die zus tzlich integrierten Funktionen Somit besteht erh hter Bedarf an intelligenten Einrichtungen die helfen die Energiekosten der Systeme zu optimieren Die Basis solcher Einrichtungen bildet eine Energieanalyse in der die Struktur die Abl ufe und die Systemumgebung analysiert und Vorschl ge f r Optimierungsma nahmen erarbeitet werden Es werden in einzelnen Ger ten und Produkten zwar z B Standby Funktionen integriert Systeme f r eine intelligente Analyse der Energiekosten der Gesamtger te und der Ger te in Kombination unter Ber cksichtigung der aktuellen Betriebsbedingungen existieren bisher aber nicht Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung und Evaluierung eines Energieanalysekonzepts f r automatisierte Systeme an der Demonstrationsanlage IAS Waschtrockner Im Kapitel 2 werden die Grundlagen bez glich des IAS Waschtrockner und des anzuwendenden Energieanalysekonzepts erarbeitet Dann wird im Kapitel 3 ein Konzept f r die Umsetzung des bestehenden Energieanalysekonzepts an der Demonstrationsanlage erstellt Das am Ende im Kapitel 4 entstandene System soll die Analyse und gegebenenfalls die Optimierung f r bestimmte Beispielszenarien bis auf die minimal n tige Interaktion mit dem Nutzer selbstt tig durchf hren 13 2 Grundlagen der modellbasierten elektrische Energieanalyse des Waschtrockners In diesem Kapitel wi
76. w hrend eines Waschvorgangs Der Sp lvorgangsbedarf bezeichnet den gesamten Energiebedarf der Maschine w hrend eines Sp lvorgangs Der Schleudervorgangsbedarf bezeichnet den gesamten Energiebedarf der Maschine w hrend eines Schleudervorgangs Der Trocknungsvorgangsbedarf bezeichnet den gesamten Energiebedarf der Maschine w hrend eines Trocknungsvorgangs Die auf diese Art bestimmten spezifischen Energiebedarfswerte k nnen allgemein dazu verwendet werden Waschtrockner untereinander zu vergleichen und in Energiebedarfs oder Energieeffizienzklassen einzuteilen In dieser Arbeit dienen die Energiebedarfswerte als Grundlage der Modellbildung und zur Simulation des Modellprozesses 2 2 2 Energieverbrauch Um den Energieverbrauch berechnen zu k nnen muss die effektive Leistung Wirkleistung Pp bestimmt werden und dann mit der Zeitdauer t ber die sie gemessen wurde multipliziert werden eu Bei Gleichgr en wie Gleichstrom oder Gleichspannung ist die Leistung das Produkt aus Strom und Spannung Bei Wechselstromleistung muss zus tzlich noch die Kurvenform und die Phasenlage von Strom und Spannung ber cksichtigt werden Die Wirkleistung P st der zeitlich ar thmetische Mittelwert der Momentanleistung zum P t u t it a Zeitpunkt t Bei sinusfOrmigen Verl ufen gilt der mathematische T oe eo i ee P isin wt ti sin wt dt Use lapp COS 4 Zusammenhang 0 PfBe10 Das f r

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