INSEL Eine Simulationsumgebung (nicht nur) für erneuerbare Energiesysteme

Transkript

1 INSEL Eine Simulationsumgebung (nicht nur) für erneuerbare Energiesysteme Jürgen Schumacher Hochschule für Technik Stuttgart

2 Inhaltsangabe Kleiner geschichtlicher Abriss (Hardware und Software) Graphische Programmierung mit INSEL - Das Schichtenmodell von INSEL Anwendungen: - Energiemeteorologie -Photovoltaik - Solares Kühlen - Gebäudesimulation -Internet Kommunikation - User Block Programmierung - Anwendungsprogrammierung

3 Vannevar Bush M.I.T. Erster Analogrechner 1931 Eingabetische Ausgabetische Vannevar Bush ( ) Drehmoment Verstärker Integrierscheibe Wellen und Getriebe Foto: Mathematical Laboratory in Cambridge, England

4 Setup zur Lösung der Gleichung x + ½ (x ) 2 + 3x = 0

5 1959: Desktop Analogrechner Telefunken RAT700

6 ca. 1960: Erster Laptop Analogrechner Donner 3500

7 Konrad Zuse Erster Digitalrechner 1941 Konrad Zuse *1910 Foto: Nachbau der Z3 im Deutschen Museum in München

8 Datenblatt des Z3 Name des Rechners Technik Taktfrequenz Rechenwerk Z3 600 Relais Rechenwerk, 1600 Relais im Speicherwerk 5-10 Hertz Gleitkommarechenwerk, 16 Takte Multiplikation, 3 Takte Addition, 18 Takte Division Mittlere Rechengeschwindigkeit Eingabe Multiplikation 3 Sekunden, Divison 3 Sekunden, Addition 0,7 Sekunden Dezimaltastatur mit 20 Stellen rechts vom Komma, Umwandlung nach Binärcode Ausgabe Wortlänge Anzahl Relais Anzahl Schrittschalter Speicheraufbau Leistungsaufnahme Gewicht Einsatzgebiet Anzahl verkaufter Rechner Mit Lampen, 4 Dezimalstellen mit Kommaanzeige 22 Bit, Gleitkomma: Mantisse, Exponent und Vorzeichen für Mikroprogrammsteuerung im Gleitkommarechenwerk 1400 Relais, 64 Worte à 22 Bit Ca Watt Ca kg Flügelberechnungen (Flatterproblem) 0

9 1958: FORTRAN Standard IBM Lochkarte

10 1970er: Telefunken TR440

11 CSSL Boom Continuous System Simulation Language 1959: R.F. Selfridge realisiert die erste Simulation eines Analogrechners auf einem Digitalrechner und löst damit einen Boom in der Entwicklung von Programmen und graphischen Programmiersprachen zur Lösung von Differentialgleichungssystemen auf Digitalrechnern aus.

12 1960er: CSMP IBM Continuous System Modeling Program * Wasserstandsregelung mit zylindrischen Behälter INITIAL PP = 4.0 / (PI * D1 * D1) DYMAMIC * Strukturaussagen HDOT = PP * (Q1 - Q2) Q2 = A2 * SQRT(2.0 * G * H) H = INTGRL(H0,HDOT) A2 = ALPHA * A A = AFGEN(FA,Y) Y = A * XW + B * INTGRL(0.0,XW) XW = H - W * Parameteraussagen PARAM A = 0.1, B = 0.1, Q1 = E-6, W = 1.5 INCON H0 = 1.5 CONST D1 = 1.0, G = 9.81, ALPHA = 0.8, PI = FUNCT FA = ( ,0.0), (0.0,0.0), (0.7E-2,105.E-4), (1000.0,105.E-4) * Bearbeitungsaussagen METHOD RKS TIMER DELT = 0.1, FINTIM = 50.0, OUTDEL = 0.1 TITLE Wasserstandsregelung mit zylindrischen Behälter PRINT H, A2, Y, W, XW, Q1, Q2 END STOP Zielcode: FORTRAN

13 1960er: SPICE Universität Berkley Simulationsprogramm für integrierte Schaltkreise Transistorverstärker: SPICE VERSION 2G R K R K R RE CE NF RA RIN CIN NF Q QMOD * Spannungsquellen VB V VIN 1 0 AC 1 PULSE (0 1 1NS 1NS 1NS 5NS 12NS) * Transistormodell.MODEL QMOD NPN (RB = 1.6 RC = 0.3 RE = BF = 85 CJE = 19.6PF CJC = 8.9PF TF = 1E-21 + TR = 1.3E-21 IS = 1E-14 C2 = 4.52 C4 = 6.12) * Simulationssteuerung.AC DEC HZ 1GHZ.TRAN 0.2NS 15NS.PLOT AC VM(2) VP(2).PRINT TRAN V(1) V(2) V(3) V(4) V(5) V(6).PLOT TRAN V(2) V(1) (0.0,6.0).END

14 SPICE Universität Berkley Integrierte Umgebung von

15 PSPICE

16 1974: TRNSYS Universität Wisconsin/Madison Simulationsprogramm für solarthermische Systeme SIMULATION UNIT 1 TYPE 9 Datenleser PARAMETERS UNIT 2 TYPE 16 Strahlungsprozessor PARAMETERS INPUTS 6 1,5 1,19 1,20 0,0 0,0 0, UNIT 3 TYPE 1 Kollektor PARAMETERS INPUTS 10 5,1 5,2 5,2 1,6 2,6 2,4 2,5 0,0 2,9 2, UNIT 4 TYPE 2 Regler PARAMETERS INPUTS 3 3,1 8,1 4, UNIT 5 TYPE 3 Pumpe PARAMETERS INPUTS 3 8,1 8,2 4, UNIT 6 TYPE 6 Zusatzheizung PARAMETERS ETC.

17 TRNSYS Universität Wisconsin/Madison Grafische Oberfläche: IISiBat

18 : INSEL Universität Oldenburg Simulationsprogramm für solarelektrische Systeme

19 Dissertation - Veröffentlichungen

20 Was ist INSEL heute? Ein Produkt und eingetragenes Warenzeichen der Doppelintegral GbR Stuttgart Ein Akronym für Integrated Simulation Environment Language Eine graphische Programmiersprache Eine modulare Simulationsumgebung nicht nur für erneuerbare Energiesysteme Eine durchgängige Softwarelösung von der Planung bis zur Steuerung und simulationsgestützten Betriebsüberwachung von energietechnischen Anlagen Eine durchstrukturiertes Programmiersystem, das vom Anwender zur Entwicklung von komplett eigenen Softwareentwicklungen genutzt werden kann

21 Die Anwendungsbereiche von INSEL Energiemeteorologie (++) Photovoltaiksysteme (++) Solarthermische Systeme (++) Solarthermische Kraftwerke (+) Gebäudesimulation (+) Gebäudeautomation (o) Facility Management (o)

22 Graphische Programmierung INSEL 7.0

23 Die Kernidee von INSEL Abbildung des Prinzips der Strukturierten Programmierung auf Blockdiagramme: Es werden nur drei Programmieroptionen zugelassen (mit denen sich alle algorithmischen Probleme lösen lassen) Sequenzstrukturen Strukturierte Verzweigungen Strukturierte Schleifen

24 Die logischen Schichten von INSEL Oberflächen Modellierung Datenbanken Compiler Ausführung Schnittstellen Implementierung Konzept

25 Konzept Schicht Oberflächen Modellierung Datenbanken Compiler Ausführung Schnittstellen Implementierung Konzept

26 Die Kernkomponente von INSEL: Ein Block OUT = Name(IN,OUT,IP,RP,DP,BP,SP) Inputs IN() Name Interne Variable IP(),RP(),DP() Gruppe Outputs OUT() Numerische Parameter BP() String Parameter SP()

27 INSEL Block Gruppen Constant Blöcke Timer Blöcke Standard Blöcke Loop Blöcke Delay Blöcke If Blöcke Makro Blöcke

28 Der CONST Block OUT = CONST(IN,OUT,IP,RP,DP,BP,SP) CONST Interne Variable IP(),RP(),DP() OUT(1) = BP(1) C-Block BP(1) = Wert der Konstanten

29 Der SCREEN Block OUT = SCREEN(IN,OUT,IP,RP,DP,BP,SP) IN(0...6) SCREEN Interne Variable IP(),RP(),DP() S-Block SP(1) = Ausgabeformat

30 Ein primitivstes Blockdiagramm / INSEL Modell CONST OUT(1) = 17 SCREEN BP(1) = 17 % INSEL Modell S 1 CONST P 1 17 S 2 SCREEN 1.1

31 Modellierungsschicht Oberflächen Modellierung Datenbanken Compiler Ausführung Schnittstellen Implementierung Konzept

32 Modellierung im Text Editor

33 INSEL Fenster

34 Beispiele für S-Blöcke Wetterdatenbank Strahlungs- und Temperatursynthese Solarer Luftkollektor Photovoltaik Modul Hinterlüftete Photovoltaik Fassade Sorptionsrad Rotierender Wärmetauscher Befeuchter...

35 Photovoltaik Block

36 Wetterdatenbank Block MTM

37 Strahlungsdatensynthese Block GENGD

38 Der DO Block OUT = DO(IN,OUT,IP,RP,DP,BP,SP) DO Interne Variable IP(),RP(),DP() T-Block OUT(1) = t 0, t 0 +dt,t 0 +2dt... BP(1) = Startwert t 0 BP(2) = Endwert t f BP(3) = Inkrement dt

39 Der CLOCK Block

40 Ein INSEL Modell zur Strahlungssynthese

41 Compiler Schicht Oberflächen Modellierung Datenbanken Compiler Ausführung Schnittstellen Implementierung Konzept

42 INSEL Rechenfolgeliste CLOCK MTM DOY GENGD PLOT Block Gruppe Jump CLOCK T 1 MTM S 1 DOY S 1 GENGD S 1 PLOT S -4

43 Der IF Block IN(1) = x IN(2) = 0/1 IF OUT(1) = x Nachfolger werden nur ausgeführt, wenn IN(2) = 1 ist.

44 INSEL Modell mit I-Block und Rechenfolgeliste DO CONST NE IF SCREEN Block Gruppe Jump CONST C 1 DO T 1 NE S 1 IF I -2 SCREEN S -3

45 Der NULL Block f(x) NULL x TOL x it BP(1) = xmin BP(2) = xmax BP(3) = Delta x

46 INSEL Modell mit L-Block und Rechenfolgeliste f(x) = x 2-1 TOL Block Gruppe Jump TOL -L 1 SCREEN S 1 POLYN S 1 NULL L -3 SCREEN S 1 POLYN NULL

47 INSEL Fenster

48 INSEL Modell mit D-Block und Rechenfolgeliste GASDEV SUM NOP DO CHS DELAY Block Gruppe Jump DO T 1 GASDEV S 1 CHS S 1 SUM S 1 NOP S 1 DELAY D -5

49 Zusammenfassung der Konzeptschicht C-Blöcke werden nur zu Beginn der Rechnung ausgeführt T-Blöcke steuern den Ablauf der Simulation Es gibt mehr als 300 S-Blöcke in INSEL Mit L-Blöcken können lokale Schleifen programmiert werden D-Blöcke lösen algebraische Schleifen auf I-Blöcke erlauben Vorwärtsverzweigung in Rechenfolgeliste Teilmodelle können zu einem Makro Block zusammengefasst werden

50 Implementierungsschicht Oberflächen Modellierung Datenbanken Compiler Ausführung Schnittstellen Implementierung Konzept

51 Programmiersprachen INSEL ist eine Mehr-Sprachen Anwendung Eingangscodes sind.ins und.vee Dateien Der Scanner ist mit dem Scannergenerator Flex++ implementiert, Zwischencode ist C++ Der Parser ist mit dem Parsergenerator Bison++ implementiert, Zwischencode ist C++ Die inselengine verwendet überwiegend C++ Die meisten Blöcke sind in Fortran programmiert, einige in C/C++ Zielcode sind ausschließlich DLLs Das auszuführende Modell wird als Rechenfolgeliste abgearbeitet

52 Quellcode Dokumentation (extern) C #Begin C #Block FOR C #Description C The FOR block is a user-defined prototype block. C #Layout C #Inputs 1 C #Outputs 1 C #Parameters 1 C #Strings 0 C #Group S C #Details C #Inputs C #IN(1) Any number $x$ C #Outputs C #OUT(1) $x + p$ C #Parameters C #BP(1) Any number $p$ C #Strings C #None

53 Quellcode Dokumentation (intern) C #Internals C #Integers C #IP(1) Return code C #IP(2) Call mode C \begin{detaillist} C \item[-1] Identification call C \item[0] Standard call C \item[1] Constructor call C \item[2] Destructor call C \end{detaillist} C #IP(3) Operation mode C #IP(4) User defined block number C #IP(5) Number of current block inputs C #IP(6) Jump parameter C #IP(7) Debug level C #IP(8..10) Reserved C #Reals C #None C #Doubles C #None C #Dependencies C #Subroutine ID C #End

54 Ein Fortran Block Prototyp (Deklarationen) INCLUDE 'ub0002.h' SUBROUTINE ub0002(in,out,ip,rp,dp,bp,sp) IMPLICIT NONE CHARACTER*80 BNAMES INTEGER INMIN,INS,OUTS,IPS,RPS,DPS,BPMIN,BPS,SPMIN,SPS, & GROUP,OPM PARAMETER (BNAMES = 'FOR' &, OPM = 1 &, INMIN = 1 &, INS = 1 &, OUTS = 1 &, IPS = 10 &, RPS = 0 &, DPS = 0 &, BPMIN = 1 &, BPS = 1 &, SPMIN = 0 &, SPS = 0 &, GROUP = 3) CHARACTER*80 SP(SPS+1) DOUBLE PRECISION DP(DPS+1) INTEGER IP(IPS+1) REAL IN(INS+1),OUT(OUTS+1),RP(RPS+1),BP(BPS+1)

55 Ein Fortran Block Prototyp (Anweisungen) C IF (IP(2).NE. 0) THEN IF (IP(2).EQ. -1) THEN C Identification call CALL ID(IN,OUT,IP,RP,DP,BP,SP,BNAMES, & OPM,INMIN,INS,OUTS,IPS,RPS,DPS,BPMIN,BPS,SPMIN,SPS,GROUP) ELSE IF (IP(2).EQ. 1) THEN C Constructor call ELSE C Destructor call END IF RETURN END IF C---- Standard call OUT(1) = IN(1) + BP(1) RETURN END C

56 Schnittstellenschicht Oberflächen Modellierung Datenbanken Compiler Ausführung Schnittstellen Implementierung Konzept

57 Aufrufkonventionen ub0002.for INCLUDE 'ub0002.h' SUBROUTINE ub0002(in,out,ip,rp,dp,bp,sp) ub0002.h (cdecl)!ms$ ATTRIBUTES C, REFERENCE, DLLEXPORT :: ub0002 INCLUDE 'id.i' ub0002.h (stdcall)!ms$ ATTRIBUTES DLLEXPORT :: ub0002

58 Ausführungsschicht Oberflächen Modellierung Datenbanken Compiler Ausführung Schnittstellen Implementierung Konzept

59 Zugriff auf die Ausführungsschicht inselengine inseldi.dll, inseltext.dll, inselem.dll, inselse.dll... Fremdprogramme

60 Zusammenfassung Graphische Oberflächen (z.b. HP VEE Panel view) Graphische Simulationsmodelle.vee (z.b. HP VEE Detail view) Text Simulationsmodelle.ins (z.b. Notepad) Datenbanken (z.b. Komponenten, Wetter) INSEL Compiler: inselengine.dll Ausführungsschicht: inseldi.dll, inseltext.dll, inselem.dll, inselse.dll... Schnittstelle: Aufrufkonventionen (stdcall, cdecl), Header Block Implementierung INSEL Block Konzept.etc

61 Danke für Ihre Aufmerksamkeit