Hardware-in-the-Loop-Lösungen für die Automation von HLK-Prozessen und die Raumautomation

Transkript

1 10. Nachwuchswissenschaftler Konferenz 16. April 2009, Merseburg Hardware-in-the-Loop-Lösungen für die Automation von HLK-Prozessen und die Raumautomation Alexander Adlhoch Hochschule Biberach Institut für Gebäude- und Energiesysteme

2 HiLGA Forschungsprojekt gefördert durch das BMBF im Förderprogramm FHProfUND Laufzeit: Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Becker Partner: Hochschule Merseburg und mehrere Industriepartner Entwicklung einer modularen, offenen Modellbibliothek (HLK-Komponenten und Anlagen, Raum- und Gebäudemodelle) zur Erstellung von Simulationsmodellen. Entwicklung neuer, energieeffizienter Regelstrategien. Test und Weiterentwicklung dieser Regelstrategien am Simulationsmodell. Implementierung der Regelstrategien in Hardware (SPS, Regler, ) und Test in einer HIL-Umgebung. 2

3 Motivation Motivation Test und Entwicklung von Regelstrategien am Simulationsmodell vor der Inbetriebnahme - Simulation & Emulation (HiL) Optimierung von Regelparametern Entwicklung neuer, energieeffizienter Regelstrategien 3

4 Einsparpotential durch Gebäudeautomation Potential energy savings in % Einspaarpotential in einzelnen Gewerken durch verbesserte Gebäudeautomation Heizung Sonnenschutz Beleuchtung Kühlung Lüftung Quelle: Hochschule Biberach Literaturstudie durch Martin Becker, Peter Knoll 4

5 Motivation Motivation Test und Entwicklung von Regelstrategien am Simulationsmodell vor der Inbetriebnahme - Simulation & Emulation (HiL) Optimierung von Regelparametern Entwicklung neuer, energieeffizienter Regelstrategien Möglichkeit zur vergleichenden Untersuchung unterschiedlicher Raumautomationsstrategien Voraussetzung geeignete Raum- und Anlagenmodelle zur Überprüfung von Automationsstrategien 5

6 Aufbau der Simulationsumgebung Anforderungen an ein Raummodell Raummodell Wandmodell weitere Modellansätze 6

7 Anforderungen an ein Raummodell Welche Anforderungen muss ein Raummodell zur Entwicklung und zum Test von Raumautomationsstrategien erfüllen? geeignete Abbildung der dynamischen Vorgänge Regelverhalten flexible Einbringung von internen und externen Lasten Störgrößen Heizkörpermodell Heizungsregelung Feuchtigkeitsbilanz Behaglichkeit CO 2 -Bilanz Behaglichkeit, Lüftungsregelung 7

8 Raummodell Infiltration + Fensterlüftung mech. Lüftung solare Strahlung 8

9 Raummodell Infiltration + Fensterlüftung mech. Lüftung solare Strahlung 9

10 Raummodell Infiltration + Fensterlüftung mech. Lüftung solare Strahlung 10

11 mathematische Darstellung am Beispiel Wandmodell r 11

12 Überführung zum n-schichtigen Wandmodell r 12

13 Vorgehen beim Aufbau der Simulation Modellansätze erarbeitet in: MATLAB/Simulink Aufbau Seminarraum G 0.03 als Modell in MATLAB/Simulink 13

14 Technikum G Als Vorlage und zur Validierung der Modelle dient das Technikum G der Hochschule Biberach. Das Gebäude enthält eine Vielzahl innovativer und regenerativer Energiesysteme: Bauteil-, Fußboden- und Deckentemperierung umschaltbare Wärmepumpe / Kältemaschine Lüftungsanlage mit Erdreichwärmeübertrager und Solar-Luft-Kollektoren zur Versorgung des Seminarraums G 0.03 Über eine Gebäudeleittechnik können diese Systeme geregelt werden und Daten aus dem laufenden Betrieb gesammelt werden. 14

15 Seminarraum G 0.03 Verschattung Regulierventil HK Fensterkontakt Beleuchtung CO2- Sensor Tafellicht lx CO2 VO C Luftqual- Sensor r.rf Rel. Feuchte Proj. leinwand lx PIR Anw.- Sensor Raumtemp. Lichtstärke Luftzufuhr 15

16 Vorgehen beim Aufbau der Simulation Modellansätze erarbeitet in: MATLAB/Simulink Aufbau Seminarraum G 0.03 als Modell in MATLAB/Simulink Validierung des Modellansatzes paralleler Aufbau des Modells in Modelica/Dymola plattformunabhängige Programmierung Erstellung von Varianten Typräume (Büro, Seminarraum, Wohnraum, ) unterschiedliche Varianten (leicht, mittel, schwer) Zusammenfassen dieser Varianten in einer Modellbibliothek bzw. Parameterdatenbank 16

17 HiL-Umgebung der Hochschule Biberach Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Regelstrategien HiL-Umgebung an der Hochschule Biberach 17

18 Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Regelstrategien Simulation simulierter Regler Software-in-the- Loop (SiL) Simulation Emulation Gebäudesimulation, Simulation von HLK-Anlagen Regler (Hardware) Hardware-inthe-Loop (HiL) Regelung Gebäude, HLK-Anlagen Realität / Hardware 18

19 HiL Umgebung an der Hochschule Biberach TRNSYS / Gebäude Modelica / Dymola MATLAB / Simulink Kopplung zu Gebäudemodellen Modellierung in MATLAB/Simulink und Dymola LabMap (middleware) Wago als Hardwarekoppler LabMap als Middleware zum Ansprechen des Hardwarekopplers Wago SPS als Hardwarekoppler mit frei konfigurierbaren Ein- und Ausgängen Wago als Steuerung / Regler z.zt. Wago als Testregler mit der zu testenden Regelstrategie 19

20 Zusammenfassung HiLGA Arbeitspunkte offene, plattformunabhängige Modellbeschreibungen Erstellung einer Modellbibliothek in den Bereichen: Raumtyp-Modelle Anbindung Raummodelle Gebäudemodelle Modelle raumlufttechnischer Prozesse Modelle kältetechnischer Prozesse Untersuchungen zum Einsatz von Werkzeugen zur Modellimplementierung /-parametrierung in Simulationsumgebungen (MATLAB, LabView, Modelica) Einbindung bereits vorhandener, freier Modelle Validierung der Modelle Erstellung eines HiL-Systems als Prototyp 20