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HOCHSCHULE BIBERACH - Regleroptimierung per HiL-Umgebung

Hinsichtlich Energieeffizienz und „Wohlfühl-Klima“ bestimmen vor allem zwei Faktoren die optimale Funktion von Raumreglern: Der verwendete Regelalgorithmus und die richtige Parametrierung. Die Praxis zeigt jedoch, dass die optimale Funktion bzw. Einstellung des Reglers nicht immer gewährleistet werden kann. Solche Defizite haben aber einen nicht unerheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch und/oder den raumklimatischen Komfort. Eine neuartige Lösung der Hochschule Biberach, um derartige Systeme mittels eines HiL-Tests (Hardware in the Loop) auch vor Ort und unter Berücksichtigung der Raumanforderungen zu optimieren, wurde platzsparend und stabil in einem S2000 Aluminium-Zargen-Koffer von SANTOX realisiert.

Regleroptimierung per HiL-Umgebung


Mobiler Raumautomations-Teststand im SANTOX Koffer

In einer Hardware in the Loop Umgebung (siehe Kastentext) können Raumregler unter definierten Randbedingungen auf ihre Funktion überprüft, bzw. unterschiedliche Regler vergleichend bewertet werden. Ebenso ist es möglich, die Reglerparametrierung bereits vor der Inbetriebnahme vorzunehmen. Nachfolgend wird eine HiL-Umgebung vorgestellt, die aus einem Modell der Regelstrecke (Raummodell), einem Hardwarekoppler und dem zu testenden realen Regler besteht. Bei dem Raummodell kann aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Raumtypen gewählt werden, welche wiederum mit verschiedenen Raumparametern und Umweltmodellen belegt werden können. Mit diesen Kombinationsmöglichkeiten lassen sich dem späteren Einsatzgebiet entsprechende Testszenarien nachbilden. Am Hardwarekoppler stehen eine Auswahl von physikalischen Ein- und Ausgängen sowie die gängigen Schnittstellen zu unterschiedlichen Bussystemen zur Ankopplung unterschiedlichster Raumreglertypen zur Verfügung. 

Beim Aufbau und der Funktionsweise des entsprechenden Teststandes für Raumregler wurde besonderer Fokus auf seine Eignung für eine Vielzahl unterschiedlicher Regler, sowie auf seine Verwendbarkeit als Entwicklungs- und Parametrierungshilfe gelegt. Die in dem Forschungsprojekt HiL-RAS1 entwickelten HiL-Umgebungen zum Test von Raumautomatisierungssystemen wurden so entwickelt, dass die Nutzung der HiL-Umgebung durch unterschiedliche Nutzergruppen, auch ohne Vorkenntnisse zu Systematik, Modellen sowie den einzelnen verwendeten Programmen möglich ist.

Energieeinsparung durch Regleroptimierung
Vor dem Hintergrund der Umsetzung der europäischen Energieeffizienzrichtlinie für Gebäude (EPBD) nimmt das Thema des energieeffizienten und nachhaltigen Betriebs von Gebäuden einen hohen Stellenwert ein. Hierzu kann die Gebäudeautomation einen wichtigen Beitrag leisten, indem das Zusammenspiel zwischen Anlagentechnik, Raumnutzung und entsprechenden Regelungskonzepten sowohl bei der Inbetriebnahme als auch im laufenden Betrieb angepasst und gezielt optimiert wird. 

Ein bekanntes Problemfeld stellt die Inbetriebnahme und damit die Parametrierung der Anlagensteuerung und Raumkonditionierung dar. Diese findet vor bzw. während der Abnahme von Gebäuden und Anlagen bei einem konkreten Außenklima und den aktuellen Raumlasten statt. Die Realität zeigt allerdings, dass diese Parameter im weiteren Betrieb nur selten für die echten Betriebsbedingungen optimiert werden. Hier können gezielte und systematische Untersuchungen in einer HiL-Umgebung Aussagen über das Anlagenverhalten über einen gesamten Jahreszyklus mit variablen Lastprofilen liefern, welche wiederum gezielte Ansätze für optimierte Betriebsführungskonzepte erlauben. 

Durch Maßnahmen einer verbesserten Reglereinstellung und einer kontinuierlichen Regleroptimierung im Gebäudebetrieb lassen sich Einsparungen von bis zu 25 % erzielen. Dies ist besonders interessant, da hierfür in der Regel keine nennenswerten Investitionen erfolgen müssen, was zu äußerst kurzen Amortisationszeiten und damit einer hohen Wirtschaftlichkeit derartiger Maßnahmen führt.

Vor diesem Hintergrund wurde an der Hochschule Biberach – als Basis für Hardware in the Loop Lösungen für die Gebäudeautomation – eine Modellbibliothek raumklimatischer Prozesse mit spezifischer Ausrichtung auf regelungstechnische Aufgaben erstellt. Für die Implementierung und Nutzung dieser Bibliothek wurde ein passendes HiL-System als Prototyp entwickelt. Die echtzeitfähigen Modelle agieren dabei als Prozess gegenüber konkreten Automatisierungsgeräten (= Raumregler), welche den Raum steuern und regeln. Generelle Vorteile von HiL-Systemen sind: 

  • Schneller und kostengünstiger Aufbau von komplexen virtuellen Anlagen, Simulationen unter definierten, auch extremen Verhältnissen, die sich an realen Anlagen bzw. unter den gegebenen Außenklimazuständen nicht erzeugen bzw. reproduzieren lassen, 
  • Aussagen zur Qualität der Automation in einem frühen Projektstadium der Anlage, 
  • Zeitersparnis bei der Inbetriebnahme, 
  • leistungsfähiges Werkzeug für die gezielte Betriebsoptimierung und das Gebäudemanagement.

Den Aufbau einer HiL-Umgebung zeigt obiges Schema. Der blau unterlegte obere Teil ist die Simulationsumgebung. Sie enthält die Simulation der Strecke (Raummodell), eine Middleware zum Datenaustausch sowie die grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Bedienung der HiL-Umgebung. Der Hardwarekoppler stellt die Schnittstelle zwischen Simulation und Hardware dar. Auf der einen Seite kommuniziert er mit der Middleware, auf der anderen Seite stellt er die physikalischen Schnittstellen (analoge und digitale Ein-/Ausgänge, Busprotokolle, Funkprotokolle) zu den Reglern zur Verfügung. Die Hardware im unteren Teil sind die zu untersuchenden realen Regler.

Stationär oder mobil?
An der Hochschule Biberach wurden sowohl ein stationärer als auch ein mobiler HiL-Teststand entwickelt. Chronologisch wurden die ersten Versuche und Erfahrungen zunächst im stationären Bereich gesammelt. Diese Testanlage ist in einen Systemarbeitsplatz eingebaut und dafür konzipiert, die Entwicklung und Auslegung direkt bei den diversen Reglerherstellern zu optimieren und das Time-to-Market für neue Geräte entscheidend zu verkürzen. Außerdem findet es Anwendungsgebiete in typischen Laborumgebungen – beispielweise um unterschiedliche Regler auf ihre spezielle Eignung hin zu untersuchen und für eine vorgegebene Aufgabenstellung zu bewerten. 

Während bei einer stationären Anlage die Platzierung der einzelnen Komponenten wenig problematisch ist – ein paar Zentimeter mehr in jeder Raumachse sind zwar nicht unbedingt erstrebenswert, aber meist auch nicht wirklich kritisch – stellt die Entwicklung einer mobilen HiL-Umgebung eine echte Herausforderung dar. Einsatzgebiete sind dabei ständig wechselnde Orte, um Raumregler im laufenden praktischen Betrieb zu analysieren. Sie stellen damit eine Art Service-Koffer für die Regelungsoptimierung dar. Das bedeutet, dass nicht nur alle Komponenten platzsparend zu platzieren sind. Sie müssen darüber hinaus systematisch so angeordnet sein, dass eine hohe ergonomische Funktionalität und eine weitgehend selbsterklärende Handhabung gewährleistet sind. Auch alle Ein-Ausgänge, Versorgungsspannungen, Netzteile etc. sind so zu verdrahten, dass vor Ort möglichst nur der „sprichwörtliche Stecker“ für die Inbetriebnahme gesteckt werden muss.

Hochfunktionale Lösung vom Koffer-Spezialisten
Alle Komponenten des stationären Prüfstandes müssen auch für die mobile Lösung sinnvoll untergebracht werden. Dies sind:

  • Der Rechner für die Raumsimulation, graphische Benutzeroberfläche sowie die Middleware-Software, hier als Laptop ausgeführt.
  • Der Hardwarekoppler, eine SPS mit modular anreihbaren Ein-/Ausgangsklemmen.
  • Die notwendigen Peripheriegeräte, wie Spannungsversorgungen, Sicherungen, Busversorgungen, Buskoppler etc. die notwendig sind, um je nach Anwendung ausgesuchte Schnittstellen (wie KNX, EnOcean, Lon, Modbus über TCP/IP, Dali u.a.) zur Verfügung zu stellen.

Da die aktiven Komponenten (wie z.B. die SPS) Verlustwärme erzeugen, muss für ein gutes Wärmemanagement auf engstem Raum gesorgt werden. Und wegen der anliegenden Netzspannungen ist zudem eine durchgängige Schutzleiterverbindung zwingend erforderlich. 

Bei der Lösung dieser „mobilen Aufgabenflut“ kann eine Hochschule an die Grenzen ihrer Möglichkeiten stoßen. Dafür jedoch ist Gehäusespezialist SANTOX ein idealer Partner. Wie schon so oft, hat man auch für den geplanten HiL-Prüfstand die Flut der von der Hochschule beigestellten Geräte und Teile gemeinsam mit dem Kunden zu sinnvollen Gruppen sortiert, das optimale Handling beim Anschließen, Verdrahten und Bedienen diskutiert, die am besten geeignete Einbau- und Betriebslage für den hochwertigen, stabilen S2000-Aluminiumkoffer festgelegt sowie in kürzester Zeit die Konstruktionszeichnungen erstellt und den Koffer samt Innenleben betriebsbereit aufgebaut (Bild 2). 

Zusammenfassung

Der mobile HiL-Teststand dient in erster Linie zur Überwachung von Raumreglern im laufenden Betrieb. Dazu lässt sich die HiL-Umgebung parallel zu dem zu untersuchenden Regler schalten. Derart kann das reale Regelverhalten mit dem simulierten Regelverhalten verglichen werden. Optimale Parametrierung des Raumreglers erhöht nicht nur den Komfort, sondern birgt Energie-Einsparungsmöglichkeiten bis zu 25 Prozent.

Gehäuse- und Elektronik-Koffer-Spezialist SANTOX übernimmt für seine Kunden als zusätzliches, umfassendes „Engineerings- und Dienstleistungspaket“ viele Leistungen, die man nicht unbedingt von einem Gehäuselieferanten erwartet. Bei der Realisierung der mobilen HiL-Umgebung haben die Löffinger Fachleute den kompletten gerätetechnischen Aufbau der Komponenten im Koffer sowie die betriebsbereite Installation übernommen. 

Weitere Dienstleistungen können beispielsweise die mechanische Bearbeitungen aller Art auf CNC-5- und CNC-7-Achsen Bearbeitungszentren sein, wie auch Beschriftung, Funktionsprüfung, Beschaffung und Überwachung aller Bauteile eines Komplettsystems, 2D- und 3D-Konstruktion des Gehäuses inklusive aller Einbauten, Herstellung von Kunststofftiefziehteilen und von maßgeschneiderten PE-Schaumstoffteilen, das Wärmemanagement der Elektronik, die maßgeschneiderte Versandverpackung der Gehäuse-Systeme für den weltweiten Einsatz u.v.a.m. 

SANTOX steht mit seinem Gehäuseprogramm für mobile, ganzheitliche, funktionelle Lösungen in erstklassiger Qualität weit jenseits von herkömmlicher Massenware.

Hardware in the Loop
Hardware in the Loop (HiL) bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein eingebettetes System (z. B. reales elektronisches Steuergerät oder reale mechatronische Komponente) über seine Ein- und Ausgänge an ein angepasstes Gegenstück angeschlossen wird, welches im Allgemeinen HiL-Simulator genannt wird und als Nachbildung der realen Umgebung des Systems dient.

Hardware in the Loop ist eine Methode zum Testen und Absichern von eingebetteten Systemen. Das Verfahren dient zur Unterstützung während der Entwicklung, zur vorzeitigen Inbetriebnahme – beispielsweise von Maschinen und Anlagen – oder auch zur Optimierung von bereits bestehenden, komplexen Einrichtungen. Dabei wird das zu steuernde System über Modelle simuliert, um die korrekte Funktion des zu entwickelnden Regelungssystems (z. B. für Heizung, Kühlung und Belüftung eines Raumes oder Gebäudes) zu testen. 

Die HiL-Simulation muss meist in Echtzeit ablaufen und wird in der Entwicklung benutzt, um Entwicklungszeiten zu verkürzen, Kosten zu sparen oder vorhandene Lösungen zu testen und zu optimieren. Insbesondere lassen sich wiederkehrende Abläufe simulieren und dabei der Einfluss einzelner Parameter auf das Gesamtsystem erkennen. Dies hat den Vorteil, dass eine neue Entwicklungsversion eines Gerätes oder eine geänderte Einstellung unter den gleichen Kriterien getestet werden kann wie die Vorgängerversion. Somit kann detailliert nachgewiesen werden, ob ein Fehler beseitigt – respektive eine Verbesserung (des Regelverhaltens) realisiert wurde.

Quellen: Wikipedia; G.S. MARKOM

1 HiL-RAS: Erforschung und Entwicklung von Hardware in the Loop Werkzeugen für den Entwurf und den Test von energieeffizienten Raumautomatisierungssystemen in Gebäuden. Fördervorhaben im Rahmen des Förderprogramms „Förderung des Technologietransfers zwischen Hochschulen für angewandte Wissenschaften und KMU“, gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg (MWK) und der Europäischen Union (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung, EFRE).

Der Autor: 

Peter Hauser ist Gründer des Unternehmens Santox-Industriekoffer und ist im heutigen Unternehmen verantwortlich für Technik und Entwicklung.

Studiengänge der Hochschule Biberach in Kürze
Die Hochschule Biberach vermittelt in ihrem neuen Bachelor Studiengang Energie-Ingenieurwesen und Energie- und Gebäudesysteme eine ganzheitliche Sichtweise auf Energiesysteme und ihren Einsatz in Gebäuden. Nach der grundlegend angelegten Ingenieurausbildung in den ersten Semestern können sich die angehenden Ingenieure im weiteren Studienverlauf in den Schwerpunkten Gebäudesysteme oder Energiesysteme vertiefen. 

Auf den Bachelor-Studiengang kann auch das darauf aufbauende Studium im Master Energie- und Gebäudesysteme fortgesetzt werden. Hier beschäftigen sich die Studierenden mit den herausfordernden neuen Themenstellungen in der Energie- und Gebäudetechnik, wobei sie bei Interesse ihre Forschungs- und Abschlussarbeiten am Institut für Gebäude- und Energietechnik der Hochschule – z.B. auf dem Forschungsfeld Hardware in the Loop und Raumautomation bearbeiten können.

Absolventen dieser Studiengänge finden bei Energieversorgern, Netzbetreibern und Herstellern, aber auch vielfach in Planungsbüros, Energie-Beratungsunternehmen oder in der Gebäude- und Liegenschaftsverwaltung vielfältige Beschäftigungsmöglichkeiten.

Hochschule Biberach, Institut für Gebäude- und Energiesysteme
Fachgebiet MSR-Technik, Gebäudeautomation und Energiemanagement
Karlstraße 11
88400 Biberach
Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
becker@hochschule-bc.de
M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) Alexander Adlhoch
adlhoch@hochschule-bc.de

Ein kompletter, mobiler Raumautomations-Teststand für die Regleroptimierung per HiL-Test wurde von SANTOX ingeniös in einen Koffer S2000 integriert.

Maßgeschneidert, übersichtlich geordnet und verdrahtet hat alles seinen idealen Platz. Die mittlere Ebene ist der Hardwarekoppler, in der untersten Ebene werden die zu testenden Regler angeklemmt.

Auch das Zubehör findet seinen ordentlichen Platz unter der oberen (bzw. hinteren, bei stehendem Betrieb) Klappe, die ebenfalls geerdet ist.

Zeichnung 1: Schematischer Aufbau einer HiL-Umgebung [Quelle: Hochschule Biberach]