Funktion Programmierbarer Steuerungen
Die Komponenten der Programmierbaren Steuerung dienen der Abbildung eigener mathematischer Gleichungen für Randbedingungen und Berechnungen.
Anwendungsfälle sind zum Beispiel das Erzwingen oder Bevorzugen eigener Betriebsmodi, das Einbinden von Speichern, die Vermeidung von Lastspitzen und die Modellierung spezieller Nebenbedingungen.
Zur Modellierung stehen unter anderem Berechnungskomponenten, wie zum Beispiel zur Division oder Addition, Logische Operatoren, wie zum Beispiel Oder und Und, sowie Vergleichsoperatoren und if-Verzweigungen zur Verfügung.
Die Berücksichtigung von Mischungstemperaturbedingungen mithilfe Programmiebarer Steuerungen als Alternative zur einfachen Verwendung der Komponenten Temperaturrandbedingung_Reihenschaltung und Temperaturrandbedingung_Parallelschaltung wird für Experten in den folgenden beiden Artikeln beschrieben.
Die Berücksichtigung von Mischungstemperaturbedingungen mithilfe Programmierbarer Steuerungen als Alternative zur einfachen Verwendung der Komponenten Temperaturrandbedingung_Reihenschaltung und Temperaturrandbedingung_Parallelschaltung wird für Experten in den folgenden beiden Artikeln beschrieben.
Komponenten platzieren
Die mathematischen Zusammenhänge werden über die grafische Programmoberfläche im Energiesystemmodell hinterlegt. Dazu platzieren Sie die Komponenten der Programmierbaren Steuerung und verbinden Sie die Pins (siehe folgendes Beispiel).
Die Steuerungen können Sie wahlweise direkt auf dem Simulatorschema (siehe folgende Abbildung) oder auf einem getrennten Steuerungsschema platzieren.
Ein getrenntes Steuerungsschema erstellen Sie im Start-Ribbon mit dem Button Hinzufügen -> Steuerungsschema. Das Steuerungsschema wird im Projektexplorer unterhalb des Simulationsknotens und unterhalb des Simulatorschemas angezeigt (siehe folgende Abbildung).
Variablentypen
In den Steuerungskomponenten werden zwei Grundklassen unterschieden:
In beiden Klassen sind darüber hinaus zwei Variablentypen vorzufinden:
Die Variablen unterscheiden sich in der Pin- und Netzdarstellung (siehe folgende Abbildung).
Die Namen der Komponentenvorlagen in der Komponentenbibliothek enthalten das Kürzel -A für algebraisch, z. B. Fixer_Wert_Eingang-A, oder -L für linear.
Algebraisch
Mithilfe der algebraischen Steuerungskomponenten können wohldefinierte (auch nichtlineare) Gleichungssysteme gebildet und berechnet werden. Diese können genutzt werden, um „vor“ oder „nach“ der Simulation eigene Berechnungen durchzuführen.
Zum Beispiel kann der Eingabeparameter Wirkungsgrad einer Komponente durch die Vorgabe der Außentemperatur in der Komponente Fixer_Wert_Eingang-A und der Kennlinie-A mit der Steuerung „vor“ der Simulation berechnet werden (siehe folgende Abbildung).
Ein weiterer Anwendungsfall der algebraischen Steuerungen ist die Modellierung eigener Ergebnisvariablen „nach“ der Simulation. Zum Beispiel können Sie mit den Steuerungen eine selbst definierte Kennzahl „nach“ der Simulation aus unterschiedlichen Ausgabedaten der Komponenten berechnen.
Linear
Im Unterschied zu den algebraischen Steuerungskomponenten dienen die linearen Steuerungen der Formulierung direkter mathematischer Zusammenhänge — auch von Ungleichungen — für die Optimierungsrechnung, die als Kern der Simulation durchgeführt wird.
Sie können in den linearen Steuerungen sowohl bestehende Entscheidungsvariablen des Optimierungsproblems, wie zum Beispiel die Leistung einer Anlage, als auch eigene Entscheidungsvariablen oder Zielfunktionsbeiträge modellieren.
In dem folgenden einfachen Beispiel wird die Entscheidungsvariable Leistung-L BHKW (thermisch) in der linearen Steuerung größer-gleich dem fixen Wert von 20 kW gesetzt.
Da die Entscheidungsvariable Leistung-L BHKW in jedem Zeitschritt größer-gleich 20 kW sein muss und alle Leistungen unter 20 kW ausgeschlossen sind, wird mit dieser Steuerung der Lösungsraum des Optimierungsproblems eingeschränkt. Die Leistung des BHKW wird in der Optimierungsrechnung während der Simulation anhand der Zielfunktion (z. B. Betriebskosten) bestimmt.
Bei Missachtung dieser Anforderung erscheint im Simulator-Fenster die Meldung: „Das soeben berechnete lineare Optimierungsproblem hat kein Optimum ergeben“ (ID 8355). Dies wäre zum Beispiel der Fall, wenn mit den programmierbaren Steuerungen die Entscheidungsvariable Leistung-L BHKW (thermisch) in der linearen Steuerung größer-gleich dem fixen Wert von 20 kW gesetzt wird, aber das BHKW nicht zu jedem Zeitpunkt der Simulation diese Leistung abgeben kann, da die produzierte Wärme vom System nicht aufgenommen werden kann bzw. kein Notkühler vorhanden ist. In diesem Fall kann die mit den Steuerungen modellierte Randbedingung nicht eingehalten werden und der Lösungsraum ist leer.
Kombination algebraischer und linearer Steuerungen
In der Modellierung werden oftmals algebraische mit linearen Steuerungen kombiniert (siehe folgende Abbildung).
Die Komponentenvorlagen zur Umwandlung der unterschiedlichen Variablentypen befinden sich im Unterordner Typumwandlung.
Im Beispiel oben ist darauf zu achten, dass die bei der Umwandlung von algebraisch zu linear übergebenen algebraischen Werte (in der Abbildung auf der linken Seite) „vor“ der Simulation zur Verfügung stehen bzw. „vor“ der Simulation direkt berechenbar sind.
Die berechneten Ergebnisse der algebraischen Steuerungskomponenten „hinter“ den linearen Steuerungen (im Beispiel auf der rechten Seite) dürfen nicht mit Eingabedaten von Komponenten gekoppelt werden.
Grund für diese Vorschriften ist die Berechnungsreihenfolge des Simulators, der die Steuerungen, wie im oben dargestellten System, von links beginnend berechnet: erst das algebraische System „vor“ dem linearen System, dann das lineare Gleichungssystem und danach das algebraische System „nach“ den linearen Steuerungen.
Kopplung mit dem Energiesystemmodell
Die Steuerungskomponenten aus dem Ordner Eingang-Ausgang verbinden das Energiesystem und die Steuerung. Um die uneingeschränkte Berechnung unterschiedlicher Parameter zu gewährleisten, sind grundsätzlich die Zahlen in allen Steuerungen einheitenlos. Die Einheiten aus den Ein- und Ausgangskomponenten werden entfernt, nachdem die zugehörigen Werte in die Standardeinheit, die auf dem Symbol der Eingans- oder Ausgangkomponente abgebildet ist, umgerechnet wurden. Die Steuerung der Komponente Leistung_Eingang-A, deren Standardeinheit kW ist, rechnet zum Beispiel für den angeschlossenen Parameter Nennleistung des BHKW von 1 MW mit dem einheitenlosen Wert 1000.
Kopplung von linearen Variablen
Auch bei den Ein- und Ausgangskomponenten wird zwischen linearen und algebraischen Variablen unterschieden.
Für die linearen Variablen gibt es vier Komponenten zur Kopplung mit dem Energiesystem. Diese sind nicht in Ein- und Ausgangskomponenten unterteilt.
Mit der Komponente Leistung-L kann auf die Leistung einer Anlage zugegriffen werden. Äquivalent kann mit der Komponente Massenstrom-L auf die Dampfmassenströme der Komponenten aus dem Ordner Dampfversorgung zugegriffen werden.
Die Komponente An_Aus-L kann auf steuerbare Anlagen verweisen und liefert eine lineare boolsche Variable, die mit 0 oder 1 die jeweilige Anlage an- oder ausschalten kann. Die Komponente Speicherfüllstand-L kann mit Speichern des Energiesystems verknüpft werden. Grundsätzlich ist das Vorzeichen der gekoppelten linearen Variablen positiv.
Kopplung von algebraischen Variablen
Im Unterschied zu den linearen Komponenten stehen für algebraische Variablen jeweils Ein- und Ausgangskomponenten für verschiedene Parameter bzw. Einheiten zur Verfügung. Mit der Komponente Leistung_Eingang-A kann zum Beispiel auf Werte mit der Einheit kW zugegriffen werden.
Mit den Eingangskomponenten (z. B. Leistung_Eingang-A) können Parameter aus dem Energiesystem in das System der Steuerungskomponenten importiert werden. Im Gegensatz dazu wird mit den algebraischen Ausgangskomponenten ein berechneter Wert aus den Steuerungen in eine Komponente des Energiesystemmodells übergeben.
Im Formular Variablen der Steuerungskomponente wählen Sie die Komponente und Verbindung Eingang, um die Ein- oder Ausgangskomponente zu verknüpfen (siehe folgende Abbildung).
Bei der Verwendung der jeweiligen Ein- und Ausgangskomponenten muss auf die Berechenbarkeit des Systems geachtet werden (siehe oben).
