Einleitung und Motivation
Seit vielen Jahren sind umfangreiche mathematische und informationstechnische Methoden bekannt, die im Bereich der Energie- und Kältetechnik nutzbringend angewandt werden. Heute verwendet man oft Begriffe wie z. B. Digitalisierung, die keine konkreten Aussagen über die Methoden und die Ziele liefern. Im Kontext des Gesamtvorhabens bildet dieses Teilprojekt eine wichtige Brücke zu modernen Techniken, die mathematische Verfahren und informationstechnische Möglichkeiten nutzen. Diese Ansätze bzw. deren Weiterentwicklung und Anwendung sind notwendig, um die Herausforderungen der Energiewende zu meistern und um allgemeine Aufgabenstellungen besser zu lösen.
Das ist beispielsweise der Betrieb von hydraulisch verbundenen oder vernetzten Systemen sowie die Erhöhung der Betriebssicherheit durch bessere Fehlererkennung und die Minimierung der Betriebskosten. Aber auch die Netzdienlichkeit spielt eine wichtige Rolle.
Das Teilprojekt 12 beinhaltetet zwei Aufgabengebiete. Das erste Aufgabengebiet hat einen systemischen Charakter, während sich das zweite Aufgabengebiet, auf kälte- und energietechnische Komponenten konzentriert.
Aufgaben
Primär werden die technische Plattform als System und die verschiedenen Komponenten der Plattform genutzt. Es sind weiterhin Untersuchungen an Komponenten, die sich an anderen Orten befinden, geplant. Im Arbeitspaket werden unter anderem folgende Methoden zur Erreichung der oben genannten Ziele angewandt:
- numerische Simulation des thermischen Verhaltens mit physikalisch-technischen Modellen (TUCtt),
- Analyse (z. B. Soll-Ist-Vergleich) und Optimierung des Betriebs (TUCtt),
- Aufbau von entsprechenden Schnittstellen,
- modellbasierte Parameteridentifikation (ISE, TUCtt),
- Modellierung mit künstlichen neuronalen Netze (TUCtt),
- Anwendung von Regel- und KI-basierten Methoden zur Fehlererkennung (ISE).
Die Ansätze und Verfahren sollen weiterentwickelt und prototypisch erprobt werden. Danach streben die Bearbeiter eine Umsetzung an. Das können hardware- oder softwaretechnische Lösungen sein. Diese sollen in dezentralen Reglern bis hin zu Lösungen im Bereich der Leittechnik angewandt werden.
Ergebnisse zum Systembetrieb
Auf der Forschungsplattform kommen später zahlreiche Prozessgeräte zum Einsatz. Die Kommunikation zwischen diesen Prozessgeräten findet über Bussysteme statt. Die Datenverarbeitung und die Ansteuerung der Aktoren übernehmen anschließend die Mastergeräte der Monitoringtechnik sowie die Geräte mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Das Konzept (Abbildung 1) sieht weiterhin vor, dass alle relevanten Daten und Messgrößen (z. B. Temperatur, Volumenströme, Drücke) zentral durch die Monitoringtechnik (Prozessebene) erfasst werden. Diese Aufteilung ist notwendig, um die Funktionen und die Systemauslastung auf mehrere Geräte zu verteilen. In der Leitebene finden die Beobachtung, Bedienung, Fehlererkennung usw. statt. D. h., die Datenverarbeitung und das Management der gesamten Plattform sind dort verortet.
Die Planung, Montage sowie Inbetriebnahme der Monitoring- und Leittechnik sind abgeschlossen (TUCtt). Die Technik wurde im Labor aufgebaut, um den späteren Einsatz auf der Plattform vorzubereiten.
Für den Systembetrieb und das -management sind verschiedene Programme (EBSILON, TRNSYS, MATLAB) und ein übergreifender Datenaustausch erforderlich. Die verschiedenen Kommunikationsschnittstellen zwischen den Programmen und Hardwarekomponenten sind bereits implementiert und getestet. Zur Kommunikation kommt der OPC-UA-Standard (Open Platform Communications Unified Architecture) zum Einsatz. Aktuell finden Untersuchungen zur Modellierung sowie Visualisierung (Monitoring) des Plattformbetriebes statt. Der Betrieb der Plattform erfolgt als Hardware/Software-in-the-Loop (HiL/SiL). So können die Arbeiten unabhängig vom Baufortschritt der Plattform entwickelt werden.
Ergebnisse zur Untersuchung von Komponenten
Im Rahmen des Teilprojektes 12 hat das Fraunhofer ISE ein hybrides Fehlerdiagnosesystem entwickelt, das aus Expertenregeln und einer patentierten Methode besteht. Diese Methode kombiniert mehrere maschinelle Lernverfahren mit einem Feedbacksystem. Bisher wurden durch Frontend-Entwicklungen die Benutzerfreundlichkeit des Fehlerdiagnosesystems verbessert und Experimente mit Messdaten bestehender Wärme- und Kälteerzeuger durchgeführt. Darüber hinaus entwickelten die Wissenschaftler eine Methodik, um vortrainierte Modelle für die Fehlerdiagnose an TGA-Anlagen zwischen Anlagen ähnlicher Typen und Topologien zu übertragen. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden 2023 auf der CISBAT-Konferenz in Lausanne präsentiert.
Des Weiteren werden im Teilprojekt 12 Verfahren zur modellgestützten prädiktiven Regelung (MPC - Model Predictive Control) entwickelt, um komplexe kältetechnische Anlagen vorrausschauend zu steuern und regeln. Hierzu hat das Fraunhofer ISE ein Konzept erarbeitet, um Regeln für kältetechnische Anlagen aus optimierten Betriebsstrategien abzuleiten.
Veröffentlichungen
Chavan, K.; Réhault, N.; Rist, T.
Transfer learning methodology for machine learning based fault detection and diagnostics applied to building services
Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing 2600 Jg. (2023), Heft 8, S. 82038. – ISSN 1742-6596 DOI:10.1088/1742-6596/2600/8/082038
