Automatisierte Generierung von Energiemanagementfunktionen auf der Basis des PROFINET-Energieprofils: Von der Fakultät für Maschinenbau der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von
Creators: name: Würger, Andreas
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2020
Subjects: subject: Engineering
subject: Energieeffizienz
subject: PROFIenergy
subject: Automatische Codegenerierung
subject: Automatisierungstechnik
subject: Engineering automatisierter Anlagen
subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: Die Erhöhung der Energieeffizienz ist ein gesellschaftliches und politisches Ziel in der Bundesrepublik Deutschland und in der europäischen Union (EU). Der größte Teil des Energieverbrauchs der Bundesrepublik entfällt auf den industriellen Sektor. Die Einführung eines Energiemanagementsystems gibt Unternehmen die Möglichkeit ihren Energieverbrauch zu analysieren, Energieverschwendungen aufzudecken und die Energieeffizienz zu erhöhen. Die technischen Komponenten (Hard- und Software) eines Energiemanagementsystems werden zusammengefasst als technisches Energiemanagementsystem (tEnMS) bezeichnet. Ein tEnMS dient heute zur Messung, Speicherung, Auswertung und Darstellung von Energieverbräuchen. Allerdings existieren auch Funktionen zur Prognose und zur aktiven Beeinflussung (Lastmanagement) von Verbrauchern aus dem tEnMS heraus. Typische heute im Einsatz befindliche tEnMS bestehen aus einem überlagerten Darstellungs- und Auswertesystem und unterlagerten Messgeräten, SPS-Programmen und Kommunikationssystemen. Für das überlagerte Darstellungs- und Auswertesystem existieren am Markt zahlreiche vorgefertigte Lösungen. Als unterlagerte Systemteile eines tEnMS kommen heute häufig individuelle Eigenentwicklungen zum Einsatz, da hierfür am Markt kaum vorgefertigte Lösungen existieren, bzw. weil vorgefertigte Lösungen Defizite, wie z. B. fehlende Herstellerneutralität, aufweisen. Bei der Implementierung der unterlagerten tEnMS-Teile fällt ein hoher Engineering-Aufwand in Form von SPS-Programmierung und Konfigurationsaufwand für das Kommunikationssystem an. Dieser Engineering-Aufwand stellt für industrielle Anwender ein wesentliches Hemmnis gegen den Einsatz von tEnMS dar. Diese Arbeit hat zum Ziel den Engineering-Aufwand, der bei der Implementierung eines tEnMS anfällt, so weit wie möglich zu reduzieren. Hierzu wird ein tEnMS-Engineering-Konzept entwickelt. Teil dieses Engineering-Konzeptes ist ein Software-Werkzeug (tEnMS-Engineering-Werkzeug), welches die für das tEnMS benötigten SPS-Programme automatisch generiert. Die hierfür benötigten Informationen werden automatisch aus den Gerätebeschreibungsdateien der eingesetzten Feldgeräte und aus einem Modell des Echtzeit-Ethernet-Systems, über welches die Feldgeräte angeschlossen sind, extrahiert. Eine Bedingung für den Einsatz des tEnMS-Engineering-Konzeptes ist, dass es sich bei allen für das tEnMS relevanten Feldgeräten um PROFINET-Devices handelt, welche das PROFINET-Energieprofil unterstützen. Die für die automatische Codegenerierung, aus den Gerätebeschreibungsdateien der eingesetzten Devices und aus einem Modell des Echtzeit-Ethernet-Systems, extrahierten Informationen werden außerdem genutzt um einen OPC-UA-Aggregationsserver, zur produktionsstandortweiten Energiedatenaggregation, automatisch zu konfigurieren. Hierzu ist es notwendig über den gesamten Produktionsstandort alle für das tEnMS relevanten Informationen in einem AutomationML-Modell (energetisches Produktionsstandortmodell) abzubilden. Eine weitere Bedingung für den Einsatz des tEnMS-Engineering-Konzeptes ist, dass die SPSen für die automatisch Steuerungscode generiert wird über einen integrierten OPC-UA-Server verfügen. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten tEnMS-Engineering-Werkzeug lässt sich der Engineering-Aufwand für die Entwicklung der benötigten SPS-Programme fast vollständig eliminieren. Der verbliebene Aufwand besteht darin die automatisch generierten SPS-Programme in die SPS-Entwicklungsumgebung zu importieren, in der SPS aufzurufen und mit dem in die SPS integrierten OPC-UA-Server zu verknüpfen. Dies wird evaluiert indem automatisch durch das tEnMS-Engineering-Werkzeug generierter Steuerungscode in einem experimentellen Hardwareaufbau betrieben wird. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte energetische Produktionsstandortmodell wird analytisch evaluiert.
description: Increasing energy efficiency is a social and political goal in the Federal Republic of Germany and in the European Union (EU). The industrial sector accounts the largest part of the energy consumption in the Federal Republic of Germany. The use of an energy management system helps companies to analyse their energy consumption, detect energy waste and increase energy efficiency. The technical components (hard- and software) of an energy management system are called technical energy management system (tEnMS). Today, a tEnMS is used to measure, analyse and visualize energy consumption. But there are also functions for forecasting and actively influencing (load management) consumers via the tEnMS. Typical tEnMS in use today consist of a visualisation and evaluation system and lower-level parts like measuring devices, PLC programs and communication systems. For the visualisation and evaluation system are numerous solutions available on the market. But for the lower-level parts today, individual self-developed solutions are used, because there are only a few solutions on the market for the lower-level parts und these solutions have deficits, like a lack of manufacturer neutrality. The implementation of the lower-level tEnMS-parts causes a high engineering effort in form of PLC programming and configuration-effort for the communication system. This engineering effort is a major obstacle for industrial users against the use of tEnMS. The aim of this work is to reduce the engineering effort required for the implementation of a tEnMS as much as possible. A tEnMS engineering concept is being developed for this purpose. Part of this engineering concept is a software tool (tEnMS engineering tool) that automatically generates the PLC programs required for tEnMS. The information required for this is automatically extracted from the device description files of the used field devices and from a model of the real-time Ethernet system which is used to connect the field devices. One condition for the use of the tEnMS engineering concept is that all field devices relevant to tEnMS are PROFINET devices that support the PROFINET energy profile. The information extracted for the automatic code generation from the device description files of the used devices and from a model of the real-time Ethernet system is also used to automatically configure an OPC UA aggregation server for production site-wide energy data aggregation. For this it is necessary to map all information relevant for the tEnMS over the entire production site in an AutomationML model (energetic production site model). A further condition for the use of the tEnMS engineering concept is that the PLCs for which the control code is automatically generated have an integrated OPC UA server. With the tEnMS engineering tool developed in this work, the engineering effort for the development of the required PLC programs can be nearly completely eliminated. The remaining effort is to import the automatically generated PLC programs into the PLC engineering tool, call them inside the PLC and link them to the OPC UA server integrated in the PLC. This is evaluated by running control code, which is automatically generated by the tEnMS engineering tool, in an experimental hardware environment. The energetic production site model developed in the context of this work is analytically evaluated.