620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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In industrial production facilities, technical Energy Management Systems are used to measure, monitor and display energy consumption related information. The measurements take place at the field device level of the automation pyramid. The measured values are recorded and processed at the control level. The functionalities to monitor and display energy data are located at the MES level of the automation pyramid. So the energy data from all PLCs has to be aggregated, structured and provided for higher level systems. This contribution introduces a concept for an Energy Data Aggregation Layer, which provides the functionality described above. For the implementation of this Energy Data Aggregation Layer, a combination of AutomationML and OPC UA is used.
Betreiber von Produktionsanlagen stehen oft vor der Frage, welche Norm für die Absicherung der Anlage gegen Cyberangriffe heranzuziehen ist. Aus dem IT-Bereich ist die Normreihe ISO 27000 bekannt. Im Produktionsbereich wird häufig die Normreihe IEC 62443 herangezogen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über beide Normreihen und schlägt einen Ansatz zur gemeinsamen Nutzung beider Standards vor.
Bürstenlose Generatorsysteme mit doppelt gespeisten Kaskadenmaschinen werden zurzeit für die regenerative Energieerzeugung z. B. mit Windkraftanlagen untersucht. Sie sind eine Alternative zu Generatorsystemen mit doppelt gespeisten Induktionsmaschinen. Kaskadenmaschinen arbeiten mit zwei Drehfeldern verschiedener Polpaarzahl. Im Stator befinden sich zwei Wicklungen für die beiden Polpaarzahlen oder eine Wicklung zur gleichzeitigen Erzeugung der beiden Drehfelder mit getrennten Anschlüssen für die beiden Drehfelder. Der Rotor trägt eine in sich kurzgeschlossene Wicklung, die gleichzeitig mit beiden Drehfeldern verkettet ist und deren Strom beide Drehfelder gleichzeitig erzeugt. Der vorliegende Beitrag beschreibt wie die elektromagnetischeWirkung unsymmetrischer Rotorwicklungen für Kaskadenmaschinen mit der Drehfeldanalyse behandelt werden kann. Die Rotorwicklungen dienen dazu, gleichzeitig beide Grundfelder der Kaskadenmaschine zu erzeugen. Dazu sind sie z. T. mit Wicklungszweigen aufgebaut, die in verschiedenen Knoten zusammen geschaltet sind. Aus Sicht der Statorwicklungen sind sie unsymmetrisch aufgebaut. Unsymmetrische Rotorwicklungen treten auch in Induktions- und Synchronmaschinen auf, z. B. bei Wicklungsfehlern, Stabbrüchen oder bei unsymmetrischen Anlaufkäfigen. Mit dem hier dargestellten Rechenverfahren wird die elektromagnetische Kopplung zwischen den Wicklungszweigen und zur Statorwicklung erfasst.
Bürstenlose Generatorsysteme mit doppelt gespeisten Kaskadenmaschinen werden zzt. für die regenerative Energieerzeugung z. B. mit Windkraftanlagen untersucht. Sie sind eine Alternative zu Generatorsystemen mit doppelt gespeisten Induktionsmaschinen. Kaskadenmaschinen arbeiten mit zwei Drehfeldern verschiedener Polpaarzahl. Im Stator befinden sich zwei Wicklungen für die beiden Polpaarzahlen oder eine Wicklung zur gleichzeitigen Erzeugung der beiden Drehfelder mit getrennten Anschlüssen für die beiden Drehfelder. Der Rotor trägt eine in sich kurzgeschlossene Wicklung, die gleichzeitig mit beiden Drehfeldern verkettet ist und deren Strom beide Drehfelder gleichzeitig erzeugt. Dieser Bericht behandelt die Flussdichte- und Durchflutungsverhältnisse der Wicklungen in Stator und Rotor für Kaskadenmaschinen. Dazu werden die Durchflutungen der Statorwicklungen und der Rotorwicklung für die beiden Polpaarzahlen bestimmt und die für die Wicklungsverluste wirksame Gesamtdurchflutung für verschiedene Polzahlkombinationen ermittelt. Die Ergebnisse werden mit Induktionsmaschinen für eine Polzahl verglichen.
Techno-economic analysis that allocate costs to the energy flows of energy systems are helpful to understand the formation of costs within processes and to increase the cost efficiency. For the economic evaluation, the usefulness or quality of the energy is of great importance. In exergy-based methods, this is considered by allocating costs to the exergy instead of energy. As exergy represents the ability of performing work, it is often named the useful part of energy. In contrast, the anergy, the part of energy, which cannot perform work, is often assumed to be not useful.
However, heat flows as used e.g. in domestic heating are always a mixture of a relative small portion of exergy and a big portion of anergy. Although of lower quality, the anergy is obviously useful for these applications. The question is, whether it makes sense to differentiate between exergy and anergy and take both properties into account for the economic evaluation.
To answer this question, a new methodical concept based on the definition of an anergy-exergy cost ratio is compared to the commonly applied approaches of considering either energy or exergy as the basis for economic evaluation. These three different approaches for the economic analysis of thermal energy systems are applied to an exemplary heating system with thermal storages. It is shown that the results of the techno-economic analysis can be improved by giving anergy an economic value and that the proposed anergy-cost ratio allows a flexible adaptation of the evaluation depending on the economic constraints of a system.
The increasing variety of combinations of different building technology components offers a high potential for energy and cost savings in today's buildings. However, in most cases, this potential is not yet fully exploited due to the lack of intelligent supervisory control systems that are required to manage the complexity of the resulting overall systems. In this article, we present the implementation of a mixed-integer nonlinear model predictive control approach as a smart realtime building energy management system. The presented methodology is based on a forward-looking optimization of the overall energy costs. It takes into account energy demand forecasts and varying electricity market prices. We achieve real-time capability of the controller by applying a decomposition approach, which approximates the optimal solution of the underlying mixed-integer optimal control problem by convexification and rounding of the relaxed solution. The quality of the suboptimal solution is evaluated by comparison with the globally optimal solution obtained by the dynamic programming method. Based on a real-world scenario, we demonstrate that utilization of the real-time capable mixedinteger nonlinear model predictive control approach in a building control system leads to savings of 16% in the total operating costs and 13% in primary energy compared to the state-of-the-art control strategy without any loss of comfort for the residents.
Bürstenlose Generatorsysteme mit doppelt gespeisten Kaskadenmaschinen werden zzt. für die regenerative Energieerzeugung z. B. mit Windkraftanlagen untersucht. Sie sind eine Alternative zu Generatorsystemen mit doppelt gespeisten Induktionsmaschinen. Kaskadenmaschinen arbeiten mit zwei Drehfeldern verschiedener Polpaarzahl. Im Stator befinden sich zwei Wicklungen für die beiden Polpaarzahlen oder eine Wicklung zur gleichzeitigen Erzeugung der beiden Drehfelder mit getrennten Anschlüssen für die beiden Drehfelder. Der Rotor trägt eine in sich kurzgeschlossene Wicklung, die gleichzeitig mit beiden Drehfeldern verkettet ist und deren Strom beide Drehfelder gleichzeitig erzeugt. Dieser Bericht behandelt die sinnvollen Polpaarzahlen für Kaskadenmaschinen. Dazu werden die Polpaarzahlkombinationen hinsichtlich ihrer parasitären Effekte und Ausführungsmöglichkeiten qualitativ bewertet.
Aufgrund der klimatischen Veränderungen und steigender Energiepreise hat das nachhaltige und umweltbewusste Handeln in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Um dieses Handeln zu unterstützen, können Unternehmen Energiemanagementsysteme nach dem ISO-Standard 50001 einführen. Diese Systeme ermöglichen es u. a. Energieverbräuche in einem Energie-Monitoring visuell aufzubereiten und auf Basis der Ergebnisse Analysen durchzuführen. Aus den Ergebnissen der Analyse können Energieeffizienzmaßnahmen abgeleitet werden. Nach einer Überprüfung der energetischen Optimierung kann der Zyklus erneut beginnen, sodass eine kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz erfolgen kann. Im industriellen Umfeld bestehen jedoch noch Hindernisse in Bezug auf eine einheitliche Auswertung von Energiedaten für ein effektives Energiemanagement. Verschiedene semantische Interpretationen von Energiedaten und proprietäre Datenformate erschweren die Einrichtung und Erweiterung von Energiemanagementsystemen. Im Rahmen des IGF-Vorhabens "IoT_EnRG" wurde ein universelles Energieinformationsmodell entwickelt. Dieses Modell ermöglicht es, Energiedaten eine einheitliche Semantik zu geben, damit diese einfacher interpretierbar werden. Durch die Anwendung des Energieinformationsmodells können Energiedaten schneller und mit weniger Engineering-Aufwand in technische Energiemanagementsysteme integriert werden. Diese Integration war bisher erschwert, denn konventionelle Lösungen konnten für die Interpretation der Energiedaten aus unterschiedlichen Quellen der Feldebene verschiedene proprietäre Semantiken unterschiedlicher Kommunikationsprotokolle verwenden. Der Ansatz des universellen Energieinformationsmodells reduziert den Engineering-Aufwand technischer Energiemanagement-Systeme und unterstützt die Industrie bei der Installation von Energiemanagementsystemen für eine sparsame und klimaneutrale Produktion. Die Ergebnisse des Vorhabens wurden der Joint Working Group "Power Consumption Management" [1] übergeben, die sich das Ziel gesetzt hat, einen einheitlichen OPC UA-Standard für Energieinformationen auf Basis des entwickelten Modells in Form einer OPC UA Companion Spezifikation zu erarbeiten. Durch die Übergabe der Forschungsergebnisse in die Joint Working Group konnte eine nachhaltige Nutzung der Forschungsergebnisse sichergestellt werden, die deutlich über den Keis der Unternehmen im projektbegleitenden Ausschuss hinausgeht. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
The miniaturized Mössbauer-spectrometer (MIMOS II), originally devised by Göstar Klingelhöfer, is further developed by the Renz group at the Leibniz University Hanover in cooperation with the Hanover University of Applied Sciences and Arts. A new processing unit with a two-dimensional (2D) data acquisition was developed by M. Jahns. The advantage of this data acquisition is that no thresholds need to be set before the measurement. The energy of each photon is determined and stored with the velocity of the drive. After the measurement, the relevant area can be selected for the Mössbauer spectrum. Now we have expanded the evaluation unit with a power supply for a MIMOS drive and a MIMOS PIN detector. So we have a very compact MIMOS transmissions measurement setup. With this setup it is possible to process the signals of two detectors serially. Currently we are working on a parallel signal processing.
Mixed-integer NMPC for real-time supervisory energy management control in residential buildings
(2023)
In recent years, building energy supply and distribution systems have become more complex, with an increasing number of energy generators, stores, flows, and possible combinations of operating modes. This poses challenges for supervisory control, especially when balancing the conflicting goals of maximizing comfort while minimizing costs and emissions to contribute to global climate protection objectives. Mixed-integer nonlinear model predictive control is a promising approach for intelligent real-time control that is able to properly address the specific characteristics and restrictions of building energy systems. We present a strategy that utilizes a decomposition approach, combining partial outer convexification with the Switch-Cost Aware Rounding procedure to handle switching behavior and operating time constraints of building components in real-time. The efficacy is demonstrated through practical applications in a single-family home with a combined heat and power unit and in a multi-family apartment complex with 18 residential units. Simulation studies show high correspondence to globally optimal solutions with significant cost savings potential of around 19%.