Effizienzsteigerung bei Auslegung und Inbetriebnahme mechatronischer Systeme durch Verwendung modellbasierter Entwicklungsmethoden auf Basis offener Standards

Die Time-to-Market eines neuen mechatronischen Systems hat einen entscheidenden Einfluss auf den wirtschaftlichen Erfolg des Produktes. Eine Reduzierung der Time-to-Market muss daher eines der Hauptziele eines Unternehmens sein. Während die Produkte durch die Entwicklung hin zu cyber-physischen Systemen im Kontext von Industrie 4.0 zunehmend komplexer werden, sind die zugrundeliegenden Produktentwicklungsprozesse noch immer unverändert. Eine Betrachtung des in der VDI Richtlinie 2206 definierten klassischen Produktentwicklungsprozesses für mechatronische Systeme zeigt einige Potentiale zur Effizienzsteigerung auf. In sämtlichen Phasen der Produktentwicklung, von der Definition der Anforderungen bis hin zum Betrieb, ist es möglich, durch eine konsequente Umsetzung eines durchgängigen, modellbasierten Engineerings Zeiteinsparungen zu erzielen. In der vorliegenden Arbeit wird vor allem die Maschinenbau- und Automatisierungsbranche betrachtet und ein modellbasierter Entwicklungsprozess vorgestellt, der eine Effizienzsteigerung hauptsächlich innerhalb der Phasen der Auslegung und der Inbetriebnahme ermöglicht. Ein durchgängiges, modellbasiertes Engineering lässt sich jedoch nicht auf Basis kommerzieller Tools umsetzen. Der Fokus liegt auf einer Lösung, die auf offenen Standards basiert und somit toolunabhängig ist. An zwei praxisrelevanten Beispielen wird dargestellt, wie die Methoden in der Industrie zu einer Verbesserung des Produktentwicklungsprozesses beitragen können. Dazu wird in einem ersten Beispiel ein Gleichlaufsystem für zwei hydraulische Achsen, ein Standardfall in der hydraulischen Antriebstechnik, modellbasiert entwickelt. Abschließend wird die modellbasierte Entwicklungsmethodik an einem zweiten Beispiel, einer komplexen Flaschenabfüllanlage, gezeigt. An diesem Beispiel wird verdeutlicht, wie sich die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Bausteine auf Basis offener Standards ebenfalls in kommerzielle Softwaretools integrieren lassen

Wirtschaftliche Optimierung der Steinbuttmast in geschlossenen Kreislaufanlagen: Entwicklung eines Planungs- und Entscheidungsmodells

Angesichts zunehmender Überfischung und steigender Nachfrage nach Fisch wächst das Interesse an der Fischproduktion in Aquakulturen. Neben Ansprüchen an die Qualität von Lebensmitteln werden zunehmend auch ökologische und sonstige Anforderungen an deren Erzeugung gestellt. Geschlossene Kreislaufanlagen repräsentieren einen besonderen Typ von Aquakulturanlagen, die äußerst emissionsarm arbeiten und eine nahezu vollkommen kontrollierbare Haltungsumgebung versprechen. Gleichzeitig ist deren operativer Betrieb sehr komplex und erfordert ein hohes Maß an Knowhow, Kontrolle sowie Kapital. Die vorliegende Arbeit behandelt die wirtschaftliche Optimierung von operativen Fischmastprozessen in kommerziell betriebenen Aquakulturanlagen am Beispiel einer geschlossenen Kreislaufanlage für Steinbutt. Steinbutt gilt als hochpreisiger Edelfisch, der bisher kaum züchterisch bearbeitet ist und damit eine besondere Herausforderung für das operative Prozessmanagement darstellt. Aktuell reagieren die operativen Prozesse der Steinbuttmast kaum auf wirtschaftliche, technische oder biologische Rahmenbedingungen: Infolge der Wachstumsheterogenität des Steinbutts nimmt der Anteil langsamwüchsiger Tiere stetig zu und Produktionsfaktoren (Mastplatz, Futter etc.) werden zunehmend von unprofitablen Prozessen beansprucht. Damit nehmen die durchschnittliche Wachstumsleistung des Fischbesatzes insgesamt sowie die Wirtschaftlichkeit des ganzen Betriebs ab (Kapitel 1 und 2). Zur wirtschaftlichen Optimierung ist zunächst ein lineares Modell der operativen Fischmastprozesse (Einsetzen von Setzlingen, Wachstum der Fische, Selektieren von Schlechtwüchsigen, Zuteilen von Fischkohorten auf passende Becken, Verkaufen von Schlachtfischen etc.) und der Produktionsbedingungen (biologische Wachstumsleistung, technische Anlagenkapazität, wirtschaftlichen Umweltbedingungen) entwickelt worden. Als Lösungsmethode kam gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung zum Einsatz (Kapitel 3 und 4). Eine Reihe von Szenariorechnungen, in denen Selektionsanteil, Schlacht-, Futter- und Setzlingspreise sowie Kontraktspezifikationen variieren, stellt unter Beweis, dass die entwickelte Entscheidungshilfe plausible Planungsergebnisse erzeugt und erwartungsgemäß reagiert. Umfangreiche Szenariorechnungen und Parametrisierungsergebnisse quantifizieren die wirtschaftlichen Potentiale bzw. Risiken der Steinbuttmast und zeigen, dass die knappen Ressourcen durch Merzung schwachwüchsiger Tiere erheblich besser genutzt werden können (Kapitel 5 und 6). Damit leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zur Planungs- und Entscheidungsunterstützung von operativen Fischmastprozessen und führt aus, warum Geschäfts- und Managementmodell an die Wachstumsheterogenität der gehaltenen Spezies angepasst sein sollten.With respect to rising overfishing and a growing demand for fish, the interest in aquaculture grows. In addition to food quality standards, the fish production has to meet ecological, social, and other requirements. Recirculating aquaculture systems represent a special type of aquacultural facilities, which avoids polluting emissions and provides almost perfect production control. At the same time, their operational management is complex and requires substantial amounts of know-how, control, and capital. This study concentrates on economical optimisation of operational fish fattening processes in commercial aquaculture facility using the example of turbot production in recirculating aquaculture systems. Turbot is regarded as an upscale blue white fish, which is barely bred with economic production intent yet. For this reason turbot fattening is a special challenge for operational process management. Currently the operational turbot fattening processes are marginally responsive to economic, technical, or biological conditions. Due to the fact that the growth of turbot is very heterogeneous, the proportion of slowly growing animals becomes larger and unprofitable processes occupy scarce production factors (rearing basins, feed, etc.). Devoid of operational reactions to turbot’s growth heterogeneity, the average growth performance of the whole stock and the profitability of the complete farm decrease continuously (chapter 1 and 2). Thus, first of all a linear model of operational fish fattening processes (buying fingerlings, culling slow growing fish, allocating fish cohorts to suitable basins, selling fish for slaughter) and the production conditions (biological growth performance, technical facility capacities, economic framework requirements) was built. Mixed integer linear programming was used to solve the model (chapter 3 and 4). Varying the selection quota, the price of fish, of feed as well as of fingerlings and the specification of sales contracts – several scenario based calculations show, that the developed model generates plausible results, reacts as expected, and is generally able to support operational decisions. The results of the parameterisation calculations quantify the economic potential respectively the risk of turbot fattening and demonstrate, that the scarce resources could be better used by culling slowly growing animals in early production stages (chapter 5 and 6). This study contributes to planning and decision support of operational fish fattening processes and explicates why business and management model have to be adapted to the heterogeneous growth of the kept species

Untersuchung der Speicherfähigkeit von Fernwärmenetzen und deren Auswirkungen auf die Einsatzplanung von Wärmeerzeugern

Fernwärme ist aufgrund der verstärkten Förderung der Bundesregierung in den letzten Jahren wieder stärker in den Fokus der Energiewirtschaft gerückt. In Hinblick auf einen wirtschaftlich und energetisch effizienten Betrieb von Fernwärmesystemen ist nicht nur der Einsatz der Wärmeerzeuger mittels einer Einsatzplanung sorgfältig zu organisieren, sondern auch das Betriebsverhalten des Wärmeverteilnetzes selbst zu berücksichtigen. So führen ständig auftretende Änderungen der thermischen Last, der Vorlauftemperatur am Einspeisepunkt oder der Rücklauftemperaturen der Abnehmer zu instationären Betriebszuständen im Fernwärmenetz. Die damit verbundene zeitliche Entkopplung der zentralen Wärmeeinspeisung von der dezentralen Wärmeentnahme induziert eine Speicherung thermischer Energie in dem in den Rohrleitungen befindlichen Wasser und in den Rohren selbst. In den seltensten Fällen wird dieser Vorgang der Wärmespeicherung aktiv genutzt, er tritt vielmehr als eher unerwünschter Nebeneffekt auf. Bei Kenntnis der thermodynamischen Zusammenhänge hingegen lässt sich das Fernwärmenetz durch zielgerichtete Steuerung der Vorlauftemperatur analog einem thermischen Heißwasserspeicher als Wärmespeicher nutzen. Dies ist wiederum für die Betriebs- und Gewinnoptimierung interessant, da so weitere Speicherkapazitäten nutzbar gemacht werden können, um Lastspitzen zu verschieben und KWK-Anlagen zu betreiben ohne zusätzliche Investitionen tätigen zu müssen. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, in der die Netzspeicherleistung mit Hilfe eines thermo-hydraulischen Simulationsprogrammes bestimmt wird, wobei dynamische Effekte wie die veränderliche Vorlauftemperaturen am Einspeisepunkt oder die stark schwankenden Lastanforderungen der Abnehmer in der Berechnungsmethodik realitätsnah abgebildet werden. Für eine aktive Nutzung des Fernwärmenetzes als Wärmespeicher muss der Verlauf der Vorlauftemperatur an die jeweilig gewünschte Netzspeicherleistung angepasst werden. Dazu wird in dieser Arbeit ein vereinfachter Funktionsansatz für die Netzspeicherleistung bestimmt, der zunächst mittels Regressionsanalyse aus den Ergebnissen gezielter thermo-hydraulischer Simulationen ermittelt und anschließend so in eine Einsatzplanung integriert wird, sodass die Vorlauftemperatur als zu optimierende Variable in die Gesamtoptimierung einfließt. Anhand eines realen Anwendungsfalls werden die Möglichkeiten und Grenzen der aktiven Nutzung der Speicherfähigkeit von Fernwärmenetzen aufgezeigt. Insbesondere werden monetäre Gewinnpotentiale bei Anwendung der aktiv gesteuerten Netzspeicherung in durch KWK-Anlagen versorgten Fernwärmenetzen bei gleichzeitigem Stromhandel auf dem Spotmarkt abgeschätzt

Tourenplanung mit alternativen Lieferperioden und Teillieferungen

In dieser Arbeit wird das Vehicle-Routing-Problem mit Teillieferungen und alternativen Lieferperioden (SDVRPA) vorgestellt. Zur Lösung des Problems wird ein Branch-and-Price-Ansatz gewählt. Werden alternative Lieferperioden und Teillieferungen erlaubt, erhalten Spediteure einen größeren Planungsspielraum und können effizientere Touren planen. Bereits bei wenigen alternativen Lieferperioden sind hohe Einsparungen möglich

Betriebliche Modellierung, Auslegung und Management von dezentralen Energiesystemen

Der Anteil regenerativer und auf Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) basierender dezentraler Anlagen insbesondere zur Haus- und Siedlungsversorgung wird in den kommenden Jahren stetig ansteigen und erheblichen Einfluss auf den Betrieb bestehender – bisher zentralistisch organisierter – sowie neu aufzubauender Energiesysteme haben. Zur detaillierten Untersuchung des genannten Einflusses auf elektrische und thermische Versorgungsstrukturen wurden daher die betrieblichen Charakteristika von Komponenten dezentraler Energieversorgungsanlagen ein-schließlich Energiespeicher recherchiert. Aufbauend darauf wurde unter MATLAB/Simulink eine Modell-Bibliothek dezentraler Systemkomponenten entwickelt für • stochastisch betriebene regenerative Quellen wie Photovoltaik und Windkraftanlagen, • steuerbare Anlagen zur Strom- und Wärmeerzeugung auch in Kraft-Wärme-Kopplung (z.B.: auf Basis von Stirling-, oder Gasmotoren und Brennstoffzellen), • elektrische und thermische Speicher unterschiedlicher Technologien für den Kurz- und Langzeitbereich, • verschiedene Typen elektrischer Drehstrom-Generatoren, sowie • Umrichter zur Anbindung von Gleichstromkomponenten sowie drehzahlvariablen elektrischen Maschinen. Die jeweils anhand von Literaturdaten und Messwerten parametrierten und verifizierten Modelle erlauben Schrittweiten von einer Sekunde bis zu einigen Minuten und ermöglichen somit detaillierte Untersuchungen des betrieblichen Klemmenverhaltens der Einzelkomponenten sowie deren Interaktion innerhalb eines Versorgungs-systems auch über lange Zeiträume (Wochen oder Monate). Zur komponenten- und systemweiten Untersuchung stationärer Arbeitspunkte und dynamischer Lastwechsel eines dampfreformerbasierten PEM-Brennstoffzellen-Gesamtsystems einschließlich der Möglichkeit zu Konzep-tion, Test und Verifikation von lokalen und übergeordneten Regelkreisen wurde darüber hinaus eine dynamische Modellierung entwickelt. Die mit Hilfe von Messwerten eines entsprechenden Laborsystems parametrierten und verifizierten Modelle der Einzelkomponenten beinhalten beispielsweise • die Wasserstoffgenerierung unter Berücksichtigung der Kinetik des Dampfreformierungsprozesses, • die Konzentrationsverluste im Strömungskanal und elektro-chemischen Ausgleichsvorgänge an der Phasen-grenze einer in Kraft-Wärme-Kopplung betriebenen Brennstoffzelle, • einen Wärmetauscher und Wechselrichter zur Nutzung der bereitgestellten thermischen und elektrischen Leistung und • einen mit Erdgas und Ausnutzung des Anoden-Offgases betriebenen Reformer-Brenner. Der Betrieb dezentraler Energieversorgungssysteme erfordert ein an die jeweiligen Gegebenheiten und Begren-zungen angepasstes Management, welches sich gerade bei sehr kleinen Systemen (z.B. Hausenergieversorgung) flexibel auch an das Nutzerverhalten adaptieren muss. Das hierzu realisierte Konzept beinhaltet die Komponen-ten • Erzeugermanagement zur Vorgabe von Leistungs-Sollwerten an die dezentrale Energieversorgungsanlage, • Lastmanagement zur gezielten Freigabe von Betriebszeiten bestimmter Verbraucher für einen effizienten Betrieb des Systems und • Lastprognose zur Berücksichtigung für die Zukunft erwarteter elektrischer bzw. thermischer Lastverläufe in aktuellen Entscheidungen. Flexiblität und automatisierte Adaption des Managements an wechselnde Betriebsanforderungen werden durch Verfahren der Computational Intelligence erreicht. Mit Hilfe der im Rahmen der Arbeit entwickelten Bausteine wurden Untersuchungen unterschiedlichster dezen-traler Energieversorgungsstrukturen durchgeführt: • Unter Verwendung von an einer realen Photovoltaik-(PV)-Anlage aufgezeichneten Messwerten wurde die betriebliche PV-Modellierung inklusive optionaler 2-achsiger Modulnachführung verifiziert; diese konnte anschließend unter Nutzung von vorliegenden Messdaten aus einem Einfamilienhaus beispielhaft zur Un-tersuchung der Auslegung verschiedener Varianten einer dezentralen Haus-Elektrizitätsversorgung mit wachsendem Grad an energetischer Autarkie verwendet werden. • Das betriebliche Verhalten eines Windparks mit 72 Einzelanlagen wurde unter Nutzung des Energiemana-gements und der aggregierten Simulation einer großen Zahl von Windenergieanlagen untersucht. Außerdem wurde der Einfluss eines Schwungmassenspeichers auf die Vergleichmäßigung der von einer einzelnen Windenergieanlage an das Netz abgegebenen Leistung betrachtet. • Für die in einem Teststand vorhandenen Einzelkomponenten Brennstoffzelle und Dampfreformer konnte auf Basis des modellierten Gesamtsystems ein übergeordnetes Regelungskonzept entwickelt werden und damit u.a. die durch Rückführung des Anoden-Offgases erzielbaren Zugewinne im Systemwirkungsgrad, sowie der Einfluss des H2-Nutzungsgrades auf die Dynamik des Gesamtsystems nachgewiesen werden. • An Hand der detaillierten betrieblichen Anlagen-Modellierung wird der Einsatz der entwickelten Manage-mentmodule für den Betrieb eines KWK-Systems zur Hausenergieversorgung vorgestellt. Die hier gewon-nenen Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz eines intelligenten Managements quasi unverzichtbar für das Er-reichen von Energie- und Betriebskosteneffizienz einer solchen Anlage ist

Tourenplanung mit alternativen Lieferperioden und Teillieferungen

This book examines the Vehicle-Routing-Problem with split-deliveries and alternative delivery periods (SDVRPA). It is solved with a Branch-and-Price-Algorithm. When alternative delivery periods and split-deliveries are employed, freight forwarders get a wider scope for planning and can therefore plan more efficient routes. Even with few alternative delivery periods, which allow vehicles to be used more efficiently, substantial savings can be achieved

Ein Beitrag zur Optimierung der Betriebsweise heizungs- und raumlufttechnischer Anlagen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie ein Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm mit bekannten Optimierungsalgorithmen gekoppelt und zur theoretischen Lösung optimaler Steuer- und Regelprobleme in der Gebäudetechnik eingesetzt werden kann. Theoretische Optimallösungen erlauben im Sinne eines optimalen Vergleichsprozesses die Bewertung praktisch anderweitig umsetzbarer Steuerungs- und Regelungsmechanismen. Die im Hinblick auf ein gewähltes Gütekriterium erforderliche Notwendigkeit zur Verbesserung von vorhandenen Steuerungs- und Regelungsszenarien sowie die theoretisch maximal erreichbaren Extremwerte lassen sich leicht abschätzen

Verfahren zur automatischen Optimierung von Ventil-Hook-Ups

Pneumatische Stellventile werden heutzutage wegen ihrer hohen Stellgeschwindigkeiten und wirtschaftlichen Effizienz in der Prozessindustrie immer noch häufig eingesetzt. Für eine hohe Regelgüte der Prozesse sind zufriedenstellende Stellverhalten der Stellventile Voraussetzung. Hierfür ist die Auslegung des Ventil-Hook-Ups von zentraler Bedeutung. Das Ventil-Hook-Up beschreibt die Auswahl und die Verschaltung der pneumatischen Anbaugeräte (u. a. Stellungsregler, Booster, Druckregler und Rohrverbindungen). In der vorliegenden Arbeit wird eine modellbasierte Systemoptimierung der pneumatischen Stellventilen vorgestellt. Hierzu wird vor allem ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Stellverhalten eines Stellventils präzise simuliert. Auf dieser Basis erfolgt eine Systemoptimierung des Ventil-Hook-Ups mit den zwei heuristischen Verfahren, „Genetische Algorithmen“ und „Tabu-Suche“. Bei der Implementierung werden die beiden Verfahren problemspezifisch gestaltet und ggf. modifiziert, um die Effizienz der Optimierung zu erhöhen. Damit liegt die erzielte Lösung möglichst nahe am globalen Optimum. Im Hinblick auf die Qualität der erzielten Lösung und den dazu erforderlichen Ressourcenaufwand erweist sich die modifizierte Tabu-Suche als am besten geeignetes Verfahren. Zum Schluss wird die zusätzliche Frage behandelt, wie die Prozessströmung das Stellverhalten eines Stellventils beeinflusst und wie negative Strömungseinflüsse im Bedarfsfall verringert werden können

Prefetchingverfahren für verteilte hypermediale Lernanwendungen

Verteilte hypermediale Lernanwendungen sind Echtzeitanwendungen. Im Anwendungsablauf, insbesondere während der Navigation, sind nachladebedingte zeitliche Verzögerungen zu vermeiden. Prefetching stellt eine Möglichkeit der Reduktion zeitlicher Verzögerungen dar. Die vorgelegte Arbeit entwickelt ein speziell auf verteilte hypermediale Lernanwendungen zugeschnittenes Prefetchingkonzept. Es werden kombinatorische Optimierungsprobleme dargestellt sowie deren algorithmische Lösbarkeit untersucht. Die Probleme werden komplexitätstheoretisch eingeordnet, effiziente Lösungsverfahren dargestellt sowie die Integration der Optimierungsergebnisse in Entwurf und Betrieb einer Lernanwendung aufgezeigt

Design and evaluation of an integrated software platform for optimization of reinforced concrete structures using evolutionary algorithms

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, ein skalierbares und flexibles Softwaresystem zu entwerfen, das durch Anwendung unterschiedlicher Methoden der künstlichen Intelligenz ermöglicht, den konzeptuellen und detaillierten Entwurf von komplexen Stahlbeton-Tragwerken zu optimieren. Die Evaluierung der entwickelten Konzepte und prototypischen Software-Tools erfolgt anhand von 3D-Modellen von Stahlbeton-Hochhäusern. Ein wesentlicher Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt in der inhaltlichen Entkopplung komplexer Optimierungs-, Modellierungs- und Bewertungsverfahren von deren softwaretechnischen Implementierung. Die dadurch erreichte Anpassbarkeit sämtlicher Stufen des Optimierungsprozesses erschließt dem Anwender ein wesentlich breiteres Einsatzspektrum, als dies durch übliche, auf spezifische Problemstellungen zugeschnittene Optimierungssysteme möglich ist.The goal of this work is the design of a scalable and flexible software system which supports optimization of the conceptual and detailed design of reinforced concrete structures using methods of artificial intelligence. The evaluation of the developed concepts and prototypic software tools uses three dimensional models of high rise buildings. One of the main advantages of the developed approach is the decoupling of komplex systems for optimization, modeling and assessment from the software implementation. This allows a high degree of adaptability in all stages of the optimization process, which opens a broader application range compared to optimization systems dedicated to certain optimization problems