42 Abbildungen

Abbildungsverzeichnis

Jede Abbildung der Erklärung mit Beschreibung, Kapitelbezug und Download. Die Nummern stammen aus der Arbeit; sie folgen nicht der Lesereihenfolge dieser Seite.

42 von 42 Abbildungen

  • Abb. 1

    Systemübersicht

    Vier Ebenen von der Steuerung bis zur Simulation: Siemens LOGO! (24 V), Wandlerstufen, Arduino Mega als Signalbrücke, Raspberry Pi mit Gateway, Orchestrator und Physik-Modell.

    Diagramm Kap. 6 Eigene Darstellung

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  • Abb. 2

    Datenfluss

    Weg der Signale von der Hardware-Ebene über die Modellberechnung bis zur Visualisierung im Browser.

    Diagramm Kap. 6 Eigene Darstellung

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  • Abb. 2a

    Hardware-Signalkette

    Hinweg über den Optokoppler-Pegelwandler, Rückweg über die Relaisplatine; Bedienfeld parallel angebunden.

    Diagramm Teil von Abb. 2: Kap. 6 Eigene Darstellung

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  • Abb. 2b

    Serielles Datenformat

    Aufbau der Telegramme zwischen Arduino Mega und Gateway (USB, 115200 Baud).

    Diagramm Teil von Abb. 2: Kap. 6 Eigene Darstellung

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  • Abb. 2c

    Software-Komponentenkette

    gateway.py (:8100) als Seriell-HTTP-Brücke, orchestrator.py (:8050) als Simulationsmotor, darunter das aktive Anlagenmodell.

    Diagramm Teil von Abb. 2: Kap. 6 Eigene Darstellung

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  • Abb. 3

    Signalfluss 24 V / 5 V

    Kanalweise Zuordnung der Steuerungsausgänge Q1–Q12 und Eingänge I1–I16 auf die 5-V-Signallogik.

    Diagramm Ergänzende Abbildung Eigene Darstellung

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  • Abb. 4

    Hardwareverkabelung

    Netzteile, Bezugspotenziale und Verdrahtung der Signalebene: 230 V → 24 V für die Steuerung, 5 V und 12 V für Signalbrücke und Relaisspulen.

    Schaltplan & Layout Kap. 7 Eigene Darstellung

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  • Abb. 5

    Softwarearchitektur (vereinfacht)

    Drei Schichten: Darstellung im Browser, Anwendung im Orchestrator, Kommunikation im Gateway.

    Diagramm Kap. 6 Eigene Darstellung

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  • Abb. 5

    Softwarearchitektur (ausführlich)

    Der Orchestrator in der Mitte: Er ruft das Modell direkt auf und spricht das Gateway über HTTP an.

    Diagramm Teil von Abb. 5: Kap. 6 Kap. 9 Eigene Darstellung

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  • Abb. 5a

    Darstellungsschicht

    Browser mit Canvas-2D-Animation, Bedienpanel und Fehlerlog; Zustandsdaten kommen je Takt per WebSocket.

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  • Abb. 5b

    Anwendungsschicht

    orchestrator.py: FastAPI-Server, asynchrone Simulationsschleife mit 20 Hz, Modell-Lader mit Hot-Swap zur Laufzeit.

    Diagramm Kap. 9 Eigene Darstellung

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  • Abb. 5c

    Kommunikationsschicht

    gateway.py als Brücke zwischen serieller Hardware und HTTP: eigener Lese-/Schreib-Thread mit automatischer Wiederverbindung.

    Diagramm Teil von Abb. 5: Kap. 6 Kap. 9 Eigene Darstellung

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  • Abb. 5d

    Physik-Modell-Schicht

    Einheitliche Struktur jedes Anlagenmodells: config, engine, mechanics, sensoric — angesprochen über compute_step(inputs, dt).

    Diagramm Teil von Abb. 5: Kap. 6 Kap. 9 Eigene Darstellung

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  • Abb. 6

    Übersicht der Anlagenmodelle

    Mehrere Physikmodelle mit identischer Plugin-Schnittstelle; der Heiztank ist eines davon.

    Diagramm Kap. 6 Eigene Darstellung

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  • Abb. 7a

    Heiztankmodell schematisch

    Druckbehälter mit 0,5 m³, Wasser- und Dampfraum, Heizung mit PT1-Verhalten (τ = 12 s) und die Systemgrenze des Modells.

    Diagramm Kap. 8 Eigene Darstellung

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  • Abb. 7b

    Laufende Simulation

    Beschriftete Momentaufnahme des Heiztanks im Betrieb (Tank rund 84 % gefüllt, Heizbefehl E1 aktiv): Wasserkörper, Dampfraum, Heizglied, Ventile Y1–Y4 und die Melder B1–B4.

    Diagramm Kap. 8 Eigene Aufnahme

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  • Abb. 8

    PT1-Sprungantwort

    Heizleistung nach einem Sprung: 63,2 % nach einer Zeitkonstante, 95 % nach drei, 99,3 % nach fünf.

    Diagramm Kap. 8 Eigene Darstellung

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  • Abb. 9

    Simulationsschleife

    Ein Takt der 20-Hz-Schleife: Eingänge lesen, Physik rechnen (Δt = 0,05 s), Debug senden, Ausgänge vergleichen, geänderte Ausgänge schreiben, Browser per WebSocket bedienen, Restzeit abwarten.

    Diagramm Kap. 9 Eigene Darstellung

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  • Abb. 10

    Sättigungsdruck nach Antoine

    Verlauf des Sättigungsdrucks über der Temperatur mit Alarmschwelle B4 (2,8 bar) und Sicherheitsventil (3,5 bar).

    Diagramm Kap. 8 Eigene Darstellung

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  • Abb. 11

    Zustandsvektor und Energiebilanz

    Die fünf Zustandsgrößen und ihre Fortschreibung je Zeitschritt mit Energiebilanz, Massenbilanz, Druckberechnung und PT1-Heizung.

    Diagramm Kap. 8 Eigene Darstellung

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  • Abb. 11a

    Zustandsvektor

    Wassermasse, innere Energie, Dampfmasse, Luftmasse und Heizleistung als Zustand x(k).

    Diagramm Kap. 8 Eigene Darstellung

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  • Abb. 11b

    Teilbilanzen

    Massenbilanz des Wassers, Verdampfung und Druckberechnung nach Dalton mit den Gaskonstanten für Dampf und Luft.

    Diagramm Kap. 8 Eigene Darstellung

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  • Abb. 12

    Einordnung ins ISO/OSI-Modell

    Wo Browser, REST, WebSocket, JSON und die serielle Verbindung im Referenzmodell liegen.

    Diagramm Kap. 3 Eigene Darstellung

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  • Abb. 13

    Stromlaufplan 230 V

    Aufgelöste Darstellung des Prüfstands mit Selbsthaltung und Not-Halt; Schaltzeichen nach DIN EN 60617, Kennzeichnung nach DIN EN IEC 81346-2, Klemmen nach DIN EN 50005.

    Schaltplan & Layout Kap. 7 Eigene Darstellung

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  • Abb. 14a

    Signalweg Hinweg

    24 V auf 5 V über einen Optokoppler PC817: optische Übertragung ohne leitende Verbindung.

    Schaltplan & Layout Kap. 7 Eigene Darstellung

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  • Abb. 14b

    Signalweg Rückweg

    5 V auf 24 V über einen potentialfreien Relaiskontakt, parallel zum Taster am Bedienfeld.

    Schaltplan & Layout Kap. 7 Eigene Darstellung

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  • Abb. 15

    Vorgehen nach VDI 2206

    Jeder Entwurfsschritt auf der linken Seite wird auf gleicher Höhe rechts geprüft.

    Diagramm Kap. 2 Eigene Darstellung

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  • Abb. 16

    Modell, Schatten, Zwilling

    Unterschieden wird allein nach dem Grad der Automatisierung des Datenflusses — diese Arbeit liegt beim Zwilling.

    Diagramm Kap. 3 Eigene Darstellung

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  • Abb. 17

    Signalrichtung

    Dieselbe Leitung heißt je nach Blickrichtung Ausgang oder Eingang: Stellsignale Y1–Y4 und E1 hin, Melder B1–B4 zurück.

    Diagramm Kap. 4 Eigene Darstellung

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  • Abb. 18

    Systemgrenze

    Was zum System gehört, was daran angrenzt und was dazwischen ausgetauscht wird.

    Diagramm Kap. 4 Eigene Darstellung

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  • Testplot 1

    Befüllung

    Füllstandsverlauf beim Befüllen bis zur Meldung B1 bei t = 136,5 s.

    Messplot Kap. 10 Versuchsprotokoll

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  • Testplot 2

    Aufheizen

    Berechnete Heizleistung des Modells gegen die analytische PT1-Lösung (rechts) und Wassertemperatur über 300 s (links).

    Messplot Kap. 10 Versuchsprotokoll

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  • Testplot 3

    Druckaufbau

    Temperatur- und Druckverlauf bis zur Alarmschwelle B4 und danach die Entlüftung über Y4; der Kopfraumdruck schwankt sägezahnartig (Schwankungsband).

    Messplot Kap. 10 Versuchsprotokoll

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  • Testplot 4

    Entleeren

    Füllstand beim Ablauf über Y3 aus vollem Tank bis leer; B2 schaltet bei t = 69,3 s. Die erwartete Dauer von 96,1 s steht in der Testtabelle.

    Messplot Kap. 10 Versuchsprotokoll

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  • Testplot 6

    Takttreue

    Zyklusdauer der Simulationsschleife über 1200 Zyklen gegen den Soll-Takt von 50 ms, dazu die Verteilung der Zyklusdauer.

    Messplot Kap. 9 Versuchsprotokoll

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  • Foto

    Prüfstand — Vorderseite

    Steuerung, Bedienfeld mit 12 Tastern und Meldeleuchten sowie der Bildschirm mit einer laufenden Simulation (im Bild die Druckluftanlage).

    Kap. 7 Eigene Aufnahme

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  • Foto

    Prüfstand — Rückseite

    Verdrahtung der Signalebene: Netzteile, Optokopplerbaugruppe, Relaisplatine und Signalbrücke.

    Kap. 7 Eigene Aufnahme

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  • Foto

    Vorprojekt — Baugruppe Druckluft

    Platine der Druckluftsteuerung aus dem IHK-Projekt.

    Kap. 13 Eigene Darstellung

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  • Foto

    Vorprojekt — Platine (Foto)

    Aufgebaute Baugruppe aus dem IHK-Projekt vor der Bachelorarbeit.

    Kap. 1 Eigene Aufnahme

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  • Schaltplan & Layout

    Vorprojekt — Platinenlayout

    Layout derselben Baugruppe.

    Kap. 13 Eigene Darstellung

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  • Schaltplan & Layout

    Vorprojekt — Schema Druckluft

    Schaltschema der Druckluftsteuerung aus dem IHK-Projekt.

    Kap. 13 Eigene Darstellung

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  • Foto

    Arthur Kotsch

    Autor der Arbeit, Digital Engineering (B.Eng.).

    Ergänzende Abbildung Eigene Aufnahme

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