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.
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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.
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Abb. 2
Datenfluss
Weg der Signale von der Hardware-Ebene über die Modellberechnung bis zur Visualisierung im Browser.
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Abb. 2a
Hardware-Signalkette
Hinweg über den Optokoppler-Pegelwandler, Rückweg über die Relaisplatine; Bedienfeld parallel angebunden.
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Abb. 2b
Serielles Datenformat
Aufbau der Telegramme zwischen Arduino Mega und Gateway (USB, 115200 Baud).
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Abb. 2c
Software-Komponentenkette
gateway.py (:8100) als Seriell-HTTP-Brücke, orchestrator.py (:8050) als Simulationsmotor, darunter das aktive Anlagenmodell.
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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.
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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.
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Abb. 5
Softwarearchitektur (vereinfacht)
Drei Schichten: Darstellung im Browser, Anwendung im Orchestrator, Kommunikation im Gateway.
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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.
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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.
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Abb. 5c
Kommunikationsschicht
gateway.py als Brücke zwischen serieller Hardware und HTTP: eigener Lese-/Schreib-Thread mit automatischer Wiederverbindung.
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Abb. 5d
Physik-Modell-Schicht
Einheitliche Struktur jedes Anlagenmodells: config, engine, mechanics, sensoric — angesprochen über compute_step(inputs, dt).
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Abb. 6
Übersicht der Anlagenmodelle
Mehrere Physikmodelle mit identischer Plugin-Schnittstelle; der Heiztank ist eines davon.
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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.
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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.
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Abb. 8
PT1-Sprungantwort
Heizleistung nach einem Sprung: 63,2 % nach einer Zeitkonstante, 95 % nach drei, 99,3 % nach fünf.
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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.
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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).
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Abb. 11
Zustandsvektor und Energiebilanz
Die fünf Zustandsgrößen und ihre Fortschreibung je Zeitschritt mit Energiebilanz, Massenbilanz, Druckberechnung und PT1-Heizung.
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Abb. 11a
Zustandsvektor
Wassermasse, innere Energie, Dampfmasse, Luftmasse und Heizleistung als Zustand x(k).
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Abb. 11b
Teilbilanzen
Massenbilanz des Wassers, Verdampfung und Druckberechnung nach Dalton mit den Gaskonstanten für Dampf und Luft.
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Abb. 12
Einordnung ins ISO/OSI-Modell
Wo Browser, REST, WebSocket, JSON und die serielle Verbindung im Referenzmodell liegen.
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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.
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Abb. 14a
Signalweg Hinweg
24 V auf 5 V über einen Optokoppler PC817: optische Übertragung ohne leitende Verbindung.
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Abb. 14b
Signalweg Rückweg
5 V auf 24 V über einen potentialfreien Relaiskontakt, parallel zum Taster am Bedienfeld.
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Abb. 15
Vorgehen nach VDI 2206
Jeder Entwurfsschritt auf der linken Seite wird auf gleicher Höhe rechts geprüft.
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Abb. 16
Modell, Schatten, Zwilling
Unterschieden wird allein nach dem Grad der Automatisierung des Datenflusses — diese Arbeit liegt beim Zwilling.
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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.
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Abb. 18
Systemgrenze
Was zum System gehört, was daran angrenzt und was dazwischen ausgetauscht wird.
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Testplot 1
Befüllung
Füllstandsverlauf beim Befüllen bis zur Meldung B1 bei t = 136,5 s.
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Testplot 2
Aufheizen
Berechnete Heizleistung des Modells gegen die analytische PT1-Lösung (rechts) und Wassertemperatur über 300 s (links).
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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).
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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.
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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.
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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).
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Foto
Prüfstand — Rückseite
Verdrahtung der Signalebene: Netzteile, Optokopplerbaugruppe, Relaisplatine und Signalbrücke.
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Foto
Vorprojekt — Baugruppe Druckluft
Platine der Druckluftsteuerung aus dem IHK-Projekt.
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Foto
Vorprojekt — Platine (Foto)
Aufgebaute Baugruppe aus dem IHK-Projekt vor der Bachelorarbeit.
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Schaltplan & Layout
Vorprojekt — Platinenlayout
Layout derselben Baugruppe.
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Schaltplan & Layout
Vorprojekt — Schema Druckluft
Schaltschema der Druckluftsteuerung aus dem IHK-Projekt.
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