Handlungsempfehlung

Handlungsempfehlung

Motivation

Das Steuerungsmodul ++SYSTEMS CONTROL bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, um ein Steuerungskonzept zu erstellen. Um diese Optionen gezielt zu nutzen und dem Anwender eine klare Orientierung zu geben, wird nachfolgend ein aus der Praxis abgeleiteter Handlungsablauf beschrieben.

• In ++SYSTEMS CONTROL wird das übergeordnete Steuerungskonzept eines realen, gesteuerten Kanalnetzes abgebildet. Eine eins zu eins Übernahme der einzelnen, verbauten SPS-Steuerungen ist nicht sinnvoll und nicht nötig, da SPS-Steuerungen auf einer viel hardwarenäheren Ebene umgesetzt sind, die für die Simulation des gesteuerten Netzes nicht betrachtet werden muss.
  
• Reale Steuerungskonzepte sind in der Regel in verschiedene Betriebsmodi unterteilt, die für Nachbildung der Steuerung in der Simulation genutzt werden können. Ziel ist es daher, zunächst diese Betriebsmodi zu identifizieren und in ++SYSTEMS CONTROL zu übertragen. Dadurch werden real umgesetzte und simulierte Steuerungskonzepte direkt vergleichbar. Der Weg zu einem funktionierenden Modell in ++SYSTEMS CONTROL wird klar definiert und die erzeugte CONTROL-Steuerungsvariante wird leichter prüf- und wartbar. Anschließend werden den festgelegten Betriebsmodi die jeweiligen Stellgrößen samt zugehörigen Stellwerten zugeordnet.
  
• Die Abfolge der Betriebsmodi während eines für die Simulation betrachteten Zeitraumes - zum Beispiel eines Regenereignisses - wird in ++SYSTEMS CONTROL am besten mit einer Variablen abgebildet, die durch unterschiedliche Werte den jeweiligen Betriebsmodus beschreibt.
  
• Ist eine solche Variable eingeführt und sind die entsprechenden Betriebsmodi definiert, kann in ++SYSTEMS CONTROL ein Satz von „Wenn-Dann“-Regeln definiert werden, der abhängig vom momentanen Betriebsmodus und von relevanten Messgrößen Übergänge zwischen Betriebsmodi realisiert.
  
• Regeln für den Übergang des Systems von einem Betriebsmodus in einen anderen setzen sich aus zwei Teilen zusammen: dem momentanen Betriebsmodus und dem Vergleich einer Messgröße mit entsprechenden Schwellenwerten. Dadurch wird berücksichtigt, ob sich das Bauwerk beispielsweise in der Füll- oder Entleerungsphase befindet, auch wenn derselbe Messwert auftreten kann.
  
• Um Schwingungen in einem gesteuerten Speicherbauwerk zu vermeiden, sehen viele Steuerungskonzepte eine Hysterese vor. Dazu werden unterschiedliche Schwellenwerte für das Umschalten zwischen einzelnen Betriebsmodi verwendet. Die Steuerung wechselt dadurch zwischen zwei Zuständen hin und her, ohne dass der Realität entsprechende Zwischenverhalten zu verlieren.
  
• Wird eine Hysterese betrachtet, sind in der Regel zwei unterschiedliche Folgen von Schwellenwerten für Übergangsregeln relevant: Beim Übergang von einem „niedrigeren“ in einen „höheren“ Betriebsmodus muss der gemessene Wert größer oder gleich dem Schwellenwert sein. Beim Übergang von einem „höheren“ in einen „niedrigeren“ Betriebsmodus muss der gemessene Wert kleiner oder gleich dem Schwellenwert sein.
  
• Ist der Verlauf des Wertes, der die Betriebsmodi abbildenden Variable, durch Übergangsregeln ausreichend definiert, kann in einem letzten Schritt für jeden Betriebsmodus ein Stellwert für das hydraulische Schaltelement definiert werden.
  
  

Beispiel: gesteuertes Speicherbauwerk mit vier Betriebsmodi

Vorliegendes Steuerungskonzept

Das Beispiel betrachtet ein Speicherbauwerk mit unterschiedlichen Schieberstellungen bei verschiedenen Betriebsmodi: Trockenwetter, Einstau 1, Einstau 2 und Einstau 3.

• Je höher der gemessene Füllstand des Knotens A ist, desto weiter wird der Schieber geschlossen, damit vorhandener Speicherraum im Netz aktiviert wird.
  
• Der Schieber bewegt sich mit einer Verzögerungszeit von 1 s und einer Stellgeschwindigkeit von 1 cm/s.
  
  

Variablenwert	Betriebsmodus	Umschaltung bei steigendem Wasserstand	Umschaltung bei fallendem Wasserstand	Schieberstellung
0	Trockenwetter	-	0,3 m	0,27 m
1	Einstau 1	0,45 m	1,0 m	0,23 m
2	Einstau 2	1,5 m	2,5 m	0,19 m
3	Einstau 3	3,0 m	-	0,08 m

Empfohlene Vorgehensweise

Die Modellierung wird in vier aufeinander aufbauenden Schritten durchgeführt:

1. Definition der Variablenwerte für die vorliegenden Betriebsmodi.
   
2. Definition der Schwellenwerte für den Wasserstand in Abhängigkeit von der Abfolge der Betriebszustände - Füll- oder Entleerungsphase des Bauwerks.
   
3. Definition der Übergänge zwischen den Betriebsmodi mit Hilfe der Kombination aus Schritt 1 und Schritt 2.
   
4. Definition des Stellwertes der vorliegenden Stellgröße in Abhängigkeit vom Betriebsmodus.
   
   

Definition der Variablenwerte für die vorliegenden Betriebsmodi

Für alle Betriebsmodi des Bauwerks werden eindeutige Variablenwerte definiert:

Variablenwert	Betriebsmodus
0	Trockenwetter
1	Einstau 1
2	Einstau 2
3	Einstau 3

Im Bereich „Sensoren“ des Dialogs der Steuerungsvariante in ++SYSTEMS CONTROL wird eine Variable für die Betriebsmodi mit dem Startwert beziehungsweise Initialwert 0 für Trockenwetter erzeugt.

Anschließend werden Zustände beziehungsweise Abfragen für die in der Simulation momentan vorliegenden Betriebsmodi definiert. Dabei wird jeweils geprüft, welchen Wert die Variable „Betriebsmodus“ besitzt.

Das erste Zwischenergebnis enthält damit die Variable für den Betriebsmodus und die zugehörigen Zustandsabfragen.

Definition der Schwellenwerte für den Wasserstand in Abhängigkeit der Abfolge der Betriebszustände

Am Knoten A wird im Bereich „Sensoren“ ein Wasserstandssensor mit der Messgröße W: Wasserstand [m] (Knoten) erstellt.

Die Zustände für die Wasserstandshöhen werden entsprechend der Übergangsschwellen definiert. Für steigenden Wasserstand gelten 0,45 m, 1,5 m und 3,0 m. Für fallenden Wasserstand gelten 2,5 m, 1,0 m und 0,3 m.

Betriebsmodus	Umschaltung bei steigendem Wasserstand	Umschaltung bei fallendem Wasserstand
0	-	0,3 m
1	0,45 m	1,0 m
2	1,5 m	2,5 m
3	3,0 m	-

HINWEIS: Wenn Werte aus Kurven als Befehl für die Änderung von Stellgrößen verwendet werden sollen, muss zwingend mit den Operatoren >= für eine steigende Kurve oder <= für den fallenden Fall gearbeitet werden. In der numerischen Simulation ist es nahezu unmöglich, den Fall „=“ in einem Aufzeichnungsschritt exakt zu treffen.

Für den steigenden Wasserstand werden die Zustände so definiert, dass geprüft wird, ob der jeweilige Schwellenwert überschritten beziehungsweise erreicht ist.

Für den fallenden Wasserstand werden die Zustände entsprechend so definiert, dass geprüft wird, ob der jeweilige Schwellenwert unterschritten beziehungsweise erreicht ist.

Nach diesem Schritt liegen die Betriebsmodus-Zustände sowie die Zustände für steigende und fallende Wasserstände vor.

Definition der Übergänge zwischen den Betriebsmodi

Im Bereich „Regeln“ werden die Übergangsregeln definiert. Jede Regel kombiniert den aktuell vorliegenden Betriebsmodus mit dem passenden Wasserstandszustand und setzt anschließend den neuen Wert der Betriebsmodus-Variable.

Beispiel: Anhebung von Trockenwetter auf Einstau 1

Ausgangslage: Betriebsmodus = Trockenwetter (0).

1. Wenn der Betriebsmodus = Trockenwetter (0) vorliegt
   
2. und ein Wasserstand >= 0,45 m überschritten beziehungsweise erreicht wird,
   
3. dann wird der Betriebsmodus = Einstau 1 (1) erreicht.
   
   

Beispiel: Änderung von Einstau 1 in Einstau 2

Ausgangslage: Betriebsmodus = Einstau 1 (1).

1. Wenn der Betriebsmodus = Einstau 1 (1) vorliegt
   
2. und ein Wasserstand >= 1,5 m überschritten beziehungsweise erreicht wird,
   
3. dann wird der Betriebsmodus = Einstau 2 (2) erreicht.
   
   

Regeln für steigenden Wasserstand

Für den steigenden Ast werden die Übergänge Trockenwetter -> Einstau 1, Einstau 1 -> Einstau 2 und Einstau 2 -> Einstau 3 angelegt. Die jeweilige Umschaltung erfolgt mit den Schwellenwerten 0,45 m, 1,5 m und 3,0 m.

Regeln für fallenden Wasserstand

Für den fallenden Ast werden die Übergänge Einstau 3 -> Einstau 2, Einstau 2 -> Einstau 1 und Einstau 1 -> Trockenwetter angelegt. Die jeweilige Umschaltung erfolgt mit den Schwellenwerten 2,5 m, 1,0 m und 0,3 m.

Das dritte Zwischenergebnis enthält damit die vollständigen Übergangsregeln zwischen den vier Betriebsmodi.

Definition des Stellwertes der vorliegenden Stellgröße in Abhängigkeit vom Betriebsmodus

Den vier Betriebsmodi werden die folgenden Schieberstellungen zugeordnet:

Betriebsmodus	Zustand	Schieberstellung
0	Trockenwetter	0,27 m
1	Einstau 1	0,23 m
2	Einstau 2	0,19 m
3	Einstau 3	0,08 m

Im Bereich „Stellgrößen“ wird die Stellgröße Schieber am Sonderbauwerk definiert.

Anschließend werden für jeden definierten Betriebsmodus Regeln zur Festlegung der Schieberstellung erstellt.

Beispiel: Schieberstellung bei Trockenwetter

1. Wenn Betriebsmodus = Trockenwetter (0) vorliegt,
   
2. dann muss der Schieber auf die Stellung 0,27 m gefahren werden.
   
   

Analog werden die Regeln für Einstau 1, Einstau 2 und Einstau 3 mit den Stellwerten 0,23 m, 0,19 m und 0,08 m definiert.

Fertige Steuerungsvariante

Nach Abschluss der beschriebenen Schritte enthält die Steuerungsvariante die Sensoren beziehungsweise Variablen, die Zustände für Betriebsmodi und Wasserstände, die Übergangsregeln sowie die Regeln für die Stellgröße Schieber.