Handlungsempfehlung

Handlungsempfehlung – Modellierung von Steuerungskonzepten in ++Systems Control

<img src="SystemsControl_HE_00_Titelicon.png" alt="Titelsymbol" width="120">

Inhalt

• <a href="#inhalt">1 Inhalt</a>
• <a href="#motivation">2 Motivation</a>
• <a href="#beispiel">3 Beispiel: gesteuertes Speicherbauwerk mit vier Betriebsmodi</a>
  • <a href="#vorliegendes-steuerungskonzept">3.1 Vorliegendes Steuerungskonzept</a>
  • <a href="#empfohlene-vorgehensweise">3.2 Empfohlene Vorgehensweise</a>
    • <a href="#schritt1">3.2.1 Definition der Variablenwerte für die vorliegenden Betriebsmodi</a>
    • <a href="#schritt2">3.2.2 Definition der Schwellenwerte für den Wasserstand in Abhängigkeit der Abfolge der Betriebszustände (Füll- oder Entleerungsphase des Bauwerks)</a>
    • <a href="#schritt3">3.2.3 Definition der Übergänge zwischen den Betriebsmodi mit Hilfe der Kombination von Schritt 1 und 2</a>
    • <a href="#schritt4">3.2.4 Definition des Stellwertes der vorliegenden Stellgröße in Abhängigkeit vom Betriebsmodus</a>
    • <a href="#schritt5">3.2.5 Fertige Steuerungsvariante</a>

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, haben wir es uns zur Aufgabe gemacht, eine entsprechende Handlungsempfehlung zu entwickeln.

• 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 Hardware-näheren Ebene umgesetzt sind, die für die Simulation des gesteuerten Netzes nicht betrachtet werden muss.
• Reale Steuerungskonzepte sind in der Regel in verschiedene Betriebsmodi unterteilt, welche 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 (z. B. eines Regenereignisses), wird in ++SYSTEMS CONTROL am besten mittels einer Variable abgebildet, die durch unterschiedliche Werte den jeweiligen Betriebsmodus (z. B. Trockenwetter, Einstau 1, Einstau 2, Einstau 3) des Bauwerks 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 also aus zwei Teilen zusammen: 1) aus dem momentanen Betriebsmodus und 2) aus dem Vergleich einer Messgröße (hier beispielhaft einer Wasserstandsmessung) mit entsprechenden Schwellenwerten. Durch dieses Vorgehen des Mitbetrachtens des momentanen Zustandes, wird implizit berücksichtigt, ob sich das Bauwerk in der Füll- oder der Entleerungsphase befindet, expliziten Wasserstands-„Tendenzen“ sind nicht nötig.
• Um Schwingungen in einem gesteuerten Speicherbauwerk zu vermeiden, sehen viele Steuerungskonzepte eine Hysterese vor. Diese wird erreicht indem unterschiedliche Schwellenwerte für das Umschalten zwischen den einzelnen Betriebsmodi (z. B. Füllen und Entleeren) verwendet werden. Dadurch wird verhindert, dass die Steuerung wiederholt zwischen zwei Zuständen hin- und herspringt. Dies trifft für das in der Realität abgebildete Steuerverhalten zu und muss auch in einer hydraulischen Simulation entsprechend enthalten sein.
• Wird eine Hysterese betrachtet, sind i. d. R. zwei unterschiedliche Folgen von Schwellenwerten für Übergangsregeln relevant:
  • Soll der Übergang von einem „niedrigeren“ in einen „höheren“ Betriebsmodus (z. B. TW -> Einstau 1) durchgeführt werden (also während der Füllphase des Bauwerks), wird mit dem entsprechenden Schwellenwert des „aufsteigenden Astes“ der Hysterese verglichen und der gemessene Wert muss größer oder gleich dem Schwellenwert sein.
  • Soll der Übergang von einem „höheren“ in einen „niedrigeren“ Betriebsmodus (z. B. Einstau 3 -> Einstau 2) durchgeführt werden (also während der Entleerung des Bauwerks), wird mit dem entsprechenden Schwellenwert des „absteigenden Astes“ der Hysterese verglichen und der gemessene Wert muss 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 (= Variablenwert) eine Regel für das Setzen des Stellwertes für das hydraulische Schaltelement (hier Schieber) definiert werden: das gesteuerte System kann in ++SYSTEMS CONTROL simuliert werden.

Beispiel: gesteuertes Speicherbauwerk mit vier Betriebsmodi

Vorliegendes Steuerungskonzept

• Speicherbauwerk mit unterschiedlichen Schieberstellungen bei verschiedenen Betriebsmodi (Trockenwetter, Einstau 1, Einstau 2 oder Einstau 3)
• Je höher der gemessene Füllstand des Knotens A, 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 Betriebsmodus bei steigendem Wasserstand	Umschaltung Betriebsmodus bei fallendem Wasserstand	Schieberstellung Betriebsmodus
0	Trockenwetter		0,3m	0,27m
1	Einstau 1	0,45m	1,0m	0,23m
2	Einstau 2	1,5m	2,5m	0,19m
3	Einstau 3	3m		0,08m

<img src="SystemsControl_HE_01_Diagramm_Wasserstand_Schieberstellung.png" alt="Diagramm: Wasserstand und Schieberstellung" width="650">

Empfohlene Vorgehensweise

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

Definition der Variablenwerte für die vorliegenden Betriebsmodi

• Definition von Variablenwerten für alle Betriebsmodi des Bauwerks

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

• Erzeugung einer Variable für die Betriebsmodi mit dem Startwert (Initialwert) 0 für Trockenwetter im Bereich „Sensoren“ des Dialogs der Steuerungsvariante in ++SYSTEMS CONTROL

<img src="SystemsControl_HE_02_Sensoren_Variable_Betriebsmodus_a.png" alt="Sensoren – Variable Betriebsmodus" width="500"> <img src="SystemsControl_HE_03_Sensoren_Variable_Betriebsmodus_b.png" alt="Sensoren – Variable Betriebsmodus, Dialog" width="180">

• Definition von Zuständen (Abfragen) für in der Simulation momentan vorliegende Betriebsmodi

<img src="SystemsControl_HE_04_Zustand_Betriebsmodus_a.png" alt="Zustand Betriebsmodus a" width="500">

<img src="SystemsControl_HE_05_Zustand_Betriebsmodus_b.png" alt="Zustand Betriebsmodus b" width="500">

<img src="SystemsControl_HE_06_Zustand_Betriebsmodus_c.png" alt="Zustand Betriebsmodus c" width="500">

<img src="SystemsControl_HE_07_Zustand_Betriebsmodus_d.png" alt="Zustand Betriebsmodus d" width="500">

<img src="SystemsControl_HE_08_Zwischenergebnis1.png" alt="Zwischenergebnis 1" width="700">
Zwischenergebnis 1

Definition der Schwellenwerte für den Wasserstand in Abhängigkeit der Abfolge der Betriebszustände (Füll- oder Entleerungsphase des Bauwerks)

• Erstellung eines Wasserstandsensors mit der Messgröße W: Wasserstand [m] (Knoten) am Knoten A im Bereich „Sensoren“

<img src="SystemsControl_HE_09_Wasserstandsensor_Knoten_A.png" alt="Wasserstandsensor am Knoten A" width="550">

• Festlegung der Zustände für die Wasserstandshöhen am Knoten nach folgender Tabelle im Bereich „Zustände“

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

<img src="SystemsControl_HE_10_Zustaende_Tabelle_Screenshot.png" alt="Zustände – Tabelle Screenshot" width="550">

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 verwendet werden. In der numerischen Simulation ist es nahezu unmöglich den Fall „=“ in einem Aufzeichnungszeitschritt zu treffen.

Zustände „Steigend“ – Abfrage, ob der Wasserstand bestimmte Schwellenwerte überschreitet:

<img src="SystemsControl_HE_11_Zustand_Steigend_a.png" alt="Zustand Steigend a" width="500">
<img src="SystemsControl_HE_12_Zustand_Steigend_b.png" alt="Zustand Steigend b" width="500">
<img src="SystemsControl_HE_13_Zustand_Steigend_c.png" alt="Zustand Steigend c" width="500">

Zustände „Fallend“ – Abfrage, ob der Wasserstand bestimmte Schwellenwerte unterschreitet:

<img src="SystemsControl_HE_14_Zustand_Fallend_a.png" alt="Zustand Fallend a" width="500">
<img src="SystemsControl_HE_15_Zustand_Fallend_b.png" alt="Zustand Fallend b" width="500">
<img src="SystemsControl_HE_16_Zustand_Fallend_c.png" alt="Zustand Fallend c" width="500">

<img src="SystemsControl_HE_17_Zwischenergebnis2.png" alt="Zwischenergebnis 2" width="700">
Zwischenergebnis 2

Definition der Übergänge zwischen den Betriebsmodi mit Hilfe der Kombination von Schritt 1 und 2

• Übergangsregel im Bereich „Regeln“ definieren

Beispiel-Regel: Änderung Betriebsmodus von Trockenwetter in Einstau 1

Ausgangslage: Betriebsmodus = Trockenwetter (0) liegt vor

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

<img src="SystemsControl_HE_18_Regel_TW_zu_Einstau1.png" alt="Regel: Trockenwetter zu Einstau 1" width="600">

Beispiel-Regel: Änderung Betriebsmodus von Einstau 1 in Einstau 2

Ausgangslage: Betriebsmodus = Einstau 1 (1) liegt vor

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

<img src="SystemsControl_HE_19_Regel_Einstau1_zu_Einstau2.png" alt="Regel: Einstau 1 zu Einstau 2" width="600">

Regeln für die Übergänge zwischen Betriebsmodi „steigend“ (-> Niederschlag fällt, Kanal wird gefüllt)

<img src="SystemsControl_HE_18_Regel_TW_zu_Einstau1.png" alt="Regel: Trockenwetter zu Einstau 1" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_19_Regel_Einstau1_zu_Einstau2.png" alt="Regel: Einstau 1 zu Einstau 2" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_20_Regeln_Steigend_Uebersicht.png" alt="Regeln steigend – Übersicht" width="600">

Regeln für die Übergänge zwischen Betriebsmodi „fallend“ (-> Speicherbauwerk wird entleert, kein Niederschlag)

<img src="SystemsControl_HE_21_Regeln_Fallend_a.png" alt="Regeln fallend a" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_22_Regeln_Fallend_b.png" alt="Regeln fallend b" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_23_Regeln_Fallend_c.png" alt="Regeln fallend c" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_24_Regeln_Fallend_d.png" alt="Regeln fallend d" width="600">

<img src="SystemsControl_HE_25_Zwischenergebnis3.png" alt="Zwischenergebnis 3" width="700">
Zwischenergebnis 3

Definition des Stellwertes der vorliegenden Stellgröße in Abhängigkeit vom Betriebsmodus

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

• Definition Stellgröße -> Schieber am Sonderbauwerk im Bereich „Stellgrößen“

<img src="SystemsControl_HE_26_Definition_Stellgroesse_Schieber.png" alt="Definition Stellgröße Schieber" width="450">

• Festlegung der Schieberstellungen für die definierten Betriebsmodi

Beispiel-Regel: Schieberstellung bei Trockenwetter

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

<img src="SystemsControl_HE_27_Regel_Schieberstellung_Trockenwetter.png" alt="Regel Schieberstellung Trockenwetter" width="600">

Regel – Schieberstellung ↔ Betriebsmodi

<img src="SystemsControl_HE_28_Regel_Schieberstellung_Betriebsmodus0.png" alt="Regel Schieberstellung Betriebsmodus 0" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_29_Regel_Schieberstellung_Betriebsmodus1.png" alt="Regel Schieberstellung Betriebsmodus 1" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_30_Regel_Schieberstellung_Betriebsmodus2.png" alt="Regel Schieberstellung Betriebsmodus 2" width="600">
<img src="SystemsControl_HE_31_Regel_Schieberstellung_Betriebsmodus3.png" alt="Regel Schieberstellung Betriebsmodus 3" width="600">

Fertige Steuerungsvariante

<img src="SystemsControl_HE_32_Fertige_Steuerungsvariante.png" alt="Fertige Steuerungsvariante" width="800">