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Abb. 1 — Systemübersicht
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. 2400 × 1362 px · Eigene Darstellung
Abb. 2 — Datenfluss
Abb. 2 — Datenfluss Weg der Signale von der Hardware-Ebene über die Modellberechnung bis zur Visualisierung im Browser. 2400 × 1583 px · Eigene Darstellung
Abb. 2a — Hardware-Signalkette
Abb. 2a — Hardware-Signalkette Hinweg über den Optokoppler-Pegelwandler, Rückweg über die Relaisplatine; Bedienfeld parallel angebunden. 2292 × 1325 px · Eigene Darstellung
Abb. 2b — Serielles Datenformat
Abb. 2b — Serielles Datenformat Aufbau der Telegramme zwischen Arduino Mega und Gateway (USB, 115200 Baud). 2400 × 800 px · Eigene Darstellung
Abb. 2c — Software-Komponentenkette
Abb. 2c — Software-Komponentenkette gateway.py (:8100) als Seriell-HTTP-Brücke, orchestrator.py (:8050) als Simulationsmotor, darunter das aktive Anlagenmodell. 2400 × 563 px · Eigene Darstellung
Abb. 3 — Signalfluss 24 V / 5 V
Abb. 3 — Signalfluss 24 V / 5 V Kanalweise Zuordnung der Steuerungsausgänge Q1–Q12 und Eingänge I1–I16 auf die 5-V-Signallogik. 2400 × 1334 px · Eigene Darstellung
Abb. 4 — Hardwareverkabelung
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. 2400 × 1353 px · Eigene Darstellung
Abb. 5 — Softwarearchitektur (vereinfacht)
Abb. 5 — Softwarearchitektur (vereinfacht) Drei Schichten: Darstellung im Browser, Anwendung im Orchestrator, Kommunikation im Gateway. 1880 × 1642 px · Eigene Darstellung
Abb. 5 — Softwarearchitektur (ausführlich)
Abb. 5 — Softwarearchitektur (ausführlich) Der Orchestrator in der Mitte: Er ruft das Modell direkt auf und spricht das Gateway über HTTP an. 2400 × 1387 px · Eigene Darstellung
Abb. 5a — Darstellungsschicht
Abb. 5a — Darstellungsschicht Browser mit Canvas-2D-Animation, Bedienpanel und Fehlerlog; Zustandsdaten kommen je Takt per WebSocket. 2400 × 503 px · Eigene Darstellung
Abb. 5b — Anwendungsschicht
Abb. 5b — Anwendungsschicht orchestrator.py: FastAPI-Server, asynchrone Simulationsschleife mit 20 Hz, Modell-Lader mit Hot-Swap zur Laufzeit. 2400 × 507 px · Eigene Darstellung
Abb. 5c — Kommunikationsschicht
Abb. 5c — Kommunikationsschicht gateway.py als Brücke zwischen serieller Hardware und HTTP: eigener Lese-/Schreib-Thread mit automatischer Wiederverbindung. 2400 × 511 px · Eigene Darstellung
Abb. 5d — Physik-Modell-Schicht
Abb. 5d — Physik-Modell-Schicht Einheitliche Struktur jedes Anlagenmodells: config, engine, mechanics, sensoric — angesprochen über compute_step(inputs, dt). 2400 × 511 px · Eigene Darstellung
Abb. 6 — Übersicht der Anlagenmodelle
Abb. 6 — Übersicht der Anlagenmodelle Mehrere Physikmodelle mit identischer Plugin-Schnittstelle; der Heiztank ist eines davon. 2400 × 1341 px · Eigene Darstellung
Abb. 7 — Laufende Simulation
Abb. 7 — Laufende Simulation Bildschirmaufnahme des Heiztanks im Betrieb: Wasserkörper, Dampfraum, Heizglied, Ventile Y1–Y4 und die Melder B1–B4. 2400 × 1392 px · Eigene Aufnahme
Abb. 7 — Heiztankmodell schematisch
Abb. 7 — Heiztankmodell schematisch Druckbehälter mit 0,5 m³, Wasser- und Dampfraum, Heizung mit PT1-Verhalten (τ = 12 s) und die Systemgrenze des Modells. 2400 × 1394 px · Eigene Darstellung
Abb. 8 — PT1-Sprungantwort
Abb. 8 — PT1-Sprungantwort Heizleistung nach einem Sprung: 63,2 % nach einer Zeitkonstante, 95 % nach drei, 99,3 % nach fünf. 2400 × 1125 px · Eigene Darstellung
Abb. 9 — Simulationsschleife
Abb. 9 — Simulationsschleife Ein Takt: Eingänge lesen, Physik rechnen (Δt = 0,05 s), Debug senden, geänderte Ausgänge zurückschreiben. 1696 × 1578 px · Eigene Darstellung
Abb. 10 — Sättigungsdruck nach Antoine
Abb. 10 — Sättigungsdruck nach Antoine Verlauf des Sättigungsdrucks über der Temperatur mit Alarmschwelle B4 (2,8 bar) und Sicherheitsventil (3,5 bar). 1729 × 1152 px · Eigene Darstellung
Abb. 11 — Zustandsvektor und Energiebilanz
Abb. 11 — Zustandsvektor und Energiebilanz Die fünf Zustandsgrößen und ihre Fortschreibung je Zeitschritt. 2400 × 1348 px · Eigene Darstellung
Abb. 11a — Zustandsvektor
Abb. 11a — Zustandsvektor Wassermasse, innere Energie, Dampfmasse, Luftmasse und Heizleistung als Zustand x(k). 2400 × 738 px · Eigene Darstellung
Abb. 11b — Teilbilanzen
Abb. 11b — Teilbilanzen Massenbilanz des Wassers, Verdampfung und Druckberechnung nach Dalton mit den Gaskonstanten für Dampf und Luft. 2400 × 511 px · Eigene Darstellung
Abb. 12 — Einordnung ins ISO/OSI-Modell
Abb. 12 — Einordnung ins ISO/OSI-Modell Wo Browser, REST, WebSocket, JSON und die serielle Verbindung im Referenzmodell liegen. 2400 × 1690 px · Eigene Darstellung
Abb. 13 — Stromlaufplan 230 V
Abb. 13 — Stromlaufplan 230 V Aufgelöste Darstellung des Prüfstands nach DIN EN 60617 mit Selbsthaltung und Not-Halt. 2400 × 1611 px · Eigene Darstellung
Abb. 14a — Signalweg Hinweg
Abb. 14a — Signalweg Hinweg 24 V auf 5 V über einen Optokoppler PC817: optische Übertragung ohne leitende Verbindung. 2400 × 1035 px · Eigene Darstellung
Abb. 14b — Signalweg Rückweg
Abb. 14b — Signalweg Rückweg 5 V auf 24 V über einen potentialfreien Relaiskontakt, parallel zum Taster am Bedienfeld. 2400 × 1026 px · Eigene Darstellung
Abb. 15 — Vorgehen nach VDI 2206
Abb. 15 — Vorgehen nach VDI 2206 Jeder Entwurfsschritt auf der linken Seite wird auf gleicher Höhe rechts geprüft. 2109 × 1658 px · Eigene Darstellung
Abb. 16 — Modell, Schatten, Zwilling
Abb. 16 — Modell, Schatten, Zwilling Unterschieden wird allein nach dem Grad der Automatisierung des Datenflusses — diese Arbeit liegt beim Zwilling. 2063 × 1387 px · Eigene Darstellung
Abb. 17 — Signalrichtung
Abb. 17 — Signalrichtung Dieselbe Leitung heißt je nach Blickrichtung Ausgang oder Eingang: Stellsignale Y1–Y4 und E1 hin, Melder B1–B4 zurück. 2063 × 1160 px · Eigene Darstellung
Abb. 18 — Systemgrenze
Abb. 18 — Systemgrenze Was zum System gehört, was daran angrenzt und was dazwischen ausgetauscht wird. 2063 × 1389 px · Eigene Darstellung
Prüfstand — Vorderseite
Prüfstand — Vorderseite Steuerung, Bedienfeld mit 12 Tastern und Meldeleuchten sowie der Bildschirm mit der laufenden Simulation. 2000 × 1125 px · Eigene Aufnahme
Prüfstand — Rückseite
Prüfstand — Rückseite Verdrahtung der Signalebene: Netzteile, Optokopplerbaugruppe, Relaisplatine und Signalbrücke. 2000 × 1125 px · Eigene Aufnahme
Vorprojekt — Baugruppe Druckluft
Vorprojekt — Baugruppe Druckluft Platine der Druckluftsteuerung aus dem IHK-Projekt. 692 × 938 px · Eigene Darstellung
Vorprojekt — Platine (Foto)
Vorprojekt — Platine (Foto) Aufgebaute Baugruppe aus dem IHK-Projekt vor der Bachelorarbeit. 632 × 1053 px · Eigene Aufnahme
Vorprojekt — Platinenlayout
Vorprojekt — Platinenlayout Layout derselben Baugruppe. 814 × 1100 px · Eigene Darstellung
Vorprojekt — Schema Druckluft
Vorprojekt — Schema Druckluft Schaltschema der Druckluftsteuerung aus dem IHK-Projekt. 1392 × 1503 px · Eigene Darstellung
Testplot 1 — Befüllung
Testplot 1 — Befüllung Füllstandsverlauf beim Zulauf über Y1 und Y2 bis zur Meldung B1. 2148 × 858 px · Versuchsprotokoll
Testplot 2 — Aufheizen
Testplot 2 — Aufheizen Gemessene Heizleistung gegen die analytische PT1-Lösung. 2140 × 878 px · Versuchsprotokoll
Testplot 3 — Druckaufbau
Testplot 3 — Druckaufbau Temperatur- und Druckverlauf bis zur Alarmschwelle B4 und danach die Entlüftung. 1303 × 1136 px · Versuchsprotokoll
Testplot 4 — Entleeren
Testplot 4 — Entleeren Ablauf über Y3 mit dem Vergleich zur rechnerisch erwarteten Dauer. 2144 × 858 px · Versuchsprotokoll
Testplot 6 — Takttreue
Testplot 6 — Takttreue Einhaltung der festen Schrittweite von 50 ms im laufenden Betrieb. 2138 × 885 px · Versuchsprotokoll
Arthur Kotsch
Arthur Kotsch Autor der Arbeit, Digital Engineering (B.Eng.). 400 × 400 px · Eigene Aufnahme