Projekt 11625/10

Entwicklung einer Low-Cost Funktionskontrolle für thermische Solaranlagen

Projektträger

SUNSET Energietechnik GmbH
Industriestr. 8 - 22
91325 Adelsdorf
Telefon: 09195/9494-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Nachdem im Bereich solarthermischer Anlagen Niveau und Zuverlässigkeit der Produkte und Komponenten den industriellen Standard erreicht haben, richtet sich das Augenmerk der Entwicklungsarbeit zunehmend auf die Systemoptimierung. Diese kann jedoch nur erfolgen, wenn es Kontrollmöglichkeiten der Anlagenfunktion gibt. Durch den Einsatz solcher Funktionskontrollen können nicht nur Mängel der Anlage schnell erkannt und beseitigt werden, es lässt sich u. U. auch der tatsächliche Energieertrag der Anlage erfassen. Ausgehend von einem bereits vorhandenen, selbst entwickeltem Datenloggersystem soll ein kompaktes Gerät entwickelt werden, das alle Voraussetzungen für eine Funktions- und Ertragskontrolle in solarthermischen Anlagen erfüllt. Dies sind z. B. Betriebszustandsanzeige, Kontrolle aller wichtigen Systemparameter mit Meldung bei Über- oder Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte sowie im Fehlerfall. Fehlermeldungen sind so spezifisch wie möglich zu halten, um eine möglichst einfache Überprüfung der Anlagenfunktion zu gewährleisten. Neben der Ertragsbestimmung kann ein Vergleich mit Referenzwerten erfolgen, um starke Leistungsminderungen schon im Ansatz zu erkennen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Konzept des Datenloggersystems muss auf zwei Ebenen erweitert werden: Hardware, d. h. neue Ausgabemöglichkeiten sowie Sensoranschlüsse und Software, d. h. Plausibilitätsbetrachtungen der Anlage, programmierbare Fehlermeldungen etc. Der gesamte Zeitaufwand beträgt 5-6 Monate, wobei einige Entwicklungsstufen parallel laufen.
Hardwareerweiterungen (3-4 Monate): LCD-Display mit Tastersteuerung zur Ausgabe für aktuelle und gespeicherte Werte, Fehlermeldungen und eingestellte Parameter; potentialfreier Schaltausgang z. B. zur Ansteuerung einer Solarpumpe; erweiterte Daten- und Programmspeicher sowie höhere Auflösung der A/D-Wandler.
Mehrschichtige Softwareerweiterungen (3-4 Monate): Betriebssoftware des Datenloggers selbst (neue Befehle für das Rechenprogramm zur Plausibilitätsbewertung des Anlagenzustandes sowie zur Steuerung der Statusdioden und des LCD-Displays bei Fehlermeldungen); Anpassung der Konfigurationssoftware an die neuen Möglichkeiten des Datenloggersystems; 32-Bit- Visualisierungsprogramm (WIN95/98, WIN NT/2000) für gespeicherte und Online-Daten mit Datenbank-Schnittstelle sowie neuem Treiberkonzept.


Ergebnisse und Diskussion

Alle im Antrag genannten Spezifikationen konnten realisiert werden. Dazu gehören im Einzelnen: 11 Analogkanäle mit 12 Bit A/D-Auflösung, 3 digitale Ein- und Ausgänge, ein optionaler Analogausgang (als Huckepackplatine), bis 512 kB Datenspeicher, seriell programmierbares EEPROM (128 kB) als Programmspeicher, Lithium-Batterie zur Datenpufferung (Erhaltungszeit > 1 Jahr), 2-zeiliges LC-Display mit 2 Tastern zur Steuerung. Über die Taster lassen sich Online-Werte, gespeicherte Daten (Energiewerte), Fehlerspeicher und (opt.) Regelungsparameter abrufen und ändern. Es wurde ein Tisch-/Wandgehäuse aus Aluminium entwickelt, das für beide Einsatzfälle gleichermaßen gut geeignet ist. Die Betriebsspan-nung der Analogeingänge beträgt nunmehr 12 V und reduziert den Strombedarf gegenüber der bisheri-gen Ausführung um mehr als die Hälfte, da damit auch auf den verlustträchtigen Spannungswandler (12 V à 24 V) verzichtet werden konnte.
Es wurde die Möglichkeit für Sprungbefehle sowie Vergleichsoperationen, vergleichbar mit GOTO bzw. IF- THEN - Konstruktionen von Programmierhochsprachen geschaffen. Ebenso wurden boolsche Operatoren (AND, OR, NOT etc.) implementiert. Damit sind alle Voraussetzungen für eine hochsprachenähnliche Programmierung gegeben, so dass die Umsetzung verschiedenster Kontroll- und Regelungsalgorithmen kein Problem mehr darstellt. Zusätzlich ist es jetzt möglich, mit bis zu 8 verschiedenen seriellen Geräten gleichzeitig innerhalb einer Sequenz zu kommunizieren. Damit können z. B. ein bereits vorhandener Regler und ein Wärmemengenzähler ausgelesen und deren Daten ausgewertet werden.
Die Konfigurationssoftware wurde an die neuen Möglichkeiten des Gerätes angepasst. Es können neben der Programmierung der Kontroll- und Regelungsalgorithmen die Menüstruktur des LC-Displays, die spezifischen Fehlermeldungen (Display und Statusleuchte) sowie die zu speichernden Daten eingestellt werden. Ein Teil der Parameter (für Kontrolle und Regelung) ist mit Plausibilitätsabfragen und Passwort abgesichert, um leichtfertigen oder unbefugten Zugang zu vermeiden.
Die Visualisierungssoftware ist im 3-Layer-Modus aufgebaut. Unterste Schicht bildet der Hardware-Treiber für den SUNlog. Dieser liest gespeicherte und Online-Daten aus und überträgt sie in eine Datenbank. Die Zuordnung der Werte aus SUNlog zu den Einträgen in der Datenbank geschieht über ein integriertes Konfigurationsmodul. Aus der Datenbank können die Werte in zweierlei Hinsicht abgerufen bzw. dargestellt werden. Zum einen als Online-Werte in einem frei konfigurierbaren, mit Analog- und Digitalinstrumenten versehenen (Blockschalt-)Bild, zum anderen die gespeicherten Daten als Diagramme. Dafür wurde ein umfangreiches und komplexes Grafik-Modul implementiert, das neben diversen Darstellungsmöglichkeiten (Balken, Kurven, Säulen, in 2D/3D etc) auch die Möglichkeit multipler y-Achsen bietet. Durch die Schicht-Struktur der Software ist es möglich, jeweils zwischen zwei Schichten eine Datenfernübertragung einzuschieben (Modem, Netzwerk, Internet). Somit ist auch die Möglichkeit der Fernauslesung bzw. -wartung gegeben.
Wie bereits im Zwischenbericht erwähnt, konnten entwicklungsseitig zusätzliche Features realisiert werden: ein dritter Digitaleingang und -ausgang, die Möglichkeit für einen Analogausgang (per Huckepackplatine) sowie bis zu 8 verschiedene serielle Protokolle (Geräte) innerhalb einer Konfiguration.
Der Zeitplan wurde durch unerwartete Probleme bei der Beschaffung (und Kalkulation) des LC-Displays sowie einiger innerbetrieblicher Vorgänge verzögert. Die dadurch z. T. entstandenen Mehrkosten konnten durch Einsparungen bei anderen Posten neutralisiert werden.
Die Kosten blieben im erwarteten und beantragten Rahmen; es fallen keinerlei Mehrkosten an.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

13. PV-Symposium Banz, März 99; ISH Frankfurt, März 99, 9. Symposium Therm. Solarenergie, Banz, Mai 99, div. Messen und Ausstellungen, Beiträge in Photon (4/99) und Sonnenenergie und Wärmetechnik (3/99)


Fazit

Als größtes und ernstzunehmendes Problem stellt sich die Frage nach der weiteren Förderung; nach dem aktuellen Stand der Dinge ist eine Befreiung von der Mehrwertsteuer geplant, ohne weitere Auflagen. Dies bedeutet, der bisherige Zwang für eine Funktionskontrolle, so sinnvoll sie auch sein mag, entfällt in Zukunft. Dadurch werden der vor ca. 1,5 Jahren erstellten Wirtschaftlichkeitsberechnung die Grundlagen entzogen. Wir sind derzeit dabei, weitere Einsatzfelder für die Geräte zu finden, um die notwendigen Absatzzahlen zu erreichen. Wir orientieren uns momentan in die Bereiche Energieerfassung und -management sowie Betriebsüberwachung mit Stör-(fern)-meldung für diverse Anlagentypen.