Systemanalyse

Das zu analysierende System wird in ein begrenztes, reduziertes, abstrahiertes Abbild der Wirklichkeit, das Modell, überführt.

Mit Hilfe dieses Modells werden Aussagen über vergangene und zukünftige Entwicklungen und das Verhalten des Systems unter bestimmten Randbedingungen gewonnen.

Wozu nutzen wir Systemanalysen für unsere Kunden?

Um der Forderung nach sehr hohen Produkterneuerungsraten unter einem hohen Kosten- und Zeitdruck in der Vorbereitung und Fertigung neuer Erzeugnisse gerecht zu werden, setzen weltweit führende Unternehmen in zunehmendem Maße moderne Produktentwicklungsphilosopien wie Simulation Based Design (SBD) ein, die auf sogenannten virtuellen Technologien (VR – Virtual Reality) beruhen.

Von einem im Entwicklungsstadium befindlichen Produkt wird zunächst ein digitales Modell, ein virtueller Prototyp, erstellt, der die Struktureigenschaften und das Verhalten des zukünftigen Erzeugnisses weitgehend real widerspiegelt und mit dem dann sehr effektiv u.a. funktionale Analysen und Simulationen des kinematischen und dynamischen Verhaltens durchgeführt werden können.

Durch die Anwendung von SBD-Strategien in enger Verbindung mit neuartigen produktionsorganisatorischen Konzepten wie dem Concurrent Engineering oder dem Integrated Product and Process Design (IPPD) kann das Verhalten des Produkts und der Ablauf aller das Produkt betreffenden Prozesse simuliert werden. Durch Einführung derartigen Know-hows werden unsere Kunden in die Lage versetzt, konkurrenzfähige Produkte mit einem hohen Kundennutzen sowie maximaler Betriebssicherheit anzubieten.

Die digitalen Modelle der Teilsysteme Motor, Antriebswelle, Propeller und wurden zu einem Modell der gesamten Schiffsantriebsanlage zusammengefügt, wobei die Kopplung derart erfolgt, dass Ausgangsgrößen eines Teilsystems zu Eingangsgrößen anderer Teilsysteme werden. Die Kopplungen zwischen den einzelnen Teilsystemen bilden die zwischen ihnen bestehenden Wechselwirkungen nach.

Mit der Auswahl der Teilsysteme, der Festlegung der Kopplungen und Abhängigkeiten liegt das Gesamtmodell fest. Mit der entwickelten virtuellen Antriebsanlage können Varianten zu folgenden instationären Änderungen der Belastung der Antriebsanlage simuliert werden:

• Anlassen
• Umsteuern
• Stoppen

Dabei können wesentliche Einflußparameter analysiert und systematisch variiert werden. Die Auswertung der Simulationsrechnungen und Parametervariationen erfolgt im Vergleich zu vorliegenden Meßergebnissen und kann zur Optimierung der Gesamtanlage, der Teilsysteme bzw. der Steuer- und Regeleinrichtungen verwendet werden.

Das Systemverhalten einer WEA wird durch komplexe Wechselwirkungen unterschiedlicher physikalischer und technischer Prozesse bestimmt, wobei die Haupterregung durch den räumlich und zeitlich statistisch verteilten Wind erfolgt, der gleichzeitig auf die Rotorblätter, die Gondel und den Turm wirkt. Die Belastung der Rotorblätter wird dabei durch die lokale Ausrichtung des Windes zu definierten Blattabschnitten bestimmt. Die Nachführung der gesamten Gondel zum Wind (Azimuthwinkel), die Anstellung der Rotorblätter zur Nabe (Pitchwinkel), die Drehzahl des Rotors sowie die elastischen und Trägheitseigenschaften von Rotorblättern, Antriebsstrang und Turm sind die wesentlichen Einflussparameter für das dynamische Verhalten einer WEA. Die vom Rotor aus dem Wind aufgenommene Energie wird über den Antriebsstrang auf den Generator übertragen, dort in elektrische Energie gewandelt und in das Netz eingespeist. Über diesen Energiefluss wacht eine elektronische Regelung, die die WEA vor Überlastungen schützt und den Ertrag aus dem Wind maximiert.

Diese teilweise gegensätzlichen Forderungen werden durch komplexe Rechenalgorithmen basierend auf Sensorwerten in Stellsignale für die Antriebe und die Leistungselektronik umgesetzt. So hat eine Veränderung von Gondelrichtung, Pitchwinkel der Flügel oder des Moments am Generator sofort Auswirkungen auf alle Bauteile.

In dem neu entwickelten Modellansatz der MET werden diese Wechselwirkungen gleichzeitig berücksichtigt, denn eine Analyse der Anforderungen zeigt, dass mit einem homogenen Modellierungsansatz dieses komplexe Verhalten nicht adäquat modelliert werden kann, denn zu unterschiedlich sind die Anforderungen an eine moderne strömungstechnische, strukturmechanische und regelungstechnische Analyse.

Zur Lösung dieses Problems wurde das neuartige Konzept einer virtuellen Windkraftanlage erarbeitet und erfolgreich praktisch umgesetzt. Das Konzept basiert auf der parallelen Berechung des Strömungsverhaltens und der Reaktion der Struktur der WEA im Zeitbereich und der simultanen Simulation des Regelungsverhaltens im Zeitbereich. Zu jedem Zeitpunkt werden so Sensorwerte von der WEA an den Regler und Stellgrößen vom Regler an die virtuelle WEA zurückgegeben.

Mit dem durchgängigen Einsatz moderner Simulationstechniken für den gesamten Herstellungs-, Inbetriebnahme- und Nutzungsprozess des Autoklaven auf streng physikalischer Grundlage verfolgen wir das Ziel, die Betriebssicherheit von Autoklaven durch die virtuelle Beschreibung aller Teilfunktionen der Anlage in Verbindung mit der Vorwegnahme der Prozesssteuerung wesentlich zu erhöhen.

Der virtuelle Autoklav ist modular aufgebaut und ermöglicht so die Substitution von Komponenten. Die Kommunikation nach außen ist über offene Schnittstellen sichergestellt. Die Echtzeitfähigkeit des Modells und eine mit realen Autoklaven identische Nutzeroberfläche für die Visualisierung der Abläufe und Betriebszustände sowie erforderliche Eingaben garantieren ein zwar virtuelles aber doch realitätsnahes Umfeld für den Bediener.

Der Einsatz des virtuellen Autoklaven ermöglicht einerseits sachlich fundierte Investitionsentscheidungen bei potenziellen Nutzern und andererseits die Entwicklung von Anlagen, die speziell auf die konkreten Kundenbedürfnisse zugeschnitten sind.

Virtuelle Autoklaven können zur Sicherung des laufenden Betriebs einer Anlage sowie zu ihrer Verbesserung bzw. Weiterentwicklung dienen. Schulung, Weiterbildung und Gefahrentraining sowie die Qualitätssicherung der im Autoklav zu bearbeitenden Produkte sind weitere wesentliche Anwendungsgebiete für eine derartige Software.