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Entwicklung eines modularen und selbstorganisie­renden

Kommunikationsmoduls für Energiemanage­ment­systeme

Projektart:
ZIM (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand)
Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Prof. Dr. Horst Junker, Katja Moede, M. Sc. und Oliver Kuhnt, M. Sc.
Fachgruppe:
Ingenieurwissenschaften
Laufzeit:
01.12.2014 bis 31.05.2016
(Verlängerung bis 31.08.2016 beantragt)
Kooperationspartner:
condato GmbH

Die deutsche Wirtschaft wird durch stetig steigende Energiekosten zunehmend belastet.

Insbesondere im energieintensiven Mittelstand wird die Ressource "Energie" zu einem bedeutenden Kostenfaktor. Entsprechend wichtig werden künftig auch Energieeffizienzmaßnahmen sein, die zu einer Reduktion des Energieverbrauchs und somit zu einem Wettbewerbsvorteil führen können. Laut einer aktuellen Studie der KfW-Bankengruppe ergriffen im Zeitraum 2011 bis 2013 nur ca. 30% der mittelständischen Unternehmen entsprechende Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz. Noch gravierender wird die Situation bei den kleinen Unternehmen geschildert. Hier gibt es über 2 Millionen Betriebe, welche bisher keine energiesparenden Maßnahmen ergriffen haben und das, obwohl 73 Prozent der befragten Unternehmen das Thema für sehr wichtig halten.

Laut der Studie ergibt sich für die Unternehmen das größte Problem bei der Einführung von Energiesparmaßnahmen durch fehlende Informationen bezüglich des tatsächlichen Energieverbrauchs des Maschinenparks. Meist ist hier die einzige Informationsquelle die Energiekostenabrechnung des Versorgers. Dabei dienen gerade detaillierte Verbrauchsinformationen als Basis für die Einführung und Umsetzung eines erfolgreichen und effizienten Energiemanagements.

Die meisten modernen Maschinen und Anlagen verfügen heute bereits über spezielle Schnittstellen, an denen die Daten und Signale aufgenommen werden können. Bei älteren Anlagen erfolgt die Signalaufnahme oftmals noch analog. Im Anschluss daran müssen die gesammelten Daten der verschiedenen Systeme mittels sogenannter Datalogger aggregiert und an den zentralen Leitstand für Analyse und Controlling übertragen werden.

Haben die Messdaten den Leitstand erreicht, erfolgt die Auswertung und Analyse der Daten durch eine spezielle Monitoring-Software. Je nach Komplexität des Systems erfolgt hier lediglich eine Visualisierung der aktuellen Energieströme oder aber auch eine vollständige Analyse samt Handlungsempfehlungen.

Der hier erarbeitete Lösungsansatz besteht in der Entwicklung eines modularen Kommunikationsmoduls, welches flexibel an die gegeben Anforderungen der Ein- bzw. Ausgangsseite angepasst werden kann. Bisherige Systeme sind meist nur für ein spezielles Monitoring-System bzw. eine Kommunikationsmöglichkeit (W-LAN, LAN, Bluetooth, etc.) ausgelegt, wodurch eine Erweiterung nur bedingt möglich ist.

Projektumsetzung

Kommunikationsmodul - Projektaufbau
Kommunikationsmodul - Projektaufbau

In dem oben genannten Projekt wurde ein sehr innovativer Lösungsansatz erarbeitet. Für einen gängigen Einplatinencomputer (BeagleBone Black) wurde eine Zusatzplatine entwickelt - ein sogenannter HAT (Hardware Attached on Top).

Auf dem HAT wurden verschiedene drahtgebundene und funkbasierende Module verbaut und eine sehr breite Palette an Schnittstellen geschaffen. Diese Platine wird mit dem BeagleBone Black verbunden und an eine Maschine/ Anlage angeschlossen.

Jetzt können direkt an bzw. aus der Maschine/ Anlage die energierelevanten Daten wie Energieverbrauch, Auslastung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit (je nach vorhandenen Sensoren) ausgelesen und in einer Datenbank gespeichert werden. Die Kommunikation und der Datenaustausch zwischen der Maschine/ Anlage und dem HAT erfolgt durch die Übermittlung von Telegrammen, auch Datagramme genannt. Der Transfer der Daten erfolgt über zwei UART-Schnittstellen. Der BeagleBone Black ist in der Lage, insgesamt sechs UART-Schnittstellen zur Verfügung zu stellen. Die Daten, die in der Datenbank auf dem BeagleBone Black gespeichert werden, können durch eine entsprechende ODBC-Schnittstelle direkt an eine Office-Anwendung übertragen und dort im Anschluss direkt weiter verarbeitet werden. In einem produzierenden Unternehmen können mehrere dieser Geräte (BBB und HAT) an Maschinen angeschlossen werden. Diese bilden dann ein eigenes Netzwerk, welches sich selbst organisiert und den Datenaustausch untereinander automatisch steuert. Das erfolgt über die Festlegung eines Mastergeräts, auf dem sämtliche Daten aller BeagleBones und HATs gesammelt werden. Dieses Hauptgerät wird die Daten über die entwickelte Schnittstelle an das eben erwähnte Datenverarbeitungsprogramm übergeben.
Ein weiterer Bestandteil des Projektes ist eine Konfigurationsoberfläche, auf welcher verschiedene Einstellungen vorgenommen werden können. Dazu zählen bspw. das Festlegen von Master- und Slavegeräten, Datenbankabfragezyklen etc.

Weiterhin können bei Bedarf die Daten aus der Datenbank in die Oberfläche transferiert werden, um sich die gesammelten Daten grafisch darstellen zu lassen.

Projektstand

Testaufbau, Funktionstest von BeagleBone Black und HAT
Testaufbau, Funktionstest von BeagleBone Black und HAT

Die Zusatzplatine ist fertig und bereits auf ihre Funktion hin getestet worden. Aktuell werden die drahtgebundenen Schnittstellen RS 232 und 485 erkannt und Sensoren (für Temperatur und Luftfeuchtigkeit) von den Schnittstellen erfolgreich abgefragt, übertragen und gespeichert.

Die zwei in Auftrag gegebenen Zusatzplatinen und der Versuchsaufbau haben den Funktionstest erfolgreich bestanden. Die Datenaufnahme kann unter Testszenarien in Laborverhältnissen erfolgreich nachgewiesen werden.

Das oben beschriebene Projekt ist ein Forschungsprojekt und hat eine Laufzeit von 18 Monaten (Dezember 2014 bis Mai 2016), welches gemeinsam mit dem Kooperationspartner "condato GmbH" an der bbw Hochschule durchgeführt wird. Das Projekt wird unterstützt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Wir danken für die Unterstützung.

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