Nachhaltige Kraft- und Arbeitssysteme

Zur Auslegung technischer Systeme nutzen wir algorithmische Optimierungsverfahren um beispielsweise die Topologie, Resilienz oder Steuerung zu optimieren. Hierfür setzen wir eine Vielzahl an Methoden aus dem Bereich des Operations Research und maschinellen Lernens ein.

Insbesondere nutzen wir gemischt-ganzzahlige Optimierungsverfahren und gängige Software-Lösungen, wie beispielsweise SCIP.

Außerdem entwickeln wir eigene Heuristiken für das Auffinden globaler oder lokaler Lösungen, die sich insbesondere durch eine schnellere Lösungsgeschwindigkeit gegenüber konventionellen Implementierungen auszeichnen.

Für die Systemsynthese nutzen wir darüber hinaus Verfahren aus dem Bereich des maschinellen Lernens, wie beispielsweise Clustering-Verfahren oder Monte Carlo Ansätze, um Lastprofile und Anforderungen für die Systemauslegung aus praktischen Randbedingungen abzuleiten.

Die gesellschaftlichen Entwicklungen der Neuzeit erfordern ein Umdenken in der Entwicklung technischer Produkte und Systeme. Neben energetischer Effizienz müssen sich technische Lösungen heute durch einen geringen Umwelteinfluss auszeichnen bei gleichzeitigem Erhalt der ökonomischen Profitabilität. Diese Anforderungen stehen teilweise im Konflikt miteinander, konsequenterweise kann die optimale technische Lösung nur ein Trade-Off zwischen diesen Spannungskriterien darstellen. Mit der Methode der Mehrpolsystemanalyse liefert das Institut für Fluidsystemtechnik einen innovativen methodischen Ansatz zur optimalen Systemfindung im Spannungsdreieck der Nachhaltigkeitsbedingungen. Die Methode der Mehrpolsystemanalyse (MPSA) besteht aus den vier Schritten der (i) Systemsynthese, (ii) Systemanalyse unter Unsicherheit, (iii) stochastischen Optimierung und abschließender (iv) Sensitivitätsanalyse. Die Methode wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens an einem konzeptuellen Windenergiekonverter vorgestellt.

Zur experimentellen Validierung der angewendeten Methoden stehen verschiedene Prüfstände zur Verfügung. Einrichtungen im Groß- und Modellmaßstab dienen zur Demonstration, Kalibration und Validierung der Komponenten und Systeme. Mittels umfangreicher Messtechnik werden alle relevanten Prozessgrößen aufgenommen.

Beispiele aus unserem Anwendungsgebiet sind:

• Modularer Demonstrator für Pumpensysteme
• EuP Prüfstand für Pumpeneinheiten
• Experimentelle Bestimmung des Wirkungsgrades von Verdängerpumpen im Hydraulikpumpenprüffeld nach ISO 4409
• Experimentelle Bestimmung des Wirkungsgrades von Ventilatoren nach ISO 5801 und ISO 13348
• Experimentelle Bestimmung des Wirkungsgrades von Ventilatoren bei Variation der Mach- und Reynoldszahl in einer speziell entwickelten Druckkammer

Softsensoren, auch virtuelle Sensoren genannt, leiten eine Zielgröße anhand der Zusammenhänge zu anderen, korrelierenden Messgrößen vorhandener Sensoren ab. Sie kommen dann zur Anwendung, wenn die Umgebungsbedingungen reale Sensoren für die Zielgröße verhindern oder deren Einsatz zu teuer wäre. Auf diese Weise werden aus den Daten bestehender Sensoren weitere Informationen gewonnen und damit zusätzliches Wissen generiert.

Die redundante Erfassung derselben Prozessgrößen innerhalb eines (Soft-)Sensornetzwerks kann gezielt zur Herbeiführung und Analyse von Datenkonflikten genutzt werden. Diese dateninduzierten Konflikte, welche sich unter anderem aus Verschleiß einzelner Komponenten ergeben, dienen zur Ableitung von Modellen zur Detektion von Verschleiß.

Zu den Kernkompetenzen des Instituts zählt das analytische Modellieren eines physikalischen Prozesses. Die erstellten Modelle bilden einen physikalischen Prozess ab, der durch eine Gleichung mit analytischer Lösung lösbar ist. Das Problem wird so weit vereinfacht, dass nur noch physikalische Größen betrachtet werden, die den Prozess beeinflussen („so wenig wie möglich – so viel wie nötig“).

Weiterhin nutzen wir die Dimensionsanalyse. Mit dieser wird erreicht, ein Problem dimensionslos zu formulieren, indem alle Größen auf entsprechende charakteristische Größen des Problems bezogen werden. Die so entstehenden dimensionslosen Kennzahlen helfen bei einer kompakten „allgemeingültigen“ Darstellung der Ergebnisse.

Die gewonnenen Ergebnisse der dimensionslosen Kennzahlen gelten nicht nur für einen bestimmten Fall, sondern für alle physikalisch ähnlichen Probleme. Dies nutzen wir bei der Skalierung. Die Funktionsdaten, die am Modell (z.B. verkleinertes, vergrößertes Abbild, oder Modell mit anderem Material) gewonnen wurden, werden auf die Funktion des realen Systems übertragen.

Die Entwicklung technischer Produkte findet zunehmend in einem komplexen Umfeld mit sich schnell ändernden Anforderungen statt. Um dieser Herausforderung zu begegnen lassen sich Ansätze aus der agilen Softwareentwicklung in der Entwicklung physischer Produkte übertragen. So lassen sich durch den Bau von Prototypen wichtige Erkenntnisse in frühen Stadien der Produktentwicklung generieren. Durch den Einsatz von Hardware-in-the-Loop können Komponenten bei reduziertem Versuchsaufwand realitätsnah untersucht werden.

Unsere institutseigene Werkstatt versetzt uns in die Lage Prototypen schnell und effizient zu fertigen. Sie spielt eine wesentliche Rolle bei Aufbau und Instandhaltung unserer Versuche und Experimente.

Unsere Entwicklungen orientieren sich dabei immer am vorliegenden Problem und dessen Lösung. Wir verfolgen das Ziel den Kundennutzen zu maximieren und nicht dem technischen Selbstzweck zu dienen. Um unsere Arbeiten erleb- und erfahrbar zu machen setzen wir technische Demonstratoren ein.

Aktuell entwickeln wir im Schwerpunkt „Nachhaltige Kraft- und Arbeitssysteme“ eine innovative Regelarmatur.

Im Auslegungsprozess von Pumpensystemen müssen neben der optimalen Anzahl, Größe und den optimalen Betriebspunkten von Pumpen auch die optimale Anordnung der Pumpen zueinander (Reihen- oder Parallelschaltung) bestimmt werden.

Gemeinsam mit dem VDMA Pumpen + Systeme werden IoT-Konzepte für Verdrängerpumpen untersucht, die zur Vorbereitung eines AiF-Projekts dienen. Ziel ist die Umsetzung eines solchen Konzeptes in Form eines Demonstrators an einem vorhandenen Pumpenprüfstand unter Berücksichtigung der sich entwickelnden Standards im Kontext von Industrie 4.0. Unter anderem soll am Beispiel vorhandener Forschungsergebnisse zum Thema Softsensoren aufgezeigt werden, wie eine konkrete Umsetzung in der Industrie realisiert und verwendet werden kann. Ein besonderes Augenmerk liegt daher auf dem Transfer des erarbeiteten Wissens in die Industrie.

Im Rahmen der prototypischen Implementierung erfolgt die kommunikationstechnische Anbindung über den in IEC 62541 definierten OPC UA Standard unter Berücksichtigung der OPC UA Companion Specifications für Pumpen und Vakuumpumpen. Somit kann ein plattform- und herstellerunabhängiger Informationsaustausch gewährleistet werden.

Das Projekt ist eine industrielle Gemeinschaftsforschung (AiF Projekt) in Zusammenarbeit mit Pumpenherstellern und der BASF AG. Hierdurch wird der Praxisbezug und der Transfer in die Wirtschaft sichergestellt.

Das WIPANO-Verbundprojekt „Modellbasierte Wirkungsgradvorhersage“ umfasst die Skalierung des Wirkungsgrades von Ventilatoren ausgehend von einem physikalisch basierten Modell. Das Projekt hat das Ziel einen ISO-Normenentwurf zur Auf- und Abwertung Ventilatoren axialer, diagonaler und radialer Bauart zu entwerfen. Die Entwicklung der Skalierungsmethode soll auf der nationalen (DIN/DKE), europäischen (CEN/CENELEC) und internationalen (ISO/IEC) Ebene als Normvorschrift ISO 13348 umgesetzt werden.

Die dafür notwendigen experimentellen Untersuchungen werden am Institut für Fluidsystemtechnik durchgeführt und umfassen die Kennlinienmessungen skalierter gehäuseloser Radialräder sowie von Diagonalventilatoren, die einer Reynolds- und Machzahlvariation in einer Druckkammer ausgesetzt werden.

Für die Beurteilung der Funktionalität und Validierung der Skalierungsmethode werden Kennliniendaten weiterer industrierelevanter Ventilatoren von Industriepartner ausgewertet.

Regelarmaturen sind wichtige Bestandteile in allen verfahrenstechnischen Anlagen. Neben den Pumpen bilden sie die Stellglieder um Produktionsprozess zu steuern und zu regeln. Am Institut für Fluidsytemtechnik arbeiten wir an der Entwicklung einer neuartigen Drosselarmatur. Durch geschickte Funktionstrennung und -integration verringern wir die Komplexität für den Anwender. Der neue Armaturentyp ermöglicht eine wesentlich kompaktere Bauform und spart so Materialien ein. Neben der Produktentwicklung forschen wir an Möglichkeiten der Energieeinsparung. Durch die strömungsgünstige Gestaltung der Armatur werden niedrige Druckverlustbeiwerte in Offenstellung erreicht, diese möglichen, niedrigen Druckverluste müssen im Gesamtkontext des Systems betrachtet werden um Einsparpotentiale zu identifizieren.

Das übergeordnete Ziel des HECTOR-Projekts der ENPRO 2.0 Initiative ist die Demonstration des Energie-, Ressourcen- und Zeiteinsparpotenzials einer beschleunigten Prozessentwicklung mit Hilfe wiederverwendbarer Standardmodule für eine kontinuierliche Prozessführung. Hierzu soll ein optimaler Modulbaukasten definiert werden mit möglichst hoher Effizienz der Module bei gleichzeitig möglichst geringer Komplexität des Modulbaukastens. Der optimale Kompromiss stellt ein multikriterielles Optimierungsproblem dar, welches es zu lösen gilt. Außerdem soll die Energieeffizienz im Betrieb einer modularen Anlage gesteigert werden. Dazu werden Methoden zur Detektion von Verschleiß im Gesamtsystem entwickelt. Auf Basis vorhandener und kostengünstiger Sensoren werden Systeminformationen redundant gesammelt und sich ergebende dateninduzierte Konflikte zur Detektion von Verschleiß herangezogen.

Im Rahmen des SFB 805 forschen wir an der Resilienz technischer Systeme. Ein resilientes System behält im Fall einer Störung, wie zum Beispiel einem Komponentenausfall, eine Mindestfunktionalität bei und kann sich von der Störung erholen. Die Resilienz von technischen Systemen sowie von Infrastrukturen kann mittels Graph-theoretischen Metriken erfasst, bewertet und optimiert werden. Diese Methode baut auf der Netzwerktheorie auf, wobei das grundlegende System als mathematischer Graph abgebildet wird. Als Anwendungsbeispiele für die genutzten Methoden wurde bereits unter anderem an der resilienten Topologie-Findung für Wasserversorgungssysteme in Hochhäusern geforscht.

Darüber hinaus forschen wir im SFB805 an der Gestaltung resilienter dynamischer Systeme, welche idealerweise autonom auf Störungen durch Topologie- oder Steuerungsanpassungen reagieren.

Im Kontext der Urbanisierung ist die optimale Anpassung bestehender Infrastruktrukturen an prognostizierte zukünftige Bedarfe ein wichtiger Aspekt. In diesem Forschungsprojekt wird im Speziellen die Wasserinfrastruktur mit Hilfe der vorgestellten Methoden hinsichtlich ihrer Resilienz optimiert.