Energiehaushalt eines Hauses: Heizungsregelung HZR

Autoren: Florian Pichmann; Nils Betten
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses

Einleitung

Kommunikation und Organisation sind ein sehr wichtiger Grundpfeiler eines jeden Projektes, insbesondere wenn das Projekt und insbesondere die Entwicklung von mehr als einer Person durchgeführt wird. Damit diese Organisation gleichbleibend und wiederholbar abläuft, sind definierte Entwicklungsprozesse und -modelle erforderlich, damit ein Team mit immer gleichen, strukturierten Arbeitsabläufen reproduzierbar gute Ergebnisse abliefern kann und auch neue Mitglieder des Teams die Abläufe schnell verstehen und sich einarbeiten können. Aus diesem Grund haben wir in diesem Seminar die modellbasierte Entwicklung geübt.

Zielsetzung der Seminaraufgabe

Der Sinn dieser Aufgabe ist es, den vollständigen Ablauf des V-Modells als ein industrierelevantes Modell kennenzulernen und als Gruppe durchzuführen, um zu üben, wie man als Gruppe zusammenarbeiten und kommunizieren muss. Um dies zu üben haben wir als Kurs den Energiehaushalt eines Hauses recherchiert und danach simuliert. Um dies zu erfüllen haben wir insgesamt sechs Gruppen gebildet in denen wir einzelne Teilbereiche dieser Aufgabe bearbeitet haben.

Wir haben uns mit der Simulation der Heizungssteuerung für das Haus beschäftigt.

V-Modell

Wir haben im Rahmen dieses Projektes das V-Modell zur Organisation der Entwicklung unseres Projektes eingesetzt. Das V-Modell zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass jeder Phase in der Konzeptionierung und Implementierung des Projektes eine entsprechende Testphase gegenübersteht, was dazu führt dass nach diesem Modell entwickelte Projekte sehr gut getestet und dokumentiert werden. Die einzelnen Schritte des V-Modells umfassen:

• Anforderungsdefinition
• Funktionaler Systementwurf
• Technischer Systementwurf
• Komponentenentwurf
• Programmierung/Modellierung
• Komponententest
• Integrationstest
• Systemtest

Der Vorteil des V-Modells ist, dass man aus einer Stufe immer noch die Ergebnisse einer vorherigen Stufe korrigieren kann, falls bei der detaillierteren Umsetzung noch bessere/einfachere Wege offensichtlich werden oder aber feststellt, das zB eine bestimmte Anforderung in der Form gar nicht erfüllbar ist. Dann wird dies in den bereits fertiggestellten Dokumenten und Plänen korrigiert und per Versionsverwaltung allen zur Verfügung gestellt.

Abbildung. 2: V-Modell

Anforderungsdefinition: Lastenheft

In der Anforderungsdefinition werden alle Anforderungen des Auftraggebers bzw Stakeholders in einem Dokument in einzelnen Stichpunkten aufgeführt und sind dort bewertbar formuliert, damit es später eindeutig möglich ist durch das Lastenheft zu gehen und zu sagen, welche Anforderungen erfüllt wurden und welche nicht.

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Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf ist der logische Aufbau des Systems aus logischen Komponenten, die eine sinnvolle Trennung nach logischer Funktionalität berücksichtigt und anhand dessen eine Trennung in verschiedene Blöcke des Systems, sogenannte Module, vorgenommen wird. Falls nötig ist es auch an dieser Stelle möglich, ein Modul in weitere Untermodule zu gliedern falls eine Teilafgabe zu komplex würde und es eine weitere Ebene zur klaren Zerlegung der Aufgabe benötigt.

Der funktionale Systementwurf war im Sommersemester 2023 kein Bestandteil der Gruppenaufgabe und wurde von Prof. Dr. Göbel bereitgestellt.

Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf nimmt ein einzelnes Modul aus dem funktionalen Systementwurf, in diesem Fall die Heizungsregelung(HZR), und definiert die noch abstrakte Funktion des Moduls in einzelnen Komponenten, falls nötig auch in einer feineren Untergliederung des Moduls in mehrere Komponenten. Die einzelnen Komponenten haben am Ende des technischen Entwurfes klar definierte Ein- und Ausgabeparameter und Signale und eine klar definierte Aufgabe.

Für die HZR wurden zwei Komponenten geschaffen:

• Heizungsregelung: Diese Komponente hat die Aufgabe die aktuelle Temperatur des Hauses als Input von der Isolierungsgruppe auszulesen und daraus in einer Regelung eine Energieanforderung zu erstellen und diese an die Heizungstechnikgruppe zu geben.
• Warmwasserspeicher: Diese Komponente erhält die Temperatur des Warmwassers von der ESP Gruppe und gibt eine Energieanforderung an die Heizungstechnik weiter.

Komponentenentwurf

Der Komponentenentwurf ist die genaue Aufstellung, wie die einzelnen Komponenten eines Moduls aufgebaut und verknüpft werden sollen. Das Ergebnis ist die Komponentenspezifikation, welche angibt, welche Komponenten wo im Modul vorhanden sein müssen und wie diese mit anderen Komponenten interagieren müssen um die Aufgabe des Moduls zu erfüllen. Anhand der Angaben in der Komponentenspezifikation wird später die Implementierung des Moduls durchgeführt.

Wir haben uns Gedanken über eine Funktionsstruktur gemacht und diese in den Komponentenplänen für die Heizungssteuerung und die Warmwassersteuerung niedergeschrieben. Ein großer Punkt beim Erstellen dieser Ablaufpläne war immer der Punkt, mittels if-Abfragen herauszufinden, wo im Tag oder im Regelzyklus wir gerade stehen um die entsprechenden Parameter zu laden, da zB nachts weniger stark geheizt wird als tagsüber.

Komponentenplan für die Heizungssteuerung

Komponentenplan für die Warmwassersteuerung

Programmierung / Modellierung

In diesem Abschnitt, der auch den längsten Zeitabschnitt haben sollte, werden alle vorher erarbeiteten Ergebnisse wie zum Beispiel die Komponentenspezifikation und der technische Systemplan in der Programmierung bzw Implementierung umgesetzt. Hier entsteht der Code oder das Simulink-Modell oder was auch immer in dem aktuellen Projekt entwickelt wird. Alle Teilgruppen des Teams arbeiten gleichzeitig an ihren jeweiligen Modulen was dazu führt, dass danach alle gleichzeitig fertig sein sollten und in die Tests übergehen können. Das Ergebnis dieses Abschnittes ist die Implementierung des Moduls.

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Komponententest

Der Komponententest ist die erste Teststufe innerhalb des V-Modells, in welcher die einzelnen Komponenten in einem Modul auf ihre Funktionsfähigkeit getestet werden. Die Tests führt immer eine andere Gruppe durch als die, die das Modul implementiert hat, da diese ihre eigenen Fehler in den meisten Fällen nicht sehen würde. Zuerst werden dafür Testfälle aufgestellt, di sich an den Anforderungen im Lastenheft richten, weshalb diese anfangs auch überprüfbar formuliert werden sollten. Für die Tests werden die Komponenten isoliert und durch Testsoftware mit bestimmten Eingangsparametern und -werten versorgt. Anhand der Ausgangswerte lässt sich dann entscheiden ob ein Testfall bestanden oder durchgefallen ist.

Wir haben die Komponenten der Gruppe Energieerzeugung getestet.

Integrationstest

Die Integrationstests sind die nächste Teststufe nachdem sichergestellt ist, dass alle Komponenten korrekt und innerhalb ihrer Spezifikationen arbeiten. Hier geht es um das korrekte Zusammenspiel der Komponenten innerhalb eines Moduls, also ob die korrekten Signale übergeben werden oder ob Edgecases zu Problemen führen. Auch hier testet nicht die Gruppe ihr eigenes Modul, da auch hier wieder die Gefahr von Annahmen und Betriebsblindheit zu groß ist. Es werden erneut Testfälle mit dem entsprechenden, zu erwartenden Ergebnis anhand des Lastenheftes definiert. Auch hier wird mit einer Testumgebung gearbeitet, diese Mal testet diese jedoch das gesamte Modul. Die Testfälle können erneut entweder bestanden oder durchgefallen sein, woraufhin das Team das dieses Modul implementiert hat nacharbeiten muss.

Wir haben erneut die EEZ Gruppe getestet.

Systemtest

Das ist die letzte interne Teststufe, hier wird nun das gesamte System betrachtet, also die Summe aus allen Modulen, ob diese korrekt miteinander funktionieren und kommunizieren. Auch hier werden Testfälle anhand der Anforderungen ans gesamte System definiert und überprüft, ob das gesamte System lauffähig ist und korrekt funktioniert. Hier wird in der Regel keine ausgefeilte Testumgebung mehr benötigt, da das System ja für sich auch funktionieren soll.

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Fazit

Wir haben in diesem Modul gelernt und geübt wie wir als Gruppe zusammenarbeiten und anhand des V-Modells modellbasierte Produktentwicklung betreiben. Das Endergebnis ist ein funktionsfähiges System zur Simulation der Energieflüsse in einem Haushalt, welches auch problemlos weiterentwickelt und zB für eine Masterthesis verwendet werden könnte.

Wir persönlich haben gelernt, dass Kommunikation ein integraler Bestandteil der Teamarbeit ist, sowohl innerhalb der eigenen Teilgruppe zum Verständnis und zur Implementierung sowie in der gesamten Projektgruppe zur Abstimmung von Signalen und Schnittstellen oder ähnlichem.

Literaturverzeichnis

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