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Simulationsbasierte Steuerung von Druckluftstationen Simulation Based Control of Compressed Air Stations Dipl.-Ing. Florian Wagner, KAESER Kompressoren GmbH, Coburg Prof. Dr.-Ing. Georg Frey, Universität des Saarlandes, Saarbrücken Kurzfassung Für die Erzeugung von Druckluft werden Kompressoren häufig zu einer Druckluftstation zu-
sammengeschaltet. Die Koordination der einzelnen Kompressoren übernimmt dabei eine
Verbundsteuerung. Die bisher eingesetzten Steuerungsverfahren sind durch rein reaktives
Verhalten auf Basis starrer Regeln gekennzeichnet. Die Inflexibilität dieser Verfahren lässt
Energieeinsparpotenziale ungenutzt. Im Rahmen dieses Beitrags wird ein neues modell-
basiertes Steuerungsverfahren vorgestellt, welches anhand von Simulationsläufen zur Lauf-
zeit der Steuerung Handlungsoptionen validiert und dadurch die Energieeffizienz einer
Druckluftstation verbessert.
Abstract Usually, compressors are not running isolated, but are operating as a network of compres-
sors, called a compressed air station. Orchestration of the compressors is done by means of
a master control system. Most of the algorithms implemented in master control systems
show a reactive rule-based behavior. The inflexibility of these algorithms leads to suboptimal
results in respect to energy efficiency. In this paper a new kind of model-based algorithm is
presented, which performs online validation of action alternatives by means of simulation to
increase the energy efficiency of compressed air stations.
1. Einleitung
Druckluft stellt in vielen industriellen Anwendungen ein unverzichtbares Energietransport-
und Prozessmedium dar. Bedingt durch stetig steigende Kosten für elektrische Energie spielt
die Energieeffizienz bei der Drucklufterzeugung eine herausragende Rolle. Bezogen auf
einen Betrachtungszeitraum von 5 Jahren machten bereits im Jahr 2006 die Kosten für
elektrische Energie ca. 70 % der Gesamtkosten für die Drucklufterzeugung aus [1].
Neben kontinuierlichen Anstrengungen, Kompressoren durch mechanische Optimierungen
und moderne Fertigungstechnologien zu verbessern, versucht man die Energieeffizienz bei
der Drucklufterzeugung bei mehreren zu einer Druckluftstation zusammengeschalteten
Kompressoren durch eine intelligente Ansteuerung der Kompressoren zu steigern, statt
diese eigenständig zu betreiben. Ziel der Verbundsteuerung ist es, durch An- und Abschalten
einzelner Kompressoren den Druck in einem Pufferbehälter innerhalb vorgegebener
Grenzen zu halten. Fast alle bisher bekannten Verbundsteuerungen setzen hierzu Verfahren
ein, die beim Über- bzw. Unterschreiten vorgegebener gemeinsamer Druckschwellen Ab-
bzw. Anschaltbefehle an einzelne Kompressoren ausgeben. Auf Basis hinterlegter Regeln
und des Abgleichs von gelieferter Druckluftmenge und Druckluftverbrauch wird festgelegt
welcher Kompressor den Schaltbefehl erhält. Hiermit erreicht man im Durchschnitt eine
Energieeinsparung von 12% gegenüber eigenständig agierenden Kompressoren [2].
In diesem Beitrag wird ein neues Steuerungsverfahren für Druckluftstationen vorgestellt, das
Schalthandlungen an Kompressoren auf Basis von Simulationsläufen an einem Modell der
Druckluftstation vornimmt. Die Arbeiten zur Entwicklung dieses Steuerungsverfahrens
wurden in den Jahren 2006 bis 2008 durchgeführt. Vergleiche und Angaben zu anderen
Steuerungsverfahren beziehen sich auf den Stand der Technik des Jahres 2008.
Im Folgenden werden zunächst die Funktionsweise eines ölgeschmierten Schrauben-
kompressors und die Arbeitsweise einer Druckluftstation erläutert. Anhand einer kurzen Dar-
stellung der heute im Einsatz befindlichen Verbundsteuerungen werden Einsparpotenziale
aufgezeigt. Anschließend wird das neue Steuerungsverfahren „Simulationsbasierte
Steuerung“ vorgestellt. Eine Simulationsstudie zur Energieeffizienz des neuen Verfahrens im
Vergleich zu einer klassischen Verbundsteuerung schließt den Beitrag ab.
2. Erzeugung von Druckluft in Druckluftstationen
Aus der Vielfalt an Kompressorarten (siehe [3], Figure 5) haben sich in vielen stationären
Anwendungen im Druckbereich von 6 bis 15 bar seit Anfang der 1970er Jahre öleingespritzte
Schraubenkompressoren durchgesetzt. Bild 1 zeigt deren Aufbau (stark vereinfacht). Der
Kompressionsprozess findet im Verdichterblock statt. Bei geöffnetem Einlass- und ge-
schlossenem Leerlaufventil wird Luft angesaugt und zwischen zwei geschraubten, gegen-
läufig rotierenden Rotoren komprimiert. Zur Abdichtung der Spalte zwischen den Rotoren
und den Wandungen des Verdichterblocks wird auf der Ansaugseite des Verdichterblocks Öl
eingespritzt. Dadurch wird zusätzlich zu einer Verringerung innerer Leckagen auch der Ver-
dichtungsvorgang gekühlt bzw. entstehende Verdichtungswärme abgeführt. Beides dient der
Steigerung der Energieeffizienz. Im Ölabscheidebehälter wird das Öl von der Druckluft ge-
trennt. Der Ölkreislauf zurück in den Verdichterblock wird dabei durch die Druckdifferenz
zwischen Ölabscheidebehälter und Ansaugseite des Verdichterblocks in Gang gehalten.
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Schalt- und Leerlaufverluste ab.
3. Herausforderungen bei der Steuerung von Druckluftstationen
Die heute üblichen Verbundsteuerungen benutzen den im Pufferbehälter gemessenen Druck
als Führungsgröße. Lastbefehländerungen an den Kompressoren werden immer dann vor-
genommen, wenn der Druck eine parametrierte untere Druckgrenze unterschreitet oder eine
parametrierte obere Druckgrenze überschreitet. Bei einer Druckunterschreitung erhält ein
noch nicht in Last laufender Kompressor den Befehl in Last zu wechseln und bei einer
Drucküberschreitung erhält ein Kompressor der in Last läuft den Befehl den Zustand Last zu
verlassen. Eine kompressorinterne Steuerung sorgt für die Eigensicherheit des Kompressors
und die Betriebszustandsumschaltung. Im Kern handelt es sich hierbei um einen Zweipunkt-
regler mit Hysterese.
Verweilt der Druck trotz vorgenommener Schalthandlung länger außerhalb der para-
metrierten Grenzen, werden Timer eingesetzt, um weitere Kompressoren zu schalten. Die
Timer sollen das Totzeitverhalten des gerade geschalteten Kompressors nachbilden. Die
heute üblichen Verfahren unterscheiden sich im Detail darin, wie viele parametrierte Druck-
grenzen es gibt, wie Timerereignisse ausgelöst werden und wie der Kompressor für die
nächste Schalthandlung ausgewählt wird. Gemeinsames Merkmal ist das rein reaktive Ver-
halten.
Die parametrierbare untere Druckgrenze muss mit einem gewissen Sicherheitsabstand zum
Mindestdruck eingestellt werden. Denn je nachdem, ob der nächste zu schaltende
Kompressor sich im Zustand Aus oder Leerlauf befindet, sind andere Totzeiten zu über-
winden, bevor er anfängt Druckluft zu liefern. Der Sicherheitsabstand wirkt sich negativ auf
die Energieeffizienz aus. Die erhöhte untere Druckgrenze resultiert in einem höheren Durch-
schnittsdruck.
Genauso problematisch sind die starren (parametrierten) Druckgrenzen. Die Differenz
zwischen den Druckgrenzen bestimmt die Dauer eines Zyklus für Aus/Leerlauf Last
Aus/Leerlauf. Je kürzer diese Dauer, desto höher der relative Anteil der Schaltverluste an der
Gesamtenergieaufnahme des Kompressors, der für die Liefermengenanpassung sorgt.
Demgegenüber steht der Effekt, dass mit zunehmender Differenz zwischen den Druck-
grenzen (durch Anhebung der oberen Druckgrenze) der Durchschnittsdruck steigt, welcher
sich mit 6% pro 1,0 bar auf die Leistungsaufnahme der in Last laufenden Kompressoren
auswirkt. Ob die Energieeinsparung durch eine verlängerte Schaltzykluszeit die zusätzliche
Lastleistungsaufnahme überwiegt, hängt von der aktuellen Auslastung der Druckluftstation
ab. Bei einer niedrigen Auslastung wird eine lange Schaltzykluszeit von Vorteil sein. Bei
einer hohen Auslastung ist jedoch eine kurze Schaltzykluszeit effizienter, da viele
Kompressoren in Last laufen. Mit starren Druckgrenzen ist eine auf die aktuelle Auslastung
der Druckluftstation angepasste Schaltzykluszeit nicht möglich. Wenn man die starre Vor-
gabe der Druckgrenzen aufgibt, ergibt sich das Problem, die bei variabler Schaltzykluszeit
auftretenden Schaltverluste und zusätzlich anfallende Lastleistungsaufnahme zu ermitteln,
um sie miteinander zu vergleichen. Für beide Größen ist das zukünftige dynamische Ver-
halten der einzelnen Kompressoren zu berücksichtigen. Eine Möglichkeit hierzu bietet der
Einsatz von Voraussimulationen an einem Modell der Druckluftstation.
4. Steuerung von Prozessen durch Simulation 4.1 Aufbau und Arbeitsweise einer simulationsbasierten Steuerung Eine klassische Steuerung besteht aus einem Prozessabbild, welches den Istzustand des
Prozesses darstellt (Sensorein- und Aktuatorausgänge), und einem Steuerungsalgorithmus.
Die Grundidee der simulationsbasierten Steuerung besteht darin, Entscheidungen zur
Steuerung nicht mehr nur basierend auf dem Ist-Zustand des Prozesses zu treffen, sondern
auch auf dem möglichen zukünftigen Verhalten des Prozesses. Hierfür wird das Prozess-
abbild durch eine Datenbank mit Simulationsergebnissen zur Informationsbasis erweitert und
der Steuerungsalgorithmus in Algorithmenkern und Simulationskern aufgeteilt (vgl. Bild 3).
Ein in der Datenbank hinterlegtes Simulationsergebnis stellt das mögliche zukünftige
Prozessverhalten unter Annahme eines bestimmten Szenarios (beispielsweise eines Schalt-
oder Störgrößenverlaufs) dar.
Zur Ermittlung des zukünftigen Verhaltens des zu steuernden Prozesses werden
Simulationen durchgeführt. Der Algorithmenkern enthält Expertenwissen darüber, wie der
Prozess grundsätzlich sinnvoll zu beherrschen ist. Im Unterschied zu einem klassischen
Steuerungsalgorithmus enthält der Algorithmenkern jedoch keine Folge von Anweisungen,
die aus den Eingängen und internen Variablen in eindeutiger Weise Ausgänge generiert.
Stattdessen ermittelt der Algorithmenkern eine Menge von Handlungsoptionen (Szenarien),
deren Auswirkungen auf den Prozess im Simulationskern ermittelt werden. Der Simulations-
kern stellt ein Simulationsmodell des zu steuernden Prozesses als geschlossenen Steuer-
kreis dar. D.h. das Simulationsmodell bildet sowohl das Verhalten des zu steuernden
Prozesses als auch das Verhalten einer (fiktiven) Steuerung ab. Das Simulationsmodell ist
so ausgeführt, dass das Simulationsergebnis den zeitlichen Verlauf der für die Steuerungs-
entscheidung relevanten Größen des Prozesses mit hinreichender Genauigkeit widergibt.
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Am Beispiel einer simulationsbasierten Steuerung für Druckluftstationen werden im
Folgenden eine konkrete Implementierung beschrieben und einige Aspekte einer
simulationsbasierten Steuerung näher untersucht.
4.2 Simulationsbasierte Steuerung von Druckluftstationen Die hier vorgestellte sehr einfache Variante einer simulationsbasierten Steuerung für Druck-
luftstationen greift den Gedanken aus Abschnitt 3 auf, dass durch eine an die Situation an-
gepasste Festlegung von Druckgrenzen für das In-Last-Schalten und Aus-Last-Schalten von
Kompressoren eine höhere Energieeffizienz als bei starrer Vorgabe von Druckgrenzen erzielt
werden kann. Der hierarchische Aufbau des Algorithmus ist in Bild 5 dargestellt.
Die Menge aller Kompressoren der Druckluftstation wird in drei Gruppen eingeteilt. Die
Reserve-Kompressoren dienen aktuell nicht zur Deckung des Druckluftbedarfs und werden
mit dem Befehl „nicht Last“ angesteuert. Die Last-Kompressoren dienen zur Deckung des
Druckluftbedarfs und werden mit dem Befehl „Last“ angesteuert. Der Druckausgleich-
Kompressor dient dazu, durch Hin- und Herschalten zwischen Last- und Nicht-Last-
Zuständen die Liefermenge der Druckluftstation an den Druckluftbedarf anzupassen. Hierfür
wird der Druckausgleich-Kompressor über einen Zweipunktregler mit Hysterese angesteuert,
welcher abwechselnd den Befehl „Last“ und den Befehl „nicht Last“ ausgibt.
Die dynamische Einteilung der Kompressoren in die drei Gruppen erfolgt auf Basis einer
starren Reihenfolge der Kompressoren. Sinkt der Druck, obwohl der Druckausgleich-
kompressor in Last läuft, so wird der Druckausgleichkompressor zum Lastkompressor und
einer der Reserve-Kompressoren wird zum Druckausgleichkompressor. Steigt hingegen der
Druck, obwohl der Druckausgleichkompressor nicht in Last läuft, so wird der Druckaus-
gleichkompressor zum Reserve-Kompressor und einer der Last-Kompressoren zum Druck-
ausgleich-Kompressor.
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Auch für die Bestimmung der unteren Druckgrenze wird das Simulationsmodell genutzt. Bei
fallendem Druck wird die Durchführung einer Simulation dazu verwendet unter Annahme
eines konstanten Druckluftverbrauchs zu ermitteln, wie viel Zeit bis zur Unterschreitung des
Minimaldrucks noch verbleibt. Die untere Druckgrenze des Zweipunktreglers wird auf Basis
dieser Information und unter Berücksichtigung der Totzeit für Motorstart und Druckaufbau
des Druckausgleich-Kompressors so gewählt, dass eine Umkehr des Druckverlaufs genau
im Minimaldruck erfolgt. Durch das Ausreizen des Druckbereichs bis zum Minimaldruck wird
der Durchschnittsdruck gesenkt und somit die Energieaufnahme der Lastkompressoren
reduziert.
In den Simulationsläufen ergibt sich ein oszillierendes Verhalten des Druckausgleich-
kompressors. Obwohl in der realen Druckluftstation der gleiche Zweipunktregler wie in den
Simulationsläufen zum Einsatz kommt (siehe Bild 5), ergibt sich hier ein viel variableres Ver-
halten des Druckausgleichkompressors, da die Druckgrenzen des Zweipunktreglers fort-
während an neue Situationen angepasst werden, insbesondere an Änderungen im Druckluft-
verbrauch. Betrachtet man die simulationsbasierte Steuerung als Blackbox, ist an den
Systemschnittstellen nicht zu erkennen, dass im Inneren ein Zweipunktregler mit Hysterese
arbeitet. Speziell in Bezug auf den Minimaldruck stellt sich die Steuerung als ein agierendes
statt reagierendes System dar. Die Stellbefehländerung an den Druckausgleichkompressor
geschieht mit so großem zeitlichem Vorlauf, dass unter Berücksichtigung der Totzeiten des
Kompressors, die Druckverlaufsumkehr bereits vor einer Unterschreitung des Minimaldrucks
erfolgt.
4.3 Simulationsstudie Zur Validierung des vorgeschlagenen simulationsbasierten Steuerungsverfahrens für Druck-
luftstationen wurde im Jahr 2008 eine Studie durchgeführt. Diese vergleicht eine typische
fortschrittliche Implementierung einer Druckbandsteuerung (siehe Abschnitt 3) mit einer
prototypischen Implementierung des simulationsbasierten Steuerungsverfahrens aus Ab-
schnitt 4.2. Die Durchführung der Studie erfolgte nicht an einer realen Druckluftstation
sondern an einem mit Dymola/Modelica entwickelten Simulationsmodell für Druckluft-
stationen, da im Simulationsmodell der Druckluftverbrauchsverlauf reproduzierbar vor-
gegeben werden kann. Somit war ein Vergleich der beiden Steuerungsverfahren unter den
exakt gleichen Bedingungen möglich. Das Simulationsmodell wurde über mehrere
Forschungsarbeiten hinweg für die Firma KAESER entwickelt und anhand von Versuchs-
reihen an realen Druckluftinstallationen validiert. Für die Studie wurden beide Steuerungsver-
fahren in einer Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL-Simulation) mit dem in Echtzeit ab-
laufenden Simulationsmodell der Druckluftstation verbunden [4].
Im Rahmen der Studie wurden die beiden Steuerungsverfahren anhand von 9 Szenarien
miteinander verglichen. Hierfür wurden drei realitätsnahe Druckluftstationen unterschied-
licher Größe (3, 4 bzw. 6 Kompressoren) definiert. Aus Druckluftverbrauchsmessungen an
drei realen Druckluftstationen wurden drei Druckluftverbrauchsprofile (10 s Zeitauflösung) mit
einer Dauer von 8 Stunden extrahiert. Jede der drei Stationen wurde für die Studie mit jedem
der drei Verbrauchsprofile kombiniert, wobei das Verbrauchsprofil jeweils auf die Maximal-
liefermenge der Druckluftstation skaliert wurde. Die Druckbandsteuerung wurde für jede der
HIL-Simulationen so parametriert, wie geschultes Personal bei Kenntnis der Druckluftstation
die Parametrierung im Hinblick auf das Verbrauchsprofil vornehmen würde. Eine Suche nach
optimalen Parametern erfolgte nicht. Die simulationsbasierte Steuerung ist in allen
Kombinationen mit der gleichen Parametrierung gelaufen (kleine Kompressoren schalten vor
großen Kompressoren, für das Ermitteln der oberen Druckgrenze erfolgt eine Simulation
über 600 s). Tabelle 1 zeigt die Auswertung der Simulationsläufe.
Tabelle 1: Relative Energieeinsparung der simulationsbasierten Steuerung im Vergleich zur
Druckbandsteuerung.
Profil 1 Profil 2 Profil 3
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Mittlere Station 2,8 % 1,8 % 5,4 %
Große Station 5,4 % 1,5 % 3,4 %
In jeder untersuchten Kombination wurde durch die simulationsbasierte Steuerung eine
Energieeinsparung erzielt. Bildet man den Durchschnitt aus allen 9 verglichenen
Kombinationen ergibt sich eine relative Energieeinsparung von 5,8%. Dass die relative
Energieeinsparung bei der kleinen Station am größten ausfällt ist darin begründet, dass die
vorgestellte einfache Implementierung der simulationsbasierten Steuerung darauf abzielt, die
Energieaufnahme des Druckausgleichkompressors zu reduzieren. Bei einer kleinen Station
ist deren Anteil an der Gesamtenergieaufnahme bedeutend höher als bei der mittleren oder
großen Station.
Das für die Studie verwendete „Einfachst-Verfahren“ reizt die Möglichkeiten einer
simulationsbasierten Steuerung noch lange nicht aus. So ist es z.B. möglich, die starre
Schaltreihenfolge der Kompressoren durch eine dynamische, auf Simulation basierende,
Kompressorauswahl zu ersetzen und so eine weitere Effizienzsteigerung zu erzielen.
5 Zusammenfassung
Wie in diesem Beitrag gezeigt wurde, lässt sich die Energieeffizienz der Drucklufterzeugung
durch Einsatz eines Simulationsmodells in der Verbundsteuerung steigern. Das
Simulationsmodell dient in dem einfachen Beispielalgorithmus dazu, verschiedene obere
Druckgrenzen für einen Zweipunktregler mit Hysterese situationsabhängig festzulegen.
Ebenso wird anhand des Simulationsmodells die untere Druckgrenze des Zweipunktreglers
so festgelegt, dass gerade keine Unterschreitung des vorgegebenen Minimaldrucks erfolgt.
Eine im Jahr 2008 durchgeführte Simulationsstudie ergab im Vergleich zu einem klassischen
Steuerungsalgorithmus für Druckluftstationen in den untersuchten Fällen im Schnitt eine Ein-
sparung von 5,8 %. Das beschriebene Verfahren wurde in [5] zum Patent angemeldet und
wird derzeit weiter optimiert. Die Einsatzmöglichkeiten der simulationsbasierten Steuerung
sind jedoch nicht auf Druckluftstationen beschränkt. Sie lässt sich überall da einsetzen, wo
insbesondere durch Totzeiten ein pro-aktives Verhalten der Steuerung vorteilhaft aber eine
geschlossene Darstellung (MPC) nicht möglich ist.
Literatur [1] E. Ruppelt; Effiziente Druckluftversorgung, Verfügbarkeit erhöhen, Kosten senken mit
modernen Steuerungs- und Regelungskonzepten; CITplus 05/2006, S. 18-19, GIT Ver-
lag GmbH & Co. KG, Darmstadt
[2] Fraunhofer ISI; Druckluft Effizient, Fakten Steuerung; http://www.druckluft-
effizient.de/downloads/fakten/05-steuerung.pdf; Karlsruhe, August 2003
[3] P. Radgen und E. Blaustein; Compressed Air Systems in the European Union; ISBN 3-
932298-16-0; LOG_X Verlage GmbH, Stuttgart, 2001.
[4] F. Wagner und G. Frey; Hardware-in-the-Loop-Simulation bei kurzfristig zu langsamen
Simulationsmodellen; Automation im gesamten Lebenszyklus (GMA-Kongress 2007),
VDI-Berichte 1980, Baden-Baden, Germany, pp. 151-161, Juni 2007
[5] F. Wagner und G. Frey; DE 102008064491A1; 2008
