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Bachelorarbeit: Entwicklung einer Steuerung für klimatisierte Pflanzentische

Perfektes Klima für Pflanzen

Luca Filippini und Eva Morscher haben in ihrer Bachelorarbeit im Studiengang Maschinentechnik die Steuerung für eine Gewächshausklimatisierung entwickelt. Diese sorgt für optimale Bedingungen in der Pflanzenaufzucht. Zudem ist das System auch auf andere Anwendungsbereiche adaptierbar.

Pflanzen sind genauso individuell wie Menschen. Ihr Gedeihen hängt von unterschiedlichen Bedingungen ab, zum Beispiel von der Temperatur oder Luftfeuchtigkeit. Und durch Klimatisierungsanlagen in Gewächshäusern können diese Voraussetzungen heutzutage gezielt gesteuert werden. Das ZHAW-Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) untersucht unter dem Namen «H-DisNet» ein neues, effizientes Energieversorgungskonzept für eine sogenannte sorptive Klimatisierungsanlage. Die dazugehörige Versuchsanlage steht auf dem Gelände der ZHAW in Wädenswil. Luca Filippini und Eva Morscher haben in ihrer Bachelorarbeit im Studiengang Maschinentechnik die Steuerung für diese Anlage erarbeitet. 

Modell mit vielen Variablen

Damit führen die Absolventin und der Absolvent eine vorangegangene Projektarbeit weiter aus, in der sie das Modell für ihr Steuerungssystem erstellt hatten. Dabei waren sie auf Mitstudierende angewiesen. Diese hatten den Auftrag, die Klimatisierungsanlage auszulegen und zu dimensionieren. «Da die beiden Arbeiten gleichzeitig gemacht wurden, kannten wir anfangs die Dimensionen der Tanks, Ventile und Pumpen nicht», erklärt Eva Morscher. «In der Projektarbeit haben wir deshalb zuerst ein parametrisiertes, mathematisches Modell der Anlage erstellt.» Dieses lässt sich mit verschiedenen Variablen anwenden, sodass es später auf die realen Werte anpassbar ist.

«Der von uns gebaute Arbeitsplatz ist nicht nur für die Klimatisierung einsetzbar.»

Luca Filippini

Vom Programm zum Gerät

«In der Bachelorarbeit haben wir dann die Steuerung für das Modell umgesetzt», sagt Luca Filippini. Dafür wird ein Siemens Controller verwendet, in dem alle Signale der im Gewächshaus eingesetzten Sensoren und Aktoren zusammenlaufen. «Wir haben die Steuerung mit MATLAB Stateflow programmiert», sagt Eva Morscher. «Das Programm hat den Vorteil, dass die Programmiersprache und die Visualisierung übersichtlich sind.» Die einzelnen Schritte, die das Programm durchläuft, sind in einem Flow-Diagramm dargestellt. «Allerdings unterstützt der Siemens Controller die MATLAB Software nur mit einem Datentyp», so Luca Filippini. «Daher mussten wir die Daten immer wieder konvertieren, damit sie der Controller auch verarbeiten kann.» 

Simulation mit echter Hardware

Das Testen der Anlange stellte die Absolventin und den Absolventen vor Herausforderungen. «Die Klimatisierungsanlage in Wädenswil war zuerst noch nicht soweit fertig, dass die Steuerung hätte eingebaut werden können», so Eva Morscher. Luca Filippini ergänzt: «Im langfristigen Betrieb eines Gewächshauses kann man nicht einfach die agierenden Variablen ändern. Sonst würden die Pflanzen absterben.» Daher kann in Zukunft für beliebige Tests das Hardware-in-the-Loop Prinzip genutzt werden, in dem die Anlage im erstellten simulierten Modell abgebildet und durch den Siemens Regler gesteuert wird. Die Basis für die Gewächshausklimatisierung haben Luca Filippini und Eva Morscher nun gelegt. «Der Arbeitsplatz mit den Steuergeräten, wie wir ihn gebaut haben, ist aber nicht nur für diese spezifische Anwendung einsetzbar», so Luca Filippini. «Daher wird die steuertechnische Weiterentwicklung des Systems vermutlich nicht mehr viel mit Pflanzen zu tun haben.»