Verfahren zur Platzierung von thermoelektπschen Generatoren in technischen Anlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Engineering ^¬ system zur Platzierung von thermoelektπschen Generatoren in technischen Anlagen. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm-Produkt und ein computerlesbares Medium zur Durchfuhrung des Verfahrens.

Bei thermoelektrischen Generatoren wird die Tatsache ausgenutzt, dass bei Temperaturgefallen zwischen zwei elektrischen Leitern eine elektrische Spannung auftritt, die zur Energie- gewinnung verwendet werden kann.

Thermoelektrische Generatoren werden seit längerer Zeit in der Raumfahrt und Messtechnik verwendet und seit einiger Zeit versuchsweise auch in der Automobiltechnik.

In der Automatisierung fertigungstechnischer (z.B. Produktionsanlagen oder Montagestraßen) oder prozesstechnischer Anlagen (z.B. Raffinerien oder Brauereien) ist neben der Kommuni- kationsanbmdung der verwendeten Steuerungsgerate (z.B. Spei- cherprogrammierbare Steuerungen, Automatisierungssysteme) oder Feldgerate (z.B. Aktoren, Sensoren) auch die Energieversorgung für diese Gerate ein wichtiger Aspekt, der im Rahmen des Anlagenengineering berücksichtigt werden muss. Bei der Energieversorgung solcher Anlagen müssen die Ausfallsicher- heit, die elektrische Sicherheit, die Belegung von Kabeltrassen, die benotigte Isolation sowie gesetzliche Vorschriften u.a. beachtet werden.

Aufgrund dieser hohen Anforderungen bezuglich der elektri- sehen Energieversorgung wird in technischen Anlagen eine konventionelle Energieversorgung bevorzugt verwendet, z.B. durch einen externen Energielieferanten und Inhouse- Notstromaggregate . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein effizien ^¬ tes und sicheres Verfahren zur Platzierung und zur Verwendung von thermoelektrischen Generatoren in technischen Anlagen be- reitzustellen.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren, das folgende Schritte umfasst, gelost:

a) Darstellen der technischen Anlage als Anlagenmodell, bestehend aus interagierenden mechatronischen Objekten, im

Rahmen eines Anlagenengmeering, wobei

ein mechatronisches Objekt typspezifische thermodynami- sche Vor- und Nachbedingungen enthalt;

b) Erganzen der mechatronischen Objekte um anlagenspezi- fische thermodynamische Bedingungen;

c) Bestimmen von Energieketten aus dem Anlagenengineering, wobei die Energieketten aus hinteremandergeschalteten mechatronischen Objekten bestehen;

d) Bestimmen der Energiebilanz für jedes mechatronische Objekt der Energiekette; und

e) Überprüfung der Energiebilanz der mechatronischen Objekte einer Energiekette auf Erfüllung von notwendigen ther- modynamischen Bedingungen zum Einsatz von thermoelektrischen Generatoren. Em flachendeckender Einsatz von thermoelektπ- sehen Generatoren war bisher in Industrieanlagen aufgrund des damit verbundenen hohen Aufwands für eine Modellierung (z.B. wegen der Komplexität der zu berücksichtigenden Parameter) bzw. wegen Einschränkungen des Einsatzes (z.B. ausreichende Verfügbarkeit einer Energiequelle und Validierung der Verfug- barkeit) nicht möglich. Das vorliegende Engineeringprinzip, basiert auf dem Konzept der „Mechatronischen Objekte", die für die Modellierung des Einsatzes und der Verteilung von thermoelektrischen Generatoren in Industrieanlagen verwendet werden. Mechatronische Objekte ermöglichen die Bereitstellung aller wesentlichen Aspekte einer Anlage in integrierter Form und das bereits in den frühen Phasen der Projektabwicklung einer Anlage. Damit ist die Chance gegeben, der Komplexität des Einsatzes thermoelektrischer Generatoren in industriellen Anwendungen in effizienter Weise zu begegnen.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren weiter folgenden Schritt umfasst: e) automatisches Darstellen von Einsatzorten mit genü ^¬ gend Energiepotenzial für thermoelektπsche Generatoren im Anlagenmodell durch geeignete Ausgabemittel. Durch das automatische Darstellen (z.B. durch eine Farbkodierung) von mog- liehen Einsatzorten von thermoelektrischen Generatoren in einem Anlagenplan (z.B. auf einer Ausgabevorrichtung (z.B. Drucker, Bildschirm) ) eines Engineeringsystems wird ein Benutzer darauf hingewiesen, an welchen Stellen der Anlage ein thermoelektrischer Generator prinzipiell einsetzbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren folgenden Schritt weiter umfasst: f) Modellieren des thermoelektrischen Generators als me- chatronisches Objekt und integrieren dieses mechatronischen Objektes im Anlagenmodell. Die Gestaltung von thermoelektrischen Generatoren als mechatronische Objekte und ihre Integration in das Anlagenmodell, bestehend aus mechatronischen Objekten, stellt sicher, dass kein Methoden- und Medienbruch im Anlagenengineering erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass beim automatischen Darstellen der Einsatzorte für thermoelektrische Generatoren folgende Bedingungen berücksichtigt werden: die Ausfallsicherheit der verwendeten Ener- giequelle und/oder die Materialunvertraglichkeit und/oder die Anlagentopologie und/oder die räumlichen Bedingungen und/oder das zeitliche Verhalten und/oder Normen und/oder Richtlinien und/oder Wartbarkeit und/oder physikalische Eigenschaften des thermoelektrischen Generators. Durch die Berücksichtigung dieser Bedingungen fließen bei der Bestimmung des Einsatzortes von thermoelektrischen Generatoren auch wirtschaftliche Kriterien mit ein. Die Aufzahlung der Bedingungen ist nicht abschließend, es ist auch mögliche weitere Bedingungen zu de ^¬ finieren .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte um- fasst :

g) Berechnen der für den als mechatronisches Objekt modellierten thermoelektπschen Generator zur Verfugung stehenden Energie in der Energieerzeugerkette; und

h) dediziertes Zufuhren von Energie in die Energieerzeu ^¬ gerkette durch im Anlagenmodell modellierte Energieguellen, wenn die, für den als mechatronisches Objekt modellierten thermoelektrischen Generator, zur Verfugung stehende Energie nicht ausreicht. Falls keine oder nicht ausreichend thermi- sehe Energie für bereits eingeplante bzw. platzierte thermo- elektπsche Generatoren verfugbar ist, kann durch die Zufuhrung von zusatzlicher Energie in den Anlagenprozess und durch Bereitstellung dieser Energie an bestimmten Anlagenorten erreicht werden, diese Anlagenorte für thermoelektπsche Gene- ratoren nutzbar zu machen. Eine Anlage kann somit auf einfache und gezielte Weise für den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren ertüchtigt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einem Verfahren zur Ortsbestimmung von thermoelektrischen Generatoren in technischen Anlagen, umfassend die folgenden Schritte:

a) Darstellen der technischen Anlage als Anlagenmodell, bestehend aus interagierenden mechatronischen Objekten, im Rahmen eines Anlagenengmeering, wobei

ein mechatronisches Objekt typspezifische thermodynami- sche Vor- und Nachbedingungen enthalt;

b) Erganzen der mechatronischen Objekte um anlagenspezi- fische thermodynamische Bedingungen;

c) Bestimmen des jeweiligen Warmedifferenzbedarfs für die mechatronischen Objekte;

d) Bestimmen von Energieketten im Anlagenmodell; e) Modellierung eines thermoelektrischen Generators als mechatronisches Objekt, wobei der Warmedifferenzbedarf des thermoelektrischen Generators im mechatronischen Objekt hinterlegt ist;

f) Integrieren des als mechatronisches Objekt modellierten thermoelektrischen Generators in eine Energiekette des Anlagenmodells ;

g) Berechnen der für den als mechatronisches Objekt modellierten thermoelektrischen Generator zur Verfugung stehen- den Energie in der Energiekette; und

h) dediziertes Zufuhren von Energie in die Energiekette durch im Anlagenmodell modellierte Energiequellen, wenn die, für den als mechatronisches Objekt modellierten thermoelektrischen Generator, zur Verfugung stehende Energie nicht aus- reicht. Falls keine oder nicht ausreichend thermische Energie für bereits eingeplante bzw. platzierte thermoelektπsche Generatoren verfugbar ist, kann durch die Veränderung von Anlagenparametern die Zufuhrung von zusätzlicher Energie in den Anlagenprozess erreicht werden, um diese Energie an geeigne- ter Stelle in der Anlage für thermoelektπsche Generatoren zu nutzen. Eine Anlage kann somit auf einfache Weise für den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren ertüchtigt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass bei der Integration des als mechatronisches Objekt modellierten thermoelektrischen Generators im Anlagenmodell folgende Bedingungen berücksichtigt werden: die Ausfall ^¬ sicherheit der verwendeten Energiequelle und/oder die Mateπ- alunvertraglichkeit und/oder die Anlagenentopologie und/oder die raumlichen Bedingungen und/oder das zeitliche Verhalten und/oder Normen und/oder Richtlinien und/oder Wartbarkeit und/oder physikalische Eigenschaften des thermoelektrischen Generators. Dadurch werden auch sich ergebende wirtschaftliche und sicherheitsrelevante Kriterien bei der Integration von thermoelektrischen Generatoren im Anlagenmodell berücksichtigt. Das Vorgehen bei der Bestimmung von geeigneten Orten in industriellen Anlagen für den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren kann somit skaliert bzw. stufenweise er- folgen. Zuerst werden Orte bestimmt, bei denen die Energiebi ^¬ lanz für den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren prin ^¬ zipiell ausreicht (notwendige Bedingungen) , dann werden weitere Anforderungen bzw. Bedingungen untersucht (hinreichende Bedingungen) . Dieses stufenweise Vorgehen steigert die Effizienz des Verfahrens und vermeidet Fehlentscheidungen bei der Platzierung von thermoelektrischen Generatoren schon in frühen Phasen des Anlagenengineerings . Die Aufzahlung der Bedingungen ist nicht abschließend. Es ist auch möglich, dass wei- tere Bedingungen definiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass ein mechatronisches Objekt eine technische Komponente einer technischen Anlage repräsentiert und Facetten enthalt, wobei einer Facette eine Disziplin zugeordnet ist. Der Begriff Mechatronik beschreibt das Zusammenspiel verschiedener Disziplinen wie - je nach Branche und Bedarf - Mechanik, Elektrik, Automatisierung sowie weiterer Informationen zu Aktivitäten, die das Engineering bzw. die Projektab- Wicklung auf verschiedene Art unterstutzen (z.B.: Vertrieb, Kalkulation, Projektleitung etc.). All diese mechatronischen Informationen können auf die zum Einsatz kommenden technischen Komponenten bezogen werden. Dieses Zusammenspiel wird über eine digitale Repräsentation des Objektes beschrieben, das sogenannte Mechatronische Objekt (MO) . Ein MO kann dabei verschiedene sogenannte Facetten beinhalten, zum Beispiel eine Facette für jede Disziplin. Die Facetten stellen die Daten einer jeweiligen Disziplin dar. Dadurch werden softwaretechnische Prinzipien, wie z.B. das Lokalitatsprinzip und die Da- tenkapselung (encapsulation) auf einfache Weise berücksichtigt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass folgende Disziplinen zuordenbar sind: Mechanik und/oder Elektrik und/oder Automatisierung und/oder Vertrieb und/oder Kalkulation und/oder Proj ektleitung und/oder Wartung und/oder Sicherheit und/oder Betπebsfuhrung und/oder Bauingenieurwesen (Civil Engineering) und/oder Engineering. Wie schon erwähnt, beschreiben mechatronische Objekte das Zusam ^¬ menspiel verschiedener Disziplinen, die das Anlagenenginee ^¬ ring oder die Projektabwicklung unterstutzen. Durch die Konzentration von jeweils relevanten Aspekten (z.B. Daten, Sich- ten, Methoden, Attribute, Dokumentation) dieser Disziplinen in den entsprechenden mechatronischen Objekten, sind diese Informationen nicht an beliebigen Stellen einer Anlage verteilt, sondern dort vorhanden, wo sie logisch hingehören. Dies erleichtert z.B. die Sicherstellung der Anlagenkonsis- tenz. Die Aufzahlung der möglichen Disziplinen ist nicht abschließend. Je nach Domäne und Einsatzbereich sind weitere Disziplinen zuordenbar.

Die Aufgabe wird weiterhin gelost durch ein Engineeringsystem zur Modellierung technischer Anlagen, geeignet zur Durchfuhrung eines der erfmdungsgemaßen Verfahren. Beim Engineeringsystem kann es sich um einen handelsüblichen Computer (z.B. PC oder Workstation) handeln, mit entsprechender Software mit Modellierungswerkzeugen (z.B. UML-Arbeitsumgebung) zur Durch- fuhrung des Verfahrens. Je nach Anforderungen und Arbeitsumgebung, kann als Computer auch ein entsprechend ausgestatteter Industrie-PC verwendet werden.

Ferner wird die Aufgabe gelost durch ein Computerprogramm- Produkt oder ein computerlesbares Medium, welche auf einer

Programm gesteuerten Einrichtung die Durchfuhrung des Verfahrens veranlassen. Dies erleichtert die Flexibilität des Ein ^¬ satzes und auch die Verteilung und den kommerziellen Vertrieb des erfmdungsgemaßen Verfahrens.

Em Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden erläutert.

Dabei zeigen:

FIG 1 ein beispielhaftes Schemabild einer technischen Anlage, FIG 2 eine abstrakte Ubersichtsdarstellung eines me- chatronischen Objektes,

FIG 3a einen beispielhaften Baum von mechatronischen Ob- jekten,

FIG 3b eine Schemadarstellung eines mechatronischen Objektes mit Facetten, FIG 4 ein Beispiel für eine objektorientierte Repräsenta ^¬ tion von mechatronischen Objekten in UML-Notation, und

FIG 5 eine beispielhafte Einrichtung zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens.

FIG 1 zeigt ein beispielhaftes Schemabild einer technischen Anlage A mit mechanischen und elektrischen Komponenten AG (Aggregate) zur Durchfuhrung von Teilprozessen TP, wie z.B. Zufuhren, Montieren, Messen, Mischen. Thermoelektπsche Generatoren TEG verwenden Differenzen im Energiepotential EP (z.B. unterschiedliche Temperatur- oder Warmepotentiale) von Verbrauchern VB zur Energiegewinnung. Bei der Energiegewin ^¬ nung durch thermoelektπsche Generatoren TEG in technischen Anlagen (z.B. Produktionsanlagen, Verfahrenstechnische Anlagen) sind neben der Potentialdifferenz von vor- und nachgeschalteten Verbrauchern die Systemeigenschaften SE und die Umgebungsbedingungen UB einer Anlage A zu berücksichtigen. Zu den Systemeigenschaften SE zahlen u.a. die Anlagentopologie, Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit. Zu den Umgebungsbedingungen UB zahlen u.a. der Standort oder die Infrastruktur des Standortes, aber auch Umgebungstemperatur bzw. das Warmepotential der Umgebung. Bei der Automatisierung industrieller Anlagen A kommt eine Vielzahl elektronischer Komponenten AG zum Einsatz, die zuverlässig bei wechselnden Umgebungs- UB und Betriebsbedingungen SE mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Aktuell werden verschiedene Ansätze verfolgt mittels neuer oder verbesserter physikalischer Verfahren aus bisher nicht ökonomisch nutzbaren Energiepotentialunterschieden EP elekt- πsche Energie zu gewinnen und insbesondere für Zwecke der dezentralen und / oder kabelfreien Signalverarbeitung zu nut ^¬ zen. Neben dem ökologischen Aspekt („Energy Harvestmg", „erneuerbare Energiequellen") gibt es auch den Aspekt des effizienten Aufbaus technischer Systeme, bei dem der Fokus auf der Vereinfachung der Systeme durch die Eliminierung ganzer

Subsysteme (z.B. zur kabelgebundenen Stromversorgung), liegt.

Em grundsatzliches Problem stellt dabei der Umstand dar, dass die Korrelation zwischen Verfügbarkeit von Energiepoten- tial und Bedarf der Verbraucher meistens gering ist, d.h.

Energie liegt vor, wenn sie nicht gebraucht wird, bzw. Energie wird gebraucht, wenn gerade kein Potential gegeben ist. Em gangiger Ansatz ist der Einsatz von Energiespeichern, z.B. eines Akkumulators im PKW („Batterie") . Dieser Ansatz stoßt jedoch an Grenzen, z.B. ist eine PKW-Batterie bei

Stadtverkehr mit vielen Startvorgangen rasch entleert. Ferner verfugen Energiespeicher häufig über schlechte Wirkungsgrade und unterliegen einer Alterung. Insbesondere bei den Entwick ^¬ lungen im Umfeld des „Energy Harvestmg" wird versucht, die- sen Problemen durch „Energy Management" zu begegnen. Dies lauft in der Praxis auf erhebliche Kompromisse bezüglich der Nutzbarkeit hinaus (geringer Durchsatz, sporadische, bzw. un ^¬ vorhersehbare Verfügbarkeit) . Diese Kompromisse stellen erhebliche Einschränkungen bzgl . Nutzbarkeit und Sicherheit ge- genuber den heute verwendeten netzgebundenen Geraten dar.

Neben diesem zentralen Problem ergibt sich eine Reihe von weiteren Fragen, die sich aus der Komplexität typischer Industrieanlagen A ergeben. Der konventionelle „diskrete" Engi- neeringprozess für den Einsatz von thermoelektπschen Generatoren TEG in Industrieanlagen A wird sich typischerweise an einer prioπsierten Folge von Detailfragen orientieren, z.B. der Suche nach einer hinreichenden Warmepotentialdifferenz, deren voraussichtlicher zeitlicher Verfügbarkeit, der Suche nach einer Befestigungsmoglichkeit mit geeigneten Kabelwegen, der Montierbarkeit (Erreichbarkeit, Geometrie, Mateπalpaa- rung, Warmeleitpaste usw.) usw. Eine erhebliche Zahl dieser Entscheidungen wird aufgrund von Abschatzungen getroffen werden müssen, da relevante Informationen nicht oder in ungeeig ^¬ neter Form vorliegen bzw. die Ermittlung dieser Informationen nur mit hohem Aufwand möglich ist. Als Fazit lasst sich festhalten:

Der Einsatz thermoelektπscher Generatoren für Zwecke der industriellen Automatisierung basiert bisher in weiten Teilen auf Abschatzungen (bzw. dem „Prinzip Hoffnung") bezüglich der Verfügbarkeit der Energieversorgung und der Einbettung in die Gesamtanlage. Aufgrund der bestehenden Unsicherheit wird insbesondere in kritischen Anlagen der Einsatz thermoelektπ- scher Generatoren häufig grundsatzlich ausgeschlossen und stattdessen eine konventionelle Energieversorgung gewählt. Für das Engineering und den Einsatz von thermoelektπschen Generatoren TEG gibt es bisher keine vorbereiteten Losungen, die sich effizient und sicher in das Gesamtmodell einer industriellen Anlage einbauen lassen. Somit ist jede heute geschaffene Losung eine Einzellosung mit wenigen Möglichkeiten für eine Wiederverwendung und dem sich daraus ergebenden Po- tential.

Grundsätzlich wurden bisher für den Einsatz von thermoelekt- πschen Generatoren TEG in technischen Anlagen A die folgenden Losungswege gewählt:

• Beschrankung auf Einsatzzwecke mit geringen Anforderungen an die Verfügbarkeit.

• Aufwendige Modellierung des Einsatzzwecks und explizite Beschaffung zusätzlicher Informationen (Betriebsplane usw. ) .

Ein flachendeckender Einsatz von thermoelektπschen Generatoren war bisher in Industrieanlagen aufgrund des damit verbundenen hohen Aufwands für eine Modellierung bzw. die starke Begrenzung des Einsatzes und die damit verbundene notwendige Risikoabschatzung nicht zu erwarten. Im Allgemeinen werden bisher konventionelle Energieversorgungslosungen in Industrieanlagen bevorzugt, um im Gegenzug eine einfache Projektie- rung der Industrieanlage und eine auf bisherigen Erfahrungen basierende Gesamtlosung erstellen zu können. Im Zuge einer Lifecycle-Kosten-Betrachtung der Gesamtlosung ist das nicht optimal . Zur Losung des Problems des Einsatzes und der Verteilung von thermoelektπschen Generatoren in Anlagen A ist die Erkenntnis wichtig, dass eine nachträgliche oder zusatzliche Einbindung „ex post" meist aufgrund der Komplexität der Zusammenhange und des Implementierungsaufwands nicht zielfuhrend ist, bzw. bestenfalls in Sonderfallen zuverlässig funktioniert.

Grundsätzlich ist dies im Rahmen einer Modernisierung der Anlage aber ebenfalls möglich.

Die vorliegende Erfindung geht von der Ansicht aus, mnovati- ve Engineeringkonzepte, wie z.B. das Konzept der „Mechatrom- schen Objekte", für die Losung des Problems der Verteilung von thermoelektπschen Generatoren in industriellen Anlagen A zu nutzen. Mechatronische Objekte ermöglichen die Bereitstel ^¬ lung aller wesentlichen Aspekte einer Anlage in integrierter Form und das bereits in den frühen Phasen der Projektabwicklung einer Anlage A. Damit ist die Chance gegeben, der Komplexität des Einsatzes thermoelektπscher Generatoren in industriellen Anwendungen in effizienter Weise zu begegnen. Das Problem wird gelost durch die Gestaltung von Thermoelekt- πschen Generatoren TEG als Mechatronische Objekte im Rahmen eines Mechatronischen Engineeringsystems.

Die Erfindung basiert auf dem mechatronischen Konzept, das im Wesentlichen auf der Integration verschiedener Disziplinen bzw. Gewerke beruht. Als Konsequenz aus einer tiefen Integration der Informationen unterschiedlicher Disziplinen zu einem Objekt werden in erster Linie eine stark verbesserte Qualität der Losung, verringerte Engineeringzeiten und Kosten erwartet.

Der Begriff und das Konzept Mechatronik beschreibt das Zusam- menspiel verschiedener Disziplinen wie - je nach Branche und Bedarf - Mechanik, Elektrik, Automatisierung, sowie weiterer Informationen zu Aktivitäten, die das Engineering bzw. die Projektabwicklung auf verschiedene Art unterstutzen (z.B.: Vertrieb, Kalkulation, Projektleitung etc.) . All diese me- chatronischen Informationen können auf die zum Einsatz kommenden technischen Komponenten bezogen werden. Dieses Zusam- menspiel wird über eine digitale Repräsentation des Objektes beschrieben, das sogenannte Mechatronische Objekt (MO) . Em MO kann dabei verschiedene sogenannte Facetten beinhalten, zum Beispiel eine Facette für jede Disziplin. Die Facetten beinhalten die Daten einer Disziplin, wahrend die MO-Struktur diese Daten aggregiert und verknüpft.

FIG 2 zeigt eine abstrakte Ubersichtsdarstellung eines me- chatronischen Objektes MOl. Em mechatronisches Objekt MOl repräsentiert vorzugsweise eine Komponente der realen Welt, z.B. einer technologischen Domäne. Im Bereich der Verfahrenstechnik können dies z.B. Pumpen, Behalter, Ventile, Rohre, Heizelemente oder Ruhrer sein. Im Kontext industrieller Steu- erungen können dies z.B. Komponenten von Werkzeugmaschinen oder Produktionsmaschinen sein. Die mechatromschen Objekte MOl stellen eine definierte technologische, abgeschlossene Funktionalität bereit. Sie können untereinander verschaltet werden, um komplexe technologische Aufgaben zu realisieren. Weiterhin kann ein mechatronisches Objekt MOl als softwaretechnologische Einheit von einem Anwender sehr leicht in un ^¬ terschiedlichen Applikationen wiederverwendet werden. Em Anwender kann bei der Nutzung von mechatromschen Objekten MOl von deren Implementierung abstrahieren. Vom Anwender in sei- nen Anwenderprogrammen direkt einsetzbare mechatronische Ob ^¬ jekte MOl entstehen durch ihre Instanziierung aus Objekttypen. Aus einem einmal definierten Objekttyp können beliebig viele Instanzen von mechatromschen Objekten gewonnen werden. Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt in einer beispielhaften Schemadarstellung die Anwendersicht eines mechatronischen Objektes MOl, d.h. einer Instanz eines Objekttyps.

Der oberste Teil („Object"), abgetrennt von den folgenden Teilen durch eine durchgezogene Linie, enthalt den Typ des zugrunde liegenden mechatronischen Objektes (MO-Type) und den MO-Identifier, d.h. die projekt- bzw. anlagenemdeutige Bezeichnung der Instanznerung.

Der nächstfolgende Teil enthalt Konfigurationsdaten. Über die Konfigurationsdaten wird das mechatronische Objekt MOl in seiner grundsätzlichen Wirkungsweise eingestellt. Über die Konfigurationsdaten erfolgt die Parametπerung der mechatro- nischen Objekte MOl. In der Darstellung gemäß FIG 2 werden die Konfigurationsdaten durch eine Linie von den mechanischen Informationen (z.B. HW, Gerate) abgetrennt.

Der nächste Abschnitt sind die elektrischen Informationen (Elektrik, Stromversorgung etc.).

Der nächste Abschnitt in FIG 2 für ein mechatronisches Objekt MOl sind die Automatisierungsinformationen (z.B. Programm für eine Speicherprogrammierbare Steuerung) . Weitere Informatio- nen für ein mechatronisches Objekt können Alarme, Systemvariablen, aber auch Informationen zu Vertrieb, Kalkulation, Projektmanagement, Wartung oder Dokumentation sein.

FIG 3a zeigt einen beispielhaften Baum von mechatronischen Objekten MO2 - MO6. Ein mechatronisches Objekten MO2 - MO6 beschreibt ein Element im Engineering, wie z.B. ein Gerat oder eine Maschine. Wenn ein Gerat oder eine Maschine z.B. in eine Teilanlage oder Fertigungsstraße integriert wird, dann können auch die zugeordneten mechatronischen Objekten MO3 - MO6 in einem übergeordneten mechatronischen Objekt M02 für die Teilanlage oder Fertigungsstraße aggregiert werden. Dieses Konzept bedingt im Allgemeinen definierte Schnittstellen der mechatronischen Objekte MO2 - MO6, über die sie miteman- der verknüpft werden können, um eine Kapselung von Informationen zu erreichen. Die durchgezogenen Linien in FIG 3a stel ^¬ len eine Aggregationsrelation zwischen den mechatronischen Objekte MO2 - MO6 dar. Durch die gestrichelten Linien ist an- gedeutet, dass weitere Relationen zwischen den mechatronischen Objekten MO2 - MO6 dargestellt werden können, wie z.B. funktionale Aspekte, bauliche Aspekte, Sicherheitsaspekte (Safety und Secuπty) . Durch die Rechtecke in den mechatronischen Objekten MO2 - MO6 ist angedeutet, dass ein mechatroni- sches Objekt Facetten enthalten kann.

FIG 3b zeigt eine Schemadarstellung eines mechatronischen Objektes MO7 mit Facetten. Ein mechatronisches Objekt MO7 beschreibt ein Element im Engineering, wie z.B. ein Gerat oder eine Maschine. Wenn ein Gerat oder eine Maschine z.B. in eine Teilanlage oder Fertigungsstraße integriert wird, dann können auch die zugeordneten mechatronischen Objekte in einem übergeordneten mechatronischen Objekt für die Teilanlage oder Fertigungsstraße aggregiert werden (siehe MO2 in FIG 3a) . Dieses Konzept bedingt im Allgemeinen definierte Schnittstellen der mechatronischen Objekte MO7, über die die mechatronischen Objekte miteinander verknüpft werden können, um eine Kapselung von Informationen zu erreichen Die in einem mechatronischen Objekt MO7 hinterlegten Daten enthalten dann Informationen zu den generellen thermodynami- schen Eigenschaften eines mechatronischen Objektes, wie z.B. für ein mechatronisches Objekt „Behalter" die minimale und maximale Temperatur von Flüssigkeiten, die in den Behalter eingeleitet werden dürfen sowie weitere Informationen wie

Durchflussmenge, Druck etc. Diese allgemeinen thermodynami- schen Informationen werden spezifisch für eine Anlage mit weiteren Daten ergänzt: Relevant ist z.B. auch die tatsächliche Temperatur der Flüssigkeit, die in den Behalter emgelei- tet wird und die Temperatur der Flüssigkeit nach der „Bear ^¬ beitung" im Behalter. Verallgemeinert sind die thermodynami- schen Vor- und Nachbedingungen eines mechatronischen Objektes für das „Energy Harvesting" relevant, spielen aber auch für die „konventionelle" Projektierung einer Industrieanlage eine Rolle, da sie zur Auslegung der Anlage benotigt werden.

Auf Basis der thermodynamischen Daten eines mechatronischen Objektes MO7 wird ein entsprechendes Engineeringsystem für einen thermoelektrischen Generator (TEG; FIG 1) verfugbare thermische Energie aus der MO-Struktur (z.B. das Anlagenmodell, basierend auf mechatronischen Objekten) berechnen, die die Anlage vollständig oder teilweise repräsentiert: Ist der Wärmebedarf eines mechatronischen Objektes geringer als der verfugbare Warmestrom der in der MO-Struktur unmittelbar vorgelagerten mechatronischen Objekte, ermöglicht die Differenz den Einsatz eines thermoelektrischen Generators. Diese Differenz wird als nutzbare Energie durch das Engineeringsystem angezeigt und gibt dem Konstrukteur Hinweise wo der Einsatz von thermoelektrischen Generatoren (TEG; FIG 1) aufgrund von Energiepotentialen möglich ist. Das erfmdungsgemaße Verfahren berücksichtigt bei der Auswahl von Orten für die Platzie ^¬ rung von thermoelektrischen Generatoren in einer Anlage Ener- giequellen (aus dem Prozess), aber auch Energiesenken (z.B. die Umgebung, die prinzipiell auch als mechatronisches Objekt aufgefasst und modelliert werden kann) . Wenn z.B. die Temperatur der Umgebung so hoch ist wie die Temperatur der anzu ^¬ zapfenden Warmequelle/-senke (Stelle des Anlagenprozesses), dann ist ein thermoelektrischen Generator an dieser Stelle nicht sinnvoll anbringbar.

Die Darstellung für den Konstrukteur kann dann z.B. die Form annehmen, dass Bereiche der Anlage, in denen ein thermoelekt- πscher Generator mit den gewünschten Eigenschaften einsetzbar ist als „grüne Bereiche" oder „grüne Wolken" visuell in den Planungsdaten markiert werden und angezeigt werden (z.B. auf einem Monitor oder in einem Ausdruck) , solche mit Einschränkungen gelb usw.

Der Konstrukteur kann dann aufgrund dieser Vorschlage über den Einsatzort der benotigten thermoelektrischen Generatoren entscheiden und direkt im mechatronischen Engineeringsystem ein mechatronisches Objekt platzieren, das als Stellvertre ^¬ terobjekt für den thermoelektrischen Generator fungiert und die Daten des thermoelektrischen Generators enthalt (z.B. in den Facetten) . Die berechneten Daten in Bezug auf die Eignung der unterschiedlichen Einsatzorte werden dem Konstrukteur durch das Engineeringsystem dargestellt, so dass er z.B. auch anhand der Zuverlässigkeit der Energiequelle entscheiden kann . Alternativ können die Informationen dieses TEG-MO (mechatronisches Objekt, das einen thermoelektrischen Generator repräsentiert) für eine weitere Eingrenzung des Einsatzes des thermoelektrischen Generators verwendet werden. Entweder ist es möglich, bereits instanzierte aber noch nicht platzierte mechatronische Objekte MO7 durch den Konstrukteur im Engineeringsystem zu erzeugen, bei denen das Verbraucher-MO zwar bereits definiert sein kann aber das zugehörige Energieerzeu- ger-MO noch zugeordnet werden muss, oder es kann pauschal nach Einsatzorten für ausgewählte oder alle im Engineeπng- System vorhandenen TEG-Typen gesucht werden (s.o.) . Für jeden Typ eines thermoelektrischen Generators ist dabei ein MO-Typ erforderlich, sofern sich der thermoelektrische Generator aufgrund seiner Emsatzmoglichkeiten (und Daten) unterschei ^¬ det. Im mechatronischen Objekt oder dem MO-Typ sind dabei Vorbedingungen für den Einsatz der thermoelektrischen Generatoren enthalten. Zum Beispiel kann dies die benotigte Leistung sein, außerdem Mateπaleigenschaften, Geometrie (inkl. Anschlüsse) des thermoelektrischen Generators etc. (siehe unten) .

Für eine vollständige Planung einer Gesamtlosung mit thermoelektrischen Generatoren wird ein TEG-Typ in einem Anlagenprojekt instanziert und als Funktion einem oder mehreren Energieverbraucher-MOs direkt zugeordnet. Aus der Zuordnung zu einem Energieverbraucher-MO ergeben sich weitere Informa ^¬ tionen zu den Anforderungen eines thermoelektrischen Generators: z.B. Vorgaben des Energieverbraucher-MOs zur Ausfallsi- cherheit der Energiequelle, auf deren Basis die Verfügbarkeit des thermoelektπschen Generators bestimmt werden muss.

Nach der Identifikation möglicher Einbauorte auf Basis der verfugbaren Energie - wie oben beschrieben - können zusätzliche Informationen bzgl. eingesetztem Material, Geometrie der mechanischen Konstruktion, zeitlichem Verhalten des Warmestroms, raumlichen Bedingungen, geltenden Normen und Richtlinien, Wartbarkeit der Losung etc. von den TEG-MO (thermo- elektrischer Generator modelliert als mechatronisches Objekt) sowie Energieerzeuger-MOs genutzt werden, um daraus die tatsachlichen Möglichkeiten der Installation in der geplanten Anlage genauer zu bestimmen. Beispiele dazu sind:

• Mateπalunvertraglichkeit : Das Material einer Rohrleitung kann für den Anschluss eines TEG ungeeignet sein, da sich die beiden Materialien der Rohrleitung und des TEG-Anschlusses nicht „vertragen" (z.B. aufgrund von Korrosion) . In diesem Fall kann kein thermoelektπscher Generator (TEG) angeschlossen werden oder es kann eventuell ein Verbindungsstuck vorgesehen werden, für das wiederum genügend Platz in der Umgebung vorhanden sein muss. Gegebenenfalls muss eine Warmeleitpaste verwendet werden, was Einflüsse auf Service etc. haben kann.

• Geometrie: Ist der Anschluss eines TEG geometrisch möglich? D.h. in Bezug auf Dimensionierung, Gestalt und Rohrkrummung etc.?

• Räumliche Bedingungen: Bei einer Gesamtbetrachtung der Anlage kann ggf. der zusatzliche Platzbedarf des TEG nicht erfüllt werden. Ein Einbau ist deswegen in Bezug auf ein bestimmtes MO nicht möglich. Oder der Einbau eines TEG kann räumlich nur sehr weit entfernt vom Nutzungsort der erzeugten elektrischen Energie stattfinden (soweit bekannt) - Einsparungen in Bezug auf Verkabelung können damit nicht realisiert werden, stattdessen wird die Kabelfuhrung deutlich aufwendiger und ist nur schwer realisierbar . • Zeitliches Verhalten: Wie zuverlässig werden die angege ^¬ benen thermodynamischen Eigenschaften erreicht? Dies kann sich z.B. aus den vorhandenen Fahrplanen der Anlage ergeben, umgekehrt ergibt sich die durch das TEG beno- tigte Zuverlässigkeit bzw. das notwendige zeitliche Verhalten aus dem Einsatzort des TEG (thermoelektπscher Generator) oder aus einer Gesamtstrategie für die Anlage. Diese Bedingungen können entweder zentral im Engineeringsystem vorgegeben werden oder es wird zunächst pauschal angenommen, dass eine höhere Verfügbarkeit auch eine höhere Eignung bedeutet und die endgültige Entscheidung wird dem Konstrukteur überlassen.

• Normen und Richtlinien: Die Vorgabe bestimmter Normen und Richtlinien (z.B. FDA) kann den Einsatz eines TEG aus Sicherheitsgründen ausschließen (ganz oder in AnIa- genteilbereichen) .

• Wartbarkeit: Ist die Wartbarkeit des TEG sichergestellt? Falls der TEG beispielsweise regelmäßig gewartet werden musste stellt sich die Frage, ob dies aufgrund der raum- liehen Gegebenheiten ggf. nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar wäre.

• Weitere Einschränkungen sind möglich z.B. aufgrund weiterer physikalischer Eigenschaften des TEG: Kann am an ^¬ gestrebten Ort ein TEG aufgrund des Gewichtes des TEG und der Tragfähigkeit des Energieerzeugers (z.B. Rohr oder Behalter) eingebaut werden?

Das Engineeringsystem kann diese Einschränkungen in die Berechnungen mit einbeziehen und so einige der zunächst als ge- eignet erscheinenden Einbauorte für ein TEG bereits automatisiert ausschließen. Es bleibt dabei der Ausgestaltung des Engineering-Systems überlassen, in welchem Umfang diese Kriterien bereits automatisiert berücksichtigt werden. FIG 4 zeigt ein Beispiel für eine objektorientierte Repräsen ^¬ tation von mechatronischen Objekten in UML-Notation . Prinzipiell ist jede objektorientierte Notation verwendbar. Me- chatronische Objekte können von einem Benutzer mit Hilfe von Engineeringsystemen oder Softwareentwicklungsumgebungen, die objektorientierte Paradigmen (Klassen, Typen, Vererbung, etc.) unterstutzen, entworfen und implementiert werden. Die Rechtecke in FIG 4 stellen die involvierten Objekte bzw.

Teilobjekte dar, die Linien mit der entsprechenden Notation die Beziehungen zwischen den Objekten („has ^λλ , „from", „is a ^λλ usw . ) .

In einer Softwareentwicklungsumgebung kann die Implementie- rung der mechatronischen Objekte bspw. in einer objektorientierten Programmiersprache erfolgen (z.B. C++) und zunächst eine Basisklasse „MO" definiert werden, die die Grundkonzepte der mechatronischen Objekte realisiert und eine standardisierte Schnittstelle bereitstellt. Eine solche Klasse kann z.B. generische Facetten und bereits Standardfacetten definieren und generische Zugriffsmethoden auf beliebige Facetten enthalten. Für beliebige Typen einer technischen Komponente einer technischen Anlage können dann weitere Klassen von dieser Basisklasse abgeleitet und ggf. um weitere Facetten er- weitert und Informationen hinzugefugt werden. Für TEGs kann zunächst eine Klasse „TEG" definiert werden, die die allgemeinen Eigenschaften und Facetten aller TEGs umfasst. Für einen speziellen TEG-Typ x wird dann eine Klasse „TEG_x" von der Klasse „TEG" abgeleitet und mit den spezifischen Eigen- Schäften und ggf. Facetten dieses TEG-Typs erweitert oder gefüllt. In dem zugehörigen Engineeringsystem wird in einem Anlagenprojekt schliesslich diese Klasse „TEG x" mstanziiert, wenn ein TEG dieses Typs in dem Anlagenprojekt platziert wird, und ggf. parametπert (z.B. mit Ortskennzeichen, AnIa- genkennzeichen, notwendiger Zuverlässigkeit) . Die Relationen zwischen den Instanzen oder Objekten werden über Zeiger zwischen den Objekten oder über Verweise auf eindeutige Identitäten realisiert. Zur Datenablage der Objekte und Relationen oder zum Datenaus ^¬ tausch können Framework-Formate und spezifische Formate verwendet werden. Ein Framework-Format ist eine Integrationsbasis für unterschiedliche Domänen und Disziplinen und ist ge- eignet zur Integration spezifischer Formate. Em spezifisches Format umfasst Informationen und Beziehungen einer spezifi ^¬ schen Domäne bzw. Disziplin. Als Datenformat für ein Framework-Format kann z.B. benutzt werden: PLM XML, AutomationML, CAEX, STEP etc. Als Datenformat für ein spezifisches Format kann z.B. benutzt werden: JT, Collada, PLCopen XML, STEP AP214, AP 210, eClass, ProList.

FIG 5 zeigt eine beispielhafte Einrichtung ES (z.B. Enginee- πngsystem) zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens. Das Verfahren wird durch Software (C, C++, Java etc.) realisiert und kann durch ein Computerprogramm-Produkt, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung C die Durchfuhrung des Verfahrens veranlasst zur Ausfuhrung gebracht werden. Weiterhin kann die Software auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein (z.B. Floppy Disk, CD, Smart Media Card, USB-Stick) , umfassend Anweisungen, welche, wenn sie auf einem geeignetem Computer C ausgeführt werden, den Computer C dazu bringen, das Verfahren auszufuhren.

Die Einrichtung ES umfasst einen Bildschirm M zur grafischen Darstellung der mechatronischen Objekte bzw. des Anlagenmodells, Eingabemittel EA (z.B. Maus, Tastatur, Touch-Pen) zur Auswahl und Manipulation der Objekte, Speichermittel DB zur Archivierung erstellter Objekte bzw. Modelle sowie eine Ver- arbeitungsemheit C. Die Verarbeitungseinheit C kann ein marktublicher Computer sein (z.B. Laptop, PC) aber auch ein robuster Industrie-PC, der auch für Anwendungen im Shopfloor- Bereich (z.B. in der Werkhalle) geeignet ist. Das Verfahren ist prinzipiell aber auch durch verteilte Rechnerarchitektu- ren (Cluster, Cloud-Computing) oder webbasiert realisierbar.

Das Engineeringsystem ES kann die oben angeführten Einschränkungen (Mateπalunvertraglichkeit, Geometrie, zeitliches Verhalten, Normen und Richtlinien, Wartbarkeit etc.) in die Be- rechnungen mit einbeziehen und so einige der zunächst als ge ^¬ eignet erscheinenden Einbauorte für einen thermoelektπschen Generator bereits automatisiert ausschließen. Es bleibt dabei der Ausgestaltung des Engineering-Systems ES überlassen, in welchem Umfang diese Kriterien bereits automatisiert berücksichtigt werden, z.B. durch Parametπerung oder Konfigurie ^¬ rung durch einen Bediener. Eine Parametπerung konnte z.B. domanenspezifisch erfolgen.

Die letzte Entscheidung über den Einbau eines thermoelektπ- schen Generators wird üblicherweise dem Konstrukteur vorbehalten sein, dem für jeden thermoelektπschen Generator die bestmöglichen Einbauorte angezeigt werden (z.B. bei Auswahl eines thermoelektπschen Generators werden analog zu oben die besten Einbauorte grün markiert, weitere mögliche Einbauorte „gelb" usw. ) .

Möglich ist aber auch eine im Engineeringsystem ES umgesetzte Optimierungsstrategie, die die Vor- und Nachteile des Einsatzes eines thermoelektπschen Generators an den möglichen Energiespender-MOs anhand technischer Kriterien wie oben angegeben und anhand erwarteter Lifecycle-Kosten bewertet und automatisch eine vollständige Losung erstellt (die dann gege- benenfalls wiederum durch einen Konstrukteur modifiziert werden kann) .

Als Erweiterung kann das Engineeringsystem ES zusätzlich eine Option anbieten: Falls keine oder nicht ausreichend thermi- sehe Energie für in die Losung bereits eingeplante / platzierte thermoelektπsche Generatoren verfugbar ist, kann dies durch eine Veränderung von Losungsparametern erreicht werden, d.h. Zufuhrung von zusätzlicher Energie in den Prozess, um spater diese Energie an geeigneter Stelle für thermoelektπ- sehe Generatoren nutzen zu können. Das Engineeringsystem ES berechnet für diese Option dann automatisch die ausgehend von den MO-TEGs (thermoelektπsche Generatoren, die als mechatro- nische Anlagenobjekte modelliert sind) benotigte Energie entlang der MO-Energieerzeugerkette . Dies geschieht aus Sicht des MO-TEGs bis hin zu den Energiequellen und akkumuliert die dort benotigte Energie (ggf. inkl. möglicher Energieverluste in der MO-Kette) . Das Engineeringsystem ES ist in der Lage mehrere alternative Möglichkeiten zu berechnen und stellt diese Alternativen dem Konstrukteur zur Auswahl dar. Das Engineeringsystem ES berücksichtigt dabei grundsätzlich techni ^¬ sche Randbedingungen und verwirft nicht realisierbare Losungen (z.B. thermische Grenzen im Prozess, die nicht uber- schritten werden dürfen) . Jede neue Losung des Engineeringsystems ES kann dabei zusätzlich aufgrund von betriebswirt ^¬ schaftlichen Kriterien und in den mechatronischen Objekten verfugbaren Informationen durch das Engineeringsystem ES bewertet werden und als Entscheidungsgrundlage für den Kon- strukteur dienen (z.B. wie hoch sind die vermehrten Energiekosten aufgrund der zusätzlichen Energieeinspeisung) . Das Engineeringsystem ES kann dem Konstrukteur zusätzlich Hinweise auf technische Engpasse im System geben, d.h. welches me- chatronische Objekt verhindert eine erhöhte Energiezufuhr aufgrund von technischen Grenzwerten. In der höchsten Ausbaustufe kann das Engineeringsystem ES zusatzlich alternative mechatronische Objekte (MO) für diese „Engpass"-MOs vorschlagen und dem Konstrukteur zur Auswahl anbieten. Der Konstrukteur kann dann eine Losungsalternative annehmen oder die On- ginallosung beibehalten und entsprechend manuell Änderungen an seiner Losung im Engineeringsystem ES vornehmen.

Damit wird implizit durch das Engineeringkonzept eine Infor ^¬ mationstiefe und -qualitat erreicht, die ein Engineering von Komponenten mit der Komplexität von thermoelektπschen Generatoren mit vertretbarem Aufwand und dem Einsatzzweck angemessener Zuverlässigkeit erlaubt. Auf diese Weise werden un ^¬ mittelbar z.B. die Beachtung von Rahmenbedingungen und die Konsistenz des entstehenden Anlagenkonstrukts sichergestellt. Aufgrund der Vielzahl der dabei entstehenden Beziehungs- und Verknupfungsmformationen wird gleichzeitig die Beschreibung des Anlagenkonstrukts deutlich vertieft, so dass z.B. die Detaillierung und Optimierung einer Anlagen-Energiebilanz stark vereinfacht wird. Der Konstrukteur hat damit die Möglichkeit Planungsparameter wie die Eingangsleistung so anzupassen, dass der Einsatz von thermoelektπschen Generatoren ermöglicht wird. Die beschriebenen Erweiterungen eines Engineeringsystems ES können innerhalb bzw. als ein Zusatzmodul für ein Mechatrom- sches Engineeringsystem oder auch als getrenntes System realisiert werden.

Verfahren und System zur Platzierung von thermoelektπschen Generatoren in technischen Anlagen, wobei ein Anlagenmodell aus interagierenden mechatromschen Objekten, umfassend typ- spezifische und anlagenspezifische thermodynamische Vor- und Nachbedingungen, erstellt wird und basierend auf einer jeweiligen Thermoenergiedifferenz zwischen den mechatromschen Objekten mögliche Einsatzorte für thermoelektrische Generatoren in der Anlage bestimmt werden.

Bezugszeichen

A Anlage

TP Teilprozess

AG Aggregat

EP Energiepotential

TEG Thermoelektrischer Generator

VB Verbraucher

SE Systemeigenschaft

UB Umgebungsbedingung

MOl - MO7 Mechatronisches Objekt

ES Engineeringsystem

M Monitor

C Computer

DB Datenbank

V Verbindung

EM Eingabemittel