MASTER THESIS - Fachhochschule Nordwestschweiz

MASTER THESIS
Automatisierung – Kite Windkraftwerk
Student : Nick Beeli
Projektbetreuer: Heinz Burtscher
Expert : Rolf Luchsinger
Date : 25/02/2011

MASTER THESIS
Automatisierung – Kite Windkraftwerk
Inhalt
1 Zusammenfassung .................................................................................................................. 3
2 Pflichtenheft............................................................................................................................ 4
3 Hintergrund zum Thema „kite power“ ............................................................................. 5
4 Einführung .............................................................................................................................. 8
5 Labview .................................................................................................................................... 9
5.1 Steuerung des Drachens ..................................................................................................................... 9
5.1.1 Grundlagen ........................................................................................................................................ 9
5.1.2 Benutzeroberfläche .......................................................................................................................... 10
5.1.2.1 Beenden des Programms ......................................................................................................................................................... 12
5.1.2.2 Ströme der Motoren................................................................................................................................................................. 12
5.1.2.3 Flugrichtung des Drachens ..................................................................................................................................................... 13
5.1.2.4 Position der Linien .................................................................................................................................................................. 14
5.1.2.5 Grundinformation zur KCU .................................................................................................................................................... 14
5.1.2.6 Verschiedene Optionen ........................................................................................................................................................... 15
5.1.3 Labview-Programm ......................................................................................................................... 20
5.1.3.1 Hauptschleife ........................................................................................................................................................................... 20
5.1.3.2 Schleife zur Berechnung der Test-Zeit ................................................................................................................................... 23
5.1.3.3 Schleife des Test-Programms .................................................................................................................................................. 24
5.2 TCP-IP Verbindung ........................................................................................................................... 25
5.2.1 Herstellen einer Verbindung ........................................................................................................... 25
5.2.2 Master-Programm Initialisierung ................................................................................................... 26
5.2.3 Slave-Programm Initialisierung ..................................................................................................... 26
5.2.4 Hauptprogramm .............................................................................................................................. 27
5.2.4.1 Sende-Schleife.......................................................................................................................................................................... 28
5.2.4.2 Empfangs-Schleife ................................................................................................................................................................... 29
5.2.4.3 Buffer ....................................................................................................................................................................................... 30
5.2.4.4 Bearbeitung des Daten-Segments .......................................................................................................................................... 32
5.2.5 Ethernet-Kabel oder Wireless-Verbindung ..................................................................................... 33
5.2.5.1 Grundlagen .............................................................................................................................................................................. 33
5.2.5.2 Software ................................................................................................................................................................................... 33
5.3 KCU Software ...................................................................................................................................... 35
5.3.1 Grundlagen ...................................................................................................................................... 35
5.3.2 Software ........................................................................................................................................... 36
5.3.2.1 Grundlagen .............................................................................................................................................................................. 36
5.3.2.2 Steuerung und elektrische Messungen der Motoren ............................................................................................................. 36
5.3.2.3 Vorbereitung zum Senden der Daten ..................................................................................................................................... 37
5.3.2.4 Einlesen der Sensor-Messungen ............................................................................................................................................. 39
6 Schutz der Batterie (LION) ................................................................................................ 40
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 1

6.1 Einführung .......................................................................................................................................... 40
6.2 Charakteristik bei Benutzung ......................................................................................................... 40
6.3 Elektronische Schaltung................................................................................................................... 41
6.3.1 Komparator ...................................................................................................................................... 41
6.3.2 Schutz gegen Überspannung und Spannungsfluktuation .............................................................. 42
6.3.3 Schalt-Hysterese .............................................................................................................................. 43
6.3.4 Softswitching ................................................................................................................................... 45
6.3.5 Schutz gegen kurze Spannungsabfälle ........................................................................................... 45
6.3.5.1 Theorie ..................................................................................................................................................................................... 45
6.3.5.2 Messungen ............................................................................................................................................................................... 47
6.4 Gehäuse ................................................................................................................................................ 49
7 EPOS Konfiguration und Verbesserung ......................................................................... 50
7.1 Einführung .......................................................................................................................................... 50
7.2 Problem ................................................................................................................................................ 50
7.3 Lösung und Verbesserung ................................................................................................................ 51
8 Schlusswort ........................................................................................................................... 52
9 Dank ........................................................................................................................................ 53
10 Quellen .................................................................................................................................... 54
11 Abbildungen .......................................................................................................................... 55
12 Anhang .................................................................................................................................... 57
12.1 Speicherung der Daten ..................................................................................................................... 57
12.2 LABVIEW ............................................................................................................................................. 58
12.2.1 Joystick ............................................................................................................................................ 58
12.2.2 Bearbeitung der Daten des Joysticks .............................................................................................. 58
12.2.3 Darstellung der Barren der Kontrolle ............................................................................................. 59
12.2.4 Verbindung zwischen Computer und KCU ..................................................................................... 59
12.2.5 Spannung der Batterie .................................................................................................................... 60
12.2.6 Erschaffung einer Textdatei ............................................................................................................ 60
12.2.7 Speicherung der Daten .................................................................................................................... 61
12.2.8 Letzte Versbesserung des Programms ............................................................................................ 62
12.3 LION-Gerät .......................................................................................................................................... 63
12.3.1 Gleichung der Schaltspannung ....................................................................................................... 63
12.3.2 Messungen ....................................................................................................................................... 65
12.4 Funkmodem ......................................................................................................................................... 69
12.5 Xsens-Sensor ....................................................................................................................................... 85
2 25/02/2011

1 ZUSAMMENFASSUNG
Bis heute ermöglicht es der Wind, Elektrizität mit Windkraftanlagen zu produzieren.
Seit einigen Jahren erproben viele Projekte auf der Welt neue Möglichkeiten, Wind zu
nutzen. In der Höhe ist der Wind stärker und konstanter. Deshalb entstand das Konzept
der Energieproduktion mit einem Flugdrachen, welcher Kite genannt wird.
Die Technik, die verwendet wird um Energie zu produzieren, heisst „Yo-Yo“ oder
„Pumping“. Das heisst, dass die Energieproduktion in zwei Phasen aufgegliedert wird.
Während der ersten Phase wird der Kite freigelassen und von dem Wind getrieben. Dies
wird mit einem Kabel, das den Kite mit einem Generator verbindet, ermöglich. Durch
das freilassen wird Energie produziert. Während einer zweiten Phase, wird der Kite mit
diesem Kabel mit einem Teil der vorher produzierten und gespeicherten Energie
zurückgeholt. Um die dafür nötige Leistung zu reduzieren, wird der Kite in dieser
zweiten Phase in eine andere Winkelposition gestellt. Nun ist die produzierte Energie
die Differenz zwischen der produzieren Energie währen der ersten Phase und der
verbrauchten Energie der zweiten Phase.
Das Fernziel ist ein vollständig automatischer Betrieb. In dieser Arbeit fliegt der
Drachen manuell, das System ist jedoch jetzt für einen automatischen Betrieb bereit.
Das bedeutet, dass nur der Algorithmus der Steuerung geschrieben werden muss. Alle
Variablen des Antriebs und der Messungen sind für den Algorithmus erhältlich.
Eine Verbindung für mehrere Computer wurde implementiert, um Daten (Messungen,
Kontrolle-Befehl, Kamera, …) auszutauschen. Diese wurde auf die Anpassungsfähigkeit
mit anderen Programmen und Computern untersucht. Heute kann man die KCU (Kite
Control Unit)mit drei verschiedenen Typen der Verbindungstypen verwenden:
Funkmodem, Wifi und Ethernet-Kabel. Diese Möglichkeit bietet eine Redundanz, falls
Störungen oder Problemen der Geräten auftreten.
Ein Feedback-Sensor, wurde auf dem Drachen installiert, um alle Variablen des Flugs
(Höhe, Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung durch GPS…) zu erhalten. Diese
werden nützlich für den Algorithmus der Steuerung sein. Solang dieser Algorithmus
noch nicht implementiert ist, werden die Variablen in einer Datei gespeichert, um sie
nach dem Flug zu analysieren.
Eine Benutzeroberfläche wurde als Flughilfe erstellt Ein Alarmsystem informiert den
Pilot, wenn zu viel Kraft in den Linien der Befestigung auftritt, damit er den
Anstellwinkel des Drachens ändern kann. Die Geschwindigkeit und Beschleunigung
der Motoren, welche auf der KCU sind, können in der Echtzeit verändert werden.
Ein Test-Programm analysiert die Entladung der Batterie und das Funktionieren der
Verbindung mit der KCU im Labor. Dieses Programm simuliert die Steuerbewegungen
während eine Zeit „t“, welche von dem Benutzer vorher eingetragen werden.
Ein letzter Punkt des Projektauftrags war die Entwicklung und der Aufbau eines
Spannung-Schutzes für die Batterie.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 3

2 PFLICHTENHEFT
1. Vertraut-Machen mit dem Projekt
− Lesen von verschiedenen Berichten von Studenten zu diesem Thema
− Bachelor Thesis - Anderes und Huwyler, 2009
− Master Project 1 – Marchand, 2010
− Master Project 1 – Huebert, 2010
− Einarbeitung in der Thema – Kite Power/Airborne Wind Energy
2. Einarbeiten in die Software „Labview“
− Lesung von Tutorials
− Analyse von anderen Programmen
3. Untersuchung einer gute Verbindung zwischen mehrere Computer mit
Labview
− Analyse: Funkmodem, RS232, TCP-IP
− Selektion der besten Möglichkeit
− Generierung des Hauptprogramms
− Bearbeitung der verschiedenen Fehlerfälle
− Programmverpackung (Das Programm kann für anderen Applikationen benutzt
werden „Anpassungsfähigkeit“)
5. Programmierung des Programms für die Steuerung des Drachens
− Verbesserung des bestehenden Programms
− Austausch der Daten zwischen Computer
− Testprogramm für Versuch im Labor
− Anschaffung der Daten der KCU
6. Programmierung des Programms der KCU (Kite Control Unit)
− Installation eines Feedback-Sensors auf dem Drachen. Einlesen der Daten
− Verbesserung der Geschwindigkeit der Motoren
− Verbesserung des bestehenden Programms
7. Versuch mit der ganzen Anlage
− Test der Anlage
− Untersuchung zur Verbesserung der verschiedenen Komponenten
8. Beschreibung der Programme in einem Bericht für die zukünftigen
Benutzer
4 25/02/2011

3 HINTERGRUND INTERGRUND ZUM THEMA „KITE POWER“
Energie, die von einer Windkraftanlage produziert wird, steht im Verhältnis zur
Leistungsdichte des Winds
der auf die Anlage eine Kraft ausübt. . In der Abbildung 1
steigt die ie Leistungsdichte de des Winds mit der dritten Potenz der Windggeschwindigkeit.
Es ist sichtbar, dass 2 Mal mehr Wind 8 Mal mehr Leistung ergibt. gibt. So hat die
Windgeschwindigkeit einen grossen Einfluss auf ddie
Leistung. Aus diesem Grund
werden Orten mit stärken Winde Winden für den Einsatz einer solchen Anlage bevorzugt bevorzugt.
Abbildung 1 : Leistung pro m m2 im Verhältnis der Geschwindigkeit [REF8]
Die Windgeschwindigkeit sowie ddie
Leistungsdichte steigen deutlich mit der Höhe in der
sich die Anlage befindet. In Abbildung 2 wird die Windgeschwindigkeit für eine HHöhe
von 120m und in Abbildung 3 für eine Höhe von 600m dargestellt.
http://www.jobyenergy.com/haw
Abbildung 2 : Leistungsdichte für eine Höhe von 120m [kW pro m m2 ] [REF7]
Automatisierung – Kite Windkraftwerk
1 3 P ⎡ kW ⎤
⋅ ρ ⋅ VWind
= 2
2 A ⎢
⎣ m ⎥
⎦
2⋅V ⇒ 8⋅
P
Wind
5

Um die Windenergie von grosse grossen Höhen zu benutzen, sind neuartige Windkraftanlage
Windkraftanlagen
erforderlich. Während des es letzen Jahrhunderts, wurden unzählige Möglichkeiten
evaluiert und patentiert.
Ein Konzept setzt sich jedoch von den Anderen ab ab. Während des Flugs von
Modellflugzeugen, , befestig an einem Seil, bemerkte ein amerikanischer Ingenieur Miles
Loyd bemerkt dass es verschiedene Fälle des Flugs und der Windgeschwindigkeit gab,
in denen es viel mehr Kraft in den Linien gab als bei Anderen. Diese Erkenntnis und die
Grundgleichungen wurden in seinem Dokument vom Jahr 1980 „Crosswind sswind Kite Power“
publiziert. In dieser Arbeit hat hatte er drei Beschreibungen der Energie Energie-Methoden
beschrieben sowie die Verhältnisse für einen optimalen Wirkungsgrad.
6
http://www.jobyenergy.com/haw
Abbildung 3 : Leistungsdichte für eine Höhe von 600m [kW pro m m2 ] [REF7]
Abbildung 4 : Energie Energie-Methoden „Crosswind Kite Power“ Miles Loyd [REF1]
25/02/2011

In Abbildung 4 auf Seite 6 werden die drei verschiedenen Energie-Methoden dargestellt.
Die Einheit der x-Koordinate ist das Verhältnis zwischen Seilgeschwindigkeit des
Drachens und Windgeschwindigkeit oder das Verhältnis zwischen Luftwiderstand der
Turbinen und dem gesamten Luftwiderstand des Drachens mit Turbinen (Erklärung der
Methode auf Quelle [REF1]). Die Einheit der y-Koordinate stellt die Nennleistung dar.
Abbildung 5 :
Methode Fs
Die einfache Drachenmethode ist die Produktion von Leistung
während der Drachen ein Seil von einer Rolle zieht. In Abbildung 5
zieht der Drachen immer in Richtung des Pfeils. Mit dieser Methode
ist der optimale Punkt (Kurve „Fs“) bei einem Verhältnis von 0.5.
Für eine Anlage, die diese Methode verwendet, sollte die
Auslassgeschwindigkeit des Drachens die Hälfte der
Windgeschwindigkeit betragen, um die maximale Leistung zu
erhalten.
Die Methode bei dem der Drachen manövriert wird ist
grundsätzlich die Gleiche wie die erste Methode. Hier wird jedoch,
der Drachen während der Zugsphase Quer zum Wind (Im Kreis
oder im Acht) geflogen. In Abbildung 6 ist diese Methode
veranschaulicht. Die Rotation des Drachens ergibt eine
Normleistung (Kurve „Fc“) die bis zu 30 Mal grösser ist als bei der
ersten Methode. Die Auslassgeschwindigkeit des Seils des Drachens
sollte dieses Mal idealer Weise ein Drittel der Windgeschwindigkeit
betragen. In diesem Projekt wird zuerst mit dieser Methode
gearbeitet, um Elektrizität zu produzieren.
Abbildung 6 :
Methode Fc
Die Methode mit Turbinen auf dem Drachen
benötigt ein Seil mit Energieübertragung
zwischen der Bodenstation und dem Drachen,
um die Energie von den Generatoren an den
Boden zu befördern. Während der ersten Phase
des Abflugs muss Energie an die Turbinen
abgegeben werden. Wenn der Drachen fliegt,
kann Energie produziert werden. Die
Abbildung 7 : Methode FD
Energieproduktion wird zusätzlich durch den
Winkel der Propeller und das Drehmoment des
Motors, die mehr oder weniger Luftwiderstand verursachen, beeinflusst. Wie bei der
ersten Methode, findet die optimale Leistungsproduktion (Kurve „FD“) bei eine
Seilauslassgeschwindigkeit bei der Hälfte der Windgeschwindigkeit statt. Es entsteht
aber die gleiche Leistung wie bei der zweiten Methode. Eine Firma in den USA „JOBY
Energy“ setzt diese Methode für ihre Anlage ein. Um mehr Informationen zu erhalten,
kann diese Quelle [REF7] herangezogen werden.
In den letzten zwei Jahren bestand das Hauptziel an der FHNW der Entwurf, der
Aufbau und die Optimierung einer Testanlage. Diese Anlage kann benutzt werden, um
die verschiedenen Energie-Methoden zu testen. Diese Arbeiten wurden bis heute mit
Hilfe von Bachelor-, Master-Studenten und mit Beiträgen von Mitarbeitern und
Dozenten durchgeführt.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 7

4 EINFÜHRUNG
Das Hauptziel von diesem Projekt war das Erstellen eines Kommunikationssystems
zwischen den verschiedenen Computern der Anlage, da bislang kein
Datenaustauschzwischen den zwei nachfolgenden Teilen der Anlage stattfand:
- Bodenstation
- Steuereinheit des Drachens mit der KCU
Die alte Konfiguration war nicht optimal, um eine intelligente Steuerung des ganzen
Systems zu erhalten. Im Frühlingsemester 2011 wird ein Algorithmus für die
automatische Steuerung der Anlage entwickelt. Aus diesem Grund sollten alle Befehle
der Komponenten und Messungen (Kraft im Seil zwischen KCU und Bodenstation,
Geschwindigkeit und Beschleunigung des Drachens, Länge des Seils…) erhältlich sein,
um ein gutes Modell für den Algorithmus zu erhalten.
Drachen
oder Kite
Computer für die
Steuerung des
KCUs
Linie der Steuerung des
Drachens
KCU (Kite Control Unit)
Hauptlinie
Computer für die
Bodenstation
Joystick für die manuelle Steuerung
Abbildung 8 : Anlage des „Swiss Kite Power“-Projekt
Bodenstation
Der Pilot der Anlage sollte am Ende nur zwei Joysticks und zwei Bildschirme benutzen,
um das ganzen Systems zu kontrollieren. Daher ist es wichtig eine gute und effiziente
Benutzeroberfläche zu haben. Ein besonderes Augenmerk wurde auf dies Oberflächen
gelegt.
8 25/02/2011

5 LABVIEW
Während dieses Kapitels werden alle Anwendungen, die LABVIEW benutzen,
beschrieben. Die Benutzeroberfläche wird im ersten Schritt erklärt, um die
Verständlichkeit der Programme zu vereinfachen.
5.1 Steuerung des Drachens
5.1.1 Grundlagen
2
Abbildung 9 : Steuerung des KCUs
Für die Steuerung der ganzen Anlage sind nur zwei Joysticks nutzbar:
1
1) Einer für die Kontrolle der Leistung, die produziert oder abgegeben wird.
2) Einer für die Flugsteuerung des Drachens.
Diese zwei Joysticks sind an dem Computer, der auf in Abbildung 9 dargestellt ist,
angeschlossen. Die Befehle des Joysticks 1 werden über ein Ethernet-Kabel (oder eine
Wifi-Verbindung) zu dem anderen Computer geschickt. Ein Funkmodem (Anhang 12.4
Seite 69), welches in Abbildung 10 zu sehen ist, wird für den Datenfluss zwischen
Computer und KCU benutzt.
Abbildung 10 : Funkmodem
Auf dem Bildschirm werden verschiedenen Daten dargestellt, die sollten eine Flughilfe
für den Pilot sein. Wenn der Drachen fliegt hat der Pilot nicht viel Zeit, um die
Flugeigenschaften zu analysieren. Deshalb wurde eine intuitive Benutzeroberfläche
entwickelt.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 9

5.1.2 Benutzeroberfläche
Um die Benutzeroberfläche zu benutzen, muss das Programm mit dem Icon
geöffnet werden. Nach dem Öffnen kann das Programm im „Run mode“ mit dem Knopf
eingeschaltet werden.
Ein Fenster (Abbildung 11) erscheint und fragt, ob der Benutzer alle Daten auf der
Festplatte speichern möchte. Es können die nachfolgenden Daten 4 bis 10 Mal pro
Sekunde in eine „.txt“ Datei geschrieben werden:
- Zeit und Datum der Messung
- Spannung der Batterie
- Eine Information, ob sich die Linie des Drachens bewegen
- Die Ströme der Motoren
- Eine Information über die Kontrolle des Drachens (Automatisch oder Manual)
- Die Längen der Linien (Soll- und Istwert)
- Der maximale Abstand zwischen den beiden Linien
- Der Anstellwinkel des Drachens
- Die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und die Verzögerung der Motoren
Abbildung 11 : Fenster für die Speicherung der Daten
Ein Beispiel der Datei ist im Anhang 12.1 Seite 57 ersichtlich.
Es könnte sein, dass es schon eine Datei gibt, die den gleichen Name trägt. Wenn dies
der Fall ist, kommt ein neues Fenster (Abbildung 12) und fragt, ob der Benutzer
wirklich über die alte Datei schreiben möchte:
Abbildung 12 : Sicherheitsfenster
Die Daten können sehr wichtig sein, wenn der Benutzer die Eigenschaften des Flugs
analysieren möchte oder wenn diese Daten für ein Simulationsprogramm benutzt
werden sollen.
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Nach diesem Schritt der Speicherung ist das System Einsatzbereit. Der Benutzer sieht
die nachfolgende Oberfläche:
2
1
Abbildung 13 : Benutzeroberfläche „Joystick control“
Abbildung 13 kann in sechs verschiedene Teile unterteilt werden:
1) Beenden des Programms
2) Ströme der Motoren
3) Flugrichtung des Drachens
4) Position der Linien (Soll- und Istwert)
5) Grundinformation der KCU (Kite Control Unit)
6) Verschiedene Optionen
4
3
Um das ganze Programm zu verstehen, werden die oben genannten Punkte im Detail
wiederholt.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 11
5
6

5.1.2.1 Beenden des Programms
Abbildung 14 : Knopf „Stop“
Wenn der Benutzer das Programm beenden möchte, sollte er den Knopf „Stop“ drücken,
um ein sauberes Schliessen auszuführen. Dann werden die Ports der Verbindung richtig
geschlossen, im Gegensatz zu einer Not-Aus-Abschaltung mit dem Labview-Knopf .
Die letzte Abschaltung wäre nicht gefährlich für den Computer, jedoch wären drei Ports
immer für das Labview-Programm reserviert.
5.1.2.2 Ströme der Motoren
Während des ersten Versuchs in Möriken wurde Entschieden, dass es wichtig ist eine
Ansicht der Kräfte in den Linien des Drachens zu haben. Wenn es zu viel Kräfte in den
Linien gab, da dadurch die Motoren in den Leerlaufmodus gelangen und der Kite nicht
mehr steuerbar ist. Der Anstellwinkel kann und sollte verändert werden, wenn es zu
viel Kraft in den Linien gibt. Die Motoren, die sich auf der KCU befinden, sind
Brushless DC-Motoren. Das bedeutet, dass der Strom proportional zum Drehmoment
ist. Da es keine Kraftsensoren an den Linien des Drachens gibt, werden die
Darstellungen des Stroms genommen.
Abbildung 15 : Darstellung des Stroms in den Motoren
In Abbildung 15 sind die Ströme in den zwei Motoren für 3 verschiedene Fälle zu sehen.
Der erste Fall stellt den Betrieb ohne Kraft in den Linien dar. Der Zweit wäre eine
normale Bewegung und im dritten Fall entsteht einen Sprung. Dieser Sprung wäre eine
schlagartige Kraft in der roten Linie.
12 25/02/2011

5.1.2.3 Flugrichtung des Drachens
Dank des Sensors auf dem Drachen, sind die Fluginformationen (Grundlagen 5.3.1 Seite
35) erhältlich. Für eine Manuelle Steuerung sind diese Informationen nicht sehr
notwendig aber für die automatische Steuerung, die wahrscheinlich im
Frühlingsemester 2011 entwickelt wird, wird diese sehr interessant sein. Für diese
Phase des Projekts ist die Information der Flugrichtung nötig, um die Fähigkeiten des
Sensors zu überprüfen.
Während der Entwicklung der Oberfläche, gab es viele Fragen über diese Darstellung.
Sollte die Flugrichtung eine 3D-Darstellung sein? Sollten die verschiedenen Flugwinkel
dargestellt werden? ... Schliesslich wurde die Entscheidung für die Flugrichtung mit der
Hilfe eines Quadranten genommen, weil die 3D-Darstellung nicht optimal für die
Ansicht gab.
Heute ist die Flugrichtung wie in der Benutzeroberfläche sichtbar (Abbildung 16).
Abbildung 16 : Richtung des Drachens
Bemerkung: Nach einige Versuche und Erfahrung werden die Piloten der Anlage sagen,
ob es gut für eine andere Darstellung zu wechseln wäre. Alle Variablen sind erhältlich
und bereit für die Veränderung.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 13

5.1.2.4 Position der Linien
Abbildung 17 : Position der Linien
In Abbildung 17 sind zwei verschiedenen Positionen zu sehen:
- Istwert (Dunkel grüner Balken)
- Sollwert (Schwarzer Cursor)
Diese Darstellung informiert den Pilot über den Unterschied zwischen Soll- und Istwert
und die Dynamik der Motoren, um den Sollwert zu erreichen. Reagieren die Motoren zu
langsam oder zu schnell, kann der Pilot die Geschwindigkeits- und die
Beschleunigungseigenschaften ändern (Unterkapitel 5.1.2.6 Seite 17).
5.1.2.5 Grundinformation zur KCU
Die aktuelle KCU hat eine Batterie für den Eigenverbrauch und keine andere
Versorgung. Deshalb ist es nötig eine „Realtime“-Information der Batteriespannung zu
haben. Da der Benutzer des Programms diese Information nicht immer sieht, ist es sehr
wichtig ihn zu informieren, falls die Batterie fast leer ist. Dazu leuchtet eine rote Lampe
auf (Abbildung 18, unten rechts).
Abbildung 18 : Grundinformation von dem KCU
Eine andere Variable die Anzahl der Schleifendurchläufe des Programms des in die
KCU eingebetteten Computers pro Sekunde. Diese Information kann wichtig sein, um
das Funktionieren des Computers der KCU zu überwachen.
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5.1.2.6 Verschiedene Optionen
Dieser Ordner ist in 6 verschiedenen Teilen unterteilt:
1) Joystick control
2) Test program
3) Parameter
4) Communication parameter
5) Ground station
6) GPS info
1. Joystick control:
Abbildung 19 : Ordner: Joystick control
In Abbildung 19 sind 3 Balken dargestellt. Der Erste „Offset“ zeigt die Position des
Nullpunkts der Linie (Gelben Kugeln auf der Abbildung 21). In diesem Fall könnte 50%
eine Position von 270mm zwischen Kugeln und Motoren darstellen.
Der zweite Balken „Range X“ zeigt den maximalen Abstand zwischen den beiden
Kugeln, wenn der Drachen dreht. Dies bedeutet, wenn der Joystick ganz rechts oder
links wäre, ein Abstand von 125mm.
Der dritte Balken „Range Y“ zeigt die maximale Bewegung in der Höhe, wenn der
Joystick komplett Oben oder Hoch wäre.
Abbildung 21 : Linien
des KCUs
Band Y
Band X
Abbildung 20 : Joystick für die
Steuerung des KCUs
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 15

2. Test program:
Abbildung 22 : Ordner : Test program
Die Idee von einem solchem Programm ist die Bewegungen der Motoren und das
Funktionieren der ganzen Anlage im Labor zu erproben. Z.B. wurde die Entladung der
Batterie im Labor mit Hilfe dieses Programmes untersucht.
Der Benutzer kann 5 verschiedenen Positionen pro Linie wählen. Diese Positionen
werden während 2 Sekunden verwendet. Die Liste der Bewegungen wird zyklisch alle
„t“ Sekunden abgearbeitet und die Zeit „t“ kann auf der Skala zwischen 11 und 60
Sekunden gewählt werden.
3. Communication parameter:
Abbildung 23 : Ordner : Communication parameter
Eine Verbindung zwischen dem Computer der Bodenstation und dem Computer der
Steuerung der KCU ist nachstehend begründet. Sie wird gebraucht, um die Positionen
des Joysticks an die Bodenstation zu schicken. Sonstige Daten können ausgetauscht
werden. Diese Applikation wird eine grosse Bedeutung haben, wenn die automatische
Steuerung entwickelt wird.
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4. Parameter:
- Durch die Bewegung des Drachens kann sich die Län Länge der Linien
verändern, weshalb es wichtig ist das diese Länge stimmt um die Gradeinteilung
von Abbildung 19 Seite 15 nicht zu verfälschen.
- Mit diesem Merkmal kann der Benutzer dden
Typ der
Koppelung der Linie zwischen „Poly“ und „Direct“ wählen. Der
„Poly“ Trick kann benutzt werden, falls grosse Kräfte auf der
Linien des Drachens vorhanden sind. Die Kräfte auf die Motoren
werden somit halbiert halbiert.
- Ein Alarm kann programmiert werden, um den Pilot des Drachens zu
warnen, falls diese Grenze überschritten wird. Die Balken, , die auf der Oberfläche
sind, werden mit einer roten Farbe dargestellt. Siehe Abbildung 25.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk
Abbildung 24 : Ordner : Parameter
Abbildung 25 : Stromalarm
Poly
17
Direct

- Während den Versuchen in Möriken wurde bemerket, dass die
verschiedenen Knöpfe für die Befehle nicht optimal positioniert waren. Deshalb
sind jetzt vier Möglichkeiten erhältlich, um die Anordnung zu testen. Die Auswahl
der Geeignetsten wird im Frühlingsemester 2011 während den neuen Versuchen
ausgewählt.
- Wie auf Seite 10 erwähnt, können alle Eigenschaften und Variablen des
Programms gespeichert werden. Wenn der Benutzer diese Datei nicht mehr
speichern möchte, kann er jederzeit die Speicherung mit Hilfe dieses Knopfs
beendet.
- Die Geschwindigkeit der Motoren der KCU können jederzeit geändert
werden. Je nach Flugbedingungen (Wind, Kraft, Fläche des Drachens, …) kann die
Trägheitseigenschaft des Drachens plus oder minus getunt werden.
- Wie auch bei der Geschwindigkeit, kann die Beschleunigung und die
Verzögerung geändert werden.
- und stellen die Anzahl der Schleifendurchläufe pro Sekunde
dar, die das jeweilige Programmauf den Computern durchläuft..
5. Ground station:
Abbildung 26 : Ordner : Ground station
Das Bild von Abbildung 26 zeigt die Variablen, die von der Bodenstation geschickt
werden an. Derzeit ist es nur die Länge der Linie zwischen Bodenstation und KCU, die
Drehzahl und das Drehmoment der Synchronmaschine der Bodenstation. Der
Programmcode ist jedoch für einen grösseren Datenverkehr vorbereiten.
18 25/02/2011

6. GPS info:
Abbildung 27 : Ordner : GPS info
Durch den GPS-Sensor (Anhang Xsens-Sensor 12.5 Seite 85), der auf dem Drachen
angebracht ist, kann der Benutzer Informationen über die Höhe des Drachens, die
Distanz zwischen Bodenstation und KCU am Boden und die direkte Distanz
zwischenzwischen Bodenstation und KCU (Linienlänge) bekommen. Am Anfang der
Anwendung muss der Sensor während einige Minuten festgehalten werden, um dessen
Eichung vorzunehmen. Nach diesen Minuten sollte der Benutzer den Knopf „Take
Position“ drücken, wenn die KCU direkt neben der Bodenstation ist, um die Nullposition
zu bestimmen. Danach kann der Flug beginnen.
Bemerkung: Nach einige Versuche und mehr Erfahrung wird es beschlossen werden, ob
es gut für eine andere Darstellung zu wechseln wäre. Alle Variablen sind erhältlich und
bereit für die Veränderung.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 19

5.1.3 Labview-Programm
In diesem Kapitel wird das Programm erklärt. Diese Erklärungen werden nicht zu
detailliert sein, um den Leser nicht zu verwirren. Das Programm ist in drei
verschiedenen Schleifen geteilt:
1) Hauptschleife
2) Schleife für die Berechnung der Test-Zeit
3) Schleife für das Durchführen des Test-Programms
5.1.3.1 Hauptschleife
Abbildung 28 : Hauptschleife des Programms der Steuerung des Drachens
Um die Verständlichkeit des Programms zu verbessern, sind die nachfolgenden Teile
farblich zusammengefasst:
1) Einlesen der Daten des Joysticks
2) Bearbeitung der Daten des Joysticks
3) Senden der Daten des Joysticks zur Bodenstation
4) Stromalarm
5) Verpacken der Daten zum Senden
6) Darstellung der Balken zur Kontrolle
7) Typ der Steuerung
8) Verbindung zwischen Computer und KCU
9) Darstellung der Messungen der KCU
10) Spannung der Batterie
11) Speicherung der Daten
20 25/02/2011

1) Einlesen der Daten des Joysticks
Labview schlägt einen Block vor, der die Bewegung und die Knöpfe des USB-
Joysticks lesen kann. Im Ausgang des Blocks kann dann ein Datenframe mit allen
Merkmalen benutzt werden.
2) Bearbeitung der Daten des Joysticks
Wie auf der Seite 17 gesagt, muss der Benutzer eine Auswahl zur
Steuerung des Joysticks wählen. (Welcher Knopf macht was…). Anhand
davon muss das Datenframe bearbeitet werden.
3) Senden der Daten des Joysticks zur Bodenstation
Die Daten der beiden Joysticks des Computers, welche den Drachen
steuert, müssen an die Bodenstation geschickt werden. Hierfür werden
vier Variablen geschickt.
4) Stromalarm
Ein Vergleich zwischen Stromgrenze und aktuellem Stromverbrauch wird für
die beiden Motoren gemacht. Wenn diese Grenze überschritten wird, wird ein
„Boolean“, das später im Programm für die Färbung der Barren benutzt wird,
eingeschaltet.
5) Verpacken der Daten zum Senden
Die Bewegungen, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der
Motoren werden in ein Datenframe gepackt und zur KCU gesendet.
6) Darstellung der Balken zur Kontrolle
Der Block macht die Bearbeitung der Variablen, um die richtigen
Bereiche für die Darstellung der Balken zu erhalten. Die
Gradeinteilungen der Balken werden aus der Länge der Linien und
dem Typ der Kopplung berechnet.(„Poly“ oder „Direct“).
7) Typ der Steuerung
Drei verschiedene Arten können für die Steuerung des Drachens gewählt werden:
- Manuelle Steuerung mit dem Joystick
- Test-Programm (alle t Sekunden, werden Orderframes
geschickt)
- Unfallmode
Die erste Methode ist die konventionale manuelle Steuerung mit dem Joystick. Die
Zweite ist das Test-Programm, das im Unterkapitel 5.1.2.6 Seite 16 beschrieben wurde.
Die Dritte wird aufgerufen, wenn ein Unfall passiert, damit die Linien freigelassen
werden.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 21

8) Verbindung zwischen Computer und KCU
Dieser Teil stellt die Verbindung mit Hilfe des Serial-Funkmodems
zwischen Computer und KCU her. Der erste Block wird für das Absenden
der Daten gebraucht und der Zweite für das Empfangen. Um eine Erklärung von diesen
zwei Blöcken im Detail zu lesen, kann das Unterkapitel 5.3.2.3 Seite 37 gelesen werden.
Eine andere Möglichkeit einer Verbindung mit der KCU ist mit einem Ethernet-Kabel
oder durch eine Wifi-Verbindung möglich. Dies war ein der wichtigen Punkt dieses
Projektes (Für die Erklärung kann das Unterkapitel 5.2 Seite 25 studiert werden).
9) Darstellung der Messungen der KCU
Die nachfolgenden Daten werden von der KCU gesendet:
- Spannung der Batterie
- Längen der Linien
- Programmschleifendurchläufe pro Sekunden des Computers
- Die Ströme der Motoren
- Die Daten des GPS-Sensors
Diese Variablen werden für die Darstellung auf der Benutzeroberfläche benutzt.
10) Spannung der Batterie
Dieser Block wird für die Berechnung der Energie in der Batterie
verwendete. Vier verschiedenen Stufen der Färbung der Batterie auf der
Bedieneroberfläche sind vorgesehen, um das Niveau der Ladung darzustellen. Diese
Stufen können parametriert werden (Die 3 Werte auf der Abbildung). Diese Farben sind
im Unterkapitel 5.1.2.5 Seite 14 dargestellt.
11) Speicherung der Daten
reproduzieren.
Anhand der Auswahl der Benutzer, können die Daten, die auf Seite 10
beschrieben werden, gespeichert werden. Nach Benutzung der Anlage,
kann der Benutzer alle Variablen des Flugs analysieren. Während des
nächsten Semesters, wird ein weiterer Master-Student die Daten
brauchen, um eine Simulation des Fluges auf dem Computer zu
Die Blöcke, die in diesen 11 letzten Paragraphen dargestellt sind, sind im Anhang 12.2
Seite 58 erhältlich.
22 25/02/2011

5.1.3.2 Schleife zur Berechnung der Test-Zeit
Abbildung 29 : Schleife für die Berechnung der Test-Zeit
Im Unterkapitel 5.1.2.6 Seite 16 wurde das Test-Programm beschrieben. Dieses
Programm braucht eine Uhr für die Berechnung der Test-Zeit, um die Anordnungen des
Arbeitsauftrags zu erfüllen.
In Abbildung 29 kann die Schleife in 4 verschiedene Teile unterteilt werden:
1) Zeit des Quadrant: Auf der Benutzseroberfläche kann eine Zeit „t“
definiert werden, die einen Test alle „t“-Sekunden durchführt. Dieser Block hat
eine 1 an seinem Ausgang, wenn der Wert ein Vielflaches vom Eingang ist.
Also wenn die Schleifen-Zeit 1 Sekunde beträgt, dann wird eine 1 am Ausgang
des Blocks jede Sekunde ausgegeben.
2) Chronometer: Wenn der Test läuft, dann wird eine Variable
inkrementiert, bis der Wert der Test-Zeit erreicht wird. Nach dieser Zeit, wird
wieder bei null begonnen.
3) Verzögerungszeit: Eine Verzögerung von 1 Sekunde wird angebracht, um
ein Schleifen-Zeit von 1 Sekunde zu erhalten. Wenn der Testknopf nicht
eingeschaltet wird, wird die Verzögerung fast null, und das Chronometer wird
wieder auf 0 gesetzt.
4) Beenden der Schleife: Wenn das Hauptprogramm abgebrochen wird,
dann wird die Schleife abgeschaltet.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 23

5.1.3.3 Schleife des Test-Programms
Abbildung 30 : Schleife für das Führen des Test-Programms
1) Zeitdauer des Tests: Der Benutzer kann fünf
verschiedenen Befehle pro Linien in einer Tabelle
eingeben. Jeder Befehl wird 2 Sekunden lang von
der KCU ausgeführt. Deshalb muss das Programm
wissen, welcher Befehl als nächstes auswählen
werden soll und zu welchem Zeitpunkt. Um den aktuellen Status zu kenne, wird
alle 20 Millisekunden ein Vergleich mit der Test-Zeit vorgenommen.
2) Auswahl des Befehls: Wenn die Zeit bekannt ist, kann der
jeweilige Befehl aus der Tabelle gelesen werden.
3) Datenframe senden: Ein Datenframe muss für das
Versenden zum Funkmodem verpacket werden.
Deshalb werden die Geschwindigkeit- und die
Beschleunigungsanweisung zu den Positionen hinzufügt.
24 25/02/2011

5.2 TCP-IP Verbindung
Ein grosser Teil des Projekts war die Auswahl einer geeigneten Kommunikation, um
Daten zwischen dem Computer der Bodenstation und dem der KCU zu tauschen. Es
wurde sich für eine TCP-IP Verbindung entschieden.
Die Auswahl des Protokolls für die Applikation war nicht schwierig, weil es vier grossen
Vorteilen gibt:
- Robust
- Schnell
- Kompatibilität mit vielen Geräten (Wifi-Karte des Computers, Switch, …)
- Verbreitet
Die Entwicklung einer TCP-IP Verbindung benötigt viel Zeit und Aufwand, um alle
Fällen möglicher Fehler zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde das Labview-
Programm für weitere Applikationen und Projekte gebaut. Die Kompatibilität und die
Erleichterung bei der Anwendung mit anderen Programmen, wäre für Mitarbeiter oder
Studenten ein erheblicher Vorteil.
Für eine Verbindung zwischen Computern, muss man haben:
- Physikalische-Verbindung (Ethernet-Kabel oder „Wifi“).
- Empfänger und Sender (Ethernet-Karte und Wifi-Karte des Computers).
- Ein Port ( die „Autobahn“, wo die Daten gesendet werden).
- Eine IP-Adresse ( die „Adresse des Empfänger“).
- Ein Server (Master) und ein Kunde (Client).
5.2.1 Herstellen einer Verbindung
Das Herstellen einer Verbindung, wird für unsere Applikation und für viele andre Fälle
folgendermassen eingestellt:
- Die TCP-Ports müssen offen sein.
- Die Applikation auf dem Server ist „passiv“. Das bedeutet, dass die Applikation
auf einen Anschluss (Kunde) wartet.
- Die Applikation des Kunden macht eine Anfrage an den Server. Diese wird
„open-activ“ genannt.
Die Programme für den Master-Computer und für den Slave-Computer sind fast gleich.
Nur einige Eigenschaften der Initialisierung sind unterschiedlich. Deshalb werden die
Unterschiede im ersten Teil und der gemeinsame Teil im zweiten Schritt beschrieben.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 25

5.2.2 Master-Programm Initialisierung
Abbildung 31 : Initialisierung des Master-Programms
Das Master-Programm muss einen Port öffnen und hören, ob es einen Kunden gibt.
Bemerkung: Die Ports 0 bis 1023 sind reserviert, deshalb muss ein Wert grösser als
1023 gewählt werden. Um die Verbindung herzustellen, kann eine maximale Zeit
(timeout ms) definiert werden. Nach dieser Zeit gibt der Block einen Fehler aus (error
out), der den Benutzer informiert. Wenn der Block einen Kunden gefunden hat, kann
das Programm alle Eigenschaften dieser Verbindung benutzen.
5.2.3 Slave-Programm Initialisierung
Abbildung 32 : Initialisierung des Slave-Programms
Das Slave-Programm muss auf den gleichen Port wie das Master-Programm sprechen.
Deshalb ist es obligatorisch den gleichen Wert für die beiden Programme zu nehmen
(z.b. 6935). Dieser Block muss, in dem Fall wo es verschiedene Server auf diesen Port
geben könnte, die IP-Adresse des Servers (Machine) kennen.. Man kann eine maximale
Zeit der zur Serversuche (timeout ms) definieren. Nach dieser Zeit gibt der Block einen
Fehler aus (error out), der den Benutzer informiert. Wenn der Block einen Server
gefunden hat, kann das Programm alle Eigenschaften dieser Verbindung benutzen.
26 25/02/2011

5.2.4 Hauptprogramm
Die Übersicht des ganzen Programms ist nachfolgend gezeichnet:
1
2
3
4
Abbildung 33 : Hauptprogramm TCP-IP Verbindung
Aber um eine klares Verständigung des Betriebs zu bekommen, wird dieses Programm
in verschiedenen Teilen erklärt:
1) Sende-Schleife
2) Empfangs-Schleife
3) Buffer
4) Bearbeitung des Daten-Segments
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 27

5.2.4.1 Sende-Schleife
Abbildung 34 : Lieferung-Schleife
In Abbildung 34 kann die Funktion in 5 verschiedenen Teilen beschrieben werden:
1) Sequentielle-Schleife: Zuerst gibt es einen Block, der eine Zeit lang (speed
[ms]) wartet, um nicht zu viele Daten pro Sekunde zu senden. Im zweiten
Schritt wird der zu sendende „String“ überprüft.. In der Tat kann der String
ändern, weil er in einer anderen Schleife geschrieben wird. Deshalb muss diese
Kontrolle gemacht werden. Im dritten Schritt überprüft das Programm ob es
einen Abbruch in den anderen Schleifen gab, um die Sende-Schleife zu beenden.
2) Ende des Strings: Das Symbol „%“ ist für die Bearbeitung der Daten bei
dem Empfänger hinzuzufügen. Nach diesem Teil sind die Charakteren „\04“
hinzuzufügen, um der Empfänger zu benachrichtigen, für den Fall das ein
Fehler des Programms passiert., Die Verbindung wird dann geschlossen.
3) Senden des Strings: Der Block darf den String während einer maximalen
Zeit von 1000ms senden. Nach dieser Zeit gibt dieser einen Fehler.
4) Beenden der Schleife: Die Schleife muss wissen, ob sie weitere
Durchläufe abarbeiten soll. Deshalb erfasst sie die möglichen Fehlerfällen:
- Kontrolle der sequentiellen Schleife
- Fehler in einer anderen Schleifer des Programms
- Zuviel Zeit um den String zu senden
5) Bekanntmachen des Schleifenstopps: Wenn die Schleife fertig ist, wird
ein Boolean in die globale Variable „Stop 2“ eingeschaltet.
28 25/02/2011

5.2.4.2 Empfangs-Schleife
Abbildung 35 : Empfang-Schleife
Von Abbildung 35 werden die wichtigen Punkte nachfolgend beschrieben:
1) Empfangen des Strings: Der Block wartet auf ein Packet von 135 Bytes
während eine maximale Zeit von 1000ms und schickt dieses aus dem Buffer
sofort zum Empfänger. Nach dieser Zeit schickt er einen Fehler.
2) Kontrolle des Endes des Sendens: Wenn dieser Block das Symbol
„\04“ findet, schickt er eine Information um das Programm zu beenden.
3) Bearbeitung vom Fehler des Empfangsblocks:
Laut der Geschwindigkeit und der Verspätung des Programms des
Sendercomputers kann die maximale Zeit des Empfangsblocks erreichet werden.
Besonders während der Herstellung der Verbindung zwischen den beiden
Computern. Deshalb gibt es eine Toleranz von 3 Mal diese Zeit.
4) Verzögerung der Schleifen-Zeit: Anhand der Länge des Pakets
zum lesen, kann die Schleifen-Zeit sehr kurz sein. Deshalb gibt es eine
Verzögerung von mindestens 1ms. Dabei ist festzuhalten, dass eine maximale
Frequenz von 100HZ für die Kommunikation definieret wurde. Daher ist sie
10ms.
5) Bearbeitung der Fehler in der Schleife: Wenn der Sender entweder
die „Toleranz des Punkt 3“ oder ein anderes Ereignis im Programm einen Fehler
entsteht, muss die Schleife stoppen.
6) Bearbeitung der Fehlern ausserhalb der Schleife: Wie die Sende-Schleife, beim
Anhalten dieser Schleife, muss diese die anderen Schleifen des Programms
benachrichtigen. Deshalb werden die Variabel „Fin“, „Fin 2“ und die globale
Variabel „stop 2“ geschrieben.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 29

5.2.4.3 Buffer
Für den Kenner muss diese Erklärung nicht unbedingt gelesen werden.
Ein Buffer wird oft benutzt, wenn das Versenden eines Pakets (oder das Lesen)
asynchron oder zu verschiedenen Zeiten stattfindet. Um dieses Problem zu verstehen,
wird das Beispiel der Briefkasten und das Lego-Modell verwendet:
Analogie → Briefkasten und Lego
Wirklichkeit → Buffer
Herr Erbauer (Das Labview-Programm) möchte zusammengebaute Lego-Modelle
verkaufen (Bearbeitung der Daten im Programm). Er hat einen Kontrakt bei der Lego-
Firmader sagt, dass sie viele Modelle pro Woche schicken werden. Das Problem ist, dass
für verschiedene Modelle unterschiedliche Pakete versendet werden und diese Pakete
nicht am gleichen Tag gesendet werden (abhängig des Verbindungskarte des Computers
und der Software-Abbildung). Auf der Abbildung 36 kann man ein Beispiel des
Empfangspakets sehen:
Freitag
Freitag
Donnerstag
Donnerstag
Mittwoch
Mittwoch
Mittwoch
Dienstag
Montag
Montag
Packet 10
Packet 9
Packet 8
Packet 7
Packet 6
Packet 5
Packet 4
Packet 3
Packet 2
Packet 1
Modell F
Modell E
Modell D
Modell C
Modell B
Modell A
Abbildung 36: Geschichte von Paketen
Montag kann Herr Erbauer nur das Modell A
aufbauen, weil nur dieses Modell komplett
ist. Das Packet 2 bleibt im Briefkaste. (Bleibt
im Buffer).
Der zweite Tag er hat zu viel Arbeit und
keine Zeit um Modelle zu aufbauen (Das
Programm ist besetzt). Das Modell B ist
komplett aber bleibt im Briefkasten.
Mittwoch hat Herr Erbauer Zeit nur um ein
Modell zu aufbauen. (Das Programm kann
die Daten bearbeiten). Modell B ist gebaut.
Modell C und zwei Pakete des Modell D
bleiben in der Briefkaste.
Donnerstag hat Herr Erbauer viel Zeit aber kann nur das Modell D aufbauen, weil nur
dieses Modell komplett ist.
Freitag geht er für 2 Wochen in die Ferien (Das Programm ist lange Zeit besetzt). Das
bedeutet, dass die neuen Pakete sich im Briefkaste während diesen zwei Wochen
anhäufen werden. (Die Pakete sind nicht benutzen. Diese anhäufen sich im Buffer).
Der Briefkasten von Herrn Erbauer hat eine Grösse für 12 Pakete (Grösse vom Buffer).
Dies bedeutet, wenn der Briefkaste voll ist, werden diese neuen Pakete verloren gehen.
(Das Buffer ist voll)
Wenn Herr Erbauer von seinen Ferien nach Hause kommen wird, wird er viele Modelle
aufbauen, um keine weiteren Pakete zu verlieren. (Das Programm muss die Grösse des
Buffers bearbeiten, um seine Verspätung aufzuholen).
30 25/02/2011

Abbildung 37 : Buffer-Schleife
In Abbildung 37 werden die wichtigen Punkte nachfolgend beschrieben:
1) Initialisierung der Daten: Der Block initialisiert die Daten in dem Fall wo
Daten vom Empfänger gelesen werden sollen.
2) Empfang des Strings: Der Block nimmt die Daten, die im Buffer sind,
in dem Fall wo der Buffer voll ist, und fügt die neuen Daten hinzu.
3) Kontrolle eines Data-Segments: Es wurde vom Programmierer des
Programms definiert, dass ein Daten-Segment eine Grösse von 135 Bytes hat.
Wenn dieses Segment komplette ist, kann es direkt zur Empfängerschleife
geschickt werden.
4) Daten-Segmente nicht komplett: Wenn das Segment nicht die Grösse
von 135 Bytes hat, wird dieses in zur Buffer-Schleife geschickt.
7) Verzögerung der Schleifen-Zeit: Anhand der Länge des Pakets
zum lesen, kann die Schleifen-Zeit sehr kurz sein. Deshalb gibt es eine
Verzögerung von mindestens 1ms. Dabei ist festzuhalten, dass eine maximale
Frequenz von 100HZ für die Kommunikation definieret wurde. Daher ist sie
10ms.
Bemerkung: Der Buffer von Abbildung 37 wurde speziell für die Kyte-Applikation
generiert. Der Unterschied zu einem konventionellen Buffer ist, dass die Grösse des
Buffers nie grösser als ein Segment ist. Der Vorteil dieser Möglichkeit ist, dass das
Programm stets die letzte Absendung hat. Wenn zu viel Kraft im Seil entsteht, muss die
KCU diese Information direkt verarbeiten, um den Anstell-Winkel zu verändern.
Deshalb ist keine Verspätung der Daten zulässig.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 31

5.2.4.4 Bearbeitung des Daten-Segments
Abbildung 38 : Bearbeitung des Daten-Segments
Mit der TCP-IP-Verbindung mit Labview ist es obligatorisch nur Daten in „Strings“ zu
senden. Deshalb ist eine Bearbeitung des Daten-Segments nötig. In Abbildung 38 gibt es
zwei verschiedene Teilen:
1) Integer und Boolean → String
2) String → Integer und Boolean
Abbildung 40 : Integer & Boolean nach String Abbildung 39 : String nach Integer & Boolean
In Abbildung 40 werden alle Integer-Variabel in einen String mit der Länge von 16
Bytes gewandelt. 7 Bytes vor dem Komma und 8 nach dem Komma sind reserviert. Dies
bedeutet, dass ein maximaler Wert von 9‘999‘999.99999999 und ein minimaler Wert von
-999‘999.99999999 möglich ist. Für die Konversion von Boolean wird ein Buchstabe T
für 1 oder F für 0 benutzt.
In Abbildung 39 ist das System genau umgekehrt. Der String wird analysiert, um den
Integer und Boolean wiederzufinden.
32 25/02/2011

5.2.5 Ethernet-Kabel oder Wireless-Verbindung
5.2.5.1 Grundlagen
Mit dem TCP-IP Protokoll kann man einen Vorteil von zwei verschiedenen
Verbindungsmöglichkeiten erhalten:
- Wireless
- Ethernet-Kabel
Diese könnten gleichzeitig benutzt werden. Diese Redundanz wäre ein Vorteilwährend
des Einsatzes der Anlage. Mehr Sicherheit wäre garantiert. Z.B. Wenn eine Abschaltung
des Ethernet-Kabels oder eine Störung auf dem 2.4 GHz Frequenzband entsteht. Die
aktuelle Implementation der Anlage hat keine Redundanz sie wird jedoch
wahrscheinlich im Frühling 2011 implementiert.
5.2.5.2 Software
Im aktuellen Programm kann die Auswahl der Verbindung ausgewählt werden: Wifi
oder Ethernet. Vor der Verbindung müssen die IP-Adressen des Verbindungsgeräts
definiert werden. Um diese Adressen zu finden, kann die Windows-Eingabeaufforderung
mit dem Befehl „ipconfig /all“ benutzt werden.
Abbildung 41 : IP-Adressen des Computers mit der Windows-Eingabeaufforderung
Bemerkung:
Es können verschiedene Ethernet-Karten installiert werden. Deshalb sollte nur eine
Adresse gewählt werden.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 33
Wifi
Ethernet

Wenn diese Adressen bekannt sind, können diese im Labview-Programm gespeichert
werden.
Abbildung 42 : Auswahl der Verbindung zwischen Computer
In Abbildung 42 wird der Kunde-Block, der im Kapitel „5.2.1 Herstellen einer
Verbindung“ Seite 25 erklärt ist, für den Computer der Kite-Steuerung benutzt. Der
Port „6342“ wird für die Absendung der Eigenschaften der Steuerung genutzt. Mit dem
aktuellen Programm können mehrere Ports verwendet werden. Diese Möglichkeit
könnte für die Absendung anderen Parameter interessant sein, z.B. Kamera, Sensor, …
Um die Daten zwischen Computer auszutauschen, muss diese Schleife abgearbeitet
werden:
Abbildung 43 : Absendung- und Empfang-Schleife der Daten
Im Fall des Computers der Kite-Steuerung, werden vier Merkmale des Joysticks
geschickt, wie es in Abbildung 43 dargestellt ist. Der Rest des Frames wird noch nicht
benutzt. Die Daten die von der Bodenstation kommen, werden jetzt in einem Fenster
des Programms angezeigt. Diese werden bearbeitet, wenn der Algorithmus für die
automatische Steuerung des Drachens implementiert ist. Diese Schleife wird alle 100ms
ausgeführt.
Wenn alle Eigenschaften richtig eingestellt sind, zieht die Benutzeroberfläche so aus:
Abbildung 44 : Benutzeroberfläche für die Auswahl der Verbindung
34 25/02/2011

5.3 KCU Software
5.3.1 Grundlagen
Abbildung 45 : Kite Control Unit (KCU)
KCU ist eine Abkürzung für „Kite Control Unit“. Diese Anlage, die in Abbildung 45
dargestellt ist, fliegt mit dem Drachen und überträgt die Bewegungen, die der Pilot oder
der Algorithmus wollen. Die verschiedenen Bauelemente befinden sich auf dem KCU:
- Funkmodem Für das Absenden und den Empfang der Daten
- Motor Für die Bewegung der roten und blauen Seile
- Servoverstärker Für die Regelung der Motoren (EPOS)
- PC-104 Für die Bearbeitung der Daten
- Batterie Für die Versorgung
Die Auswahl für die Bearbeitung der Daten und für die Kontrolle der zwei
Servoverstärker wurde über eine Labview-Applikation realisiert, die die grossen
Vorteile hat, dass diese Software von „National Instrument“ leicht verständlich, schnell
veränderbar und übersichtlich ist.
Während dieser Phase des Projekts wurde ein Sensor (Abbildung 46) der KCU
hinzugefügt, um die nachfolgenden Messungen des Drachens zu erledigen:
- Geschwindigkeit
- Beschleunigung und Verzögerung
- Richtung
- Position im Leerzeichen (GPS)
- Höhe
- Magnetfeld
- Azimut-Winkel
- Ratewinkel der Veränderung des Flugvektors
Abbildung 46 : Xsens-Sensor
Diese Messungen sind nun für den Benutzer erhältlich, jedoch noch nicht für eine
Regelung bearbeitet. Wie gesagt, wird ein Algorithmus für die automatische Steuerung
des Drachens im Frühlingsemester entwickelt, der diese Messung benutzen wird.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 35

5.3.2 Software
5.3.2.1 Grundlagen
Das Programm kann in 3 verschiedene Teile unterteilt werden, um grundsätzliche
Funktionsweise besser zu verstehen:
1) Steuerung und elektrische Messungen der Motoren
2) Bearbeitung der Daten zu Senden
3) Empfangen der Messungen des Sensors
Durch die Zusammenarbeit mit der ETH-Zürich, wurde der letzte Teil unseres Projekts
von einem derer PhD-Studenten „Aldo Zgraggen“ übernommen. Dieser Teil wird nicht
im Detail analysiert.
5.3.2.2 Steuerung und elektrische Messungen der Motoren
Abbildung 47 : Schleife für die Kontrolle und für die elektrische Messungen der Motoren
Um das Prinzip des Programms zu verstehen, werden verschiedenen wichtigen Zonen
Punkt für Punkt erklärt. Vorher ist zu erwähnen, dass der Hersteller der
Servoverstärker (EPOS) einige Blöcken in Labview vorschlägt, (blaue Blöcke) um die
Schreibweise der Eigenschaften der Kommunikation zwischen EPOS und Labview zu
erleichtern.
1) Go to home: Diese Funktion wird zu Beginn des Programms aufgerufen,
um die Position „0“ der Linien zu finden. Die Motoren kürzen ihre Linie bis die
Arretierung der Linie mit Hilfe der gelben Kugeln ansteht. So erfassen die
Servoverstärker, dass die Position „0“ erreicht ist. Für diesen Arbeitsschritt können
eine Geschwindigkeit, Beschleunigung und eine Verzögerung definiert werden.
2) Move to position: Eine Berechnung der Sollposition wird von dem Block
vorgenommen, um einen Wert zu generieren, der sich Bereich zwischen der
minimalen und der maximalen Länge befindet.
3) Set velocity and acceleration: Die Geschwindigkeit, die Beschleunigung
und die Verzögerung der Motoren können die ganze Zeit über
Bodenstationsinterface verändert werden.
36 25/02/2011

4) Get position: Die Position der Linie wird vom jeweiligen
Servoverstärker abgefragt, um im Computer der Bodenstation Istwert und
Sollwert vergleichen zu können.
5) Battery voltage: Dank der externen Messeingänge des EPOS kann eine
Messung der Batteriespannung, die alle Geräten auf der KCU versorgt, gemacht
werden.
6) Get current: Die Ströme, die in den Motoren fliessen, werden von den
Servoverstärkern abgefragt, um die Kraft (Abhängig des Stroms) in der Linien am
Boden darstellen zu können.
7) Loops/sec: Die Berechnung der Schleifen-Zeit wird gemacht, um eine
Schätzung der Reaktionszeit zu erhalten.
8) Stop: Wenn Schleife des Programms beendet wird, werdendie Ports der
Kommunikation zwischen Computer und Servoverstärker korrekt geschlossen.
5.3.2.3 Vorbereitung zum Senden der Daten
Abbildung 48 : Schleife für die Bearbeitung der Daten zu schicken
In Abbildung 48 wird das Funkmodem benutzt, um die Daten in der Bodenstation zu
senden. Es ist auch eine andere Variante mit einer TCP-IP-Verbindung erhältlich,
welche hier nicht analysiert wird. Das Prinzip ist gleich wie im Unterkapitel „Ethernet-
Kabel oder Wireless-Verbindung“ von Seite 33 und ausser den Blöcken zum Senden und
Empfangen ändert sich nichts.
1) Serial Port: Der Serial-Port des Funkmodems muss mit den Eigenschaften der
Kommunikation definiert werden.
2) Flush Buffer: Ein solcher Buffer wart auf das Ende der Schriftzeichen der
Daten, um ein ganzes Frame bereitzustellen.
3) Serial to cluster: Dieser Block bearbeitet die empfangenen Daten. Es ist
möglich, dass nur ein Teil der Daten für einen Augenblick t eingelesen wird. Der
Rest der Daten wird zum Augenblick t+1 erhalten. Diese Fälle müssen mit Hilfe
eines Buffers berücksichtigt werden. Vor diesem Projekt gab es einen Buffer, der
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 37

nicht gut parametriert war. Dieser Fehler bewirkte nach 15-20 Minuten eine
Verzögerung der Bewegungen. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig einen robusten
Buffer zu benutzen, grössere Unfälle während des Fliegens zu vermeiden.
Erklärung des Buffers:
Abbildung 49 : Schleife « Serial to cluster »
3.1) Read: Nur der Daten, die am Port anliegen, werden im Block eingelesen.
Diese werden anschliessend zu einer Tabelle (Buffer) geschickt.
3.2) Length control: Um die empfangenen Daten zu bearbeiten, müssen
mindestens 2 Frames im Buffer erhältlich sein (Ein Frame hat 55 Bytes).
3.3) Selection: Das ältere Frame wird für zur Bearbeitung genommen.
3.4) Partition: Die Daten des Frames werden in einer Tabelle eingefügt.
3.5) To cluster: Die Tabelle wird zu einem Cluster-Frame konvertiert.
Dieser wird im Programm für die Steuerung des Drachens benutzt. Wenn noch
nicht genug Daten im Buffer vorhanden sind, wird das letzte Cluster-Frame
genommen.
4) Cluster to variable: Das Cluster-Frame wird aufgeteilt, um die spezifischen
Variablen zu erhalten.
5) Data to send: Die wichtigen Variablen (Batteriespannung, Länge der
Linien, Ströme der Motoren, Position des Drachens…) sind in einem Cluster-Frame
verpackt.
6) Number to string: In diesem Block wird das Cluster-Frame zu einem „String“
geändert, um das richtige Format zum Senden zu erhalten.
7) Write and send: Die Daten werden mit dem Funkmodem an die Bodenstation
geschickt.
8) Loops/sec: Dieser Block wird benutzt, um die Schleifen-Zeit abzuschätzen.
9) Close all: Am Ende des Programms muss der COM-Port frei gemacht werden.
38 25/02/2011

5.3.2.4 Einlesen der Sensor-Messungen
Abbildung 50 : Schleife zum Lesen der Messungen des Sensors
Wie gesagt, wird dieser Teil nicht im Detail erklärt, weil er von einem anderen Master-
Student bearbeitet wird. Um mehr Information zu erhalten, kann die Quelle [REF1]
herangezogen werden.
Während dieses Projekts wurde das Programm des Students der ETH zu dem
Programm der KCU gefügt.
Im Moment sind diese Informationen vom Drachen erhältlich:
- Höhe
- Abstand zwischen Bodenstation und Kite
- Länge des Seils
- Richtung in die der Drachen fliegt
Das Programm womit die Daten des Sensors erhältlich sind ist bereits vorhanden. Diese
werden wahrscheinlich für den Algorithmus nützlich sein.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 39

6 SCHUTZ DER BATTERIE (LION)
6.1 Einführung
Die Batterie, die für die KCU verwendet wird, ist von dem Typ„Lithium Polymer“. Der
grosse Vorteil einer solchen Batterie ist die Kapazität im Vergleich zum Gewicht. Das
Gewicht einer NiCd Batterie währe drei Mal schwerer. Dieses Merkmal ist nicht
vernachlässigbar, wenn man berücksichtigen muss, dass diese Batterie mit der KCU
fliegt. Der Nachteil ist die Selbstentzündung dieser Batterie im verschiedenen
Fehlerfällen: Grösse Temperaturen, Überstrom, Unterspannung, Stromspitze, Abgleich
der Spannungen der Li-Po-Zellen … Einige Fälle sind Hardware oder Software
geschützt, jedoch nicht eine langfristige Unterspannung. Wenn die Batterie während
einigen Stunden im Einsatz ist, könnte der Benutzer vergessen das System
abzuschalten und die Batterie wäre immer Entladen. Somit wurde solch ein Schutz
(LION) gebaut.
6.2 Charakteristik bei Benutzung
Die Spannung einer Batterie ist nie konstant. Sie ist abhängig von der Kapazität, dem
Strom, der Temperatur, der Technologie… Deshalb muss eine Charakteristik für die
Benutzung definiert werden:
UBatt [V]
Spannung der Batterie
Unterspannungsgrenze der Batterie
1 2 3
t1 < taus t2 < taus
Kritischer Punkt
Zeit [ms]
Das Ziel von einem Schutzgerät ist, das System auszuschalten wenn die Spannung nach
einer bestimmten Zeit einen kritischen Punkt erreicht hat. In Abbildung 51 ist dieser
Punkt sichtbar. Wenn eine Stromspitze entsteht, wird die Spannung an der Klemmen
der Batterie kleiner, da die Batterie einen internen Widerstand besitzt. Hier muss das
Schutzgerät nicht direkt das System ausschalten, wie die Fälle 1 und 2 auf der
Abbildung 51 zeigen.
40 25/02/2011
taus
Abbildung 51 : Charakteristik für die Benutzung der Batterie

6.3 Elektronische Schaltung
Um die Funktion zu verstehen, kann diese elektronische Schaltung in verschiedenen
Teilen erklärt werden:
1) Komparator
2) Schutz gegen Überspannung und Spannungsfluktuation
3) Umschaltung-Hysterese
4) Softswitching
5) Schutz gegen kurzen Spannungsabfallen
5
+
6
-
8
4
C33
30uF
7
LM393
C3
1uF
renv 1
R6
82k
R5
12k
C1
0.33uF
Abbildung 52 : Elektronische Schaltung des Batterie-Schutzes
Die Teile, die nicht eingefärbt sind, werden nicht im Detail analysiert. Diese stellen die
Verstärkung des Signals dar, welches benutzt wird um die Ausgangspannung des Lion-
Geräts einzuschalten und für die minimale Spannung, die der MOSFET für seine
Funktion braucht.
6.3.1 Komparator
1
LM78L05ACZ/TO92
U5
VIN
VOUT
R6
82k
R5
12k
3
1
C1
0.33uF
R8 100k
C2
0.01uF
LM78L05ACZ/TO92
U5
VIN
VOUT
3
R89
POT
R9
100k
R10 1k
R8 100k
C2
0.01uF
Abbildung 53 : Komparator
Wenn die Spannung an „Minus“ des Komparators grösser als an Klemme „Plus“ wird,
wird der Ausgang des Komparators auf Masse durchgeschaltet. Sonst würde sie
flatternd. In diesem Teil wird die Unterspannungsgrenze gemessen. Um diese zu
berechnen, können die Gleichungen der folgenden Seite benutzt werden.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 41
3
+
2
-
R7 1.2M
8
4
R89
POT
R9
100k
J17
1
2
CON5_8
1
LM393
R10 1k
3
+
2
-
C4
100n
R7 1.2M
8
4
1
LM393
C5
10nF
D2
ZEN
R3
100k
R1
3.3k
R4 100k
Q1
IRF530N/TO
R2
6.8k
R22
1k
Q2
BC547
R11
10
1
2
renv 1
J16
CON5_8
SW1
DTSM-644K

Die Spannung an „Minus“ wird mit Hilfe des DC/DC-Wandlers (LM78L05) generiert.
Ein Potentiometer wird hinzugefügt, um ein Unterspannungsgrenze-Bereich
einzustellen.
− R9 + δ ⋅ R89
U = ⋅5V
R8 + R9 + R89
δ stellt die Position des Potentiometers dar. Der Spannungsbereich dieser Klemme
befindet sich zwischen 2.381V und 2.619V.
Jetzt muss die Unterspannungsgrenze definiert werden. Im Fall der Batterie für die
KCU, wurde ein Wert von 19V (Uaus) für diese Spannung gewählt. Ein Widerstand von
12kΩ wird für R5 willkürlich gewählt.
R5 = 12kΩ
U ⋅ R5
aus
R6 = − R5
U −
Anhand der Position δ des Potentiometers ist der Unterspannungsgrenze-Bereich
zwischen 18.1V und 19.9V. Natürlich dürfte dieser Bereich grösser oder kleiner sein laut
sein, wenn man nach der Auswahl des Herstellers und der Beanspruchung des Systems
geht.
6.3.2 Schutz gegen Überspannung und Spannungsfluktuation
C4
100n
C5
10nF
D2
ZEN
R3
100k
R1
3.3k
R4 100k
Q1
IRF530N/TO
Abbildung 54 : Schutz gegen Überspannung und Spannungsfluktuation
Durch die Induktivität der Last am Ausgang des LION-Geräts, könnten
Überspannungen entstehen wenn das System ein- oder ausgeschaltet wird. Deshalb
wird ein Kondensator von 100nF neben dem OP-Verstärker hinzugefügt um eine
„stabile“ Spannung an den Klemmen zu erhalten.
42 25/02/2011
R2
6.8k
R22
1k
Q2
BC547
R11
10
1
2
renv 1
J16
CON5_8
SW1
DTSM-644K

6.3.3 Schalt-Hysterese
Für ein angemessenes Funktionieren des Systems, muss der Komparator eine Schalt-
Hysterese besitzen. Wenn die zwei Spannungen an Pin „Plus“ und „Minus“ fast gleich
sind und kleine Oszillationen haben, kann der Ausgang des Komparators zwischen „Ein“
und „Aus“ schwanken.
In Abbildung 56 wird der Widerstand „R7“ benutzt, um diese Hysterese zu erhalten.
Abbildung 56 : Widerstand für Hysterese
Die Spannung ab Pin „Minus“ des Komparators ist fast konstant, weil es einen DC/DC-
Wandler mit Glättungskondensatoren gibt. Deshalb kann angenommen werden, dass
diese Spannung nicht bewegt grossartig ändert. Nur die Spannung des Pins „Plus“ wird
genutzten, um die Schaltpunktspannung zu erhalten:
Wenn der Ausgang des Komparators „Ein“ ist. (auf Masse)
Wenn der Ausgang des Komparators „Aus ist. (undefiniert)
Für die elektronische Schaltung kann die nachfolgende Gleichung benutzt werden, um
die Verschiebung der Schaltpunkte zu errechnen. Die Entwicklung dieser Gleichung ist
im Anhang 12.3.1 Seite 63 erhältlich.
U
λ
=
C3
1uF
R6
82k
R5
12k
C1
0.33uF
R5 ⋅U ⋅ ( R3 ⋅ R4 + R3 ⋅ R7 + R4 ⋅ R6 + R4 ⋅ R7) + R5 ⋅ R3 ⋅ R6 ⋅U
R3 ⋅ R4 ⋅ R5 + R3 ⋅ R4 ⋅ R6 + R3 ⋅ R5 ⋅ R6 + R3 ⋅ R5 ⋅ R7 + R4 ⋅ R5 ⋅ R6 + R3 ⋅ R6 ⋅ R7 + R4 ⋅ R5 ⋅ R7 + R4 ⋅ R6 ⋅ R7
R5 ⋅ R7
−U ⋅ out
R6 ⋅ ( R5 + R7) + R5 ⋅ R7
1
LM78L05ACZ/TO92
U5
VIN
VOUT
3
U λ-
Aus
R8 100k
C2
0.01uF
Zustand
R89
POT
R9
100k
out CE
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 43
R10 1k
Ein
3
+
2
-
U λ+
Abbildung 55 : Hysterese
R7 1.2M
8
4
U + [V]
1
LM393
C4
100n
U λ+ und U λ- = Schaltpunkt
D2
ZEN
R3
100k
R4 100k
R22
1k
Q2
BC547

Um ein besseres Gefühl der Amplitude über zum Schaltpunkt zu erhalten, wird ein
Beispiel für die Applikation des LION-Geräts angenommen. Die Berechnung des
Schaltpunkts wird für verschiedene Werte für den Widerstand „R7“ vorgenommen.
In Abbildung 57 ist das Ergebnis sichtbar. Der Simulations-Code ist im Anhang 12.3.1
Seite 63 erhältlich.
Uλ [V]
Uλ [V]
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
10 0
0
2.5
2
1.5
1
0.5
10 2
10 4
R7 [Ohm]
Abbildung 57 : Verschiebung der Schaltpunkte
10 4
0
10 5
10 6
R7 [Ohm]
z.B. R3 = 100kΩ
R4 = 100kΩ
R5 = 12kΩ
R6 = 82kΩ
R7 0 bis 10MΩ
Uout= 19V
X: 1.197e+006
Y: 0.08239
Abbildung 58 : Verschiebung der Schaltpunkte (Zoom)
Es wurde ein Widerstand von 1.2MΩ für die LION-Schaltung gewählt. Der Schaltpunkt
zu diesem Wert ergibt eine Spannung von ungefähr 82mV, der für eine solche
Applikation genügend ist.
44 25/02/2011
10 6
10 7
10 8
10 8

6.3.4 Softswitching
Wenn ein MOSFET schaltet, kann durch die Ladung ein grosser Strom während dieser
kurzen Zeit entstehen. Daher wird ein Kondensator zwischen Pin „Gate“ und „Source“
angebracht, um diesen Effekt zu minimieren.
Abbildung 59 : Softswitching
Dieser Kondensator beeinflusst den internen Widerstand des MOSFET. Dieser
Widerstand, der ohne Spannung am Pin des MOSFET sehr gross ist, wird während
dieses kurzen Augenblicks bis zum Nennwert abklingen.
6.3.5 Schutz gegen kurze Spannungsabfälle
6.3.5.1 Theorie
Abbildung 60 : Kondensatoren gegen Spannungsabfall
Die Auslösungszeit, muss wie auf Abbildung 51 : Charakteristik für die Benutzung der
Batterie Seite 40 gezeigt, definiert werden. Um diese zu berechnen, kann die
elektrische Schaltung der Abbildung 52 Seit 41 vereinfacht werden:
Nachfolgend wird die Definition gemacht:
U → Spannung der Batterie vor einem Spannungsabfall.
t0
out
C5
10nF
C33
30uF
t
U out
+ → Spannung der Batterie nach einem Spannungsabfall, welche gleich wie U2 ist.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 45
R1
3.3k
C3
1uF
Q1
IRF530N/TO
R5
12k
Abbildung 61 : Vereinfachte Schaltung

Gleichungen zu Abbildung 61 der vorhergehenden Seite:
⎡ d U −U
C 2 ⎤
U = U = R5 ⋅ i = R5 ⋅ − ⋅U ⋅ C −
R5 C R1 C
dt R6
⎡ ⎤
⎢⎣ ⎥⎦
⎢⎣ ⎥⎦
&
U −U
&
R5
R6 R6
( )
C 2
0 = R5 ⋅ −U ⋅ C − − U = −U ⋅ C ⋅ R5 − ⋅ U −U −U
C C C C 2 C
⎛ ⎞
⎝ ⎠
R5 R5 R5 R5
0 = −U& ⋅ C ⋅ R5 − ⋅ U + ⋅U − U = −U& ⋅ C ⋅ R5 −U ⋅ ⎜1 + ⎟ + ⋅U
R6 R6 R6 R6
C C 2 C C C
2
Um diese Differentialgleichung zu lösen, ist eine konventionelle Lösung Erster Ordnung
gegeben:
x
y& = a ⋅ y + b ergibt f ( x) E e α⋅ β
= ⋅ −
α
Die Entwicklung der elektrischen Schaltung in der Form der letzten Gleichung:
⎛ ⎞
R5 R5 ⎜1 + ⎟ ⋅U
2
R6 6
R5 R6
R5 U 2
U& ⎝ ⎠ R
+ ⋅
= −U ⋅ + = −U ⋅ +
C C C
R5 ⋅C R5 ⋅C R5 ⋅ R6 ⋅C R5⋅ R6 ⋅ C
Die Lösung führt zu:
R5+ R6
− ⋅t
R5 ⋅U
R5⋅ R6⋅C 2
U ( t) = E ⋅ e +
C
R5 + R6
14243 14243
α β
Der letzte Variabel „E“ lässt sich mit Einsetzen der Zeit t=0 finden. Die Gleichung wird:
R5 ⋅U
2
U ( t ) = E +
C 0
R + R
5 6
R5 ⋅U
2
E = U ( t ) −
C 0
R5 + R6
Gleichung der Spannung des Kondensators vor einem Spannungsabfall:
U ( t ) U
t0
= ⋅
C 0 out
R5
R5 + R6
Also wird die Gleichung zu:
t + R 5+ R 6
t +
5 5 t
t R R ⋅U − ⋅ R5 ⋅U
0
out R 5⋅R 6⋅C
out
U ( t) = U ⋅ − ⋅ e +
C out
R5 + R6 R5 + R6 R5 + R6
R 5+ R 6
R5
⎡ − ⋅t
t t + 0
R 5 R 6 C t + ⎤
⋅ ⋅
U ( t) = ⋅ C ⎢( U − U out out ) ⋅ e + U out ⎥
R5 + R6
⎣ ⎦
46 25/02/2011

6.3.5.2 Messungen
Die Gleichungen, welche im vorhergehenden Kapitel entwickelt wurde, werden
übergeprüft. Nach dem Aufbau des LION-Gehäuses wurden einige Messungen
vorgenommen. Alle Ergebnisse sind im Anhang 12.3.2 Seite 65 erhältlich.
Um dies zu kontrollieren, muss die Spannung an Pin „Minus“ des Komparators bekannt
sein. Durch die Stellung des Potentiometers kann diese Spannung eingestellt werden.
Eine Messung besagt U - = 2.421V. Die Ausgangspannung des Komparators wird
wechseln, wenn die Spannung des Pins „Plus“ kleiner als an Pin „Minus“ wird. Aus
diesem Grund wird die Berechnung der Abschaltungszeit taus in dem Fall vorgenommen,
wo die Spannungen des Pins „Plus“ und „Minus“ gleich sind.
Kondensator C3 = 2µF
In Abbildung 62 wird die Messung der Abschaltzeit mit einem Kondensator von 2µF
dargestellt. Die Ausgangspannung der Batterie verursacht wegen der Eigenschaften der
Batterie keine perfekt fallende Flanke.
Abbildung 62 : Abschaltungszeit taus mit Kondensator von 2µF
Nach der fallenden Flanke wird ein Wert von 17.5V für die Ausgangspannung der
Batterie genommen, da die Spannung während dieser Zeit grösser als 17V ist.
⎡ ⎤
R5+ R6
R5
− ⋅t
t t + 0
R5⋅R 6⋅C
t + −
U ( t) = ⋅ ( U U ) e U wenn U U 2.421V
C ⎢ − ⋅ + out out out ⎥
= =
C
R5 + R6
⎣ ⎦
12 kΩ+ 82kΩ
⎡ − ⋅t
⎤
12kΩ⋅ 82 kΩ⋅2 μF
⎢( )
⎥
⎣ ⎦
12kΩ
2.421V = ⋅ 23.2V −17.5V ⋅ e + 17.5V t = 27.3ms
12kΩ + 82kΩ
Die Ergebnisse der Zeiten der Messung und der Berechnung sind fast gleich (∆t=3.1ms).
Somit sollte diese Gleichung stimmen. Um sicher zu sein, wird ein weiterer Test auf der
nächsten Seite dargestellt.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 47

Kondensator C3 = 3µF
In Abbildung 62 wird die Messung der Abschaltzeit mit einem Kondensator mit 3µF
dargestellt.
Abbildung 63 : Abschaltungszeit taus mit Kondensator von 3µF
Der Wert 16.9V wird für die Ausgangspannung der Batterie nach der fallenden Flanke
eingesetzt.
12k Ω+ 82 kΩ
⎡ − ⋅t
⎤
12kΩ⋅ 82 kΩ⋅3 μF
⎢( )
⎥
⎣ ⎦
12kΩ
2.421V = ⋅ 22.8V −16.9V ⋅ e + 16.9V t = 31.8ms
12kΩ + 82kΩ
Die Zeiten der Messung und der Berechnung sind sehr nahe beieinander(∆t=2.4ms). Mit
diesen zwei Messungen und Berechnungen, kann behauptet werden, dass die Gleichung
stimmt. Eine dritte Messung ist im Anhang 12.3.2 Seite 65 erhältlich. (Die Berechnung
der Abschaltzeit stimmt auch gut für diesen dritten Test).
48 25/02/2011

6.4 Gehäuse
Das Gehäuse des Schutzes der Batterie (LION) folgendermassen aus:
Abbildung 64 : LION-Gehäuse 1
Mit einem Schraubenzieher kann die Unterspannungsgrenze der Batterie verändert
werden. Für die elektronische Schaltung kann eine Spannung von 19V bis 21.3V
eingestellt werden.
Abbildung 65 : LION-Gehäuse 2
Am Boden des Gehäuses, befindet sich ein Knopf. Mit diesem wird das ganze System der
Versorgung eingeschaltet.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 49

7 EPOS KONFIGURATION UND VERBESSERUNG
7.1 Einführung
Die EPOS-Geräte, die sich auf der KCU finden, sind für die Servoverstärker der
Motoren. Die Informationen der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von dem
Motor werden zu einem Port des Geräts gesendet. Mit einem spezifischen Kabel können
die Eigenschaften dieses Geräts verändert und bearbeitet werden. z.B. Kp, Ki und Kd
des Positionsreglers, Stromgrenze…
Es wurde während der ersten Versuche im Möriken am 3 November 2010 festgestellt,
dass einer zu grossen Kraft (Strom: Brushless DC-Maschinen TM=Km I) auf einem Seil
je Achse des Motors, ein Fehler an den Servoverstärkern entstand. Dieser Fehler
bewirkte den Freilauf der Motoren. Dies bedeutete „Verlust der Steuerung des Kite“.
7.2 Problem
In der Programmierung des EPOS gibt eine Kontrollfunktion, die den Abstand zwischen
den Sollwert und den realen Werten der Position überwacht:
Der Servoverstärker gibt einen Fehler aus, falls der Abstand grösser als zulässig wird.
Mit dem nachfolgenden Beispiel wird das Prinzip der Applikation des Kites beschrieben.
D
δL
D = Durchmesser [m]
δL = Fehler-Länge [m]
Auflösung des Sensors:
2000 Schritte pro Umdrehung
Max Following Error:
3000
Durchmesser:
4cm
Sollwert
Real Wert
-
+ Abstand
Abbildung 66 : Following Error
Abbildung 67 : Beispiel mit „Following Error“
„Max Following Error“ erreicht,
wenn der Abstand zwischen
Sollwert und realem Wert eine
Länge δL hat:
π ⋅ D
δ L = ⋅ M ax Follow ing E rror
R esoluion
−2
π ⋅ 4 ⋅10
δ L = ⋅ 3000 = 18.85 cm
2000
Der Motor läuft frei, wenn die Belastung zu gross und ein Abstand von 18.85cm
innerhalb der Bewegungsdauer, der Servoverstärker gemessen wird.
50 25/02/2011

7.3 Lösung und Verbesserung
Normalerweise wird die im vorhergehenden Kapitel beschriebene Sicherungsfunktion
zum Schutz in das System integriert. Für die Anwendung mit einem Kite ist diese
jedoch nicht brauchbar, da dadurch die Motoren in den Leerlaufmodus gelangen und der
Kite nicht mehr steuerbar ist.
Um dieses Problem zu lösen wird der Wert „Max Following Error“ erhöht. Diese
Erhöhung ist für eine Länge δL grösser als die Länge der Bewegungsreichweite des
Kites definiert worden. Diese Lösung ist nicht gefährlich für das System, da eine
Stromregelung im Servoverstärker besteht. Das bedeutet, dass wenn wirklich zu viel
Kraft vorhanden ist, der Motor in die andere Richtung dreht und Energie zur Batterie
fliesst, weil der Motor in den 4 Quadranten-Antrieb funktioniert.
Z.B.: Für eine maximale Länge der Bewegung von 1m wird ein Wert von 1.1m für δL
genommen:
δ L ⋅ Resolution 1.1m ⋅ 2000
Max Following Error = = ≈ 17507
−2
π ⋅ D π ⋅ 4⋅10 m
Abbildung 68 : Veränderung des Werts „Max Following Error“ im EPOS-Pogramm
Die Person, die zuletzt an diesem Projekt der KCU-Steuerung gearbeitet hat, hatte
versucht, die Dynamik der Bewegung zu verbessern. Dessen Schlussfolgerung war, dass
es nicht möglich sei mehr als 30% der Nenndrehzahl und 20% der Nennbeschleunigung
zu erreichen, da sonst ein Fehler des EPOS (Max Following Error) entstünde. Dieser
Fehler wurde nicht im Detail analysiert, weshalb dieses Problem während des ersten
Versuchs in Möriken ständig auftrat.
Heute ist der gesamte Bereich der Geschwindigkeit und der Beschleunigung nutzbar.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 51

8 SCHLUSSWORT
Das Kommunikationssystem der ganzen Anlage ist robust und bereit für einen schnellen
Einsatz. Der grosse Vorteil der TCP-IP-Verbindung ist die Anpassungsfähigkeit an
andere Geräte und die Geschwindigkeit des Datenaustauschs. Mit dem Funkmodem und
der Möglichkeit der TCP-IP-Verbindung verfügt die Anlage über eine Redundanz. Somit
konnte eine gewisse Sicherheit der Kommunikation erzielt werden. Der Benutzer kann
nun mit zwei Joysticks die Steuerung der Anlage übernehmen, wo er vorher 4 gebraucht
hat.
Abbildung 69 : Kommunikationssystem seit dem 31 Januar 2011
Die KCU kann heute den ganzen Geschwindigkeitsbereich der Motoren nutzen, und der
Benutzer kann diese Geschwindigkeit über die Benutzeroberfläche ändern. Ein GPS-
Sensor wurde auf dem Drachen installiert, um alle Messungen zu Position, Höhe,
Beschleunigung, … zu erhalten. Diese Daten werden an dem Bordrechner der KCU
gesendet und gespeichert. Die Verarbeitung der empfangenen Daten hat heute den
Vorteil eines guten und robusten Buffers, um die Störungen und Fehler des Sendens zu
berücksichtigen.
Der Benutzer eine intuitive Benutzeroberfläche zur Verfügung. Dank der Versuche in
Möriken konnte durch die Beobachtungen des Pilots verbessert werden. Verschiedene
Flughilfen wurden implementiert, um die Arbeit des Pilots zu verringern. Z.B. Bei
Alarm, falls zu viel Kraft in der Linien der Steuerung des Drachens entsteht, oder wenn
die Spannung der Batterie zu sehr absinkt.
Das System nun bereit mit einem Algorithmus zur autonomen Steuerung des Drachens
ausgestattet zu werden.
Nick Beeli
Windisch,Den 23 Februar 2011
52 25/02/2011

9 DANK
Ich danke aussergewöhnlich:
Corey Houle (Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der FHNW) für seine Zusammenarbeit
und für seine innovativen Vorschläge zur Verbesserung während dieses Projekts
Heinz Burtscher (Betreuer und Dozent an der FHNW) für meine Ankunft in diesem
Projekt
Aldo Zgraggen (Ph.D. Student an der ETH) für seine Zusammenarbeit bezüglich des
GPS-Sensors
Tobias Strittmatter (Master Student und Mitarbeiter an der FHNW) für seine
Unterstützung während diesem Bericht
Peter Steigmeier (Mitarbeiter an der FHNW) für seine Ratschläge im elektronischen
Bereich
Jerome Marchand (Master Student und Mitarbeiter an der FHNW) für seine
Zusammenarbeit in diesem Projekt
Jackob Brack (Mitarbeiter an der FHNW) für seine Hilfe während die Versuche
Nicolas Beeli
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 53

10 QUELLEN
[REF1] Crosswind Kite Power – Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore
Calif. – NO.80-4075 – Miles L.Loyd – 1980
[REF2] Global Assessment of High-Altitude Wind Power – Department of Geological
and Environmental Science, California State University – CA 94305 – Cristina
L. Archer and Ken Caldeira - 2009
[REF3] Windenergienutzung mit schnell fliegenden Flugdrachen : eine
Herausforderung für die Optimierung und Reglung – Automatisierungstechnik
– Universität Leuven, Belgien – Moritz Diehl, Boris Houska – 2009
[REF4] Energieerzeugung mit Flugdrachen – MSE Projekt 7, Bericht –
Fachhochschule Nordwestschweiz – 2010
[REF5] Energieerzeugung mit Flugdrachen, Aufbau Bodenstation – MSE Projekt 8,
Bericht – Fachhochschule Nordwestschweiz – 2010
[REF5] Energieerzeugung mit Flugdrachen, Erweiterung KCU – MSE Projekt 7,
Bericht – Fachhochschule Nordwestschweiz – 2010
[REF7] JOBY Energy – http://www.jobyenergy.com/ – 340 Woodpecker Ridge, Santa
Cruz CA95060
[REF8] Danisch Wind Industry Association – http://windpower.org/en/ – Rosenorns
Allé 9 DK-1970 Frederiksberg C
54 25/02/2011

11 ABBILDUNGEN
Abbildung 1 : Leistung pro m 2 im Verhältnis der Geschwindigkeit [REF8] ....................... 5
Abbildung 2 : Leistungsdichte für eine Höhe von 120m [kW pro m 2 ] [REF7]..................... 5
Abbildung 4 : Energie-Methoden „Crosswind Kite Power“ Miles Loyd [REF1] .................. 6
Abbildung 3 : Leistungsdichte für eine Höhe von 600m [kW pro m 2 ] [REF7]..................... 6
Abbildung 5 : Methode Fs ....................................................................................................... 7
Abbildung 6 : Methode Fc ....................................................................................................... 7
Abbildung 7 : Methode FD ....................................................................................................... 7
Abbildung 8 : Anlage des „Swiss Kite Power“-Projekt .......................................................... 8
Abbildung 9 : Steuerung des KCUs........................................................................................ 9
Abbildung 10 : Funkmodem .................................................................................................... 9
Abbildung 11 : Fenster für die Speicherung der Daten ...................................................... 10
Abbildung 12 : Sicherheitsfenster ........................................................................................ 10
Abbildung 13 : Benutzeroberfläche „Joystick control“ ........................................................ 11
Abbildung 14 : Knopf „Stop“ ................................................................................................. 12
Abbildung 15 : Darstellung des Stroms in den Motoren..................................................... 12
Abbildung 16 : Richtung des Drachens ................................................................................ 13
Abbildung 17 : Position der Linien ....................................................................................... 14
Abbildung 18 : Grundinformation von dem KCU ............................................................... 14
Abbildung 19 : Ordner: Joystick control .............................................................................. 15
Abbildung 20 : Joystick für die Steuerung des KCUs ........................................................ 15
Abbildung 21 : Linien des KCUs .......................................................................................... 15
Abbildung 22 : Ordner : Test program ................................................................................. 16
Abbildung 23 : Ordner : Communication parameter .......................................................... 16
Abbildung 24 : Ordner : Parameter ...................................................................................... 17
Abbildung 25 : Stromalarm .................................................................................................. 17
Abbildung 26 : Ordner : Ground station .............................................................................. 18
Abbildung 27 : Ordner : GPS info ......................................................................................... 19
Abbildung 28 : Hauptschleife des Programms der Steuerung des Drachens .................... 20
Abbildung 29 : Schleife für die Berechnung der Test-Zeit.................................................. 23
Abbildung 30 : Schleife für das Führen des Test-Programms............................................ 24
Abbildung 31 : Initialisierung des Master-Programms ...................................................... 26
Abbildung 32 : Initialisierung des Slave-Programms ......................................................... 26
Abbildung 33 : Hauptprogramm TCP-IP Verbindung ........................................................ 27
Abbildung 34 : Lieferung-Schleife ........................................................................................ 28
Abbildung 35 : Empfang-Schleife ......................................................................................... 29
Abbildung 36: Geschichte von Paketen ................................................................................ 30
Abbildung 37 : Buffer-Schleife .............................................................................................. 31
Abbildung 38 : Bearbeitung des Daten-Segments .............................................................. 32
Abbildung 39 : String nach Integer & Boolean ................................................................... 32
Abbildung 40 : Integer & Boolean nach String ................................................................... 32
Abbildung 41 : IP-Adressen des Computers mit der Windows-Eingabeaufforderung ...... 33
Abbildung 42 : Auswahl der Verbindung zwischen Computer ........................................... 34
Abbildung 43 : Absendung- und Empfang-Schleife der Daten ........................................... 34
Abbildung 44 : Benutzeroberfläche für die Auswahl der Verbindung ............................... 34
Abbildung 45 : Kite Control Unit (KCU) ............................................................................. 35
Abbildung 46 : Xsens-Sensor ................................................................................................ 35
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 55

Abbildung 47 : Schleife für die Kontrolle und für die elektrische Messungen der Motoren
................................................................................................................................................ 36
Abbildung 48 : Schleife für die Bearbeitung der Daten zu schicken ................................. 37
Abbildung 49 : Schleife « Serial to cluster » ......................................................................... 38
Abbildung 50 : Schleife zum Lesen der Messungen des Sensors ....................................... 39
Abbildung 51 : Charakteristik für die Benutzung der Batterie ......................................... 40
Abbildung 52 : Elektronische Schaltung des Batterie-Schutzes ........................................ 41
Abbildung 53 : Komparator .................................................................................................. 41
Abbildung 54 : Schutz gegen Überspannung und Spannungsfluktuation ........................ 42
Abbildung 56 : Widerstand für Hysterese ........................................................................... 43
Abbildung 55 : Hysterese ...................................................................................................... 43
Abbildung 57 : Verschiebung der Schaltpunkte .................................................................. 44
Abbildung 58 : Verschiebung der Schaltpunkte (Zoom) ..................................................... 44
Abbildung 59 : Softswitching ................................................................................................ 45
Abbildung 60 : Kondensatoren gegen Spannungsabfall ..................................................... 45
Abbildung 61 : Vereinfachte Schaltung ............................................................................... 45
Abbildung 62 : Abschaltungszeit taus mit Kondensator von 2µF ........................................ 47
Abbildung 63 : Abschaltungszeit taus mit Kondensator von 3µF ........................................ 48
Abbildung 64 : LION-Gehäuse 1 .......................................................................................... 49
Abbildung 65 : LION-Gehäuse 2 .......................................................................................... 49
Abbildung 66 : Following Error ............................................................................................ 50
Abbildung 67 : Beispiel mit „Following Error“ .................................................................... 50
Abbildung 68 : Veränderung des Werts „Max Following Error“ im EPOS-Pogramm ...... 51
Abbildung 69 : Kommunikationssystem seit dem 31 Januar 2011 .................................... 52
Abbildung 70 : Speicherung der Daten ................................................................................ 57
Abbildung 71 : Block der Ablesung des Joysticks ............................................................... 58
Abbildung 72 : Bearbeitung der Daten des Joysticks ......................................................... 58
Abbildung 73 : Darstellung der Barren der Kontrolle ........................................................ 59
Abbildung 74 : Schrift der Daten „Write Data 9 bytes“ ...................................................... 59
Abbildung 75 : Ablesung und Bearbeitung der Daten „Serial to cluster 9 bytes“............. 59
Abbildung 76 : Spannung der Batterie ................................................................................ 60
Abbildung 77 : Erschaffung einer Textdatei........................................................................ 60
Abbildung 78 : Speicherung der Daten ................................................................................ 61
Abbildung 79 : Letzte Verbesserung des Programms ......................................................... 62
Abbildung 80 : Schaltspannung ........................................................................................... 63
Abbildung 81 : Simulation für die Schaltspannung ............................................................ 64
Abbildung 82 : Simulation für die Schaltspannung (Zoom) ............................................... 64
56 25/02/2011

12 ANHANG
12.1 Speicherung der Daten
Abbildung 70 : Speicherung der Daten
Die Daten können in Matlab oder in Excel eingelesen werden, um sie zu bearbeiten.
Während des nächstens Semesters werden diese Daten für eine Simulation der Anlage
benutzt.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 57

12.2 LABVIEW
12.2.1 Joystick
Abbildung 71 : Block der Ablesung des Joysticks
12.2.2 Bearbeitung der Daten des Joysticks
Abbildung 72 : Bearbeitung der Daten des Joysticks
Wie war in der Seite 15 gesagt, gabt es 4 verschiedenen Möglichkeiten der Steuerung. In
Abbildung 72 wird die Möglichkeit, die während Versuche gewählt wurde, dargestellt.
Offset
Range X Range Y
Angle of
Attack
Flight
Direction
Offset
Accident
Button
Mode
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12.2.3 Darstellung der Barren der Kontrolle
Abbildung 73 : Darstellung der Barren der Kontrolle
12.2.4 Verbindung zwischen Computer und KCU
Abbildung 74 : Schrift der Daten „Write Data 9 bytes“
Abbildung 75 : Ablesung und Bearbeitung der Daten „Serial to cluster 9 bytes“
Das Funktionieren von der Schleife der Abbildung 75 ist fast wie die Erklärung dem
Buffer der Seite 30 Unterkapitel 5.2.4.3.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 59

12.2.5 Spannung der Batterie
Abbildung 76 : Spannung der Batterie
Die Spannung der Batterie wir mit 20 Messungen (ungefähr 2 Sekunden für diese
Messungen) berechnet, um einen Mittelwert zu erhalten, wenn es Spannungsabfällen
(kurze Stromspitze) gibt. Laut des Werts der Spannung wird die Farbe der Batterie auf
der Oberfläche wechseln.
12.2.6 Erschaffung einer Textdatei
Abbildung 77 : Erschaffung einer Textdatei
Eine Textdatei wird im Computer gespeichert. Der Name der Datei „PC_control_KCU_“
wird den Daten hinzugefügt.
Wenn diese Textdatei schon besteht, dann wird die Schleife der Abbildung 77 den Name
wechseln, um die alte Datei nicht zu ersetzen.
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12.2.7 Speicherung der Daten
Abbildung 78 : Speicherung der Daten
Die wichtigen Daten (Messungen und Steuerung) werden in einer Textdatei gespeichert.
Ein Beispiel ist im Anhang 12.1 Seite 57 erhältlich.
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 61

12.2.8 Letzte Versbesserung des Programms
Abbildung 79 : Letzte Verbesserung des Programms
Während der Phase der Berichtschrift wurde ein kleines Teil des Programms
(Funkmodem-Verbindung) verbessert. Deshalb wird diese Veränderung hier dargestellt.
Die Funkmodem-Verbindung, die in der Hauptschleife war, hat jetzt seine Eigenschleife.
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12.3 LION-Gerät
12.3.1 Gleichung der Schaltspannung
0 = iR6 ⋅ R6 − ( iR3 − iR4) ⋅ R7 − iR3 ⋅ R3
Abbildung 80 : Schaltspannung
0 = ( iR6 + iR3 − iR4) ⋅ R5 + ( iR3 − iR4) ⋅ R7 − iR4 ⋅ R4 −U
0 = iR3 ⋅ R3 + iR4 ⋅ R4 + U −U
λ
U = ( iR3 − IR4) ⋅ R7
Matlab :
CE out
syms ir6 ir3 ir4 R5 R6 R7 R3 R4 Ut Ua
A=solve('ir6*R6-(ir3-ir4)*R7-ir3*R3','(ir6+ir3-ir4)*R5+(ir3-ir4)*R7-ir4*R4-
Ut','ir3*R3+ir4*R4+Ut-Ua','ir6','ir3','ir4');
ir7=A.ir3-A.ir4;
U=R7*ir7;
pretty(U)
A=solve('ir6*R6-(ir3-ir4)*R7-ir3*R3','(ir6+ir3-ir4)*R5+(ir3-ir4)*R7-ir4*R4-
Ut','ir6*R6+(ir6+ir3-ir4)*R5-Ua','ir6','ir3','ir4');
ir7=A.ir3-A.ir4;
U2=R7*ir7;
pretty(U2)
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 63
CE

Simulation mit den Ergebnissen von der letzten Seite:
clear
clc
R7=linspace(10^4,2*10^7,100000);
R3=100000;
R4=100000;
R5=12000;
R6=82000;
Ua=19;
Ut=0.6;
out=(R5.*(R3.*R4.*Ua + R3.*R7.*Ua + R4.*R6.*Ua + R4.*R7.*Ua +
R3.*R6.*Ut))./(R3.*R4.*R5 + R3.*R4.*R6 + R3.*R5.*R6 + R3.*R5.*R7 +
R4.*R5.*R6 + R3.*R6.*R7 + R4.*R5.*R7 + R4.*R6.*R7);
out2=Ua.*(R5.*R7)./(R6.*(R7+R5)+R5.*R7);
out3=out-out2;
figure(1)
semilogx(R7,out3)
grid
xlabel('R7 [Ohm]')
ylabel('U\lambda [V]')
Abbildung 81 : Simulation für die Schaltspannung
R7=linspace(1,2*10^7,100000);
out=(R5.*(R3.*R4.*Ua + R3.*R7.*Ua + R4.*R6.*Ua + R4.*R7.*Ua +
R3.*R6.*Ut))./(R3.*R4.*R5 + R3.*R4.*R6 + R3.*R5.*R6 + R3.*R5.*R7 +
R4.*R5.*R6 + R3.*R6.*R7 + R4.*R5.*R7 + R4.*R6.*R7);
out2=Ua.*(R5.*R7)./(R6.*(R7+R5)+R5.*R7);
out3=out-out2;
figure(2)
semilogx(R7,out3)
grid
xlabel('R7 [Ohm]')
ylabel('U\lambda [V]')
Abbildung 82 : Simulation für die Schaltspannung (Zoom)
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12.3.2 Messungen
Batterie ohne Last: 23.72V ∆taus: 15.3ms C3: 1µF
Batterie mit Last: 23.2V ∆t19V: 13.2ms Imax: 21.4A Inom: 4.7A
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 65

Batterie ohne Last: 23.75V ∆taus: 24.2ms C3: 2µF
Batterie mit Last: 23.1V ∆t19V: 23ms Imax: 22.4A Inom: 4.73A
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Batterie ohne Last: 23.63V ∆taus: 29.4ms C3: 3µF
Batterie mit Last: 22.8V ∆t19V: 28.6ms Imax: 22A Inom: 4.7A
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 67

Umax: 20.6V ∆taus: 42.8ms C3: 3µF
Uaus: 16.8V ∆t19V: 35.2ms Imax: 23.2A
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12.4 Funkmodem
Automatisierung – Kite Windkraftwerk 69

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72 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 73

74 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 75

76 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 77

78 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 79

80 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 81

82 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 83

84 25/02/2011

12.5 Xsens-Sensor
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86 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 87

88 25/02/2011

Automatisierung – Kite Windkraftwerk 89