diff --git a/doc/opc/Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-19-00.png b/doc/opc/Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-19-00.png
new file mode 100644
index 0000000000000000000000000000000000000000..d2cc032d742b63bdc4eac160b4fcb31060248959
Binary files /dev/null and b/doc/opc/Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-19-00.png differ
diff --git a/doc/opc/Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-20-32.png b/doc/opc/Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-20-32.png
new file mode 100644
index 0000000000000000000000000000000000000000..3c64a298fd7e906674c381ad6ba1f2d4188772a7
Binary files /dev/null and b/doc/opc/Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-20-32.png differ
diff --git a/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.pdf b/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.pdf
index 721b3e5cd23f399984229d881a920ba7b6f2960e..18ffa9f22c0a5eca000fb6acc6558ea8e716c8e7 100644
Binary files a/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.pdf and b/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.pdf differ
diff --git a/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.tex b/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.tex
index 18f7a78dc992cb8531fc9940e022e3e122565d0d..9cad572bec261d6eb1e44c716165210396effa3e 100644
--- a/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.tex
+++ b/doc/opc/Smart Grid Modell OPC Server.tex
@@ -48,40 +48,216 @@
für das Smart Grid Modell
\end{center}
+ \newpage
+ \section{Übersicht}
-
- \newpage
+ Das Smart-Grid-Modell (SGM) veranschaulicht, ein intelligentes Energienetz mit verschiedenen Strom- Erzeugern und Verbrauchern.
+ Die Hardware des SGM wurde bereites durch mehrere Gruppen von Studierenden am CVH aufgebaut.
+ Dazu gehörten sowohl Hardware-, als auch Softwarekomponenten.
+
+ Die Gruppe der Erzeuger auf dem SGM stellt sich aus den einer konventionellen Komponente (einem herkömmlichen Kraftwerk) und zwei erneuerbaren Engergiequellen,
+ einem Windrad und einem Photovoltaikpark, zusammen. Die Gruppe der Verbraucher, ist durch eine Ansiedlung von Häusern dargestellt.
+ Alle diese Komponenten sind auf dem Modell miteinander verbunden. Bei der Verbindung handelt es sich um LED-Streifen, die sowohl grün als auch rot leuchten können.
+ Grün steht hierbei für die erneuerbare Energie und Rot für die konventionelle.
+ Das Windrad auf dem Modell verfügt über einen Motor, worüber die Windgeschwindigkeit veranschaulicht werden kann.
+
+ Die Ansteuerung der LED-Streifen, als auch des Windrads wird von einem Arduino übernommen, welcher per PWM die Farbe und Drehgeschwindgeit einstellt.
+ Dieser Arduino war nicht Teil der folgenden Arbeit, sondern wird lediglich über seine I2C-Schnittstelle angesprochen.
+ Bis auf eine Aktualisierung des Raspberry-Pis auf das zum derzeit aktuellste Raspberry-Pi OS wurden keine Änderungen an der Hardware vorgenommen.
+ Der Raspberry Pi wurde aktualisiert, damit die neuesten C++ Standards verwendet werden konnten.
- \begin{thebibliography}{}
- \begin{bibcomment}
- Die Online Quellen beziehen sich auf den Stand im Mai 2020.
-
- \end{bibcomment}
-
- Weitere Quellen
- \begin{itemize}
- \item Introduction into docker images \\
- \url{https://jfrog.com/knowledge-base/a-beginners-guide-to-understanding-and-building-docker-images/}
-
- \end{itemize}
-
- \vfill
-
- \begingroup
+ Die bereits bestehende Software, die vorher auf dem Raspberry-Pi installiert war wurde gesichert und ist in diesem Repositorie unter dem Tag SS19 zu finden
+ \url{https://gitlab.cvh-server.de/aco/smart-grid-modell/-/tree/ss19}.
+ Dieser Tag stellt eine GUI bereit mit der verschieden Parameter des Modells angepasst werden können und ein Tageszeiten-Simulationsmodus ausgeführt werden kann.
+ Diese Software bot jedoch keine Möglichkeit, um einen OPC UA Server sinvoll zu integrieren, daher wurde die Software zur Ansteuerung des Modells in gänze neu geschrieben.
+
+ \section{Entwicklungen}
- \small
+ Als Vorbereitung zu den folgenden Entwicklungen wurde der Raspberry Pi aktualisiert, da das Betriebsystem zu sehr gealtert war, sodass die Software nicht auf den akutellen Stand
+ geupdated werden konnte.
+
+ \subsection{I2C}
+ Als erstes wurde eine I2C Modul entwickelt, welches es ermöglicht auf die I2C Schnittstelle des Raspberry-Pis und dadurch auf den Arduino zuzugreifen.
+ Hierbei wurde im Gegensatz zu vorher auf die Verwendung von der Bibliothek WiringPi verzichtet, sondern es wurden direkt die von Linux bereitgestellten Schnittstellen genutzt.
+ Eine Beispielanwendung, wie die Schnittstelle zu verwenden ist ist in der Datei \textit{ComTest.cpp} bereitgestellt.
+ Die zugehörige kompilierte Anwendung ist \textit{manual\_control.exe}.
+ Mit dieser Anwendung können die Ausgängen des Arduinos gestuert werden.
+ Die Verwendung ist folgendermaßen:
+
+ \begin{lstlisting}[language=C]
+ // ./manual_control $register $value
+ // for example
+ ./manual_control 2 50
+
+ // Sets the windmill to the speed of 50 (of max 255).
+ \end{lstlisting}
+
+ Darauf aufbauen wurde ein \textit{HardwareController} geschrieben, der eine leichtere Steuerung des Modells
+ erlaubt. Erfasst die einezelnen Bereiche des Netzes zu logischen Gruppen zusammen die dann gemeinsam gesteutert werden können.
+
+ \subsection{Smart Grid Modell}
+
+ In Anlehnung an den bereits bestehenden Tagszeiten-Simulationsmodus wurde eine neue Simulation entwicklet,
+ die ebenfalls einen Tagesablauf, mit Tageszeit abhängigem Verbrauch und Energieerzeugung, sodass zu verschiedenen Tagszeiten
+ mal ein Überschuss an erneuerbaren Energien besteht und mal die Versorgung ausschließlich durch die konventionelle Energie gedeckt ist.
+ Abhängig von der Energieverteilung innerhalb des Netz werden die LEDs geschaltet, um den Zustand zu visualiesieren.
+
+ Die Uhrzeit kann von außen, aus Softwaresicht, eingestellt werden. Genauso kann das berechnen des Zustands für die nächste Stunde angestoßen
+ werden, sodass sich das Modell von außen steuern lässt.
+
+ Darauf aufbauend wurde das SGM in einen Zustandsautomaten gekapselt, dieser verwaltet lediglich die zwei Zustände Simulation oder Manuelle-Steuerung.
+ Im Simulationsmodus, wird in einem regelmäßigen Zeitintervall der Zustand für die nächste Stunde des Modells berechnet und eingestellt.
+ Im manuellen Modus, wird die Zeit festgehalten und das Modell verweilt in diesem Zustand.
+ Von außen kann jedoch die Uhrzeit manuell geändert werden, wodurch sich der Zustand des Modells ändert.
+
+ \subsection{OPC UA Server}
+
+ Für die Ergänzung des SGM wurde auf die Bibliothek \textit{FreeOpcUa} \url{https://github.com/FreeOpcUa/freeopcua} zurückgegriffen.
+ Dies ist eine unter LGPL stehende Software, mit der sowohl OPC UA Server als auch Clients geschrieben werden könne.
+ Die Bibliothek wurde als Git-Submodule eingebunden.
+
+ Es werden auch Code-Beispiele z.B. \url{https://github.com/FreeOpcUa/freeopcua/blob/master/src/examples/example_server.cpp} für einen Server bereitgestellt.
+ Aufbauen auf diesem Beispiel wurde der OPC UA Server für das SGM implementiert.
+
+ Der OPC UA Server soll es ermöglichen, den Simulationszustand zu simulieren und gleichzeitig Verbraucher im Modell ein und ausschalten können.
+ Zur Steuerung stellt der OPC UA Server daher drei Steuerungs-Variablen zur Verfügung.
+
+ \begin{description}
+ \item[sim\_mode\_enabled] Über diese Variable vom Typ \lstinline{boolean} ist es möglich zwischen den Modi Simulation und manueller Steuerung zu wählen.
+ \item[time] Über diese Variable vom Typ \lstinline{int} lässt sich eine Uhrzeit zwischen 0 und 23 Uhr einstellen.
+ \item[producing] Über diese Variable vom Typ \lstinline{boolean} kann im Modell gesteuert werden, ob ein zusätzlicher Verbraucher (zum Beispiel eine Industrieanlage) eingeschaltet oder ausgeschaltet werden soll
+ \end{description}
- \setlength{\leftskip}{3cm}
+ Darüber hinaus gibt der OPC UA Server auch den Zustand der Simulation nach außen frei.
+ Diese veröffentlichten Variablen können jedoch nicht manipuliert werden.
- Copyright \copyright\ 2020\quad Armin Co\\
- Lizenz: \mylicense
+ \begin{description}
+ \item[excess\_power] Im Netz verfügbare (überschüssige) erneuerbare Energie.
+ \item[power\_production] Insgesamt bereitgestellte Energei, sowohl erneuerbar als auch konventionell.
+ \item[renewable\_pwer] Produzierte erneuerbare Energie.
+ \item[sun\_power] Durch den Photovoltaikpark erzeugte Energie.
+ \item[used\_power] Kommulierte Energie aller Verbraucher.
+ \item[wind\_power] Druch das Windrad erzeugte Energie.
+ \end{description}
- Sie können diesen Text einschließlich \LaTeX-Quelltext
- herunterladen unter:\\
- \url{https://gitlab.cvh-server.de/aco/smart-grid-modell}
+ \begin{figure}[h!]
+ \centering{
+ \includegraphics[scale=0.5]{Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-19-00.png}
+ }
+ \caption[]{OPC UA Server SGM Variablen}
+ \label{abb:opc_vat}
+ \end{figure}
- \endgroup
+ \section{Installation}
+
+ Für die Entwicklung der Software kann jeglicher Linux-Desktop verwendet werden.
+ Für Debian basierte Linux-Distributionen ist die Installation am einfachsten.
+
+ Die zu dem Projekt gehörende Quellcode befindet sich im CVH GitLab unter: \url{https://gitlab.cvh-server.de/aco/smart-grid-modell}.
+
+ Zur Enwicklung werden die fogenden Tools benötigt:
+ \begin{itemize}
+ \item git
+ \item gcc
+ \item make
+ \item cmake
+ \end{itemize}
+
+ Für das Testen des OPC Server bietet sich darüber hinaus noch das Tool \textit{opcua-client} an.
+ Dieses kann über die Python Paketverwaltung pip mit dem Befehl \lstinline{pip install opcua-client}
+ installiert werden.
+
+ Das Projekt kann mit dem foglenden Befehl heruntergeladen werden.
+ \begin{lstlisting}
+ git clone --recurse-submodules https://gitlab.cvh-server.de/aco/smart-grid-modell
+ \end{lstlisting}
+
+ Für die Installation wurde das Skript \lstinline{install.sh} bereitgestellt.
+ Sind alle nötigen Abhängigkeiten installiert wird hiermit das gesamte Projekt bebaut.
+ Auf dem Raspberry-Pi kann das Kompilieren einige Minuten dauern.
+
+ Der Grund dafür ist, dass die FreeOpcUa Bibliothek mitgebaut werden muss.
+ Die Abhängigkeiten, die für die Bibliothek installiert werden müssen, sind in der
+ Datei \textit{debian.soft} der FreeOpcUa Biblithek aufgelistet.
+
+ Die Schritte die das Installations Skript übernimmt sind die folgenden.
+ Als erstes wird das Verzeichnis \textit{build} angelegt und in dieses gewechselt.
+ Darin wird der Befehlt \lstinline{cmake ..} ausgeführt.
+ Damit werden die GNU Makefiles generiert, mit denen das Projekt kompiliert werden kann.
+ Das Kompilieren kann dann mit dem Befehl \lstinline{make} angestoßen werden.
+ Beschleunigt werden kann der Vorgang, indem mit der Option \lstinline{-j2}
+ die Anzahl der Threads angegeben werden, mit denen parallel kompiliert wird.
+
+ Beim manuellen kompilieren ist darauf zu achten, dass die ausführbaren Datein
+ in dem Verzeichnis \textit{build/libs/freeopcua/bin/} abgelegt werden.
+ Das Installations-Skript kopiert die \textit{smart\_grid.exe} zurück in das \textit{build} Verzeichnis.
+
+
+ \section{Ausführen}
+
+ Gestartet werden kann der OPC Server indem die ausführbare Datei gestartet wird.
+ Beim beenden des Servers, werden die Ausgänge des Modells nicht wieder zurück gesetzt.
+ Daher leuchten die LEDs weiter und auch das Windrad dreht sich weiter.
+
+ Zum ausschalten der LEDs können zwei Skripte benutzt werden die auf das oben genannte Tool
+ \textit{manual control} zurückgreifen.
+ Damit können entweder alle Komponeten ausgeschaltet werden, oder nur das Windrad.
+ \begin{itemize}
+ \item windmill\_off.sh
+ \item all\_off.sh
+ \end{itemize}
+
+ Alternativ kann das Skript \textit{start\_server.sh} verwendet werden.
+ Mit dem Skript wird nach dem dem Beenden, durch das Drücken das Taste \textit{q} alle Ausgänge wieder
+ ausgeschaltet.
+
+ Der OPC Server ist anschließend unter der lokalen IP Adresse (vergeben über DHCP) oder wenn möglich
+ über den Hostnamen raspberrypi und dem Port 4840.
+
+ Um sich per ssh mit dem Raspberry-Pi zu verbinden werden die Zugangsdaten Benutzername: pi und Passwort: pi benötigt.
+
+ In dem OPC UA client können dann zum Beispiel die Daten betrachtet werden.
+ So wie in Abbildung \ref{abb:excess_pwr} dargestellt.
+
+ \begin{figure}[h]
+ \centering{
+ \includegraphics[scale=0.5]{Bildschirmfoto vom 2020-10-28 10-20-32.png}
+ }
+ \caption[]{Überschüssige Energie im Zeitverlauf}
+ \label{abb:excess_pwr}
+ \end{figure}
+
+
+
+ \newpage
+
+ \section{Ressourcen}
+ \begin{itemize}
+ \item \url{https://gitlab.cvh-server.de/aco/smart-grid-modell}
+ \item \url{https://www.raspberrypi.org/}
+ \item \url{https://github.com/FreeOpcUa/freeopcua}
+ \item \url{https://cmake.org/}
+ \end{itemize}
+
+
+ \vfill
+
+ \begingroup
+
+ \small
+
+ \setlength{\leftskip}{3cm}
+
+
+ Copyright \copyright\ 2020\quad Armin Co\\
+ Lizenz: \mylicense
+
+ Sie können diesen Text einschließlich \LaTeX-Quelltext
+ herunterladen unter:\\
+ \url{https://gitlab.cvh-server.de/aco/smart-grid-modell}
+
+ \endgroup
-\end{document}}
\ No newline at end of file
+\end{document}
\ No newline at end of file