Cluster Mechatronik & Automation

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14.08.2014

Fachbeitrag

MINIMISE-Energieeffizienzsteigerung in der Produktion

Hintergrund
Produzierende Unternehmen in Deutschland stehen vor der Herausforderung, ihre bestehenden Produktionsanlagen für die Zukunft fit zu machen. Neben etablierten Zielen wie Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung rückt dabei besonders die Verbesserung der Energieeffizienz in den Fokus. Die seit dem Jahr 2000 über 120 % gestiegenen Energiekosten, die Einführung von Energiemanagementsystemen nach ISO 50001 sowie die Verschärfung nationaler und internationaler Umweltrichtlinien motiviert Unternehmen verstärkt die Energieeffizienz der zum Einsatz kommenden Produktionsanlagen zu steigern [1].

 

Abbildung 1: Konsortium des Verbundforschungsvorhabens MINIMISE


Die Technologieauswahl und Dimensionierung von Anlagenkomponenten findet allerdings meist einmalig zum Zeitpunkt der Produktentwicklung unter den Prämissen hoher Betriebsfestigkeit und Produktionsleistung sowie geringen Herstellkosten statt. Hierbei werden insbesondere Maschinensteuerungen, vor allem nach der Maßgabe einer schnellen Verfügbarkeit der Anlagen gestaltet. Studien zeigen, dass dies in der Praxis zu nicht wertschöpfenden Stand-by-Energieaufwänden von bis zu 60 % des Gesamtenergieverbrauchs führt [2]. Grund hierfür ist, dass Komponenten nicht betriebszustandsspezifisch und lastabhängig angesteuert werden und somit kontinuierlich bei voller Leistung auch in den Nebenzeiten laufen. Weiterhin geht hervor, dass bei einer Betrachtung aller Betriebszustände von Produktionsanlagen, nur ca. 5 % des Energieverbrauchs tatsächlich für die eigentliche wertschöpfende Operationen während der Maschinenbetriebszeit anfallen.


Es gilt daher, ein zielgerichtetes und damit wirtschaftliches Reengineering anzuwenden, um die Dimensionierung und die Ansteuerung der Anlagenkomponenten adaptiv an die vorherrschende Produktionsaufgabe zu ermöglichen. Insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) hindert bisweilen der hohe Aufwand und die Komplexität von messtechnischen Analysen bis auf die Anlagenkomponentenebene sowie die parallele Erfassung der Betriebszustände, die für eine zielgerichtete und effektive Optimierung nötig sind  [3].


Zur rationellen Energieanwendung in KMU wurde daher das Verbundforschungsvorhaben MINIMISE zur energetischen Anlagenoptimierung unter Betrachtung der vorherrschenden Produktionsanforderungen im Anlagenbetrieb entlang der gesamten Wertschöpfungskette durchgeführt. Im Konsortium arbeiteten PROF-IS als Soft- und Hardwareentwickler, Metal Improvement Company und Klubert+Schmidt GmbH als Anwender, sowie die Fraunhofer IPA Projektgruppe Prozessinnovation als Experte für Methodenentwicklung und Messtechnik zusammen.


Analyse des Anlagenparks
Für die Vorauswahl der Maschinen und Anlagen mit dem höchsten zu erwartendem Einsparpotential spielen quantitative Kriterien wie Anschlussleistung, Anzahl artgleicher Betriebsmittel, Laufzeit, Baujahr und geplante Restnutzungsdauer eine entscheidende Rolle. Weiterhin wurden in diese Betrachtung von Betriebsexperten qualitative Kriterien wie das vermutete Einsparpotential, Systemkomplexität, Instandhaltungsaufwand, Umbaurestriktionen und Auslastung einbezogen. Die Fakten werden bei allen beteiligten Unternehmen für den gesamten Anlagenpark erhoben und mittels einer Fuzzy-Logik basierten multikriteriellen Auswahlsystematik in ein Ranking zur Anlagenpriorisierung umgesetzt [4].


Anlagenvermessung und Bewertung der Energieeffizienz als objektiver Ausgangspunkt für ein maßgeschneidertes Retrofit
Auf dieser Grundlage der Anlagenpriorisierung werden anschließend detaillierte messtechnische Untersuchungen mit dem von Fraunhofer im Projekt entwickelten Messsystem durchgeführt. Hierzu wird ein auf die zu untersuchende Anlage zugeschnittener Messaufbau zur Aufzeichnung der elektrischen Energie, weiterer Ressourcenverbräuche und Prozessmedien sowie steuerungstechnische Signale für die Betriebszustandsidentifikation erstellt. Die installierte Messtechnik zeichnet anschließend parallel zur Produktion alle Daten auf und stellt diese in einer Zeitreihe wie in Abbildung 2 dar.

 

Abbildung 2: Darstellung der mit dem Fraunhofer-Messsystem aufgenommenen Daten einer Kugelstrahlanlage von MIC



Die Lastgänge gehen zur Bewertung der Energieeffizienzsituation der Produktionsanlagen in entwickelte Indikatoren ein, die zum einen das effiziente Auffinden von Optimierungspotentialen ermöglichen und zum anderen die anlagenübergreifende Vergleichbarkeit gewährleisten. Am Beispiel aus Abbildung 2 konnten vier charakteristische Potenziale identifiziert werden.
1 ungeregelte Abschaltung der Antriebe.
2 kontinuierlicher Betrieb von Strahlmittelfördereinrichtung (Elevator) und Siebanlage.
3 Lastspitzen der Förderschnecke.
4 kontinuierlicher Verbrauch der Robotersteuerung.


Die identifizierten Optimierungspotenziale aus den Messungen werden anschließen in einem Retrofit mit Hilfe des von der Firma PROF-IS entwickelten und individuell konfigurierten MINIMISE-Cube umgesetzt. Der MINIMISE-Cube stellt dabei eine herstellerunabhängige Nachrüststeuerung dar, die wie eine externe kooperierende Instanz die Anlage energieeffizient schaltet.

 

Abbildung 3: Struktur des MINIMISE-Cube

 

Das entwickelte Messsystem kann ebenfalls als kontinuierliches Analysesystem für das Energieverbrauchsverhalten von Maschinen und Anlagen genutzt werden. Dies ist vor allem im Hinblick der Einführung eine Energiemanagementsystems nach ISO 50001 und der damit zusammenhängenden kontinuierlichen Energiedatenerfassung relevant. Aus den abgeleiteten Energiekennzahlen lassen sich somit im Rahmen des in der Norm definierten kontinuierlichen Verbesserungsprozesses Maßnahmen bezüglich Energieeffizienz ableiten die sich durch veränderte Anlagennutzungen oder Auslastungen über Jahre hinweg ergeben können.

MINIMISE-Cube als adaptive Retrofitlösung
Bei der Entwicklung des MINIMISE-Cube wurde speziell auf eine herstellerunabhängige Kommunikation mit der existierenden Anlagensteuerung sowie einem anlagenübergreifendem Datenaustausch geachtet was dem horizontalen Vernetzungsprinzip der Automatisierungstechnik entspricht. Durch die verwendete Hard- und Softwareentwicklung kann der MINIMISE-Cube modular und flexibel an die jeweilige Maschine sowie die aus den Messwerten identifizieren Optimierungspotenziale angepasst werden. Für die Optimierung eines Anlagenverbundes wie in einer Fertigungszelle  kann der Energieeinspareffekt des Cube noch gesteigert werden.  Benötigte produktionsrelevante Daten aus der Prozess- und Betriebsleitebene, können durch vertikale Integration eingehen. Aus den verfügbaren Daten, wird anschließend der energieeffiziente SOLL-Betriebszustand der Maschine definiert. Hierzu wird der MINIMISE-Cube anlagenindividuell, unter Berücksichtigung der verfügbaren Informationen, parametriert. Mit dem Anlagenbetreiber und anhand der ermittelten Potenziale wird dabei bis auf Aggregatebene entsprechend auftretender Betriebszustände das Komponentenschalverhalten festgelegt. Besonders interessant ist die Retrofit-ösung für Anlagenbetreiber mit Mehrmaschinenbedienung sowie einem Schichtsystem, bei dem die Anlagen nicht 24 Stunden betrieben werden. So erkennt der MINIMISE-Cube selbstständig wann es sinnvoll ist bestimmte Komponenten, die ganze Anlage bzw. die ganze Fertigungszelle in einen minimalenergieverbrauchenden Zustand zu schalten. Dies kann beispielsweise bei Erreichen des letzten Produktionsprozesses erfolgen. Selbst bei Pausenstillstandszeiten kann das System seine Vorzüge bereits ausspielen.

 

 

Abbildung 5: Vergleich der Messdaten vor und nach der Installation des MINIMISE-Cubes

Zahlen und Fakten aus der Implementierung
Die Anwendung des MINIMISE-Cubes für eine Kugelstrahlanlage ist in Abbildung 3 zu sehen. Durch den Einsatz konnten die nichtwertschöpfenden Stand-By Energieaufwände um bis zu 80 % gesenkt werden und die Spitzenlasten durch eine kaskadierte Ansteuerung um 30 %. Besonders die Übertragbarkeit der Optimierungsmaßnahmen hat dabei für die Firma MIC eine große Bedeutung, da weltweit ca. 700 Anlagen für einen Maßnahmentransfer zur Verfügung stehen.


Bei dem Automobilzulieferer Klubert + Schmidt konnte durch das entwickelte Vorgehen die betriebenen Reinigungsanlagen als besonders hohe Energie- und Ressourcenverbraucher ermittelt werden. Messtechnische Analysen an den Anlagen zeigten, dass auch hier hohe Stand-By Verbräuche, speziell der elektrischen Heizsysteme, vorlagen. Durch die Anwendung der messtechnikbasierten MINIMISE Methode und dem MINIMISE-Cube Retrofit konnte ebenfalls der Energiebedarf im zweistelligen Prozentbereich gesenkt werden.


Bei der Identifizierung von Optimierungspotenzial spielt auch die Bewertung der Energieeffizienz verbauter Aktorik eine große Rolle. Innerhalb eines Retrofit kann durch den Austausch ineffektiver Aktorik die durchschnittliche Leistung einer Produktionsanlage deutlich gesenkt werden. Beispielsweise der Wechsel von pneumatischer zu elektrischer Aktorik amortisierte sich durchschnittlich innerhalb von 6 Monaten im Projekt. Durch Erweiterung des funktionalen Fertigungsspektrums können Maschinenstillstandzeiten weiter reduziert werden, ein „energetisch-funktionaler-Retrofit“ wird so schnell wirtschaftlich.

 


Literaturverzeichnis
[1]    Bauernhansl, T. (Hrsg.).: Energieeffizienz in Deutschland - eine Metastudie. Analyse und Empfehlungen. Berlin: Springer 2014.
[2]    Neugebauer, R.; Westkämper, E.; Klocke, F.; Kuhn, A.; Schenk, M.; Michaelis, A., Spath, D.; Weidner, E.: Energieeffizienz in der Produktion. Untersuchung zum Handlungs- und Forschungsbedarf. München: Fraunhofer 2008.
[3]    Kübler F.; Hamacher M.; Steinhilper R.; Schönig S.: Energie-OEE - Messbare Produktivitäts- und Energieeffizienzsteigerung in der Produktion Productivity Management, 21/2013 4, S. 39-42, 2013.
[4]    Boehner J.: Ein Beitrag zur Energieeffizienzsteigerung in der Stückgutproduktion. Aachen: Shaker 2013.

 

 

Projektpartner

PROF-IS GmbH
Winnettener Straße 5
91550 Dinkelsbühl
www.prof-is.de

Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation
Universitätsstraße 30
95447 Bayreuth
www.lup.uni-bayreuth.de/fhg

Metal Improvement Company, LLC
Sommerauer Straße 6
91555 Feuchtwangen
www.micfeuchtwangen@cwst.com

Klubert+Schmidt GmbH
Am Langen Berg 30
91278 Pottenstein
www.klubertundschmidt.de

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Projektträger Karlsruhe Produktion und Fertigungstechnologien
(PTKA-PFT)
Hallwachsstraße 3
01069 Dresden
www.produktionsforschung.de

 

 

Autoren

Daniel Volk
PROF-IS GmbH

Dr.-Ing.
Johannes Boehner
Fraunhofer-Projektgruppe

Dipl.-Ing.
Moritz Hamacher
Fraunhofer-Projektgruppe

Dipl.-Ing.
Frank Kübler
Fraunhofer-Projektgruppe

Ralf Fiebach
Metal Improvement
Company

Verena Wiegärnter
Klubert+Schmidt GmbH


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