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Abschalten statt abwarten

Reduzierung des Energieverbrauchs in Stillstandzeiten
Abschalten statt abwarten

Die Entwicklungen der letzten Jahre haben erhebliche Energieeinsparungen durch effiziente Antriebe und optimierte Anwendungsprozesse mit sich gebracht. Eines der hierbei noch wenig behandelten Themen ist die Handhabung des Energieverbrauchs in den Produktionspausen und dessen Steuerung abhängig von der Auslastung der Produktion. Das gezielte Abschalten von nicht benötigten Verbrauchern bzw. die Anpassung von Parametern wie Taktraten an die Produktionsgeschwindigkeit bieten hierbei eine Chance.

Der Autor: Dr. Peter Wenzel Geschäftsführer, Profibus Nutzerorganisation e.V.

Beobachtungen zeigen, dass heute in Anlagen und Betrieben zahlreiche Verbraucher in den Pausen vielfach weiterlaufen und daher vermeidbare CO2-Emissionen erzeugen. Ähnliches gilt für produktionsbedingte Leerlaufzeiten. Das herstellerunabhängige Profinet-Profil Profienergy nutzt die Profinet-Infrastruktur und -Kommunikation und erschließt die Möglichkeit zur Energieeinsparung in Stillstandzeiten (Produktionspausen und Leerlaufzeiten). Die Profienergy-Kommandos verarbeiten In-formationen über die zeitliche Dauer solcher Stillstände. Dabei werden die Stillstandzeiten entweder durch die Anwendung vorgegeben (geplante Pausen und Leerlaufzeiten) oder durch die Art der Störung (sporadische Pausen). Die für das Energiemanagement verantwortliche Steuerungseinheit sendet lediglich dem profienergyfähigen Gerät (bzw. der Maschine) ein Kommando, das Informatio- nen über die Länge der Stillstandzeit enthält. Die Geräte entscheiden daraufhin selbstständig, welche Teile abzuschalten sind und zu welchem Zeitpunkt sie wieder in Gang gebracht werden müssen, um nach Ablauf der Stillstandzeit wieder betriebsbereit zu sein. Dabei ist gleichgültig, ob es sich bei den Geräten um eine Einzelkomponente, beispielsweise einen Antrieb, oder um eine ganze Maschine handelt. Um ein Gerät wieder in Betriebsbereitschaft zu setzen, wird lediglich durch die Anwendung ein Einschaltbefehl gesendet. So ist ein koordiniertes, von den jeweiligen Randbedingungen der Anwendung abhängiges Hochlaufen der Anlage möglich. Damit die Geräte mit unterschiedlich langen Hochlaufzeiten energieoptimiert eingeschaltet werden können, stellen sie ihre Hochlaufzeiten zur Verfügung. Auf Basis dieser Daten ermittelt das Energiemanagementprogramm den Zeitpunkt für das Einschaltkommando. Darüber hinaus können die Kommandos auch zur Vermeidung von Lastspitzen verwendet werden.
Definierte Anwendungen
Um die unterschiedlichen Bedingungen in den Betrieben abzubilden und damit das neue Profil so praxisnah wie möglich arbeiten kann, wurden verschiedene Use Cases definiert. Das Hauptaugenmerk lag dabei im Ab- und Zuschalten in produktionsbedingten Leerlaufzeiten, in kurzen und langen Pausen. Aber auch bei Störungen, die zu Unterbrechungen führen (ungeplante Pausen), kann ein energiesparender Modus eingenommen werden. Darüber hinaus lassen sich die Maschinen abhängig von der Auslastung energieoptimiert steuern. Ein weiterer Use Case betrifft das Messen und Visualisieren der einzelnen Energieverbräuche. Bei drohenden und damit sehr kostenintensiven Lastspitzen können dann gezielt Nebenprozesse abgeschaltet werden.
Leerlaufzeiten: Hier hält das System Teile der Anlage definiert an und schaltet Energieverbraucher aus, die das Potenzial zur Energieeinsparung in kurzen Zeiträumen haben, aber auch schnell genug wieder hochfahren können. Wichtige sicherheitstechnische Funktionen bleiben weiterhin erhalten. Bei der Aufnahme des Produktionsbetriebs aktiviert das System die Verbraucher in einer definierten Einschaltreihenfolge und prüft, ob alle Verbraucher korrekt angelaufen sind.
Pausen: Aufgrund der bei Pausen möglichen längeren Abschaltzeiten können im Vergleich zum vorangegangenen Use Case zusätzlich Anlagenteile mit längeren Abschalt- und Wiederanlaufzeiten abgeschaltet werden. Heute wird in vielen Betrieben in der produktionsfreien Zeit, z. B. am Wochenende, noch ein hoher Energieverbrauch der Anlagen festgestellt, da Abschaltung und Wiederanlauf der Anlagen zu aufwendig ist.
Ungeplante Unterbrechungen: Im Gegensatz zu den vorangegangenen Use Cases sind der Zeitpunkt und die Dauer der Stillstandzeit unbekannt. Klassisches Beispiel sind Unterbrechungen aufgrund von Anlagenstörungen. Eine mögliche Vorgehensweise wäre z. B., den Energiebedarf zunächst so weit abzusenken als handele es sich um eine kurze Pause bzw. Leerlaufzeit. Stellt sich heraus, dass die Servicearbeiten doch länger dauern, so besteht die zusätzliche Möglichkeit, die Anlage in den Energiesparzustand einer langen Pause zu versetzen.
Erfassen von Messdaten: Profienergy trägt zum aktiven Energiemanagement durch das standardisierte Erfassen und Auslesen von Messwerten sowie Transparenz im Fertigungsprozess bei. Neben Messgeräten im eigentlichen Sinne sind in der Anlage eine Vielzahl von Geräten eingebaut, die Energiewerte heute schon implizit erfassen. Klassische Vertreter sind Frequenzumrichter. Unter Nutzung dieser Daten erlaubt Profienergy auch eine lastabhängige Maschinensteuerung sowie mit Unterstützung von Trendanalysen das Vermeiden teurer Lastspitzen bzw. das Fah en der Anlagen in einem Teillastbetrieb.
Der Hauptnutzen für den Endanwender liegt in der Energie- und damit Kostenersparnis. Manche Anlagenteile, beispielsweise in der Fertigungsautomatisierung, benötigen im nicht produktiven Betrieb immer noch bis zu 60 % der Energie der laufenden Produktion. Hier gilt es, nicht benötigte Anlagen teilweise oder komplett abzuschalten. Die Anwender versprechen sich davon eine Einsparung von bis zu 80 %.
Externe Verkabelung entfällt
Während heute eine externe Verkabelung notwendig ist, um Verbraucher zu schalten, entfällt diese durch die Nutzung entsprechender Kommandos, die über die Profinet- Infrastruktur verschickt werden. Für die Anwendung von Profienergy müssen also lediglich Geräte und Steuerungen vorbereitet werden. Der Anwender braucht dann nur zwei Kommandos in sein Programm einzubinden. Dabei ist es ihm möglich, die eigentliche Steuerlogik für den Prozess und das Energiemanagement strikt zu trennen. Die Verbraucher selbst können diese Profienergy-Kommandos interpretieren und darauf in einer angemessenen Weise reagieren. Dank dieser Verlagerung des Schaltens in das Gerät kann der Hersteller entscheiden, wie er sein Gerät für maximales Energiesparen optimiert.
Der Anwender profitiert bei Profienergy von einer einheitlichen und offenen Schnittstelle für das Energiemanagement von Systemen, in denen Produkte unterschiedlicher Hersteller integriert werden können. Damit ist er bei der Auswahl der Geräte frei von Herstellergrenzen. Der Anwender kann sich das Gerät aussuchen, das für seine Applikation am besten geeignet ist und am meisten Energie spart. Vom Wettbewerb der Geräte- und Systemhersteller untereinander um die Entwicklung von energiesparenden Lösungen kann der Endanwender profitieren.
prozesstechnik-online.de/cav0212424
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