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fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München

fml - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner

Technische Universität München

Analytische Energiebedarfsbestimmung von

Intralogistiksystemen in der Planungsphase

Dipl.- Ing.

Sebastian Habenicht

Dipl.- Ing.

Rainer Ertl

Dortmund

17.09.2013

2fml – Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik • Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner • Technische Universität München

Agenda

Einleitung1.

Energiebedarf von Stetigförderern2.

Energiebedarf von Regalbediengeräten3.

Energiebedarf von intralogistischen Systemen4.

Zusammenfassung5.


1. Einleitung

Ausgangssituation

• Energieeffizienz rückt verstärkt bei der Planung von logistischen Anlagen in den Fokus.

• Ermittlung des Energiebedarfs in der Planungsphase mit den bestehenden Ansätzen ist

schwierig.

• Langwierige Simulationsdurchführung nicht tauglich für schnellen Variantenvergleich.

Fokus

Energieeffizienz

Gesetzgebung Richtlinien

EU-Vorgaben (z.B. ErP-Richtlinie

(Energy-related Products,

2009/125/EG))

Image „Grün“ als Imageträger

BMW: Branchenführer im Dow

Jones Sustainability Index

Wunsch nach „grünen Produkten“

durch den Kunden

Kosten jährliche Energiekosten ( Blindstrom-

Komponente, Max.-Last,

Gesamtverbrauch)

Kosten für Installation der

Energieversorgung


1. Einleitung

Zielsetzung

• Berücksichtigung des Energiebedarfs bei der Auswahl von Planungsalternativen

soll erleichtert bzw. erst ermöglicht werden.

• Aufwandsarme, genaue Ermittlung des jährlichen Energiebedarfs von

Intralogistiksystemen in der Planungsphase.

• Analytisches Berechnungsmodell für schnelle und einfache Berechnung.

Au

fwa

nd

Genauigkeit der Ergebnisse

Analyse- und Dimensionierungsmethoden von Materialflusssystemen

Analytische

Berechnung mit

Durchschnittswerten

Analytische Berechnung

unter Berücksichtigung

stochastischer Einf lüsse

Ereignisorientierte

numerische Simulation

Quelle: Allgayer / Rall


Agenda

Einleitung1.




Zusammenfassung und Ausblick5.


2. Energiebedarf von Stetigförderern

Energiebedarfsmessungen - Tragkettenförderer

Bildquelle: Haro-Gruppe

0

1

2

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40

An

zah

l P

ale

tte

n

ele

ktr

isch

e L

eis

tun

g

[W]

Zeit [s]

Messwerte

Anzahl Paletten

Energiebedarf:

E=∫P(t)dt

Ermittlung des Energiebedarfs durch zyklusabhängige

Modellierung der elektrischen Leistung und der Laufzeit

• Innerhalb der Intervalle, in denen die Anzahl an Fördereinheiten konstant bleibt, schwankt die

elektrische Leistung wenig.

• Durch eine reine Betrachtung der Laufzeit zur Ermittlung des jährlichen Energiebedarfs würden

die unterschiedlichen Zustände hinsichtlich der Anzahl an Fördereinheiten und folglich die

unterschiedlichen elektrischen Leistungen unberücksichtigt bleiben.



0

1

2

0

100

200

300

400

500

600

0

1,5 3

4,5 6

7,5 9

10,5 12

13,5 15

16,5 18

19,5 21

22,5 24

25,5 27

28,5 30

31,5 33

34,5

An

za

hl

Fö

rde

rein

he

ite

n

Le

istu

ng

[W

]

Zeit [s]

1.Abschnitt 2.Abschnitt 3.Abschnitt 4.Abschnitt 5.Abschnitt

Energiebedarf pro

Zyklus

tj Dauer eines Zyklusabschnitts

k Anzahl der Abschnitte

Pj mittlere Leistung innerhalb des Zyklusabschnitts

jährlicher Energiebedarf

Modellierung Energiebedarf

Ei Energiebedarf Zyklus

ni Zyklushäufigkeit

m Anzahl Zyklusausprägungen

𝑬𝒊 = 𝒕𝒋

𝒌

𝒋=𝟏

∙ 𝑷𝒋

𝑬𝑱𝒂𝒉𝒓 = 𝒏𝒊

𝒎

𝒊=𝟏

∙ 𝑬𝒊



Modellierung der elektrischen Leistung

𝑷𝒆𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒊𝒔𝒄𝒉 = 𝑷𝒎𝒆𝒄𝒉𝒂𝒏𝒊𝒔𝒄𝒉/(𝜼𝑭𝑼 ∙ 𝜼𝑴𝒐𝒕𝒐𝒓)

tls-web.de

Motor

Frequenzumrichter

Übertragungselemente

Elektrische Leistung

directindustry.de

Getriebe

zz-antriebe.com

becker-antriebstechnik.org



Modellierung der Laufzeit

Problemstellung am Beispiel der Betriebsweise eines Kettenförderers.

• Steuerung der Fördertechnik auf verschiedene Art möglich.

• Durchsatz pro Stunde hat Auswirkung auf die Betriebsweise (Zyklushäufigkeit).

max. Anzahl an FE

pro Förderelement

Intermittierender

Betrieb mit FE

(ja/nein)

S

kontinuierlicher

Betrieb (ja/nein)

BetriebsweiseDefinierte

Auftragsblöcke

Auftragsschwankungen

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

06:0

0

07:0

0

08:0

0

09:0

0

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

Pro

zen

t vo

m T

ag

esm

itte

l

Uhrzeit

Tagesverlauf

Zyklushäufigkeiten n der verschiedenen Blockgrößen

Laufzeiten t je Zyklus𝑬𝒊 = 𝒕𝒋

𝒌

𝒋=𝟏

∙ 𝑷𝒋

𝑬𝑱𝒂𝒉𝒓 = 𝒏𝒊

𝒎

𝒊=𝟏

∙ 𝑬𝒊



Modellierung der Laufzeit - Zyklushäufigkeiten (1/2)

• Quellenverhalten: um Mindestabstand verschobene Exponentialverteilung

• Beispielhaftes Abrisskriterium: 20 [s]

• Oberes Beispiel zeigt eine Verteilung, in der 20 % der Fördereinheiten einen

größeren Abstand zu einander als den Mindestabstand besitzen.

exponentiell verteilte Zwischenankunftszeiten

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

0 10 20 30 40 50 60Wa

hrs

ch

ein

lic

hk

eit

Abstand [s]

Abstandsverteilung Abrisskriterium

20 % der Fördereinheiten besitzen einen

größeren Abstand als das Abrisskriterium

zueinander



Modellierung der Laufzeit - Zyklushäufigkeiten (2/2)

einzeln

(20%)

2er-Block

(16%)

3er-Block

(12,8%)4er-Block

(51,2%)

20%80%

20%80%

20%80%

>20s

>20s

>20s

𝒏𝑵 = 𝑴 ∙ 𝟏 − 𝒒 𝑵−𝟏/𝑵

M Anzahl Fördereinheiten im Jahr

q Anteil der Fördereinheiten über dem Abrisskriterium

N maximale Blockgröße

Ermittlung der Zyklushäufigkeiten

𝒏𝒊 = 𝑴 ∙ 𝒒 ∙ 𝟏 − 𝒒 𝒊−𝟏/𝒊 𝒏𝑵 = 𝑴 ∙ 𝟏 − 𝒒 𝑵−𝟏/𝑵


Dauer eines Zyklusabschnittes mit weniger als der maximalen Anzahl an

Fördereinheiten


Modellierung der Laufzeit - Laufzeiten je Zyklus

𝒕𝑱 = 𝒍 − 𝑱 − 𝟏 ∙ 𝒍𝑭 − (𝑱 − 𝟏) ∙ 𝒍𝑨 /𝒗

Dauer eines Zyklusabschnittes mit der maximalen Anzahl an Fördereinheiten

lF Länge der Fördereinheit

lA minimaler Abstand zwischen zwei Fördereinheiten

v Fördergeschwindigkeit

l Länge des Förderers

J maximale Anzahl an Fördereinheiten des Zyklus

𝒕𝒋 = 𝟐 ∙ 𝒍𝑭 + 𝒍𝑨 /𝒗

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30 35

An

za

hl

Fö

rde

rein

he

ite

n

Zeit [s]



Zusammenfassung

Ermittlung der

Zyklushäufigkeit

Modellierung der

Zeiten eines

Zyklusabschnitts

Modellierung der

elektrische Leistung

𝐸𝑖 = 𝑡𝑗 ∙ 𝑃𝑗

𝐸𝐽𝑎 ℎ𝑟 = 𝑛𝑖 ∙ 𝐸𝑖

Energiebedarf pro Zyklus

Jahresenergiebedarf


Agenda

Einleitung1.






3. Energiebedarfsermittlung für Regalbediengeräte

• Vielzahl von Einflussgrößen auf den Energiebedarf von Regalbediengeräten

• Geschlossener, allgemeingültiger analytischer Ansatz nicht möglich

• Konkrete Annahmen für ein analytisches Energiemodell

Einflussgrößen auf den Energiebedarf

Lager-bewirtschaftungs-

strategie

chaotisch

Ein- nahe Auslagerung

ABC-Zonierung

Lagerkonfiguration

Lagertiefe (einfachtief, doppeltief)

Lage des E/A-Punktes

Antriebskonfiguration

Ohne Rückspeisung

und Zwischenkreis

Mit Zwischenkreis

Mit Rückspeisung

Verfahrstrategie

Durchsatz-orientiert

Energie-orientiert

Lagerbewirtschaftungsstrategie

Chaotisch

Lagerkonfiguration

Einfachtief

E/A-Punkt unten

Antriebskonfiguration

mit Rückspeiseeinheit

Verfahrstrategie

durchsatzorientierter Betrieb


Fahrantrieb Kinetische Energie Reibungsarbeit Rückspeisefähige

Energie


• Definition der Fahrstrecke x0:

• Grundlastverbrauch:

• Keine Berücksichtigung von rotatorischen Energieanteilen und der Zwischenkreiskopplung

,

1 1

2x kin x

x

E M a x

,

21 1

2x kin

x

xE M v

,

1 1

2x r x

x

E w M g x

,

1

2x R R x x xE M a w g x

0,

1

2x r x

x

xE w M g x

2

, 0

1

2x R R x x xE M v w g x

0: xFür x

0: xFür x

Hubantrieb Potenzielle Energie Reibungsarbeit Rückspeisefähige

Energie

,

1y pot

y

E m g y

, 0y potE

,

1y r y

y

E w m g y

, 0y RE

, 0y rE , 1y R R y yE w m g y

: y 0Für

: y 0Für

2

0x

x

vx

a

GL GL fE P t

Kinetische Energie

Potenzielle Energie

Reibungs-arbeit

Grundlast-verbrauch

Energie-bedarf

Modellierung des Energiebedarfs



• Unterteilung der Regalwand in vier Bereiche B1-4

• Aufstellung der Berechnungsansätze für die vier Bereiche B1-4

H

L

y

xx0

B3

fw>1

B4

B1

B2

, 1

1 1 1, 1 1 2

2

12 2 2 2

2

ES B y R y y N N x x

y x

EAR x N x x GL f EA EA

E x y m g w y w m m g y M m a w g x

M m a w g x P t t P t

B1

Ansatz zur analytischen Berechnung des Energiebedarfs für ein Einzelspiel

vx,max

nicht erreicht

vx,max

erreicht

B3 B4Hubzeit-

kritisch

B1 B2Fahrzeit-

kritisch



• Mehrdimensionale stetige Verteilung

• Gleichverteilung der Zufallsvariablen x und y (chaotische Lagerung)

• Berechnung des Erwartungswerts für den Energiebedarf

Berechnung des mittleren Energiebedarfs für Einzelspiele

-5 0 5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

E/A

E__mR__integral

kW

s

20 30 40 50 60 70

0

2

4

6

8

0

5

10

15

200

20

40

60

80

Höhe [m]Länge [m]

Energ

iebedarf

[kW

s]

22 20 0 0

0

0 0

1 11 1 2

1

21 2 1 1

2 2 2

12

3

y R y y N N

y x

ES

x x R x N x x

x

EA EA w

wx

w m g H w m m g H M m

Ex x xg

v w g L x M m v wL L a L

LP P t P f

fv

Für

fW > 1

,

1

n

ESES ES i i

i

E E EE p

0 0

1,

H L

ES ESE E x y dxdyA



• Mehrdimensionale stetige Verteilung

• Gleichverteilung der Zufallsvariablen (chaotische

Lagerung)

• Analoges Vorgehen zum Einzelspiel

• Erhöhter Komplexitätsgrad für die Zwischenfahrt

vom Einlagerungspunkt P1 zum

Auslagerungspunkt P2

Berechnung des mittleren Energiebedarfs für Doppelspiele

y

x

H

L

P1

P2

E/A

, 1 2 , 1 2 1 1 2 2 2 2 1 12

0 0 0 0

1, , ,

H L H L

DS P P DS P PE x y x y dx dy yE dx dA

Für

fW > 1

2 32 2 0 0 0

2 3

2 32 0 0 0

2 3

2 0 0 0

2

31 2 1 41 1 1

3 6 3 2 6

1 3 31 1

3 2 2 2

²1 3 1 1

2 6 2 2

xDS y R y y N R x

y x

xN R x

x

R x x N

x

w x x xE w w m m gH MgL

L L L

w x x xm gL

L L L

x x x xv M m

L L L

0

2

2 1 0 1

0 0 0

, ,

²

6

1 1 2 30 80 35 25 ² 10 ³ 4

3 60W W W W W W W EA EA

x m W x m

L

L LP f P f f f f f f P P t

v f v

, 1 , 1 1 1 1 1

0 0

1,

H L

DS EAP DS EAPE x y dx yE dA

, 2 2 2

0

2 2

0

2,

1,

H L

DS P EA DS P EAE x y dx yE dA

P1 P2 P2 E/AE/A P1



Berechnung des mittleren Energiebedarfs pro Jahr

, ,, ,RBG ES E ES A DS GLES E ES A DS BRE P PT T P T P T

Mittlerer Energiebedarf je

RBG pro Jahr [J]

Mittlere Spielzeit eines

Einzelspiels [s]

Einzelspielbetrieb

(Einlagern) im Jahr [s]

Mittlere Energie pro

Einzelspiel (Einlagern) [J]

Einzelspielbetrieb

(Auslagern) im Jahr [s]


Einzelspiel (Auslagern)

[J]

Mittlere Spielzeit eines

Doppelspiels [s]

Doppelspielbetrieb im

Jahr [s]


Doppelspiel [J]

Grundlastleistung [W]

Brachzeit pro Jahr [s]

E RBG

t ES

TES,E

E ES,E

TES,A

E ES,A

t DS

TDS

PGL

E DS

TBR

, ,

, ,

ES E ES A DSRBG GLES E ES A DS BR

ES ES DS

E E EE T T T P T

t t t

Gesamtenergiebedarf pro RBG

Energiebedarf für

Einzelspiele (Einlagern)

Energiebedarf für

Einzelspiele (Auslagern)

Energiebedarf pro

Doppelspiel

Energiebedarf bei Leerlauf


Agenda

Einleitung1.






4. Exemplarische Anwendung an einem intralogistischen System

• Automatisiertes Hochregallager (HRL) mit zwei Gassen mit zwei

Regalbediengeräten

• Lagervorzone bestehend aus Kettenförderern und Eckumsetzern

Aufbau des Logistiksystems

Q

S

E A E A

Parameter des Logistiksystems

• 120.000 Fördereinheiten pro Jahr

• Aufteilung auf die Lagergassen zu gleichen Teilen

• Gleich viele Ein- und Auslagerungen im Laufe des Jahres

• 250 Arbeitstage im Ein-Schichtbetrieb

Q

S120.000

FE/Jahr

120.000

FE/Jahr120.000 FE/Jahr

E1 A1

60.000

FE/Jahr

60.000

FE/Jahr

60.000 FE/Jahr

120.000 FE/Jahr

E2 A2

60.000

FE/Jahr

60.000

FE/Jahr

60.000 FE/Jahr

Abschnitt A

Abschnitt C

Ab

sch

nit

t B

Graph des Logistiksystems



Parameter der Subsysteme

• Stetigfördersystem:

• fünf Eckumsetzer und

Kettenförderer

• 2er-Blockbildung im Abschnitt C

• Hochregallager:

• Einzelspielbetrieb:

66 Ein-/Auslagerungen pro Stunde

• Doppelspielbetrieb:

43 Ein-/Auslagerungen pro Stunde

• Einzel- und Doppelspielbetrieb je

zur Hälfte

• 20 % Brachzeit in der Betriebszeit

Stetigförderanlage Regalbediengeräte, HRL

v 0,3 m/s M 10,7 t

m 500 kg m 2,2 t

lF Quer: 0,8 m

Längs: 1,2 m

mN 500 kg

lA 0,2 m H 22 m

q 20 % L 50 m

vx 160 m/min

vy 55 m/min

ax 0,5 m/s2


Jährlicher Gesamtenergiebedarf:

30.182 kWh

Jährliche Energiekosten:

4.829 €


• Stetigförderer:

• Regalbediengeräte:

Energiebedarfsermittlung pro Jahr

Abschnitt A 1.621 kWh

Abschnitt B 432 kWh

Abschnitt C 1.191 kWh

Stetigförder-

anlage

3.244 kWh

Einzelspiel

(Einlagern)

0,1321 kWh 54,59 s

Einzelspiel

(Auslagern)

0,1028 kWh 54,59 s

Doppelspiel 0,1784 kWh 84,60 s

Hochregal-

lager

26.938 kWh

11%

89%

Stetigförder-anlage

Hochregal-lager


Agenda

Einleitung1.






5. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

• Neuer analytischer Ansatz zur Energiebedarfsermittlung von Intralogistiksystemen

• Schnelle und einfache Bestimmung des Energiebedarfs

• Variantenvergleich unter Einbeziehung des Energieverbrauchs in der Planungsphase

• Rechnertool zur Einbeziehung des Energiebedarfs in die Logistikplanung

Ausblick

• Regalbediengeräte: Energiemodell für Zwischenkreiskopplung

• Stetigförderer: Untersuchung der Auswirkungen von Verteil- oder Zusammenführungselementen

• Umfangreiche Validierung anhand Messungen über längere Zeiträume


Vielen Dank für

Ihre Aufmerksamkeit!

Lehrstuhl Fördertechnik Materialfluss Logistik

Dipl.-Ing. Sebastian Habenicht

Boltzmannstraße 15

85748 Garching

Tel.: 089/289 15913

E-Mail: [email protected]

Lehrstuhl Fördertechnik Materialfluss Logistik

Dipl.-Ing. Rainer Ertl

Boltzmannstraße 15

85748 Garching

Tel.: 089/289 15930

E-Mail: [email protected]

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