Mehr Transparenz im Unternehmen durch effizientes...

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Mehr Transparenz im Unternehmen durch effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring

Frank LubnauSiemens AG

Hannover Messe 2011, Hannover

© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 2 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring

Energieverbrauch

Industrie 47 %

Verkehr 3 %

Haushalte 27 %

Gewerbe, HandelDienstleistung 23 %

Der Anteil der Werkzeugmaschine am Energiebedarf kann je nach Unternehmen bis zu 68 % betragen

Auf die Industrie entfällt ca. 47 % des Stromverbrauchs in Deutschland

Quelle: VDEW 2004

Energieeffiziente Komponenten sind verfügbar, aber: Komponenten werden häufig überdimensioniert Komponenten werden nicht energieeffizient gesteuert und geregelt Ineffiziente Nebenaggregate haben einen hohen Einfluss

Werkzeugmaschinen 68 %

Strom (Beleuchtung) 10 %Heizung/Kühlung 6 %

Druckluft 16 %

Quelle: Fertigung Juli/August 2007


Quelle:PTW Darmstadt

Ungeplante Instandsetzung

Energiekosten

DruckluftkostenRaumkosten

Kapital-bindungs-

kosten

Maschinen-beschaffung

Wartung & geplante Instandsetzung

Bewertung des Potenzials zur Erhöhung der Energieproduktivität4 %5 %

5 %

17 %

15 %

20 %

34 %

Individuelle Bewertung für Maschinen und Technologien ist notwendig

Anwendung für die WerkzeugmaschinePotenzial der Energieeffizienz im Lebenszyklus einer WZM

Energiekosten prägen TCO

Energieeffizienz ist der dritter Faktor neben Verfügbarkeit und

Produktivität


Ganzheitlicher Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz„Kontinuierliche Verbesserung“

verborgenes Energiesparpotenzial erkennen

Energieflüsse identifizieren Energiemonitoring Systeme

Kalkulationstools

Produkte und Lösungen

Einspar-potenziale ermitteln

Konkrete Maßnahmen

Betrachtung der gesamten Lebenszyklus-kosten

zur Realisierung der Energiesparpotenziale


Möglichkeiten: Vergleich unterschiedlicher

Antriebssysteme Energieoptimale Auslegung

des Antriebsstranges Reduzierung der bewegten

Masse ohne signifikante Veränderung der Eigen-schwingungen

Effekt: Optimierung der Antriebs-

komponenten und des Energieverbrauchs

Energieeffizienz durch Mechatronic Support

A-Achsen Ständer

Y-Schlitten

Hauptspindel

Z2--Achse

Bett

Achse-GehäuseB-Rotor

Z1-Achse

X1-Schlitten

X2--Schlitten


Beispiel Mechatronic Support: Energieeffiziente Bewegungsführung bei Servopressen

Optimaler Energiespeicher Optimale Bewegungsprofile


Leistungsverteilung in Werkzeugmaschinen – heute

Beispielmessung Allg. Studie

Technische Daten:Drehautomat INDEX C100Typische Bearbeitungs-leistung: 16 kWSpindel: 7000 min–1 bei 50 Nm

Eingangs-leistung

SpänefördererElektronikDruckluft

Spindel- 30 %

Kühlmittel-anlage- 20 %

Kühlung- 15 %

Antriebe- 12 %

Hydraulik- 11 %

88 %

100 %

Quelle: VDW, Index 2008

Neben-aggregateund Verluste

25 %

75 %

Prozess-leistung

Quelle: FhG 2008


Energieverbrauch einer Werkzeugmaschinebei der Fräsbearbeitung

KPIs

Blindarbeit

Spitzenlast

Grundlast

Energieverbrauch ist abhängig von Maschine, Auslastung, Dynamik, Zustand


Übergreifende Ressourcenkompetenz schaffenals abgesicherte Basis für Produktentwicklung

Wissensvermittlung, Akzeptanz schaffen

Visualisieren des Energieverbrauchs Projektdemonstratoren Dokumentationen und

Veröffentlichungen

Dynamische Momentan-leistungsmessung Empirische Auslegungs-

kriterien

Überdimensionierung vermeiden

Intelligentes Energie-management

Last intelligent ermitteln Angepasste Standby-

Konzepte Bedarfsorientierte

Regelungsstrategien

BMBF Projekt EWOTeK: Zielstellung und Lösungsansätze

BKWKnoll

RexrothBosch Group

SiemensIndex

Heller WZLRWTH Aachen


Maschinenintegrierte Energieerfassung undVisualisierung

Energieerfassung mit Sentron PAC 4200

PROFIBUS DP

3AC

Nichtelektr.Sensoren

Sentron PAC 4200Industrial Ethernet

Energieverbrauchsanzeige *)

*) Kundenspezifische Lösung basierend auf 840D-sl-Programmierpaket

beliebiger Verbraucher


Mögliche Schritte zur Primärenergieeinsparung

EinsparungPrimärenergie

Nötiger Aufwand und Investitionen

Hoh

e zu

sätz

liche

Ei

nspa

rung

Ger

inge

zus

ätzl

iche

Ei

nspa

rung

Nicht benötigte Verbraucher (Antriebe) abschalten

Teillastverhalten durch drehzahl-veränderlichen Antrieb optimieren

Wirkungsgradder Antriebe optmieren

Schritt 1:hoher Nutzen bei geringem Aufwand unbedingt tun

Schritt 2:mittlerer Zusatznutzen bei mittlerem Aufwand auch sinnvoll

Schritt 3:nur noch geringer Zusatznutzenbei hohem Aufwand nur bei dringendem Bedarf

Geringer Aufwand Hoher Aufwand

Nutzen: Geringere Betriebskosten + Grünes Image


Für Bearbeitungsachsen Energieeffiziente Umrichterkomponenten Sinamics

mit Wirkungsgraden zwischen 97 und 99 % Im System optimierte Motoren mit Wirkungsgraden

zwischen 81 .. 92 % (asynchron) und 88 .. 94 % (synchron) Optimale Projektierung mit SIDIM und Sizer

Energieeffiziente Produktpalette bei Siemens Motion Control Systems

Für Nebenaggregate Energiesparmotoren 1LE nach

Wirkungsklasse IE2 mit Wirkungsgraden bis zu 97 % Frequenzumrichter SINAMICS für

drehzahlgeregelten Betrieb der Motoren SinaSave für die optimale Produktauslegung


Energieeffizienz bei Motorspindeln

Ersparnis:432 Euro/Jahr** bei 6 ct/m³ Druckluftkosten

Ersparnis:1440 Euro/Jahr** bei vier Lagerstellen/Spindel

Öl-Luft-Schmierung Fett-Nachschmierung

Sperrluftdichtung Bürstendichtung


Energieeffizienz bei Motorspindeln – Flussabsenkung

Leerlaufmessung bei 15.000 min–1

mit FlussabsenkungMittlere Verlustleistung 12,820 kWs / 92,477872 s = 138,6 W

Leerlaufmessung bei 15.000 min–1

ohne FlussabsenkungMittlere Verlustleistung 42,722 kWs / 92,38607 s = 462,4 W

Weniger Energieverbrauch durch Flussabsenkung für Asynchronmotoren bei reduziertem Drehmomentbedarf im Teillastbereich


Energieeffizientes System Schaltausrüstung Energiekreisläufe / Simulation

Die entstehende Verlust-leistung wird vom Umrichter nicht in die Produktionshalle abgegeben, sondern anderweitig genutzt.

20- 30 % 20- 30 %20- 30 %100 % 70- 80 %

70- 80 %über Wasser70- 80 %

über Wasser oder Konvektion

Interne Luftkühlung

Externe Luftkü hlung Cold Plate

Schaltschrank-Komponenten




? ? ? ?

Durch Analyse der Energiekreisläufe und thermische Simulation wird die Verlustleistungim Schaltschrankreduziert.


Energieverbrauch in einer Fabrikhalle –Beispiel aus Automobilindustrie

Energieverbrauch im Stand-by-Betrieb In Stillstandszeiten

(Wochenenden, Nacht,…)wird Energie verbraucht

Beispiel: Powertrain-Werk

Produktion 45 MW / ohne Produktion > 10 MW !!!

> 20.000 MWh bei 2.000 Stillstandsstunden

> 1.100.000 EUR Energie-kosten (55 EUR / MWh)

Reduzieren des Energieverbrauchs im Stand-by-Betrieb bedeutet: Gesteigerte Energieproduktivität Weniger Energieverbrauch je produziertem Auto


Energieeffizienz durch Stand-by-Strategien

Umsetzung der Betriebsarten 0 – Aus / Power off 1 – Stand-by-Betrieb 2 – Fertigungsbereitschaft 3 – Produktivbetrieb

Zuordnung von zu schaltenden Komponenten und Aggregaten zu den Betriebsarten durch den OEM und Definition der Randbedingungen

Entscheidend:Wie schnell kann Maschinengenauigkeit nach längeren Stillstandszeiten erreicht werden?


PROFIenergy – Definition und Randbedingungen

PROFIenergylegt fest

Protokollabwicklung

Transportmechanismen

Steuerschnittstelle

Statusfunktionen

Definition:

PROFIenergy ist eine auf PROFINET basierende Datenschnittstelle, die es erlaubt, hersteller- und geräteunabhängig Verbraucher koordiniert und zentral gesteuert in Pausenzeiten abzuschalten.

Anwender / Anlagenbauer

Koordination der Aus-und Einschaltreihenfolge

Freigabesignale für den Prozess

Geräte- /Systemhersteller

Implementierung in die Devices

Bausteine zur Hantierung von PROFIenergy


Use Cases / Funktionen von PROFIenergy

Abschalten in ungeplanten Pausen

Zeitpunkt und Dauer der Pause sind unbekannt

Abschalten in kurzen Pausen Optimiertes Energiesparen bei schneller Verfügbarkeit

Auslesen von Messdaten Viele Geräte erfassen implizit die Energie (z. B. FUs)

Abschalten in langen Pausen Maximales Energiesparen

PROFIenergy hebt ein bislang nicht genutztes Sparpotenzial!

Basis für ein aktives Energiemanagement, wie z. B. Teillastbetrieb und Vermeiden von Lastspitzen

betriebsbereit

Energiesparmodus n

Energiesparmodus 2

Energiesparmodus 1

aus

1 min

5 min

60 min

3000 W

2500 W

2000 W

50 W

Schaltfunktionen

Messfunktionen


PROFIenergy

Vergleich konventioneller Lösungen mit PROFIenergy

Manuelles Schalten: Zeitaufwändig Hochlauf unzuverlässig Oft nur ein Hauptschalter

Einsatz externer Hardware Kostet Platz und Geld Engineering und Wartung erforderlich Individuelles Programm

Konventionelle Lösung

Kostenersparnis durch Wegfall Hardware / Verdrahtung Energieeinsparung auch in kurzen Pausen durch

selektives Schalten Hohe Anlagenzuverlässigkeit durch koordiniertes

Schalten Investitionsschutz durch einfache, rückwirkungsfreie

Einbindung in bestehende Standards Freie Geräteauswahl durch herstellerunabhängigen

Standard

Controller HMI

Dezentrale Peripherie

Motion Control & Drives

DC24V

Zusatzhardware für Energiemanagement

Controller HMI

DezentralePeripherie


DC24V

Controller HMI

DezentralePeripherie


DC24V


PLM-Prozess beim Werkzeugmaschinenbauer und Endanwender

Endanwender

Machine Tool Builder (OEM)

Systems

Engineering

Concept

Design

MCAD/ECADAutomation

Design

VirtualCommissioning/Commissioning

Training / Virtualtry out of part Service

Production

Commissioning

of part

1 2

Dat

a &

P

roce

ssM

anag

emen

t

MechatronicsConcept Designer

VirtualCommissioning

Virtual MachineSinutrain Sinumerik

Sinumerik Manufacturing

Excellence

wm6


Mechatronics Concept Designer

Produkteigenschaften Bewertung von Konzeptalternativen auf

Basis eines funktionalen SE-Ansatzes Physiksimulation basierend auf

“Spieletechnologie” Definition von Maschinenverhalten und

logischem Steuerungsverhalten Unterstützung von Wiederverwendung

durch modulare Bibliothekselemente

Kundenvorteil Sicherheit durch bewertete Konzepte Beschleunigung der Entwicklung in den

DisziplinenMechanical

designDimen-sioning

Motion Control

Electricaldesign

Concept3D-geom.

Load curve3D-geom.

ElectricalBOM

CAMsequence

wm7


Bewertung der Energieeffizienz im Projektierungstool Sizer

Heute: Umfassende Projektierungs-

möglichkeiten durch vielfältige Motorprojektierungen von einfacher Motorauswahl bis hin zu mechanischen Systemen und durch die Auswahl anwendungsorientierter Antriebs- und Steuerungslösungen.

Morgen: Integrierte Wirkungsgradberechnung f(Last, n) Berechnung der Verlustleistung und des

Energieverbrauchs für konkrete Profile

Effekt: Vermeidung von Überdimensionierung Bewertung des Energieverbrauchs bei

unterschiedlichen Verfahrprofilen


BMBF-Projekt „eSimPro“:Konzept der Simulation von Energieaspekten

Ein- und Ausgangsgrößen des Simulationsmodells

Quelle: PTW Darmstadt

Simulationsmodell-K-

-K-

vdq

M_ load

theta_ mech

idq

xd M*

du/dt

idq*idqwm

vdq *

M*

wm idq*

z. B. aus Produktdatenbank

„ePLAN“ oder manuelle Eingabe

Parametrierung

Bauteil NC-Code Führungs-größen

ProzesskräfteVisualisierung desEnergiebedarfs

z. B. aus Schnittkraftmodell Kienzle / Victor


Steuerung und Kontrolle des FertigungsprozessesManufacturing IT

Effiziente Produktionssteuerung

Aufträge NC-ProgrammeWerkzeuge

AktuelleProduktionsinformationen

Analyse OEE Analyse Ressourcen Dokumentation

Integration von Nutzern, Informationen und Prozessen im RegelkreisManufacturing IT

Waren-eingang

Waren-ausgang

Ersatz-teillager MontageMechanische Fertigung

Werkzeuge QS AV/Planung ITFertigungs-

leitungInstandhaltungMeister


Manufacturing IT Maschinendatenerfassung und -auswertung – MDA

Funktionalität Maschinendatenerfassung und -auswertung Anlagen-Monitoring Verfügbarkeitsanalysen Störgrundanalysen Stückzahlauswertungen Taktzeitauswertungen Gesamtanlageneffizienz (OEE-Kennzahlen) Alarm- und Meldungserfassung Alarmstatistiken Protokolle und Individualauswertungen

Kundennutzen Ermittlung von Optimierungspotentialen aufgrund

deutlich gesteigerter Transparenz Gezielte Analysen vermeiden Störungen und führen

zu längeren Maschinenlaufzeiten Steigerung der Verfügbarkeit und Produktivität

0


Energiemanagement und Condition Monitoring am Beispiel der Schalt- und Schutzgeräte

Neben Messgeräten können auch kommunikationsfähige Schalt- undSchutzgeräte übergeordnete Management-Level mit Messdaten versorgen

Condition MonitoringStation

Strom- und Spannungswerte,

Phasenwinkel usw.

Verbrauch Diagnose

Lastmanagem

ent

(Aktorbefehl)St

rom

- und

Spa

nnun

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Phas

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nkel

usw.

War

tung

sman

agem

ent

(Akto

rbef

ehl)Energy Management

Station


Energieeffizienz und Condition Monitoring

ePS Network Services unterstützen: Energie-Monitoringprozesse Condition Monitoring Instandhaltungsprozesse

Plattform für firmenüber-greifende Serviceprozesse.

Die Dienste sind darauf ausgerichtet, die Produktivität und die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen zu steigern.

Luftverbrauch

Energieverbrauch


Siemens Industry –The Green Automation Company ...


Zusammenfassung

Je weiter weg vom Endkunden, desto wichtiger ist die Energieeffizienz des einzelnen Produkts

Je näher am Endkunden, desto wichtiger wird die Effizienz der gesamten Anlage …

… desto stärker kommt das gesamte Automatisierungssystem ins Spiel

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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