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29. April 2011

Erkenntnisse der Profienergy-Studie

Beitrag aus openautomation 3/2011

Mit Profienergy lassen sich Geräte oder Teilbereiche einer Fertigung in energiesparende Zustände bzw. in Stand-by-Betrieb versetzen. Schätzungen zufolge können damit bis zu 60 % der bis dato noch benötigten Energie für die Stillstandszeiten von Anlagen eingespart werden. Eine Studie hat nun den Nachweis erbracht.

Erfahrungswerte zu den möglichen Einsparungen durch selektives Abschalten von Verbrauchern und Anlagenteilen während des laufenden Betriebs der Anlagen gab es bis vor Kurzem nicht. Die Profibus Nutzerorganisation (PNO) hatte daher die Durchführung einer Studie beauftragt, um die konkreten Einsparmöglichkeiten für den Anlagenbetrieb in unterschiedlichen Branchen und Einsatzszenarien zu ermitteln. Die Studie wurde vom Institut für Automation & Industrial IT (AIT) durchgeführt. Das AIT unter Leitung von Prof. Frithjof Klasen verfügt über entsprechende Erfahrungen im Bereich hochautomatisierter Fertigungsanlagen und Profinet.

Im Rahmen der PI-Konferenz 2011 „Automatisierung und Energieeffizienz“, die am 15. und 16. Februar im ZKM Karlsruhe stattfand, wurden nun die Ergebnisse präsentiert.


Ziel und Vorgehensweise
Ziel der Studie ist die Darstellung des Anwendernutzens, der sich durch den Einsatz von Profienergy ergibt. Darunter fallen sowohl der direkte Nutzen durch eine verbesserte Energieeffizienz (elek­trische, pneumatische, thermische Energie) als auch der indirekte Nutzen, zum Beispiel durch eine längere Lebensdauer der Betriebsmittel.

Die Studie beinhaltet die Durchführung von Langzeitmessungen an Produktionsanlagen der Automobilhersteller Daimler und VW. Untersucht wurden hierbei das Verhalten der Gesamtanlagen und deren Komponenten, unter anderem hinsichtlich Lastgang, Lastverteilung und Pausenzeiten. „Zudem umfasste die Aufgabenstellung die Ermittlung des Energieverbrauchs, granular bis zur Endgeräte­ebene und die Suche nach großen Energieverbrauchern“, berichtet Markus Müller vom Institut für Automation & Indus­trial IT (AIT) der FH Köln. Ferner galt es, den Einfluss der Betriebszustände auf den Energieverbrauch zu prüfen und die Pausen hinsichtlich ihrer Häufigkeit und Dauer zu analysieren.

In der Studie wird da­raus die Relevanz von Profienergy für den Betrieb und die Anlagenkonzepte sowie die Auswirkung auf das Engineering zukünftiger Produk­tionsanlagen bewertet.


Das Messkonzept
Für die Messung aller Netz-Kenngrößen, wie Transienten, Alarme und Wellenformen, kamen Netzanalysegeräte zum Einsatz. Mit diesen wurden alle Werte simultan erfasst und aufgezeichnet. Die Leistungsmessung (W, VA) erfolgte gesamt und pro Leiter. Dabei wurde eine lange Aufzeichnungsdauer, auch bei hoher Messrate, gewählt. Es fand eine Zeitsynchronisation der Messgeräte und SPS statt.

„Insgesamt wurden Messungen auf verschiedenen Ebenen durchgeführt: von der Haupteinspeisung granular bis zu einzelnen Anlagenkomponenten mit bis zu 15 Messgeräten“, informiert M. Müller. Dabei sei die kontinuierliche Aufzeichnung von Spannungs-, Strom- und Leistungsparametern über einen Zeitraum von sieben Tagen (Messintervall: 1 s) erfolgt. Zudem wurde die Synchronisation mit Anlagenzuständen mittels SPS-Daten durchgeführt. „Danach haben wir die Messwerte mit Anlagenzuständen verknüpft. Die SPS-Logdaten geben Aufschluss über die Betriebszustände. Anschließend erfolgte die Analyse der Messdaten mit den Betriebszuständen“, so M. Müller.


Die Ergebnisse
Anhand der gewonnenen Ergebnisse wurde eine Analyse des Energieverbrauchs von einer Produktionslinie durchgeführt. Daraus ergab sich eine Leistungsaufnahme bei laufendem Betrieb von 32,62 kW und in Pausenzeiten von 17,74 kW. „Der Energieverbrauch einer einzelnen Produktionslinie in Pausenzeiten entspricht nach unseren Analysen dem durchschnittlichen Energieverbrauch von 44 Haushalten“, verdeutlicht M. Müller. Die höchste Leistungsaufnahme im laufenden Betrieb kommt den Robotern (56,8 %) zu. In Pausenzeiten machen diese mit 34,7 % zwar immer noch den höchsten Anteil aus, andere Stationen/Einheiten sind hier jedoch deutlich aufnahmebereiter.

Im nächsten Schritt wurden die Pausenzeiten nach Dauer klassifiziert und analysiert. Dabei zeigte sich, dass kurze Pausen, zum Beispiel mit einer Dauer von 10 s bis 30 s, 30 s bis 60 s und 60 s bis 180 s, am häufigsten auftreten. Konkret finden solche zwischen 10 s und 30 s ca. 380-mal innerhalb einer Produktionslinie über einen Zeitraum von fünf Tagen statt. Diese kurzen Pausen werden allerdings produktionsbedingt verursacht und können mit Profi­energy nicht optimiert werden. Erst die klassifizierten Pausen ab 3 min bis 5 min und mehr bieten Optimierungspotenzial durch Profi­energy.

„Kumuliert man die Pausenzeiten, ergibt sich für das Beispiel der Produk­tionslinie, die über einen Gesamtzeitraum von fünf Tagen betrachtet wird, dass 64 % der Gesamtdauer Pausen ausmachen, die 3 min und länger andauern“, fasst M. Müller die Analyse der Pausenzeiten zusammen.

Im nächsten Schritt wurden die Pausen- und die Produktionsergebnisse in Relation zueinander gesetzt. Auch hier wurden wieder die Ergebnisse einer Produktionslinie, die im Zweischicht-Betrieb gefahren wird, über einen Zeitraum von fünf Arbeitstagen zugrunde gelegt. „Der Energieverbrauch beträgt in un­geplanten Pausenzeiten 335 kWh, für geplante Pausen 809 kWh und bei laufender Produktion 1.811 kWh. In Euro ausgedrückt sind das Energiekosten in Höhe von 33 € für ungeplante, 81 € für geplante Pausen und 181 € für den Produktionsbetrieb“, bringt es M. Müller auf den Punkt. Mit Blick auf die Pausenzeiten erklärt er: „Durch den Einsatz von Profienergy lassen sich die Kosten innerhalb der Pausenzeiten wöchentlich um ca. 70 % – also 80 € – reduzieren.“

Rechnet man nun das Wochenende mit zwei vollen Tagen als geplante Pausen mit hinein, ergeben sich als Summe 129 € Energiekos­ten an geplanten Pausen. Wird nun wieder das Einsparpotenzial von Profienergy mit ca. 70 % angesetzt, ließen sich in diesem Fall rund 114 € Kosten pro Woche bei der Produktionslinie einsparen. Mit Blick auf die CO2-Emissionen erklärt M. Müller: „Pro Woche kann Profienergy ca. 665 kg CO2 vermeiden.“


Zusammenfassung
„Im Zusammenhang mit der Durchführung unserer Studie haben wir ein Kos­ten­einsparpotenzial und eine Reduzierung der CO2-Emissionen von bis zu 33 % nachgewiesen“, resümiert M. Müller. Er verweist aber darauf: „Die volle Nutzung des Einsparpotenzials erfordert eine Änderung der Anlagenkonzepte. Dabei müssen die Anlagenbetreiber ihre Anforderungen gegenüber Anlagenherstellern und Komponentenherstellern definieren. So ist ein Stand-by-Betrieb nur dann sinnvoll und vom Anlagenbetreiber toleriert, wenn ein störungsfreier Wiederanlauf sichergestellt ist“, so das Abschlussstatement des Experten.

Inge Hübner

Weitere Informationen unter www.fh-koeln.de/ait sowie
www.profibus.com.

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