Analyse mit System

Die Autoren: Dr. Manfred Kleinjans, Manager Energy Efficiency Daimler Trucks, Daimler AG, Rastatt, Kai Kröhnert, Geschäftsführer der Kröhnert Infotecs GmbH, Karlsruhe, Dr. Jan Kotschenreuther, VP Software & Controls, MAG IAS GmbH, Göppingen

In Zusammenarbeit der Daimler AG, Werk Gaggenau, mit dem Hersteller von Energiemonitoring-Systemen Kröhnert Infotecs GmbH wurde frühzeitig ein Kennwertsystem entwickelt und in der Fertigung erprobt, mit dem die Energieeffizienz unterschiedlicher Produktionsmaschinen übersichtlich bewertet und optimiert werden kann. MAG ist der erste Werkzeugmaschinenhersteller, der dieses Kennwertsystem in seine Maschinensoftware übernimmt.

Der Gesetzgeber hat mit der Inkraftsetzung der EU-Norm DIN EN ISO 50001 das umgesetzt, was Betreiber von Produktionsanlagen in unterschiedlichen Ausprägungen bereits seit Jahren von den Herstellern dieser Anlagen fordern, nämlich eine Möglichkeit, die eingesetzte Energie effizienter zu nutzen. Häufig werden bereits Verbrauchsdaten für die Berechnung der TCO (Total Cost of Ownership) noch weit vor der Fertigstellung der eigentlichen Produktionsanlagen vom Besteller verlangt.

In der bisherigen Systematik werden die Performance der Anlage in Bezug auf Ausnutzungsgrad und die gefertigte Qualität nicht mit berücksichtigt. Diese Parameter werden durch die Energieeffizienz-Kennzahlen verknüpft.

Die Grundidee wurde bereits vor 2010 von Kai Kröhnert, Geschäftsführer der Kröhnert Infotecs GmbH aus Karlsruhe, entwickelt. Gemeinsam mit Dr. Manfred Kleinjans erfolgten 2011 die ersten Erprobungen und Optimierungen bei Daimler im Werk Raststatt. Das Unternehmen MAG hat sich dem Team angeschlossen und unterstützt bei der Umsetzung der Kennzahlen maschinenseitig.

Die Berechnung der Energieeffizienz-Kennwerte erfolgt automatisch über eine Energiemonitoring-Software auf der Maschinensteuerung bzw. auf einem separaten Energiemonitoring-Gerät. Zunächst muss die von der Maschine aufgenommene Energie durch geeignete Sensorik gemessen werden. Dafür kommen Elektroenergiezähler oder Druckluftmesssysteme zum Einsatz. Darüber hinaus werden die Leistungsaufnahmen der Hauptantriebe und zusätzliche Informationen zum Maschinenzustand aus der Maschinensteuerung gelesen. In einem dritten Schritt rechnet man dann die Verlustleistungen aus der Gesamtenergieaufnahme heraus. Dazu werden Maschinen-, Sensor- und Prozessdaten herangezogen. Im letzten Schritt werden die Verluste durch Ausschuss und Taktzeitverluste herausgerechnet. Diese Daten werden entweder manuell oder durch Vernetzung mit Messeinrichtungen automatisiert erhoben.

Mit dieser Vorgehensweise erhält man drei Teilkennzahlen, die jeweils zwischen 0 % und 100 % liegen:

Diese Teilkennzahlen werden zu einer Kennzahl „Equipment Energy Effectiveness“ (EEE) zusammengefasst, die als Vergleichsgrundlage von unterschiedlichen Prozessen herangezogen werden kann.

Die Energieverbrauchsmessung und die Kennwertsystematik wurden im Getriebewerk der Daimler AG in Rastatt in einem Pilotbereich zur Anwendung gebracht. In der Zusammenarbeit des Technologiemanagements der Daimler AG mit Kröhnert wurde das System von der Idee bis zur Anwendungstauglichkeit in der industriellen Serienfertigung gemeinsam entwickelt. Die Kennzahlensystematik verdichtet die umfangreichen Rohdaten der Verbrauchsmessung zu adressierbaren Informationen. So ist beispielsweise der Energienutzungsgrad die Kennzahl, mit der der Produzent – also der Betreiber der Maschinen – bezüglich der Effizienz der Maschinennutzung im Schichtbetrieb informiert wird. So kann dieser durch gezieltes Herunterfahren der Anlagen in produktionsfreien Zeiten die energieeffiziente Nutzung der Anlagen sicherstellen.

Der Energieleistungsgrad kommt der Produktionsplanung und der Instandhaltung zur Bewertung und Nachverfolgung der Energieeffizienz von Anlagen zunutze. Im dem Pilotprojekt konnte eindrucksvoll nachgewiesen werden, dass der Leistungsgrad nicht nur durch die gewählte Fertigungstechnologie beeinflusst wird, sondern auch in Abhängigkeit vom Maschinenhersteller und -typ signifikant variiert.

Darüber hinaus wurden sogar für gleiche Anlagen in Abhängigkeit vom Parameter-Setup oder dem Verschleißzustand der Anlagenkomponenten Schwankungen im Leistungsgrad von bis zu zehn Prozentpunkten zwischen nominell gleichen Anlagen nachgewiesen. Die Energiequalitätsrate gibt schließlich eindeutige Hinweise, wie durch unnötige oder unnötig lange Warmlaufzeiten der Anlagen sowie durch die Produktion von Ausschuss Energie ohne Wertschöpfung verschwendet wird.

Zusammengefasst in die EEE wurde auf der Basis der Einzelkennwerte eine aussagekräftige Steuergröße zur Verfügung gestellt, mit der sich die Energieeffizienz der Produktion erfassen und optimieren lässt. Im Projektverlauf hat sich gezeigt, dass durch die ausschließliche Messung der Energieverbräuche die notwendige Transparenz zur Optimierung der Energieeffizienz in der Produktion nicht erreicht werden kann. Erst durch die Kondensation der Informationen mittels der Kennwertsystematik wurde der Aufsatzpunkt zur Maßnahmengenerierung und -adressierung geschaffen.

Für die Realisierung des Energiemonitors wurde bei MAG auf die Software von Kröhnert Infotecs zurückgegriffen. Die Software besteht aus einem Programmteil, welcher auf der PCU der Maschinensteuerung installiert ist und die Daten ausliest und bereitstellt. Die Auswertung kann dann per Webbrowser über das Netzwerk aufgerufen werden. Somit ist keine weitere Software auf den Clientrechnern notwendig.

Die meisten Daten für die Auswertung werden bereits durch die Maschinensteuerung 840D von Siemens bereitgestellt. Um alle elektrischen Verbraucher zu erfassen, wurde ein zertifizierter Energiezähler direkt hinter dem Hauptschalter der Maschine installiert. Damit diese Daten der Maschinensteuerung und damit der Software zur Verfügung stehen, müssen zusätzlich eine A/D-Wanderkarte und eine Zählerkarte installiert werden. Die Daten des Sensors – typischerweise aktueller Verbrauch und kumulierter Verbrauch – werden dann auf einem Datenbaustein gespeichert.

Eine Möglichkeit der Darstellung könnte mit Tachos realisiert werden. Dadurch ist ein schneller Überblick über die Gesamteffizienz ebenso möglich wie eine intuitive Identifikation von möglichen Problemstellen.

Kröhnert,

Tel.: 0721 860180-0,

E-Mail: info@ki-contact.de

Über Kröhnert Infotecs

Die Kröhnert Infotecs GmbH, Karlsruhe, ist auf Condition- und Energie-Monitoring spezialisiert. Basierend auf einem neuartigen Online-FMEA-Verfahren, liefert das Unternehmen Produkte mit dem Namen Profoxy für die Fehlerfrüherkennung und Energieeffizienz. Diese sind auf die Überwachung von Maschinen und technischer Gebäudeausrüstung optimiert. Anwender sind Betreiber und Hersteller dieser Maschinen und Anlagen. Die typische Amortisationszeit beträgt ein halbes bis ein Jahr. Die Produkte können für praktisch beliebige Maschinentypen und Steuerungen konfiguriert werden. Die Lösung nutzt die Infrastruktur der Maschinen effizient, sodass in der Regel auf zusätzliche Messtechnik verzichtet werden kann. 2008 erhielt der Profoxy-Analyser eine Auszeichnung im Rahmen des Innovationspreises der Initiative Mittelstand.