Beobachtungen zeigen, dass heute in Anlagen und Betrieben zahlreiche Verbraucher in den Pausen vielfach weiter laufen und daher vermeidbare CO2-Emissionen erzeugen. Ähnliches gilt für produktionsbedingte Leerlaufzeiten. Dies hat die Automobilhersteller bewogen, Profibus&Profinet International (PI) aufzufordern, die Definition eines Energiesparprofils unter Nutzung der vorhandenen Profinet-Infrastruktur und -Kommunikation zu erarbeiten. Das Ergebnis ist die Spezifikation des herstellerunabhängigen Energiesparprofils Profienergy. Gerade Ethernet-Systeme wie Profinet bilden eine ideale Basis für ein offenes Energiemanagement in der Produktion, da sie die Produktionssteuerung mit der Automatisierung nahtlos verbinden.

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 sowohl in den Produktionspausen als auch dessen Steuerung abhängig von der Auslastung der Produktion (mögliche Leerlaufzeiten). Das gezielte Abschalten von nicht benötigten Verbrauchern bzw. die Anpassung von Parametern wie Takt-raten an die Produktionsgeschwindigkeit bieten dabei eine Chance. Profienergy ermöglicht hier ein aktives Energiemanagement: Die Profienergy-Kommandos verarbeiten Informationen 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 Profienergy-fähigen Gerät (bzw. der Maschine) ein Kommando, das Informationen 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, wie beispielsweise einen Antrieb, oder um ein komplexes Gerät, wie eine Werkzeugmaschine, handelt. Um ein Gerät wieder in Betriebsbereitschaft zu setzen, wird lediglich durch die Anwendung ein Einschaltbefehl gesendet. So ist ein koordi-niertes, von den jeweiligen Randbedingungen der Anwendung abhängiges Hochlaufen der Anlage möglich. Damit die Geräte mit un- terschiedlich langen Hochlaufzeiten Energie-optimal eingeschaltet werden können, stellen die Geräte ihre Hochlaufzeiten zur Ver- fügung. Auf Basis dieser Daten ermittelt das Energiemanagement-Programm den Zeitpunkt für das Einschaltkommando. Darü- ber hinaus können die Kommandos auch zur Vermeidung von Lastspitzen verwendet werden.

Die Anwendungsfälle

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 Energie sparender Modus eingenommen werden. Darüber hinaus können die Maschinen abhängig von der Auslastung Energie-optimal gesteuert werden. 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 Produk- tionsbetriebs aktiviert das System die Verbraucher in einer definierten Einschalt- reihenfolge und prüft, ob alle Verbrau- cher korrekt angelaufen sind. Bei solchen produktionsbedingten Leerlaufzeiten kann mithilfe von Profienergy das Optimum zwischen Energiesparen und schneller Bereitschaft der Anlage gewährleistet werden.

· Pausen: Aufgrund der bei Pausen möglichen längeren Abschaltzeiten können in Vergleich zum vorangegangenen Use Case zusätzlich „träge" Anlagenteile, d.h. solche 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 aufwändig im Engineering und in eventuell zusätzlich zu installierender Hardware ist. Hier kommt es den Kunden darauf an, in dieser Zeit ein Maximum an Energie zu sparen.

· 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, beispielsweise 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 ist 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 Fahren der Anlagen in einem Teillastbetrieb.

Der Anwendernutzen

Der Hauptnutzen für den Endanwender liegt in der Energie- und damit Kostenersparnis. Manche Anlagenteile 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 %.

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 Ge- rät 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 Energie sparenden Lösungen kann der Endanwender profitieren.

Die Studie

Profienergy wurde vor dem Hintergrund des Anspruchs entwickelt, Energie in der Produktion durch eine Abschaltung von nicht benötigten Energieverbrauchern einzusparen, Maschinen bzw. Produktionseinheiten lastabhängig zu steuern und Verbrauchs-daten für die Energie-Optimierung der Produktionsvorgänge bereitzustellen. Die tatsächlich erreichbaren Energieeinsparungen werden jedoch entscheidend davon abhängen, wie Anlagenhersteller und -betreiber die technischen Möglichkeiten in Anlagen- und Betriebskonzepten umsetzen. Voraussetzung dafür ist, dass die technischen und wirtschaftlichen Zusammenhänge zwischen dem Energieverbrauch und der Betriebsweise von Anlagen bekannt sind. Da bislang verhältnismäßig wenig konkrete Daten und Erfahrungswerte über den Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und Betriebsweise von Anlagen verfügbar sind, hat die PNO das Institut für Automation & Indus- trial IT der Fachhochschule Köln mit einer Messstudie beauftragt, in der die heute bekannten qualitativen Aussagen durch konkrete, quantitative Daten und Bewertungen gestützt werden können.

Ziel der Profienergy-Studie ist die Darstellung des Anwendernutzens, der sich durch den Einsatz von Profienergy ergibt. Darunter fallen sowohl der direkte Nutzen durch eine verbesserte Energieeffizienz als auch der indirekte Nutzen, z.B. durch eine längere Lebensdauer der Betriebsmittel. Zu den wesentlichen Aufgaben der Studie zählen die Durchführung von Messungen zur Erfassung von typischen Lastgängen, die Analyse der Lastgänge, die Ermittlung der Relevanz von Stillstandzeiten zur Energieeinsparung und die Identifikation des Einsparpotenzials durch den Einsatz von Profienergy. Um repräsentative Ergebnisse zu erzielen, berücksichtigt die Studie unterschiedliche Anwendungsbereiche und Branchen. Erste Untersuchungen und Messungen wurden bei Daimler an Produktionslinien im Werk Sindelfingen sowie bei Volkswa-gen Nutzfahrzeuge in Hannover durchge-führt. Untersucht wurde hierbei das Ver-halten der Gesamtanlagen und deren Komponenten u.a. hinsichtlich Lastgang, Lastverteilung und Stillstandzeiten. Darüber hinaus galt es, den Einfluss der Betriebszu-stände auf den Energieverbrauch zu prüfen und die Stillstände hinsichtlich ihrer Häufigkeit und Dauer zu analysieren.

Bei den Messungen wurden Langzeitaufzeichnungen (sieben Tage) an Produktionsanlagen durchgeführt, um neben den geplanten Pausen und Leerlaufzeiten auch ungeplante Unterbrechungen zu erfassen und deren Relevanz auf verschiedenen Ebenen, von der Haupteinspeisung bis hin zu einzelnen Verbrauchern ermitteln zu können. Für die Messung der Leistung und von Netz-Kenngrößen, wie Spannung, Oberwellen, Phasenverschiebungen, wurden Netzanalysegeräte eingesetzt, mit denen alle Messwerte simultan erfasst und aufgezeichnet werden konnten. Bei den Langzeitaufzeichnungen waren bis zu 15 Messgeräte parallel im Einsatz, die kontinuierlich Spannungs-, Strom- und Leistungsparameter über einen Zeitraum von sieben Tagen mit einem Messintervall von einer Sekunde aufzeichneten. Parallel dazu erfolgte die zeitsynchrone Erfassung der Anlagen- und Betriebszustände mittels SPS-Logdaten. Auf Basis dieser Messungen konnte eine detaillierte Analyse der Betriebszustände und dem damit korrelierenden Energieverbrauch der Anlagenteile durchgeführt werden, die folgende Punkte umfasste:

· typischer Energieverbrauch einzelner Anlagenteile,

· typische Reduzierung des Energieverbrauchs in Stillstandzeiten,

· charakteristische Dauer der Stillstandzeiten,

· Relevanz der Pausen (geplant, ungeplant, betriebsbedingt, modellbedingt),

· Relevanz des Anlagenkonzepts (Auswirkung auf das Energieeinsparungspotenzial).

Die Ergebnisse

Typisch für die Lastgänge in den untersuchten Produktionsanlagen ist, dass neben der optisch relativ geringen Grundlast, hohe Lastspitzen auftreten. Trotz der hohen Lastspitzen – wie in Bild 4 beispielhaft anhand der Messergebnisse eines typischen Anlagensegments für einen Zeitraum von 24 Stunden dargestellt – kann die Grundlast im Stillstand dennoch mehr als 50 % des Energieverbrauchs im produktiven Betrieb betragen und bei entsprechender Nutzung somit ein erhebliches Einsparpotenzial bieten.

Ein wesentlicher Teil der Studie bestand in der Untersuchung der Lastverteilung innerhalb der unterschiedlichen Anlagen. Die strukturierte Verteilung der Messpunkte – von der Einspeisung bis zur Endgerätebene – ermöglichte eine differenzierte Auswertung und erlaubte es, die Charakteristika typischer Energieverbraucher in Produktions- und Stillstandzeiten zu identifizieren. Die Produktion in der Automobilindustrie ist geprägt durch den Einsatz von Robotersystemen. Ein großer Anteil des Energieverbrauchs in Höhe von 30 bis 60 % fällt daher charakteristischerweise für den Betrieb der Roboter an. Auch in Stillstandzeiten überwiegt der Energieverbrauch durch Robotersysteme. Zum Vergleich: Der Energiebedarf für Steuerungen liegt typischerweise bei einem Anteil von 2 bis 3 % des Gesamtenergiebedarfs.

Zur Bewertung der geplanten und ungeplanten Stillstandzeiten wurden die Stillstandsdauern analysiert und klassifiziert. Kumuliert man die Dauer der Einzelereignisse zur Gesamtdauer (Gesamtzeit aller in einer Klasse angefallenen Stillstände) so ergibt sich eine Darstellung der Stillstandzeiten wie in Bild 2. Nach bisherigen Abschätzungen wird davon ausgegangen, dass für viele Anlagenkomponenten ein Übergang in Energie sparende Zustände ab einer Stillstandzeit von fünf Minuten sinnvoll ist. Damit ergibt sich für Profienergy ein erhebliches Potenzial, denn in den beiden Beispielen haben die kumulierten Stillstandzeiten einen Anteil von 64 bzw. 90 % der gesamten Stillstandzeiten.

DER AUTOR Dr. Peter Wenzel, Geschäftsführer der Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO) in Karlsruhe ( www.profibus.com )