In der Abwasseraufbereitung des Klärwerks Sindelfingen realisierte Festo mit pneumatischen Plattenschiebern Einsparungen von 11 300 Euro pro Jahr.

© Festo

Beispiel 1: Käselaibe sollen von einem Band auf ein anderes oder in ein Regal geschoben werden. Dabei sind die 12 kg schweren Käselaibe über eine Strecke von 250 mm  zu bewegen. Der Antrieb hat über acht Stunden 60 Zyklen pro Minute zu bewältigen. Für diese recht einfache Anwendung wird aus wirtschaftlichen Gründen normalerweise kein elektrischer Antrieb eingesetzt. Interessant wird ein Blick auf die Gesamtkosten von drei Varianten, einen anfangs eingesetzten Pneumatikzylinder mit 40 mm Kolbendurchmesser, einen elektrischen Spindelantrieb vergleichbarer Größe sowie einen Pneumatikzylinder mit nur 32 mm Durchmesser. Als Ausgangswert für die Berechnung dienen die Kosten für die ursprüngliche Pneumatik.

Die Reduzierung der Baugröße des pneumatischen Antriebs spart bereits 33 % der Energiekosten ein. Zusätzlich wurde der Schlauch vom Ventil zum Antrieb von 3 m auf 30 cm gekürzt und der Druck beim Rückhub verringert. Diese Maßnahmen brachten weitere Einsparungen von etwa 25 % für die kürzeren Schlauchlänge beziehungsweise 20 % für die Druckreduzierung. Mit der Schlauchlänge verringert sich das Tot­volumen, das bei jedem Hub be- und entlüftet werden muss.

Der Tripod in Stabkinematik mit elektromechanischen Standardkomponenten und leichten Kohlefaserstäben sorgt mit seinem geringen Gewicht für den effizienten Einsatz der Antriebstechnologie.

© Festo

Die Reduzierung des Rückhubs war möglich, da der Antrieb nur im Vorhub Arbeit verrichtet, im Rückhub jedoch leer fährt. „Diese drei kleinen Maßnahmen drücken die Kosten für den pneumatischen Antrieb so stark, dass sich der elekt­rische erst nach 15 Jahren rechnen würde“, resümiert Roland Volk, Energy Efficiency Consultant bei Festo. Im Vergleich zur größeren Pneumatik mit 40 mm wäre der elektrische Antrieb bereits nach vier Jahren die günstigere Alternative.

Mögliche empfohlene Einsparpoten­ziale lassen sich allerdings nicht immer addieren, da sich Maßnahmen teilweise direkt beeinflussen. Auch sind manche Einsparpotenziale aufgrund technischer Anforderungen nicht nutzbar. Deutlich wird dies am

Beispiel 2: Ein Drei-Achs-Raumportal wird dafür eingesetzt, Werkstücke aus einer Maschine zu entnehmen und in einer Transportkiste abzulegen. Hier gilt es, in X- und Y-Richtung exakt zu posi­tionieren. Entsprechend muss ein elekt­rischer Antrieb eingebaut werden. In
der ersten Auslegung wurde daher die Z-Achse, ein Schwenkantrieb und der Greifer mit elektrischen Antrieben geplant. Doch weder in der Bewegung der Z-Achse noch beim Schwenkantrieb oder beim Greifer sind Positionieraufgaben gefordert. Daher lassen sich all diese Funktionen problemlos pneumatisch lösen. Da pneumatische Antriebe leichter sind als elektrische, konnte auch der Antrieb der Y-Achse eine Stufe kleiner ausfallen. Schließlich muss er weniger Gewicht bewegen.

Umdenken ist wichtig

Roland Volk, Energy Efficiency Consultant bei Festo: „Energie-Effizienz ist in der Automatisierungstechnik immer von der jeweiligen industriellen Anwendung abhängig“.

© Festo

Damit solche Effizienz-Potenziale ausgeschöpft werden, ist ein Umdenken nötig, betont Roland Volk: „Häufig werden Antriebe überdimensioniert und immer noch große Sicherheitsfaktoren kalkuliert. Beim Einsatz von Antriebssystemen, die aus mehreren Komponenten bestehen, können sich bei ungünstiger Auslegung der Einzelkomponenten die Sicherheitsfaktoren addieren und dann enorm viel Energie verschlingen. Das ist sowohl bei elektrischen als auch pneumatischen Antrieben zu beobachten.“

Festo bietet daher die Engineering-Software „PositioningDrives“ an, mit der Anwender mit nur wenigen Eckdaten zur passenden Lösung gelangen sollen. Um etwa zum am besten geeigneten elektromechanischen Linearantrieb für die gewünschten Aufgaben zu kommen, reicht die Eingabe der Positionswerte, der Nutzmasse sowie der Einbaulage und die Software schlägt eine optimierte Lösung vor. Fehlausle­gungen und Energie­verschwen­dung sind so passé. Die gemeinsame Auslegung von Antriebsmechanik, Getriebe und Motor verhindert, dass sich die Sicherheitsfaktoren po­tenzieren und überdimensionierte elektrische Antriebssysteme Energie verschwenden. Berechnungen haben gezeigt, dass bei konsequenter Auslegung über die Engineering-Software 70 % geringere Energiekosten anfallen können.

Analog gibt es für die pneumatische Dimensionierung eine Auslegungssoftware, die bei der Suche nach dem richtig dimensionierten pneumatischen Antrieb hilft. Zu große Zylinder verbrauchen unnötige Druckluft – zu kleine muss man mit maximal zulässigem Druck betreiben, was unnötig Geld kostet. Der Luftverbrauch wird geringer durch den Einsatz einfach wirkender Zylinder – wo immer das geht.

Drei Antriebslösungen im Vergleich: In der Applikation würde sich der Einsatz eines elektrischen Antriebs erst nach 15 Jahren rechnen. Im Vergleich zur größeren Pneumatik mit 40 mm wäre der elektrische Antrieb allerdings bereits nach vier Jahren die günstigere Alternative.

© Festo

Bei der pneumatischen Dimensionierung mit der Auslegungssoftware ersetzen Simulationen teure Realitätstests für die gesamte pneumatische Steuerungskette. Wird ein Parameter verändert, passt das Programm automatisch alle weiteren an. Beim Konfigurieren der pneumatischen Steuerkette sorgt das Programm dafür, dass alle Systemkomponenten die optimale Größe besitzen. Damit lassen sich Druckverluste, das Druckniveau und das Schlauchvolumen reduzieren. Bei der Planung des pneumatischen Systems sparen kurze Leitungen für Strom und Druckluft Energie.

Zur Entscheidung tragen außerdem die Informationen bei, dass sich elektrische Systeme kurzzeitig überlasten lassen, während pneumatische über einen längeren Zeitraum überlastet werden können. Deshalb können Komponenten meist kleiner dimensioniert werden.
Bei der Auswahl der Antriebe ist es sinnvoll, über die Produkteigenschaften Bescheid zu wissen: Leichte Materialien, bessere Dichtungen sowie hermetisch dichte Antriebssysteme senken den Energieverbrauch. Kombinationen geführter Antriebe helfen Fluchtungsfehler und damit potenzielle Leckagen sowie Reibung zu vermeiden.

Autor: Christopher Haug ist Redakteur Inter­nationale Fachpresse bei Festo in Esslingen.