Die Energieflüsse in einem PKW-Werk insgesamt und ...

© Kuka Roboter

Der Karosseriebau begnügt sich mit etwa 20 %, gefolgt von Presswerk und Endmontage mit je rund 10 %. Untersucht man den Karosseriebau etwas genauer, so zeigt sich, dass die Hälfte der benötigten Energie mit Lüftung, Licht und Wasserkühlung in das Gebäude fließen. Der Energiebedarf der produzierenden Komponenten wie Roboter- und Prozesssysteme, Fördereinrichtungen und Logistiksysteme liegt also bei nur knapp 50 % des Gesamt-Energiebedarfs eines Karosseriebaus.

Unter der Annahme, dass die Industrieroboter etwa die Hälfte dieser Energie benötigen und die andere Hälfte von Prozesskomponenten und Fördereinrichtungen verbraucht wird, ergibt sich für die Roboter ein Anteil von etwa 5 % am gesamten Energieverbrauch eines Automobilwerkes.

Welchen Beitrag zu einer energieeffizienten Automobilproduktion können nun die etwa 800 Roboter, die in einem klassischen Karosseriebau arbeiten, leisten? Auch hier waren zunächst detaillierte Untersuchungen und Langzeit-Messungen zu den energetischen Zuständen eines Industrie-Roboters in der Automobil-Produktion und deren zeitliche Verteilung in einer Produktionssequenz erforderlich. Mehrere deutsche OEMs haben diese Messungen zusammen mit Kuka durchgeführt und anschließend ausgewertet. Dabei hat sich gezeigt, dass sich die Energie-Aufnahme eines Robotersystems unabhängig vom Produktionskonzept oder vom Schichtmodell durch nur fünf energetische Zustände sehr gut beschreiben lässt:

... speziell im Karosseriebau (rechts): Die Ergebnisse von Langzeitmessungen bei einem deutschen OEM wurden in ein Sankey-Diagramm übertragen, das die Energieflüsse bis zu den einzelnen Komponenten darstellt.

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■ Roboter verfährt auf seiner programmierten Bahn (Energie-Aufnahme je nach Applikation etwa 1,5 bis 3,5 kWh).
■ Roboter wartet mit den Antrieben in Regelung (Energie-Aufnahme je nach Roboterstellung rund 0,6 bis 0,8 kWh).
■ Roboter wartet mit aktivierten Haltebremsen (Energie-Aufnahme in etwa 0,22 kWh).
■ Roboter befindet sich im Stand-by-Mode für kurze Produktionspausen (Energie-Aufnahme etwa 0,14 kWh).
■ Roboter befindet sich im Stand-by-Mode für lange Produktionspausen (Energie-Aufnahme rund 0,02 kWh).

In einem typischen Karosseriebau mit fünf Tagen Dreischicht-Betrieb und zwei Tagen Wochenend-Pause ergaben die Messungen, dass sich der Roboter während 19 % dieser Zeit in Bewegung befand. Kurzes Warten mit aktivierten Antrieben schlug mit 10 % und kurzes Warten mit eingefallenen Haltebremsen mit 26 % zu Buche. Die über ProfiEnergy (von der Profibus Nutzerorganisation definiertes Energiesparprofil für Profinet) verfügbaren Stand-by-Modes konnten mit 17 % (Stand-by-Mode) für kurze Produktionspausen und mit 28 % (Sleep-Mode) für längere Produktionspausen und bei der Wochenend-Abschaltung angesetzt werden.

Die Effizienz-Maßnahmen

Auf der Basis dieser Erkenntnisse und in enger Zusammenarbeit mit einem deutschen OEM wurden bei Kuka kurz- und langfristige Entwicklungs-Schwerpunkte im Bereich der Energie-Effizienz von Robotersystemen definiert und zu einem Großteil bereits umgesetzt.

Zeitliche Verteilung der energetischen Zustände eines Roboters: An etwa 30 repräsentativ aus­gewählten Produktionsrobotern wurde über einen längeren Zeitraum die Energie-Aufnahme gemessen. Nach einer Analyse der Mess-Ergebnisse des Energieverbrauchs über den zeitlichen Verlauf kristallisierten sich fünf energetische Zustände eines Robotersystems heraus.

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Das Design der Robotermechanik und die verwendeten Materialien haben in vieler Hinsicht Einfluss auf die Energie-Effizienz und die Öko-Bilanz des Gesamtsystems in Bewegung. Durch den Ersatz von Aluminium-Legierungen mit schlechter CO2-Bilanz durch innovativen Stahl-Sphäro-Guss, welcher deutlich dünnere Wandstärken ermöglicht –, konnte das Eigengewicht der Robotermechanik um über 12 % reduziert werden – und weniger bewegte Masse verbraucht weniger Energie! Qualitativ hochwertige Getriebe mit sehr niedrigen Reibungsverlusten und der Einsatz von energieeffizienten Motoren sorgen zudem für einen verbrauchsoptimierten Betrieb über die gesamte Lebensdauer des Systems. Nicht zuletzt garantiert eine Energieoptimierte Antriebstechnik mit einer automatischen Abstimmung von Umrichter und Motoren einen Betrieb des Robotersystems im Verbrauchs-Optimum bei allen Bewegungsabläufen. Zusammen mit einer entsprechenden Bahnplanung und neuen, verbrauchsoptimalen Fahrbefehlen konnte der Energieverbrauch in Bewegung gegenüber dem Vorgängersystem applikationsabhängig um bis zu 30 % reduziert werden.

Wie die Messungen weiterhin gezeigt haben, ist das Robotersystem auf der Basis des oben beschriebenen Schichtmodells nur zu etwa 20 % wertschöpfend in Bewegung. Damit rücken sowohl die Wartezeiten in der Produktionsphase als auch der „Leerlauf-Verbrauch“ in produktionsfreien Zeiten in den Fokus. Im klassischen Karosseriebau ergeben sich durch Transportzeiten der Karosse zwischen den Zellen, Arbeitsbereichs-Verriegelungen der Roboter untereinander und Freigaben durch die übergeordnete SPS viele, relativ kurze Wartezeiten. In den meisten Fällen wartet der Roboter geregelt, das heißt, die Mechanik wird aktiv über die Motoren und nicht durch die Bremse in Position gehalten. Je nach Pose sind dazu 600 W bis 800 W erforderlich. Fallen die Haltebremsen nach 20 Sekunden automatisch ein, reduziert sich der Energieverbrauch schlagartig auf 200 W.

Einem schnelleren und häufigeren Einfallen der Haltebremsen widersprach bisher die relativ geringe Anzahl der garantierten Bremsspiele. Indem Kuka die Anzahl der zulässigen Bremsspiele über die Lebensdauer des Roboters von 1 Mio. auf 5 Mio. erhöht hat, konnte die Einfallszeit der Bremsen auf jetzt fünf Sekunden reduziert und damit der Energieverbrauch bei kurzen Stillständen um 60 % verringert werden. Sind die Bremsen eingefallen, senkt ein temperaturgeregelter Schranklüfter die Energie-Aufnahme um weitere 15 %.

Sind die Produktionspausen eingeplant und ihre Länge definiert – wie Schichtwechsel, Arbeitspausen oder Wochenenden – kann die überlagerte SPS über ProfiEnergy-Telegramme die Robotersteuerung in definierte Energiespar-Modi versetzen. Die Robotersteuerung verfügt hierzu über zwei Energiespar-Modi, die den Leerlauf-Verbrauch des Robotersystems um 30 % beziehungsweise über 80 % reduzieren. Treten unerwartete Produktionsstillstände auf, kann die Instandhaltung je nach Länge der Wartungsmaßnahme und der vom System benötigten Hochlaufzeit diese Modi für ganze Anlagenbereiche manuell aktivieren und damit die Energie-Aufnahme in nicht-produktiven Zeiten minimieren.

In Summe führen diese Maßnahmen bereits jetzt zu einer Verbrauchsminderung um über 35 % gegenüber dem Vorgängersystem. In Zahlen bedeutet das einen jährlichen Minderverbrauch von zirka 2500 kWh, jährliche Minderkosten von rund 250 Euro und vor allem eine jährliche Minderemission von über 1400 kg CO2 pro Robotersystem (CO2-Emissionsfaktor Strommix 2009: 575 g CO2/kWh). Damit tragen bereits jetzt die Roboter in einem klassischen Karosseriebau ihren Teil zu einer ressourceneffizienten Produktion bei.

Unnötige Wartezeiten vermeiden

Die überwiegende Zeit sind Roboter im Automobilbau nicht in Aktion – wie hier bei der Fertigung der A-Klasse –, sondern befinden sich in Wartestellung. Insofern verdient dieser Zustand bei der Energie-Effizienz-Betrachtung besondere Beachtung.

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Innerhalb eines Produktionstaktes ist der Roboter zu nur rund 30 % in Bewegung. Die restliche Zeit wartet er auf Fertigmeldungen von Prozess-Steuerungen, Freigaben durch die Anlagen-Steuerung, Verriegelungssignale von benachbarten Robotern oder neue Bauteile. Diese Wartezeiten sind nicht wertschöpfend und kosten darüber hinaus unnötig Energie. Soll ein Karosseriebau ressourceneffizient betrieben werden, müssen die Anlagensteuerungen folglich unnötige Roboterbewegungen und Wartezeiten durch vorausschauende Sequenzierung der Roboterbeauftragung verhindern. Hierbei können klar strukturierte und hochmodulare Roboterprogramme mit einer flexiblen Aufrufschnittstelle zur SPS unterstützen.

Gerade bei Produktionssystemen mit sehr hoher Roboterdichte und asynchronen Abläufen führt die Verarbeitung von Freigabe- und Verriegelungssignalen durch eine zentrale SPS oft zu unnötig langen Wartezeiten bei den Robotern. Werden Verriegelungen und Freigaben gemeinsam genutzter Arbeitsräume innerhalb der intelligenten und vernetzten Robotergruppe abgearbeitet, lassen sich diese verbrauchsintensiven Wartezeiten deutlich reduzieren. Durch eine Synchronisation von Roboterbewegungen und Fertigungsabläufen innerhalb einer kooperierenden Robotergruppe – wo immer es die Produktionssequenz zulässt – kann in vielen Fällen auf Wartezeiten komplett verzichtet und somit die Anlage im energetischen Optimum betrieben werden.

Aber auch neue Materialfluss-Konzepte können den Energieverbrauch einer Anlage reduzieren. So warten die Roboter zum Beispiel beim Übersetzen einer Karosse in die nächste Zelle mindesten 10 Sekunden – in vielen Fällen auch noch in Regelung! Ersetzt man den „Stop-and-go-Transport“ – der bei kurzen Taktzeiten bis zu 15 % der Taktzeit benötigt – durch einen kontinuierlichen Materialfluss, können die Roboter zu 100 % der Taktzeit an der Karosse arbeiten.

Energie – eine „planbare“ Ressource

Primäre Zielgrößen in der heutigen Produktionsplanung und -steuerung sind Durchlaufzeit, Termintreue, Auslastung und Bestand. Energetische Vorgaben bleiben dabei in den meisten Fällen unberücksichtigt. Dies muss sich ändern: Energie ist in Zukunft als weitere, planbare Ressource in die PPS-Systeme zu integrieren. Damit einher gehen neue Planungsaufgaben wie die Ableitung des Energiebedarfs aus dem Produktionsprogramm, eine konsequente Energiebedarfsplanung und die Synchronisation von Energie-Angebot und -nachfrage mit dem Energieversorger.

Mit Hilfe des Energiemodells generiert das Produktionsplanungssystem auf der Basis des prognostizierten Energiebedarfs und des aktuellen Energie-Angebotes eine verbrauchsoptimale Produktionssequenz. Schwankungen im Käuferverhalten oder auf dem Energieversorgermarkt können auf diese Weise sehr flexibel ausgeglichen werden.

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Hierzu ist ein detailliertes Energie-Modell der Gesamtanlage erforderlich, das die produzierenden Komponenten, die Prozesse, die Logistik aber auch den Energieverbrauch des Gebäudes berücksichtigt. Wie bei der Robotersteuerung werden zunächst energetische Zustände und dann Energie-Flüsse von Einzelkomponenten, Zellen und Anlagenteilen im Zusammenhang mit der Produktionssequenz erfasst und in ein energetisches Modell der Anlage überführt. Nur so lassen sich detaillierte Aussagen über Optimierungen und mögliche Einsparpotenziale treffen. ProfiEnergy erlaubt in diesem Zusammenhang mit der Funktion der Messstellen eine feingranulare und automatisierte Datenerfassung direkt am Verbraucher. Am Roboter von Kuka können zum Beispiel der momentane Verbrauch, der Verbrauch im letzten Produktionstakt oder aber der Verbrauch in der letzten Schicht über das standardisierte Protokoll ausgelesen werden. Der modellbezogene Taktverbrauch ermöglicht eine zielgerichtete Analyse von Energie- und Produktionsdaten und damit nicht nur eine verursachergerechte oder batchbezogene Energiekosten-Aufteilung und -Verrechnung.

Zusammen mit den Informationen über den produktspezifischen Energiebedarf erlaubt das energetische Modell der Anlage eine relativ genaue Prognose des Energiebedarfs und des Lastverlaufs unter Einbeziehung der Produktionsplanung. Wird eine Produktionsanlage beispielsweise mit Solarenergie versorgt, kann das Prognosemodell die Fertigung Energie-intensiver Produkte in den Tagesstunden planen, während weniger Energie-intensive Produkte in den Nachtstunden gefertigt werden. Zusätzlich erlaubt eine Produktions-Sequenzierung auf der Basis des energetischen Anlagenmodells, die Fertigungssequenzen so zu definieren, dass der Energieverbrauch der realen Anlage nahezu konstant bleibt und keine unerwarteten Lastspitzen aufzeigt. Das senkt nicht nur die Energiekosten beim Betreiber der Anlage; es reduziert ebenso deutlich die Investitionskosten in die Versorgungs-Infrastruktur der Produktionsstätte, die bisher immer auf mögliche Lastspitzen ausgelegt und damit eigentlich immer deutlich überdimensioniert waren.

Energie-Aufnahme wird simuliert

Waren in der klassischen Robotersimulation bisher ausschließlich Taktzeit, Zugänglichkeit und Kollisionsfreiheit die bestimmenden Faktoren, so wird der zu erwartende Energieverbrauch einer Fertigungssequenz in Zukunft gleichwertig betrachtet werden müssen. Auf der Ebene des Industrieroboters bedeutet das, dass bereits vorab in der Offline-Programmierung der Energieverbrauch einer Roboter-Applikation möglichst genau prognostizierbar sein muss. Kuka wird dementsprechend für seine Roboter in naher Zukunft auf der Basis von RRS1 (Realistic Robot Simulation Version 1) RCS-Module (Real Controller Simulation) zur Verfügung stellen, die neben einer hochgenauen Simulation der Bewegung und ihres zeitlichen Ablaufes die Energie-Aufnahme des Robotersystems über der gefahrenen Trajektorie berechnet.

Bereits im ersten Entwicklungsschritt kann der Planer dann kritische Bereiche, das heißt Bahnbereiche mit überdurchschnittlich hoher Energie-Aufnahme, modifizieren und über eine erneute Prognose durch das Verlustmodell verifizieren. Daneben ist durch eine gezielte Anpassung der Traglastklasse des Roboters, des Werkzeuggewichtes oder des Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofils des Roboters die Energie-Effizienz verbesserbar.

In den folgenden Entwicklungsschritten wird die „manuelle“ Optimierung durch eine „automatische“ ersetzt. Durch algorithmische oder iterative Verfahren lässt sich in der Simulation bei vorgegebenen Prozesspunkten unter Berücksichtigung aller Störkanten und der erforderlichen Taktzeit eine verbrauchsoptimale Bahn berechnen. Hier darf jedoch nicht nur der einzelne Roboter betrachtet werden. Zwar ergibt sich für den einzelnen Roboter der niedrigste Energieverbrauch bei kontinuierlichen Bewegungen mit verbrauchsoptimalen Beschleunigungsprofilen; muss ein so optimierter Roboter jedoch auf andere Roboter warten, dann kostet das unnötig Energie, was durch eine Gesamtbetrachtung der Robotergruppe zu vermeiden ist. Mit anderen Worten: Ein längerer Weg ohne Halten kann letztendlich energiesparender sein, als ein kurzer Weg mit vielen Stopps!

Wird diese Energiebedarfs-Simulation bei allen Anlagenkomponenten durchgeführt, so lässt sich eine Anlage letztlich bereits in der virtuellen Welt hinsichtlich ihres „Verbrauchsver­haltens“ modellieren, Produktions-Szenarien lassen sich durch­spielen, verbrauchsoptimierte Produktions-Sequenzen definieren und Methoden zur Vermeidung von unerwarteten Lastspitzen direkt überprüfen.

Autor: Peter Klüger ist im Produktmanagement von Kuka Roboter für die strategische Produktentwicklung im Bereich Automotive verantwortlich.