Beispiel für die Aufzeichnung von Betriebszustand (SPS-Signal, oben) und Lastgang (unten) an einem Robotersystem in einer Produktions­anlage: Aktive Phase, Leerlaufphase und Energieverbrauch lassen sich so unmittelbar zuordnen.

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Soweit die Theorie. – Wie viel Energie sich mit Smart-Energy-Konzepten à la ProfiEnergy in der Praxis tatsächlich einsparen lässt, wird entscheidend davon abhängen, wie Anlagenhersteller und -betreiber die technischen Möglichkeiten in Anlagen- und Betriebskonzepten umsetzen. Eine Grundvoraussetzung dafür ist, dass die technischen und ökonomischen Zusammenhänge zwischen dem Energieverbrauch und der Betriebsweise von Anlagen bekannt sind. Da diesbezüglich bislang nur wenig Erfahrungswerte und kaum konkrete Daten von Anlagen verfügbar waren, sollten im Rahmen einer ausführlichen Mess-Studie die heute bekannten qualitativen Aussagen durch konkrete, quantitative Aussagen und Bewertungen gestützt werden.

Mit der Durchführung der entsprechenden Studie hatte die PNO im vergangenen Jahr das Institut für Automation & Indus­trial IT (AIT) der Fachhochschule Köln beauftragt, welches sich auf die Profinet-Diagnose sowie die Durchführung und Analyse von Energieverbrauchsmessungen an Produktionsanlagen spezialisiert hat und zudem Profinet Competence Center ist. Erste Untersuchungen und Messungen im Rahmen der Studie erfolgten bei Daimler an Produktionslinien im Werk Sindelfingen sowie bei Volkswagen Nutzfahrzeuge in Hannover.

Die Ergebnisse der Messungen

Typische Anordnung der Messstellen in einer Produk­tionsanlage: Durch die hierarchische Anordnung ist eine differenzierte Erfassung der Lastgänge bis hin zu Einzel­verbrauchern möglich.

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Die Lastgänge in den untersuchten Produktionsanlagen weisen typischerweise regelmäßige, wiederkehrende Lastprofile auf, die sich unmittelbar aus den diskreten Fertigungsschritten in Produktionsanlagen ergeben. Dabei sind nicht zu jedem Zeitpunkt alle Produk­tionsmittel aktiv. Die Lastgänge haben daher typische Profile, die sich aus der zeitlichen Überlagerung einzelner Geräte und Anlagenkomponenten ergeben. Aufgrund von Materialspeichern in der Zuführung oder auch zwischen den Anlagenteilen gibt es jedoch häufig keine starren Ablaufsequenzen. Die Lastprofile können also variieren – insbesondere auch im Übergang zu einem temporären Anlagenstillstand, der sich nicht zeitgleich auf alle Anlagenkomponenten auswirken muss (Nachlauf, teilweises Leerfahren von Stationen, weiteres Auffüllen von Zwischenspeichern etc.) Betrachtet man die Lastgänge in den untersuchten Produktionsanlagen, so fal-len die hohen Lastspitzen auf, die exemp­larisch anhand der Mess-Ergebnisse eines typischen Anlagensegmentes für einen Zeitraum von 24 Stunden in Bild 4 dargestellt sind.

Während das Lastniveau im Betrieb bei rund 80 kW liegt, beträgt die Grundlast nur rund 17 kW. Bei der Suche nach Einsparpotenzialen durch Verbrauchsreduzierung in Stillstandzeiten erscheint dies bei flüchtiger Betrachtung nicht besonders relevant, macht die Grundlast doch scheinbar weniger als 20 % des oberen Lastniveaus aus – eine Fehleinschätzung, zu der es in der Praxis schnell kommt! Der Grund: Die hohe Spitzenlast darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass sich der tatsächliche Verbrauchswert – welcher auch zu bezahlen ist! – aus dem Mittelwert des Lastprofils ergibt und im vorliegenden Beispiel bei rund 32 kW liegt.

Typischer Lastgang in der Karosseriefertigung über einen Zeitraum von 24 Stunden. Entscheidend für die Bewertung des Energie-Einsparpo­tenzials ist das Verhältnis der Grundlast (Leistung im Stillstand) zum Leistungsmittelwert im operativen Betrieb.

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Die Grundlast im Stillstand beträgt somit mehr als 50 % des Energieverbrauchs im produktiven Betrieb und bietet bei entsprechender Nutzung ein erhebliches Einsparpotenzial. Neben dieser relativen Bewertung ist nicht außer Acht zu lassen, in welchen Größenordnungen man sich hinsichtlich des Energieverbrauchs bewegt. Setzt man den Energieverbrauch des in diesem Beispiel gewählten Anlagensegmentes in Relation zu typischen Verbrauchszahlen in privaten Haushalten, so wird die Dimension schnell deutlich: Die gemessene Grundlast im Stillstand entspricht dem durchschnittlichen Energieverbrauch von etwa 50 Haushalten (Basis: 350 W/Haushalt).

Ein wesentlicher Teil der Studie bestand zudem in der Untersuchung der Lastverteilung innerhalb der unterschiedlichen Anlagen. Die strukturierte Verteilung der Messpunkte – von der Einspeisung bis zur Endgeräte-Ebene – ermöglichte eine differenzierte Auswertung und erlaubte es, die Charakteristika typischer Energieverbraucher in Produktions- und Stillstandzeiten zu identifizieren (siehe Bild 5, S. 34). Da die Produk­tion in der Automobilindustrie geprägt ist durch den Einsatz von Robotern, fallen typischerweise zwischen 30 und 60 % des Energieverbrauches für den Betrieb dieser Systeme an. Und auch in Stillstandzeiten überwiegt der Energieverbrauch durch Robotersysteme; übliche Leistungsaufnahmen für einen Roboter reichen bis zu 300 W. Der Energiebedarf für Steuerungen beläuft sich dagegen auf lediglich 2 bis 3 % des Gesamt-Energiebedarfs.

Die Analyse der Stillstandzeiten

Leistungsverteilung und Energieflussdarstellung mittels Sankey- Diagramm: In der Karosseriefertigung bestimmen Robotersysteme den Energieverbrauch. Aber auch Anlagenkomponenten mit geringerem, aber konstantem Verbrauch sind für ProfiEnergy relevant.

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Stillstandzeiten haben unterschiedlichste Ursachen (geplant, ungeplant, betriebsbedingt, modellbedingt) und geben wichtige Hinweise auf das Betriebsverhalten einer Anlage. Kurze Stillstände sind häufig ein Indiz für ein Optimierungspotenzial im Bereich der Anlagensynchronisation und/oder der Materialspeicher; längere Stillstände treten bei geplanten Pausen, geplanten Stillständen und Störungen auf.

Nach den Ergebnissen der Studie sind nicht nur geplante sondern auch ungeplante Stillstandzeiten für den Einsatz von Profi­Energy relevant. Klassifiziert man die Stillstandzeiten nach ihrer jeweiligen Dauer und kumuliert die Dauer der Einzel-Ereignisse zur Gesamtdauer (Gesamtzeit aller in einer Klasse angefallenen Stillstände), kommt man zu folgender Erkenntnis: Kurze Stillstandzeiten treten re­lativ häufig auf, lassen sich aufgrund der erforderlichen Wiederanlaufzeit nach einem Standby-Betrieb aber in der Regel nicht für eine Umschaltung in einen Energiesparzustand nutzen.

Nach bisherigen Abschätzungen ist davon auszugehen, dass für viele Anlagenkomponenten ein Übergang in energiesparende Zustände ab einer Stillstandzeit von fünf Minuten sinnvoll ist. Gemäß diesem Ansatz lässt sich für das Beispiel einer Produktionslinie aus der Karosseriefertigung in Bild 6 festhalten, dass 64 % der gesamten Stillstandzeiten eine Dauer von mehr als fünf Minuten haben und sich so ein erhebliches Potenzial für den Einsatz von ProfiEnergy ergibt. In Anlagenteilen, die modellbedingt nicht kontinuierlich im Einsatz sind und daher längere Stillstandzeiten aufweisen, kann der relevante Anteil der nutzbaren Stillstandzeiten sogar bis zu 90 % der gesamten Stillstandzeiten aus­machen.

Das Einsparpotenzial

Stillstandzeiten mit Potenzial: Die kumulierten Stillstandzeiten ergeben sich aus der Addition aller Pausen (unterschiedlicher Häufigkeit und Dauer) und erlauben eine Abschätzung, welcher Anteil der Stillstandzeiten mit ProfiEnergy nutzbar ist.

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Stand der Technik ist, dass sich Produktionsanlagen heute überwiegend nur „hart“ (über den Hauptschalter) ein- oder ausschalten lassen. Beim Wiederanlauf von abgeschalteten Anlagen kommt es dann erfahrungsgemäß zu Problemen. Aus Angst vor Störungen beim Wiederanlauf werden die Produktionsanlagen daher meist sogar bei längeren Stillständen – zum Beispiel über Nacht und am Wochenende – nicht abgeschaltet. Diese geplanten Stillstandzeiten machen je nach Schichtmodell einen erheblichen Anteil der Betriebsstunden aus. Hinzu kommen die ungeplanten Stillstandzeiten.

Nach den Ergebnissen der Studie ist für typische Produktionsanlagen der Automobilindustrie im Bereich Karosseriebau und Montage davon auszugehen, dass bei einem Zweischicht-Betrieb rund die Hälfte (47 %) des gesamten Energieverbrauchs einer Produktionsanlage in den Stillstandzeiten anfällt. Lediglich 53 % des Energieverbrauchs wird für den produktiven Betrieb eingesetzt. Allerdings gilt es in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen, dass die in den Stillstandzeiten verbrauchte Energie nicht vollständig eingespart werden kann. Zum einen werden die Anlagen nach dem ProfiEnergy-Konzept nicht vollständig ausgeschaltet, sondern in Energiesparzustände versetzt, die je nach Anlagenkomponente unterschiedlich ausgelegt sein können. Zum anderen lassen sich nur Stillstandzeiten nutzen, die ausreichend lange sind.

Auf den Punkt gebracht: Nach den bisherigen Ergebnissen kann davon ausgegangen werden, dass in den nutzbaren Stillstandzeiten durch ProfiEnergy etwa 70 % der Energie eingespart werden kann. Dies führt zu einer Einsparung von 33 % des Gesamt-Energieverbrauchs einer Anlage.Setzt man den Energieverbrauch einer typischen Produktionslinie mit 210.000 kWh pro Jahr an, so winken Einsparungen in Höhe von 7000 Euro pro Jahr (Basis: 0,10 Euro pro kWh). Berücksichtigt man die Gesamtzahl der an der Fertigung eines Fahrzeugs beteiligten Anlagen, so sind je nach Anlagenstruktur jährliche Einsparungen der Energiekosten im mittleren sechsstelligen Bereich möglich. Die volle Nutzung dieses Potenzials erfordert aber nicht nur den Einsatz von ProfiEnergy-fähigen Steuerungskomponenten. Sie setzt auch eine Änderung der Anlagenkonzepte voraus, damit sich Geräte oder Anlagenteile selektiv in energiesparende Zustände versetzen lassen. Zu beachten ist hierbei, dass sicherheitsgerichtete Anwendungen auch im Stand-by-Betrieb in ihren Funktionen nicht beeinträchtigt werden dürfen. Und noch etwas ist entscheidend: Ein Konzept wie ProfiEnergy muss konzeptionell von Anfang an in die Anlagen mit eingeplant werden, das bedeutet, Anlagenbetreiber müssen ihre Anforderungen gegenüber den Anlagenherstellern diesbezüglich klar definieren. Die Rahmenbedingungen hierfür stehen und seit 2010 sind erste ProfiEenergy-Geräte am Markt.

Die hier dargestellten Potenziale beziehen sich auf Anwendungen im Bereich der Automobilproduktion. Die Einsatzmöglichkeiten von ProfiEnergy sind jedoch branchenübergreifend. Die Studie wird daher im nächsten Schritt weitere Branchen untersuchen und unter anderem in Logistik- und Materialflusssystemen Messungen und Analysen durchführen. Nicht zuletzt ist die Entwicklung von Guidelines für das Engineering von ProfiEnergy-basierten Anlagen in einer weiteren Stufe vorgesehen.

Autor: Prof. Dr. Frithjof Klasen leitet das Institut für Automation & Industrial IT (AIT) der FH Köln.

Die vier Anwendungsfälle

ProfiEnergy unterscheidet folgende vier Anwendungsfälle.

Anwendungsfall 1: Energie-Einsparung in kurzen Stillständen

Nicht benötigte Verbraucher werden zum Beispiel in Frühstücks- und Mittagspausen in Energiesparzustände gefahren, aus denen heraus ein Wiederanlauf sehr schnell möglich ist. Die Energie-Einsparungen sind dementsprechend geringer als in Anwendungsfall 2.

Anwendungsfall 2: Energie-Einsparung in länger andauernden Stillständen

In der Nacht oder an Wochenenden lassen sich mehr Verbraucher in intensivere Energiesparzustände („Tiefschlaf“) schalten, um ein Maximum an Energie-Einsparung zu erzielen.

Anwendungsfall 3: Energie-Einsparung in ungeplanten Stillständen

Da in diesem Fall die Zeitdauer des Stillstands nicht vorhersehbar ist, erfolgt zunächst eine Einstufung in den Anwendungsfall 1, um einen schnellen Wechsel in die Produktionsphase nicht zu beeinträchtigen. Stellt sich währenddessen heraus, dass die Stillstandzeit länger andauert, kann in Anwendungsfall 2 gewechselt werden.

Anwendungsfall 4: Messung und Darstellung der Leistungsaufnahme

ProfiEnergy ermöglicht, Verbrauchsdaten von Geräten im Betrieb zu erfassen und darzustellen.

Die ProfiEnergy-Befehle

ProfiEnergie kennt Steuerbefehle und Statusabfragen. Zu den Steuerbefehlen zählen:

Start_Pause, _tPause
Dieser Befehl kann genutzt werden, um vom operativen Modus in einen Energie­sparzustand zu wechseln oder um von einem Energiesparzustand in einen anderen Energiesparzustand zu wechseln, wobei der neue Energiesparzustand mehr oder weniger Energieverbrauch aufweisen darf. Der Parameter tPause enthält die Zeitangabe der Dauer des Stillstands, die mindestens oder genauso lange andauern muss, wie die Summe aus der Zeit für den Wechsel in den Energiesparmodus, die minimale Zeitdauer für den Verbleib im Energiesparmodus
und die Zeitdauer für den Wechsel in den operativen Zustand des Gerätes. Andern-
falls kann das Gerät nicht in einen Energiesparzustand wechseln. Nach Ablauf der
Zeit tPause startet das Gerät nicht auto­matisch!

End_Pause
Der Befehl dient zum Wechsel aus einem Energiesparzustand in den produktiven Zu-
stand eines Geräts oder zum Abbruch eines laufenden Wechsels in einen Energiesparzustand mit der Rückkehr zum produktiven Zustand.

Statusabfragen sind:

PE_Identify
Unterstützte Dienste und Befehle des Gerätes.

PEM_Status
Aktueller Status des Gerätes, zum Beispiel produktiv oder in einem Energiesparzustand

Query_Modes
Übersicht der unterstützten Energiesparmodi mit den benötigten Zeiten

Query_Measurement
Messwerte des ProfiEnergy-Gerätes