Steuerungen Steuerungstechnik senkt Energieverbrauch von Maschinen

Autor / Redakteur: Alexander Verl, Philipp Eberspächer und Jan Schlechtendahl / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Mit steuerungstechnischen Maßnahmen versucht die DFG-Forschergruppe Ecomation, die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu steigern. Dabei ist es die Idealvorstellung, die Leistungsaufnahme auf den reinen fertigungstechnischen Prozess zu reduzieren, unter Beachtung von Qualität, Produktivität und Sicherheit.

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Bild 1: Die Forschergruppe Ecomation hat sich zum Ziel gesetzt, den Energiebedarf der Prozesse in der Fertigung zu senken, das Produkt zu optimieren und dies günstig und einfach umzusetzen. (Bild: Verfasser)
Bild 1: Die Forschergruppe Ecomation hat sich zum Ziel gesetzt, den Energiebedarf der Prozesse in der Fertigung zu senken, das Produkt zu optimieren und dies günstig und einfach umzusetzen. (Bild: Verfasser)

Zur Behebung von Effizienzschwachstellen bei Werkzeugmaschinen hat es sich die Forschergruppe FOR 1088 Ecomation, finanziert durch die DFG, zum Ziel gesetzt, den Energieverbrauch durch steuerungstechnische Maßnahmen zu reduzieren und die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen zu steigern. Dabei soll die Leistungsaufnahme idealerweise auf den für den Fertigungsprozess benötigten Leistungsbedarf (Bild 1) reduziert werden, ohne dabei die gängigen Zielgrößen wie Qualität, Produktivität und Sicherheit außer Acht zu lassen.

Steuerung erfordert Analyse des Energieverbrauchs und Nutzungsprofile

Dabei kann der Energieverbrauch durch den Einsatz von modellbasierten Methoden für beliebige Szenarien vorhergesagt werden. Somit kann das energieoptimale Szenario in der Fertigung zum Einsatz kommen. Durch die Integration der Zielgröße Energieverbrauch in die Steuerung selbst, können Maschinen energieoptimal betrieben werden. Um prognosefähige Energieverbrauchsmodelle zu entwickeln, werden zuerst aussagekräftige Erhebungen über den Energieverbrauch von Werkzeugmaschinen benötigt.

Bildergalerie

Dazu wird von der Forschergruppe die Leistungsaufnahme von Werkzeugmaschinen vermessen. Mit diesen Messungen werden zwei Ziele verfolgt. Zum einen gilt es, die Leistungsaufnahme dahingehend zu analysieren, dass exemplarische Nutzungsprofile der einzelnen Maschinen erhoben werden können, und zum anderen, dass der Verbrauch den einzelnen Maschinenkomponenten zugeordnet werden kann (Bild 2 – siehe Bildergalerie).

Nutzungsprofile liefern Basis für mehr Energieeffizienz

Die Nutzungsprofile umfassen zum Beispiel typische Produktions- und Stillstandszeiten und geben über die typischen Verweildauern in den jeweiligen Maschinenzuständen Aufschluss. Sie sind als Basis für die Steigerung der Energieeffizienz zu sehen. Die Leistungsaufnahme der Verbraucher und Verbrauchergruppen bildet den ersten Schritt zu einer zustandsbasierten Verbrauchsmodellierung.

Darunter fallen Konstantverbraucher wie Kühlschmierstoff- und Hydraulikpumpen sowie die vorhandenen Antriebe in Werkzeugmaschinen. So zeigt sich, dass unterschiedliche Antriebe und Antriebskonzepte große Unterschiede in der drehzahl- und vorschubabhängigen Leistungsaufnahme besitzen. Den Unterschied der Leistungsaufnahme von einem Kugelgewindetrieb und einem Lineardirektantrieb, verbaut in zwei (abgesehen vom Antriebskonzept) identischen Maschinen zeigt Bild 3.

Zustandsbasiertes Energieverbrauchsmodell geschaffen

Am ISW [1] wurde durch die Entwicklung von zustandsbasierten Energieverbrauchsmodellen die Basis für Ecomation geschaffen. Das grundlegendste Energieverbrauchsmodell umfasst zum einen die möglichen Betriebszustände sowie ihre Übergänge und zum anderen den Zuständen zugeordnete Maschinenkomponenten sowie ihren jeweiligen Energieverbrauch.

Mit einem einfachen Zustandsmodell kann die elektrische Leistungsaufnahme und damit der kumulierte Energieverbrauch bereits gut vorhergesagt werden. Durch eine kontinuierliche Veränderung und Anpassung der Zustandsfolge ist es möglich, modellbasiert die optimale Zustandsfolge für den geplanten Fertigungsprozess zu ermitteln. Dieser kann wiederum durch die Maschinensteuerung umgesetzt und somit eine erste Optimierung des Energieverbrauchs vorgenommen werden.

Energieverbrauchsmonitor kommt auf Steuerungen zum Einsatz

Im Rahmen von Ecomation wird ein Energieverbrauchsmonitor (Bild 4) entwickelt, der auf Steuerungen von Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen soll. Dieser erfasst energieverbrauchsrelevante Signale und nutzt diese in Verbindung mit auf der Maschinensteuerung lauffähigen Modellen, um dem Nutzer den aktuellen Energieverbrauch der Maschine kontinuierlich darstellen zu können.

Auf Basis der verfügbaren Maschinensignale wird der aktuelle Betriebszustand ermittelt. Durch Einsatz von Optimierungsmethoden wird mithilfe der entwickelten Energieverbrauchsmodelle der energieoptimale Parametersatz für den aktuellen Betriebszustand ermittelt. In einem nächsten Schritt soll dieser Betriebszustand durch eine energieoptimale Ansteuerung der Maschine über die Ecomation-Steuerung eingenommen werden.

Die Modelle können auch in der Produktionsplanung und -steuerung verwendet werden. Man kann sie dort auch zum Vergleich verschiedener Produktionsvarianten verwenden (serielle, parallele Produktion, Scheduling-Varianten, Energieeinsparmodi). Eine nächste Erweiterung bietet der Einsatz von Energieverbrauchsmodellen zur Analyse des Energieverbrauchs ganzer Fabrikhallen. Dazu müssen sämtliche periphere Systeme mit berücksichtigt werden.

Literatur

  • [1] Dietmair, A., A. Verl, und M. Wosnik (2008): „Zustandsbasierte Energieverbrauchsprofile“. In: WT Werkstatttechnik online (2008), Bd. 89, Nr. 7/8, S. 640 - 645.

* Prof. Dr. Alexander Verl ist Leiter des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart; Dipl.-Ing. Philipp Eberspächer und Dipl.-Ing. Jan Schlechtendahl sind dort Mitarbeiter

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