Das Smart Grid der Industrie - Steigern der Energieeffizienz in Fabrikanlagen durch Energiebedarfsmessung und Aktion
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Automatisierung llll Energiemanagement
Das Smart Grid
der Industrie
Steigern der Energieeffizienz
in Fabrikanlagen durch
Energiebedarfsmessung und Aktion
Die Harting Technologiegruppe und das Deutsche Forschungszentrum für ger und zukünftiger Industriegesell-
schaften.
künstliche Intelligenz arbeiten innerhalb der SmartFactoryKL gemeinsam an
Die enge Vernetzung von Erzeu-
einem Konzept, mit dem sich der Energieeinsatz und die Produktions- bzw. gung, Speicherung, Rückspeisung und
Anlagenprozesse aufeinander abstimmen lassen. „smart Power Networks“ Verbrauch von Energie führt zugleich
auch zu strukturellen Änderungen von
heißt das Konzept, das in der Demonstrations- und Forschungsanlage in Alltagsgewohnheiten, die nun mit dem
Kaiserslautern getestet wird und mit dem sich Energiebedarfsmessungen Energiemanagement neu abgestimmt
werden. Die neue Energiepolitik hat
sowie Energieeffizienzsteigerungen in der Fabrik realisieren lassen.
demnach auch Auswirkungen auf die
Von John Witt und Mathias Schmitt Industriegesellschaft.
Produzierende Unternehmen haben
eine komplexe Energieverteilung, in
S
der Energieverbrauch, -speicherung
pätestens seit der Neujustierung Netz mit dezentralen Energieprodu- und -produktion zukünftig stärker
der bundesdeutschen Energie- zenten umzustellen, hat nicht nur Aus- miteinander verbunden werden müs-
politik ist es offensichtlich, dass wirkungen auf das Management der sen. Dabei ist eine deutlich tiefere In-
die eingesetzte Energie in industriel- Erzeuger, sondern auch auf die Ener- tegration der Prozesssteuerung unab-
len Prozessen gezielter und damit ef- giespeicherung und den Energiebedarf dingbar, um die Energieflüsse besser
fizienter genutzt werden muss. Die im Energieversorgungssystem. Dies steuern und beherrschen zu können.
Entscheidung, die nationale Energie- wurde bislang nicht als aktiver Ein- Reines Verbrauchscontrolling, wie es
versorgung von einem System mit flussfaktor berücksichtigt. Energie ist bislang in den meisten Unternehmen
wenigen großen Energielieferanten, neben Information und Kommunika- üblich war und ist, wird nicht mehr
z.B. Kernkraftwerken, hin zu einem tion die wichtigste Lebensader heuti- ausreichen. Auch die in der Regel ma-
ll Bild 1. Aufbau der SmartFactoryKL mit sPUs: 1. Verfahrenstechnik, 2. Anlagensteuerung, 3. Leerflaschen, 4. Abfüllstation, 5. Verschrauben, 6. Etiket-
tieren und Qualitätssicherung, 7. Kommissionieren und Luftdruckversorgung.
38 Elektronik 23/2011
Energiemanagement llll Automatisierung
You CAN get it...
Hardware und Software
für CAN-Bus-Anwendungen…
nuellen Eingriffe, die auf Basis eines Switche erfassen Messdaten über den
solchen Verbrauchscontrollings umge- Energieverbrauch an wichtigen Stellen
setzt werden, sind für ein flexibles des Versorgungssystems. Durch sie
System nicht geeignet. Stattdessen be- entsteht eine Transparenz ohne ein
darf es eines leistungsstarken und in- zusätzliches, zumeist proprietäres
telligenten Systems, welches flexibel Netzwerk; die Switche erhalten ledig-
genug ist, um die Steuerung der Ener- lich eine energietechnische Zusatz-
gieflüsse und Produktionsprozesse in funktion, welche die Aufnahme von
Echtzeit entsprechend den individuel- Energieverbrauchsdaten ermöglicht.
len Anforderungen umzusetzen. Die erfassten Daten werden über das
Entscheidend ist dabei, dass die Ethernet an die Leitstelle oder an an- PCAN-PCI/104-Express
energietechnische Infrastruktur auf dere Applikationen kommuniziert, um
die Kommunikationsplattform der Un- dort zur Steuerung der Anlagen ein- PCI/104-Express zu CAN-Interface.
ternehmensprozesse gebracht wird. Optional mit galvanischer
Die Harting Technologiegruppe und Trennung. Als Einkanal- und
das Deutsche Forschungszentrum für Zweikanal-Karte erhältlich.
Ethernet
künstliche Intelligenz (DFKI) in Kai- ab 210 €
ΜΙΒ Ethernet-
serslautern arbeiten innerhalb der switch
SmartFactoryKL gemeinsam an einem Steuer-
Konzept, mit dem sich der Energieein- ausgang
Lastansteuerung
satz und die Produktions- bzw. Anla- Leistungs-
genprozesse aufeinander abstimmen messung 400 V
lassen – smart Power Networks. Das
Monitoring einzelner Applikationen Lastversorgung
bringt zwar schnell erste Ergebnisse,
greift langfristig jedoch zu kurz. ll Bild 2. Blockschaltung einer smart Power
„smart Network Infrastructure“ geht Unit, kurz sPU.
deshalb von einer Gesamtsicht aller
PCAN-PCI
Unternehmensapplikationen aus, bei gesetzt zu werden. In der Automatisie-
Alle Preise verstehen sich zzgl. MwSt., Porto und Verpackung. Irrtümer und technische Änderungen vorbehalten.
der auch der Einsatz von Energie be- rung könnte z.B. durch die Integration CAN-Interface für PCI-Steckplätze.
rücksichtigt wird. Basis ist der Ether- eines Profinet-I/O-Stacks eine klassi- Optional mit galvanischer
net-Standard, da dieser eine barriere- sche I/O-Komponente Energiever- Trennung. Als Einkanal- und
freie Kommunikation und einen brauchsdaten aufnehmen und weiter Zweikanal-Karte erhältlich.
schnellen Datenaustausch aller Unter- verarbeiten. Im weiteren Ausbau könn-
ab 200 €
nehmensapplikationen sicherstellt. ten das Facility-Management-System,
Bei smart Power Networks sind über das z.B. auch der Einkauf von
Anpassungen am vorhandenen Ener- Energie abgewickelt wird, oder auch
gieverteilungssystem nicht notwendig, ERP-Systeme in das smart Power Net-
d.h. die klassische Energieverteilung work integriert werden.
bleibt bestehen. Durch Ethernet-Kom- Um jedoch auf die Fertigungspro-
ponenten werden die Energieflüsse im zesse einwirken zu können, ist Trans-
System jedoch sichtbar: Ethernet- parenz bis hinunter in die Feldebene
SmartFactoryKL in Kaiserslautern
Die SmartFactoryKL ist eine hersteller Lage, kontextbezogene Aufgaben
unabhängige Demonstrations- und selbstständig zu übernehmen und
Forschungsplattform, in der neue autark zu arbeiten (Selbstorganisati
Technologien und deren Einsatz in on). Darüber hinaus ist die SmartFac
einer realitätsnahen industriellen Pro toryKL beliebig modifizierbar und er PCAN-Explorer 5
duktionsumgebung getestet und weiterbar (Flexibilität). Nicht zuletzt
weiterentwickelt werden. In der mo steht trotz steigender Komplexität Universeller CAN-Monitor,
dular aufgebauten Anlage wird auf die nutzerfreundliche Gestaltung der Tracer, symbolische Nachrichten-
tragsbezogen farbige Seife abge Bediensysteme im Vordergrund (Nut darstellung, VBScript-Schnittstelle,
mischt und in Dispenserflaschen ab zerorientierung). Aufgrund steigen erweiterbar durch Add-ins (z. B.
gefüllt. Sie bildet die Vision der Fa der Energiekosten wird zukünftig Plotter & J1939 Add-in).
brik der Zukunft ab. In ihr verbinden auch das Thema Effizienzsteigerung
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sich vielfältige Komponenten ver in Produktionsprozessen in diese
schiedener Hersteller (Vernetzung). Betrachtungsweise mit einbezogen
Intelligente Komponenten sind in der (Energieeffizienz).
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Automatisierung llll Energiemanagement
Schritt auf die Ebene der Anlagen- werden, zu welchem Zeitpunkt und an
und Maschineneinspeisung und auf welcher Stelle Energieverbrauch ent-
die Steuerung der Gebäude- und An- steht.
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Systemsoftware Ethernet lageninfrastruktur wie Lüftung, Heiz- Die SmartFactoryKL (Bild 1) be-
druck und Druckluft. steht aus einem verfahrenstechnischen
Anlagenteil und aus einem Stückgut-
HV Evaluierung in der prozess. Insgesamt wurden sieben
Anlagen- Anlagen- Anlagen- Anlagen-
SmartFactoryKL sPUs in die Energieeinspeisung der
modul 1 modul 2 modul 3 modul 7 Druckluft Anlagenmodule integriert. Neben den
Um anwendungsnahe Erfahrungen in Prozessmodulen wird außerdem die
ll Bild 3. Schematische Darstellung der SmartFactoryKL mit smart die Entwicklung der Produkte einflie- Anlagen- und Gebäudeinfrastruktur,
Power Networks. ßen zu lassen, kooperiert Harting mit z.B. die Luftdruckversorgung in die
Energiedatenerfassung mit einbezo-
gen.
Switch mit Extras
Die sPU (Bild 2) besteht aus den
Funktionsgruppen Ethernet-Switch
mit separatem Steuerausgang und ei-
ner 400‑V-T-Verteilung mit Energie-
messmodul, das über integrierte Stan-
dard-Mess-ICs die Werte von Leis-
tung, Strom und Spannung jeder Pha-
se ermittelt. Die Unit kann in der
Schutzklasse IP 20 in den Schalt-
schrank integriert werden oder wie in
der SmartFactoryKL in IP 54 direkt mit
den Modulen oder Anlagenkomponen-
ten verbunden werden. Jede sPU ver-
fügt über einen 400-V-Ein- und Aus-
gang sowie einen T-Abgang, an dem
ll Bild 4. Mit Hilfe der Systemsoftware wird die Anlagentopologie automatisch generiert und der aktuelle Strombedarf das Anlagenmodul angeschlossen ist.
eines Moduls angezeigt. Die ermittelten Messwerte werden
in der Management Information Base
notwendig, da zumeist das komplette dem DFKI. Dabei werden die Harting (MIB) abgelegt. Die Systemsoftware
Abschalten einzelner Maschinen oder smart Power Units (sPU) in die Smart- greift auf die MIB einer jeden sPU zu
Anlagenteile nicht dienlich im Sinne FactoryKL (Kasten) integriert. Lö- und liest die Werte aus. Entsprechend
der Effizienz und Sicherheit von Pro- sungswege, die das Energiemanage- der Konfiguration wird über die MIB
zessen ist. Mit dem Ziel der Energie- ment aus der Perspektive einer Ein der Steuerausgang gesetzt, mit dem
einsparung macht die singuläre Be- zelapplikation sehen, liefern erste die angeschlossene Last, z.B. Motor,
trachtung etwa eines kleinen Energie- positive Effekte. Langfristig müssen Licht oder Druckluftversorgung, je
verbrauchers keinen Sinn. Harting diese aber zu einer ganzheitlichen Be- nach Bedarf entweder ein- oder aus-
konzentriert
_06WJ8_ifak_EK_23_11.pdf;S: sich deshalb
1;Format:(90.00 x 62.00 im ersten
mm);20. Oct 2011trachtung
15:59:14 führen, die alle Applikatio- geschaltet wird. In der SmartFactory-
nen und Prozesse eines KL
wird über diese I/O-Funktion die
produzierenden Unter- Druckluftanlage entsprechend der
nehmens berücksichtigt. Konfiguration in der Systemsoftware
Ziel dieser Erweiterung für die geplanten Leerzeiten gesteuert.
innerhalb der SmartFac- Aufgrund des systembedingten Ver-
toryKL ist es, eine Über- lustes in der Druckluftversorgung er-
sicht der Energiever- gibt sich ein hohes Einsparpotential.
bräuche zu erhalten, um Bild 3 zeigt die schematische Dar-
daraus geeignete Maß- stellung des smart Power Networks
nahmen zur Energiever- innerhalb der SmartFactoryKL. Jedes
brauchsoptimierung ab- Anlagenmodul wird mit einer sPU
zuleiten und durchzu- ausgestattet, die über die Hauptvertei-
führen. Durch die Inte lung (HV) mit Energie versorgt wird.
gration der sPUs in die Die Verteilung der in der sPU erfass-
Module der Anlage kann ten Daten erfolgt über Standard-Ether-
durch die Energiedaten- net. Alle Anlagenmodule sind seriell
erfassung festgestellt geschaltet. Der zentrale Rechner mit
40 Elektronik 23/2011
Bauteile
Energiemanagement llll Automatisierung
Halbleiter
Komponenten & Geräte
LED
der Systemsoftware liest die Daten In der SmartFactoryKL ist die Luft-
aus. Der Zugriff auf die Daten ist nicht druckversorgung ein zentraler Be-
nur über den zentralen Rechner mög- standteil des Produktionsprozesses
Power
lich, sondern auch über das Internet. und hält auch in nicht produktiven Zei-
Die in den sPUs abgespeicherten ten den Druck im System aufrecht.
Daten werden von der Systemsoftware Die Anlage befindet sich in nicht pro-
über Standard-Ethernet zyklisch abge- duktiven Zeiten, z.B. den geplanten
rufen, abgespeichert und aufbereitet. Pausen, in einem Stand-by-Zustand.
Dadurch sind u.a. prozessabhängige
Analysen möglich, die entsprechende
Alle für einen sofortigen Anlagenstart
notwendigen Funktionen sind am
by MeanWell
energierelevante Optimierungen er- Netz; zum Einschalten der Anlage
lauben. In der Systemsoftware werden werden lediglich der Leitstand und die
nach dem Bootvorgang alle Module Systemsoftware hochgefahren.
mit aktiven SPUs angezeigt, d.h. die
Anlagentopologie wird automatisch Auswertung per
generiert (Bild 4). Durch Auswahl ei- Systemsoftware
nes sPU-Symbols wird z.B. der aktu-
elle Energiebedarf eines Moduls ange- Mit Hilfe der ermittelten Energiedaten
zeigt. in der SmartFactoryKL konnten kon-
Im Leistungsdatenmodus kann zwi- krete Maßnahmen abgeleitet werden,
schen verschiedenen Darstellungswei- aufgrund derer der Wirkungsgrad der
sen ausgewählt werden: Neben einer Anlage gesteigert werden konnte.
aktuellen permanenten Aufzeichnung Der gesamte Energieverbrauch im
aller Verbrauchsdaten im Sekunden- Betrieb der Anlage wird an Modul 1
takt durch die sPUs können auch die erfasst. Die grafische Auswertung
kumulierten Werte sowie eine tabella- durch die Systemsoftware ist in Bild 5
rische Darstellung am Bildschirm auf- zu sehen. Die Kurve zeigt sowohl die
gezeigt werden. Durch eine frei konfi- prozessbedingte Leistungsaufnahme
gurierbare Zeitachse sind u.a. auch im Produktionsbetrieb sowie den
Tages- oder Wochenaufzeichnungen Energieverbrauch durch die Anlagen-
möglich. Im Konfigurationsmenü wer- und Gebäudeinfrastruktur, hier im MeanWell Power Supplies:
den die geplanten Leerzeiten oder auch Beispiel die Luftdruckversorgung. Im • 1.700 Standardtypen ab Lager
Pausenzeiten definiert, wodurch ein Stand-by-Betrieb ist zwar eine redu-
aktives Eingreifen in die Anlagen- und zierte Leistungsaufnahme erkennbar,
• Open-Frame / Medical
Gebäudeinfrastruktur ermöglicht wird. diese beträgt jedoch noch rund 35 % • DIN-Schiene
Damit wird auch sichergestellt, dass der Leistungsaufnahme vom Produk- • Stecker- / Tischnetzteile
nur in produktiven Zeiten die Luft- tionsbetrieb. Aufgrund anlagenbe- • LED-Schaltnetzteile
druckversorgung aktiviert ist. Durch dingter Druckluftverluste bleibt die • DC/DC- und DC/AC-Wandler
die aktive Zustandsüberwachung (Con- Druckluftversorgung auch in geplan-
dition Monitoring) der angeschlosse- ten, nicht produktiven Zeiten aktiv. Distribution by Schukat electronic
nen Module kann durch eine manuelle Bei erneuter Aufnahme des Produkti- • 20.000 Produkte
Vorgabe von kritischen Schwellwerten onsbetriebs ist erkennbar, dass die
• 3 übersichtliche Themen-Kataloge
eine entsprechende Warnmeldung aus- Leistungsaufnahme wieder ansteigt.
gegeben werden (Datenanalyse und Im Vergleich dazu zeigt Bild 6 die • detaillierte Technikinfos
Auswertung). reduzierte Leistungsaufnahme im • günstige Preise
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kW
Modul1 sierten Preisen und Lagerbeständen
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Leistung
Produktions-
Betrieb
Stand-by- Mittelwert
Betrieb Leistungsauf- 011
nahme Stand-by .- 2 4. Nov. 2
N ürnber g 2
Stand
2
380
Halle 4,
Zeit min
Leerzeit
ll Bild 5. Ausschnitt Energieverbrauch in der SmartFactoryKL mit passiver sPU.
S C H U K ATElectronic Distribution
Automatisierung llll Energiemanagement
Kabelkonfektion &
fe in die SPS-Programme
kW werden zum jetzigen Zeit-
Modul1 punkt bewusst nicht durch-
geführt, da die SPS-Pro-
gramme ausgetestet und
Leistung
zum Teil zertifiziert wur-
Produktions- den. Änderungen in den
Betrieb SPS-Programmen werden
daher nicht gewünscht.
Stand-by- Mittelwert
Betrieb Leistungsauf-
nahme Stand-by Anlagenmodule
gezielt einsetzen
������
Zeit min
Leerzeit
Schaltintervall der sPU Konkrete Energieeinspa-
rungen lassen sich mit smart
ll Bild 6. Ausschnitt Energieverbrauch in der SmartFactoryKL mit aktiver sPU. Power Networks realisieren,
rt e r das hat die Evaluierung in
A u to ri s ie
D is tr ib u
to r Stand-by-Betrieb durch das im Pausen- der SmartFactoryKL gezeigt. Diese
management festgelegte Schaltinter- durchgeführten Maßnahmen beziehen
vall. Geplante Leerzeiten werden defi- sich im ersten Schritt auf Gebäude-
niert und prozessunabhängige Verbrau- und Anlageninfrastruktur. Die Ener-
���� �������� cher wie Druckluftversorgung und giedaten werden automatisch erfasst,
������������
Beleuchtung gezielt abgeschaltet. Deut- ausgewertet und in Aktionen umge-
����� ������������ lich zu erkennen ist, dass die Druck- setzt. Ein Vorteil ist die gesteigerte
��� ��������� luftversorgung während der Leerzeiten Transparenz durch die Darstellung
abgestellt ist und erst kurz vor dem aller energierelevanten Daten im Sys-
����� ������������
Produktionsbetrieb wieder aktiviert tem. Energiekosten ließen sich durch
��������� ���
�������������� wird, um die Anlagenverfügbarkeit so- ein Pausenmanagement reduzieren,
fort nach einer Pause zu gewährleisten. die Wirtschaftlichkeit einer Anlage
������� ��� ������ Dabei kann die Leistungsaufnahme im durch einfaches Monitoring von Ener-
������� ��� �� ��� Schaltintervall alleine durch das geziel- gieverbräuchen und daraus abzuleiten-
������� te Abschalten der Druckluftversorgung den Maßnahmen erhöhen. In einem
�� ����� ���������� um 30 % reduziert werden. zweiten Schritt werden künftig die
��������� Im vorliegenden Fall werden aus- Informationen des smart Power Net-
schließlich Einsparmaßnahmen be- works zur Optimierung der Automa-
������������������ rücksichtigt, die die Anlage- und Ge- tisierung und damit des Prozesses
����������� bäudeinfrastruktur betreffen. Eingrif- eingesetzt. ag
����������
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������������ �����
����� ���� � � �� �� ��
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John Witt Mathias Schmitt
studierte Elektrotechnik und später Betriebs- studierte Wirtschaftsingenieurwesen mit der
������ ���� wirtschaft an der Universität zu Köln. Seit Fachrichtung Maschinenbau an der Techni-
������������������� � 2009 ist Herr Witt als Manager Power Net- schen Universität in Kaiserslautern. Seit März
����� ���������� works bei der Harting Technologiegruppe in 2011 ist Herr Schmitt wissenschaftlicher Mit-
����� ��� �� � �� ���� Espelkamp tätig und beschäftigt sich dort un- arbeiter am Deutschen Forschungszentrum für
���� ����� � �� ����� ter anderem mit der Entwicklung und Umset- künstliche Intelligenz (DFKI) in Kaiserslautern
��������������� zung von innovativen Konzepten der passiven und beschäftigt sich dort im Bereich Innovati-
und aktiven dezentralen Energieverteilung ver Fabriksysteme unter anderem mit der Ent-
����������������
und Energieeffizienz in der Industrie. wicklung von innovativen Bedienkonzepten
John.Witt@Harting.com im industriellen Umfeld.
Wir stellen aus: Mathias.Schmitt@dfki.de
SPS Nürnberg, Halle 6, Stand 157
42 Elektronik 23/2011Sie können auch lesen
