mehr transparenz im unternehmen durch effizientes...
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© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.
Mehr Transparenz im Unternehmen durch effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Frank LubnauSiemens AG
Hannover Messe 2011, Hannover
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 2 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieverbrauch
Industrie 47 %
Verkehr 3 %
Haushalte 27 %
Gewerbe, HandelDienstleistung 23 %
Der Anteil der Werkzeugmaschine am Energiebedarf kann je nach Unternehmen bis zu 68 % betragen
Auf die Industrie entfällt ca. 47 % des Stromverbrauchs in Deutschland
Quelle: VDEW 2004
Energieeffiziente Komponenten sind verfügbar, aber: Komponenten werden häufig überdimensioniert Komponenten werden nicht energieeffizient gesteuert und geregelt Ineffiziente Nebenaggregate haben einen hohen Einfluss
Werkzeugmaschinen 68 %
Strom (Beleuchtung) 10 %Heizung/Kühlung 6 %
Druckluft 16 %
Quelle: Fertigung Juli/August 2007
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 3 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Quelle:PTW Darmstadt
Ungeplante Instandsetzung
Energiekosten
DruckluftkostenRaumkosten
Kapital-bindungs-
kosten
Maschinen-beschaffung
Wartung & geplante Instandsetzung
Bewertung des Potenzials zur Erhöhung der Energieproduktivität4 %5 %
5 %
17 %
15 %
20 %
34 %
Individuelle Bewertung für Maschinen und Technologien ist notwendig
Anwendung für die WerkzeugmaschinePotenzial der Energieeffizienz im Lebenszyklus einer WZM
Energiekosten prägen TCO
Energieeffizienz ist der dritter Faktor neben Verfügbarkeit und
Produktivität
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 4 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Ganzheitlicher Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz„Kontinuierliche Verbesserung“
verborgenes Energiesparpotenzial erkennen
Energieflüsse identifizieren Energiemonitoring Systeme
Kalkulationstools
Produkte und Lösungen
Einspar-potenziale ermitteln
Konkrete Maßnahmen
Betrachtung der gesamten Lebenszyklus-kosten
zur Realisierung der Energiesparpotenziale
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 5 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Möglichkeiten: Vergleich unterschiedlicher
Antriebssysteme Energieoptimale Auslegung
des Antriebsstranges Reduzierung der bewegten
Masse ohne signifikante Veränderung der Eigen-schwingungen
Effekt: Optimierung der Antriebs-
komponenten und des Energieverbrauchs
Energieeffizienz durch Mechatronic Support
A-Achsen Ständer
Y-Schlitten
Hauptspindel
Z2--Achse
Bett
Achse-GehäuseB-Rotor
Z1-Achse
X1-Schlitten
X2--Schlitten
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 6 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Beispiel Mechatronic Support: Energieeffiziente Bewegungsführung bei Servopressen
Optimaler Energiespeicher Optimale Bewegungsprofile
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 7 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Leistungsverteilung in Werkzeugmaschinen – heute
Beispielmessung Allg. Studie
Technische Daten:Drehautomat INDEX C100Typische Bearbeitungs-leistung: 16 kWSpindel: 7000 min–1 bei 50 Nm
Eingangs-leistung
SpänefördererElektronikDruckluft
Spindel- 30 %
Kühlmittel-anlage- 20 %
Kühlung- 15 %
Antriebe- 12 %
Hydraulik- 11 %
88 %
100 %
Quelle: VDW, Index 2008
Neben-aggregateund Verluste
25 %
75 %
Prozess-leistung
Quelle: FhG 2008
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 8 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieverbrauch einer Werkzeugmaschinebei der Fräsbearbeitung
KPIs
Blindarbeit
Spitzenlast
Grundlast
Energieverbrauch ist abhängig von Maschine, Auslastung, Dynamik, Zustand
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 9 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Übergreifende Ressourcenkompetenz schaffenals abgesicherte Basis für Produktentwicklung
Wissensvermittlung, Akzeptanz schaffen
Visualisieren des Energieverbrauchs Projektdemonstratoren Dokumentationen und
Veröffentlichungen
Dynamische Momentan-leistungsmessung Empirische Auslegungs-
kriterien
Überdimensionierung vermeiden
Intelligentes Energie-management
Last intelligent ermitteln Angepasste Standby-
Konzepte Bedarfsorientierte
Regelungsstrategien
BMBF Projekt EWOTeK: Zielstellung und Lösungsansätze
BKWKnoll
RexrothBosch Group
SiemensIndex
Heller WZLRWTH Aachen
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 10 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Maschinenintegrierte Energieerfassung undVisualisierung
Energieerfassung mit Sentron PAC 4200
PROFIBUS DP
3AC
Nichtelektr.Sensoren
Sentron PAC 4200Industrial Ethernet
Energieverbrauchsanzeige *)
*) Kundenspezifische Lösung basierend auf 840D-sl-Programmierpaket
beliebiger Verbraucher
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 11 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Mögliche Schritte zur Primärenergieeinsparung
EinsparungPrimärenergie
Nötiger Aufwand und Investitionen
Hoh
e zu
sätz
liche
Ei
nspa
rung
Ger
inge
zus
ätzl
iche
Ei
nspa
rung
Nicht benötigte Verbraucher (Antriebe) abschalten
Teillastverhalten durch drehzahl-veränderlichen Antrieb optimieren
Wirkungsgradder Antriebe optmieren
Schritt 1:hoher Nutzen bei geringem Aufwand unbedingt tun
Schritt 2:mittlerer Zusatznutzen bei mittlerem Aufwand auch sinnvoll
Schritt 3:nur noch geringer Zusatznutzenbei hohem Aufwand nur bei dringendem Bedarf
Geringer Aufwand Hoher Aufwand
Nutzen: Geringere Betriebskosten + Grünes Image
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 12 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Für Bearbeitungsachsen Energieeffiziente Umrichterkomponenten Sinamics
mit Wirkungsgraden zwischen 97 und 99 % Im System optimierte Motoren mit Wirkungsgraden
zwischen 81 .. 92 % (asynchron) und 88 .. 94 % (synchron) Optimale Projektierung mit SIDIM und Sizer
Energieeffiziente Produktpalette bei Siemens Motion Control Systems
Für Nebenaggregate Energiesparmotoren 1LE nach
Wirkungsklasse IE2 mit Wirkungsgraden bis zu 97 % Frequenzumrichter SINAMICS für
drehzahlgeregelten Betrieb der Motoren SinaSave für die optimale Produktauslegung
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 13 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieeffizienz bei Motorspindeln
Ersparnis:432 Euro/Jahr** bei 6 ct/m³ Druckluftkosten
Ersparnis:1440 Euro/Jahr** bei vier Lagerstellen/Spindel
Öl-Luft-Schmierung Fett-Nachschmierung
Sperrluftdichtung Bürstendichtung
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 14 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieeffizienz bei Motorspindeln – Flussabsenkung
Leerlaufmessung bei 15.000 min–1
mit FlussabsenkungMittlere Verlustleistung 12,820 kWs / 92,477872 s = 138,6 W
Leerlaufmessung bei 15.000 min–1
ohne FlussabsenkungMittlere Verlustleistung 42,722 kWs / 92,38607 s = 462,4 W
Weniger Energieverbrauch durch Flussabsenkung für Asynchronmotoren bei reduziertem Drehmomentbedarf im Teillastbereich
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 15 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieeffizientes System Schaltausrüstung Energiekreisläufe / Simulation
Die entstehende Verlust-leistung wird vom Umrichter nicht in die Produktionshalle abgegeben, sondern anderweitig genutzt.
20- 30 % 20- 30 %20- 30 %100 % 70- 80 %
70- 80 %über Wasser70- 80 %
über Wasser oder Konvektion
Interne Luftkühlung
Externe Luftkü hlung Cold Plate
Schaltschrank-Komponenten
Schaltschrank-Komponenten
Schaltschrank-Komponenten
Schaltschrank-Komponenten
? ? ? ?
Durch Analyse der Energiekreisläufe und thermische Simulation wird die Verlustleistungim Schaltschrankreduziert.
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 16 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieverbrauch in einer Fabrikhalle –Beispiel aus Automobilindustrie
Energieverbrauch im Stand-by-Betrieb In Stillstandszeiten
(Wochenenden, Nacht,…)wird Energie verbraucht
Beispiel: Powertrain-Werk
Produktion 45 MW / ohne Produktion > 10 MW !!!
> 20.000 MWh bei 2.000 Stillstandsstunden
> 1.100.000 EUR Energie-kosten (55 EUR / MWh)
Reduzieren des Energieverbrauchs im Stand-by-Betrieb bedeutet: Gesteigerte Energieproduktivität Weniger Energieverbrauch je produziertem Auto
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 17 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieeffizienz durch Stand-by-Strategien
Umsetzung der Betriebsarten 0 – Aus / Power off 1 – Stand-by-Betrieb 2 – Fertigungsbereitschaft 3 – Produktivbetrieb
Zuordnung von zu schaltenden Komponenten und Aggregaten zu den Betriebsarten durch den OEM und Definition der Randbedingungen
Entscheidend:Wie schnell kann Maschinengenauigkeit nach längeren Stillstandszeiten erreicht werden?
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 18 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
PROFIenergy – Definition und Randbedingungen
PROFIenergylegt fest
Protokollabwicklung
Transportmechanismen
Steuerschnittstelle
Statusfunktionen
Definition:
PROFIenergy ist eine auf PROFINET basierende Datenschnittstelle, die es erlaubt, hersteller- und geräteunabhängig Verbraucher koordiniert und zentral gesteuert in Pausenzeiten abzuschalten.
Anwender / Anlagenbauer
Koordination der Aus-und Einschaltreihenfolge
Freigabesignale für den Prozess
Geräte- /Systemhersteller
Implementierung in die Devices
Bausteine zur Hantierung von PROFIenergy
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 19 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Use Cases / Funktionen von PROFIenergy
Abschalten in ungeplanten Pausen
Zeitpunkt und Dauer der Pause sind unbekannt
Abschalten in kurzen Pausen Optimiertes Energiesparen bei schneller Verfügbarkeit
Auslesen von Messdaten Viele Geräte erfassen implizit die Energie (z. B. FUs)
Abschalten in langen Pausen Maximales Energiesparen
PROFIenergy hebt ein bislang nicht genutztes Sparpotenzial!
Basis für ein aktives Energiemanagement, wie z. B. Teillastbetrieb und Vermeiden von Lastspitzen
betriebsbereit
Energiesparmodus n
Energiesparmodus 2
Energiesparmodus 1
aus
1 min
5 min
60 min
3000 W
2500 W
2000 W
50 W
Schaltfunktionen
Messfunktionen
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 20 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
PROFIenergy
Vergleich konventioneller Lösungen mit PROFIenergy
Manuelles Schalten: Zeitaufwändig Hochlauf unzuverlässig Oft nur ein Hauptschalter
Einsatz externer Hardware Kostet Platz und Geld Engineering und Wartung erforderlich Individuelles Programm
Konventionelle Lösung
Kostenersparnis durch Wegfall Hardware / Verdrahtung Energieeinsparung auch in kurzen Pausen durch
selektives Schalten Hohe Anlagenzuverlässigkeit durch koordiniertes
Schalten Investitionsschutz durch einfache, rückwirkungsfreie
Einbindung in bestehende Standards Freie Geräteauswahl durch herstellerunabhängigen
Standard
Controller HMI
Dezentrale Peripherie
Motion Control & Drives
DC24V
Zusatzhardware für Energiemanagement
Controller HMI
DezentralePeripherie
Motion Control & Drives
DC24V
Controller HMI
DezentralePeripherie
Motion Control & Drives
DC24V
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 21 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
PLM-Prozess beim Werkzeugmaschinenbauer und Endanwender
Endanwender
Machine Tool Builder (OEM)
Systems
Engineering
Concept
Design
MCAD/ECADAutomation
Design
VirtualCommissioning/Commissioning
Training / Virtualtry out of part Service
Production
Commissioning
of part
1 2
Dat
a &
P
roce
ssM
anag
emen
t
MechatronicsConcept Designer
VirtualCommissioning
Virtual MachineSinutrain Sinumerik
Sinumerik Manufacturing
Excellence
wm6
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 22 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Mechatronics Concept Designer
Produkteigenschaften Bewertung von Konzeptalternativen auf
Basis eines funktionalen SE-Ansatzes Physiksimulation basierend auf
“Spieletechnologie” Definition von Maschinenverhalten und
logischem Steuerungsverhalten Unterstützung von Wiederverwendung
durch modulare Bibliothekselemente
Kundenvorteil Sicherheit durch bewertete Konzepte Beschleunigung der Entwicklung in den
DisziplinenMechanical
designDimen-sioning
Motion Control
Electricaldesign
Concept3D-geom.
Load curve3D-geom.
ElectricalBOM
CAMsequence
wm7
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 23 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Bewertung der Energieeffizienz im Projektierungstool Sizer
Heute: Umfassende Projektierungs-
möglichkeiten durch vielfältige Motorprojektierungen von einfacher Motorauswahl bis hin zu mechanischen Systemen und durch die Auswahl anwendungsorientierter Antriebs- und Steuerungslösungen.
Morgen: Integrierte Wirkungsgradberechnung f(Last, n) Berechnung der Verlustleistung und des
Energieverbrauchs für konkrete Profile
Effekt: Vermeidung von Überdimensionierung Bewertung des Energieverbrauchs bei
unterschiedlichen Verfahrprofilen
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 24 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
BMBF-Projekt „eSimPro“:Konzept der Simulation von Energieaspekten
Ein- und Ausgangsgrößen des Simulationsmodells
Quelle: PTW Darmstadt
Simulationsmodell-K-
-K-
vdq
M_ load
theta_ mech
idq
xd M*
du/dt
idq*idqwm
vdq *
M*
wm idq*
z. B. aus Produktdatenbank
„ePLAN“ oder manuelle Eingabe
Parametrierung
Bauteil NC-Code Führungs-größen
ProzesskräfteVisualisierung desEnergiebedarfs
z. B. aus Schnittkraftmodell Kienzle / Victor
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 25 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Steuerung und Kontrolle des FertigungsprozessesManufacturing IT
Effiziente Produktionssteuerung
Aufträge NC-ProgrammeWerkzeuge
AktuelleProduktionsinformationen
Analyse OEE Analyse Ressourcen Dokumentation
Integration von Nutzern, Informationen und Prozessen im RegelkreisManufacturing IT
Waren-eingang
Waren-ausgang
Ersatz-teillager MontageMechanische Fertigung
Werkzeuge QS AV/Planung ITFertigungs-
leitungInstandhaltungMeister
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 26 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Manufacturing IT Maschinendatenerfassung und -auswertung – MDA
Funktionalität Maschinendatenerfassung und -auswertung Anlagen-Monitoring Verfügbarkeitsanalysen Störgrundanalysen Stückzahlauswertungen Taktzeitauswertungen Gesamtanlageneffizienz (OEE-Kennzahlen) Alarm- und Meldungserfassung Alarmstatistiken Protokolle und Individualauswertungen
Kundennutzen Ermittlung von Optimierungspotentialen aufgrund
deutlich gesteigerter Transparenz Gezielte Analysen vermeiden Störungen und führen
zu längeren Maschinenlaufzeiten Steigerung der Verfügbarkeit und Produktivität
0
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 27 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energiemanagement und Condition Monitoring am Beispiel der Schalt- und Schutzgeräte
Neben Messgeräten können auch kommunikationsfähige Schalt- undSchutzgeräte übergeordnete Management-Level mit Messdaten versorgen
Condition MonitoringStation
Strom- und Spannungswerte,
Phasenwinkel usw.
Verbrauch Diagnose
Lastmanagem
ent
(Aktorbefehl)St
rom
- und
Spa
nnun
gswe
rte,
Phas
enwi
nkel
usw.
War
tung
sman
agem
ent
(Akto
rbef
ehl)Energy Management
Station
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 28 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Energieeffizienz und Condition Monitoring
ePS Network Services unterstützen: Energie-Monitoringprozesse Condition Monitoring Instandhaltungsprozesse
Plattform für firmenüber-greifende Serviceprozesse.
Die Dienste sind darauf ausgerichtet, die Produktivität und die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen zu steigern.
Luftverbrauch
Energieverbrauch
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 29 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Siemens Industry –The Green Automation Company ...
© Siemens AG 2011. Alle Rechte vorbehalten.Industry SectorSeite 30 Effizientes Energiemanagement und Condition Monitoring
Zusammenfassung
Je weiter weg vom Endkunden, desto wichtiger ist die Energieeffizienz des einzelnen Produkts
Je näher am Endkunden, desto wichtiger wird die Effizienz der gesamten Anlage …
… desto stärker kommt das gesamte Automatisierungssystem ins Spiel
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Gibt es noch Fragen?
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Frank LubnauSiemens AG
Benzstr. 171272 Renningen
Telefon: +49 7159 165 583Mobil: +49 172 1055036
E-Mail: frank.lubnau@siemens.com
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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