Energieeffizienz ist Kernkomponente

Die Gesetzeslage fordert er schon jetzt: Energiedatenerfassung. Damit wird Energiemanagment zu einem Schlüsselfaktor der Industrie 4.0. Phoenix Contact

Mit der Anpassung des Gesetzes über Energiedienstleistungen und andere Energieeffizienzmaßnahmen (EDL-G) wurde die EU-Energieeffizienzrichtlinie in nationales Recht umgesetzt und am 22. April 2015 in Kraft gesetzt. Die Anwendung des EDL-G soll das ehrgeizig gesteckte Ziel, die Energieeffizienz in Deutschland zu erhöhen, möglich machen. Neu an der jetzt gültigen Fassung ist, dass alle Nicht-KMU-Unternehmen (Kleine und Mittlere Unternehmen) dazu verpflichtet sind, ein Energie-Audit durchzuführen – unabhängig von ihrer Branche und ihrem Tätigkeitsbereich. Abgesehen von einigen wenigen im EDL-G beschriebenen Ausnahmen müssen somit sämtliche Unternehmen mit mehr als 250 Mitarbeitern oder mit 50 Millionen Euro Jahresumsatz und mehr als 43 Millionen Euro Jahresbilanzsumme bis zum 5. Dezember 2015 ein entsprechendes Erst-Audit vornehmen. Grundlage des gesetzlich verlangten Energie-Audits ist das Erfassen von mindestens 90 % des gesamten Energieverbrauchs eines Unternehmens durch geeignete Messverfahren und das nachvollziehbare Aufzeichnen der Daten über einen Zeitraum von zwölf Monaten. Die Analyse der aufgenommenen Daten soll ein aktives Energie- und Lastmanagement bei ausgewiesener Wirtschaftlichkeit ermöglichen.

Informationen über den Ressourcen- und Energiebedarf von Cyber-physikalischen Systemen. Phoenix Contact

Lastenheft legt Kennwerte des Energie- und Ressourcenbedarfs fest

Anwender im produzierenden Gewerbe sehen sich folglich mit dem Aufgabe konfrontiert, geeignete Systeme zum Energie- und Lastmanagement in ihre zukünftig gemäß Industrie 4.0 umgesetzten Automatisierungskonzepte zu implementieren – und damit in ihre Cyber-physischen Systeme (CPS).

Der erste wichtige Schritt in Richtung Energiedaten-Erfassung ist, die Struktur der Zustandswerte um Energiemesswerte zu erweitern – beispielsweise um die Strom- und Leistungsaufnahme. Deswegen muss bei der Planung und Umsetzung eines CPS im Lastenheft festgelegt sein, welche Kennwerte in den unterschiedlichen Betriebszuständen notwendig sind, um den jeweiligen Energie- und Ressourcenbedarf zu charakterisieren. Sollte das Errechnen mit den Daten der eingesetzten Sensoren und Aktoren nicht möglich sein oder die erforderlichen Messwerte nicht vorliegen, muss der Anwender zusätzliche Messgeräte und Zähler im CPS installieren. Deren Daten sind dann an der Schnittstelle des CPS zur Verfügung zu stellen.

Ausgehend vom Lösungsansatz, dass das intelligente Produkt als digitaler Artikel beschrieben ist, es also eine virtuelle Repräsentanz hat, können die Energiekennwerte jedes einzelnen Artikels zukünftig ein Teil dieser Beschreibung sein. So lassen sich Aussagen über den Ressourcenbedarf während des gesamten Lebenszyklus eines Produkts treffen. Außerdem erlaubt die Analyse der Daten neue Aussagen und Empfehlungen im Hinblick auf eine ressourcenoptimierte Produktion.

Cyber-physikalische Systeme erfassen den Energie- und Ressourcenbedarf. Phoenix Contact

Energiemanagement-Konzept für die Ab- und Einschaltstrategie

In Automatisierungskonzepten verfügt in der Regel jede autonome Bearbeitungsstation über eine eigene SPS, welche die lokalen Funktionen der Station steuert. Das übergeordnete Leitsystem kennt den aktuellen Auslastungsgrad der Anlage sowie den derzeitigen Bearbeitungsstand der gefertigten Produkte. Soll eine bedarfsgerechte Verwendung der Anlagenteile den Energieeinsatz und die Produktionskosten senken, ohne die Produktivität negativ zu beeinflussen, erfordert dies ein Energiemanagement-Konzept. Das Konzept muss eine Ein- und Abschaltstrategie enthalten. Das Leitsystem überblickt dabei die aktiv gemeldeten Prozessstationen und kann die Eigenschaften-Beschreibung der Bearbeitungsstationen auslesen.

Zu den Daten, die zur Auswahl der Aus- und Einschaltstrategie benötigt werden, zählen die schaltbaren Betriebszustände und deren jeweiliges Energieniveau, die zugehörigen Transitionsbedingungen und -zeiten sowie die gegenseitigen Abhängigkeiten der Anlagenteile und -komponenten.

Den Kern des Energiemanagement-Konzepts bildet dabei eine Instanz, welche die Aus- und Einschaltstrategien auf Basis der notwendigen Produktionsschritte anwählt. Zu diesem Zweck müssen Daten über diese Produktionsschritte der digitalen Artikelbeschreibung entnommen werden. Das Problem besteht darin, eine ausgeschaltete Prozessfunktion automatisch so zeitgerecht wieder hochzufahren, dass sie zum geplanten Zeitpunkt produktionsbereit ist.

Betriebszustands-Diagramm für energieeffiziente Cyber-physikalische Systeme. Phoenix Contact

Analysen definieren verschiedene Betriebszustände

Auf der Grundlage der praktisch durchgeführten Energiebedarfsanalyse eines Produktionsprozesses und des Erfahrungsaustausches mit den Produktionsverantwortlichen lassen sich aus Sicht der prozessführenden Instanz der Station vier Betriebszustände ableiten: Produktion, Produktionsbereit, Betriebsbereit und Aus. Im Zustand Produktion befinden sich alle Prozessstationen des CPS im Nennbetrieb. Die Anlage fertigt. Bei Produktionsbereit wartet die Prozessstation auf den nächsten Artikel und wechselt verzögerungsfrei in den Betriebszustand Produktion. Diesen Wechsel steuert die prozessführende Instanz. Betriebsbereit ist die Station, wenn aufgrund der digitalen Beschreibungen der herzustellenden Artikel zu erkennen ist, dass der Betriebszustand Produktionsbereit über einen kürzeren Zeitraum nicht benötigt wird. Daher nehmen die Prozessstationen den Betriebszustand Betriebsbereit ein und senken ihr Energieniveau ab. Der Betriebszustand Aus wird durch das übergeordnete MES veranlasst, wenn das CPS bei langen Fertigungsunterbrechungen – beispielsweise an Wochenenden – nicht zum Einsatz kommt. Voraussetzung für den Wechsel in diesen Betriebszustand ist, dass das CPS nach Vorgaben der Produktionsplanung und automatisch wieder in den Zustand Produktionsbereit versetzt werden kann.

SPS IPC Drives 2015 – Halle 9, Stand 310

(mf)