Energiedatenerfassungs- und visualisierungssysteme in der Fertigung

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1 Energietechnik-Kompetenz sächsischer Unternehmen Energiedatenerfassungs- und -visualisierungssysteme in der Fertigung Prof. Dr.-Ing. Rolf Hiersemann, VDI Hiersemann Prozessautomation GmbH Tuchschererstr. 4 a Chemnitz 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 1

2 Gliederung 1. Energieeffizienz 2. Energiedatenerfassung 2.1 Möglichkeiten der Energiedatenerfassung 2.2 Traditionelle Energiedatenerfassung 2.3 Langfristige Energiedatenerfassung 2.4 Kurzfristige Energiedatenerfassung 2.5 Anforderungen an Energiemonitoring-Systeme 2.6 Zentrale Datenbasis 3. Mobile Energiedatenerfassung 3.1 Gerätetechnische Basis 3.2 Funktionen der Software 3.3 Datenübernahme aus mobiler Erfassung 4. Integration Energiedatenmonitoring in Leitsysteme 4.1 Energiedatenintegration 4.2 Energieverbrauchssteuerung 4.3 Anlagenbetrieb-Regime 4.4 Grenzen von Energiemonitoring 4.5 PROFIenergy - normierte Steuerungsstrategie 5. Zusammenfassung und Ausblick 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 2

3 1. Energieeffizienz Motivation: steigende Energiekosten Verknappung von Ressourcen gesetzliche Auflagen zur Verringerung von CO 2 -Emissionen Energieeffizienz: Erreichen eines gewünschten Nutzens mit optimalem Energieeinsatz bedachter Einsatz und Überwachung von Versorgungsenergien 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 3

4 2. Energiedatenerfassung Zusammentragen von verteilten Informationen über Energieverbrauch Erfassung von Energiemehrverbrauch Identifikation von Spitzenlastverbrauchern Komponenten der Energiedatenerfassung: Hardware Software 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 4

5 2.1 Möglichkeiten der Energiedatenerfassung Zeitraum und Periode: langfristig: (Monate/Jahre) einmal pro 15 Min kurzfristig: (Tage/Stunden) mehrmals pro Sekunde Informationsquellen: Auslesen von Anlagensteuerungen Installation von Messaufnehmern zentrale Datenbasis Energiemonitoringsysteme Erfassungsort: Einspeisung (Summenerfassung) Unterverteilungen an jeder Anlagenkomponente (Geräteebene) 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 5

6 2.2 Traditionelle Energiedatenerfassung manuelles Ablesen von Energiezählern digitale, fernauslesbare Energiemessgeräte mögliche Übertragung: S0 - Schnittstelle M-BUS LON Ethernet Metering-Bus: Übertragung über Zwei-Drahtleitung M-Bus-Konverter auf RS 232 oder TCP-IP Erfassung einmal pro Minute möglich Erfassung verteilter M-Bus-Zähler erheblich länger 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 6

7 2.3 Langfristige Energiedatenerfassung Periode: 1 bis 15 Min über mehrere Jahre Erfassung für Energieversorger Festlegung von maximaler Bezugslast und Energietarif Vorteile: Datenmenge handhabbar Erfassung von Betriebszuständen Nachteile: keine Identifikation von Lastspitzen keine Information über Maschinentakt große Datenmenge über längeren Zeitraum 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 7

8 2.3 Langfristige Energiedatenerfassung Client-Server-Architektur Benutzeroberfläche als Java-Applet innerhalb des Browsers stationärer und mobiler Einsatz 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 8

9 2.4 Kurzfristige Energiedatenerfassung Periode: Erfassung im Bereich < 1 Sekunde Vorteile: Identifikation von Lastspitzen hochauflösende Aufzeichnung eines Maschinentaktes Verknüpfung mit Informationen über Anlagenstatus und mit Ereignissen Nachteile: - sehr große Datenmenge - hoher Auswerte- Aufwand Ziel: hochauflösende Messungen über mittleren Zeitraum 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 9

10 2.4 Kurzfristige Energiedatenerfassung Datenerfassung in einer KTL-Anlage [Bildquelle: Iveco] Anlagensteuerung Bereich Logistik KTL - Tauchlackieranlage: ca digitale E/A ca. 100 Feldbusknoten 30 Frequenzumformer / Servoregler 25 hochauflösende Sensoren 50 Sicherheitssensoren 18 technologische Einheiten. 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 10

11 2.5 Anforderungen an Energiemonitoringsysteme Energiedatenarchivierung und visualisierung Stationärer oder mobiler Einsatz Performante Software mit leistungsfähiger Datenbank Aufzeichnung und Archivierung über mehrere Jahre Funktionsumfang: Archivierung von Energiedaten in Datenbank Anzeige von Energiedaten nach den Kriterien Messgröße, Zeitraum, Periode und Darstellungsform Berechnung statistischer Werte Generierung von Berichten Alarmierung bei Grenzwertüberschreitungen Parametrierbare Korrelationsfunktionen 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 11

12 2.6 Zentrale Datenbasis Leitsystem A Datenbank als zentrale Basis für Leitsysteme und Energiemonitoring Energiemonitoring- System Leitsystem B Selbstständiges Schreiben der Messwerte in die Datenbank durch die Steuerung Aktionen Befehle Sollwerte Energiedaten Datenbank Aktionen Befehle Sollwerte Grundlage für Befehle und Sollwerte an die Steuerungen Anlagensteuerung Kommunikation Aktoren Sensoren 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 12

13 3. Mobile Datenerfassung ENDAV mobile Tragbarer Messkoffer mit Energiemessgerät für Anschluss verschiedener Messwandler PC / Laptop mit SQL-Datenbank und Aufzeichnungssoftware Messwandler mit verschiedenen Anschlussmöglichkeiten 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 13

14 3.1. Gerätetechnische Basis Energiedatenerfassung mit multifunktionalen Messgeräten Erfassung von Energieverbrauchswerten zur Identifizierung von Energiesparpotenzialen durch Erfassung des Ist-Zustandes. Digitalisierung von Phasenströmen und -Spannungen in 3-phasigen Energienetzen. Messen von elektrischen Größen Strom (momentan bis 32 A) Spannung (bis 400 VAC) Netzfrequenz Wirk-, Blind-, und Scheinleistung Formfaktor cos Phi 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 14

15 3.2 Funktionen der Software Projektierung mittels Projektexplorer Jedem Projekt können mehrere Messpunkte mit unterschiedlichen Messgrößen zugeordnet werden. Die Aufzeichnung der Messwerte kann in einem variablen Intervall manuell oder automatisch zu bestimmten Zeitpunkten gestartet oder beendet werden. 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 15

16 3.2 Funktionen der Software Projektierung mittels Projektexplorer Jedem Messpunkt ist ein Messgerät zugeordnet, mit welchem die Energiedaten erfasst werden. 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 16

17 3.2 Funktionen der Software Energiedatendarstellung Darstellung der aufgezeichneten und ausgewählten Messgrößen in Tabellenform. Die angezeigten Daten können als CSV-Datei exportiert werden. 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 17

18 3.2 Funktionen der Software Energiedatendarstellung Darstellungsform Diagramm 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 18

19 3.3 Datenübernahme aus ENDAV mobile Datenexport in Langzeit-Monitoringsystem HP-EndaV Export in die Energiedaten- Visualisierung HP- EndaV mittels CSV-Datei 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 19

20 4. Integration Energieeffizienz in den Leitstand Leitstand fungiert als Bindeglied zwischen Unternehmensleit- und Feldebene Integration von: Energieverbrauchsdaten Energieverbrauchssteuerung Anlagen-Betriebsregimes 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 20

21 4.1 Energiedatenintegration Energiemonitoring Variablenverlauf mit Gradientenauswertung und Grenzwerterfassung Archivierung von energiebezogenen Störungen und Meldungen Anzeige von Grenzwertverletzungen der Energiedaten 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 21

22 4.2 Energieverbrauchsteuerung Verbrauchssteuerung mittels Arbeitszeitmodell Schicht- und Pausenzeitsteuerung Abschalten nicht benötigter Komponenten in Pausen und produktionsfreien Zeiten Gestaffeltes Hochfahren bei Produktionsbeginn 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 22

23 4.3 Anlagen-Betriebregime Energetisch optimierte Betriebsmodi Modus Energieeffizienzbetrieb Abstimmung von Taktzeiten und Energiebelastungen Optimierung der Ausführung technischer Prozesse auf günstige Tarife 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 23

24 4.4 Grenzen von Energiemonitoring Erfassungsperiode Spezifika Anlagensteuerungen 1 Sekunde für Taktzeitoptimierung Ablaufprozesse innerhalb einer Station sind zu koordinieren Leitsysteme 1 Minute für Aggregatauswahl mehrerer Stationen einer Anlage sind zu koordinieren, gezieltes De- /Aktivieren Energieversorger 15 Min für Abrechnungsmodell Datenübermittlung gemittelter Werte, Spitzenlasterkennung, Berechnungsmodelle 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 24

25 4.5 PROFIenergy Energiemanagement-Protokoll der Profibus Nutzer-Organisation e.v. (PNO) für PROFINET: Einheitliches Ansprechen von Energiesparfunktionen Protokoll basiert auf 4 typischen Anwendungsfällen 1. Abschalten während Betriebspausen 2. Abschalten während produktionsfreier Zeit 3. auslastungsabhängige Maschinensteuerung 4. Pausieren von Nebenprozessen bei drohender Lastspitze Steuerung PROFINET Hochlaufzeit Gerät Pausenzeit Einschaltbefehle 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 25

26 5. Zusammenfassung und Ausblick Energieeffizienz ist wirtschaftliche Notwendigkeit und zunehmend Wettbewerbsfaktor Energiedatenerfassung zur Analyse des IST-Zustandes ist erster Schritt zur Besserung Portable bzw. mobile Datenerfassungssysteme unterstützen die Optimierung der Energieverbrauchskurven von Maschinen und Anlagen Zur Integration von Energiemonitoring-Funktionen in Anlagenleitstände existieren unterschiedliche Verfahren. Datenbanksystem als zentrale Basis ist zielführend für die Einführung von Leitstände mit Energiemonitoring/-management PROFIenergy - normierte, perspektivische Möglichkeit der partiellen Zu- bzw. Abschaltung von Anlagenkomponenten (z.z. in Einführungsphase) 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 26

27 5. Zusammenfassung und Ausblick Übergang von der Einzelmaschine zum verteilten vernetzten energetisch optimierten Automationssystem Reinecker-Doppel-Lang u. -Vertikalfräsmaschine mit mechanischer Verstellung um 1925 [Quelle: Reinecker] Heckert-Maschinensystem FMS 800 mit zentraler Steuerung von 1984 [Quelle WMW Fritz Heckert] Ist-Stand: Energetisch optimierte modulare Automationssysteme mit vernetzten Komponenten und integrierter Robotik 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Rolf Hiersemann, VDI Telefon: +49 (0) 371 / Fax: +49 (0) 371 / mail: info@hiersemann-chemnitz.de Web: Hiersemann Prozessautomation GmbH Tuchschererstr. 4a D Chemnitz Sondermaschinenbau Automationsanlagen Engineering 11. Chemnitzer Technologieforum der IHK Chemnitz Hiersemann Prozessautomation GmbH S. 28