PROFIenergy - die gemessene. Einsparung. Prof. Dr. Frithjof Klasen. Institut für Automation & Industrial IT

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1 PROFIenergy - die gemessene Einsparung Prof. Dr. Frithjof Klasen Institut für Automation & Industrial IT

2 Prof. Dr. Frithjof Klasen PROFINET Competence Center AIT Prof. Dr. Frithjof Klasen

3 Institut Automation & Industrial IT (AIT) PROFINET Competence Center& Zertifizierungslabor Trainings und Workshops Inbetrieb- und Abnahmeunterstützung Planungsunterstützung für Anlagen- und Maschinenbauer PROFIenergy Diagnosesoftware PROFINET Industrial Security Prüflabor Industrial Security Schwachstellenanalyse Entwicklung Richtlinien und Standards (VDI/VDE 2182, ISA99) Beratung und Workshops zur Risikoanalyse Entwicklung von Lösungskonzepten AIT Web based Automation Prozess-Visualisierung, SCADA Systeme Mobile Endgeräte (PDA), Mobilkommunikation Entwicklung embedded Webserver Industrial Web Industrial Usability Entwicklung von HMI en Evaluation bestehender Bedienoberflächen Technische Implementierung Styleguide-Entwicklung Prof. Dr. Frithjof Klasen

4 PROFINET Competence Center AIT Trainings und Workshops Prüflabor / Test Lab Integrations- und Kompatibilitätstests PROFINET-Zertifizierungsprüfung Planungsunterstützung Spezifikation von Maschinen und Anlagen Inbetriebnahme- und Abnahmeunterstützung Unterstützung bei der Inbetriebnahme und Abnahme von Maschinen und Anlagen Software für Engineering, Netzwerkanalyse, Diagnose - PROFINETanalyzer - PROFINETsetup Prof. Dr. Frithjof Klasen

5 PROFINET Competence Center AIT Partner & Kunden Hersteller Maschinenbauer / Integratoren Betreiber (Automobilindustrie) Prof. Dr. Frithjof Klasen

6 Prof. Dr. Frithjof Klasen

7 PROFIenergy das?

8 PROFIenergy das Was haben Notebooks und Produktionsanlagen gemeinsam?? PROFIenergy ermöglicht einen sicheren Wechsel in Energiesparzustände ermöglicht einen kontrollierten Wiederanlauf ist eine Eigenschaft der Geräte und Anlagenkomponenten

9 PROFIenergy das 9 PROFIenergy Offener Standard zur Steuerung des Energieverbrauchs in Automatisierungssystemen und Produktionsanlagen Entwicklung erfolgte auf Initiative und Anforderung der AIDA (Audi, BMW, Daimler, Porsche and Volkswagen) PROFINET Profil PROFIenergy-Profil wurde in 2010 veröffentlicht

10 PROFIBUS - alles auf einer Leitung Feldbus: eigene Leitungen für die verschiedenen Aufgaben Busterminal Linienstruktur 10 Repeater... PROFINET: Offene Kommunikation TCP/IP Automatisierungstopologie mit PROFINET PG/PC Bediengerät SPS IWLAN Engineering/Bedienung PG HMI Steuerung CPU/CPU IO-Kommunikation Motion Antrieb Access- Point Motion Control Feldgerät Diagnose Web/TCP/IP Feldgerät

11 Netzwerkintegration Routing Core Office Office Produktion DMZ Firewall Router IP-Kommunikation Kernsegment SERVER-Area Westsegment Distr.-Switch Line A Line B Line n Line A Line n Area-Switch Layer 3 Line-Switch Field-Switch PROFINET IO

12 PROFIenergy das 12 PROFIenergy ermöglicht den Wechsel der Gräte und Anlagenkomponenten in Energiesparzustände während nicht-produktiver Phasen PROFIenergy unterstützt vier Anwendungsfälle Kurze Stillstände - z.b. Mittagspause/Schichtwechsel Längere Stillstände z.b. Wochenende Ungeplante Stillstände z.b. Störungen Messung des Energieverbrauchs Die Anwendung erfordert die Implementierung des PROFIenergy-Profils in Geräten und Anlagenkomponenten PROFIenergy ist eine enabling technology und Basis für Energieeffizienz-Strategien Smart Energy Management

13 PROFIenergy das

14 14 PROFIenergy ermöglicht den zentral gesteuerten Wechsel einzelner Geräte oder Teilbereiche einer Fertigung in energiesparende Zustände ein koordiniertes Wiederanlaufverhalten aus Energiesparzuständen Das Projekt Untersuchung des Einsparpotentials in Produktionsanlagen in Kooperation mit Partnern der Automobilindustrie:

15 15 Lastgänge erfassen (Durchführung von ) Analyse der Lastgänge Identifikation des Einsparpotenzials Ermittlung der Relevanz von Pausenzeiten zur Energieeinsparung Klärung des Potenzials von PROFIenergy Anlagenzustände Lastgang Energiefluss

16 16 Aufgabenstellungen Untersuchung typischer Lastgänge in Produktionsanlagen Untermauerung bisheriger Schätzwerte Ermittlung von Energieverbräuchen granular bis zur Endgeräteebene Suche nach großen Energieverbrauchern Erhebung von unterschiedlichen Energiearten (z.b. Pneumatik) Prüfung des Einflusses der Betriebszustände auf den Energieverbrauch Analyse der Pausen: Häufigkeit, Pausendauer

17 Messkonzept 17 Eingesetzte Geräte Messgeräte Netzanalysegeräte Alle Netz-Kenngrößen, Transienten, Alarme und Wellenformen werden simultan erfasst und aufgezeichnet Leistungsmessung W, VA gesamt und pro Phase Lange Aufzeichnungsdauer, auch bei hoher Messrate Zeitsynchronisation der Messgeräte und PLC s

18 Messkonzept 18 Eingesetzte Geräte Stromwandler: Kontaktlose Strom-Messung Kontaktklemmen: Erfassung der Wirkleistung durch Spannungsabgriff

19 Messkonzept 19 auf verschiedenen Ebenen von der Haupteinspeisung granular bis zu einzelnen Anlagenkomponenten mit bis zu 15 Messgeräten Kontinuierliche Aufzeichnung von Spannungs-, Strom- und Leistungsparametern über einen Zeitraum von 7 Tagen (Messintervall: 1 Sek.) Synchronisation mit Anlagenzuständen mittels SPS-Daten

20 Messkonzept 20 Messpunkte (Beispiel)

21 Messkonzept 21 Verknüpfung der Messwerte mit Anlagenzuständen SPS-Logdaten geben Aufschluss über die Betriebszustände Anlage betriebsbereit Anlage in Betrieb Anlage in Störung auf Anlagenebene Einzelstation in Betrieb auf Stationsebene Roboter in Bewegung Werkzeug in Betrieb auf Endgerätebene Analyse der Messdaten in Verbindung mit Betriebszuständen

22 Messkonzept 22 Beteiligte Partner / Unternehmen Daimler Werk Sindelfingen Mixfertigung von Limousine und T-Modell

23 Messkonzept 23 Beteiligte Partner / Unternehmen Volkswagen Nutzfahrzeuge Werk Hannover Karosseriefertigung Porsche Panamera Quelle: Porsche AG

24 Messkonzept 24 Einsatz vor Ort

25 Messkonzept 25 Einsatz vor Ort

26 Messkonzept 26 Einsatz vor Ort

27 Messkonzept 27 Einsatz vor Ort

28 Messkonzept 28 Einsatz vor Ort

29 Messergebnisse 29 Synchronisation der Datenquellen SPS-Signal + Roboter-Messdaten

30 Messergebnisse 30 Anlagenbeispiel: Lastgang 24h Einspeisung 100 kw 80 kw 60 kw 40 kw 20 kw 0 kw 24 h

31 Messergebnisse 31 Anlagenbeispiel: Lastgang 24h Einspeisung 100 kw 80 kw 60 kw 40 kw 20 kw 17 kw Pause 0 kw 24 h

32 Messergebnisse 32 Anlagenbeispiel: Lastgang 24h Einspeisung 100 kw 80 kw 60 kw 40 kw 32 kw 20 kw 17 kw Mittelwert Pause 0 kw 24 h

33 Messergebnisse 33 Anlagenbeispiel: Lastgang 2h Einspeisung 100 kw 80 kw 60 kw 40 kw 20 kw 0 kw 2 h

34 Messergebnisse 34 Anlagenbeispiel: Lastgang 2h Einspeisung und 1 Roboter 100 kw 80 kw 60 kw 8 kw 6 kw 40 kw 4 kw 20 kw 0 kw 2 kw 0 kw 2 h 2 h

35 Messergebnisse 35 Analyse der Relevanz des Energieverbrauchs am Beispiel einer Produktionslinie Energieverbrauch kw in Produktionszeit 32,62 in Pausenzeit 17,74 Der Energieverbrauch in Pausenzeiten entspricht dem durchschnittlichen Energieverbrauch von 44 Haushalten

36 Messergebnisse 36 Leistungsverteilung im Produktivbetrieb (Beispiel) für eine Produktionslinie

37 Messergebnisse 37 Leistungsverteilung in Pausenzeiten (Beispiel) für eine Produktionslinie

38 Messergebnisse 38 Analyse der ungeplanten Pausenzeiten für eine Produktionslinie, Gesamtzeitraum von 5 Tagen Klassifizierung der Pausendauer

39 Gesamtdauer % Gesamtdauer % Messergebnisse Analyse der Pausenzeiten für eine Produktionslinie, Gesamtzeitraum von 5 Tagen Kumulierte Pausenzeiten % Pausendauer / Intervall

40 Messergebnisse und Potential 40 Analyse der Relation zwischen Pausen & Produktion für eine Produktionslinie 2-Schicht-Betrieb, Zeitraum: 5 Werktage + 2 Tage Wochenende 100% 90% 335 kwh 100% 90% 33 80% 80% 70% 1289 kwh 70% % 50% 40% 60% ungeplante Pause geplante Pause 50% Produktion 40% ungeplante Pause geplante Pause Produktion 30% 20% 1811 kwh 30% 20% % 10% 0% 0% AIT - Institut für Automation & Industrial IT, Markus Müller / Die PROFIenergy-Studie

41 Messergebnisse und Potential 41 Analyse der Relation zwischen Pausen & Produktion für eine Produktionslinie 2-Schicht-Betrieb, Zeitraum: 5 Werktage + 2 Tage Wochenende ungeplante Pause geplante Pause Produktion 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Kosten pro Woche: Einsparpotential von ca. 70% mittels PROFIenergy = % 20% % 0%

42 Messergebnisse und Potential 42 Analyse der Relation zwischen Pausen & Produktion für eine Produktionslinie - CO2-Emissionen von 0,59 kg/kwh 2-Schicht-Betrieb, Zeitraum: 5 Werktage + 2 Tage Wochenende 100% 90% 80% 70% 196 kg 754 kg CO2 Emissionen / Woche: Einsparpotential von ca. 70% mittels PROFIenergy = 665 kg ungeplante Pause geplante Pause Produktion 60% 50% 40% 30% 20% 1059 kg 10% 0%

43 Messergebnisse und Potential 43 Einsparpotential für eine Produktionslinie pro Jahr bei Verwendung von PROFIenergy 2-Schicht Betrieb 5 Werktage + 2 Wochenende Σ Energy [kwh] Potential energy savings [kwh] kwh kwh Σ Energy costs [ ] Energy cost savings [ ] Einsparpotenzial 33% Σ CO 2 -Emissions [kg] CO 2 -emission savings [kg] (bezogen auf den Gesamtverbrauch) kg kg

44 Messergebnisse und Potential 44 Erfahrungen Kosteneinsparungspotential und Reduzierung der CO 2 -Emissionen von bis zu 33% Volle Nutzung des Einsparpotentials erfordert Änderung der Anlagen-e Anlagenbetreiber definieren Anforderungen gegenüber Anlagenherstellern Komponentenherstellern Standby-Betrieb nur sinnvoll, wenn störungsfreier Wiederanlauf sichergestellt werden kann PROFIenergy

45 Hannover Messe - Halle 9 / D05 Field Communication Lounge 45 AIT - Institut für Automation & Industrial IT, Markus Müller / Die PROFIenergy-Studie

46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! PROFIenergy Prof. Dr. Klasen PROFINET Competence Center & Zertifizierungs-Prüflabor

47 Die PROFIenergy Anwendungsfälle 47

48 Die PROFIenergy-Befehle 48

49 PROFIenergy Kommandostruktur 49 Einleitung Gangkurve Messstudie Controller Auftrag anstoßen (Request) Antwort lesen / Daten abholen (Response) WR_REC + RD_REC = PROFIenergy Kommando Device Ausführen des Befehls / Aufbereiten der Daten Schnelle Implementierung durch Nutzung bestehender PROFINET-Mechanismen Kompatibles Nachrüsten bestehender Programme durch Abbildung auf Records Durchgängiges Anwenderhandling durch gleiche Anwendung für Steuerbefehle und Auskunftsfunktionen System- und Gerätehersteller bieten entsprechende Bausteine an. Prof. Dr. Klasen, Institut für Automation & Industrial IT - PROFIenergy