Unter anderem mit dem auf Profinet basierenden ProfiEnergy-Protokoll steht heute grundsätzlich eine Technologie zur Verfügung, mit der bestimmte Anlagenteile einer Produktion gezielt abgeschaltet und wieder hochgefahren werden könnten. Allerdings ist in den Unternehmen wenig Know-how darüber vorhanden, welche Teile in einer produktionsfreien Phase problemlos stromlos geschaltet werden können und wie sie sich im Falle des Wiederanlaufens verhalten. Diese Frage ist Teil eines auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekts innerhalb der Innovationsallianz \’Green Carbody Technologies\‘. Startzeitpunkt war Dezember 2009. Nach mehr als einem Jahr können die Beteiligten aus Betreiber, Automatisierung und Forschung erste Ergebnisse präsentieren. Dazu wurde im ersten Schritt bei Volkswagen in Wolfsburg eine reale Karosseriebauanlage umfangreich mit Messtechnik ausgestattet. Green Carbody Technologies: Energieeffizienter produzieren Ein hohes Ziel hat sich die Innovationsallianz gesetzt: Etwa 50% der Produktionsenergie soll während der Karosseriefertigung eines Fahrzeugs eingespart werden. \“Das sind ehrgeizige Pläne und es ist klar, dass diese Einsparmöglichkeiten nicht in jedem Teilbereich des Fertigungsprozesses gleich sind. Wir müssen also zunächst einmal herausfinden, wo die Effizienzpotenziale stecken\“, erläutert Marc Weist von der Volkswagen AG in Wolfsburg, der das Teilprojekt für Volkswagen begleitet. \“Unser Ziel ist es, dass sich unsere Automobilproduktion ebenso ressourcenschonend entwickelt wie unsere Fahrzeuge\“, erklärt Weist weiter. Frank Knafla vom Projektpartner Phoenix Contact und Leiter des Teilprojekts umreißt das Green Carbody-Projekt so: \“Das Teilprojekt umfasst drei Teilgebiete. Erstens den Prozess an sich: Hier geht es um Einsparungen von Energie und Rohstoffen durch Veränderung und Verbesserung der Arbeitsschritte und Verfahrensweise. Der zweite Aspekt betrifft die Leichtbaupotenziale für Betriebsmittel und Fügeprozesse und das dritte Teilgebiet behandelt die Frage, wie Automatisierungstechnik genutzt werden kann, um Energie und Ressourcen einsparen zu können. Alle drei Forschungsgegenstände sind wiederum miteinander verbunden.\“ Die Aufgabenstellung Das Thema des Teilprojekts 4.2.2 \’Konfigurierbares Energiemanagementsystem einer Karosseriebaulinie\‘ soll im Mittelpunkt dieses Beitrags stehen. Ziel ist es hier, ein konfigurierbares Energiemanagement für eine Karosseriebaulinie zu entwickeln. Aus Sicht von Volkswagen-Projektleiter Weist lässt sich die Aufgabenstellung so zusammenfassen: \“Eine Anlage zu programmieren, die Türen fertigt, ist verhältnismäßig einfach. Eine Anlage zu bauen, die Türen fertigt und dabei noch energieeffizient arbeitet, ist eine große Herausforderung. Wir wollen also herausbekommen, wie das funktioniert.\“ In diesem Teilprojekt arbeiten neben Volkswagen und Phoenix Contact noch das Fraunhofer IWU sowie die Unternehmen Rittal und Lütze mit. Assoziierte Mitglieder sind darüber hinaus Audi, Kuka, Siemens und Trumpf. Vorgehensweise \“Schon in den ersten Projekttreffen war klar, dass wir die Energieverbräuche einer real existierenden Anlage zunächst einmal messtechnisch vollständig erfassen müssten\“, erläutert Weist die Vorgehensweise. Die Wahl fiel auf eine Türfertigungsanlage für das aktuelle Golf-Modell. Die gepressten Türteile werden in dieser Anlage durch ein umfangreiches Repertoir an Technologien, wie Kleben, Lasern, Löten und Schweißen, zusammengefügt. Daher ist auch die Erfassung der Energiedaten alles andere als trivial. Im Projektteam wurden die zu messenden Kenngrößen festgelegt. Dazu gehören neben den elektrischen Kennwerten wie Strom, Spannung, Wirk-, Blind- und Scheinleistung und Cosinus Phi auch der Verbrauch von Druckluft, Wasser, Schutzgasen und Kühlleistung. Diese Werte werden im 10ms-Raster erfasst. Dazu sind fünf RFC-Steuerungen aus dem Hause Phoenix Contact im Einsatz, die parallel die Daten erfassen und mit einem Zeitstempel versehen in ein Datenbanksystem schreiben. \“Insgesamt gibt es in der Anlage ca. 470 physikalische Messpunkte. Dazu kommen noch einmal ungefähr 1.500 Prozessgrößen aus der SPS wie \’Steuerung Ein\‘, Vorwahl der Roboterfolge, Folgestart des Roboters, Position von Zylindern usw., sodass man von etwa 200.000 Datensätzen pro Sekunde ausgehen kann.\“ Weltweit dürfte es sich damit um die einzige produzierende Anlage handeln, deren Energieverbräuche derart genau dokumentiert werden. Sowohl Teile der eigentliche Anlage als auch die Messtechnik-Applikation kommunizieren übrigens über Interbus. Schaltschrankklimatisierung Wie genau die Vermessung dieser Anlage tatsächlich ist, vermittelt ein weiteres Teilprojekt der Innovationsallianz, das von Rittal und Lütze betreut wird: In einem Schaltschrank geben über 40 Temperaturmessfühler Auskunft über die Temperaturverläufe im laufenden Betrieb und im Ruhezustand. Die gewonnenen Daten können dazu dienen, die derzeitigen Modelle zur Simulation von Temperaturverläufen in Schaltschränken zu verbessern. Das hätte positive Auswirkungen auf die Auslegungsberechnungen der Schaltschrankklimatisierung und würde übergroße Sicherheitsaufschläge vermeiden. Auswertung der Daten Innerhalb von 14 Tagen werden in der Türenanlage insgesamt mehr als 240Mrd. Energiedatensätze ermittelt. Mit einem klaren Auswerteraster ergänzt durch moderne Methoden des Data-Minings werden diese Daten weiter verdichtet. So ist es ohne Weiteres möglich, den Gesamtverbrauch der Energie auf eine produzierte Tür umzurechnen. Auch der Energieverbrauch pro Arbeitsstation ist ein interessantes Ergebnis. Es gibt Untersuchungen, die davon ausgehen, dass noch etwa 60% der Energie aufgewendet werden muss, um eine Anlage im \’Standby-Modus\‘ zu halten. Insbesondere von der Auswertung der Produktionsstillstände versprechen sich die Projektteilnehmer daher interessante Ergebnisse, denn sie können die Potenziale einer Abschaltung von Anlagen oder Anlagenteilen aufzeigen. Genau an dieser Stelle setzt beispielsweise Profinet mit dem Profil ProfiEnergy an: Das Profil auf Basis von Profinet sorgt dafür, dass ProfiEnergy-fähige Komponenten gezielt \’deaktiviert\‘, vor allem aber rechtzeitig wieder \’aufgeweckt\‘ werden können. Die detaillierte Art der Verbrauchsmessung ist eine wesentliche Voraussetzung für das effiziente Abschalten von Anlagen oder Anlagenteilen. Durch die Messung aller Energieverbräuche, also auch der Druckluft usw., sind zudem voraussichtlich auch Aussagen darüber möglich, inwieweit sich die Substitution von pneumatischen durch elektrische Aktoren aus Sicht des Energieverbrauchs lohnt. Ergebniserwartungen Kurzfristig geht es darum, die Produktion durch das gezielte Abschalten und Wiederanfahren von Anlagen und Anlagenteilen energieeffizienter zu gestalten. Das Besondere an der Vorgehensweise in der Türenanlage ist die Betrachtung aller genutzten Energieformen. Diese Ergebnisse können insbesondere bei der Enwicklung von Neuanlagen genutzt werden. Die Umrüstung bestehender Anlagen ist aus Kostengründen eher unwahrscheinlich, weil für die Anwendung des ProfiEnergy-Profils die komplette Kommunikationsstruktur ersetzt werden müsste. Das Projektziel ist die Entwicklung eines Energiemanagementsystems, welches Automobilbauern einen effizienten Energieeinsatz in ihren Fertigungsanlagen ermöglicht. Dazu ist es notwendig, durch zuverlässige Simulation von Energieverbräuchen geeignete Planungswerkzeuge zu entwickeln. Fazit Noch bis Ende 2012 läuft das Forschungsprojekt. \“Derzeit befindet sich die Messtechnik-Applikation in der Inbetriebnahme-Phase\“, beschreibt Frank Knafla den Fortschritt des Projekts. Schon jetzt ist klar, dass die Vorgehensweise eine solide Basis für die nächsten Schritte legt. \“Ein wesentliches Ergebnis des Projekts ist die flächendeckende Ausmessung der Energieverbräuche über die unterschiedlichen Energiearten hinweg. Daraus können belastbare Modelle für eine realitätsnahe Verbrauchsbetrachtung entwickelt werden,\“ erläutert Knafla. Marc Weist kann ihm da nur beipflichten und lobt die Zusammenarbeit innerhalb der Projektgruppe: \“Diese Gemeinschaft aus Wissenschaft und Industrie hat ein sehr großes Potenzial, die im Projekt angestrebten Ziele zu erreichen.\“ Am Ende des Forschungsprojekts soll die Entwicklung eines Energiemanagementsystems stehen. Wie sich das Projekt bis dahin entwickelt, darüber werden wir weiter berichten. (kbn) Kasten: Green Carbody Technologies: Energieeffizienter produzieren
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