Ecomation

Hintergrund

Neben der reinen Klimadiskussion hat auch die erneute Energiewende das Thema Energieeffizienz wieder weit in das öffentliche Bewusstsein gerückt. Eine zunehmende Anzahl von Produkten wird im Zuge dieser verstärkten Aufmerksamkeit mit dem Verweis auf ihre Energieeffizienz beworben. Tatsächlich werden Energiekosten in vielen Unternehmen jedoch nach wie vor als Gemeinkosten verbucht und seitens der Hersteller werden oftmals nur bedingt substanzielle Maßnahmen zur Effizienzsteigerung getroffen.



Problemstellung

Aktuell laufende oder bereits abgeschlossene Projekte legen ihren Fokus meist auf die Erhöhung des Wirkungsgrads von Komponenten und Verfahren sowie auf die Optimierung von Prozessketten. Die Forschergruppe ECOMATION ergänzt diese Ansätze um Methoden für den energieeffizienten Betrieb von Maschinen und Anlagen in jedem Betriebspunkt. Hier ist das Ziel, durch die entwickelten Methoden relevante Energieeinsparungen in der Fertigungstechnik zu erreichen. Dabei sollen Effizienzpotentiale per Analyse erkannt und durch eine optimale Ansteuerung aller Maschinen und ihrer Komponenten ausgeschöpft werden. Im Fokus von Förderperiode 1 stand hierbei das Monitoring des Energieverbrauchs und in Förderperiode 2 die optimale Ansteuerung von Verbrauchern und Prozessen. In der aktuell laufenden 3. Förderperiode werden die Methoden zur Steigerung der Energieeffizienz, auch unter der Berücksichtigung der Maschinenauslegung, optimiert, die Abhängigkeiten zwischen den Methoden der Teilprojekte analysiert und evaluiert und die entwickelten Methoden in einem Demonstratorsystem zusammengeführt. Die Silbe „ECO“ bezeichnet demnach ökonomisch und ökologisch motivierte Effizienz und „Mation“ ermöglicht das Erreichen dieser Effizienz durch Automatisierung.



Ziele

 Die Forschergruppe setzt sich folgende Teilziele:

  • das Erfassen des Energieverbrauchs von Prozessen, Maschinen und Komponenten,
  • die Darstellung des Energieverbrauchs aufgeteilt auf die Verbraucher,
  • die Vorhersage des Energieverbrauchs für verschiedene Varianten und Nutzungsfälle,
  • in maschinennahen Energieregelkreisen die automatisierte, situations- und anforderungsorientiert optimale Steuerung von Parametern und Abläufen, die Einfluss auf den Energieverbrauch haben, sowie
  • die Sicherstellung der Unternehmensenergieeffizienz durch maschinenferne Energieregelkreise in Planung und Controlling.

Für das systematische Vorgehen zur Minimierung des Energieverbrauchs stellen Methoden lokal für die Verbrauchs- und Verlusterfassung in der Maschinensteuerung, sowie auf der Ebene der Produktionssteuerung die Datenbasis bereit. Um das große Volumen der Messdaten handhabbar zu machen und um aussagekräftige Vorhersagen zu ermöglichen wurde eine im Bereich der spanenden Fertigung neuartige Modellierungstechnik und Optimierungsmethodik entwickelt (TP 1).

Zur Energiebedarfsminimierung unter wechselnden Randbedingungen und Anforderungen wurde in Anlehnung an die Methodik der Qualitätsregelkreise das Konzept der Energieregelkreise entwickelt. Dieses teilt sich in maschinennahe und maschinenferne Rückkopplungen. Der Informationsfluss der Regelkreise ist in Form roter Pfeile im Kontext von Planung und Umsetzung von Fertigungsaufgaben in der Produktion in Abbildung 1 dargestellt.

Die optimale Steuerung der Energieverbraucher zur Steigerung der Energieeffizienz wird durch den maschinennahen Energieregelkreis (TP 2) übernommen. Durch das aufgezeichnete und analysierte Verbrauchsprofil und die automatisierte Erkennung von Betriebszuständen wird der Energieverbrauch über die situationsoptimale Wahl der Eingriffsparameter, die Planung optimaler Betriebszustandsfolgen und eine reaktive Regelung minimiert.

Die Fabrik- und Leitebene wird über die maschinenfernen Energieregelkreise (TP 3) integriert, sie identifiziert Verlustherde in der Produktion und leitet Verbesserungen ein. Der Energieverbrauch ergänzt und vervollständigt die gängigen Zielgrößen der Produktionsplanung und -steuerung, wie bspw. die Durchlaufzeit. Die Relevanz der Lösungen für eine industrielle Umset­zung wird sichergestellt, indem die Rentabilität der Effizienzverbesserung situativ-zeitlokal betrachtet wird und die Faktoren Termin, Kosten und Qualität in die Optimierung einbezogen werden.

Zur detaillierten Analyse der möglichen Steuerungseingriffe erfolgt auf Komponentenebene eine auf Messungen gestützte Charakterisierung der direkten Energieverbraucher und Energieflüsse (TP 4). Zu Vervollständigung werden die Randbedingungen, die sich aus Wahl der Parametrierung der Fertigungsprozesse für den Energieverbrauch ergeben, untersucht (TP 5).

Projektpartner:

TeilprojektProjektpartnerSchwerpunkt
TP 1 ISW Universität Stuttgart Prognosefähiges Modell des Energieverbrauchs
TP 2 ISW Universität Stuttgart Maschinennaher Energieregelkreis in der Steuerung
TP 3 IFF Universität Stuttgart Maschinenferner Energieregelkreis in PPS/MES
TP 4 PTW TU Darmstadt Energieverbrauchsbeeinflussung auf Komponentenebene
TP 5 IFW Universität Stuttgart Energieverbrauchsbeeinflussung auf Prozessebene