Energie optimal einsetzen - Energie-Optimierung für Förderanlagen
(IT&Production, 10/2011)
"Der Durchsatz von Positioniersystemen in Hochregallagern hängt von der langsamsten Achse der Anlage ab. Wird das Tempo aller Achsen und Zufuhrsysteme an diesen Wert angepasst, lässt sich die Energie optimal verteilen und die Lebensdauer der Anlage merklich erhöhen, ohne den Gesamtdurchsatz der Produktion zu verringern. Gleichzeitig lassen sich Energieeinsparungen von 15 bis 40 Prozent realisieren.
Eine Kette ist immer so stark wie ihr schwächstes Glied. Dieses Sprichwort lässt sich auch auf Förderanlagen in Hochregallagern übertragen: Ein Positioniersystem ist immer so schnell wie seine langsamste Achse. Das heißt, dass der Durchsatz in der Produktion von der Geschwindigkeit der langsamsten Achse der Anlage bestimmt wird. Wenn es gelingt, das Tempo der anderen Achsen genau in dem Maß zu drosseln, dass sie synchron mit der langsamsten am Zielpunkt ankommen, wird die eingesetzte Energie optimal verteilt und durch die schonendere Fahrweise die Lebensdauer der Anlage erheblich verlängert. Und dass, ohne dabei den Durchsatz der Anlage zu verringern.
Genau diese Synchronisation leistet die Energie-Optimierungs-Software für Förderanlagen (EOS) des Unternehmens PSI Positioning Solutions International Technics Ltd. (PSI Technics). Die Software ergänzt das Positionierungssystem Positioning Solutions System. Industrielle Förderanlagen arbeiten bei entsprechender Auftragslage in der Regel an der maximalen Leistungsgrenze. Gerade in der Automobilproduktion spielen die Taktzyklen der großen Lagersysteme dabei eine zentrale Rolle. Führende Hersteller von Transportern und PKW setzen das System deshalb bereits zur Synchronisation der Taktzyklen in ihrer Produktion ein und arbeiten dadurch deutlich wirtschaftlicher. Zum einen verringert sich durch den Einsatz der Lösung im Automatikbetrieb der maximale Strombedarf im Schnitt um etwa 15 Prozent, die Energieeinsparung kann bei einzelnen Fahrbewegungen sogar bis zu 40 Prozent betragen, zum anderen weisen Antriebe, Getriebe, Dichtringe und Umrichter einen wesentlich geringeren Verschleiß auf. Auf dem hart umkämpften Markt macht sich das bezahlt.
Abbildung: Das Positioniersystem von PSI Technics verringert den maximalen Strombedarf im Schnitt um etwa 15 Prozent und sorgt so für geringeren Stromverbrauch und weniger Verschleiß. Das im Jahr 2005 gegründete Unternehmen PSI Technics mit Sitz in Urmitz bei Koblenz ist ein Spezialanbieter für Industrie-Positioniersysteme und verfügt über entsprechendes Know-how und eine von Robert Bosch GmbH über Daimler AG bis Volkswagen AG mit renommierten Namen gespickte Referenzliste auf diesem Gebiet.
Verzicht auf überhöhte Geschwindigkeit
Ein Beispiel aus der Praxis macht das anschaulich: Bei einem Fahrweg von 30 Metern und einer Hubbewegung von 20 Metern ist die Hubachse, wenn beide mit voller Geschwindigkeit bewegt werden, vor der Fahrachse am Ziel und wartet dort. Bei der Optimierung durch das Positioniersystem bewegt sich die Hubachse langsamer und erreicht das Ziel gleichzeitig mit der Fahrachse. Da das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Energieverbrauch etwa proportional ist, verringert sich der Strombedarf durch die reduzierte Geschwindigkeit der Hubachse erheblich. Messungen ergeben, dass die Stromspitze der Motoren von 100 Ampere auf rund 65 Ampere sinkt. Eingespart wird dabei die Wartezeit der Hubachse. Die gesamte Fahrzeit beider Achsen verlängert sich nicht, wobei der Durchsatz konstant bleibt.
Abbildung: Auch bei der Stromaufnahme eines Förderfahrzeugs in der Automobilindustrie zeigt die hohe schlanke Kurve eine deutlich höhere Stromspitze des Motors beim Verzicht auf das Positionier- und Optimierungssystem.
Exakte Simulation der Fahrbewegung
Das synchrone Eintreffen beider Achsen ist das Ergebnis einer exakten internen Simulation der Fahrbewegung. Das dazu benötigte mathematische Modell wird über den Prozessor der Regeleinheit vollautomatisch ermittelt und läuft ohne Zeitverlust vor jeder Fahrt ab. Da die Software im Hintergrund arbeitet, ist weder eine zusätzliche Hardware noch eine Anpassung an die vorhandene Logistiksoftware notwendig. Die Inbetriebnahme dauert in der Regel lediglich etwa drei Stunden.
Das Positioning Solution System misst sich am gehobenen Standard ICS5000 und setzt darüber hinaus vor allem auf Integrationsfähigkeit. Die Lösung besteht aus einer Kontrolleinheit mit implementierter Regelungssoftware, einem Distanzmessgerät - in der Regel kommt hier ein Laser zum Einsatz - und den Schnittstellen zur Prozess-Steuerung und zum Antrieb. Die Regelungssoftware ist in der Lage, auch hochdynamische Schwingungen auszugleichen, wie etwa Seilschwingungen bei Hub-Anwendungen.
Das Positionierungssystem ist mit allen Antrieben kompatibel und arbeitet als digitales Regelungssystem autark. Sobald die Verbindung zu Prozessrechnern oder Lagerverwaltungssystemen besteht, führt die Kontrolleinheit umgehend deren Befehlsketten aus und kommuniziert dazu über serielle Protokolle oder standardisierte Feldbussysteme. Die komplette Neuinstallation der kombinierten Systemlösung über einen Web-Browser verläuft entsprechend zügig und nimmt höchstens zwei Tage in Anspruch.
So schnell wie nötig statt so schnell wie möglich
Eine weitere Stärke der Optimierungslösung liegt in der Ermittlung des idealen Maschinenmodells. Das System analysiert dazu nicht nur den Antrieb, sondern erfasst auch die Mechanik der ganzen Anlage. Das ermöglicht dem Positioniersystem unter anderem eine Anpassung des Durchsatzes der Fördertechnik an die Gesamtanlagenauslastung. Ist weniger zu tun, läuft das System entsprechend langsamer und damit ressourcenschonender. Statt des üblichen einzeln geregelten Antriebs für jede Achse steuert das Positioniersystem mehrere Achsen dynamisch. Was das Positioning Solutions System für die ganze Produktionsanlage leistet, macht EOS in Bezug auf die einzelnen Achsen: Durch Synchronisation wird die Geschwindigkeit optimiert und dadurch die Effizienz erhöht.
Abbildung: Die Darstellung der Fahrt einer Hubachse ohne (blau) und mit (rot) EOS zeigt: Ohne Synchronisation mit der Fahrachse wird die Hubachse schneller ans Ziel gebracht und wartet dort, der Energieaufwand steigt.
Gesteigerte Effizienz durch synchrone Abläufe
Ein effizienter Einsatz von Ressourcen verschafft Wettbewerbsvorteile. Eine energieeffiziente Prozesssteuerung, die gleichzeitig für geringeren Verschleiß sorgt, trägt zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz sowohl der Förderanlagen als auch der angeschlossenen Produktion bei. Alle industriellen Förderanlagen, ob Regalbediengeräte, Hubwerke, Kransysteme, Verschiebewagen oder Aufzüge verschleißen und müssen früher oder später erneuert werden. Hier entsprechende Optimierungspotenziale zu erschließen, um diesen Verschleiß und die Anlagenabnutzung möglichst gering zu halten, macht sich auf Dauer bezahlt. Die Synchronisation von Taktzyklen in der industriellen Produktion ermöglicht die Drosselung der Zyklen, die unnötigerweise unter Volllast laufen, ohne dadurch den Durchsatz der Anlage insgesamt zu verringern. Indem das Positionierungssystem und die Energie- Optimierungs-Software diese Synchronisation vornehmen, tragen sie erheblich zu einer gesteigerten Prozesseffizienz bei."
Autor: Karl-Heinz Förderer, Geschäftsführer PSI Technics
(IT&Production, 10/2011)
