Energie gezielt einsparen

Pro-Power-Netzgeräte aus der EpsitronFamilie bieten mit Top-Boost und PowerBoost spezielle Leistungsreserven. Geräte mit Linemonitor stellen darüber hinaus Kontroll- und Steuerungsfunktionen bereit.

Energiemanagementsysteme sollen zukünftig den tatsächlichen Energieverbrauch besser erfassen, quantifizieren und nach einer Analyse auch gezielter reduzieren können. Dazu sind in einem produzierenden Betrieb zunächst die verschiedenen Energieverbräuche aufzunehmen. Die Erfassung der Verbrauchsdaten lässt sich mit dem Wago-I/O-System und seinen vielfältigen I/O-Busklemmen wie die 3-Phasen-Leistungsmessklemme dezentral realisieren und in bestehende Systeme integrieren.

von Jens Eickelmann, Market Management Industrie, WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG

Ein produzierender Betrieb braucht viel Energie, um seine Produkte herstellen zu können. Er benötigt sie in unterschiedlichen Formen: als Drehsstrom oder Gleichstrom sowie als pneumatische, hydraulische oder thermische Energie. Ein verbessertes Energiemanagement quantifiziert und dokumentiert die Verbrauchsdaten dieser Energieformen mit dem Ziel, hohe Verbräuche zu erkennen und geeignete Gegenmassnahmen zu ergreifen. Zur Erfassung der Verbrauchsdaten stehen verschiedene Standardkomponenten zur Verfügung. So nimmt die 3-Phasen-Leistungsmessklemme in einem Drehstromkreis Wirkleistungen und Effektivwerte über das Wago-I/O-System auf und übermittelt es per Bussystem an ein Managementsystem (SCADA). Netzgeräte mit Kontroll- und Steuerungsfunktionen optimieren die Leistungsaufnahme in einem Gleichstromkreis und können Daten an andere Systeme weitergeben. Leckagen in pneumatischen und hydraulischen Anlagen können durch Volumenstrom- und Druckmessungen während der Produktionspausen dingfest gemacht werden. Diese Daten, dezentral über das Wago-I/O-System erfasst, bilden die Basis für ein effizientes Energiemanagement.

Verbrauchswerte im Drehstromkreis erfassen

Bisher war es schwierig, den tatsächlichen Energieverbrauch komplexer Fertigungsanlagen wie Roboterzellen oder Schweissanlagen zu kontrollieren und zu steuern. Die 3-Phasen-Leistungsmessklemme 750-493 ermöglicht die detaillierte Messung elektrischer Grössen in einem dreiphasigen Versorgungsnetz. Mit ihrer Hilfe werden die Strom- und Spannungsgrössen aller drei Phasen über sechs Analog-/Digitalwandler in einem Zeitraster von etwa 16 µs erfasst. Aus den gemessenen Effektivwerten berechnet die Messklemme für jede Phase die Wirkleistung und den Energieverbrauch, woraus sich weitere Werte wie die Scheinleistung und der Phasenverschiebungswinkel ableiten lassen. Mit 56.000 Abtastungen pro Sekun

de werden Echteffektivwerte (TRUE-RMS-Werte) ermittelt. Das heisst, auch nicht sinusförmige Strom- und Spannungsverläufe von 0 Hz bis 2 kHz können erfasst werden. Über Stromwandler sind Ströme von mehr als 1000 A messbar. Um die Werte einem Energiemanagementsystem zu übergeben, wird die Messklemme an einen Feldbuskoppler oder -controller aus dem Wago-I/O-System angereiht. Auf die gleiche Weise lassen sich auch andere Messgrössen über entsprechende I/OBusklemmen aufnehmen. Zur Kommunikation stehen verschiedene Feldbussysteme wie Profibus, Profinet, Ethernet, EtherNet/IP zur Verfügung. Die programmierbaren Feldbuscontroller sind mit CoDeSys nach IEC 61131-3 programmierbar oder werden über einen S7-Funktionsbaustein in bestehende S7-Projekte eingebunden. Mit Hilfe der ermittelten tatsächlichen Verbrauchswerte können auch unterschiedliche Betriebsmodi wie Volllast und Leerlauf oder der Einfluss von Werkstücken mit unterschiedlichen Materialeigenschaften auf den Energieverbrauch analysiert werden. Diese Verbrauchsnachweise eignen sich zur Erstellung einer ausführlichen Energiebilanz und sind die Grundlage für individuelle Massnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz.

Gleichstromkreise optimieren

In Gleichstromkreisen sind es an erster Stelle die Netzgeräte, die mit einem hohen Wirkungsgrad zur Energieeinsparung beitragen können. Netzgeräte mit Leistungsreserven speziell für kapazitive oder induktive Lasten können mit einer niedrigeren Nennleistung dimensioniert werden. Dadurch erzeugen sie weniger Verlustleistung und arbeiten in einem günstigeren Arbeitspunkt, wodurch sich zusätzlich der Wirkungsgrad verbessert. Pro-Power-Netzgeräte aus der Produktfamilie Epsitron von Wago können kurzzeitig erhöhte Leistungsaufnahmen mit dem Power-Boost abfangen. Die zweistufige Power-Boost-Funktion liefert in den ersten vier Sekunden bis zu 200% der Nennausgangsleistung und für weitere vier Sekunden noch bis zu 150%. Einfluss auf den Energieverbrauch hat auch der untere Lastbereich. Hier sind es beispielsweise Verbraucher im Stand-by-Betrieb, die, obwohl sie nicht genutzt werden, dennoch eine Leistungsaufnahme verursachen. Je nach Gerät können Stand-by-Leistungen im ein- bis zweistelligen Wattbereich auftreten, wenn sie nicht die Vorgaben der «Ökodesign-Richtlinien 2009/125/EG» erfüllen. Hier kann es sinnvoll sein, Verbraucher wie Pumpen oder Lüftungen zeitweise ganz auszuschalten. In Summe aller Verbraucher und Stromkreise lässt sich dann durchaus zwischen 10% und 20% Energie einsparen. Um aber gezielte Massnahmen zu ergreifen sind Verbrauchswerte unerlässlich, die Aufschluss über die tatsächlich Leistungsaufnahme und den Lastverlauf geben. Seit einiger Zeit sind Netzgeräte im Handel, die über Kontroll- und Steuerungsfunktionen verfügen. So erfassen beispielsweise die Pro-Power-Netzgeräte mit Linemonitor Verbrauchswerte wie Gleichspannung, Gleichstrom, Überlast sowie die Eingangsspannung auf der Wechselstromseite. Zusätzlich wird am Display des Netzgerätes die Netzfrequenz und das Drehfeld angezeigt. Berührungslos können Gleichströme bis 80 A über den Stromsensor 789-620 von Wago gemessen werden. Serielle Schnittstellen an Netzgeräten und Stromsensor übergeben die Verbrauchswerte an eine vorhandene übergeordnete Steuerung oder über das Wago-I/O-System an ein Managementsystem. Je nach Nutzung und Auslastung der Anlagenteile kann es sinnvoll sein, das Netzgeräte selbst über eine Steuerung in den Stand-by-Modus zu schalten und so den DC-Lastkreis abzuschalten. Die Epsitron-Netzgeräte aus der Pro-Power-Serie bieten diese Möglichkeit über einen per SPS ansteuerbaren Stand-by-Eingang am Gerät. Da die Geräte die Vorgaben der «Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG» erfüllen, sind die Standby-Verluste auf max. 1 W beschränkt. Mit diesen Massnahmen kann für den gesamten Gleichspannungskreis die notwendige Transparenz hergestellt und Unterspannungen oder eine Überlast der Stromversorgungen erkannt werden. Im Ergebnis wird so neben den Energieeinsparungen auch eine höhere Produktionssicherheit möglich.

Pneumatische und hydraulische Anlagen optimieren

Weitere Einsparungspotentiale finden sich in pneumatischen und hydraulischen Anlagen sowie bei thermischen Prozessen. In pneumatischen Anlagen wird die Druckluft mittels Kompressoren erzeugt und über ein weitverzweigtes Rohrleitungssystem in alle Fertigungsbereiche geleitet. Jede Schnittstelle birgt das Risiko von Leckagen, die bares Geld kosten. Um Energie einsparen zu können, müssen diese Verluste zunächst einmal erkannt werden. Mit Hilfe von Volumenstrommessern, Druckmessdosen und Sensoren wird der Druck

Der Stromsensor 789-620 von Wago misst kontinuierlich während des Betriebs den Strom. Er hat einen Messbereich von 0 bis 80 A DC bei einer Messgenauigkeit von 0,5 % vom Endwert.

luftverbrauch erfasst und die aktuellen Daten beispielsweise über I/O-Busklemmen in das Wago-I/O-System eingebunden. Eine Analyse der Druckluftverbräuche in der produktionsfreien Zeit, sei es in der Nacht oder am Wochenende, zeigen Leckagen und Schwächen in der Infrastruktur auf. Mehrere gut gewählte Messstellen machen eine exakte Fehlererkennung bereits im Frühstadium möglich. Auch die Bewertung von Hydraulikpumpen ist auf diesem Wege möglich. Das Regelverhalten von Heiz- und Kühlkreisläufe lassen sich über Temperaturfühler erfassen und Anlagen daraufhin optimieren. In Referenzprojekten der Initiative Energie Effizient konnte ein metallverarbeitender Betrieb durch entsprechende Messungen die Leckagerate um 5% reduziert und dadurch im Druckluftsystem 20% der Energiekosten einsparen. Bei der Erzeugung von Druckmedien lässt sich ebenfalls viel Energie einsparen. Denn die dazu eingesetzten Kompressoren und Hydraulikpumpen können sehr unterschiedliche Leistungsaufnahmen aufweisen, je nach dem, ob es sich um ältere ungeregelte oder drehzahlgeregelte Pumpen handelt sowie ob Frequenzumrichter zur Drehzahlregulierung verwendet werden. Letzteres kann den Energieverbrauch um bis zu 70% reduzieren.

Energiemanagement nach DIN EN 16001

Am 1. Juli 2009 hat die Europäische Normungsorganisation (CEN) die Norm für Energiemanagementsysteme (EnMS) «EN 16001 Energy Management Systems – Requirements with Guidance for use» veröffentlicht (deutsche Fassung: «DIN EN 16001 Energiemanagementsysteme – Anforderungen mit Anleitung zur Anwendung»). Diese neue Norm beschreibt die Anforderungen an ein Energiemanagementsystem, das Unternehmen in die Lage versetzen soll, den Energieverbrauch systematisch zu bewerten, um die Energieeffizienz kontinuierlich zu verbessern und Kosten zu senken. Anlagenbetreiber sind dazu angehalten, den Energieverbrauch im Rahmen eines Energiemanagementsystems kontinuierlich zu reduzieren. Das Ziel ist, die Verbräuche zu quantifizieren und zu dokumentieren, Abweichungen zu erkennen und Gegenmassnahmen zu ergreifen. Dabei geht es darum, diesen Prozess langfristig und vorausschauend anzugehen.

Steuerermässigungen bald nur für geprüfte Unternehmen

Für die verbindliche Einführung von Energiemanagementsystemen in der Industrie entwickelte die Bundesregierung ein vierstufiges Modell. Dieses sieht ab 2008 die Förderung von Massnahmen zur Einführung und Ausbildung sowie Entwicklung von Werkzeugen vor. Gefolgt von der Energiedatenaufnahme und Schaffung von Energiemanagementstrukturen ab 2011. Schon ein Jahr später soll die Einführung von Managementprozessen für eine kontinuierliche Verbesserung sorgen. Ab 2013 sind eine Fortschreibung der Energiemanagementsysteme, eine jährliche Prüfung sowie eine Zertifizierung vorgesehen. Wer zukünftig von Energie- und Steuerermässigungen partizipieren will, muss berücksichtigen, dass ab 2013 die Durchführung eines voll funktionsfähigen Energiemanagementsystems notwendig wird.

Offenes Automatisierungssystem

Da in einem produzierenden Betrieb die Energie an vielen verschiedenen Orten sowie in verschiedenen Formen (elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch) benötigt wird, ist zur Erfassung der Verbräuche ein dezentrales System erforderlich. Das feldbusunabhängige Wago-I/O-System nimmt alle relevanten Daten über verschiedenste I/O-Busklemmen wie die 3-PhasenLeistungsmessklemme oder ein serielles Schnittstellenmodul auf. Zur Übertragung der Daten kann ein klassischer Feldbus oder ein ethernetbasierter Bus verwendet werden (Profibus, Profinet, Ethernet, EtherNet/IP ...). Durch dieses offene Konzept lässt sich das Automatisierungssystem einfach in eine bestehende Automation integrieren oder kann vorhandene Systeme ergänzen. Die Feldbuscontroller unterstützen die Programmierung nach IEC 61131.

Die Verbrauchsdaten lassen sich auf dem Webserver im Controller transparent abbilden. So sind sie zu jeder Zeit von jedem Ort über das Netzwerk abrufbar.

Fazit

Einerseits fordern verschiedene Normen und Richtlinien (EN 16001 wie auch analog dazu die DIN 4602) die Industrie auf, geeignete Massnahmen zur Energieeinsparung vor zunehmen. Andererseits lässt sich mit diesen Massnahmen eine ansehnliche Rendite einfahren: Viele der Energieeffizienzprojekte amortisieren sich bereits nach zwei bis drei Jahren, was bei anderen betrieblichen Investitionen nur selten erreicht wird. Die Schwierigkeit liegt darin, an den richtigen Stellen zu investieren. Hier helfen Automatisierungskomponenten die Verbrauchsdaten einzusammeln und einem Energiemanagement zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der tatsächlichen Werte können dann individuelle Massnahmen formuliert werden – sei es die Optimierung der Beleuchtung, der Pumpen, der Klimaanlagen oder die Reduzierung von Leckagen und Verlustleistungen.

Ein Licht geht am Medienhimmel auf