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Messen in allen Prozessen

Energieeffizienz

Messen in allen Prozessen

Die Energieeffizienz von Anlagen lässt sich erst dann wirksam optimieren, wenn analysiert wird, wie der Verbrauch zustande kommt. Das Stahlwerk Thüringen überwacht die Effizienz an der Hydraulikstation der Walzgerüste mit einem eigenen Messsystem. Das anlagen- und maschinenübergreifende Werkzeug ermöglicht Ursachenforschung.

Bild: Stahlwerk Thüringen

Die Erzeugung von Rohstahl ist einer der energieintensivsten Prozesse in der Industrie und erfordert eine große Menge Strom. Nach Angaben der Wirtschaftsvereinigung Stahl (WV Stahl) bezieht die Stahlindustrie jährlich etwa 22 Terrawattstunden an elektrischer Energie. Das sind neun Prozent des industriellen Verbrauchs und vier Prozent des Gesamtverbrauchs in Deutschland. Die Stahlindustrie ist daher permanent gefordert, ihre Energieeffizienz zu verbessern, um aufgrund der am Standort Deutschland vergleichsweise hohen Energiekosten wettbewerbsfähig zu bleiben. Intelligente Messsysteme zur Erfassung der elektrischen Energie bilden die Grundlage für die Optimierung der Effizienz.

„Klassische Verbrauchszählersysteme reichen für eine qualifizierte Analyse der Energieeffizienz nicht aus – besonders dann nicht, wenn es sich um Inselsysteme handelt“, sagt Uwe Sontag, Fachverantwortlicher für Leistungselektronik und Antriebe in der Stahlwerk Thüringen GmbH (SWT). Der zum brasilianischen Konzern Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) gehörende Profilstahlproduzent nutzt für die Bestimmung der Energieeffizienz an den Walzgerüsten der Tandemstraße das Messsystem der IBA AG. „Die Technologie von IBA haben wir seit Anfang der 1990er Jahre in fast allen Prozessen unseres Walzwerks implementiert“, sagt Sontag.

Überwachen der Hydraulik

Seit 2011 sind verschiedene Komponenten des Systems zur energierelevanten Überwachung des Hydrauliksystems installiert, um den Energieverbrauch der hydraulischen Pumpen zu erfassen. Dank seiner breiten Konnektivität zu Anlagen verschiedener Hersteller ist das Messsystem in der Lage, die an der Hydraulikanlage ermittelten Energieverbräuche in Verbindung mit den Maschinen-, Prozess-, Material- und Qualitätsdaten anlagenübergreifend zu betrachten. So entwickelt sich das Thema Energieeffizienz zu einem Bestandteil des Condition Monitoring, also zur kontinuierlichen Anlagenüberwachung auf Basis einheitlicher Grenzwerte – in diesem Fall Energieverbrauchsgrenzwerte. Im Jahr 2013 kam der Stahlproduzent mit 680 Mitarbeitern auf eine Gesamterzeugung von 800.000 Tonnen Rohstahl. Zum Produktionskomplex zählen ein Elektrostahlwerk, in dem Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen zu Rohstahl eingeschmolzen wird, eine Stranggießanlage, das Profil-Warmwalzwerk mit Adjustagelinie sowie periphere Anlagen wie Schrottplatz und Elektroenergieeinspeisung.

Insgesamt werden über 200 Profile nach verschiedenen Normen gefertigt. An der Profilwalzstraße mit drei Gerüsten, die im Reversierbetrieb arbeiten, werden die Profile sowohl im Duo- als auch im Universalwalzverfahren hergestellt. Die Walzkraft wird mit einem Hochdruckhydrauliksystem, bestehend aus einer Sechs-Pumpen-Konfiguration, erzeugt. Die Arbeitspumpen der Hydraulikstation stellen den Druck zur Verfügung, der die Anstellung der Walzen der Gerüste ermöglicht. Der Walzspalt in den Gerüsten wird vor jedem Stich gemäß den Vorgaben eines Prozessrechners eingestellt. Dazu verfährt das hydraulische Anstellsystem die Position der Walzen. Während des Walzstichs, also wenn sich Material zwischen den Arbeitswalzen befindet, wird der Walzspalt über ein Regelsystem konstant gehalten. Dazu muss das Hydrauliksystem Arbeit verrichten. Der Energiebedarf des Hydrauliksystems schwankt also je nachdem, ob Material gewalzt wird oder nicht. Damit die Walzen zwischen den einzelnen Stichen nicht absacken, müssen die Hydraulikpumpen aber auch während dieser Prozessphase den Druck aufrechterhalten. „Solange die Anlage betrieben wird, muss die Hydraulikstation permanent Druck bringen, um die Walzen in einer bestimmten Position zu halten“, erklärt Uwe Sontag.

Die Arbeitspumpen der Hydraulikstation stellen den Druck zur Verfügung, der die Anstellung der Walzen ermöglicht. Bild: Stahlwerk Thüringen

Werte im Viertelstundentakt

Damit die Hydraulikpumpen reibungslos in einem kontinuierlichen Betrieb arbeiten, setzt das Unternehmen hydraulisch geregelte Pumpen ein, die nur auf Leistung gehen, wenn der Anlagendruck während der Anstellbewegung im Walzprozess abnimmt. Ohne diese Regelungen würden die Pumpen den zu viel geforderten Druck über Überdruckventile zum Tank leiten – eine energetisch ineffektive Methode. „Durch die Regelungen der einzelnen Pumpen wurde die Hydraulikstation hinsichtlich des Energieverbrauchs unübersichtlich. Es ist schwer festzustellen, welche Pumpen in welchem Arbeitsbereich betrieben werden, und ob dieser Arbeitsbereich energieoptimal ist“, sagt Uwe Sontag. Mit dereingesetzten Messtechnik war es möglich, den Mehrverbrauch der Pumpenstation festzustellen und zu überwachen, damit die Pumpen nicht mehr Energie aufnehmen, als sie für den Prozess benötigen. Für die monatliche Abrechnung mit dem Energieversorger benötigt das Stahlwerk Daten über die Stromaufnahme und die verbrauchte Energie in Viertelstundenwerten. Die Werte hierfür werden mit einem dafür geeichten Energiezähler ermittelt. Dieses Verfahren hat sich bei Industrieunternehmen für die Erfassung und Abrechnung der Wirkenergie etabliert, für die Energieoptimierung ist sie jedoch unzureichend.

„Mit dem konventionellen Energiezähler stellen wir fest, wie viel Energie wir im Durchschnitt am Tag verbraucht haben, aber nicht, wie wir zu dem Energieverbrauch gekommen sind“, sagt Uwe Sontag. Mit dem Messsystem kann das Stahlwerk hingegen den Energieverbrauch so überwachen, dass plötzlich oder schleichend auftretende Grenzwertüberschreitungen an den Pumpen rechtzeitig erkannt werden. Als Eingangsmodul zur Messgröße-Aufnahme nutzt der Stahlproduzent den Parallel-Analog-Digital-Umsetzer IBA Padu-8, der den Strom über einen Stromwandler von der Pumpe aufnimmt und misst. Damit erhält er acht analoge und acht digitale Eingangskanäle, die galvanisch voneinander getrennt sind. Über die Messung eines Ständerstroms und der dazu gehörigen Spannung können näherungsweise die Momentanleistung der Pumpe wie auch die Energieverbrauchswerte innerhalb der Viertelstundenschritte ermittelt werden. Über Lichtwellenleiter werden die Daten an das Messdatenerfassungssystem IBA PDA übermittelt, wo aus den gemessenen Größen Strom und Spannung die momentane elektrische Pumpenleistung berechnet wird, um so den Energieverbrauch, also die Leistung über die Zeit als Endwert zu erhalten.

Bei Überschreitung eines Grenzwertes liefert das Messdatenerfassungssystem ein Binär-Signal an die zentrale Leitstelle. Die Variable wird dort an ein Fremdsystem übergeben und im Klartext an einem Bildschirm angezeigt. Das Stahlwerk setzt auch zur Prozessanalyse Komponenten des selben Lösungsanbieters ein, zum Beispiel eine Software zur Analyse der Werte. Damit können Werte ohne Dateigrenzen aufgezeichnet und Daten über mehrere Jahre dargestellt werden.

Daten in Live-Darstellung

Ein weiteres Software-Add-on ist ‚IBA Q-Panel‘, mit dem zustandsabhängige Informationen in Echtzeit angezeigt werden. Qualitätsdaten und Messwerte werden in einer Live-Darstellung angezeigt und können miteinander in Beziehung gesetzt werden. Der Datenbankexport erfolgt mit dem individuell konfigurierbaren ‚IBA Dat Coordinator‘, der die Messdateienverarbeitung im ‚IBA Analyzer‘ automatisiert. Sowohl die Langzeitanalysen der hydraulischen Energiewerte als auch die Einbeziehung von Maschinen- und Anlagendaten über die Energieeffizienz hinaus, bilden die Basis für das Festlegen eines Gut-Werts. Dieser gibt Aufschluss darüber, in welchem Zustand die Hydraulikstation in einem energieoptimalen Zustand läuft. Uwe Sontag erklärt: „Durch unsere Analysen und entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen können wir den optimalen Wert für die Energieeffizienz immer wieder verbessern.“ Nach einer Reparatur beispielsweise konnte der Verbrauch der Pumpen und damit auch der Grenzwert für die Energieeffizienz um fünf Prozent gesenkt werden und bildet damit den neuen Gut-Wert.

Im kompletten Werk

Weiterer Vorteil des Systems: Die Analyse der Daten erfolgt nicht nur im Viertelstundenrhythmus. „Wenn ein elektrisches Problem an der Pumpe auftritt, haben wir auch dieses Ereignis als Rohdaten zur Verfügung und können es zusammen mit den Energiedaten auswerten“, sagt Uwe Sontag. Das Stahlwerk Thüringen hat das System im kompletten Werk eingesetzt hat. So können die Messergebnisse aus allen Prozessen miteinander in Beziehung gesetzt werden, Zusammenhänge werden in einem System komplett sichtbar. „Wir sehen, wo das Problem entstanden ist, das sich auf die Gerüste und damit auf die Hydraulikpumpen auswirkt“, sagt Sontag. Somit ist eine maschinen- und anlagenübergreifende Analyse möglich, weil das System auch Informationen des Produktionsplanungssystems mitliest – man kann genau feststellen, was passiert, wenn ein bestimmtes Produkt gewalzt wird.