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Netzwerk-Standard für höhere Energieeffizienz

Netzwerk-Standard für höhere Energieeffizienz

Um im Umfeld der Automatisierung ressourcen- und energieschonend zu arbeiten, spielt die Reduktion des Energieverbrauchs für nicht genutzte Produktionskomponenten eine wesentliche Rolle. Der Standard Profienergy unterstützt dazu das flexible An- und Abschalten von Komponenten und Anlagen.

Die Profibus-Nutzer-Organisation (PNO) hat zur Unterstützung einer flexiblen Anlagensteuerung ab dem Jahr 2008 das Profil ‚Profienergy‘ für das Energiemanagement in Produktionsanlagen definiert und im Januar 2010 die Version V1.0 verabschiedet. Diese setzt auf das Kommunikationsprotokoll Profinet auf, das einen offenen Industrial Ethernet Standard von Profibus und Profinet International (PI) für die Automatisierung darstellt. Die Abschaltung von Anlagenteilen erfolgt mit Profienergy nicht mehr über die Hauptschaltermethode, sondern gezielt, koordiniert und zentral gesteuert über das Profinet-Netzwerk. Produktionskomponenten werden damit nicht mehr über einen oder mehrere Hauptschalter vom Versorgungsnetz getrennt, was zu einer undifferenzierten Abschaltung von Fertigungseinheiten führt: Das allgemeine Versorgungsnetz bleibt aktiviert, während die Komponenten im Netzwerk – initiiert durch einen Befehl – in einen definierten Energiesparzustand übergehen und aus diesem auf die gleiche Weise wieder reaktiviert werden können. Einzelne Verbraucher bis hin zu ganzen Fertigungseinheiten können damit flexibel und kurzfristig abgeschaltet werden. Der Standard ist hersteller- und geräteunabhängig und allgemein verwendbar.

Unterstützung für variable Abschaltzeiten

Das Protokoll ermöglicht das Abschalten von Komponenten im Profinet-Netzwerk in geplanten wie auch ungeplanten Pausenzeiten – unabhängig davon, wie lange die Abschaltzustände andauern. Auch in kurzen Pausen lassen sich so Energieeinspraungen mit kurzfristiger Verfügbarkeit verbinden. Neben der gezielten Abschaltung einzelner Verbraucher oder ganzer Fertigungseinheiten unterstützt der skalierbar einsetzbare Standard auch die Messung des Energieverbrauchs von Geräten, sowie die Visualisierung der Energiebelastung. Damit wird es möglich, anhand von Messdaten den aktuellen Energiestatus einzelner Komponenten beziehungsweise einer gesamten Fertigungseinheit zu ermitteln.

Einfache Implementierung durch Funktionsbausteine

Bei der Verwendung von Profienergy ergeben sich im Vergleich zur herkömmlichen Hauptschaltermethode mehrere Vorteile: Als aktueller Standard für Energiemanagement im Anlagenbereich wird das Profil von zahlreichen Komponenten unterstützt. Zudem steht eine steigende Verbreitung des Standards zu erwarten, der sich unter Verwendung etablierter Mechanismen in bekannte Geräte und Produktfamilien integrieren lässt. Bestehende Programme können einfach durch nachladbare Funktionsbausteine zum ‚Profienergy Enabling‘ entsprechend erweitert werden; ladbare Funktionsbausteine (FB) unterstützen dabei. Der Anlagen- oder Maschinenbauer und der Anlagenbetreiber koordinieren dazu wie bisher die Aus- und Einschaltreihenfolgen sowie die Freigabesignale für den Prozess.

Der Aufbau von weiterem Automatisierungs-Know-how über das bereits im Unternehmen existierende Wissen hinaus ist daher nicht erforderlich. Dass durch die gezielte Ein- und Abschaltung nicht benötigter Geräte im Netzwerk Energiekosten gespart werden, zeigt auch das PI Whitepaper ‚The Profienergy Profile‘ vom März 2010: Je nach Anwendungsszenario konnten demnach bis zu 69 Prozent Energie eingespart werden. Außerdem lässt sich durch koordiniertes Schalten eine hohe Anlagenverfügbarkeit mit geringen Stillstandszeiten erreichen.

Simatic-Net-Kommunikationsprozessoren und Profienergy-Unterstützung

Controller und Komponenten im Zusammenspiel

Bei der Profienergy-Implementierung muss zwischen Controller- und Device-Funktionalität unterschieden werden: Ein Profienergy Controller kann auf einfache Weise den Ruhezustand unterlagerter Geräte oder ‚Devices‘ aktivieren oder deaktivieren. Die Abschaltung beziehungsweise Reaktivierung von Produktionskomponenten oder -linien mit mehreren Profienergy Devices erfolgt über Funktionsbausteine im Anwenderprogramm des Profienergy Controllers, der die Kommandos ‚StartÜPause‘ oder ‚EndÜPause‘ absetzt.

Diese Kommandos werden von profienergyfähigen Geräten direkt interpretiert, die sich je nach Kommando ab- oder einschalten. So kann beispielsweise der Kommunikationsprozessor CP 343-1/CP 443-1 unterlagerte Geräte anhand von Kommandos in unproduktiven Zeiten in einen Energiesparmodus versetzen, sowie Informationen über den aktuellen Energiezustand und weitere Informationen anfordern. Dabei kann der Controller flexibel verwendet werden – je nachdem, wie das Anwenderprogramm gestaltet wird. Der Prozessor wiederum schaltet sich dabei nicht selbst ein- oder aus, sondern er ist ebenfalls an einen übergeordneten Profienergy Controller angebunden. Im Anwenderprogramm kann so zum Beispiel festgelegt werden, dass der Prozessor je nach Kommando, das er vom überlagerten Profienergy Controller erhält, unterlagerte Geräte aktivieren oder deaktivieren soll.

Auch erfasste Prozesswerte – wie zum Beispiel der aktuelle Energieverbrauch oder die minimale beziehungsweise maximale Dauer zum Hochfahren – können aus der zentralen oder dezentralen Peripherie durch das Anwenderprogramm vorverarbeitet und über eine Profinet-Schnittstelle dem übergeordneten Controller zur Verfügung gestellt werden.

Verwendung ohne Projektierungsaufwand

Seit dem Jahr 2010 unterstützen Siemens-Automatisierungsprodukte neben Profinet auch Profienergy. Das Portfolio an profienergy-fähigen Produkten wurde seitdem sukzessive erweitert; ab 2012 unterstützen auch die Kommunikationsprozessoren Simatic Net S7-300 und S7-400 den Standard. Diese Funktionalität wird per Firmware-Update bereitgestellt, wodurch die Investition in neue Geräte entfällt. In der Simatic S7-300 fungiert der CP343-1 Advanced als Profienergy Controller. Der Prozessor trennt das überlagerte Industrial-Ethernet-Netzwerk vom unterlagerten Profinet-Netzwerk auf Feldebene und gibt Kommandos an die unterlagerten Geräte. Ein wesentlicher Vorteil in diesem Zusammenhang ist, dass eine Projektierung in Werkzeugen wie Step7 nicht erforderlich ist. Die Verwendung von Profienergy erfordert lediglich eine Erweiterung des bestehenden Anwenderprogramms.

Gezieltes Ansteuern von Verbrauchern

Als hersteller- und geräteunabhängige Datenschnittstelle auf Profinet-Basis erlaubt Profienergy, Verbraucher gezielt abzuschalten und wieder zu aktivieren. Kurze Produktionsstillstandszeiten lassen sich so genauso zur Senkung des Energieverbrauchs nutzen wie arbeitsfreie Schichten. Das Zu- und Abschalten von Anlagenteilen läst sich damit im Gegensatz zur Steuerung per Hauptschalter gezielt, koordiniert und zentral über das Profinet-Netzwerk regeln. Fertigungseinheiten und Produktionskomponenten werden somit nicht mehr undifferenziert vom Versorgungsnetz getrennt, und Unternehmen erhalten ein vielseseitiges Werkzeug zur Unterstützung einer effizienten Anlagenkonfiguration.

 
Anlagenkonfiguration mit Profienergy
Bild: Siemens AG

Anlagenkonfiguration mit Profienergy

Eine typische Profienergy-Konfiguration für eine Automatisierungslösung lässt sich auf Basis der Simatic-Steuerungsfamilie S7-300 erstellen, die mit einem CP 343-1 Advanced Controller arbeitet. Als Profienergy-Geräte kommen Powermodule der Motorstarter ET200S, CP 343-1 Lean sowie der Sirius Motorstarter M2000 zum Einsatz. Jede ET200S steuert eine eigene Maschineninsel an, die Simatic S7-300 steuert eine Klimaanlage. Durch die Verwendung von Profienergy-Funktionalität ist eine „automatisierte Hauptschaltermethode“ implementiert, manuelles An- und Ausschalten von Anlagenteilen entfällt. Wird zum Beispiel Maschineninsel 1 nicht genutzt, kann die Anlage über ein entsprechendes Kommando durch den CP 343-1 Advanced als Profienergy Controller in den Energiesparmodus versetzt werden. Empfängt das Powermodul das Signal, schaltet es die Last- und Geberversorgung bis zu einem im Anwenderprogramm festgelegten Zeitpunkt ab. Während sich das Powermodul der ET200S wie auch der Sirius-Motorstarter anhand von Kommandos deaktivieren können, empfängt der CP 343-1 Lean ein Kommando und quittiert es dem überlagerten Controller – schaltet sich jedoch nicht selbst ab. Wäre das Anwenderprogramm entsprechend implementiert, so könnte auch der CP 343-1 Lean ein Ausschalt-Kommando empfangen und an die unterlagerte Klimaanlage weiterleiten, die sich dann ausschalten würde. Der CP selbst bleibt aktiv und wird zu keinem Zeitpunkt in den Energiesparmodus versetzt.