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Energiemanagement

Energieeffizient vernetzen

Die durch Beleuchtung, Heizung und Klimatisierung entstehenden Energiekosten werden bei Effizienzinitiativen oft vernachlässigt. Die Vernetzung von Produktionssystemen und Gebäudeautomation eröffnet dabei neue Wege für energieeffiziente Produktionsstätten. In dem vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderten Projekt ‚Big‘ arbeitet das Fraunhofer IPT mit zwei Industriepartnern an einer adaptiven Steuerung für besonders relevante automatisierbare Komponenten.

Energiemanagement & Produktionsstätten - Energieeffizient vernetzen | Aufmacherbild

Bild: ©NiC/Fotolia.com

Aus der Umsetzung von Industrie 4.0 in der Produktion ist bekannt, dass mit der Einbindung verschiedenster Sensoren und intelligenter Regelungssysteme einzelne Fertigungsschritte sowie gesamte Fertigungsabläufe in Echtzeit überwacht, digital modelliert und automatisiert gesteuert werden können. Systematische Vernetzung, digitale Modellierung und die adaptive Auslegung bzw. Gestaltung, etwa von flexibel einsetzbaren Arbeitsbereichen, sind dabei drei Kerngedanken. Es liegt nahe, diese Erkenntnisse auch auf Teile der automatisierbaren Komponenten auszuweiten, die nicht direkt an der Produktion beteiligt sind, wie beispielsweise die Heizung oder oder die Klimaanlage. In einer Produktionsumgebung sind im Gegensatz zu Privathaushalten zentralisierte Steuerungssysteme bei der Automatisierung der Gebäudeperipherie noch eher unüblich. Vielmehr orientieren sich aktuelle Systemlösungen in diesem Bereich lediglich an manuell eingespeisten Sollwerten, welche den einzelnen Peripherien isoliert zugespielt werden. So können zwar Sollwerte erreicht werden – eine bedarfsgerechte und effiziente Gebäudesteuerung liegt allerdings nicht vor. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie hat das Fraunhofer IPT den Industrie 4.0-Ansatz auf die Peripheriesteuerung in Produktionsstätten übertragen. Ziel des ‚Big‘-Projektes ist es, neben Energieeinsparungen auch den Komfort der industriellen Räumlichkeiten zu verbessern.

Systematische Vernetzung

Durch Temperaturfühler, Feuchtigkeitssensoren und andere Messgeräte können Steuerungssysteme in Produktionsstätten spezielle Zustände wie die Raumtemperatur oder die Luftfeuchtigkeit erkennen. Um den vorgegebenen Sollzustand zu erreichen, steuern sie die entsprechende Peripherie. Interne sowie externe Faktoren, wie beispielsweise die Maschinenbelegung oder die Außentemperatur, haben meist starke Einflüsse auf die gemessenen Zustände, werden jedoch von der Steuerung nicht beachtet. Die Konsequenz sind ineffiziente und langsame Regelungsverläufe. Durch die systematische Vernetzung der Peripheriesteuerung mit Daten aus der Produktionsplanung und -steuerung (PPS) diese Regelungsverläufe verbessert werden. Mittels geeigneter Schnittstellen zur PPS werden der zentralen Steuerung Daten wie Schicht- und Belegungspläne bereitgestellt. Daraus leiten sich die Anforderungen an Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit und Helligkeit für verschiedene Fertigungsbereiche ab. Insbesondere jene Bereiche der Produktionshalle, welche zeitweise nicht genutzt werden, haben meist nur sehr geringe Anforderungen und benötigen daher nur geringen bis keinen Peripherieaufwand. Die direkte Kopplung der Steuerung mit einem Wetterdienst lässt zudem Wetterdaten in die Steuerung einfließen. Eine lokal installierte Wetterstation kann zusätzlich spezielle Kenngrößen direkt am Produktionsstandort erfassen und gleicht diese mit den Daten des Wetterdienstes ab. So können äußere Wettereinflüsse auf die Innentemperatur bewertet und für die Steuerung genutzt werden – beispielweise als Faktor für die benötigte Aufwärmzeit eines Fertigungsbereiches.

Digitale Modellierung

Schichtpläne sowie die Maschinen- und Raumbelegung sind wichtige interne Kenngrößen, mit denen sich die Innentemperatur einer Produktionsstätte modellieren lässt. Umgebungstemperatur, Sonnenstrahlung und Windstärke stellen wichtige externe Größen dar. Die Abmessung der Fertigungshalle und die thermischen Eigenschaften der verwendeten Baustoffe beschreiben das Produktionsgebäude und liefern somit damit statische Kennzahlen. Hinzu kommen die Einflüsse der Peripherie, zum Beispiel Heizung, Belüftung und Beleuchtung. Auf der Grundlage eines vereinfachten thermodynamischen Modells werden alle relevanten Informationen verarbeitet und digitalisiert. Das daraus entstandene digitale Abbild der Produktionsstätte repräsentiert das thermische Verhalten des Gebäudes sowie die Einflüsse der Peripherie auf die Klimaentwicklung. Der Transfer von der realen zur virtuellen Welt ermöglicht Analyse und Überwachung des Raumklimas sowie eine prädiktive Peripheriesteuerung auf Basis der Daten aus der PPS und der Wetterprognose.

Adaptive Auslegung

Das digitale Modell dient als Basis für die zentrale Steuerung und prognostiziert das Klima innerhalb der Produktionsstätte. Die Sollwerte für Raumtemperatur und Beleuchtungsstärke werden durch die PPS für jeden Arbeitsbereich festgelegt. Darauf aufbauend wählt der Regler prädiktiv, beispielsweise für die nächsten 15 Minuten, eine geeignete Schaltung der Peripherie, um den Sollzustand möglichst effizient und schnell zu erreichen. Modellbasierte, prädiktive Regler stellen eine Alternative zur konventionellen Steuerung dar. Nicht nur jener Energieverbrauch, welcher durch Peripherie während der Produktion entsteht, kann reduziert werden – sondern auch solcher, der bei Nacht, an Wochenenden oder Feiertagen, also bei längerer Produktionspause, entsteht. Durch die zentrale Steuerbarkeit der automatisierbaren Komponenten wird eine adaptive und bedarfsgerechte Steuerung realisiert. Diese steuert energiesparende Komponenten abhängig von Wetterprognose und Produktionstätigkeiten bevorzugt als Stellgröße an. Besteht beispielsweise Heizbedarf, so ermöglicht das Öffnen der Jalousien einen Wärmegewinn durch Sonnenschein. Ist der entsprechende Bereich belegt, kann gegebenfalls schon die durch Menschen oder Maschinen abgestrahlte Wärme ausreichen. Heizleistung wird dann nicht benötigt. Besteht Kühlbedarf, existieren verschiedene Möglichkeiten, um den natürlichen Wärmegewinn zu reduzieren, beispielsweise durch das Schließen der Jalousie bei strahlendem Sonnenschein oder eine Belüftung während der Nacht.

Energie sparen

Die Entwicklung der Gebäudesteuerung umfasst drei Kerngedanken der Industrie 4.0. Die Vernetzung bisher getrennt agierender Fachbereiche (Gebäudeautomation, Meteorologie und Produktion) ermöglicht die digitale Modellierung der Klimaentwicklung innerhalb einer Produktionsstätte. Darauf aufbauend wird eine zentrale Steuerung der Peripherie entwickelt. Das daraus resultierende Automatisierungskonzept kann gegenüber einem konventionellen Steuerungssystem ein Einsparungspotential von bis zu 40 Prozent bei der Peripherieenergie ermöglichen.

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