Energiemanagement auf Tastendruck

Energieeinsparung gewinnt in der Industrie zunehmend an Bedeutung wegen steigender Energiekosten, strengerer Umweltauflagen oder einer angestrebten Zertifizierung nach der internationalen Norm zur Energieeffizienz EN16001. 40 Prozent des Gesamtstromverbrauchs entfielen laut EU-Kommission im Jahr 2007 auf die industrielle Produktion. Davon allein 70 Prozent auf elektrische Antriebssysteme. Der Anteil der Werkzeugmaschine am Energiebedarf kann je nach Unternehmen bis zu 68 Prozent betragen. Energieeffizienz in der Fertigung trägt somit entscheidend zur Kostenreduktion von Anlagen bei und verbessert so die Wettbewerbsfähigkeit.

Vor diesem Hintergrund hat Siemens eine energetische Betrachtung der einzelnen Komponenten der Werkzeugmaschine durchgeführt, um signifikante Einsparungen im Energieverbrauch zu erzielen. Mit Sinumerik Ctrl-Energy bietet Siemens ein breites Lösungsspektrum, bestehend aus Sinamics-Antriebssystemen und Motoren, CNC- und Antriebsfunktionen, PC-Softwarelösungen sowie Dienstleistungen. Es deckt den gesamten Lebenszyklus der Maschine ab – von der Maschinenkonstruktion über die Nutzungsphase der Maschine bis hin zur teilweisen oder kompletten Runderneuerung.

Funktionen für das Energiemanagement

Mit der Tastenkombination ‚Ctrl' und ‚E' auf der Bedientafel ermöglichen die Sinumerik-Steuerungen eine schnelle Auswertung des Energieverbrauchs der Maschine sowie das Management des Energieverbrauchs in Stillstandszeiten. Mit der Funktion Ctrl-E-Analysis erfassen sie nicht nur den Energieverbrauch des Antriebssystems, sondern den Energieverbrauch der gesamten Maschine. Dies ermöglicht dem Maschinenanwender, den Energieverbrauch pro Werkstück zu analysieren und daraus Verbesserungen bei der Bearbeitungsstrategie abzuleiten. Mit Hilfe der Funktion Ctrl-E-Profiles kann der Maschinenhersteller Energiespar-Modi der Maschine projektieren. Damit lassen sich Energieverbraucher in Stillstandszeiten gezielt abschalten.

Integrierter Antriebsstrang als Kern

Sinamics-S120-Antriebssysteme erlauben dynamisches Energiemanagement im Zwischenkreis und verfügen über eine effiziente Netzrückspeisung. Damit wird die anfallende Bremsenergie nicht mit Bremswiderständen in Wärme umgewandelt, sondern vorerst im Zwischenkreis gehalten und optional ins Stromnetz zurückgespeist. Die integrierten Antriebsmodule von Siemens erreichen einen Wirkungsgrad von 97 bis 99 Prozent. Mit einem Wirkungsgrad von bis zu 94 Prozent bei Synchrontechnik und bis zu 91 Prozent bei Asynchrontechnik bildet auch das Motorenspektrum von Siemens eine Basis für energieeffiziente Maschinenkonzepte.

In einer typischen Werkzeugmaschine entfallen mehr als 50 Prozent des Energieverbrauchs auf Nebenaggregate wie Hydraulikversorgung oder Kühl- und Schmieraggregate. Energiesparende 1LE-Normasynchronmotoren, die der ab 16. Juni 2011 gültigen EU-Verordnung 640/2009 entsprechen, bieten mit einem Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent wesentliche Potenziale zur Effizienzverbesserung der Nebenaggregate. Durch den Einsatz von Sinamics-G120-Frequenzumrichtern kann die Drehzahl und somit der Energieverbrauch der Nebenaggregate an die jeweiligen Prozessanforderungen angepasst werden.

Sinamics-S120-Antriebssysteme ermöglichen eine automatische Flussabsenkung im Teillastbetrieb von Asynchronspindeln und verringern dadurch unnötige Wärmeverluste. Mit intelligenten Ein- und Rückspeisemodulen des Sinamics S120 kann die Blindleistung der kompletten Maschine vollständig kompensiert werden, so dass keine kostspieligen und verlustbehafteten Blindstromkompensationsanlagen beim Endanwender benötigt werden.

Der Aufbau des Schaltschranks und das damit verbundene Entwärmungskonzept haben einen merklichen Einfluss auf die Energiebilanz einer Maschine. Maschinenbauer erhalten von Siemens auf Wunsch einen kompletten, optimal dimensionierten Schaltschrank – auch unter energetischen Gesichtspunkten. Dafür gibt es verschiedene Kühloptionen, darunter zum Beispiel die ‚ Cold Plate'-Variante oder direkte Flüssigkeitskühlung, die den Klimatisierungsbedarf des Schaltschranks reduziert und die Abwärme der Antriebe an anderer Stelle als Prozesswärme für den Kunden nutzbar macht.

Hilfsmittel zur Antriebsauslegung

Das von Siemens bereitgestellte Projektierungs-Tool Sizer zur Antriebsauslegung berechnet den Energieverbrauch und die Verluste bei den zu erwartenden Lastzyklen (Hochlauf, Leerlauf, Lauf unter Last, Abbremsen, Zykluszeiten) sowie den Einfluss einer Rückspeisung. Damit wird eine einfache Bewertung der Energieeffizienz alternativer Motor-Umrichter-Kombinationen möglich. Die Auslegung der Vorschubachsen- und Hauptspindelantriebe kann damit in Bezug auf den Prozess und die darin zu erwartenden zyklischen Abläufe optimiert werden, insbesondere kann eine Überdimensionierung, auch der Einspeisung, vermieden und der Energieverbrauch minimiert werden.

Mit dem Mechatronic Support bietet Siemens eine Dienstleistung zur ganzheitlichen mechatronischen Optimierung der Antriebssysteme einer Werkzeugmaschine an. Dabei fließen die dynamischen Eigenschaften der Antriebstechnik von Siemens realitätsgetreu in die Simulationen von Neumaschinen ein. Durch die gezielte iterative Optimierung in der Konstruktion werden dabei zum Beispiel die bewegten Massen ohne Beeinträchtigung der Produktivität oder der Lebensdauer reduziert – wodurch für gleiche Performance weniger Arbeit aufzuwenden ist und Antriebe mit geringerer Nennleistung in Betracht kommen. Als Resultat können aber auch Kugelrollspindeln oder Getriebemotoren durch Linear- oder Torque-Motoren eingesetzt und so Getriebeverluste vermieden werden.

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