Wie drehzahlvariable Antriebskonzepte mit Datentransparenz den Energieverbrauch senken

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Die Motorsteuerung erhält von einem Sensor Daten zum Druck im hydraulischen System und passt darauf basierend die Drehzahl des Motors an den Volumenstrombedarf der hydraulischen Verbraucher an. Dieses „Power-on-Demand“-Konzept ermöglicht auch die Versorgung mehrerer paralleler Prozesse mit einem ähnlichen Bedarf an Volumenstrom und Druck, wobei die Ansteuerung der verschiedenen Aktoren über Wege-, Proportional- oder Servo-Ventile erfolgen kann. Dabei profitieren Nutzer dieser Konfiguration zusätzlich von einer höheren Maschinenlebensdauer dank geringerer Wärmeerzeugung, höherer Bedienersicherheit, einem kompakten Design sowie verbessertem Komfort durch Senkung des Geräuschpegels der Pumpe.

Energieeinsparungen von mehr als 50 %

Mit einem gemeinsam mit dem Solution Partner ATP Hydraulik AG entwickelten Maschinenmodell konnte Eaton die Energieeffizienz dieses Antriebskonzepts veranschaulichen. Dabei wurden drei Hydraulikaggregate parallel betrieben – ein Aggregat arbeitet als Basis-Lösung mit konstanter Drehzahl von Motor und Pumpe, beim zweiten kam die Servo-Lösung mit Servo-Regler zum Einsatz, beim dritten schließlich ermöglicht ein Drehzahlstarter die Regelung der Hauptpumpe in Abhängigkeit der tatsächlich benötigten Leistung. So erlaubt das Maschinenmodell den direkten Vergleich der Einheiten hinsichtlich Dynamik, Energieverbrauch und Gesamtbetriebskosten. Dabei wurden die Vorteile des drehzahl-variablen Hydraulikaggregats deutlich: Ausgehend von der Basis-Lösung konnte gezeigt werden, dass mit dem „Power-on-Demand“-Konzept Energieeinsparungen von rund 60 Prozent erzielt werden können.

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Dieses Einsparungspotenzial hat Eaton auch in der Praxis bestätigt: Im Rahmen einer Retrofit-Maßnahme einer 20 Jahre alten 50 t-Spritzgussmaschine. Ihre Hydraulikeinheit wurde bis dato mit einem konventionellen 15 kW Asynchronmotor konstant angetrieben. Der Volumenstrom der Pumpe wird mechanisch gesteuert; selbst bei einem geringen Volumenstrom treibt der Motor die Pumpe konstant mit 1500 Umdrehungen an und verbraucht entsprechend viel Energie.

Dieser Antrieb wurde daher mit Hilfe eines Frequenzumrichters (Eaton PowerXL DA1), eines Permanent-Magnet-Motors und einer Axialkolbenpumpe (Eaton 425 Kolbenpumpe) modernisiert. Indem der Motor lastabhängig geregelt und ihm nur Leistung abverlangt wird, wenn der Prozess es erfordert, konnte der Energieverbrauch von 5,6 kWh auf 2,8 kWh gesenkt werden – also um rund 50 Prozent. Unter der Annahme, dass die Maschine 300 Tage im Jahr in zwei acht Stunden Schichten läuft, betragen die jährlichen Energieeinsparungen pro Maschine 2016 Euro. Die Amortisationszeit beträgt in diesem Fall 2,2 Jahre.

IoT-ready für Cloud-basiertes Energiemanagement

Die Reduzierung des Energieverbrauchs ist aber nur der erste Schritt auf dem Weg zu einem energieeffizienten System. Der nächste ist die Schaffung der Voraussetzung für ein Energiemanagementsystem. Nur durch eine umfassende Aufzeichnung und Analyse der Energie- und Maschinendaten lassen sich hierfür der Energieverbrauch überprüfen, Optimierungsmöglichkeiten identifizieren und die Wirkung umgesetzter Maßnahmen kontrollieren. Das setzt den Einsatz einer Vielzahl von Sensoren voraus, zum Beispiel für die Messung von Drücken, Positionen oder Temperaturen sowie Informationen zu den Betriebszuständen jeder einzelnen Komponente.

Bei der herkömmlichen Einzelverdrahtung bedeutet das einen erheblichen Zusatzaufwand für Leitungen und Verkabelung, um die Informationen von der jeweiligen Komponente zur speicherprogrammierbaren Steuerung zu übermitteln. Ein intelligentes Verbindungssystem auf Geräteebene wie Eatons Smartwire-DT bietet im Vergleich hierzu deutliche Vorteile. Mit ihm lassen sich Komponenten wie Schaltgeräte, Leistungsschalter, Befehls- und Meldegeräte, Sensoren und Aktoren anstelle der aufwendigen Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung über eine einzige Leitung miteinander verbinden. Die Leitung versorgt die angeschlossenen Geräte mit Strom und übernimmt gleichzeitig die Datenkommunikation. Gleichzeitig werden die Standardkomponenten mit Hilfe eines ASIC-Bausteins in intelligente und kommunikationsfähige Einheiten verwandelt.

Da die E/A-Module von SmartWire-DT in Schutzart IP67 verfügbar sind, lassen sich auch Sensoren und Aktoren im Feld anschließen. So können Daten einer Maschine oder Anlage, zum Beispiel zur Überwachung der Vertikalbewegung der Zylinder, der Temperatur oder des Druckes, einfach erfasst und für ein Energiemanagement genutzt werden. SmartWire-DT bietet über Gateway-Module die Möglichkeit, das System an alle gängigen Steuerungen und Feldbussysteme wie Profibus, Profinet, CANopen, Modbus-TCP, Ethernet/IP, Powerlink oder Ethercat anzubinden – sowie an das Internet, und macht es somit IoT-ready. Werden Steuergeräte mit OPC-UA Interface eingesetzt, können alle Daten – bis hinunter zur Geräteebene – z.B. für eine Cloud-basierte Energiemanagement-Software zur Verfügung gestellt werden.

* Der Autor ist Manager Mechatronic Technologies bei Eaton

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