DE102012104493A1

DE102012104493A1 - Verfahren zum Betrieb von Produktionsmaschinen/Kunststoff verarbeitenden Maschinen

Info

Publication number: DE102012104493A1
Application number: DE201210104493
Authority: DE
Inventors: Reinhard Schiffers; Felix Alexander Heinzler
Original assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2012-11-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Produktionsmaschinen, insbesondere von Kunststoff verarbeitenden Maschinen, zur Verfügung gestellt, mit folgenden Schritten: – Verbinden einer Mehrzahl von Produktionsmaschinen eines Produktionsmaschinenparks mit einem maschinenunabhängigen übergeordneten Mastersystem über ein Datennetzwerk, – Hinterlegen von typischen Daten für bestimmte Lastwerte zur Leistungsaufnahme in den Produktionsmaschinen und/oder Messen und Hinterlegen von Daten zur Leistungsaufnahme in den Produktionsmaschinen mittels Leistungsmessgeräten, – Speicherung der Daten in einer Datenbank, – Übermittlung der Daten an das Mastersystem, – Auswertung der Daten durch das Mastersystem, – Steuern oder Regeln der Leistungsaufnahme der einzelnen Produktionsmaschinen, wobei das Mastersystem die Leistungsaufnahmen der sich in einem Produktionszyklus befindlichen Maschinen überwacht und feststellt, ob zu einem zukünftigen Zeitpunkt eine unzulässige Lastspitze entsteht und/oder eine Produktionsmaschine vor Beginn eines Produktionszyklus bei dem Mastersystem anfragt, ob der Produktionszyklus starten kann, wobei das Mastersystem in den Prozessablauf einer oder mehrerer Produktionsmaschinen eingreift und/oder eine Produktionsmaschine vom Starten eines Produktionszyklus abhält, wenn ohne das Eingreifen des Mastersystems zu einem zukünftigen Zeitpunkt eine Lastspitze entstehen würde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Produktionsmaschinen, insbesondere von Kunststoff verarbeitenden Maschinen sowie eine Produktionsmaschinenanordnung.
Werden an einem Produktionsstandort mehrere Produktionsmaschinen betrieben, ist die Energieversorgung insbesondere bei den Anfahr- und Betriebsprozessen ein zentraler Aspekt der Infrastruktur des Produktionsstandorts. Um einen störungsfreien Betrieb der Produktionsmaschinen zu gewährleisten, muss die Energieversorgung auf den maximalen Leistungsbedarf der Produktionsmaschinen ausgelegt sein. Des Weiteren muss der Standort ein Leistungsstandardnetz zur Verfügung stellen, das den Energiebedarf der zu verkraftenden Maximalleistung für den gesamten Maschinenpark decken kann.
Bekannt sind Maßnahmen zur Verringerung des Energieverbrauchs von einzelnen Maschinen, indem für eine jeweilige Maschine eine Energiebilanz erstellt wird, die als Basis für die Energieverbrauchsbestimmung bzw. der Leistungsbedarfsermittlung von Produktionsstandorten dienen.
Beim Produktionsbetrieb von mehreren Produktionsmaschinen an einem Standort kann es bedingt durch eine zeitlich stark variierende elektrische Leistungsaufnahme in den verschiedenen Produktionszyklen an den Produktionsmaschinen durch Überlagerungseffekte zu Lastspitzen im internen Versorgungsnetz kommen. Daher wird zur Betriebssicherheit der Produktionsmaschinen an einem Standort der Energiebedarf anhand der von jeder Maschine benötigten Leistungsspitzen bestimmt.
Diese sind insbesondere im Falle von Spritzgießmaschinen beim Anfahren und Aufheizen der Maschine besonders ausgeprägt. Die zur Verfügung gestellte Leistung an einem Produktionsstandort orientiert sich daher an der Summe der von jeder Maschine benötigten Maximalleistung.
Wird diese Maximalleistung durch eine mangelhafte Koordination, beispielsweise bei Anfahrprozessen einer Vielzahl von Produktionsmaschinen benötigt, kann es zu Spitzenwerten im Leistungsbezug vom Energieversorgungsunternehmen kommen, wodurch die Kosten für den Energiebezug stark ansteigen können. Die Lastspitzen können am Produktionsstandort sowohl zur Überlastung der betriebsinternen Infrastruktur und damit zu einer Verringerung der Netzqualität, als auch, im ungünstigsten Fall, zu vollständigen Stromausfällen führen. Zudem entstehen hohe Kosten für das Versorgungsnetz, wenn vom Energieversorger kurzfristig hohe Spitzenlasten bereit gestellt werden müssen.
Wenn mehrere Produktionsmaschinen, die vor dem Beginn des eigentlichen Produktionsprozesses elektrische Energie, beispielsweise zum Vorwärmen, benötigen, hochgefahren werden, so geschieht das üblicherweise manuell gesteuert über einen Maschinenbediener. Der Prozess an mehreren Produktionsmaschinen wird auf diese Weise nicht übergeordnet überwacht.
Zur Vermeidung dieser mangelhaften Koordination ist es aus der DE 10 2008 016 869 A1 bekannt, bei einer Maschinenanordnung mit einer Mehrzahl von Produktionsmaschinen, insbesondere von Kunststoff-Spritzgießmaschinen, eine der Produktionsmaschinen als vorrangige Führungsmaschine auszulegen, die mit den verbleibenden nachrangigen Produktionsmaschinen über ein Datennetzwerk zum Austausch von Steuerungsdaten verbunden ist. Die Führungsmaschine ist ferner mit einer zentralen Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung zumindest der Einschaltvorgänge der nachrangigen Produktionsmaschinen über das Datennetzwerk ausgerüstet.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2007 052 233 A1 eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Antrieben mit jeweils einem Leistungssteller, vorzugsweise einem Frequenzumrichter. Um den Energiebedarf und somit die Kosten für den Leistungssteller gering zu halten, weist die Vorrichtung wenigstens einen zusätzlichen auf Spitzenlast ausgelegten Leistungssteller auf, der jedem Antrieb bei Bedarf zugeschaltet werden kann, damit diesem kurzzeitig eine Spitzenlast zur Verfügung gestellt werden kann. Mit diesem zusätzlichen Leistungssteller kann somit jeder antriebsseitige Leistungssteller, der die eigentliche Dauerleistung liefert, elektrisch verbunden werden und dadurch die Spitzenlast erbringen und an den Antrieb liefern.
Die bekannte Maschinenanordnung mit einer steuernden Führungsmaschine sowie die Energieversorgungsvorrichtung ermöglichen keine zufriedenstellende zentrale Erfassung und Zuordnung sowie Beeinflussung des Energieverbrauchs des Maschinenparks, beispielsweise über die Anfahr- und Betriebsprozesse. Dadurch kann die vorhandene elektrische Infrastruktur nicht optimal ausgenützt werden und Optimierungspotentiale nur unzureichend erzielt werden.
Bei der Planung und Neuerstellung der Infrastruktur von Maschinenparks müssen übermäßig große Reserven für Spitzenlasten berücksichtigt werden.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Energieversorgung eines Produktionsmaschinenparks hinsichtlich ihrer Betriebssicherheit und der maximalen Versorgungsleistung zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Produktionsmaschinenanordnung gelöst.
Erfindungsgemäß wird dazu ein übergeordnetes maschinenunabhängiges System, im folgenden "Mastersystem" genannt, zur Verfügung gestellt, das der Koordination der elektrischen Leistungsaufnahme mehrerer Produktionsmaschinen, also des Maschinenparks, dient. Dazu wird das Mastersystem mit mehreren Produktionsmaschinen verbunden. Das Mastersystem greift dabei zumindest steuernd, gegebenenfalls auch regelnd in die Leistungsaufnahme zur Energieversorgung jeder der einzelnen Produktionsmaschinen ein. Dazu werden die jeweiligen Eckdaten, also die maschinenspezifischen Leistungsdaten, zur Leistungsaufnahme in den jeweiligen Produktionsmaschinen hinterlegt.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Eingriff in den Produktionsprozess bzw. ein Eingriff in einen Produktionszyklus und somit ein Eingriff in die Leistungsaufnahme einer Produktionsmaschine, insbesondere einer Kunststoff verarbeitenden Maschine, nur zu Beginn oder am Ende eines Prozessdurchlaufs oder Produktionszyklus sinnvoll ist. Beispielhaft bedeutet dies bei einer Spritzgießmaschine, dass zum Einen vor, während oder nach dem Schließen des Werkzeugs und/oder dem Schließkraftaufbau und zum Anderen nach dem Öffnen des Werkzeugs ein Eingriff in die Leistungsaufnahme sinnvoll ist. Eingriffe zu anderen Zeitpunkten des Produktionszyklus haben zum Teil erhebliche negative Folgen hinsichtlich der Qualität des hergestellten Teils.
Eine Möglichkeit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dem Mastersystem die Leistungsaufnahme jeder einzelnen der an das Mastersystem angeschlossenen Produktionsmaschinen zu jedem Zeitpunkt des Produktionszyklus bei der Produktion bekannt ist, d.h. beim Einrichten des Mastersystems in einer dafür vorgesehenen Speichereinrichtung, insbesondere einer Datenbank, hinterlegt wird. Auf diese Weise kann das Mastersystem zu einem bestimmten Zeitpunkt t0 feststellen, ob bei laufendem Betrieb an einem von diesem Zeitpunkt t0 aus gesehen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt t1 eine Lastspitze auftreten wird. Hierzu überlagert das Mastersystem die Daten hinsichtlich der Leistungsaufnahme der Produktionsmaschinen, die vorzugsweise als von der Zeit abhängiger Graph vorliegen. Das Mastersystem dient hierbei als Überwachungseinrichtung, die ständig die derzeitigen und zukünftigen Leistungsaufnahmen der Produktionsmaschinen überwacht.
Falls das Mastersystem feststellt, dass eine solche Lastspitze auftreten wird, so greift das Mastersystem in die Prozessabläufe einer oder mehrerer Produktionsmaschinen ein, jedoch vorzugsweise nur zu den Zeitpunkten, bei denen ein Eingriff keinen negativen Einfluss auf die Qualität des herzustellenden Teils hat. Dieser Eingriff besteht vorzugsweise aus einem Unterbrechen oder Verlangsamen des aktuell ablaufenden Teilprozesses der betroffenen Produktionsmaschinen. So kann einer Produktionsmaschine beispielsweise eine "Pausenzeit" auferlegt werden. Nach Ablauf dieser "Pausenzeit" kann die Produktionsmaschine fortfahren. Ebenso ist es möglich, dass beispielsweise das Schließen des Werkzeugs langsamer durchgeführt wird.
Eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Vermeidung von Lastspitzen besteht darin, dass vor dem Start eines Produktionszyklus die entsprechende Produktionsmaschine bei dem Mastersystem anfragt, ob der Start des Produktionszyklus möglich ist. Das Mastersystem prüft dann, welche der an das Mastersystem angeschlossenen Produktionsmaschinen sich innerhalb eines Produktionszyklus und insbesondere in Zuständen, d.h. an Zeitpunkten des Produktionszyklus, an denen der Produktionszyklus nicht unterbrochen werden darf, befinden. Zusätzlich prüft das Mastersystem, ob in dem Zeitraum des Produktionszyklus der anfragenden Maschine eine Lastspitze für den Maschinenpark auftreten wird, falls der anfragenden Maschine der Start erlaubt wird. Diese Prüfung erfolgt ebenfalls durch Überlagerung der Daten zur Leistungsaufnahme, wobei zusätzlich zu den Daten der bereits laufenden Produktionsmaschinen, die nicht unterbrochen werden dürfen, die Daten der anfragenden Maschine mit in die Prüfung einbezogen werden. Kommt das Mastersystem zu dem Schluss, dass eine Lastspitze auftreten wird, falls die anfragende Produktionsmaschine startet, so verweigert das Mastersystem den Start des Produktionszyklus der anfragenden Produktionsmaschine. Das Mastersystem dient in diesem Fall als "Gatekeeper", der einer anfragenden Produktionsmaschine den Start eines Produktionszyklus entweder erlaubt oder verweigert.
Falls der Start eines Produktionszyklus nicht erlaubt wurde, fragt die entsprechende Produktionsmaschine vorteilhafterweise nach einer gewissen Zeit erneut an. Zusätzlich oder alternativ ist es ebenfalls möglich, dass die anfragende Produktionsmaschine in einen Queue aufgenommen wird, aus dem das Mastersystem nach und nach Produktionsmaschinen zuschaltet, d.h. diesen den Start eines Produktionszyklus erlaubt. Eine Möglichkeit hierbei ist das sogenannte "First-in-first-out"-Prinzip, bei dem die Produktionsmaschinen in der Reihenfolge, in der sie in den Queue kommen auch gestartet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das Mastersystem in bestimmten Intervallen prüft, welche der sich im Queue befindenden Maschinen gestartet werden können, ohne dass zu einem späteren Zeitpunkt während eines der Produktionszyklus der zu startenden Produktionsmaschinen eine Lastspitze entsteht. In diesem Fall spielt es keine oder nur eine untergeordnete Rolle, wann die einzelnen Produktionsmaschinen angefragt haben, ob ein Start möglich ist.
Der Vorteil des "First-in-first-out"-Prinzips besteht in der Gleichbehandlung der verschiedenen Produktionsmaschinen, da diese unabhängig von deren Art oder deren Leistungsaufnahme eine nach der anderen abgearbeitet werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass eine Produktionsmaschine, die eine im Vergleich zu den restlichen Produktionsmaschinen hohe Leistungsaufnahme hat, "vergessen" wird, da beispielsweise mehrfach Produktionsmaschinen mit einer niedrigeren Leistungsaufnahme bevorzugt gestartet werden könnten ohne dass die Produktionsmaschine mit einer hohen Leistungsaufnahme gestartet wird.
Falls das Mastersystem aus dem Queue eine beliebige Produktionsmaschine wählen kann, deren Leistungsaufnahme nicht zu einer Lastspitze führen wird, so führt dies grundsätzlich zu einer effizienteren Produktion, da das Mastersystem nicht warten muss, bis für die nächste zum Start berechtigte Produktionsmaschine die Leistungsaufnahmekapazität des Maschinenparks abzüglich der bereits laufenden Produktionsmaschinen so vorhanden ist, dass diese Produktionsmaschine starten kann. Das Mastersystem ist somit nicht festgelegt und kann aus den auf das Startsignal wartenden Produktionsmaschinen zu jedem Zeitpunkt die Produktionsmaschine auswählen, deren Leistungsaufnahme die Leistungsaufnahmekapazität des Maschinenparks am sinnvollsten und effizientesten ausschöpft ohne jedoch eine Lastspitze zu bewirken.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet das Mastersystem eine Kombination aus dem "First-in-first-out"-Prinzip und der freien Wählbarkeit einer Produktionsmaschine. Dabei kann das Mastersystem grundsätzlich die passende Produktionsmaschine frei aus dem Queue auswählen. Allerdings werden Produktionsmaschinen, die sich bereits seit längerer Zeit in dem Queue befinden, bevorzugt. Im Extremfall wird eine Produktionsmaschine, die sich seit sehr langer Zeit im Queue befindet, vor allen anderen bevorzugt. Dies führt zwar kurzfristig zu einer gewissen Effizienzverminderung, dennoch ist dies nötig, da diese Produktionsmaschine sonst möglicherweise gar nicht mehr starten könnte. Dieser Fall kann insbesondere bei Maschinen mit einer hohen Leistungsaufnahme auftreten.
Auch eine Kombination der Überwachungsfunktion und der Gatekeeper-Funktion des Mastersystems ist möglich. So kann das Mastersystem beispielsweise als Gatekeeper eingesetzt werden und trotzdem parallel die Überwachungsfunktion ausüben. Alternativ ist auch möglich, dass zwei Mastersysteme vorhanden sind, wobei eines die Gatekeeper-Funktion und das andere die Überwachungsfunktion ausübt. Im Kontext der Erfindung wird jedoch allgemein von einem Mastersystem gesprochen, wobei die Anzahl dann nicht auf eines beschränkt ist.
Die Eckdaten, beispielsweise einer Spritzgießmaschine, können dabei die Schließkraft in kN, die maximale Werkzeugsöffnungskraft in kN, der maximale Werkzeugöffnungsweg in mm und weitere sein. Betreffend den Energiebedarf der elektrischen Leistungsaufnahme der einzelnen Produktionsmaschinen sind für die Eckdaten beispielsweise der Einspritzstrom in cm³/s, der Plastifizierstrom, die Nennleistung des/der Maschinenantriebe in kW, die installierte Heizleistung der Regelzonen der Zylinderheizung in kW etc. relevant.
Dabei können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Eckdaten über dazu geeignete Messtechniken online gemessen werden und in einer Datenbank gespeichert werden. Diese Eckdaten können dann durch das Mastersystem zur Koordination, wie weiter unten erläutert, der elektrischen Leistungsaufnahme mehrerer Produktionsmaschinen ausgewertet werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden typische Werte für bestimmte Lastfälle, also beispielsweise die benötigten Werte beim Hochfahren der Produktionsmaschinen, für den Betrieb bei verschiedenen Maschinenauslastungen oder dgl. hinterlegt.
Diese entweder durch Messverfahren ermittelten Daten oder die typischen, für bestimmte Lastwerte hinterlegten Daten, können getrennt oder gemeinsam an das Mastersystem übermittelt werden und ausgewertet werden. Das Mastersystem gleicht dann mittels eines geeigneten Software-Programms diese Daten ab. Es werden aus diesen Werten mittlere Durchschnittsverbrauchswerte, Minimal- und Maximaldurchschnittsverbrauchswerte für einen Produktionsmaschinenpark errechnet. Der Gesamtenergiebedarf aller Produktionsmaschinen resultiert aus der Summe der hinterlegten und/oder gemessenen Eckwerte für den energetischen Gesamtbedarf der elektrischen Leistungsaufnahme jeder einzelnen Produktionsmaschine beispielsweise für Heizleistung, Druckaufbau, Schneckenantrieb, usw.
So kann beispielsweise beim Hochfahren einer Vielzahl von Produktionsmaschinen in einem Maschinenpark eines Produktionsstandorts sowohl ein Maximalwert für die Leistungsaufnahme von einzelnen Produktionsmaschinen und/oder der Gesamtheit aller Produktionsmaschinen als auch eine Reihenfolge der Abläufe der Produktionszyklen im übergeordneten maschinenunabhängigen Mastersystem vorgegeben werden. Die Koordinierung dieser Abläufe bzw. Produktionszyklen erfolgt dadurch, dass eine Strategie zur Verfügung gestellt wird, um steuernd oder regelnd in die Abläufe und Prozesse an den Produktionsmaschinen einzugreifen. Dieses Eingreifen erfolgt mittels Steuer- oder Regeleinrichtungen. Diese können in üblicher Weise durch Mikrocontroller oder Industrie-PCs gebildet sein, wobei die Steuer- oder Regelabläufe durch entsprechende Steuer- oder Regelprogramme durchgeführt werden. Dabei können die üblichen Ein- und Ausgabegeräte sowie Maschineninfrastrukturen verwendet werden, wie beispielsweise Tastaturen und Monitore, Bussysteme usw.
Dabei umfasst die Strategie zur Koordination Anweisungen in Bezug auf die Reihenfolge beispielsweise des An- bzw. Ausschaltens von Heizvorgängen in Abhängigkeit der vorgegebenen und/oder gemessenen Eckdaten der einzelnen Produktionsmaschinen und der daraus resultierenden Berechnung des angestrebten maximalen Durchschnittsenergieverbrauchswertes aller Produktionsmaschinen. Dabei ist grundsätzlich zwischen dem Aufheizen und dem Automatikbetrieb zu unterscheiden. Während es beim Aufheizen mehrerer Maschinen in erster Linie um das Problem der Summenleistung dieser Maschinen geht, kommt es beim Automatikbetrieb auf eine Koordination der zeitlich stark variierenden Leistungsaufnahmen an. Ein Angriff in den Automatikbetriebsprozess soll dabei möglichst vermieden werden, um die Qualität der hergestellten Produkte nicht zu beeinträchtigen. So kann in Phasen des gleichzeitigen Aufheizens mehrerer Produktionsmaschinen beim Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Lastwerts – dies entweder jeder einzelnen Produktionsmaschine oder aber des maximalen Lastwerts, der für den gesamten Produktionsmaschinenpark als maximaler Grenzwert errechnet wurde – der Aufheizprozess einer oder mehrerer einzelner Produktionsmaschine des Maschinenparks verlangsamt oder unterbrochen werden. Ebenso kann der Prozess des Schließkraftaufbaus einzelner oder mehrerer Produktionsmaschinen des Maschinenparks zeitlich verlagert werden.
Der Aufheizprozess, der Prozess des Schließkraftaufbaus oder jeder andere, zuvor unterbrochene oder nicht ausgeführte Prozess kann dann nach Erreichen eines gemessenen oder vorgegeben minimalen Lastwerts, minimalen Temperaturwerts oder eines sonstigen relevanten Eckwertes wieder ausgelöst werden.
Die Strategie zur Koordination kann somit beispielhaft so aussehen:

– Zuweisung einer begrenzten Maximallast für eine Produktionsmaschine unter Inkaufnahme einer längeren Teilzykluszeit
– Zuweisung einer benötigten Maximalleistung für eine Produktionsmaschine und Begrenzung der Gesamtleistung des Maschinenparks durch "Abschalten" einer einzelnen oder mehrerer anderer Produktionsmaschinen.

Dabei können sowohl die Eckdaten, der gemessene oder hinterlegte Verbrauch und sonstige relevanten Daten jeder einzelnen Produktionsmaschine vom Mastersystem ausgewertet und berücksichtigt werden, als auch der Gesamtverbrauchswert bzw. die Eckdaten aller Produktionsmaschinen am Produktionsstandort.
Bei der Koordination mehrerer Produktionsmaschinen in einem Produktionsbetrieb können zur Verringerung der Lastspitzen des Energiebedarfs vorzugsweise die Anfahrzeiten der einzelnen Prozesse beim Hochfahren der Maschinen oder die Reihenfolge der Startprozesse der einzelnen Prozesszyklen koordiniert werden. Dazu muss das Einsparpotential aller Produktionsmaschinen ermittelt werden bzw. der Lastgang des aktuellen Zyklus in abstrakter Form im Mastersystem mit entsprechender Zeitinformation hinterlegt sein, so dass vom Mastersystem die Startzeitpunkte für jede Maschine (Prozess) derart vorgegeben werden können, so dass sich in der Summe aller Maschinen keine Lastspitzen ergeben, damit bereits vor Erreichen der Spitzenlast einer oder mehrerer der Produktionsmaschinen am Standort eine Zwangspause verordnet wird.
Des Weiteren können einer oder mehrerer der Produktionsmaschinen eine Taktzyklusverlängerung auferlegt werden, das heißt, unkritische Prozesse können verzögert werden oder auch kurzzeitig abgeschaltet werden.
Dies kann bei einem Produktionsmaschinenpark mit den Produktionsmaschinen 1–5 beispielhaft so ausgestaltet sein:

– Anfahren der Produktionsmaschinen 1–5
– Erreichen eines Wertes Druck Leistungsaufnahme Y max beim Schließkraftaufbau der Produktionsmaschine 1
– Verzögern des Druckaufbaus der Schließkraftaufbau an der Produktionsmaschine 2 um die vorgegebene Zeit T max = 0,5 Sekunden
– Abschalten der Heizung der Produktionsmaschine 3 bis zur Erreichung einer Temp. min = 100°C
– Verzögerung des Anfahrprozesses der Produktionsmaschine 4 um die vorgegebene Zeit T max = 5 Sekunden
– Unterbrechen des Schließkraftaufbaus der Produktionsmaschine 5 bis zur Unterschreitung des vorgegeben Maximaldurchschnittsverbrauchswerts X max kW/h aller Produktionsmaschinen 1–5

Wird beispielsweise der Heizvorgang beim Aufheizen einer Produktionsmaschine beim Überschreiten eines bestimmten Stromverbrauchswert X max kW/h gestoppt, erfolgt das Wiedereinschalten der Heizung dieser Produktionsmaschine

– nach Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur °C min oder
– nach einer vorbestimmten Zeitdauer T max oder
– nach Unterschreiten eines bestimmten Stromverbrauchswerts X min kW/h dieser Produktionsmaschine oder
– nach Unterschreiten eines bestimmten Durchschnittsstromverbrauchswerts X min kW/h, gebildet aus den bestimmten oder gemessenen Stromverbrauchswerten X min kW/h aller Produktionsmaschinen.

Das Mastersystem kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung integriert in ein Produktionsplanungssystem zur Verfügung gestellt werden. Somit können für einen Produktionsstandort die benötigten energetischen Voraussetzungen auf den jeweiligen Maschinenpark ausgerichtet werden und eine optimale Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden, ohne dass Überkapazitäten ungenutzt vorgehalten werden müssen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können beim Betrieb mehrerer Produktionsmaschinen die entsprechenden Informationen und Daten zur Leistungsaufnahme dazu verwendet werden, Lastspitzen durch eine Überlagerung der jeweiligen Leistungsaufnahmen einzelner Maschinen aktiv zu verhindern. Die Leistungsaufnahme kann über den Produktionszyklus zeitlich variierend oder auch beim Hochfahren des Maschinenparks nach z.B. einer Produktionsunterbrechung beeinflusst werden. Ein besonders hoher Energiebedarf besteht beispielsweise beim Betrieb von Spritzgießmaschinen, beim Prozess des Schließkraftaufbaus oder auch anderen Prozessphasen. Daher lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft beim Betrieb, insbesondere beim Anfahren oder Aufheizen von Kunststoff-Spritzgießmaschinen einsetzen.
Um die Spitzenlast bei der Überlagerung solcher Prozesse im Produktionszyklus mehrerer Produktionsmaschinen zu vermeiden, kann beispielsweise einem unkritischen Prozess an einer oder mehreren Maschinen eine "Pausenzeit" auferlegt werden. Durch diese Maßnahme wird die Produktivität der einen Produktionsmaschine geringfügig verringert, die Gesamtproduktivität des Produktionsstandorts steigt jedoch im Endergebnis dadurch, dass zum einen die Energiekosten des Maschinenparks und somit des gesamten Produktionsstandorts optimiert werden und zum anderen in der Summe mehr Produktionsmaschinen bei vorgegebener maximaler Spitzenlast betrieben werden können. Das vorhandene oder zu installierende elektrische Versorgungsnetz kann auf diese Weise optimal ausgenützt werden. Insbesondere kann der beim Energieverbrauch in Bezug auf die Kosten der Energieversorgungsunternehmen relevante so genannte "¼-h Wert" überwacht werden und eine kostenintensive Überschreitung auch für eine kurze Zeit vermieden werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können durch eine Dokumentation und die Möglichkeit der Zuordnung des Energiebezugs zu den entsprechend gefertigten Bauteilen weitere Optimierungspotentiale erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Produktionsmaschinen auch beispielsweise "nachrüstbar" durch eine entsprechend ergänzte Software zur Verfügung gestellt werden, die als maschinenunabhängiges Mastersystem ausgebildet ist. Die Software ist geeignet, die entweder in den Produktionsmaschinen hinterlegten oder gemessenen Eckdaten der einzelnen Produktionsmaschinen zu empfangen, zu speichern, auszuwerten, und dann durch Ansteuerung oder Regelung der entsprechenden Prozesse der einzelnen Produktionsmaschinen im Maschinenpark die Leistungsaufnahme jeder einzelnen Produktionsmaschine zu beeinflussen und somit die Gesamtenergiebilanz des Produktionsmaschinenparks zu optimieren.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 zeigt die Leistungsaufnahme einer Spritzgießmaschine über einen Spritzgießzyklus. Dabei wird die Leistung in kW über die Zeit in s aufgetragen. Abschnitt 10 zeigt dabei die Einspritz- und Nachdruckphase. Abschnitt 12 zeigt den Wertebereich der Plastifizierphase. Die Spitzen 14 resultieren aus der Werkzeugbewegung. Dabei wird deutlich, dass im Abschnitt 10 ein geringerer Energiebedarf vorliegt als in der Plastifizierphase 12. Besonders hohe Spitzenlasten werden während der Werkzeugbewegung 14 benötigt. Durch Verlängerung einer unkritischen Phase bzw. Einfügen einer Pausenzeit zwischen zwei Zyklen im Prozesszyklus einer Spritzgießmaschine, beispielsweise durch Verlängerung der Einspritz- und Nachdruckphase 10 um nur wenige Sekunden und damit das Hinausschieben des höheren Energiebedarfs der einzelnen Produktionsmaschine in der Plastifizierphase 12 um beispielsweise 2 Sekunden, kann beim Betrieb einer Mehrzahl von Spritzgießmaschinen eine Überlagerung der Lasten durch gleichzeitiges Erreichen eines einen hohen Lastbedarf benötigenden Prozesszyklus vermieden werden. Ebenso kann der vergleichsweise hohe Lastbedarf jeder einzelnen Spritzgießmaschine während der Werkzeugbewegungsphase 14 um wenige Sekunden vorgezogen oder hinausgeschoben werden. Daraus resultiert eine Vermeidung von Überlagerungen der Spitzenlasten jeder einzelnen Spritzgießmaschine mit derjenigen der anderen Spritzgießmaschinen und somit eine Vermeidung von Spitzenlasten für den gesamten Maschinenpark.
2 stellt eine simulierte Überlagerung der Leistungsaufnahme von fünf Spritzgießmaschinen im Parallelbetrieb und zum Vergleich dazu bei optimierter, zeitlich versetzter Betriebsweise dar. Dabei ist ebenfalls die Leistung in kW über die Zeit in s aufgetragen. Die gestrichelte Linie 16 stellt die Leistungsaufnahme der fünf Spritzgießmaschinen im Parallelbetrieb, also ohne Einsatz eines maschinenunabhängigen Mastersystems dar. Die durchgehende Linie 18 stellt die Leistungsaufnahme der fünf Spritzgießmaschinen im optimierten, zeitlich versetzten Betrieb dar. Dabei greift das maschinenunabhängige Mastersystem steuernd oder regelnd in den zeitlichen Ablauf der Prozesszyklen jeder einzelnen Spritzgießmaschine ein. Durch Zugrundelegen der hinterlegten und/oder gemessenen Eckdaten jeder einzelnen Spritzgießmaschine und Berechnen des Lastbedarfs jedes Prozesszyklus der einzelnen Spritzgießmaschinen resultieren mittlere, maximale und minimale Durchschnittsenergieverbrauchswerte für den gesamten Spritzgießmaschinenpark. Diese können als Grenzwerte angegeben werden, bei deren Überschreiten das Mastersystem Prozesszyklen dahingehend beeinflusst, dass der Prozesszyklus der einen Spritzgießmaschine verlangsamt wird, ein anderer einer weiteren Spritzgießmaschine hingegen beschleunigt wird und ein weiterer Prozesszyklus einer anderen Spritzgießmaschine kurzzeitig gestoppt wird. Bei Unterschreiten von Grenzwerten können die Prozesszyklen wieder schneller ablaufen oder gestoppte Prozesszyklen wieder eingeschaltet werden.
Dabei wird deutlich, dass die hohen Spitzenlasten von über 400 kW, die im zeitlichen Ablauf im Parallelbetrieb von fünf Spritzgießmaschinen in der Linie 16 dargestellt werden, durch die zeitlich versetzte Betriebsweise, wie durch Linie 18 dargestellt, nicht mehr auftreten. Die benötigte Leistungsaufnahme erfolgt in einem mittleren Energiebedarfsbereich und ist über die Zeit mit deutlich geringeren Amplituden aufgetragen. Dies bedeutet eine effizientere Ausnutzung des elektrischen Versorgungsnetzes durch die Vermeidung der Spitzenlast.
3 zeigt einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei weist das Verfahren zum Betrieb von Produktionsmaschinen beispielhaft folgende Schritte auf:

– Verbinden einer Mehrzahl von Produktionsmaschinen mit einem maschinenunabhängigen Mastersystem über ein Datennetzwerk 20,
– Hinterlegen von Daten, insbesondere von typischen Daten für bestimmte Lastwerte, zur Leistungsaufnahme in den jeweiligen Produktionsmaschinen 22,
– und/oder Messen mittels Leistungsmessgeräten und Hinterlegen von Daten zur Leistungsaufnahme in den jeweiligen Produktionsmaschinen 24,
– Speicherung der Daten in einer Datenbank 26,
– Übermittlung der Daten an das Mastersystem 28,
– Auswertung der Daten durch das Mastersystem 30,
– Koordination der Daten der elektrischen Leistungsaufnahme mehrerer Produktionsmaschinen 32 durch Zuweisung einer begrenzten Maximallast für eine Produktionsmaschine unter Inkaufnahme einer längeren Teilzykluszeit,
– Zuweisung einer benötigten Maximalleistung für eine Produktionsmaschine und Begrenzung der Gesamtleistung durch "Abschalten" einer einzelnen oder mehrerer Produktionsmaschinen,
– Steuern oder Regeln der momentanen Leistungsaufnahme der einzelnen Produktionsmaschinen mittels Steuer- oder Regeleinrichtungen durch das Mastersystem 34.

Die Leistungsaufnahme kann zeitlich variierend über den Produktionszyklus durch An- bzw. Abschalten von Heizelementen, An- bzw. Abschalten von Prozessen zum Schließkraftaufbau o. ä., oder durch zeitliches Verlangsamen der einzelnen Prozesse beeinflusst werden.
Ein besonders hoher Energiebedarf besteht beim Betrieb von Spritzgießmaschinen beim Prozess des Schließkraftaufbaus. Beim Anfahren und/oder Aufheizen von Kunststoff-Spritzgießmaschinen werden daher die hinterlegten Eckdaten, also entweder die gemessenen Daten oder die in den einzelnen Produktionsmaschinen hinterlegten typischen Werte als Daten oder beide Datensätze gemeinsam, ausgewertet und die Ansteuerung bzw. Regelung der einzelnen Produktionsmaschinen danach ausgelegt. So können beispielsweise die einzelnen Produktionsmaschinen hintereinander hochgefahren werden, andere Stromabnehmer in langsameren Schritten mit Energie versorgt werden oder um die Spitzenlast bei Prozessen im Produktionszyklus zu vermeiden, beispielsweise bei einem unkritischen Prozess eine "Pausenzeit" auferlegt werden. Die Überlagerung der jeweiligen Leistungsaufnahme der einzelnen Produktionsmaschinen wird damit minimiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008016869 A1 [0008]
DE 102007052233 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Betrieb von Produktionsmaschinen mit folgenden Schritten: – Verbinden einer Mehrzahl von Produktionsmaschinen eines Produktionsmaschinenparks mit einem maschinenunabhängigen übergeordneten Mastersystem über ein Datennetzwerk, – Hinterlegen von typischen Daten für bestimmte Lastwerte zur Leistungsaufnahme in den Produktionsmaschinen und/oder Messen und Hinterlegen von Daten zur Leistungsaufnahme in den Produktionsmaschinen mittels Leistungsmessgeräten, – Speicherung der Daten in einer Datenbank, – Übermittlung der Daten an das Mastersystem, – Auswertung der Daten durch das Mastersystem, – Steuern oder Regeln der Leistungsaufnahme der einzelnen Produktionsmaschinen, wobei das Mastersystem die Leistungsaufnahmen der sich in einem Produktionszyklus befindlichen Maschinen überwacht und feststellt, ob zu einem zukünftigen Zeitpunkt eine unzulässige Lastspitze entsteht und/oder eine Produktionsmaschine vor Beginn eines Produktionszyklus bei dem Mastersystem anfragt, ob der Produktionszyklus starten kann, wobei das Mastersystem in den Prozessablauf einer oder mehrerer Produktionsmaschinen eingreift und/oder eine Produktionsmaschine vom Starten eines Produktionszyklus abhält, wenn ohne das Eingreifen des Mastersystems zu einem zukünftigen Zeitpunkt eine Lastspitze entstehen würde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingreifen des Mastersystems in den Prozessablauf einer oder mehrerer Produktionsmaschinen vor und/oder während und/oder nach dem Schließen des Werkzeugs und/oder vor und/oder während und/oder nach dem Schließkraftaufbau und/oder nach dem Öffnen des Werkzeugs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Produktionsmaschine, der der Start eines Produktionsprozesses nicht erlaubt wurde nach einem Zeitintervall erneut anfragt, ob der Start eines Produktionsprozesses möglich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Produktionsmaschine, die anfragt, ob ein Produktionsprozess gestartet werde kann, in einen Queue aufgenommen wird, aus dem das Mastersystem eine Produktionsmaschine auswählt, der sie das Starten eines Produktionsprozesses erlaubt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mastersystem aus dem Queue nach dem "First-in-first-out"-Prinzip und/oder danach auswählt, welche der Produktionsmaschinen im Queue eine Leistungsaufnahme aufweisen, bei der zu keinem zukünftigen Zeitpunkt eine Lastspitze auftreten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung oder Regelung der Leistungsaufnahme mehrerer Produktionsmaschinen durch Zuweisung eines maximalen Grenzwertes der Leistungsaufnahme für eine oder mehrere Produktionsmaschinen unter Inkaufnahme einer längeren Teilzykluszeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer Produktionsmaschine ein maximaler Grenzwert für die Leistungsaufnahme zugewiesen wird und die Begrenzung der gesamten maximalen Leistungsaufnahme aller Produktionsmaschinen durch Abschalten einer einzelnen oder mehrerer Produktionsmaschinen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Koordination der Leistungsaufnahme einer oder mehrerer Produktionsmaschinen zeitlich variierend über den Produktionszyklus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordination durch ein zeitlich versetztes An- oder Abschalten von Heizelementen einer oder mehrerer Produktionsmaschinen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordination durch ein zeitlich versetztes Starten eines neuen Produktionszyklus an einer oder mehrerer Produktionsmaschinen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordination durch zeitliches Verlangsamen der Werkzeugbewegung einer oder mehrerer Produktionsmaschinen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordination durch Starten der Plastifizierphase einer Produktionsmaschine zeitlich versetzt zum Starten der Plastifizierphase mindestens einer anderen Produktionsmaschine in einem Produktionsmaschinenpark erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Koordination einer insbesondere variablen Pausenzeit zwischen zwei Zyklen eines Prozesses einer Produktionsmaschine vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordination durch Starten der Werkzeugbewegung einer Produktionsmaschine zeitlich versetzt zum Starten der Werkzeugbewegung mindestens einer anderen Produktionsmaschine im Produktionsmaschinenpark erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mastersystem eine zentrale Steuerungseinrichtung oder eine zentrale Regelungseinrichtung aufweist, die mit den einzelnen Produktionsmaschinen über ein Datennetzwerk zum Austausch von Daten verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es beim Betrieb und/oder Aufheizen von Kunststoff-Spritzgießmaschinen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mastersystem in ein Produktionsplanungssystem integriert wird.
Produktionsmaschinenanordnung mit einer Mehrzahl von Produktionsmaschinen, insbesondere von Kunststoff verarbeitenden Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mehrzahl von Produktionsmaschinen eines Produktionsmaschinenparks mit einem maschinenunabhängigen übergeordneten Mastersystem über ein Datennetzwerk verbunden sind, – typische Daten für bestimmte Lastwerte zur Leistungsaufnahme in den Produktionsmaschinen hinterlegt sind und/oder Daten zur Leistungsaufnahme in den Produktionsmaschinen mittels Leistungsmessgeräten gemessen und hinterlegt sind, – die Daten in einer Datenbank gespeichert sind, – die Daten an das Mastersystem übermittelbar sind, – die Daten durch das Mastersystem auswertbar sind, – die Daten durch Bildung von Grenzwerten der Leistungsaufnahme mehrerer Produktionsmaschinen im Produktionsmaschinenpark koordinierbar sind, – die Leistungsaufnahme der einzelnen Produktionsmaschinen mittels des Mastersystems steuer- oder regelbar sind.
Produktionsmaschinenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass einer Produktionsmaschine ein maximaler Grenzwert für die Leistungsaufnahme unter Inkaufnahme einer längeren Teilzykluszeit zugewiesen ist.
Produktionsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Produktionsmaschinen bei Überschreiten eines Grenzwertes der Gesamtleistungsaufnahme aller Produktionsmaschinen abgeschaltet oder abschaltbar sind.
Produktionsmaschinenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme einer oder mehrerer Produktionsmaschinen über einen Produktionszyklus zeitlich variabel ist.