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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung einer von einem Energieversorgungssystem zu tragenden Gesamtlast ein oder mehrerer Arbeitsmaschinen, die jeweils thermisch gesteuerte und/oder nicht thermisch gesteuerte Prozesse ausführen.
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Stand der Technik
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In Produktionsanlagen wird oftmals eine Vielzahl von Arbeitsmaschinen, teils für ähnliche und teils für unterschiedliche Aufgaben, verwendet. In Abhängigkeit von einem Produktionsablauf in der Produktionsanlage kann es dabei vorkommen, dass viele der Arbeitsmaschinen gleichzeitig auf hoher Leistung laufen, was in einer hohen Gesamtlast aller Arbeitsmaschinen resultiert.
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Abgesehen von einer übermäßigen Belastung eines entsprechenden Energieversorgungsnetzes, ist hierbei auch zu berücksichtigen, dass solche Spitzenlasten oftmals erhöhte Energiekosten verursachen.
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Es ist daher wünschenswert, Spitzenlasten in derartigen Anlagen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Reduzierung einer von einem Energieversorgungssystem zu tragenden Gesamtlast mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Reduzierung einer von einem Energieversorgungssystem zu tragenden Gesamtlast ein oder mehrerer Arbeitsmaschinen, die jeweils thermisch gesteuerte und/oder nicht thermisch gesteuerte Prozesse ausführen. Dabei wird die Gesamtlast überwacht, indem eine Leistung jeder einzelnen Arbeitsmaschine ermittelt wird, woraus die Gesamtlast aller Arbeitsmaschinen ermittelt wird. Die von dem Energieversorgungssystem zu tragende Gesamtlast wird dann bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes reduziert, indem bei wenigstens einer Arbeitsmaschine die Leistung reduziert wird und/oder indem wenigstens ein Energiespeicher zur Energieversorgung der Arbeitsmaschinen hinzugezogen wird.
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Durch die Überwachung der Leistung der einzelnen Arbeitsmaschinen, was zweckmäßigerweise kontinuierlich oder wiederholt, z.B. regelmäßig, erfolgt, kann ein aktueller Verlauf der Gesamtlast im Sinne einer Echtzeitüberwachung erhalten werden. Damit kann schnell auf eine mögliche, zu hohe Gesamtlast reagiert werden, in dem diese reduziert wird. Sofern ein Energiespeicher in das Energieversorgungsnetz (z.B. Werks- oder Hallennetz) für die Arbeitsmaschinen eingebunden ist, kann ein solcher bspw. zeitweise zur Energieversorgung herangezogen werden. Die Gesamtlast für das das Energieversorgungsnetz versorgende Energieversorgungssystem (z.B. externes Stromnetz oder Generator) wird damit reduziert, da ein Teil der benötigten Energie bzw. Leistung durch den Energiespeicher intern bereitgestellt wird. Falls kein solcher Energiespeicher vorhanden ist oder falls er aktuell nicht ausreichend Energie zur Verfügung stellen kann, können eine oder mehrere der Arbeitsmaschinen in ihrer Leistung reduziert werden, um eine mögliche Spitzenlast zu begrenzen. Damit können Energieversorgungsnetze sowohl innerhalb als auch außerhalb einer Produktionsanlage, insbesondere im Bereich der Automatisierungstechnik, stabilisiert werden.
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Hierzu sei noch angemerkt, dass dieses Verfahren im Grunde für eine beliebige Anzahl von Arbeitsmaschinen, die bspw. innerhalb einer Produktionshalle oder auch übergreifend über mehrere Hallen verteilt sind, angewendet werden kann. Je mehr Arbeitsmaschinen einbezogen werden, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Leistung bei einer Arbeitsmaschine aktuell ohne oder nur mit geringen Folgen reduziert werden kann. Die Überwachung der Gesamtlast kann dabei bspw. mittels eines Energiemanagementsystems erfolgen, welches im Bedarfsfall eine Steuerungseinheit (z.B. SPS) einer entsprechenden Arbeitsmaschine dahingehend ansteuert, die Leistung zu reduzieren.
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Vorzugsweise werden die Arbeitsmaschinen, bei denen die Leistung reduziert wird, in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebsablauf aller Arbeitsmaschinen ausgewählt. Auf diese Weise kann ein Produktionsablauf bestmöglich aufrechterhalten werden. Bspw. kann eine Arbeitsmaschine, die aktuell einen Bearbeitungsschritt durchführt, dessen Produkt jedoch erst gewisse Zeit später wieder benötigt wird, durchaus zeitweise angehalten werden.
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Vorteilhafterweise wird bei Arbeitsmaschinen, die einen thermisch gesteuerten Prozess ausführen, die Leistung reduziert, indem eine Energiezufuhr für diesen Prozess zeitweise reduziert wird, und/oder bei Arbeitsmaschinen, die einen nicht thermisch gesteuerten Prozess ausführen, die Ausführung dieses Prozesses zeitlich verzögert. Auf diese Weise kann bei den üblicherweise zwei verschiedenen Arten von Arbeitsmaschinen, die in einer Produktionsanlage verwendet werden können, gezielt die Leistung reduziert werden. Bei thermisch gesteuerten Prozessen, wie bspw. bei Öfen, kann ohne gravierende Folgen für den Betriebsablauf die Energiezufuhr zeitweise unterbrochen werden. Damit wird lediglich der Temperaturverlauf geringfügig beeinflusst. Dabei versteht sich, dass, je nach Bedarf, auch eine längere Zeit die Energiezufuhr reduziert oder auch ganz unterbrochen werden kann. Nicht thermisch gesteuerte Prozesse, wie bspw. bei Produktions- oder Handling-Maschinen, benötigen eine gleichmäßige Energiezufuhr. Hier ist eine Reduzierung der Energiezufuhr nicht sinnvoll, daher kann der jeweilige Prozess zeitlich verzögert werden. Es versteht sich, dass dabei auch Arbeitsmaschinen vorhanden sein können, die beide Arten von Prozessen ausführen können.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Reduzierung der Leistung bei einer Arbeitsmaschine durch zeitliche Verzögerung eines nicht thermisch gesteuerten Prozesses erst dann erfolgt, wenn eine Reduzierung der Leistung bei Arbeitsmaschinen durch zeitweise Reduzierung der Energiezufuhr für einen thermisch gesteuerten Prozess für eine gewünschte Reduzierung der Gesamtleistung nicht ausreichend ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass, soweit möglich, keine Verzögerung im Betriebsablauf eintritt, da, wie bereits erwähnt, bei thermisch gesteuerten Prozessen eine Reduzierung der Leistung ohne gravierende Folgen möglich ist.
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Bei nicht thermisch gesteuerten Prozessen hingegen ist eine Verzögerung im Betriebsablauf zwar nicht zwingend der Fall, jedoch durchaus wahrscheinlich.
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Vorzugsweise erfolgt eine Reduzierung der Leistung bei Arbeitsmaschinen durch zeitweise Reduzierung der Energiezufuhr für einen thermisch gesteuerten Prozess in Abhängigkeit vom jeweiligen Prozess, insbesondere von dessen Kritikalität und/oder dessen Energiebedarf. Damit ist eine sehr genaue Abstufung der Leistungsreduzierung möglich. So kann bspw. bei einem weniger kritischen Prozess, wie bspw. in einem Härteofen, bereits frühzeitig und/oder länger die Energiezufuhr reduziert oder gar unterbrochen werden, während bspw. bei einem kritischeren Prozess, wie bspw. einer spanenden Bearbeitung, eine spätere Leistungsreduzierung erfolgt. Auf diese Weise ist also eine Priorisierung der einzelnen Prozesse hinsichtlich der Leistungsreduzierung möglich.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Reduzierung der Leistung bei einer Arbeitsmaschine durch zeitliche Verzögerung eines nicht thermisch gesteuerten Prozesses erfolgt, indem ein aktueller Bearbeitungsschritt an dessen Ende und/oder ein darauffolgender Bearbeitungsschritt an dessen Anfang jeweils für eine vorgegebene Zeitdauer, insbesondere jedoch höchstens eine maximale Zeitdauer, angehalten werden. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit, derartige Prozesse zu verzögern. Die maximale Zeitdauer kann bspw. danach gewählt werden, wie lange ein Prozess verzögert werden kann, ohne den gesamten Betriebsablauf zu verzögern. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine derartige maximale Zeitdauer bewusst überschritten wird, wenn dies im Sinne der Reduzierung der Gesamtlast und unter Berücksichtigung der dadurch entstehenden Verzögerung im gesamten Betriebsablauf sinnvoll oder nötig erscheint.
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Vorteilhafterweise erfolgt eine Reduzierung der Leistung bei Arbeitsmaschinen durch zeitweise Reduzierung der in Abhängigkeit von ein oder mehreren Stufen einer gewünschten Reduzierung der Gesamtlast. Auf diese Weise kann bspw. nach der Höhe, um welche die Gesamtlast reduziert werden soll, unterschieden werden. Bspw. kann eine erste Stufe mit der vorgebbaren Schwelle zur Reduzierung der Gesamtlast gleichgesetzt werden. Weitere Stufen im Sinne weiterer Schwellen können dann noch folgen, falls bspw. die bislang erreichte Reduzierung nicht ausreichend ist. Auch ist es denkbar, die Stufen je nach erwarteter Höhe, um welche die Gesamtlast die vorgebbare Schwelle übersteigt oder übersteigen wird, zu wählen.
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Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Leistung jeder einzelnen Arbeitsmaschine mittels Leistungsmessgeräten in den jeweiligen Arbeitsmaschinen und/oder in Zuleitungen zu den jeweiligen Arbeitsmaschinen und/oder mittels einer modellbasierten, arbeitsmaschinenindividuellen und/oder arbeitsmaschinenübergreifenden Leistungsberechnung. Mit den Messgeräten kann eine möglichst genaue Ermittlung der jeweiligen Leistung erfolgen. Mit der modellbasierten Leistungsberechnung, welche bspw. mittels einer Software bereitgestellt werden kann, ist eine günstige und schnelle Ermittlung der Leistung möglich. Eine solche modellbasierte Ermittlung kann dabei bspw. in einer jeweiligen Steuerungseinheit einer Arbeitsmaschine, bspw. einer SPS, integriert sein, oder aber auch in einer übergeordneten Steuerungseinheit, bspw. einem Industrie-PC, oder dem eingangs erwähnten Energiemanagementsystem. Auch eine Kombination der erwähnten Möglichkeiten zur Ermittlung der Leistung ist denkbar. So kann bspw. die modellbasierte Ermittlung zur Überprüfung der Messgeräte verwendet werden.
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Vorteilhafterweise wird der wenigstens eine Energiespeicher zur Energieversorgung der Arbeitsmaschinen hinzugezogen, wenn dieser zu mehr als einem ersten Speicherwert aufgeladen ist und/oder wenn bei allen Arbeitsmaschinen, bei denen es in Abhängigkeit vom Betriebsablauf möglich ist, die Leistung reduziert wird. Damit kann sichergestellt werden, dass der Energiespeicher nur dann genutzt wird, wenn damit auch tatsächlich eine Entlastung einer externen Energieversorgung erreicht werden kann. Zudem kann der Energiespeicher auch zurückgehalten werden, solange es ohne Störung des Betriebsablaufs nicht zwingend nötig ist. Damit kann der Energiespeicher geschont werden.
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Bei dem Energiespeicher sollte darauf geachtet werden, dass er bspw. auf einfache Weise elektrische Energie abgeben und aufnehmen kann. Vorteilhaft sind bspw. Akkumulatoren, Pufferkondensatoren oder aber auch elektrisch antreibbare Schwungmassen. Auch eine Kombination mehrere gleicher und/oder verschiedener Arten von Energiespeichern ist denkbar. Ebenso kann es sinnvoll sein, Energiespeicher unterschiedlicher Speichergröße und/oder unterschiedlicher Geschwindigkeit bei der Energieaufnahme bzw. -abgabe zu verwenden, die je nach Bedarfsfall zum Einsatz kommen können.
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Es ist von Vorteil, wenn der wenigstens eine Energiespeicher geladen wird, wenn dieser zu weniger als einem zweiten Speicherwert aufgeladen ist und/oder wenn die Gesamtlast unterhalb eines weiteren Schwellwertes liegt und/oder wenn bei keiner Arbeitsmaschine die Leistung reduziert wird. Damit kann erreicht werden, dass der Energiespeicher, sobald es in Anbetracht der aktuellen Gesamtlast möglich ist, schnellstmöglich wieder aufgeladen wird, so dass er später zur Energieversorgung herangezogen werden kann.
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Vorzugsweise wird die vorgebbare Schwelle in Abhängigkeit von einem Betriebsablauf der Arbeitsmaschinen und/oder einer kumulierten Energieverbrauchsmenge vorgegeben. Damit ist bspw. eine gezielte Anpassung hinsichtlich wichtiger Betriebsabläufe möglich.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine arbeitsmaschinenübergreifende Energieverbrauchssteuerung und/oder -regelung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch eine Anordnung von Arbeitsmaschinen, bei denen ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
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2a zeigt in einem Diagramm einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
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2b zeigt in einem Diagramm einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist schematisch eine Anordnung von Arbeitsmaschinen 101, 102, 103 und 104 gezeigt, bei denen ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Arbeitsmaschinen 101 und 102 sind vorliegend als Arbeitsmaschinen, die thermische Prozesse ausführen, wie z.B. Öfen oder Trockner, ausgebildet. So kann es sich dabei bspw. um eine Waschmaschine 101 und einen Härteofen 102 handeln.
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Die Arbeitsmaschinen 103 und 104 sind vorliegend als Arbeitsmaschinen, die nicht thermische Prozesse ausführen, ausgebildet. So kann es sich dabei bspw. um eine Stanzmaschine 103 und eine Handling-Maschine (z.B. Roboter) 104, bspw. zum Umsetzen von Produkten, handeln. Es versteht sich, dass die genannten Arten von Arbeitsmaschinen lediglich beispielhaft gewählt sind und nicht einen tatsächlichen Aufbau einer Produktionsanlage darstellen.
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Jede der Arbeitsmaschinen 101, 102, 103 und 104 ist mittels einer elektrischen Leitung an ein internes Stromnetz 170, beispielsweise ein Hallennetz, angeschlossen, welches von einem Energieversorgungssystem 160, welches bspw. ein externes Stromnetz repräsentiert oder mit einem solchen verbunden ist, versorgt wird. Weiterhin ist ein Energiespeicher 150 mit dem Hallennetz 170 verbunden. Bei dem Energiespeicher 150 kann es sich bspw. um einen Akkumulator handeln.
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Für jede der Arbeitsmaschinen 101, 102, 103 und 104 ist in der jeweiligen Zuleitung, mit welcher sie an das Hallennetz 170 angebunden sind, ein Leistungsmessgerät 111, 112, 113 bzw. 114 vorgesehen. Diese Leistungsmessgeräte sind dazu eingerichtet, die aktuelle Leistung der ihnen jeweils zugeordneten Arbeitsmaschine zu erfassen und an eine als ein Energiemanagementsystem ausgebildete Recheneinheit 140, z.B. einen Industrie-PC, zu übermitteln. Je nach Art der Leistungsmessgeräte und/oder der Arbeitsmaschinen können einzelne oder auch alle Leistungsmessgeräte jedoch auch in die jeweilige Arbeitsmaschine integriert sein.
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Weiterhin ist für jede der Arbeitsmaschinen 101, 102, 103 und 104 jeweils eine Steuerungseinrichtung 121, 122, 123 bzw. 124 vorgesehen, die jeweils dazu eingerichtet sind, die jeweilige Arbeitsmaschine zu steuern, zu regeln bzw. zu betreiben. Insbesondere können diese Steuerungseinrichtungen auch für ein Energiemanagement der ihnen jeweils zugeordneten Arbeitsmaschine zuständig sein. Dies kann bspw. durch eine geeignete Software auf der jeweiligen Steuerungseinrichtung erreicht werden. Bspw. kann es sich bei einer solchen Steuerungseinrichtung um eine sog. SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) handeln, wie sie in der Automatisierungstechnik häufig Anwendung findet.
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Das Energiemanagementsystem 140, welches die Leistungen der einzelnen Arbeitsmaschinen 101, 102, 103 und 104 von den jeweiligen Leistungsmessgeräten 111, 112, 113 bzw. 114 erhält bzw. abfragen kann, kann aus diesen einzelnen Leistungen nun eine Gesamtlast, mit welcher alle Arbeitsmaschinen das Hallennetz 170 und dadurch das Energieversorgungssystem 160 belasten, ermitteln. Durch bspw. eine zyklische Abfrage der einzelnen Leistungen wird somit eine Echtzeitüberwachung der Gesamtlast ermöglicht.
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Ferner ist es denkbar, dass die Leistungsmessgeräte in die jeweiligen Steuerungseinrichtungen integriert sind oder aber, dass die Steuerungseinrichtungen dazu eingerichtet sind, die Leistung der jeweiligen Arbeitsmaschine, bspw. anhand eines Modells, zu ermitteln. In diesem Fall kann das Energiemanagementsystem 140 die einzelnen Leistungen direkt von den Steuerungseinrichtungen abfragen. Natürlich ist es auch denkbar, dass für verschiedene Arbeitsmaschinen verschiedene dieser Möglichkeiten vorgesehen sind.
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Das Energiemanagementsystem 140 ist ferner dazu eingerichtet, die einzelnen Steuerungseinrichtungen 121, 122, 123 bzw. 124 derart anzusteuern, dass die jeweilige Steuerungseinrichtung in der ihm zugeordneten Arbeitsmaschine eine vom Energiemanagementsystem 140 vorgegebene Reduzierung der Leistung umsetzt. Weiterhin ist das Energiemanagementsystem 140 dazu eingerichtet, den Energiespeicher 150 derart anzusteuern, dass er die Arbeitsmaschinen mit Energie versorgt und dass er über das Hallennetz 170 geladen wird. Zwischen das Energiemanagementsystem 140 und den Energiespeicher 150 kann hierzu jedoch auch noch eine zusätzliche Ansteuereinheit für den Energiespeicher 150 geschaltet sein.
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In 2a ist in einem Diagramm ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Dabei ist die Gesamtlast P, welche vom Energiemanagementsystem ermittelt wird, über der Zeit t aufgetragen. Die Gesamtlast P muss vom Energieversorgungssystem 160 an das Hallennetz 170 bereitgestellt werden.
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Kurz vor dem Zeitpunkt t1 steigt die Gesamtlast P stark an und überschreitet zum Zeitpunkt t1 einen vorgebbaren Schwellwert S. In der Figur ist mit P ein Verlauf der Gesamtlast bezeichnet, wie er bspw. ohne Reduzierung aussehen könnte. Dabei wird eine Lastspitze erreicht, welche unerwünscht ist.
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Mit P' ist nun ein Verlauf der Gesamtlast gezeigt, wie er bspw. mit Reduzierung aussehen könnte. Die Lastspitze wird dabei vermieden, da die Gesamtlast kurz nach Überschreiten der Schwelle S reduziert wird.
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Die Reduzierung der Gesamtlast kann dabei bspw. durch zeitweise Reduzierung der Energiezufuhr bei den Arbeitsmaschinen 101 und 102, welche thermisch gesteuerte Prozesse ausführen, erfolgen. Ebenso kann bspw. der Energiespeicher 150 zur Energieversorgung herangezogen werden. Dadurch wird ein Teil der benötigten Energie durch den Energiespeicher 150 gedeckt, wodurch die Gesamtlast auf das Energieversorgungssystem 160 reduziert wird.
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Sobald die Gesamtlast wieder unter den Schwellwert gefallen ist, kann die Reduzierung der Gesamtlast zurückgenommen werden, d.h. die jeweiligen Arbeitsmaschinen können wieder zum Normalbetrieb zurückkehren. Der Energiespeicher kann nun bspw. auch wieder geladen werden.
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In 2b ist in einem Diagramm ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Dabei ist eine kumulierte Energieverbrauchsmenge E, welche vom Energiemanagementsystem ermittelt wird, über der Zeit t aufgetragen. Die Änderung er kumulierten Energieverbrauchsmenge bzw. der verbrauchten Arbeit, d.h. die Steigung der mit E bezeichneten Linie entspricht dabei der momentanen Gesamtleistung der Arbeitsmaschinen.
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In Abhängigkeit von der kumulierten Energieverbrauchsmenge E kann nun eine Reduzierung der Gesamtlast in nachfolgend beschriebener Weise erfolgen. Vor Erreichen der ersten Stufe S1 kann bspw. gar keine Reduzierung vorgenommen. Nach Überschreiten der ersten Stufe S1 und vor Erreichen der zweiten Stufe S2 kann bspw. eine Reduzierung der Gesamtlast insofern vorgenommen werden, als nur die Energiezufuhr für thermische Prozesse, also bspw. bei den Arbeitsmaschinen 101 und 102, reduziert wird.
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Bei Überschreiten der zweiten Stufe S2 können bspw. sowohl die Energiezufuhr für thermische Prozesse reduziert als auch die nicht thermischen Prozesse, bspw. bei den Arbeitsmaschinen 103 und 104, verzögert werden. Damit kann eine Reduzierung der Gesamtlast in Abhängigkeit von bereits verbrauchter Energie bzw. verrichteter Arbeit durch die Arbeitsmaschinen erfolgen.
