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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Energiespeicher und eine Produktionsanlage mit solchen Werkzeugmaschinen.
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Produktionsanlagen mit stationären Werkzeugmaschinen sind insbesondere in Gebieten mit einer instabilen Stromversorgung durch ein öffentliches Stromnetz häufig von Stromausfällen betroffen. Bei einer Produktionsanlage mit einer Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern in Form von Werkzeugmaschinen ist es von Nachteil, dass der einzelne elektrische Verbraucher bei einem Fehlen der Grundversorgungsspannung sich nicht auf die bevorstehende Abschaltung vorbereiten kann. Es drohen dadurch undefinierte Anlagenzustände sowie Schäden an Werkstücken und der Anlage, da durch eine unkoordinierte Abschaltung ein im Lauf befindlicher Bearbeitungsprozess abrupt unterbrochen wird. Darüber hinaus erfordert der Neustart einer Produktionsmaschine nach einem solchen Stromausfall in der Regel aufwändige manuelle Anlaufvorgänge.
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Ein anderer Aspekt sind hohe Anforderung an sich verändernde Produktionskapazitäten in derartigen Produktionsanlagen und dadurch zeitweise auftretende Spitzenlasten bei der Stromversorgung, welche mit einer bestehenden Infrastruktur oft nicht bewältigt werden können.
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Aus der
EP 3 540 909 A1 ist eine Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung für Bearbeitungsmaschinen bekannt. Diese Vorrichtung weist eine Maschinensteuerkomponente auf, die mittels einer Primärstromversorgung mit Strom versorgbar ist und dazu eingerichtet ist, eine Bearbeitungsmaschine zu steuern. Ferner weist die Vorrichtung ein Strom-Speichermedium zur Speicherung von Strom auf, welches mit der Maschinensteuerkomponente verbunden ist. Eine Steuereinrichtung ist so ausgestaltet, dass sie die Stromversorgung der Maschinensteuerkomponente kontinuierlich überwacht und im Falle einer erfassten Unterbrechung der Primärstromversorgung die Maschinensteuerkomponente mit Strom aus dem Strom-Speichermedium versorgt. Auf diese Weise können die Maschinensteuerkomponenten beim Ausfall der Primärstromversorgung so lange mit Strom versorgt werden, bis ein bestimmter Zustand erreicht ist. So sollen die Maschinensteuerkomponenten, zum Beispiel PCs, kontrolliert abgeschalten werden können.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2017 002 484 A1 eine Werkzeugmaschine bekannt, mit einer Antriebseinheit, die ein Werkzeug zum Bearbeiten eines Werkstücks antreibt, und mit einer Steuereinheit, welche die Antriebseinheit durch Versorgen der Antriebseinheit mit elektrischer Energie steuert. Die Werkzeugmaschine umfasst ferner eine Stromausfallerfassungseinheit. Wenn ein Stromausfall erfasst wird, wird die Stromquelle der Steuereinheit von einer Normalstromversorgungseinheit auf eine Notstromversorgungseinheit umgeschaltet, sodass die Steuereinheit der Werkzeugmaschine weiterarbeiten kann. Zusätzlich gibt die Stromausfallerfassungseinheit ein Stromausfallerfassungssignal an die Steuereinheit aus. Wenn das Stromausfallerfassungssignal von der Stromausfallerfassungseinheit an diese gesendet wird, stoppt die Steuereinheit den Betrieb der Antriebseinheit. Folglich wird die Bearbeitung gestoppt. Die Notstromversorgungseinheit umfasst eine Hilfsstromquelle und einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler. Die Hilfsstromquelle kann beispielsweise eine Speicherbatterie sein.
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Aus der
DE 10 2010 023 536 A1 ist eine Vorrichtung zur Netzleistungsregulierung durch kinetische Energiespeicherung bekannt. Die Vorrichtung ist zur Versorgung elektrischen Antriebs mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz ausgebildet. Dazu weist die Vorrichtung einen Schwungrad-Energiespeicher mit einem Elektromotor und einen Gleichspannungs-Zwischenkreis auf, der mit dem Schwungrad-Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist und mit dem Antrieb und dem Energieversorgungsnetz elektrisch koppelbar ist. Ferner weist die Vorrichtung einen Prozessor auf, welcher ausgebildet ist, um zumindest ein Signal über eine Information zu einer benötigten Leistung für den Antrieb über eine Kommunikationsverbindung für den Antrieb zu erhalten. Der Prozessor kann, ansprechend auf die erhaltene Information, eine Drehzahl des Schwungrad-Energiespeichers beeinflussen.
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Schließlich ist aus der
DE 10 2012 017 851 A1 eine Werkzeugmaschine mit einer Schaltungsanordnung zum Betreiben derselben bekannt. Die Schaltungsanordnung umfasst mit einen elektrischen Zwischenkreis und eine Ladeeinrichtung, welche ein erstes Energiespeichermittel aufweist, das zur Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie geeignet ist. Der Zwischenkreis weist ein zweites Energiespeichermittel auf, welches zur Aufnahme und zur Abgabe von elektrischer Energie geeignet ist. Die Ladeeinrichtung ist elektrisch an den Zwischenkreis angekoppelt. Zwischen der Ladeeinrichtung und dem Zwischenkreis ist eine erste Schaltungseinrichtung derart angeordnet ist, dass das erste Energiespeichermittel und das zweite Energiespeichermittel in einem vorgegebenen Betriebszustand der Schaltungsanordnung elektrisch parallel zueinander geschaltet sind und zur Spannungsversorgung des elektrischen Verbrauchers dienen. Dabei wird das erste Energiespeichermittel aus dem Zwischenkreis elektrisch versorgt. Das erste Energiespeichermittel versorgt bei einer Störung der elektrischen Spannungsversorgung den Zwischenkreis und den elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Werkzeugmaschine und Produktionsanlage, insbesondere im Hinblick auf einen zuverlässigen und energieeffizienten Betrieb, zu schaffen.
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Diese Aufgaben werden durch eine Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 6 sowie durch eine Produktionsanlage gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es wird eine stationäre Werkzeugmaschine vorgeschlagen, welche zumindest eine Antriebseinrichtung, einen Hybridwechselrichter, einen elektrischen Energiespeicher und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Stromversorgung umfasst. Der elektrische Energiespeicher ist dazu eingerichtet, die Antriebseinrichtung in einem Pufferbetrieb mit Strom zu versorgen. Der Hybridwechselrichter weist eine erste Schnittstelle zu einem Verbundnetz und eine zweite Schnittstelle zu dem elektrischen Energiespeicher auf.
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Unter stationären Werkzeugmaschinen werden Werkzeugmaschinen und Produktionszellen verstanden, welche zumindest während eines Bearbeitungsprozesses an stationär an einer Stelle in einem Produktionsbereich aufgestellt sind. Dies können beispielsweise Bearbeitungszentren, Spritzgussmaschinen, Drehmaschinen oder Fräsmaschinen sein. Die Antriebseinrichtung kann mehrere elektrische Antriebsmaschinen, insbesondere Elektromotoren umfassen, welche verschiedene Komponenten der stationären Werkzeugmaschine antreiben können, beispielsweise eine Spindel und ein Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks. Das Verbundnetz ist insbesondere ein überregionales und unternehmensübergreifendes Stromnetz, welches eine große Anzahl an Verbrauchern versorgt und auch über Ländergrenzen hinweg verbunden sein kann.
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Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise als Hochvoltbatterie ausgeführt sein, insbesondere auf einer 400 Volt oder 800 Volt Basis. Gegebenenfalls können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Batterien aus der Automobilindustrie als elektrische Energiespeicher wiederverwendet werden.
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Der vorgesehene Hybridwechselrichter kann zum Laden des elektrischen Energiespeichers eine anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln. Zur Stromversorgung der Antriebseinrichtung aus dem elektrischen Energiespeicher kann der Hybridwechselrichter eine Wechselspannung erzeugen. Der Hybridwechselrichter besteht demnach aus einer Kombination aus Gleichrichter und Wechselrichter, wobei der Gleichrichter zur Erzeugung der Batterieladespannung, aus internen und externen Energiequellen eingesetzt wird. Der Wechselrichter ist also ein funktionaler Teil des Hybridwechselrichters und wird zur Energiebereitstellung aus dem elektrischen Energiespeicher und externen Quellen, Netzanschluss oder regenerativen Erzeugern eingesetzt. Als interne Energiequellen werden insbesondere der elektrische Energiespeicher und der elektrische Motor betrachtet, wenn er generatorisch betrieben wird. Externe Energiequellen befinden sich außerhalb der stationären Werkzeugmaschine. Interne und externe Energiequellen sind gemäß einer Ausführung voneinander galvanisch trennbar. Zu diesem Zweck können insbesondere in bzw. an dem Hybridwechselrichter geeignete Koppelglieder angeordnet sein. Zur Erfüllung der beschriebenen Funktionen des Hybridwechselrichters kann dieser auch aus mehreren, baulich getrennten Einheiten bestehen.
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Der Hybridwechselrichter kann von der Steuereinrichtung im Sinne eines Energie- und Lademanagements gesteuert werden. Ein solches Energie- und Lademanagement regelt beispielsweise in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit der Stromversorgung aus dem Verbundnetz und dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers aus welcher Stromquelle die Antriebseinrichtung mit Strom versorgt wird. Der reduzierte Energiebedarf kann beispielsweise durch eine Bedieneinrichtung in Form einer HMI, engl. für Human-Machine-Interface, oder durch ein Leitsystem stufenweise und dynamisch eingestellt werden. Alternativ kann der reduzierte Energiebedarf auch von der Steuereinrichtung der stationären Werkzeugmaschine selbständig eingeregelt werden, abhängig von zurückgewonnener Energie, Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, aktueller oder prognostizierter Strompreisdaten, aktuellen Verbrauchsdaten der individuellen Werkzeugmaschine oder der gesamten Produktionsanlage, Lastspitzen und/oder extern eingestellter Optimierungs- oder Verhaltenskriterien, sodass angestrebte Optimierungskriterien bestmöglich erreicht werden.
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Der in die Werkzeugmaschine integrierte elektrische Energiespeicher ermöglicht einen zeitweisen, netzunabhängigen Betrieb. Auf diese Weise wird eine dezentrale, unterbrechungsfreie Stromversorgung, abgekürzt USV, bereitgestellt. Durch diese USV können kritische Werkzeugmaschinen oder Produktionszellen gegen Stromausfall abgesichert werden, ohne für die gesamte Produktionsstätte eine entsprechende zentrale USV-Infrastruktur vorsehen zu müssen. Dies kann insbesondere für kleinere Betriebe wie Lohnfertiger interessant sein.
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Mithilfe der erfindungsgemäßen dezentralen USV kann ein bestehender Arbeitsprozess auf der stationären Werkzeugmaschine bei einem Stromausfall des Verbundnetzes noch beendet werden. Daten können gespeichert und Programme ordnungsgemäß beendet werden, um einen späteren Wiederanlauf zu beschleunigen oder komplett zu automatisieren. Mit anderen Worten kann die Werkzeugmaschine selbständig dort weiterarbeiten, wo sie aufgehört hat, sobald der Strom aus dem Verbundnetz wieder verfügbar ist und anliegt. Die genannte Steuereinrichtung der stationären Werkzeugmaschine bzw. Produktionszelle kann ein vorteilhaftes Energie- und Lademanagement ist dazu eingerichtet, solche Abläufe bei einem Ausfall der Stromversorgung aus dem Verbundnetz zu steuern bzw. durchzuführen. Die Steuereinrichtung kann Teil des integrierten elektrischen Energiespeichers oder des Hybridwechselrichters sein.
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Der elektrische Energiespeicher ist ferner dazu eingerichtet nicht nur die Steuerungskomponenten, sondern auch die Antriebseinrichtung der Werkzeugmaschine in einem Pufferbetrieb mit Strom zu versorgen. Der Pufferbetrieb, in welchem die Antriebseinrichtung mit Strom aus dem elektrischen Energiespeicher versorgt wird, soll also nach einem Stromausfall aus dem Verbundnetz nicht nur ein geregeltes Abschalten der Werkzeugmaschine ermöglichen, sondern auch den weiteren Betrieb über einen gewissen Zeitraum sicherstellen. Dieser Zeitraum kann beispielsweise mehrere Minuten dauern. Ferner ist auch gewährleistet, dass die Werkzeugmaschine ihr Arbeitsprogramm nach Energieausfall, bei entladenem elektrischem Energiespeicher und wiederkehrender Energieversorgung automatisch fortsetzen kann, weil durch den elektrischen Energiespeicher die Werkzeugmaschine noch in einen Zustand versetzt werden kann, aus dem ein störungsfreier, automatischer Wiederanlauf möglich ist.
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Des Weiteren kann die Steuereinrichtung der stationären Werkzeugmaschine auch dazu eingerichtet sein, die Werkzeugmaschine in einem Hybridbetrieb zu betreiben. In dem Hybridbetrieb wird die Antriebseinrichtung anteilig aus dem Verbundnetz und aus dem elektrischen Energiespeicher mit Strom versorgt.
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Die vorgeschlagene Lösung kann vorteilhaft auch dazu genutzt werden Lastspitzen zu reduzieren. Dazu ist die Steuereinrichtung in einer Ausführung der Erfindung dazu eingerichtet, den Pufferbetrieb oder den Hybridbetrieb zur Reduktion von Lastspitzen einzuschalten. Dazu kann die Werkzeugmaschine auch über eine gewisse Zeit in einen energieautarken Betrieb wechseln, um Lastspitzen zu verhindern. Bei einer Vielzahl von Produktions- und auch Werkzeugmaschinenanwendungen treten Prozessabschnitte auf, in denen kurzfristig hohe Leistungen zugeführt werden müssen, während in anderen Prozessabschnitten lediglich geringere Leistungen oder Ströme bzw. Drehmomente zuzuführen sind. Bisher verwendete Verfahren zum Betrieb von Produktions- oder Werkzeugmaschinen berücksichtigen die unterschiedlichen Merkmale verschiedener Prozessabschnitte nicht und führen die erforderliche Leistung während aller Prozessabschnitte vollständig über die Stromversorgung aus dem Verbundnetz zu. Nachteilig sind hierbei die hohen Kosten, die mit Lastspitzen und folglich hohen Maximalleistungen bzw. Leistungsspitzen verbunden sind. Durch den hier vorgeschlagenen Einsatz des zeitweisen Pufferbetriebs oder Hybridbetriebs mithilfe des integrierten elektrischen Energiespeichers können solche Lastspitzen geglättet und reduziert werden.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die stationäre Werkzeugmaschine eine dritte Schnittstelle aufweist, über die der Hybridwechselrichter mit einem Inselnetz verbunden oder verbindbar ist. Die dritte Schnittstelle kann unmittelbar an dem Hybridwechselrichter angeordnet sein. Unter einem Inselnetz wird ein lokales Stromnetz verstanden, in dem beispielsweise Verbraucher und gegebenenfalls Stromerzeuger und/oder Stromspeicher an einer Produktionsstätte miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist ein Hybridwechselrichter vorgesehen, um zum Laden des Energiespeichers eine anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln, und um zur Stromversorgung der Antriebseinrichtung aus dem elektrischen Energiespeicher oder aus einer an der zweiten Schnittstelle anliegenden Gleichspannung eine Wechselspannung zu erzeugen. Der Hybridwechselrichter kann ebenfalls von der Steuereinrichtung angesteuert werden, insbesondere um auf diesem Wege ein Energie- und Lademanagement zu realisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung zumindest einen elektrischen Motor umfasst, und dass der zumindest eine elektrischer Motor generatorisch betreibbar ist, sodass der elektrische Energiespeicher in einem generatorischen Betrieb des elektrischen Motors aufladbar ist. Beim Abbremsen von Bewegungen der stationären Werkzeugmaschine, z.B. der Rotation einer Spindel, wird statt einer Bremse der elektrische Motor als Generator betrieben und zurückgewonnene Energie in den elektrischen Energiespeicher zurückgespeist, sofern die Einspeisung in das Netz ungünstiger oder nicht möglich ist. Auf diese Weise kann kinetische Energie genutzt werden, welche während der Bearbeitung in einem Werkstück, Werkzeug und/oder in einem Maschinenteil vorhanden ist. Mit anderen Worten kann ein Rekuperationspotenzial genutzt werden, um den Energieverbrauch der stationären Werkzeugmaschine zu reduzieren.
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Zur Umsetzung eines umfassenden Energiemanagements kann die stationäre Werkzeugmaschine eine erste Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation der Steuereinrichtung mit einer externen Steuerungseinheit, insbesondere mit einer Netzsteuereinrichtung, umfassen. Die erste Kommunikationsschnittstelle kann ein Teil der Steuereinrichtung sein. Mittels der ersten Kommunikationsschnittstelle kann die Kommunikation über ein drahtloses oder drahtgebundenes Netzwerk der Produktionsstätte oder eine eigene, parallel dazu ausgeführte Kommunikationseinrichtung erfolgen. Vorteilhaft erfolgt die Kommunikation dabei drahtlos, beispielsweise über ein WLAN und/oder GSM-Funknetz. Die Werkzeugmaschine kann über die erste Kommunikationsschnittstelle auch an ein maschinenübergreifendes Lastspitzenmanagement angeschlossen sein.
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Über die erste Kommunikationsschnittstelle sind unterschiedliche Kommunikationspfade und Protokolle umgesetzt, um sowohl Industrieautomations- und Produktionsspezifische Kommunikation als auch Kommunikationsprotokolle anderer Branchen, z.B. Energieversorgung, andere Endgeräte oder Gebäudeautomation, zu ermöglichen. Zur Realisierung der Kommunikationspfade können Adressen eingerichtet sein, die als Sender und Empfänger der Daten funktionieren. Dafür kann ein Kommunikationsprotokoll, d.h. ein Kommunikationsstandard, vorgesehen sein, das geeignet ist, unterschiedlichen Beteiligten, beispielsweise Netzbetreibern oder Produktionsleitsystemen, einen Eingriff auf die Last oder Lastverschiebung zu ermöglichen. Dazu eignet sich insbesondere ein universelles, herstellerunabhängiges Kommunikationsprotokoll.
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Vorteilhaft können dazu die elektrischen Energiespeicher mehrerer stationärer Werkzeugmaschinen einer Produktionsanlage miteinander verbindbar sein, sodass elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher einer Werkzeugmaschine auf den Energiespeicher einer anderen Werkzeugmaschine übertragbar ist. Dazu kann gemäß einer weiteren Ausführung vorgesehen sein, dass die Produktionsanlage eine Netzsteuereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Energieverteilung zwischen den verbindbaren stationären Werkzeugmaschinen in einem Inselnetz zu steuern. Die dezentralen elektrischen Energiespeicher mehrerer Werkzeugmaschinen können zu einem virtuellen USV-System zur Versorgung anderer Verbraucher zusammengeschaltet werden, wobei sich das virtuelle USV-System wie ein zentrales, monolithisches USV-System verhält. Andere Verbraucher können beispielsweise Server eines Rechenzentrums sein. Es ist auch möglich das virtuelle USV-System mit anderen USV-Systemen zusammenzukoppeln, um so eine redundante oder zeitlich verlängerte Absicherung gegen Stromausfall zu erreichen.
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In einer solchen Produktionsanlage kann auf diese Weise ein Inselnetz eingerichtet werden. Ein solches Inselnetz kann insbesondere auch modular aufgebaut sein, indem weitere Werkzeugmaschinen oder andere Stromquellen und Verbraucher koppelbar sind. Ein Inselnetz kann auch Microgrid genannt werden. In diesem Rahmen kann in der Produktionsanlage beispielsweise eine Fahrzeugschnittstelle zum Anschluss eines Fahrzeugenergiespeichers umfasst. Auf diese Weise können die Speicherkapazität eines Fuhrparks mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ebenfalls in das Energiemanagement eingebunden werden. Ferner können eine oder mehrere elektrische Anschlussstellen für weitere Energiequellen oder Energieerzeuger vorgesehen sein. Insbesondere kann zumindest eine Anschlussstelle vorgesehen sein, über die Strom aus einer Photovoltaikanlage in das Inselnetz eingespeist werden kann, wodurch die Kapazität und die Versorgungssicherheit des Inselnetzes weiter erhöht werden kann. Durch die beschriebene Zusammenschaltung mehrerer Energieverbraucher und Energiequellen kann das Inselnetz modular aufgebaut sein. Es können mit geringem Aufwand verschiedene lokale Energiequellen oder Energieverbraucher an- und abgekoppelt werden. Neben den genannten Batterien elektrischer Fahrzeuge, insbesondere Flurförderfahrzeuge, Fahrzeuge aus einem NKW- und PKW-Fuhrpark, können auch Ladesäulen an der betroffenen Produktionsstätte über die elektronische Steuereinrichtung zum Energiemanagement der stationären Werkzeugmaschine mit deren elektrischem Energiespeicher verbindbar sein.
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Ferner können Werkzeugmaschinen im laufenden Betrieb für Umbauarbeiten in der Produktionsanlage kurzfristig von der Netzversorgung aus dem Verbundnetz getrennt werden, ggf. auch transportiert und umgestellt werden oder im Sinne einer flexiblen Matrixproduktion zu einer neuen Produktionszelle oder mit anderen Produktionszellen zusammengestellt werden.
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Die Netzsteuereinrichtung kann darüber hinaus eine zweite Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer weiteren Steuereinrichtung des Verbundnetzes aufweisen. Über die weitere Kommunikationsschnittstelle kann das Energiemanagement netzübergreifend betrieben werden. Durch Eingriffe des Netzbetreibers auf das äußere Lastverhalten besteht die Möglichkeit größere Stromausfälle zu verhindern ohne negative Auswirkungen auf den laufenden Betrieb der Produktionsanlage.
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Ein Bediengerät bzw. HMI, engl. für Human-Machine-Interface, mit Eingabe- und Ausgabevorrichtung, kann zum Einstellen verschiedener Vorgaben genutzt werden. Über das Bediengerät kann ein Computerprogrammprodukt, umfassend zumindest ein Softwareprogramm, konfiguriert werden, welches in der Steuereinrichtung ausführbar gespeichert sein kann. Die Steuereinrichtung umfasst dazu geeignete elektronische Komponenten, insbesondere zumindest einen Datenspeicher und zumindest einen Prozessor sowie geeignete Verbindungen zum Datenaustausch.
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Mit dem genannten Computerprogrammprodukt ist ein Verfahren durchführbar, bei dem die stationäre Werkzeugmaschine wahlweise in einem Verbundnetzbetrieb, einem Pufferbetrieb oder in einem Hybridbetrieb betrieben wird. Dabei wird die Antriebseinrichtung der stationären Werkzeugmaschine in dem Verbundnetzbetrieb ausschließlich mit Strom aus einem Verbundnetz, in dem Pufferbetrieb ausschließlich mit Strom aus dem elektrischen Energiespeicher und in dem Hybridbetrieb anteilig mit Strom aus dem Verbundnetz und aus dem elektrischen Energiespeicher versorgt.
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Über die Kommunikationsschnittstelle ist auch eine Verteilung des Computerprogrammprodukts auf beliebige Rechner, mobile Endgeräte, Server und die Cloud möglich. Das Computerprogrammprodukt kann ferner die Konfiguration der energetischen Verhaltensweise der stationären Werkzeugmaschine, die Schnittstellen zu Leit- und Steuersystemen, deren Priorität und die Erfassung von Betriebsverhalten und Optimierungskriterien ermöglichen und bereitstellen. Die Konfiguration der energetischen Verhaltensweisen kann in Abhängigkeit beliebiger interner oder empfangener externer Daten erfolgen. Die Einstellungen lassen sich im Sinne eines digitalen Zwillings durch eine Simulation mit historischen Daten auf das gewünschte Verhalten und die Auswirkungen überprüfen. Das heißt, es kann das Verhalten bei Stromausfall zum Zeitpunkt eines kritischen Lastprofils simuliert werden oder die Auswirkung eines maximal bzw. sicher umsetzbaren Hybridbetriebs auf die Lastspitzen des Lastprofils oder umgekehrt die Vorgaben eines externen Lastmanagementsystems auf das Betriebsverhalten können ermittelt werden. Daraus lassen sich wiederum erzielbare Einsparungen seitens Energiekosten und Energieverbrauch berechnen. Das Computerprogrammprodukt kann über die genannte Kommunikationsschnittstelle oder eine andere Schnittstelle, bspw. eine API, auch durch ein übergeordnetes Leit- oder Netzsteuersystem als Service genutzt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der anliegenden Figur dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
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Dabei zeigt die 1 ein Schema mit einer erfindungsgemäßen stationären Werkzeugmaschine 1 und einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage 100.
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Die in der 1 dargestellte stationäre Werkzeugmaschine 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Fräsmaschine. Die Werkzeugmaschine 1 umfasst eine Antriebseinrichtung 2, einen Hybridwechselrichter 3, einen elektrischen Energiespeicher 4 und eine Steuereinrichtung 5 zum Steuern der Stromversorgung. Über den Hybridwechselrichter 3 wird die Antriebseinrichtung 2 mit Strom versorgt. Der Hybridwechselrichter 3 weist eine erste Schnittstelle 6 zu einem Verbundnetz 7 auf, über die im Verbundnetzbetrieb und in dem Hybridbetrieb Strom aus dem Verbundnetz 7 zum Antreiben der stationären Werkzeugmaschine 1 eingespeist wird. Eine zweite Schnittstelle 8 ist an dem Hybridwechselrichter 3 zur Verbindung des Hybridwechselrichters 3 mit dem elektrischen Energiespeicher 4 der stationären Werkzeugmaschine 1 vorgesehen. Der Hybridwechselrichter 3 umfasst auch zwei Koppelglieder 19, 20 mit denen die externen Stromquellen, vorliegend das Verbundnetz 7 und das Inselnetz 10, galvanisch abgekoppelt werden können von den internen elektrischen Komponenten.
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Der elektrische Energiespeicher 4 ist dazu eingerichtet, die Antriebseinrichtung 2 in einem Pufferbetrieb und in einem Hybridbetrieb mit Strom zu versorgen. Die jeweils geeignete Betriebsart kann von der Steuereinrichtung 5 eingestellt werden. Im Pufferbetrieb wird die Antriebseinrichtung 2 allein aus dem Energiespeicher 4 mit Strom versorgt. Der Pufferbetrieb kann zur Notstromversorgung eingesetzt werden, wenn die Stromversorgung aus dem Verbundnetz 7 nicht zur Verfügung steht. Im Hybridbetrieb wird die Antriebseinrichtung 2 anteilig aus dem Verbundnetz 7 und dem elektrischen Energiespeicher 4 mit Strom versorgt. Die Größe der beiden Anteile kann in der Steuereinrichtung 5 in Abhängigkeit von dem aktuellen Leistungsbedarf, vom Ladezustand des Energiespeichers 4 und/oder von der aktuellen Verfügbarkeit der Energie aus dem Verbundnetz 7 eingestellt werden. Die Auswahl und Umsteuerung zwischen den einzelnen Betriebsarten können durch die Steuereinrichtung 5 gesteuert werden. Der Pufferbetrieb und der Hybridbetrieb können auch dazu eingesetzt werden, um Lastspitzen zu reduzieren und um Energiekosten zu reduzieren, indem eine Lastverschiebungen in Zeiten günstigeren Energiebezugs aus dem Verbundnetz 7 vorgenommen werden.
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Ein elektrischer Motor 11 der Antriebseinrichtung 2 ist durch ein Sichtfenster der Werkzeugmaschine 1 erkennbar. Die Antriebseinrichtung 2 umfasst noch andere elektrische Motoren, die in der 1 nicht dargestellt sind. Der elektrische Motor 11 kann ein Werkzeug der Werkzeugmaschine rotatorisch antreiben. Ferner ist es möglich den elektrischen Motor 11 generatorisch zu betreiben, wobei der Energiespeicher 4 während des generatorischen Betriebs aufgeladen wird. Dabei wird die kinetische Energie in Form von Rotationsenergie des Werkzeugs aus dem vorherigen Betrieb genutzt und in elektrische Energie umgewandelt.
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Die Energiespeicher 4, 4a, 4b mehrerer Werkzeugmaschinen 1, 1a, 1b der Produktionsanlage 100 sind in einem Inselnetz 10 miteinander verbunden, sodass elektrische Energie aus dem Energiespeicher 4a einer Werkzeugmaschine 1 a auf den Energiespeicher 4b einer anderen Werkzeugmaschine 1b übertragbar ist und umgekehrt. Die Produktionsanlage 100 umfasst darüber hinaus eine Fahrzeugschnittstelle 17 zum Anschluss eines Fahrzeugenergiespeichers. Dies ermöglicht die Einbindung der Energiespeicher bzw. Batterien von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen in das Inselnetz 10, sodass die Batterien der Fahrzeuge über das Inselnetz 10 aufgeladen werden können oder aber zum Einspeisen von elektrischer Energie in das Inselnetz 10 angeschlossen werden können. Auf diese Weise kann die elektrische Kapazität des Inselnetzes 10 vergrößert werden, was beim Energiemanagement und Lademanagement vorteilhaft genutzt werden kann.
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Zur Steuerung der Energieverteilung zwischen den verbundenen stationären Werkzeugmaschinen 1, 1a, 1b in dem Inselnetz 10 umfasst die Produktionsanlage 100 eine Netzsteuereinrichtung 13. Die Netzsteuereinrichtung 13 weist ihrerseits eine zweite Kommunikationsschnittstelle 14 zur Kommunikation mit der Steuereinrichtung 5 und mit den Steuereinrichtungen der einzelnen Werkzeugmaschinen 1a, 1b auf. Ferner kann die Netzsteuereinrichtung 13 zum Zwecke eines netzübergreifenden Energiemanagements auch mit einer weiteren Steuereinrichtung 15 des Verbundnetzes 7 kommunizieren. Zu diesem Zweck weist auch die weitere Steuereinrichtung 15 des Verbundnetzes 7 eine dritte Kommunikationsschnittstelle 16 auf. Im vorliegenden Beispiel sind die Kommunikationsschnittstellen 12, 14, 16 alle zur drahtlosen Kommunikation eingerichtet.
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Ein Bediengerät bzw. HMI 21, engl. für Human-Machine-Interface, mit Eingabe- und Ausgabevorrichtung kann zum Einstellen verschiedener Vorgaben genutzt werden. Über die HMI 21 kann ein Computerprogrammprodukt 22, umfassend zumindest ein Softwareprogramm, konfiguriert werden, welches in der Steuereinrichtung 5 ausführbar gespeichert ist. Das Computerprogrammprodukt 22 ermöglicht die Konfiguration der energetischen Verhaltensweise der stationären Werkzeugmaschinen 1, 1a, 1b. Dies umfasst Vorgaben für die verschiedenen Betriebsarten, insbesondere wann bzw. unter welchen Bedingungen die stationären Werkzeugmaschinen 1, 1a, 1b im Verbundnetzbetrieb, im Hybridbetrieb und im Pufferbetrieb betrieben werden. Mithilfe des Computerprogrammprodukts 22 sind Simulationen möglich, mit denen das Verhalten bei Stromausfall zum Zeitpunkt eines kritischen Lastprofils simuliert werden. Ferner können die Auswirkung eines maximal bzw. sicher umsetzbaren Hybridbetriebs auf die Lastspitzen des Lastprofils oder umgekehrt die Vorgaben eines externen Lastmanagementsystems auf das Betriebsverhalten ermittelt, und dadurch erzielbare Einsparungen bei Energieverbrauch und Energiekosten berechnet werden.
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Das Computerprogrammprodukt 22 kann über eine Schnittstelle, bspw. eine API, von einem übergeordneten Leitsystem auch als Service genutzt werden.
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Über eine elektrische Anschlussstelle 18 können weitere Energieerzeuger an das Inselnetz 10 angeschlossen werden. Insbesondere können so Energieerzeuger, welche regenerative Energiequellen nutzen mit eingebunden werden. Beispielsweise kann so die durch eine lokale Photovoltaikanlage generierte elektrische Energie direkt in das Inselnetz 10 eingespeist werden. Dadurch werden die Kosten und die Abhängigkeit von der Stromversorgung durch das Verbundnetz 7 vorteilhaft verringert.
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Bezugszeichen
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- 1
- Werkzeugmaschine
- 2
- Antriebseinrichtung
- 3
- Hybridwechselrichter
- 4
- elektrischer Energiespeicher
- 5
- Steuereinrichtung
- 6
- erste Schnittstelle
- 7
- Verbundnetz
- 8
- zweite Schnittstelle
- 9
- dritte Schnittstelle
- 10
- Inselnetz
- 11
- elektrischer Motor
- 12
- erste Kommunikationsschnittstelle
- 13
- Netzsteuereinrichtung
- 14
- zweite Kommunikationsschnittstelle
- 15
- weitere Steuereinrichtung
- 16
- dritte Kommunikationsschnittstelle
- 17
- Fahrzeugschnittstelle
- 18
- Anschlussstelle
- 19
- Koppelglied
- 20
- Koppelglied
- 21
- HMI
- 22
- Computerprogrammprodukt
