Framework für die energieoptimale Ansteuerung von Werkzeugmaschinen

Abstract

Werkzeugmaschinen haben einen großen Anteil am elektrischen Gesamtenergiebedarf der deutschen Industrie. Studien zur Reduktion des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen haben ergeben, dass eine Senkung des Energieverbrauchs nur durch viele Einzelmaßnahmen möglich ist. Die Umsetzung von Einzelmaßnahmen erfolgt nach einer Umfrage des Instituts der deutschen Wirtschaft Köln allerdings heute nur, wenn diese sich kostengünstig realisieren lassen (Mahammadzadeh 2013). An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an, die ein Framework für die energieoptimale Ansteuerung beschreibt, mit dem unterschiedliche steuerungstechnische Einzelmaßnahmen zur Energieoptimierung von Werkzeugmaschinen zur Laufzeit einfach und kostengünstig umgesetzt werden können. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik werden dafür zuerst Konzepte entwickelt, um den energetischen Istzustand der Werkzeugmaschine zu erfassen. Als zweiter Schritt erfolgt dann die Definition von allgemeingültigen Stelleingriffen, mit denen der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Um Einzelmaßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs durch Energieoptimierer durchführen zu können, werden die Schnittstellen der Energieoptimierer definiert sowie Mechanismen entwickelt, um die Energieoptimierer ins Framework einzubinden. Da eine Optimierung heute maßgeblich von Randbedingungen (wie z.B. einer Pausenzeit) abhängt, wird weiterhin ein Konzept zur Parametrierung und Überwachung der Energieoptimierer zur Laufzeit entworfen. Die Parametrierung kann dabei durch ein übergeordnetes Manufacturing Execution System (MES) oder durch den Maschinenbediener über eine Bedienoberfläche erfolgen. Den Abschluss der Arbeit bilden eine Realisierung der Konzepte sowie deren Evaluation. Durch die Evaluierung wird gezeigt, dass eine energieoptimale Ansteuerung durch das in dieser Arbeit entwickelte Framework in Kombination mit einem Energieoptimierer einfach und kostengünstig realisiert werden kann.

Machine tools consume a large share of the total energy requirement of the German industry. Studies concerning the reduction of energy consumption have revealed that this is only possible through many individual measures. However, according to a survey of the Institute for German Economy in Cologne, the implementation of these measures is only accomplished today if they can be realized cost-efficiently (Mahammadzadeh 2013). This is the starting point for this thesis, in which a framework for the energy-optimized control is described. This framework allows the easy and inexpensive implementation of various individual control methods for energy optimization of machine tools at runtime. For this purpose, first concepts are developed, based on the scientific and technical state of the art, for recording the actual energetic state of the machine tool. A second step is the definition of generally applicable control actions for reducing the energy consumption. For performing individual measures for reducing the energy consumption by means of energy optimizers, their interfaces were defined as well as mechanisms developed for the integration of these into the framework. Since optimization today mainly depends on the boundary conditions (e.g. break times), another concept has been developed for parameterizing and monitoring of the energy optimizers at runtime. Here, parameterization can be done by a higher-level Manufacturing Execution System (MES) or by the machine operator via a user surface. The thesis concludes with a realization of the concepts and their evaluation. The evaluation shows that, in combination with an energy optimizer, an energy-optimized control can be easily and cost-efficiently implemented through the framework.