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Hauptkomponenten des energieeffizienten Systembaukastens, der im Rahmen des Projekts itsowl-IASI definiert wurde. Bild: Lenze
Systembaukasten

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Antriebe für die Intralogistik

Text: Holger Borcherding, Lenze
Der Energieverbrauch von elektrischen Antriebssystemen in der Intralogistik stand bisher bei der Projektierung nicht im Vordergrund. Mehrinvestitionen amortisierten sich gegenüber den Energieeinsparungen bei bisher verfügbaren Geräten nicht innerhalb von zwei Jahren. Um dieses Paradigma zu überwinden, sind sowohl kostengünstige Techniken der Energieeffizienz notwendig als auch belastbare Untersuchungen zur erreichbaren Energieeinsparung.

Lösungen erarbeiten, die einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz in der Intralogistik leisten – das hat sich ein auf Initiative von Lenze entstandenes Forschungskonsortium zur Aufgabe gemacht. Neben Lenze gehören die Unternehmensgruppe Weidmüller, das Fraunhofer IOSB-INA und die Hochschule Ostwestfalen Lippe mit dem Institut Industrial IT (inIT) sowie das Labor Leistungselektronik und elektrische Antriebe (LLA) zu diesem Zusammenschluss. Durch das Forschungsprojekt Intelligente Antriebs- und Steuerungstechnik für energieeffiziente Intralogistik (itsowl-IASI) soll es künftig möglich sein, für jede antriebstechnische Anwendung in einem Intralogistiksystem, wie beispielsweise einem Warenlager, aus einer Varianz technischer Lösungen diejenige zu bestimmen, die bei festgelegten Kosten vorab nachweisbar die geringste elektrische Energie verbraucht. Das definierte Projektziel des Innovationsprojektes lautet, in einem Referenz-Intralogistiksystem mindestens 15 Prozent elektrische Energie einzusparen, ohne dabei die Lebenszykluskosten zu erhöhen.

Innovationsprojekt itsowl-IASI

Das Projekt startete im 4. Quartal 2012. Schwerpunkt des Spitzenclusters ist die Erforschung und Entwicklung technischer Systeme mit inhärenter Teilintelligenz. Die Systeme sollen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren, ihr Verhalten selbstständig sowie situationsgerecht anpassen und mit anderen technischen Systemen kommunizieren, verhandeln und kooperieren können. Die Intelligenz dieser Systeme wird durch die stetige Integration neuer Funktionen erreicht. Realisiert werden diese Funktionen durch zusätzliche Elektronik, Software, Regelungs- und Steuerungstechnik sowie Sensorik – also Automatisierungstechnik.

Der Systembaukasten

Im Rahmen des Projekts haben die Beteiligten einen Systembaukasten erarbeitet, der aus folgenden Hauptkomponenten besteht:

  • hocheffiziente IE4- und leistungsoptimierte IE3-Motoren;

  • Antriebsumrichter mit Maximum-Power-Per-Ampere(MPPA)-Regelung;

  • modulare Netzrückspeisung für generatorische Energie;

  • geberlose Positionsregelungen von Permanentmagnet- und Reluktanz-Synchronmotoren;

  • Energiemonitoring durch vernetzte echtzeitfähige Leistungsmesser;

  • Netzwerkkomponenten für die Energiedatenerfassung eines Energiemanagements;

  • modellbasierte energieeffiziente Bewegungssteuerung für die Verbesserung von Bewegungsprofilen in Echtzeit.

Der Beitrag der einzelnen Komponenten des Systembaukastens zum Einsparen von Energie im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik liegt bei bis zu 30 Prozent. So lassen sich mit PMSM oder Synchronreluktanzmotoren aus dem Systembaukasten zwischen 10 und 30 Prozent elektrische Energie gegenüber IE2-/IE3-Asynchronmotoren einsparen. Der tatsächliche Wert hängt von der Baugröße und von der Anwendung ab. Bei der Netzrückspeisung ist generatorische Energie notwendig. Fehlt diese, ist keine Energieeinsparung möglich. Bei Hub­anwendungen können in vielen Fällen 30 Prozent der Energie durch Netzrückspeisung wieder genutzt werden.

Geberlose MPPA-Regelungen für Synchronmotoren sind besonders bei dynamischen Anwendungen vorteilhaft, in denen Standardantriebe mit Asynchronmaschinen wegen der Maschinenzeitkonstanten mit zu hohem Blindstrom betrieben werden müssen. Dort sind Energieeinsparungen bis zu 20 Prozent möglich. Die energieeffiziente Bewegungssteuerung beruht auf Verlustkennlinienfeldern der jeweiligen Förderer. Die Kennlinienfelder können vorab ermittelt oder im Betrieb geschätzt werden. Ein Mehrgrößenoptimierer berechnet dann vor Beginn eines Bewegungszyklus das Bewegungsprofil, das am wenigsten Energie verbraucht, und stellt es der SPS zur Verfügung. Im Vergleich zu Trapez-Bewegungsprofilen lassen sich damit bis zu 15 Prozent zusätzlich einsparen. Das Energie-Management ist eine weitere Maßnahme, durch die sich der Anlagen-Energieverbrauch verringert. Durch Beobachtung des Verbrauchsverhaltens und gezielte Einflussnahme im Zeitbereich können zusätzlich bis zu 15 Prozent eingespart werden.

Viele Funktionen, wie das Energie-Monitoring, sind prinzipiell mit wenig Aufwand nachrüstbar, so dass auch ein Retro-Fit möglich ist. Die meisten Hauptfunktionen wie zum Beispiel geberlose Regelungen können kostengünstig mit Standard-Antriebsumrichtern umgesetzt werden. Die Mehrkosten der Motoren sind auch eher gering, da Konstruk­tions­teile von Standard-Asynchronmotoren verwendet werden können. Daher ist davon auszugehen, dass die Amortisationszeiten unter der bisherigen Schmerzgrenze von zwei Jahren liegen werden.

Demonstrator bestätigt Energieeinsparung

Die Energieeinsparung des Systembaukastens belegt ein Demonstrator, in dem die meisten Hauptfunktionen im Vergleich zu aktueller Technik gezeigt werden. Er besteht aus mehreren horizontalen Bandförderern sowie zwei Hubwerken, Standardantrieben für den Vergleich sowie Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) mit geber­loser Regelung aus dem Baukasten. Für alle Antriebe werden die Energieverbräuche in Echtzeit gemessen und in der Visualisierung angezeigt. Als Lasten werden drei 25kg-schwere Metallblöcke verwendet und damit die Belastung durch Behälter simuliert. Der direkte Vergleich des Energieverbrauchs Alt-Neu zeigt, dass die Horizontalachsen 20 Prozent weniger Energie und die Hub­achsen 40 Prozent weniger Energie benötigen. Bei den Hubachsen entfallen jeweils die Hälfte der Energieeinsparung auf die Motoren und die Netzrückspeisung.

Hohe Energieersparnis ist möglich

Mindestens 15 Prozent elektrische Energie sollten die Beteiligten im Rahmen des Projekts itsowl-IASI einsparen, ohne die Lebenszykluskosten zu erhöhen. Die bisherigen Mess­ergebnisse mit Energieeffizienzmotoren und -regelungen zeigen eine etwa doppelt so hohe Energieeinsparung. Für die Restlaufzeit des Projektes ist geplant, die Energieeinsparung weiterer Hauptfunktionen zu ermitteln. Es ist zu erwarten, dass 40 bis 50 Prozent Energieeinsparung durch den Systembaukasten darstellbar sind.

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