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Druckluftüberwachung einer Werkzeugmaschine als Basis für Energie-Effizienz-Maßnahmen

Robotik
Maschinenbau
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Industrie 4.0
IIOT Plattform moneo
Use Case

Druckluftkosten im Blick

Fertigungsprozesse einer Werkzeugmaschine benötigen immer Druckluft. Bei der Sensorherstellung werden unterschiedlichste Vorrichtungen, welche für die Produktion der Endprodukte notwendig sind, im eigenen Unternehmen gefertigt. Diese Prozesse finden häufig in einer Werkzeugmaschine statt. Aktuell werden Platzhalter für den Verguss Prozess gefertigt. Die Platzhalter werden in der WZM aus einem Metallblock heraus gefräst.

Im Fertigungsprozess der WZM wird Druckluft benötigt:

  • Druckluft als sogenannte „Sperrluft“, um einen Hohlraum mit Hilfe des Überdrucks abzudichten.
  • Druckluft für mechanische Prozesse während des Werkzeugwechsels
  • Als „Spülluft“, um Werkzeuge vor und nach dem Werkzeugwechsel zu säubern.
  • Als „Spülluft“, um gefertigte Teile beim Entnehmen aus der WZM von Spänen zu befreien.
  • Druckluft um bei empfindlichen Kunststoffteilen die Werkzeuge zu kühlen, die nicht mit Kühlschmiermittel in Kontakt kommen dürfen

Druckluft-Herstellung stellt einen nicht unmaßgeblichen Kostenfaktor im Fertigungsfeld dar. Betrachtungen hinsichtlich energetischer Sparmaßnahmen sind daher sehr sinnvoll.

Die Ausgangslage

Druckluftanzeige ohne zustandsorientierte Mengen- und Kostenerfassung

Im Standard bietet jede WZM allgemeine Anzeigeinstrumente zur Statusanzeige der vielfältigen Betriebszustände. Nicht in die Überwachung integriert sind die Prozessdaten des Druckluftverbrauchs in Korrelation mit der zugehörigen Kostenerfassung.
Eine Beurteilung im Sinne Energiemanagement und Energie-Effizienz-Maßnahmen ist nicht möglich.

  • Welche Druckluftkosten entstehen in Abhängigkeit des Maschinen-Status?
  • Wo können Kosten und Energie eingespart werden?

Diese Fragen bleiben bislang ohne Datenbasis unbeantwortet.

Ziel des Projekts

Beurteilung der Druckluftkosten für Energiesparmaßnahmen

  • Energieeffizienter Betrieb der Werkzeugmaschine
  • Berechnung unterschiedlicher Druckluftkosten zur Beurteilung und Organisation von Energie-Spar-Maßnahmen.
  • Identifizierung und Visualisierung unnötiger Kosten im Standby-Betrieb durch Leckagen.
  • Senken der Energie- und Betriebskosten mit dem Ziel „Green Factory“.

Durchführung

Druckluftüberwachung mit moneo RTM

moneo RTM ist zentral auf einem Server installiert.

Die ifm bietet ein breites Portfolio an Automatisierungskomponenten an. Für diese Anwendung wurden jeweils ein Druckluftzähler SD6500 an der Drucklufteinspeisung der Werkzeugmaschine sowie vor der Druckluftpistole installiert.

Über einen IO-Link Master der Baureihe AL1350 werden die Daten der Sensoren für moneo RTM bereitgestellt. Der IO-Link Master ist über ein internes VLAN mit dem Server verbunden.

Datenmonitoring, Grenzwertverwaltung und Berechnungen erfolgen mit moneo RTM.

Erfolg

Energiespar-Potentiale sichtbar gemacht mit moneo RTM

Die Datenaufnahme der Strömungswerte, deren Visualisierung und Verrechnung mit moneo RTM bilden die Grundlage zur Berechnung unterschiedlicher Druckluftkosten.

Mit diesen Daten ist die dedizierte Beurteilung und Organisation von Energie-Spar-Maßnahmen möglich. Unnötige Kosten im Standby-Betrieb konnten identifiziert werden und die Werkzeugmaschine kann energieeffizienter betrieben werden, ohne Verschwendung unnötiger Druckluft.

Energie- und Betriebskosten konnten mit dem Ziel „Green Factory“ gesenkt werden.

Systemaufbau

  1. Druckluftzähler in der Zuleitung der Werkzeugmaschine SD6500
  2. Druckluftzähler in der Zuleitung der Druckluftpistole SD6500
  3. IO-Link Master AL1350

Anschlussplan

  1. Druckluftzähler in der Zuleitung der Werkzeugmaschine SD6500
  2. Druckluftzähler in der Zuleitung der Druckluftpistole SD6500
  3. IO-Link Master AL1350

Dashboard

Verschaffen Sie sich den Überblick im moneo Dashboard. Im Dashboard erhält der Benutzer eine Übersicht aller relevanten Prozesswerte für diese Anlage.

  1. Aktueller Druckluftverbrauch gesamt CDS** (m³/h)*
  2. Aktueller Druck (bar)
  3. Gesamtverbrauch Druckluft Totalisator CDS** (m³)*
  4. Aktuelle Druckluft Energiekosten CDS** (€/h)*
  5. Gesamtkosten Druckluft CDS** (€)*
  6. Betriebszustand Maschine „Ein“ CDS** (On/Off)
  7. Betriebszustand Maschine „Standby“ CDS** (On/Off)
  8. Betriebszustand Maschine „Aus“ CDS** (On/Off)

Im „Druckluft“ Dashboard erhält der Benutzer auf einen Blick alle relevanten Druckluft-Prozesswerte für diese Anlage.

  1. Aktueller Druckluftverbrauch Maschine (m³/h)
  2. Aktueller Druck Maschine (bar)
  3. Aktuelle Drucklufttemperatur (°C)
  4. Druckluftverbrauch Maschine (m³)*
  5. Druckluftkosten Maschine (€)*
  6. Aktueller Druckluftverbrauch Druckluftpistole (m³/h)
  7. Aktueller Druck Druckluftpistole (bar)
  8. Aktuelle Drucklufttemperatur Druckluftpistole (°C)
  9. Druckluftverbrauch Druckluftpistole (m³)*
  10. Druckluftkosten Druckluftpistole CDS** (€)*
  11. Aktueller Druckluftverbrauch gesamt CDS** (m³/h)*
  12. Gesamtverbrauch Druckluft Totalisator CDS** (m³)*
  13. Aktuelle Druckluft Energiekosten CDS** (€/h)*
  14. Gesamtkosten Druckluft CDS** (€)*

Im „Maschinenstatus“ Dashboard erkennt der Benutzer den aktuellen Betriebszustand der Maschine und die vergangene Laufzeit im jeweiligen Zustand.

  1. Betriebszustand Maschine „Ein“ CDS** (On/Off)
  2. Betriebszustand Maschine „Standby“ CDS**  (On/Off)
  3. Betriebszustand Maschine „Aus“ CDS** (On/Off)
  4. Laufzeit Maschine „Ein“ CDS** (h)*
  5. Laufzeit Maschine „Standby“ CDS** (h)*
  6. Laufzeit Maschine „Aus“ CDS** (h)*

Im „Prozessoptimierung“ Dashboard sieht der Benutzer die verbrauchte Energie je nach Betriebszustand der Maschine. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse können für eine Optimierung des Energiebedarfs eingesetzt werden.

  1. Gesamtkosten Druckluft CDS** (€)*
  2. Druckluftkosten Maschine CDS** (€)*
  3. Druckluftkosten Maschine im Standby CDS** (€)*

* Zählbeginn war die Inbetriebnahme des Sensors. Ein Reset kann über den Sensor selbst oder mit moneo configure erfolgen.
** ACHTUNG! Ein Reset setzt auch alle bisher berechneten Werte zurück! CDS (Calculated Data Source) steht für einen mit dem moneo Data Flow Modeler berechneten Wert

Analyse

Mittels der Analysefunktion können weitere Details betrachtet werden. Der Screenshot zeigt, wie einfach über den Strömungswert der Druckluft der Betriebszustand der Werkzeugmaschine erkannt werden kann.

  1. Betriebszustand Maschine „Aus“ (0m³/h)***
  2. Betriebszustand Maschine „Standby“ (ca. 19m³/h)***
  3. Betriebszustand Maschine „Ein“ (>20m³/h)***

*** Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden

Settings & Rules: Grenzwerte verwalten

Task & Tickets

Sobald ein definierter Grenzwert unter- oder überschritten wurde, wird für den entsprechenden Prozesswert ein Ticket eröffnet. Im Folgenden erkennt man die Grenzwertverletzung des Druckwerts anhand des roten Ampelinstruments und der angezeigten Pop-Up Alarmmeldung.

Das Ticket kann vom zuständigen Mitarbeiter übernommen und abgearbeitet werden. Über die Kommentarfunktion können durchgeführte Maßnahmen und Lösungsbeschreibungen direkt dokumentiert werden. Folgende Benachrichtigungsoptionen stehen hierfür zur Auswahl:

Weitere Informationen

Calculated Values: kalkulierte Werte

Zusätzlich zu den Prozesswerten der Sensorik können innerhalb von moneo daraus viele weitere Informationen errechnet werden. Der „Data Flow Modeler“ ermöglicht das benutzerdefinierte Erstellen von Kalkulierten Werten, indem z.B. Datenquellen von Sensoren in einem Datenflussmodell miteinander kombiniert und verrechnet werden.

Berechnung des gesamten Druckluftverbrauchs:

  1. Totaliser des Druckluftzählers SD6500 vor der Werkzeugmaschine (m³)
  2. Totaliser des Druckluftzählers SD6500 vor der Druckluftpistole (m³)
  3. Funktionsblock „Addition“ Berechnung des gesamten Druckluftverbrauchs
  4. Ergebnis Gesamtverbrauch (m³)

Berechnung von Druckluftkosten der Werkzeugmaschine:

  1. Totaliser des Druckluftzählers SD6500 vor der Werkzeugmaschine (m³)
  2. Energiepreis für 1m³ Druckluft – Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden (€/Cent)
  3. Konstante „100“ für Umrechnung von Cent in Euro
  4. Funktionsblock „Division“ Umrechnung von Cent in Euro
  5. Funktionsblock „Multiplikation“ Berechnung der Energiekosten
  6. Funktionsblock „Runden“ Aufrunden der Energiekosten auf zwei Kommastellen
  7. Ergebnis Druckluftkosten der Werkzeugmaschine (€)

Ermittlung des Betriebszustandes der Werkzeugmaschine „EIN“:

  1. Durchflusswert des Druckluftzählers SD6500 (m³/h)
  2. Konstante „20“ für die Ermittlung des Betriebszustandes EIN - Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden (m³/h)
  3. Funktionsblock „Vergleich“ – Ausgang ist wahr sobald A größer B ist
  4. Funktionsblock „Boolesch zu double“ Konvertierung des Bool-Wertes in einen numerischen Wert: Wahr = 1 / Falsch = 0
  5. Ergebnis Betriebszustand der Werkzeugmaschine = Ein (Wahr = 1 / Falsch = 0)

Ermittlung des Betriebszustandes der Werkzeugmaschine „AUS“:

  1. Durchflusswert des Druckluftzählers SD6500 (m³/h)
  2. Konstante „1“ für die Ermittlung des Betriebszustandes AUS - Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden (m³/h)
  3. Funktionsblock „Vergleich“ – Ausgang ist wahr sobald A kleiner B ist
  4. Funktionsblock „Boolesch zu double“ Konvertierung des Bool-Wertes in einen numerischen Wert: Wahr = 1 / Falsch = 0
  5. Ergebnis Betriebszustand der Werkzeugmaschine = Aus (Wahr = 1 / Falsch = 0)

Ermittlung des Betriebszustandes der Werkzeugmaschine „Standby“:

  1. Durchflusswert des Druckluftzählers SD6500 (m³/h)
  2. Konstante „1“ für die Ermittlung des Betriebszustandes AUS - Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden (m³/h)
  3. Konstante „20“ für die Ermittlung des Betriebszustandes EIN - Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden (m³/h)
  4. Funktionsblock „Vergleich“ – Ausgang ist wahr sobald A größer B ist
  5. Funktionsblock „Vergleich“ – Ausgang ist wahr sobald A kleiner B ist
  6. Funktionsblock „And“ – Ausgang ist wahr sobald A und B Wahr sind
  7. Funktionsblock „Boolesch zu double“ Konvertierung des Bool-Wertes in einen numerischen Wert: Wahr = 1 / Falsch = 0
  8. Ergebnis Betriebszustand der Werkzeugmaschine = Aus (Wahr = 1 / Falsch = 0)

Berechnung von Produktionszeit der Werkzeugmaschine:

  1. Errechneter Betriebszustand Maschine EIN (Wahr = 1 / Falsch = 0)
  2. Funktionsblock „Double zu boolesch“ Konvertierung eines numerischen Werts in einen Bool-Wert 1 = Wahr / 0 = Falsch
  3. Funktionsblock „Zeitzähler“ – Zählt sobald am Trigger Eingang 1=Wahr anliegt
  4. Funktionsblock „Runden“ – Runden des Zählwertes auf zwei Nachkommastellen
  5. Ergebnis Zeit der Werkzeugmaschine im Betriebszustand Ein (h)

Berechnung der Standby Energiekosten:

  1. Berechnete Wert Standbyzeit der Werkzeugmaschine (h)
  2. Konstante „19“ Durchschnittlicher Verbrauchswert der Maschine im Standby - Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden (m³/h)
  3. Energiepreis für 1m³ Druckluft – Muss je nach Anwendungsfall individuell ermittelt werden (€/Cent)
  4. Konstante „100“ für Umrechnung von Cent in Euro
  5. Funktionsblock „Division“ Umrechnung von Cent in Euro
  6. Funktionsblock „Multiplikation“ Berechnung der durchschnittlichen Energiekosten im Standby
  7. Funktionsblock „Multiplikation“ Berechnung der Energiekosten
  8. Funktionsblock „Runden“ Aufrunden der Energiekosten auf zwei Kommastellen
  9. Ergebnis Druckluftkosten der Werkzeugmaschine im Standby (€)

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