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Messtechnik

Wenn Messtechnik und Schützsteuerung Lastspitzen keine Chance geben

| Autor/ Redakteur: Martin Witzsch* / Sariana Kunze

Auch ein einmaliger Ausrutscher beim Thema Lastspitzen kann schon zu Mehrkosten im fünfstelligen Bereich führen. Mit Messtechnik und Schützsteuerung lassen sich Lösungen realisieren, die ohne tiefere Eingriffe in die Anlage auskommen und so die Prozesssicherheit nicht gefährden.

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Mit einer genauen Analyse des Energieverbrauchs lassen sich Lastspitzen vermeiden und so Betriebskosten senken. Dank Messtechnik lässt sich das Anlagenfeld im Blick behalten.
Mit einer genauen Analyse des Energieverbrauchs lassen sich Lastspitzen vermeiden und so Betriebskosten senken. Dank Messtechnik lässt sich das Anlagenfeld im Blick behalten.
( Bild: Martin Witzsch )

Auf Wunsch können sie Säure und Lauge standhalten oder verfügen über einen erhöhten Brandschutz. Gemeint sind alle Arten von thermoplastischen Kunststoffen, die von dem Unternehmen Mitschke Kunststoffwerk in Eggenthal verarbeitet werden. Die gefertigten Teile reichen von 1 bis 30.000 g mit Abmessungen von 10 bis 2.200 mm und kommen in diversen Anwendungen zum Einsatz, wobei landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge und der Lüftungsbau den Großteil ausmachen.

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Hergestellt werden die Produkte von Spritzguss-Maschinen mit bis zu 32.000 kN Schließkraft. Entsprechend hoch sind die Energiekosten. Tobias Echtler, Spritzereileiter bei Mitschke, erklärt: „Wir haben einen Stromverbrauch von rund 4,7 Mio. kWh pro Jahr mit Spitzenlasten von bis zu 1.350 kW. Diese Spitzenlasten kosten 93 Euro pro kW. Somit kostet uns die Spitzenlast gut 125.000 Euro.“ Eine gewisse Entlastung konnte zwar durch ein individuelles Netzentgelt erreicht werden. Das bedeutet, dass Rückzahlungen angeboten werden, wenn der Abnehmer in einem vorgegebenen Zeitraum 80 Prozent der Spitzenlast nicht überschreitet. Dies sei jedoch nicht immer mit den Anforderungen der Produktion in Einklang zu bringen. Das Kunststoffwerk suchte deshalb nach einer zukunftsfähigen Lösung, mit der sich Lastspitzen vermeiden lassen.

Energieverbrauch: Wann lohnt sich eine Abschaltung?

Eine Lastspitze ist definiert als der Mittelwert einer Messperiode von 900 s, der außerdem während der sogenannten Fangzeit von 10 s durchgehend anliegen muss. Gelingt es dem Abnehmer, diesen Wert schnell genug zu erfassen und einige Anlagenteile vor Ablauf der 10 s abzuschalten, wird die Lastspitze nicht berechnet. Prädestiniert hierfür sind die Heizungen der Spritzguss-Maschinen. Bei Mitschke haben allein diese Heizungen bei den acht größten Maschinen Anschlussleistungen von 60 kW bis rund 180 kW. Das Problem ist die Erfassung und die Steuerung. „Wir kannten zwar die Spitzen, aber nicht den jeweiligen Verursacher“, beschreibt Tobias Echtler die Ausgangslage.

Die gesamte Anlage wurde analysiert: Welches waren die größten Einzelverbraucher und wie lange konnten diese abgeschaltet werden, ohne dass die Fertigungsqualität darunter leidet? Er wusste, dass die dickwandigen Zylinderrohre der großen Maschinen die Schmelze auch bei einem mehrere Minuten dauernden Ausfall der Heizung auf Temperatur halten würden. Die größten Verbraucher reagierten zugleich am unempfindlichsten auf eine Abschaltung. Damit war das Einsparpotenzial definiert. Auf der Suche nach passender Mess- und Steuertechnik stieß Echtler auf die Messgeräte und Software von Janitza. Die Wahl fiel auf den Spannungsqualitätsanalysator UMG 605 Pro, der einerseits programmierbar ist und andererseits Schnittstellen für die Kommunikation mit Feldbusmodulen aufweist. Die Spitzenlastoptimierung erledigt dabei die optional erhältliche App Emax, welche direkt auf dem Messgerät installiert wird.

Spitzen glätten durch priorisiertes abschalten

Da Mitschke über zwei Trafostationen und drei Unterverteilungen verfügt, wäre eine Messung mit Wandlerspulen relativ aufwändig gewesen. Die Geräte wurden hierfür in unmittelbarer Nähe zum Zähler des EVU, Energieversorgungsunternehmens, installiert. Ein Zusatzmodul am Zähler übermittelt die gemessene Wirkenergie und den Synchronisationsimpuls an das Messgerät. Der Impuls signalisiert den Beginn eines Messzeitraums. Das Abschalten der Heizungen ließ sich ähnlich einfach realisieren. Janitza bietet unter der Bezeichnung FBM Feldbusmodule mit digitalen Ein- und Ausgängen an. Diese werden über eine RS485-Schnittstelle mit dem Protokoll Modbus RTU als Slaves an die UMG Messgeräte angeschlossen. Bei Mitschke steuern die Feldbusmodule Relais an, die den Heizungsschütz einer Maschine ziehen. Die Steuerung erfolgt direkt durch die Emax App auf dem Messgerät. Erkennt diese eine drohende Überschreitung des eingestellten Leistungssollwerts, werden die Heizungen der in Betrieb befindlichen Maschinen nacheinander priorisiert abgeschaltet. Für jede Maschine kann eine Mindestabschalt- oder Einschaltzeit hinterlegt werden. Echtler sagt: „Wir können Spitzen zwar nicht ganz vermeiden, aber glätten. Dank der Trägheit der Maschinen lässt sich eine Zylinderheizung für drei Minuten abschalten. Danach muss wieder geheizt werden. Bis sich das am Zylinder in der Schmelze bemerkbar macht, läuft die Heizung wieder.“ Für die Maschinensteuerung selbst sei dies unproblematisch. Echtler hat im vergangenen Jahr einige Versuche gefahren, um die Abschaltzyklen bestmöglich zu nutzen: „Das Gerät erkennt sogar besonders steile Anstiege und schaltet dann schneller ab.“ Die Visualisierung läuft über die Homepage des im Messgerät integrierten Webservers auf einem Standardbrowser. Der Anwender hat stets Zugriff auf die wichtigsten Daten: Status der Maschinen, abgeschaltete Heizungen, Leistungsverbrauch, Sollwert, Heatmap über die Woche, aktuelle Mittelwerte für die Leistung und den Trend. Über die Software Gridvis werden die relevanten Prozessdaten aus dem Messgerätespeicher regelmäßig ausgelesen, archiviert und zur Auswertung visualisiert.

Steuerung in rund fünf Monaten amortisiert

Der gesamte Aufwand einschließlich Installation und Zeitaufwand für den Betriebselektriker belief sich auf 9.000 Euro. Echtler erklärt: „Den Invest für die Steuerung hatten wir bereits nach 4,8 Monaten erwirtschaftet, obwohl wir mit den Spitzen zunächst noch etwas höher liegen als geplant.“ Anvisiert waren zunächst 900 kW, was jedoch zu viele Schaltzyklen verursachte und dem Spritzereileiter zu riskant erschien. Mit einer leichten Erhöhung auf 1.050 kW erreichte er die nötige Prozesssicherheit und senkte so den Bereitstellungspreis um über 20.000 Euro pro Jahr.Ausschlaggebend für die Entscheidung war neben der geringen Investitionssumme der überschaubare Eingriff in den Produktionsfluss und die Einfachheit der Steuerung.

Energieverbrauch von bis zu 20 Maschinen analysierbar

Momentan werden acht von 15 Anlagen bei Mitschke geschaltet. Die vorhandene Hard- und Software bietet Ausbaureserven für bis zu 20 Maschinen. An das Messgerät lassen sich zudem noch weitere Feldbusmodule anschließen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Echtler ist weiteren Einsparmöglichkeiten auf der Spur: „Nach Betriebsschluss gehen acht Ladegeräte für Stapler in Betrieb. So eine Spitze wird gern unterschätzt und kann ganz einfach durch leichte Verzögerungen abgebaut werden.“ Etwas komplexer – aber ebenfalls lösbar – seien Probleme, die moderne Energiesparer wie Eco-Drive-Antriebe verursachen. „Früher hatten wir Kostantmotoren, die durchgängig 70 bis 80 kW benötigten. Die modernen Antriebe sind viel sparsamer, aber fahren schnell in die Bewegung und erzeugen dabei Spitzen von 300 kW“, erläutert der Verantwortliche. Neben den Einsparungen bietet die Messtechnik noch weitere Perspektiven. Mittelfristig sind genauere Messungen von Verbrauchsdaten einzelner Maschinen geplant, mit denen sich die Kalkulation und Umlagen für einen Auftrag präzisieren lassen. Laut Janitza bietet das System viele weitere Schnittstellen, sodass auch andere Verbrauchsdaten, wie beispielsweise Wärme, Druckluft und Wasser erfasst werden können.

Seminartipp

Das Seminar „Spannungsqualität und Netzrückwirkungen“ vermittelt die Grundlagen, um Störungen im Netz zu erkennen, Messkonzepte durchzuführen und die Messdaten zu analysieren.

Auch eigene Messungen mittels Rogoswski-Spulen in den firmeneigenen Trafostationen zieht Mitschke in Betracht. Durch den hohen Verbrauch der Anlagen sinkt die Spannung gerade im Einschaltzeitraum wegen der Netzbelastung von 235 V bis auf 216 V ab. Mit dem bereits eingesetzten UMG 605 ließe sich die Strom- und Spannungsqualität innerhalb der vorgegebenen Normen kontinuierlich überwachen. Im Falle einer Abweichung erfolgt ein Alarm mit detaillierter Angabe der Grenzwertüberschreitung.

* Martin Witzsch, freier Journalist

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