»Sinumerik schaltet auf Grün«

Steuerungstechnik

Joachim Zoll – Zeitgleich zur EMO hat Siemens den Steuerungen der Numerik-Reihe ein Konzept verabreicht, das aus herkömmlichen Werkzeugmaschinen grüne Maschinen macht.

26. September 2011

Zwei »grüne Tasten« gestatten es durch einfaches Betätigen, eine Sinumerik-gesteuerte Werkzeugmaschine noch energieeffizienter laufen zu lassen. Auf einer internationalen Fachpressekonferenz aus Anlass der EMO verriet Joachim Zoll, Leiter des Geschäftsfelds Werkzeugmaschinen der Siemens AG, Business Unit Motion Control Systems, die Einzelheiten.

Herr Zoll, dürfen wir sehr kurz Ihren Standpunkt zur Energiediskussion erfahren, aber vor allem, wie sich mit Werkzeugmaschinen Energie einsparen lässt.

Zum ersten Teil Ihrer Frage möchte ich vorausschicken, dass wir bei Siemens globale Megatrends sehen, die maßgeblich auch die Zukunft des Maschinenbaus bestimmen. Ganz offensichtlich sind das primär die Urbanisierung und der sichtbare Klimawandel. Große Herausforderungen bedeuten auch die weiterhin steigenden Energiekosten, strenge Umweltauflagen und Zertifizierungen sowie die Deckung des weltweiten Energiebedarfs. Letztlich werden Unternehmen, die sich den Herausforderungen der Megatrends stellen, am Ende erfolgreicher an den wachsenden Märkten partizipieren.

Nun zu den Werkzeugmaschinen und zu deren Bedeutung für den Energieverbrauch.

Die Hälfte des Gesamtstromverbrauchs entfällt in entwickelten Ländern heute auf die industrielle Produktion. Davon beruhen allein 70 Prozent auf elektrischen Antriebssystemen. Der typische Stromverbrauch von gängigen Werkzeugmaschinen beträgt pro Jahr rund 50.000 Kilowattstunden. Das entspricht Kosten von rund 5.000 Euro pro Jahr und pro Maschine. Energieeffizienz in der Produktion trägt somit entscheidend zur Kostenreduktion von Anlagen bei und verbessert so die Wettbewerbsfähigkeit. Es lohnt sich also, eine energetische Betrachtung der beteiligten Komponenten durchzuführen, um signifikante Einsparungen im Energieverbrauch zu erzielen.

Was lässt sich am Stromverbrauch von Werkzeugmaschinen ändern?

Der Betreiber kann einiges tun. Auf der gerade zu Ende gegangenen EMO 2011 hat Siemens Sinumerik Ctrl-Energy vorgestellt. Damit setzen wir einen neuen Standard und bündeln unsere Kompetenz rund um die Energieeffizienz für Werkzeugmaschinen. Diese Kompetenz betrifft vier Bereiche: das umfassende Portfolio an Antrieben und Motoren, CNC-Steuerungen und Antriebsfunktionen, sämtliche PC Software-Lösungen sowie Dienstleistungen unter dem Schlagwort Sinumerik Manufacturing Excellence. Damit bietet Siemens mit Sinumerik Ctrl-Energy energieeffiziente Lösungen für den gesamten Lebenszyklus der Maschine – von der Maschinenkonstruktion über die Arbeitsvorbereitung und Benutzung der Maschine bis hin zur teilweisen oder kompletten Runderneuerung.

Sie meinen, der Bediener an der Maschinensteuerung betätigt zwei Tasten, und die Maschine wird effizienter, damit letztlich zur »grünen Maschine«?

Sinumerik Ctrl-Energy ist eine sehr einfache und einprägsame Tastenkombination. Durch das Betätigen der Tasten »Ctrl« und »E« auf der Bedientafel ermöglichen die Sinumerik-Steuerungen eine schnelle Auswertung des Energieverbrauchs der Maschine sowie das Management des Energieverbrauchs in Stillstandszeiten – Effizienz auf Knopfdruck.

Was passiert in der Sinumeriksteuerung auf Knopfdruck im Detail?

Mit der Funktion »Ctrl-E Analysis« erfassen Sinumerik-Steuerungen nicht nur den Energieverbrauch des Antriebssystems sondern den Energieverbrauch der gesamten Maschine. Dabei erfasst ein Siemens-Messgerät Sentron PAC den Energieverbrauch am Anschlusspunkt der Werkzeugmaschine exakt.

Das erlaubt dem Anwender, den Energieverbrauch pro Werkstück der gesamten Werkzeugmaschine zu analysieren oder daraus Verbesserungen bei der Bearbeitungsstrategie abzuleiten. Eine alleinige Erfassung der Einspeisung wäre zu kurz gesprungen, da die Nebenaggregate of bis zu 50 Prozent des Energieverbrauchs ausmachen.

Die Funktion »Ctrl-E Profiles« bietet dem Maschinenhersteller zudem eine Projektierungsplattform zur Steuerung von Energiespar-Modi der Maschine. Damit lassen sich Energieverbraucher in Stillstandszeiten gezielt abschalten.

Kein Wort zu den Antrieben? Normalerweise hat jemand, der über grüne Maschinen nachdenkt, zuerst die Verbesserung des Wirkungsgrades von Motoren und der Elektronik im Auge.

Richtig, nur ist das Thema bei uns schon seit Jahren verinnerlicht. Im Besonderen sind Sinamics-Antriebe und Siemens-Motoren konsequent unter Energieeffizienzaspekten entwickelt. Sinamics S120-Antriebssysteme verfügen über eine Zwischenkreiskopplung und eine hoch effiziente Netzrückspeisung. Damit wird die anfallende Bremsenergie nicht mit Bremswiderständen in Wärme umgewandelt sondern von motorisch laufenden Antrieben aufgenommen oder ins Stromnetz zurückgespeist.

Der Sinamics S120 setzt konsequent auf Dreiphasenwechselstromtechnik mit 400 Volt. Diese ist prinzipbedingt 15 Prozent energieeffizienter als die Dreiphasenwechselstromtechnik mit 200 Volt.

Viele reden in jüngerer Zeit über SuperCaps.

Im Sinamics S120 Antriebssystem erfolgt ein nahezu verlustfreier Energieaustausch über dem Zwischenkreis. SuperCaps sind für das schnelle Beschleunigen und Bremsen von Spindeln nicht geeignet.

Diese Zwischenkreiskapazität kann allerdings beim Sinamics durch zusätzliche Kondensatormodule erhöht werden. Diese sind auch für hochdynamische Lastwechsel geeignet.

Die Sinamics-active-line-Module können darüber hinaus bei Verwendung geeigneter Siemens-Motoren Zwischenkreisspannungen bis zu 720 Volt erzeugen, und so deutlich mehr Energie in den Zwischenkreiskondensatoren speichern.

Sie sprechen von den Antriebsreglern, wie steht‘s um die Motoren?

Mit einem Wirkungsgrad von 88 bis 94 Prozent bei Synchrontechnik und 81 bis 91 Prozent bei Asynchrontechnik bildet auch das Motorenspektrum von Siemens eine Basis für besonders energieeffiziente Maschinenkonzepte.

Wenn Hauptantriebe nicht mehr viel Einsparpotenzial hergeben, dann umso mehr die Nebenantriebe.

Das sehen wir genauso: In einer typischen Werkzeugmaschine entfallen mehr als 50 Prozent des Energieverbrauchs auf Nebenaggregate wie Hydraulikaggregat oder Späneförderer.

Die energiesparenden Normasynchronmotoren der Baureihe 1LE von Siemens, die der ab dem 16. Juni 2011 gültigen EU-Verordnung 640/2009 entsprechen, sind mit einem Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent wesentliche Komponenten zur Effizienzverbesserung.

Durch Einsatz von G120-Frequenzumrichtern der Baureihe Sinamics lassen sich die Drehzahl und somit der Energieverbrauch der Nebenaggregate an die jeweiligen Anforderungen des Prozesses anpassen.

Die Komponenten per se sind das eine, nicht minder entscheidend ist deren Zusammenspiel.

Wie gerade geschildert lässt sich mit der heute verfügbaren Sinamics Antriebstechnik und mit den systemoptimierten Motoren bei Vorschubachsen und Spindeln schon ein sehr hohes Effizienzniveau erreichen. Jedoch ist bei vielen Maschinen, insbesondere Universalbearbeitungsmaschinen, die installierte Antriebsleistung höher als für die konkrete Bearbeitung beim Kunden erforderlich. Eine solche Überdimensionierung verhindert, dass das im Einzelfall erzielbare Effizienzoptimum tatsächlich erreicht wird. Das größte Sparpotenzial liegt deswegen in der Systemoptimierung.

Wie verläuft der Weg zur Systemoptimierung, was schlägt Siemens vor?

Vor allem gehört zur Systemoptimierung die geeignete Wahl des Motors zum Antriebsprofil, um den optimalen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen. Für eine energieeffiziente Auslegung und Projektierung von Antriebssystemen sorgt unser Projektierungstool Sizer.

Dieses Software-Werkzeug umfasst eine integrierte Wirkungsgradberechnung, projektiert die Teillastoptimierung durch eine energieoptimale Flussregelung, konfiguriert den Mehrachsantrieb mit einem gemeinsamen Zwischenkreis und sorgt für die optimale Netzenergienutzung durch geregelte Einspeisung und Rückspeisung sowie integrierte Blindleistungskompensation.

Optimierungspotenzial lässt sich überdies genauso über die analytische Betrachtung der Antriebsfunktionen erschließen.

Der Generalschlüssel hierzu heißt Mechatronic-Support. Dahinter verbirgt sich unser umfangreiches Service- und Beratungsangebot.

Damit bietet Siemens eine Dienstleistung für eine ganzheitliche mechatronische Optimierung der Antriebssysteme einer Werkzeugmaschine an. Dabei fließen die dynamischen Eigenschaften der Antriebstechnik von Siemens realitätsgetreu in die Simulationen ein.

Was lässt sich in puncto Energieeffizienz mit Simulationen noch Konkretes erreichen?

Zum Beispiel werden durch gezielte Optimierung in der Konstruktion die bewegten Massen ohne Beeinträchtigung der Produktivität oder Lebensdauer reduziert – wodurch für gleiche Beschleunigung weniger Energie aufzuwenden ist und Antriebe mit geringerer Nennleistung in Betracht kommen.

Zurück zum Megatrend der Einsparungen am Energieverbrauch. Wie sieht seit der EMO 2011 die Perspektive für Siemens aus?

Mit dem Konzept Sinumerik Ctrl-Energy setzt Siemens seit dieser EMO einen neuen Standard. Damit bündeln wir unsere Kompetenz rund um das Thema »Energieeffizienz für Werkzeugmaschinen«.

Das macht das Haus Siemens erneut zum Pionier in Sachen Energieeffizienz. mk z

Zur Person

-Studium der Elektrotechnik und Informatik an der FH Gießen-Friedberg, Diplom-Ingenieur.

-Drei Jahre General Manager des Siemens Geschäfts für Werkzeug- und Produktionsmaschinen sowie Krananwendungen.

-Von Oktober 2008 bis Oktober 2010 Leiter des Geschäftsfeld Cranes in Erlangen.

-Heute Leiter des Geschäftsfeldes Machine Tools (MT) in Erlangen.

www.siemens.com

Erschienen in Ausgabe: 01/2011