Wenn Sie jemals um 2 Uhr morgens mitten in einer Produktionshalle gestanden haben und Robotern surren, Förderbändern brummen und Motoren auf Hochtouren laufen sehen, selbst wenn eine Produktionslinie im Leerlauf ist, wissen Sie das: Der Energieverbrauch in Fabriken ist nicht nur eine Stromrechnung – es handelt sich um versteckte Kosten, die nach Angaben der US Energy Information Administration (EIA) 20 bis 30 Prozent des Betriebsbudgets einer Anlage verschlingen können. Als Lieferant von Fabrikautomatisierungssystemen helfe ich Herstellern seit Jahren dabei, diese Verschwendung zu reduzieren, ohne die Produktion zu verlangsamen. Der Kern meiner Arbeit besteht darin, Automatisierungssysteme zu entwickeln, die Maschinen nicht nur steuern, sondern ihnen zuhören, sich an ihre Bedürfnisse anpassen und den unnötigen Energieverbrauch beseitigen, der selbst den am besten geführten Fabriken zu schaffen macht. Die Frage ist nicht, ob Automatisierung den Energieverbrauch optimieren kann, sondern vielmehr, wie man dies auf eine Art und Weise tun kann, die dem einzigartigen Rhythmus jeder Anlage entspricht.
Beginnen wir mit der größten und vermeidbarsten Verschwendung: der Überlastung von Geräten, wenn dies nicht nötig ist. Nehmen wir zum Beispiel Wickelprozesse, die für alles von zentraler Bedeutung sind, von Textilien über die Metallverarbeitung bis hin zur Verpackung. Ein Standard-Spulsystem lief früher rund um die Uhr mit einer festen Geschwindigkeit, selbst wenn Spulen gewechselt oder Materialien ungleichmäßig geladen wurden – wodurch Energie durch überschüssiges Drehmoment und Reibung verschwendet wurde, die sich über eine einzelne Schicht summieren. Hier kommt die Präzisionsautomatisierung in Verbindung mit Prozessdaten in Echtzeit ins Spiel. Wenn wir intelligente Steuerungssysteme in ein Wickelgerät (/factory-automation-system/winding-device.html) integrieren, programmieren wir es so, dass es Drehmoment, Geschwindigkeit und Spannung dynamisch anpasst, wenn sich die Spule füllt oder leert. Wenn das System eine dünne Stelle im aufzuwickelnden Material erkennt, reduziert es automatisch die Spannung leicht, um eine Dehnung des Materials oder die Verschwendung zusätzlicher Kraft beim Kampf gegen den Widerstand zu vermeiden. Letztes Jahr wechselte einer meiner Textilkunden von der Aufwicklung mit fester Geschwindigkeit zu diesem automatisierten Modell und senkte den Energieverbrauch beim Aufwickeln innerhalb von sechs Monaten um 28 Prozent, ohne dass die Produktqualität darunter litt.
Doch die Energieoptimierung der Automatisierung endet nicht bei einzelnen Maschinen – es geht darum, jeden Teil der Produktionslinie so zu verbinden, dass sie synchron und nicht gegeneinander arbeiten. Viele Anlagen arbeiten in Silos: Die Wickellinie läuft, während der Förderer, der ihr Materialien zuführt, im Leerlauf ist, oder der Zubringer, der die Rohmaterialien zur nächsten Stufe liefert, läuft mit voller Geschwindigkeit, selbst wenn die nachgeschaltete Maschine angehalten ist. Hier macht die Produktionslinienmodifikation (/factory-automation-system/produktionslinienmodifikation.html) mithilfe integrierter Automatisierung den entscheidenden Unterschied. Wir tauschen nicht einfach alte Maschinen aus – wir bauen eine zentrale Steuerungsplattform auf, die Daten zwischen allen Anlagen in der Linie austauscht. Für einen Steinwolle-Produktionskunden haben wir seine Linie so modifiziert, dass der Doppelschnecken-Feeder für die Steinwolle-Produktionslinie (/factory-automation-system/twin-screw-feeder-for-rock-wool-produktion.html) seine Vorschubgeschwindigkeit in Echtzeit anpasst, basierend auf Signalen sowohl vom Ausgangssensor des Feeders als auch vom Qualitätskontrollsystem der nächsten Stufe. Wenn der nachgeschaltete Ofen für einen Chargenwechsel eine etwas geringere Rohmaterialmenge benötigt, verlangsamt sich die Zuführung sofort, anstatt leer zu laufen. Diese kleine Synchronisierung senkte den Gesamtenergieverbrauch ihrer Linie um 22 Prozent und reduzierte auch die Materialverschwendung, was einen doppelten Gewinn für ihr Endergebnis darstellt.
Ein weiterer oft übersehener Bereich sind Hilfsgeräte: Förderbänder, Staubabscheider, Zuführgeräte und Lüftungssysteme, die nicht das Herzstück der Produktion sind, sondern ständig laufen, um sie zu unterstützen. In der Steinwolleindustrie beispielsweise fällt Steinwollestaub als Nebenprodukt bei der Verarbeitung an. Daher sind die Anlagen auf Staubförderer und Sammelsysteme angewiesen, die traditionell den ganzen Tag auf Hochtouren laufen, unabhängig davon, wie viel Staub tatsächlich erzeugt wird. Aus diesem Grund haben wir maßgeschneiderte Lösungen wie den Rock Wool Dust Spiral Conveyor (/factory-automation-system/rock-wool-dust-spiral-conveyor.html) entwickelt und installiert, der mit den Stauberzeugungssensoren der Produktionslinie synchronisiert wird. Wenn die Linie während eines Chargenwechsels mit halber Kapazität läuft, verlangsamt sich der Spiralförderer, wodurch die Motorgeschwindigkeit und der Energieverbrauch bei geringem Bedarf um bis zu 40 Prozent reduziert werden. Wir kombinieren dies mit Frequenzumrichtern (VFDs), die mit jedem Förderband, jeder Zuführung und jedem Motor in der Linie arbeiten und die Leistung an die tatsächliche Last anpassen, statt an eine feste Geschwindigkeit – etwas, das selbst alte VFDs nicht können, wenn sie nicht in das zentrale Steuerungssystem der Linie integriert sind.
Natürlich funktionieren all diese Tools nur, wenn Sie über die Daten verfügen, die erkennen lassen, wann Verschwendung entsteht, und hier kommen intelligente Sensoren und prädiktive Analysen ins Spiel. Moderne Fabrikautomatisierungssysteme sind nicht nur Schalter – sie sind Datensammler, die den Energieverbrauch, die Auslastung und die Effizienz jeder Maschine in Echtzeit verfolgen. Beispielsweise verfügt unser hocheffizienter Doppelschneckenförderer (/factory-automation-system/high-efficiency-twin-screw-feeding-machine.html) über integrierte Sensoren, die Motorstrom, Materialdurchflussrate und Drehmoment messen. Wenn der Sensor einen Stromanstieg von 10 Prozent erkennt, der nicht mit einer Änderung der Vorschubgeschwindigkeit korrespondiert, erkennt er dies als potenzielles Problem – etwa eine verstopfte Zufuhr oder ein verschlissenes Teil –, das Energie verschwenden könnte, lange bevor es zu einem Ausfall kommt. Ein Kunde aus der Lebensmittelverarbeitung stellte anhand dieser Daten fest, dass seine Feeder während der Nachtschicht, als die Nachfrage geringer war, mit 15 Prozent Überkapazität liefen, und passten die Einstellungen entsprechend an, wodurch der Energieverbrauch im Zusammenhang mit dem Feeder um 19 Prozent gesenkt wurde, ohne dass sich dies auf die Produktleistung auswirkte.
Was dafür sorgt, dass dies funktioniert, ist nicht nur die Technologie – es ist die Fähigkeit, sie an die spezifischen Bedürfnisse einer Anlage anzupassen und nicht eine Einheitslösung anzuwenden. In einer Papierfabrik gibt es andere Energieverschwendungspunkte als in einem Metallstanzwerk, und die Herausforderungen eines Steinwolleherstellers sind völlig andere als die eines Pharmaherstellers. Aus diesem Grund beginnt unser Automatisierungsansatz mit einem vollständigen Energieaudit der Anlage: Wir erfassen den Energieverbrauch jeder Maschine, identifizieren Engpässe, bei denen Verschwendung entsteht, und entwerfen ein System, das nur die wichtigen Anlagen verbindet, anstatt unnötige Komplexität hinzuzufügen. Beispielsweise musste eine Kleinteileverpackungsanlage, mit der ich zusammengearbeitet habe, nicht jede Förderlinie ersetzen – wir haben lediglich ein kleines Steuerungssystem integriert, das die Verpackungsmaschinen, Förderbänder und Materialzuführungen synchronisiert und so ihren Gesamtenergieverbrauch um 17 Prozent senkt, was einer Kapitalrendite in weniger als 18 Monaten entspricht.
Ich habe zu viele Fabriken gesehen, die selbst „energieeffiziente“ Maschinen gekauft haben, nur um dann festzustellen, dass diese Maschinen immer noch Energie verschwenden, weil sie nicht Teil eines vernetzten Systems sind. Ein Motor, der mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent läuft, ist großartig, aber wenn er läuft, wenn es nicht nötig ist, spielt dieser Wirkungsgrad keine Rolle. Durch die Automatisierung wird aus einzelnen effizienten Maschinen ein Gesamtsystem, das nahezu keine Energie verschwendet. Außerdem werden dadurch unerwartete Ausfallzeiten reduziert, die versteckte Energiekosten darstellen. Wenn eine Maschine ausfällt, laufen in den Werken häufig andere Linien mit höherer Geschwindigkeit, um den Produktionsausfall auszugleichen, wodurch noch mehr Energie verschwendet wird. Unsere in jedes Automatisierungssystem integrierten Funktionen zur vorausschauenden Wartung erkennen Probleme, bevor sie zu Ausfallzeiten führen, sodass die Linien konstant mit optimaler Geschwindigkeit und nicht mit Notfallgeschwindigkeit laufen.
Letzten Endes geht es bei der Optimierung des Energieverbrauchs einer Fabrik durch Automatisierung um drei einfache Dinge: den Energieverbrauch an den tatsächlichen Produktionsbedarf anzupassen, alle Anlagen so zu verbinden, dass sie synchron arbeiten, und Daten zu nutzen, um Verschwendung zu erkennen, bevor sie zum Problem wird. Es geht nicht darum, eine Anlage zu zwingen, schneller zu laufen oder weniger Leistung zu verbrauchen – es geht darum, dass jedes Watt zählt. Wenn Sie die Energiekosten Ihrer Fabrik senken möchten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, oder mehr darüber erfahren möchten, wie maßgeschneiderte Automatisierungslösungen für Ihre Linie funktionieren, können wir Ihnen bei der Prüfung Ihres aktuellen Systems helfen und einen Plan erstellen, der Ihren Anforderungen entspricht.
Referenzen
- US-Energieinformationsbehörde. (2023). Übersicht über den Energieverbrauch in der Fertigung. Washington, DC: US-Energieministerium.
- Internationale Energieagentur. (2022). Energieeffizienz in der Industrie: Schlüsseltrends und Technologien. Paris: IEA Publishing.
- Verein zur Förderung der Automatisierung. (2023). Auswirkungen der Fabrikautomatisierung auf die industrielle Energiereduzierung. Ann Arbor, MI: A3.
- Nationales Institut für Standards und Technologie. (2022). Energiemanagement für intelligente Fertigungssysteme. Gaithersburg, MD: NIST.