Keine Schäden trotz Stromnetzausfall
Wie ein Energiemanagementsystem Produktionsausfälle durch instabile Stromnetze verhindert
Kontinuierliche Produktionsprozesse sind das Ziel eines jeden Betreibers, unabhängig vom geografischen Standort der Anlage oder Maschinen. Die regionalen Bedingungen für die Energieversorgung können jedoch von Land zu Land und sogar innerhalb eines Landes unterschiedlich ausfallen. Zu den kritischen Standortfaktoren gehören insbesondere instabile Stromnetze, die zu Ausfällen der Produktion führen können.
Kommt es beim Kreissägeprozess während des Sägevorganges zum Netzausfall, kann das kostspielige und zeitaufwändige Produktionsausfälle zur Folge haben. Schnell verkeilt sich das teure Sägeblatt mit dem Werkstück, wobei entweder die Zähne der Sägeblätter abbrechen oder das Werkstück zerstört werden kann. Extreme Zuverlässigkeit, hohe Performance und perfekte Schnittgenauigkeit und -qualität sind wesentliche Anforderungen, die für einen störungsfreien Sägebetrieb erforderlich sind. Hauptverantwortlich dafür ist eine abgesicherte Antriebstechnik, besonders in Ländern mit instabilen Netzen. Deshalb sollten Unternehmen bei der Konstruktion von Sägen aktive Energiemanagementlösungen wie die von Michael Koch Gmbh einsetzen.
Täglich trennen weltweit in Sägewerken riesige Sägemaschinen Vollmaterial, Blöcke, Rohre und Profile aus Stahl und anderen festen Materialien. In einigen Ländern kommt es jedoch teilweise mehrmals täglich zu Netzausfällen. Der Strom ist plötzlich weg und dies kann zu Schäden am Werkstück, Sägeblatt oder an beidem führen. Die Kosten für den Austausch eines Sägeblattes sind sehr hoch, genauso wie Schäden am Werkstück selbst. Zudem können die manchmal mehrstündigen Produktionsausfälle auch zu Lieferverzögerungen führen.
Kontrollierter Stopp und schneller Wiederanlauf
Sägen mit einem Sägeblattdurchmesser von bis zu mehreren Meter zertrennen Materialien in unterschiedlichen Formen und Varianten in kleinere Einzelteile. Die mächtigen Materialien werden dabei automatisch oder händisch unter dem Sägeblatt durchgeführt, das anschließend im gewünschten Abstand das Material durchsägt. Ereignet sich nun während des Sägevorganges ein Netzausfall, ist dies mit den aktiven Energiemanagementsystemen von Koch kein Problem mehr.
Fällt die Stromversorgung aus dem Netz aus, benötigt die Säge für eine kurze Zeit die höchste Leistung. In ersten Moment wird der Sägevorschub gestoppt und gleichzeitig umgekehrt, damit das Sägeblatt aus dem Eingriff gebracht wird. Dank des Energiemanagementsystems können deutlich über 100 Kilowatt Leistung für mindestens eine Sekunde zur Verfügung gestellt werden. So lässt sich bereits der größte drohende Schaden abwenden. Für den nächsten Prozess reicht dann eine Stützleistung von weit weniger Leistung für eine Dauer von bis zu zehn Sekunden aus, in der das rotierende Sägeblatt aus dem Werkstück herausgefahren und in eine sichere Position gebracht wird.
Trotz fehlender Netzversorgung werden alle Antriebe der Sägemaschine dank des aktiven Energiemanagementsystems von Koch weiter mit der benötigten Energie versorgt, um das Sägeblatt schadenfrei aus dem Material zu fahren. Dabei werden weder das Sägeblatt noch das Werkstück beschädigt. Nachdem der Strom aus dem Netz wieder zur Verfügung steht, kann die Anlage sofort wieder fehlerfrei weiterarbeiten. Eine Referenzfahrt ist nicht notwendig. Gleichzeitig wird das Energiemanagementsystem für den nächsten Stromausfall erneut aufgeladen, um die Ladeschaltung des Drive Controllers nicht zu überlasten.
Verbindung zwischen Speicher und Drive Controller
Drive Controller sind die befehlsgebende Instanz in einem elektrischen Antriebsystem. Da solche Geräte den Wechselstrom aus dem Netz erst in Gleichstrom und diesen dann in Wechselstrom für den Motor umwandeln, werden sie auch Frequenzumrichter genannt. In der Folge erzeugt dann dieser „umgerichtete Wechselstrom“im Antrieb die gewünschte Richtung und Geschwindigkeit. Für die Funktionalität des Drive Controllers ist daher das Management des Energieniveaus beziehungsweise -haushalts von großer Bedeutung.
Genau hier setzt das aktive Energiemanagementsystem von Michael Koch an: Es steuert den Energiehaushalt des Antriebssystems der Säge. In dem beschriebenen Beispiel besteht das aktive Energiemanagementsystem aus vier parallel geschalteten, dynamischen Speicher-managern DSM 4.0 und sechs Doppelschichtkonden
sator-modulen, auch Supercap-module genannt, als Speichermedium. Außerdem ist die sichere Entladeeinheit SDU für Kapazitäten mit einer Entladeleistung von rund 1.400 Watt integriert. Somit können im Wartungsfall Arbeiten im Schaltschrank nach sehr kurzer Zeit gefahrlos vorgenommen werden.
Das aktive Energiemanagementsystem liefert Koch auf Wunsch des Kunden auch als komplette Turnkey-schaltschranklösung unter dem Kürzel KTS. Auch hier ist der DSM 4.0 das Herzstück des Systems und die aktive Verbindung zwischen elektrischen Speichern und dem internen Gleichstromnetz des Drive Controllers. Was auch immer der Energiehaushalt des Drive Controllers dem DSM 4.0 an Aufgaben stellt, der Speicher-manager führt sie so schnell aus, dass es für die Maschine quasi unbemerkt abläuft. Der DSM 4.0 sorgt also in jeder Situation dafür, dass die optimale Leistung zur Verfügung steht, und zwar antreibend wie auch bremsend.
Wenn der Drive Controller wegen des Netzausfalls nicht mehr ausreichend mit Energie versorgt wird, übernimmt der DSM 4.0 diese Funktion und hält den Antrieb gemäß der definierten Vorgabe aus seinen Speichern heraus am Laufen. Im beschriebenen Anwendungsfall sind Supercaps als Speichermedium wegen ihrer hohen Energiedichte und kurzen Lade-/entladezeiten am besten geeignet. In anderen Fällen können auch Speichermedien wie Batterien oder Elektrolytkondensatoren zum Einsatz kommen. Es entscheiden die Applikationsanforderungen in Sachen Leistung und Zeitdauer. Der DSM 4.0 beherrscht dabei die energetischen Aufgaben und die entsprechenden Speichertypen gleichermaßen.
Neutralisierung von Spannungsschwankungen
Der DSM 4.0 neutralisiert Spannungsschwankungen wie auch geplante oder ungeplante Netzunterbrechungen. Die Energiemanagementsysteme gewährleisten somit in der beschriebenen Anwendung, was die elektrische Säge zur Erfüllung ihrer Aufgaben auch im Fall eines Spannungseinbruchs benötigt, nämlich die stets passende Energiemenge. Die relativ kleine Investition in ein aktives Energiemanagementsystem lohnt sich daher angesichts der vermeidbaren Schadenshöhen.
Die konkrete technische Auslegung erfolgt über Simulationen der realen Belastungsprofile in der konkreten Systemumgebung. Koch bietet hierfür ein im Internet verfügbares Tool an. Nach Eingabe einiger weniger Anwendungsparameter ermittelt das Tool einen ersten Lösungsvorschlag, der dann die Grundlage für die weitere Definition des passenden Systems bildet. Anwendungsspezifisch stellt Koch die Konfiguration zusammen und liefert diese komplett mit Speicher und Absicherung aus. In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden wird dabei auf der Grundlage eines Worst-case-szenarios, das ausgiebig untersucht wird, die endgültige Systemkonfiguration festgelegt. Im konkreten Fall wird die Bedingung in jeder Situation erfüllt, dass die Säge bei Netzunterbrechung zum kontrollierten Stillstand kommt und danach wieder problemlos anfährt.
Energiemanagementsystem per Plug & Play
Die einzelnen Geräte und Komponenten von Koch werden in Bezug auf den definierten Einsatzfall konfiguriert und die Parameter schon ab Werk eingestellt. Eingängige Tests der einzelnen Produktionsschritte und eine umfassende Abschlussprüfung vor der Auslieferung gewährleisten ein zuverlässig funktionierendes, aktives Energiemanagementsystem. In dieser Art ausgeliefert, braucht es vor Ort bei der Montage nur noch elektrisch angeschlossen werden und schon ist das System aus Dynamischen Speicher-managern DSM 4.0 und Doppelschicht-kondensatormodulen betriebsbereit. Es ist also weder eine aufwändige Inbetriebnahme noch Programmierung notwendig.
Nach der Montage und elektrischer Verbindung kann es direkt losgehen. Die Projektrealisierung erfolgt mit minimiertem Aufwand. Hierbei handelt es sich konkret auf die Anwendung zugeschnittene Lösung. Dazu kommt, dass der Betrieb der aktiven Energiemanagementsysteme von Koch wartungsfrei ist. Sollte unerwarteter Weise ein Problem im System oder bei einer Komponente auftreten, dann meldet sich der DSM 4.0 und weist Industrie 4.0-tauglich auf mögliche Risiken hin.