Energiedatenerfassung gemäß ISO 50001 kostengünstig und mit geringem Platzbedarf realisieren

Pilotprojekt im Eaton-Werk Schrems

Im Werk Schrems produzieren rund 700 Mitarbeiter jede Stunde 360.000 Einzelteile, die zu Schlüsselkomponenten für Leistungsschalter, Fehlerstromschalter und kundenspezifischen Niederspannungsverteilern montiert werden. Pro Jahr verlassen circa 3 Milliarden Einzelteile in Form von Baugruppen oder Schlüsselkomponenten das Schremser Eaton-Werk. Um auf einer Produktionsfläche von 22.000 Quadratmetern den Überblick über die 170 Produktionsanlagen zu haben, auf denen diese Teile gefertigt werden, setzt das Werk seit rund 10 Jahren auf eine umfangreiche Betriebsdatenerfassung (BDE): „Da unsere Maschinen größtenteils halb- oder vollautomatisch arbeiten, also nicht ständig ein Mitarbeiter vor Ort ist, erlaubt uns die Betriebsdatenerfassung die Überwachung und Kontrolle aller Anlagen,“erklärt Thomas Graf, Werksleiter in Schrems. 

Energiemessung an jeder Maschine

Zu den Prozessdaten, die die Maschinen über das Netzwerk an das BDE-System senden, gehören auch Daten zum Verbrauch von Wasser, Druckluft und Strom. Zur Messung des Stromverbrauchs der einzelnen Maschinen setzte das Werk Schrems bislang auf separate Energiezähler der Genauigkeitsklasse 3. Das heißt, es tritt eine Messungenauigkeit von 3 Prozent für die Leistungsmessung bei Nennstrom auf – und das über den gesamten Messbereich: Bei einem Gerät mit 100 A Nennstrom werden also auch 10 A mit einem Fehler von 3 A gemessen. Doch nicht nur die Messungenauigkeit war ein Nachteil der bisherigen Lösung, sondern auch der damit verbundene hohe Verdrahtungsaufwand. Das zeigt das Beispiel eines Stanz-Biege-Automaten, auf dem unter anderem die Löschkammern für Leistungsschalter gefertigt werden: Da die Hauptschalter der Anlage mit 160 Ampere abgesichert sind, die Energiezähler aber nur mit 80 Ampere, mussten für die Maschine gleich zwei Zähler inklusive Absicherung parallel geschaltet werden. Über eine S0-Schnittstelle übertragen sie ihre Messwerte an die Maschinen-SPS und darüber an das BDE-System.

Der Einbau von zwei Zählern bedeutet nicht nur einen höheren Verdrahtungsaufwand, sondern nimmt auch viel Platz im Schaltschrank ein. Zudem liefern die Messgeräte lediglich einen Wert zu den verbrauchten Kilowattstunden. Mit dem jetzt realisierten Retrofit-Projekt sollten daher zum einen präzisere Messwerte erfasst werden, mit denen eine genauere Kalkulation möglich ist. Gleichzeitig sollten aber auch zusätzliche Informationen erfasst werden, mit denen zum Beispiel im Sinne einer vorausschauenden Wartung Rückschlüsse auf Probleme in der Anlage möglich sind. 

Vielfacher Nutzen

Die Strommessung über den NZM bietet gleich eine ganze Reihe von Vorteilen: Zum einen wird die Stückliste der für die Anlage benötigten Bauteile deutlich verschlankt. Auch der Verkabelungsaufwand konnte bei dem Pilotprojekt deutlich reduziert werden: Waren bisher zwei Kabel zur S0-Schnittstelle plus die Leitungen der Stromzähler und der zugehörigen Absicherungen zur Realisierung der Strommessung anzuschließen, muss jetzt nur noch die Bus-Verbindung zwischen Modbus-Klemme und NZM realisiert werden – mit einer Leitung.

Auch im Schaltschrank macht sich der Einsatz des NZM mit integrierter Energiemessung positiv bemerkbar: Der Platzbedarf für die separaten Messgeräte entfällt völlig. Und da der NZM der neusten Generation exakt den gleichen Bauraum beansprucht, wie die Vorgänger-Modelle, ist der Austausch sehr einfach zu realisieren. Die Reduzierung des Verkabelungsaufwandes und die Platzersparnis im Schaltschrank sind Argumente, die vor allem bei der Neuausrüstung einer Maschine greifen. Bei einer Neuausrüstung würde sich die Verwendung des NZM mit integrierter Energiemessung direkt in den Gesamtkosten niederschlagen: Bei dem Werk Schrems konnten die Kosten –Gerätekosten plus Lohnkosten – um rund 27 Prozent gesenkt werden.

Vorteile auch für ein Retrofit

Aber mit der Ausrüstung der Maschine mit dem NZM konnte auch ein Mehrwert realisiert werden, der die Lösung für ein Retrofit interessant macht. Der in diesem Fall wichtigste Aspekt ist die deutlich genauere Energiemessung. Damit lässt sich die benötigte Energie pro gefertigter Einheit wesentlich präziser bestimmen und so letztendlich die Endkosten pro Artikel exakter kalkulieren – das kann unter Umständen sogar dazu führen, dass sich so ein Preisvorteil am Markt realisieren lässt. 

Gleichzeitig liefert der NZM weitaus mehr Informationen als ein klassischer Energiezähler. Dazu gehören praktisch alle elektrischen Daten des von ihm geschützten Stromkreises: Neben Strom und Spannung sind das jetzt auch Leistung und Energie und weitere Daten; der Leistungsfaktor Cosinus φ muss nicht mehr errechnet werden, sondern liegt direkt vor. Diese Informationen lassen sich nutzen, um den einwandfreien Betrieb der nachgelagerten Verbraucher und Unterverteilungen im Sinne einer vorausschauenden Wartung zu verifizieren. Dazu muss nur ein elektrischer "Fingerabdruck" der Maschine erstellt, also die elektrischen Werte im Normalbetrieb erfasst werden.  

Im laufenden Betrieb wird dieser Fingerabdruck dann regelmäßig mit den tatsächlich vom NZM gemessenen Daten abgeglichen. Sobald Anomalien, also Abweichungen vom elektrischen Fingerabdruck, festgestellt werden, lassen sich daraus Erkenntnisse über eine „Alterung“ der Anlage und gegebenenfalls notwendige Wartungsmaßnahmen ableiten.

Sollte es dennoch zu einem Ausfall kommen, bietet der NZM eine Vielzahl von Analysemöglichkeiten, mit denen die Ausfallzeit reduziert werden kann. So liefert der digitale Leistungsschalter Informationen, die den Verantwortlichen einen Überblick verschafft: War ein Kurzschluss oder eine Überlast der Auslösegrund? Welcher maximale Strom ist geflossen? Auch die Daten vor dem Auslösen werden im Schalter gespeichert und sind aus der Ferne abrufbar. Durch die Analyse mit dem NZM können auch Rückschlüsse auf Einflüsse aus dem Versorgungsnetz der Maschine gezogen werden. So lassen sich auch Störungen erkennen, die den gesamten Maschinenpark betreffen, wie zum Beispiel harmonische Oberschwingungen. 

Verbesserung der Anlagenverfügbarkeit

Neben den Vorteilen, die sich aus den Messdaten erzielen lassen, bringt der Leistungsschalter weitere Leistungsmerkmale mit, die zur Verbessrung der Anlagenverfügbarkeit beitragen. Zum Beispiel ermittelt der Schalter jederzeit die verfügbare Restlebensdauer. So kann nach jeder Auslösung, unabhängig ob Überlast oder Kurzschluss, sehr schnell entschieden werden, ob der Schalter weiter in der Anlage verbleiben kann oder ausgetauscht werden muss. Dank dieser Information können Schalter häufig wesentlich länger im Einsatz bleiben, während sie früher oftmals vorsorglich ausgetauscht wurden. 

Einfachere und sicherere Wartung

Die Auslöseelektronik des NZM der neuen Generation macht die Arbeit der Wartungstechniker im Eaton-Werk in Schrems zudem sicherer. Denn jetzt müssen sie den Verteiler für viele Arbeiten gar nicht mehr öffnen: "Über eine USB-Schnittstelleim Verteilergehäuse können wir direkt mit der Auslöseelektronik kommunizieren, ohne die Tür zu öffnen", so Wolfgang Strondl, Bereichsleiter für die Metallteilefertigung im Eaton-Werk Schrems. Über einen Laptop können die Techniker so mit der Software Power Xpert Protection Manager auf einfache Weise auf Informationen des Schaltgeräts zugreifen und Einstellungen vornehmen. Eaton entwickelt zudem den Leistungsschalter NZM dahingehend weiter, dass in Zukunft auch die Schutzfunktionen über die USB-Schnittstelle geprüft werden können. Damit lassen sich dann auch ohne kostspielige, externe Prüfgeräte alle vom Anwender eingestellten Schutzparameter, aber auch die Funktion der internen Wandler sowie die korrekte Verbindung zur Auslöseelektronik testen. Darüber hinaus können beliebige Ströme simuliert sowie die Auslösezeit mit der eingestellten Auslösekurve automatisch verglichen werden.