På vej mod grønne maskiner Sådan kan OEM'ere forbedre maskiners energioptimering

Transkript

1 På vej mod grønne maskiner Sådan kan OEM'ere forbedre maskiners energioptimering Marts 2011/Whitepaper af OEM Løsnings/Energioptimerings-teamet Få mest muligt ud af din energi

2 På vej mod grønne maskiner Oversigt Kort sammenfatning Indledning s.03 Maskindesign og s.05 energioptimering Applikationsingeniørarbejde s.08 kan være til stor gavn for energioptimeringer Implemetering af den rette s.10 automatiseringsarkitektur og det rigtige kontrol- og effektsystem Måling af en maskines s.12 energiforbrug giver øjeblikkelige fordele Eksempler på implementeringer s.13 Konklusion s.15 Nylige undersøgelser viser, at OEM'er er bevidste om de tilgængelige teknologier vedrørende energioptimering til forbedring af effektiviteten af deres udstyr og maskiner. Men samtidig med, at mange OEM'ere er bevidste om det stigende pres og de stigende krav på markedet, er de tilbageholdende med at foretage ændringer, da de ofte er af den opfattelse, at nye teknologier vil gøre deres maskiner dyrere at sælge. Virksomheder, der støtter energioptimering og bæredygtighed i deres virksomhed, oplever rent faktisk stærkere loyalitet fra deres kunder, producerer maskiner af bedre kvalitet med forbedret maskinydeevne, og finder flere muligheder for nye forretningsområder, selv i et vanskeligt økonomisk miljø. I dette dokument drøftes, hvordan det at indføre en strategi for energieffektivitet vedrørende automatisering og kontrolsystemer kan hjælpe OEM'ere med at udvikle maskiner, der er mere bæredygtige og energieffektive, samt hvordan disse nye teknologier bibringer fordele og nye værdier til slutbrugere, som OEM'ere kan bruge til at differentiere deres tilbud. Dette dokument er oversat efter orginal dokumentet af november Permanente besparelser ved hjælp af aktiv energioptimering 2 Whitepaper om energioptimering til OEM

3 Indledning Fremstillingsindustrien forsøger at administrere produktioner gennem en nøglemetode: OEE (Overall Equipment Effectiveness), hvor hovedprincippet er at spore målinger fra maskiner/linjer mellem: Tilgængelighed: måler produktivitetstab fra nedetider - begivenheder, hvor produktionen stopper helt, Ydeevne: måler tab fra langsomme produktionscyklusser - processer, der ikke kører med maksimal hastighed, og Kvalitet: måler tab fra produktionen, der ikke opnår fastsatte kvalitetsnivauer. OEE-scoren måler produktionseffektivitet: Bedre kvalitet betyder mindre spild, større tilgængelige betyder bedre energioptimering. Udnyttelse af ressourcer og reduktion af energi er ved at blive vigtige faktorer i branchen, da forbrugere kræver, at producernter bliver mere "grønne". Slutbrugere forstår de nye udfordringer, og har udviklet strategier for at reducere energien til deres produktion og blive mere bæredygtige virksomheder. OEE-området er sædvanligvis mellem 40 % til 80 % Verdensklasse inden for fremstilling når 85 % Maskinproducenter er nu i forreste linje til at designe, levere og innovere til dette nye, krævende marked. Nogle løsninger har allerede bevist deres effektivitet og fordele. De bibringer nye værdier til deres udstyr, og er en ægte konkurrencemæssig fordel gennem denne nye differentiering. Slutbrugere vælger disse nye fordele under hensyntagen til totale omkostninger i maskinens levetid. Det er på designniveau, at alle fordelene ved en fremgangsmåde med energioptimering kan implementeres. Følgende er en gennemgang af de vigtigste punkter, der kan gavne dine kunders mål med hensyn til energioptimering og være en fordel for dine maskiner/dit udstyr, afhængigt af applikationerne. Whitepaper om energioptimering til OEM 3

4 På vej mod grønne maskiner På vej mod grønne maskiner 4 Whitepaper om energioptimering til OEM

5 Maskindesign og energioptimering Optimering af maskindesign Maskinkonstruktion kan være en hovedkilde til forbedring af maskiners energiforbrug. Dimensionering af motorer Alt for ofte er motorer overdimensionerede. Det medfører, at de bruger mere energi end nødvendigt, noget der let kan undgås gennem korrekt design. Applikationer skal vurderes nøje for at overveje, hvor robust og pålidelig en maskine skal være, samt hvilken fremtidig udvikling, der kan være nødvendig for maskinen. > Små, enkle motorer er bedre end større. Ud fra perspektivet om energioptimering viser erfaringen, at brug af motorer, der er nøjagtigt tilpasset til en applikation frem for blot at bruge motorer med "mere end rigeligt" effekt, optimerer energiforbruget. Denne basale anbefaling kan føre til en gennemsnitlig besparelse på 3-4 %. På samme tid kan det have indflydelse på reduktion/dimensionering af energikontrolsystemet! > Bedre dimensionering giver omkostningsreduktion i kørselstiden, hvilket har nogen indflydelse på reduktion af maskinomkostninger. (Se eksempel på energiomkostninger for en motor nedenfor) Brug af højeffektive motorer Højeffektive motorer har bevist deres effektivitet, og har typisk en tilbagebetalingstid på kun (1-2) år. Den nye IEC-klassifikation for højeffektive motorer specificerer fire kategorier (se næste side). En yderligere fordel er, at den længere maskinlevetid for højeffektive motorer bidrager til levetidsomkostninger. Omkost i hele motorens levetid (gennemsnitlig 15 år) 1% 2% 97% Udover investeringen er nøglepunktet at sikre en effektiv motorkontrol Investering Installation & vedligeholdelse Energi Whitepaper om energioptimering til OEM 5

6 På vej mod grønne maskiner Nye internationale effektivitetsklasser for motorer Det nye EN :2009 definerer følgende verdensomspændende effektivitetsklasser for 3 fases layspændnings asynkrone motorer i effektområdet 0,75 kw til 375 kw. (IE = International effektivitet) > IE1 = Standardeffektivitet (sammenlignelig med EFF2) > IE2 = Høj effektivitet (sammenlignelig med EFF1) > IE3 = Ekstra høj effektivitet > IE4 = Absolut højeste effektivitet Design dine maskiner med optimeret motorkontrol Mindre motorer i kaskade Brug mindre motorer i kaskade, hvor det er muligt (pumper, kompressorer, ventilation ) og tilpas i henhold til deres behov > Op til 30 % besparelse ved brug af synkrone motorer Mere effektiv teknologi 1 Brug af en motor med højere effektivitet > Op til 10 % besparelse 2 Brug et frekvensomformere og derved variabel hastighed til at kontrollere din motor > Op til 50 % besparelse 3 Brug et servodrev og en synkron motor > Op til 30 % besparelse* 10% Energi forbrug sammenlignet med standard motorer 1 50% 2 65% 3 Ekstra i forhold til 2 30% 6 Whitepaper om energioptimering til OEM

7 Når det drejer sig om Motorstartere er frekvensomformere et must For anvendelser, hvor motorens belastning afhænger direkte af hastigheden, kan brug af frekvensomformere giver øjeblikkelige fordele og op til 50 % energibesparelser (pumper, ventilatorer og kompressorer er åbenlyse eksempler på applikationer). Ved applikationer, der kræver gentagen start, vil anvendelsen af frekvensomformere set i forhold til traditionelle kontaktorer (direkte start) samtidig begrænse startstrømmen. Dette vil både reducere tab, strømspidser og reducere den mekaniske belastning på udstyret. De øjeblikkelige fordele for slutbrugere ses på elregningen, hvor investeringen i frekvensomformere kan have en tilbagebetalingsperiode på ofte mindre end 1 til 2 år. Nogle applikationer, såsom kraner og lifte, kan drage fordel af regenerative enheder, såsom kan levere energi tilbage på nettet. Introduktion af Mechatronics Motion - løsninger eller Bevægelsesautomatisering giver mulighed for at styre bevægelse i eks. maskiner. Hver gang noget skal flyttes og hvor bevægelser finder sted, giver bevægelsesteknologier (Servomotorer, Positioneringsstyringer) utrolige fordele. Servomotorer som er synkronmotorer, giver ud over hurtige og præcise bevægelser også markante energifordele. Der ligger et potentiale på op til 60 % energibesparelser, samtidigt med betyder hurtigere maskincyklusser og større output. Ligeledes har disse motorer en høj virkningsgrad (udbytte på 95 %) som overgår normale asynkrone motorer. Motorernes fysiske størrelse er også mindre. Anvendelsen af Synkron servomotorer giver derfor fordele med hensyn til energieffektivitet på op til 10 %, sammenlignet med asynkrone motorer, ganske enkelt takket være teknologien. Motion - løsninger erstatter også andre teknologier, og giver markante fordele med hensyn til energieffektivitet: Mekanisk synkronisering af bevægelse (kamskiver, gear, osv.) Pneumatik og hydraulik; f.eks. reducerer substitution af pneumatik energiforbrug, da tab og lækage er signifikant og sjældent kan undgås. Det koster i sidste ende for slutbrugeren. Mechatronic maskindesign tilbyder laveste TCO*, da de er de mest energieffektive og mest pålidelige maskiner på markedet. * Samlede omkostninger ved ejerskab Fordele for slutbrugere Mere produktive maskiner Mindre spild Mere fleksibel produktion Mere kompakte maskiner Mindre brug af energi. Gavner også OEM'ere Mindre mekanik Færre komponenter Optimeret effekt og mindre kontrolpanel. Motion løsninger er helt klart et innovationsfelt, der gavner branchen og bringer nye værdier til maskinproducenterne Whitepaper om energioptimering til OEM 7

8 På vej mod grønne maskiner Applikationsingeniørarbejde kan være til stor gavn for energioptimering Automatisering er en vigtig mulighed for at opnå energioptimering. De funktioner, der er tilgængelige gennem programmering, giver mange nye muligheder. Nye algoritmer har f.eks. allerede bevist deres værd og kan findes i applikationsbiblioteker. Prædiktivt styrekredsløb: en ny kilde til energioptimering Den klassiske PID kan overgås af et prædiktivt styrekredsløb, når algoritmerne integreres i programmeringssystemet, med mulige besparelser på mere end 10 %. Superheat referance Superheat Kondens setpoint Kondens temperatur MOP Evaporation temperatur Avancerede kontrolfunktioner i HVACapplikationer er blevet målt for nylig, og giver mere end 10 % energioptimering sammenlignet med PIDregulering. Tid i minutter Med klassisk PID Med prædiktivt styrekredsløb 8 Whitepaper om energioptimering til OEM

9 Overvågning af driftstilstande og status gennem automatisering Applikationsingeniørarbejde kan give signifikante fordele Slutbrugere udnytter ikke altid deres maskiner og udstyrs fulde kapacitet. Nogle nøgleområder stoppes hyppigt med vilje for udelukkende at aktivere de nødvendige ressourcer. Disse teknikker kan anvendes effektivt ved transportanlæg, således at de kun er aktive, når lasten ankommer frem for at køre kontinuerligt. Funktionerne stop, tomgang slukket deaktiverer aktuatorerne, og bør integreres i programmeringen for at generere yderligere energioptimering til fordel for slutbrugerne. Undersøgelser har vist, at maskiner sjældent er i produktion 100 % af tiden, og det vurderes, at forbruget kan reduceres med næsten 37 %, hvis maskinerne håndteres korrekt under disse perioder med tomgang, f.eks. ved ganske enkelt at slukke dem. Betingelser for sikker stop og sikker genstart bør også overvejes som en kilde til energioptimeringens, såsom at lukke kontrolsystemet og kommunikationsbussen ned, når maskinen slukkes. Dette er muligt ved at gemme parametre under stop og genaktivere dem igen, når der genstartes i den forrige tilstand. Nogle gange er løsningen ikke fuldstændig åbenlys, såsom ved begrænsninger i sikkerhed eller hurtig genstart af linjen. Slutbrugere vælger fortrinsvis at opretholde strømmen til kontrolsystemet. Nogen optimering og nogle fordele kan også opnås ved at administrere opstarten af maskinerne. Ved at bruge sekventiel start, kan du minimere startstrømmen og undgå spidsbelastninger. Forbrug (MWh) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 2,84 I Produktion 0,98 0,44 0 Tomgang Stoppet Slukket Aktiv energiadministration gennem automatisering Op til 37 % besparelser realiseret i en produktionslinje i bilindustrien gennem korrekt administration af kontrolsystemer, når maskiner går i tomgang eller er stoppet. Whitepaper om energioptimering til OEM 9

10 På vej mod grønne maskiner Implemetering af den rette automatiseringsarkitektur og det rigtige kontrol- og effektsystem Det automatiserede kontrolsystem bruger også strøm (ikke på samme niveau som aktuatorer), men optimering kan implementeres ved at vælge det rigtige tilbud og træffe den rigtige beslutning. 30% Automatiseringsarkitektur Den rette automatiseringsarkitektur kan, afhængigt af applikationen, have en gunstig virkning på energiforbruget i det samlede kontrolsystem. F.eks. kan en decentraliseret arkitektur fordoble forbruget i forhold til en centraliseret arkitektur. Afhængig af applikationens størrelse samt kriterier for sikkerhed og ydeevne, kan valget af en decentraliseret arkitektur selvfølgelig nogle gange være nødvendig. Ligeledes kan optimering af antallet af 24 V strømforsyninger give energibesparelser på op til 25 % ved at undgå adskillige strømforsyninger og deres associerede tab. Valg af kontaktorer Når der bruges kontaktorer, kan nogle simple valg reducere strømforbruget markant. I dag kan brug af kontaktorer med lavt forbrug eller kontaktorer til specifikke funktioner (f.eks. såkaldte "latching-relæer") i kombination med korrekt valgte kontaktorer (såsom Tesys U motorstarter) reducere strømforbruget med op til 4 gange, takket være det lave energitab, der er forbundet med færre forbindelser. Rent faktisk bruger TeSys U motorstartere 75 % mindre energi sammenlignet med traditionelle motorstartere. Dette opnås ved det reducerede antal af kontakter og ved styrekredsens meget lave strømforbrug. Allerede testet, godkendt, dokumenteret arkitektur til hurtig opbygning af en automatiseringsløsning. Klar til brug for det optimale resultat: > Foruddefinerede arkitekturer og materialefortegnelse Åben og fleksibel > Fleksibel maskinkontrol: integreret intelligens i enheder med en ny software > Din know-how bevares (andre produkter ) Klar til at blive brugertilpasset > Brugertilpassede tests, så eksperter kan godkende din egen konfiguration 10 Whitepaper om energioptimering til OEM

11 Valg af HMI (grafiske terminaler og paneler) Administration af baggrundslys i HMI-paneler kan spare 65 % af den strøm, de bruger, f.eks. ved at slukke for displayet, når maskinen går i tomgang (f.eks. Magelis XBTGT). Brug af lysdioder LED-teknologi tilbyder et alternativ med lavt forbrug i forhold til glødelamper i trykknapper og indikatorlys, og bør anvendes systematisk. Dimensionering af Controller Controllere, der er dimensioneret korrekt til applikationen, vil også hjælpe med at reducere energiforbruget. Regulering af effektfaktorer For at kompensere for den reaktive effekt, og til sidst eliminere den, er den bedste placering tættest på kilden. Dette vil optimere maskinens energiforbrug og kan hjælpe slutbrugere med at undgå støj i deres elektriske netværk. Patenteret «beskyttet LED»-teknologi > timers lysstyrke uden vedligeholdelse > Beskyttet mod kortslutning med sikringer Lavt forbrug > Fem gange mindre end glødelamper Høj resistens > i lysdioder mod mekanisk stød og vibration Whitepaper om energioptimering til OEM 11

12 På vej mod grønne maskiner Måling af en maskines energiforbrug giver øjeblikkelige fordele Overvåg og kontroller under levetiden Erfaring viser, at en aktiv tilgang til energioptimering ganske enkelt vil hjælpe med at give en besparelse på yderligere 8 % ved tidligt at registrere enhver forskel i maskinens drift eller igangværende livscyklus. Operatører, vedligeholdelsespersonale og teams til produkionsstyring kan alle hurtigt gribe ind og afhjælpe enhver tilstand, der kan have negativ indflydelse på maskinens energioptimering. Elektrisk signatur for maskinen: Måling 100% 70% Energi forbrug Effektivt design og komponenter Optimeret brug via automation Maskin Design Måling & vedligeholdelse Maskin drift Tid Denne grundlæggende måling kan betrages som en maskines "elektriske signatur", og den kan blive udgangspunktet for fremtidige forbedringer og forbedret maskineffektivitet. Derudover er det en stor fordel for slutbrugeres strategi. I dag kan dette opnås meget simpelt, såsom med Compact NSX Micrologic, der har evnen til at måle indgående strøm, eller ved at overvåge strømmen gennem en separat strømmåler, såsom PM800. Umiddelbar fordel for brugere - bevidsthed og forbedring er nøglefordelene: Brug af enheder til strømmåling og behandling af maskinens forbrug. 12 Whitepaper om energioptimering til OEM

13 Eksempler på implementering Emballering: Forøg dine besparelser med funktionsblok til trækkontrol Energibesparelse Ved brug af servodrev + synkron motorer > 30 % mindre energi end frekvensomformer + asynkron motor Besparelse på råmaterialer På grund af nøjagtigheden af det servodrev, der kontrolleres af motioncontrolleren ved hjælp af funktionsblokken fra Schneider Electric, kontrol af folietræk, kan vi øge trækket på folien med mere end faktor 2. > 50 % mindre plastfolie Roterende arm Kabelkanal Kable kanal Styreenhed Indkapsling Central kontrol i en styreenhed Lysgardin Spole med variabel højde Central styring i en styretavle Tilførsel ind/ud Transportbånd: udskift kontaktorer med frekvensomformere med variabel hastighed, 85 % af transportører startes og kører med direkte start, hovedsageligt ved hjælp af kontaktorer. Udskiftning af kontaktorer med frekvensomformere giver op til 30 % energioptimering. Whitepaper om energioptimering til OEM 13

14 På vej mod grønne maskiner HVAC: spar op til 30 % på luftafkølede kølere med dedikerede løsninger Kondensatorventilatorer Energibesparelser ved at justere ventilatorhastighed i forhold til den eksterne temperatur ATV21 drev + Modicon M168 controller ved hjælp af funktionsblokken "Trykkontrol med VSD > Op til 20 % mindre energi end en konventionelventilator med tænd/slukstyring Energibesparelser ved optimeret elektronisk ekspansionsventil kontrol Ved implementeringen af den advancerede kontrolfunktion Superheat control på Modicon M168 controller til en kølers elektroniske ekspansionsventil kontrol. > Op til 5 C reduktion af indstillingsværdi for overophedning, svarende til op til 10 % mindre energi sammenlignet med standard kontrol af overophedning med højere indstillingsværdi Kondensator Varmeveksler Fordamper Varmeveksler Elektronisk ekspansionsventil Spar kwh hvert år inden for hejsning: Containerkran med regenerative løsninger Eksempel på anvendelse af containerkran til hejsning, 250 kw belastning Cyklustid: 5 min (1 min løftning, 1 min sænkning, 3 min håndtering) Driftstid: 8 t/dag, 200 dage/år Energiomkostning: 0,80 kr/kwh Drevinvestering til modstandsbremse: kr Drevinvestering til AFE (Active Front End) løsning: kr Resultat Energiforbrug med modstandsbremse: kwh/år = kr/år Energiforbrug med AFE: kwh/år = kr/år > Energi- og omkostningsbesparelser: kwh/år = kr/år Tilbagebetalingsperiode: 1,7 år Innovation: det næste trin - PacDrive* PacDrive Packaging Solutions har tilføjet en ny, valgfri opgradering til softwarebibliotek til integrering af mekanismer til opspoling og afspolning af folie med en kontrolløsning til reguleringsfri drift. Ved at fremme servoteknologi har designere mulighed for at reducere antallet af slidte komponenter i produktions- og pakkemaskiner, herunder pneumatikker. Som et resultat heraf kan reguleringsfri spolehåndtering reducere maskinudleding, OEM-ingeniørtimer samt vedligeholdelsesopgaver for slutbrugeren og give væsentlige fordele med hensyn til energioptimering. * PacDrive er et sortimentsnavn lanceret af Elau, en virksomhed, der i dag er integreret i Schneider Electric. 14 Whitepaper om energioptimering til OEM

15 Konklusion: Forbedring af maskiners energioptimering skaber innovation Robust automatisering, kontrol og overvågning af energiforbrug kan give op til 30 % energibesparelse En energieffektiv tilgang har naturligvis en omkostning for OEM'ere: integrering af nyt design og nye teknologier, som præsenteret i dette dokument, vil sandsynligvis have indflydelse på maskinens endelige omkostninger, hvilket kan vurderes til mindre end 10 %, afhængigt af applikationen. Som det ses med det nye design og introduktion af nye teknologier, er OEM'ere i stand til at bibringe nye værdier og bidrage stærkt til den bæredygtige tilgang, som slutbrugere nu implementerer. Automatisering og kontrolfunktioner giver en bred række af muligheder for at forbedre energioptimering og reducere spild, og bør således overvejes systematisk. Den aktive tilgang til energioptimering giver slutbrugerne mulighed for at optimere energiforbruget i deres produktionsinvesteringer, hvilket giver både øjeblikkelige og langsigtede besparelser. I dag er energibesparelse blevet en vigtig beslutningsfaktor for slutbrugerne. Dette er en ny differentieringsmulighed for OEM'ere på et meget konkurrencepræget marked: at give nye fordele til kunderne, mindre energiforbrug pr. produceret enhed, mindre spild, bedre kvalitet, højere ydeevne, med en tilbagebetalingstid på mindre end to år. Schneider Electric er engageret i bæredygtighed, og hjælper OEM-kunder med at forbedre deres maskiners ydeevne og energioptimering. Lad os sammen tage vejen mod grønne maskiner Whitepaper om energioptimering til OEM 15

16 Maskiners energioptimering Schneider Electric Danmark A/S - All rights reserved Schneider Electric Danmark A/S Industriparken Ballerup Tlf.: Da standarder og produkter er under kontinuerlig udvikling, vil oplysninger i denne brochure ændres løbende. Schneider Electric/ Lauritz Knudsen by Schneider Electric tager forbehold for disse ændring samt trykfejl og mangler i øvrigt