Ressourcen effizient nutzen – dank automatisierter Datenaufbereitung

„Unseren Gewinn erzielen wir in der Produktion“, wissen gerade Betriebe auf umkämpften Märkten mit knappen Margen. Wer seine Ressourcen - Strom, Wasser, Druckluft, Wärme – effizient einsetzt, hat die Nase vorn, die Marketing- Möglichkeiten (‘Umweltschutz’) noch gar nicht gerechnet. Dass die tägliche Zählerrunde des Lehrlings nicht ausreicht, um Verbräuche nutzbringend zu kontrollieren, ist bekannt. Der Trend zur automatisierten Datenerfassung und -auswertung ist jedoch ungebrochen. Viele Unternehmen schöpfen ihre Potenziale noch längst nicht aus.

Autor: Hanjo Schlüter, erschienen im Automatisierungsatlas 2011, S.200-202, PDF

Zwei grundsätzliche Motive machen die automatisierte Verbrauchserfassung und -überwachung zu einem dauernden Trendthema: Die Kostenersparnis - direkt durch effizientere Nutzung, indirekt z.B. durch künftige Steuerersparnis dank zertifiziertem Energiemanagementsystem (DIN EN 16001) - und die Möglichkeit, auf Abweichungen schnell zu reagieren und so Produktionsprozesse sicher zu beherrschen. Eine sinnvolle Verbrauchserfassung und -analyse innerhalb der Produktion erfordert, selbst wenn das Energiemanagement nicht zertifiziert wird, eine umfassende Aufnahme des Status quo und eine detaillierte Planung. Die im Folgenden beschriebenen Anforderungen und Eigenschaften gelten daher gleichermaßen für die Implementierung nach DIN EN 16001 und unabhängig davon. Neben der Energie (Wärme, Strom) kann auch der Wasserverbrauch entsprechend überwacht werden. Druckluft als großer Energieverbraucher wird in der Regel ebenfalls gesondert betrachtet. Allen Lösungen dieser Art liegen immer Einzelfallbetrachtungen zugrunde, insofern werden im Folgenden die Grundlagen der Erfassung, Auswertung und Dokumentation angesprochen. Ein Patentrezept, wie die gewonnenen Informationen in Einsparungen umzusetzen sind, gibt es freilich nicht. Hier ist die Kreativität der Verfahrenstechniker gefragt.

Einsparpotenziale und Erfolgskontrolle

Die Verbrauchsüberwachung dient zwei Zielen: Einerseits macht sie überhaupt erst möglich, Einsparpotenziale zu finden – durch Vergleiche von Zeitperioden, Linien oder Schichten; andererseits dient sie auch der Erfolgskontrolle durchgeführter Maßnahmen, die bereits in der Planung eines Energiemanagements vorgeschlagen sind. Anzustrebende Obergrenzen für die Verbrauchsarten lassen sich aus bereits ermittelten Daten, Berechnungen und branchenspezifisch bekannten Kennzahlen festlegen.

Übersichtliches Energie-Cockpit für zwei Linien (Strom/Druckluft): Das produktneutrale Beispiel zeigt links den zeitlichen Fortgang der Schicht, rechts die schicht- und auftragsspezifischen Kennzahlen. Die Farben zeigen ‘im Soll’ (blau), ‘unter Soll’ (grün), ‘über Soll’ (rot). Klick oder Mouse-over der einzelnen Anzeigeelemente liefert weitere Information, vom ‘Tooltip’ bis zum Pop-up mit Chart oder Report.

Spezifische Daten als Grundlage für Einsparungen

Zwischenziel wird in aller Regel die Ermittlung spezifischer Kennzahlen sein, um bewerten und vergleichen zu können; ‘spezifisch’ meint dabei, den absoluten Verbrauch in Beziehung zu produzierten Einheiten zu setzen. Der spezifische Verbrauch sollte sich auch auf Produktarten, Perioden, Linien, Schichten oder einzelne Aufträge aufschlüsseln lassen. Nur so ist die gezielte Suche nach Ursachen möglich, wenn der Verbrauch von den Sollvorgaben abweicht.

Relevante Daten in Echtzeit

Die möglichen Kennzahlen sollten unabhängig von der Berichtsverteilung in Echtzeit vorliegen, damit Verantwortliche umgehend auf Störungen reagieren können. Denkbar wäre ein Live-Chart innerhalb der Scada-Anwendung - da es hier aber um Auswertungen geht, reicht eine bloße Visualisierung von SPS-Aktualwerten nicht aus. Ein fiktives Beispiel verdeutlicht die Verknüpfung der beiden Aspekte: Das Energieüberwachungssystem erfasst kontinuierlich den Druckluftverbrauch, gesondert für fünf Produktionslinien. Verknüpft werden die Daten sowohl mit der Auftragsverwaltung als auch mit der Störmelde- Erfassung. Auf der Anwendungsseite einer webbasierten Scada-Anwendung sieht der Verantwortliche sowohl den aktuellen Verbrauch als auch - in Echtzeit - die Hochrechnung für den Tag. Oft bleibt solch eine Seite am Monitor geöffnet, aktualisiert sich laufend selbst, und der Schichtleiter wirft zwischendurch immer wieder einen Blick darauf. Er bemerkt, dass die Hochrechnung für Linie 4 die Sollvorgabe verlässt. Nur einen Mausklick entfernt sieht er den Verbrauch für die einzelnen Aufträge. Zwei Aufträge derselben Produktart sind mit Störungen für die Abweichung verantwortlich. Da die Störungen bereits behoben sind, muss der Schichtleiter nicht direkt eingreifen. Er wirft jedoch einen Blick in die Störmeldeerfassung und stellt fest, dass diese Produktart auch in anderen Schichten immer wieder die gleiche Störung hervorruft, und löst eine Mail an Produktionsleitung und Wartungsteam aus, die damit einen Ansatzpunkt für die Prozessoptimierung erhalten. Das Datenmaterial unterfüttert die Argumentation im Falle notwendiger Investitionen.

Der Weg dahin: Daten erfassen und aggregieren

Der Weg dahin führt selbstverständlich über die Einzelfallbetrachtung unter Berücksichtigung von Branchenerfordernissen. In der Planungsphase wird detailliert festgelegt, welche Großverbraucher eigene Zähler für welche Verbrauchsart bekommen, und welche Kleinverbraucher in Gruppen zusammengefasst werden. Bei der Gruppierung ist sowohl die Aussagekraft der Ergebnisse als auch die Wirtschaftlichkeit zu beachten: Hohe Leistung und viele Betriebsstunden rechtfertigen einen eigenen Zähler für einen Anlagenteil, andererseits darf die Gruppierung kleinerer Verbraucher die benötigte Analyse nicht verwässern. Die zur Erfassung notwendigen Steuerungen und Messaufnehmer sind zu installieren. Bei sinnvoller Planung ist der dauerhafte Einbau und Betrieb der Zähler einer einmaligen Messreihe mit Leihgeräten vorzuziehen; nur so sind die fortlaufende Ermittlung der Kennzahlen und der aussagekräftige Vergleich möglich. Die Vorteile der kontinuierlichen Messung und Auswertung wiegen schwerer als die Mehrkosten im Vergleich zu periodischen Kontrollmessungen. Die erfassten Daten werden, z.B. über OPC-Server, in eine Datenbank geschrieben. Parallel dazu muss im Plan festgestellt worden sein, welche Ressourcen bereits vorhanden sind: Verbrauchsdaten aus der Gebäudeleittechnik, Auftragsdaten und Produktionskennzahlen aus dem MES, Details zu den Kosten aus dem ERP. Wichtigste Aufgabe des mit der Auswertung betreuten Systems ist das Zusammenführen dieser an verschiedenen Orten erfassten Daten und Durchführung der nötigen statistischen Berechnungen (Aggregierung). Es kann jedenfalls nicht Aufgabe eines Energiebeauftragten sein, die Ergebnisse in einer Tabellenkalkulation zusammenzutragen. ‘Auswertung’ bedeutet, aus der zusammengetragenen Datenmenge Informationen zu gewinnen, mit denen die Verantwortlichen arbeiten können. Dies wird auf den verschiedenen Ebenen, vom Anlagenfahrer bis zur Geschäftsführung, unterschiedliche Formen und Zeithorizonte erfordern. Der Maschinenbediener sieht in der Regel Aktualwerte und Störungen und weiß, wie er unmittelbar zu reagieren hat, der Produktionsleiter sieht Tages- und Monatsstatistiken, aus denen er mit den Verfahrenstechnikern Maßnahmen ableitet. Die technische Geschäftsführung braucht wieder andere Daten, um langfristige, realistische Strategien zu entwickeln, und die Marketingabteilung schließlich interessiert sich für plakative, einfache Aussagen (‘nachhaltiger Betrieb... CO2-Emissionen um 50% gesenkt!’). All diese Informationen muss das auswertende System flexibel bereitstellen, und zwar, sobald alle dafür benötigten Daten vorliegen. Aktualwerte, Trendhochrechnungen und kurzfristige Statistiken sind z. B. webbasiert abzurufen. Der Stand der Technik lässt sich selbst aktualisierende Anzeigen auch ohne Browser-Plugins zu - für Betriebe mit restriktiven Software- Richtlinien wichtig: In einer Übersichtsseite, neudeutsch auch ‘Cockpit’ oder ‘Dashboard’ genannt, sind die wichtigsten Kennzahlen mit Möglichkeit zur Analyse (‘Drill-down’) dargestellt. Umfangreichere Statistiken (Tages-, Monatsberichte) werden automatisch per PDF verschickt. Und ganz eilige Meldungen gehen direkt aufs Handy. Gleichzeitig erspart die Ablage digital signierter PDFs mit zertifiziertem Zeitstempel auf dem Server den Papierausdruck und damit das regalmeterweise Vorhalten von Akten für die Zertifizierung des Systems.

‘Black box’ oder modulares, offenes System?

Ein modulares MES/Scada-System bietet die optimale Basis für Verbrauchsüberwachung in Echtzeit. Das System muss auf alle bereitstehenden Datenquellen zugreifen, auswerten und Meldekanäle zielgruppenabhängig zur Verfügung stellen.

In der Praxis wird sich schnell herausstellen, dass einige der konfigurierten Berichte gar nicht gelesen werden, andere Informationen hingegen noch fehlen oder ungenügend sind. Das Auswertungssystem muss also schnell zu projektieren und flexibel nachzurüsten sein. Hier zeigt sich schon, dass eine monolithische Anwendung, eine ‘Black box’ nicht die Lösung sein kann, selbst wenn sie für den einzelnen Betrieb individuell konfiguriert ist. Selbstverständlich sind auch spezielle Energieerfassungssysteme in dieser Hinsicht offen, aber möglicherweise eben doch limitiert, wenn z.B. der Produktionsleiter auf einmal die Idee hat, ‘die OEE mit dem Stromverbrauch je Periode zu multiplizieren’, um den Verbrauch je Gutteil zu quantifizieren. Rein nach Ausschlussprinzip lässt sich rasch festlegen, wo eine Verbrauchserfassung und -auswertung angesiedelt sein sollte: Das ERPSystem ist für Echtzeitoperationen meistens zu weit vom Produktionsprozess entfernt, eine Insellösung sollte möglichst vermieden werden, im Gegenteil, die Lösung sollte bestehende Systeme integrieren können. Insofern bietet sich eine Lösung auf Ebene der MES/Scada-Systeme an: Einerseits ist die Anbindung an die Automatisierungskomponenten gegeben, Maschinendatenerfassung gehört zu den originären Aufgaben dieser Systeme und Echtzeitkommunikation ist möglich. Andererseits sollte die Anbindung an das ERP-System oder weitere Datenerfassungssysteme MES-seitig ebenfalls möglich oder per Datenrouting einfach herzustellen sein. Was im Produktionsumfeld vielleicht schon selbstverständlich ist, kann dagegen in der Planungsrunde für das Energiemanagement gar nicht deutlich genug betont werden: Dass nämlich die Ressourcen für die Überwachung mit einem modularen MES bereits vorhanden sind und eigentlich nur ein paar Datenbankabfragen formuliert werden müssten. Selbst, wenn ein bestehendes MES solche Erweiterungen nicht zulässt, lohnt es sich zu prüfen, ob ein modular aufgebautes, zweites System als Allrounder für MDE/BDE nicht doch einer Spezialanwendung vorzuziehen ist. Die Lizenzkosten für modulare MES/Scada-Systeme sind auch für kleinere Mittelständler tragbar und lohnen sich oft schon für eine Funktion wie die Verbrauchsüberwachung - Optionen auf Kennzahlen wie OEE mit detaillierter Störmeldeauswertung oder Chargenrückverfolgung inklusive.

In der Praxis: Anwendungsbeispiele

Nach Branche und technischem Stand der Produktion sind Einsparpotenziale unterschiedlich hoch, entsprechend wird auch der ROI unterschiedlich schnell erreicht. Reale Beispiele:

• Ein Unternehmen wertet die Lastgänge periodisch aus. Spitzenlasten treten im Sommer auf. Die Kühlanlagen-Steuerungen werden so programmiert, dass die Anlagen fortan nacheinander anspringen. Kappung der Lastspitzen, Einsparung im fünfstelligen Euro-Bereich, sofortiger ROI. Projektierung durch den Anwender.
• Verteilte Wasserzähler messen den Verbrauch an einzelnen Geräten. Durch Vergleiche einzelner manueller Vorgänge (Reinigung) wird die Festlegung realistischer Obergrenzen möglich. Reduzierung des durchschnittlichen Wasserverbrauchs um 25%. Projektierung durch den Anwender.
• Überwachung des eigenen Kraftwerks, Fremdbezug und Einspeisung, Wirk- und Blindleistung. Durch Kopplung mit Auftragsverwaltung Ermittlung der spezifischen Wirkleistung (MWh/Produktionseinheit). Realisierung über ein zweites, modulares MES zusätzlich zum bestehenden MES durch den Anwender selbst.
• Vergleich der Druckluftmengen an Kompressoren (‘Lieferung’) und Verbraucher (‘Abnahme’), um initial den Verlust durch Leckagen abzuschätzen. Darstellung von Zuständen im Gantt-Balken über Verbrauchskurven.