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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bildung
von energieoptimierten Kombinationen von Fertigungs- und Versorgungskomponenten
einer Fertigungsanlage, insbesondere auch ein Softwaremodul als
Planungstool für die energetisch optimale Auslegung der
Fertigungs- und Versorgungskomponenten nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Lebenszykluskosten
von Maschinen aus Fertigungs- und Versorgungskomponenten stark die Wirtschaftlichkeit
einer Fertigungsanlage bestimmen. Solche Lebenszykluskosten LCC
können sich dabei aus folgenden Einzelfaktoren zusammensetzen: LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd, wobei die obigen
Kürzel folgende Bedeutung haben:
Cic = Investitionskosten,
Cin = Installationskosten, Ce = Energiekosten, Co = Bedienungskosten,
Cm = Instandhaltungskosten, Cs = Produktionsausfallkosten, Cenv
= Umweltschutzkosten, Cd =: Außerbetriebnahmekosten.
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Beispielsweise
ist eine Fertigungsanlage in der
DE 639 23 848 T2 beschrieben, die eine Vielzahl von
Maschinenabschnitten oder -sektionen mit einer Vielzahl von Zuführ-Entnahme-
oder Bearbeitungsmechaniken, Stellmotoren, elektrischen, pneumatischen
oder hydraulischen Stell- oder Regelelementen aufweist, die von
einer Steuereinheit gesteuert werden, die eine entsprechende Ablaufsteuerung
beinhaltet. Weiterhin ist hieraus bekannt, dass in der Steuereinheit
eine Bibliothek von Maschinenzuständen vorhanden ist, in
denen die angesteuerten Peripherieeinheiten arbeiten. Somit können
auch Befehle ausgeführt werden, die den Beginn und das
Ende von Maschinenzuständen steuern und darüber
hinaus können auch Zeitpunkte für den Beginn von
bestimmten Maschinenzuständen bestimmt und dann im Betrieb
berücksichtigt werden.
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Weiterhin
ist auch noch aus der
DE
2 232 715 A als Stand der Technik bekannt, dass Einrichtungen
zum Steuern von Arbeitsmaschinen zur automatischen Bearbeitung von
Werkstücken mittels einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage
nach einem vorgegebenen Arbeitsprogramm gesteuert werden. In der
DE 697 32 488 T2 ist
auch schon beschrieben, dass hierfür ein Prozesssteuerungsnetzwerk
vorhanden ist, in dem entsprechende Feldgeräte über
einen sogenannten Feldbus gesteuert werden.
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Aufgrund
der starken Verteuerung der Energiekosten ist jedoch bei der Planung
und beim Engineering der Fertigungsanlagen insbesondere zu berücksichtigen,
inwieweit energieoptimierte und damit teurere Maschinen/Komponenten
in der Lebensbilanz der Fertigungsanlage wirtschaftlich sind. Man kann
dabei mit Verweis auf die eingangs erläuterte Beziehung
insbesondere das Optimum aus LCC_1 = Cic + Ce bestimmen, um die
Fertigungsanlage in energetischer Hinsicht zu optimieren.
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Bei
den Investitions- und Energiekosten sind nicht nur die reinen Fertigungskomponenten
zu berücksichtigen, die die eigentliche Funktionalität
der Fertigungsanlage durch ihr Zusammenspiel sicherstellen, sondern
auch die Versorgung dieser Fertigungskomponenten durch Medien aller
Art (Druckluft, Kühlschmiermittel, etc.). Diese sogenannten
Nebenprozesse werden mittels Versorgungskomponenten (z. B. Kompressoren,
Kühlschmiermittelanlagen, etc.) durchgeführt.
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Es
sind keine Planungstools bekannt, die eine optimale Zuordnung zwischen
Fertigungs- und Versorgungskomponenten unter Berücksichtigung des
Energieverbrauchs sowie des Ablaufs- und des Anfangsinvests bei
der Planung einer Fertigungsanlage unterstützen, sodass
die zuvor erwähnte Versorgungstechnik, d. h. die Nebenprozesse,
technisch oft überdimensioniert sind. Die Investitionskosten
für die Versorgungskomponenten sind daher oft sehr hoch. Außerdem
werden diese Anlagen dann weit unter ihrem Nennbetriebspunkt und
damit mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben, was zu überhöhten
Energiekosten im Betrieb führen kann. Es kann jedoch durch
eine Nichtberücksichtigung der energetischen Prozesse auch
zu einer Unterdimensionierung der Versorgungskomponenten kommen,
die dann zur Unterversorgung der Fertigungsan tage führt.
Stillstände oder sogar Schäden an den Maschinen
oder sonstigen Komponenten können dann die Folgen sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht von einem Verfahren zur Bildung von energieoptimierten
Kombinationen von Fertigungs- und Versorgungskomponenten einer Fertigungsanlage
aus, mit dem ein sogenanntes Planungstool bereitgestellt werden
soll, das es erlaubt die Auswirkung unterschiedlicher Fertigungs-
und Versorgungskomponenten auf die Investitionskosten, die Taktzeit
und die Energiekosten zu untersuchen und zu optimieren und mit dem
auch eine einfache Visualisierung der obigen Größen
möglich ist.
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Erfindungsgemäß werden
in vorteilhafter Weise die Fertigungs- und Versorgungskomponenten
in einem ersten Schritt ausgewählt und gepaart, in einem
zweiten Schritt wird mit diesen Fertigungs- und Versorgungskomponenten
mit einer Ablaufplanung ein zeitlicher Ablauf der Fertigungsanlage
bestimmt, in einem dritten Schritt wird eine Ableitung des Energieverbrauchs
und der Auslastung der Versorgungskomponenten durchgeführt
und in einem vierten Schritt wird mittels einer oder mehrerer Änderungen
von Variablen der vorhergehenden Schritte die Energieoptimierung
durchgeführt.
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Im
Folgenden werden die Möglichkeiten einer Änderung
von bestimmten Variablen erläutert.
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Die
Energieoptimierung kann dabei als erste Alternative durch eine taktzeitneutrale Änderung
des Ablaufs in der Ablaufplanung für mindestens eine der Versorgungskomponenten
durchgeführt werden. Hierbei kann die taktzeitneutrale Änderung
bei einer der Versorgungskomponenten in vorteilhafter Weise durch
ein zeitliches Verschieben ihrer Funktion erfolgen.
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Als
weitere Alternative kommt in Betracht, die Energieoptimierung durch
eine geänderte Auswahl von Versorgungskomponenten aus einem
Komponentenbaukasten und durch eine geänderte Auswahl von
Fertigungskomponenten aus einem zweiten Komponentenbaukasten durchzuführen.
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Möglich
ist es auch weiterhin, dass die Energieoptimierung durch eine andere
Paarung der vorhandenen Fertigungs- und Versorgungskomponenten durchgeführt
wird.
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In
allen diesen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Energieoptimierung
als eine Optimierung der mittleren Auslastung und/oder der Spitzenlast
der jeweiligen Versorgungskomponente anzusehen ist, wobei insbesondere
die Spitzenlast in einem Bereich knapp unter 100%, z. B. zwischen
80% und 90%, liegen soll und die prozentuale mittlere Auslastung
und die prozentuale Spitzenlast aneinander angenähert werden
sollen (sogenannte Lastnivellierung).
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass mit der Erfindung eine Vermeidung von Überdimensionierung
durch optimale Auswahl und Paarung von Fertigungs- und Versorgungskomponenten
sowie eine Last-Nivellierung erreicht werden kann, mit der Verbrauchsspitzen
reduziert werden können und die eventuell einen Einsatz
kleinerer Versorgungs-Aggregate ermöglichen. Durch die
beschriebene Energieverbrauchs-Reduktion kann ein Betrieb der Komponenten
nahe dem Nennbetriebspunkt, entsprechend einem Wirkungsgradoptimum,
erreicht werden und es kann durch Lastmodellierung, d. h eine Auswahl
energieoptimaler Komponenten unter Gesamtkostenbetrachtung ein Vorteil
erreicht werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Reduktion der Anlageninvestitionen
wird die Methodik auch für Anwender vorteilhaft, die noch
keine LCC-Betrachtungen (LCC entspr. TCO = Total Cost Ownership) durchführen
und die sich daher stark am Beschaffungspreis orientieren. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann auch mit an sich energieeffizienten Komponenten kombiniert
werden, es erzielt aber auch beim Einsatz konventioneller Komponenten
durch ihre Transparenz in der Planungsphase und die anschauliche
Optimierung signifikante Einsparpotenziale in Energieverbrauch und
Kosten. Durch den Einsatz vordefinierter Komponentenbaukästen
und der automatischen Verbrauchs- und Lastbestimmung hält
sich der zusätzliche Engineering-Aufwand in engen Grenzen
und reduziert gleichzeitig das Risiko einer Fehlauslegung der Fertigungsanlage.
Die Komponentenlieferanten können durch die Bereitstellung ihrer
Komponenten als Baukasten ihr Produktspektrum aufwerten und erhöhen
die Kundenbindung durch einen zusätzlichen Nutzen für
die Hersteller der Fertigungsanlagen.
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Bei
einer Anordnung zur Durchführung des zuvor beschriebenen
Verfahrens sind die Fertigungs- und Versorgungskomponenten und die
Steuerung der Fertigungsanlage so ausgebildet, dass die Energieoptimierung
insbesondere bei dem Energieverbrauch von Medien, insbesondere Kühl-
und/oder Schmiermittel, und Energie, insbesondere elektrische Energie,
Druckluft und/oder Hydraulikdruck, durchführbar ist.
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Die
Fertigungskomponenten sind dabei vorzugsweise Hydraulik- oder Pneumatikzylinder,
hydraulische oder pneumatische Pressen, Motoren, vorzugsweise Elektromotoren,
oder Greifer und die Versorgungskomponenten stellen vorzugsweise
Hydraulikdruck, Pneumatikdruck und elektrische Energie oder Kühlschmiermittel
in jeweils wählbaren Größenordnungen
bereit.
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Es
wird weiterhin ein Computerprogrammprodukt, gespeichert auf einem
computerverwendbaren Medium vorgeschlagen, das computerlesbare Programmmittel
umfasst, welche bei Ausführung des Computerprogrammprodukts
auf einem Mikroprozessor mit zugehörigen Speichermitteln
oder auf einem Computer diesen zur Durchführung des vorgeschlagenen
Verfahrens veranlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung
gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei
zeigt:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zur Energieoptimierung
einer Fertigungsanlage mit Fertigungs- und Versorgungskomponenten,
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2 ein
Blockschaltbild entsprechend dem nach der 1 mit einer
ersten taktzeitneutralen Optimierungsmethode und
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3 ein
Blockschaltbild entsprechend dem nach der 1 mit einer
zweiten Optimierungsmethode mit geänderter Auswahl von
Fertigungs- und Versorgungskomponenten.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
schematisch anhand eines Blockschaltbilds 1 ein Ausführungsbeispiel
eines generellen Ablaufs der Funktionen einer hier nicht gezeigten
Fertigungsanlage gezeigt, wobei detailliertere Verfahrensmerkmale
zur Durchführung der erfindungsgemäßen
Energieoptimierung im Inneren der Blöcke angegeben sind.
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Für
eine energieoptimierte Planung der Fertigungsanlage steht zunächst
ein Komponentenbaukasten 2 zur Verfügung, der
softwaretechnisch als Untergruppen sowohl Fertigungskomponenten 2a, wie
z. B. mit unterschiedlich bemusterten Symbolen gekennzeichnete Pneumatikzylinder 3,
hydraulische Zylinder 4, Motoren 5 und pneumatische
Greifer 6, als auch Versorgungskomponenten 2b für
die Medienversorgung (z. B. Druckluft) der Fertigungskomponenten 2a,
wie z. B. mit unterschiedlich bemusterten Symbolen und verschiedenen
Größen gekennzeichnete elektrische Versorgungskomponenten 7,
zum Beispiel Leistungsverstärker, Umrichter oder Spannungsversorgungen,
hydraulische Versorgungskomponenten 8 und pneumatische
Versorgungskomponenten 9, insbesondere Kompressoren, aufweist.
Für diese Fertigungs- und Versorgungskomponenten sind Zeitverhalten,
Kosten und Verbrauchsverhalten als Modelle oder Daten im Komponentenbaukasten 2 mit
den Untergruppen 2a und 2b hinterlegt.
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Aus
dem Komponentenbaukasten 2 werden unter funktionalen Gesichtspunkten
zunächst die für die Fertigungsanlage benötigten
Fertigungskomponenten 2a ausgewählt und mit Versorgungskomponenten 2b gepaart,
die dargestellt in einer Auswahl 10 die gewünschte
Funktion der Fertigungsanlage ermöglichen. Beispielsweise
werden hier in der ersten Zeile (1) einer pneumatischen
Versorgungskomponente 9 verschiedene pneumatische Zylinder 3, ein
pneumatischer Greifer 6 mit dem entsprechenden in kWh umgerechneten
Energiebedarf zugeordnet, wobei in einem rechten Teilblock der Auswahl 10 dann
die allgemeine Auslastung (Load) der Versorgungskomponenten als
Balken 11 und die Spitzenauslastung (Peakload) als Strich 12 in
Prozentzahlen aufgetragen ist.
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Mit
Bezug auf den Komponentenbaukasten 2 können nun
auch die weiteren noch in der Auswahl 10 gezeigten Fertigungskomponenten
mit den zugehörigen Versorgungskomponenten kombiniert werden.
Für die verschiedenen benötigen Medien, wie Druckluft,
Hydraulikdruck, Kühlschmiermittel etc. werden dann aus
dem Komponentenbaukasten 2 die entsprechenden Versorgungskomponenten
ausgewählt und den Fertigungskomponenten zugeordnet (sog.
Paarung).
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Nach
Abschluss dieses Verfahrensschrittes kann über die Investivkosten
der Komponenten schon eine recht präzise Kostenprognose
der Fertigungsanlage angegeben werden, wie es im Block 13 mit
dem Feld 14 symbolisch angedeutet ist.
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In
weiteren Verfahrensschritten kann nun eine Ablaufplanung 15 und
eine automatische Ableitung des dazu gehörigen Energieverbrauchs 16 für die
Fertigungsanlage durchgeführt werden.
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Im
Rahmen der Ablaufplanung 15 wird der zeitliche Ablauf der
Fertigungsanlage durch den Projekteur der Fertigungsanlage modelliert,
um die gewünschten Funktionen darzustellen. Hierbei ergibt sich
eine zeitliche serielle und parallele Abhängigkeit zwischen
den Aktivitäten der einzelnen Fertigungskomponenten (sog.
Vorgänge), wobei hier die Vorgänge der Zylinder 3,
eines Motors 5 und eines hydraulischen Zylinders 4 entsprechend
der ersten Reihe der Auswahl 10 exemplarisch gezeigt sind.
Rechts neben den Komponenten sind die getakteten Betriebszeiten 17 und
mit Pfeilen 18 die Reihenfolgen der Betriebszeiten 18 gezeigt.
Als Ergebnis dieses Verfahrensschritts liegt eine Prognose über
die Taktzeit und damit auch über die voraussichtliche Ausbringung
der Fertigungsanlage vor, die aus einem Feld 19 im Block 13 symbolisch
angedeutet ist.
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Im
Block darunter ist im Einzelnen eine Funktion gezeigt, die eine
automatische Ableitung des Energieverbrauchs 16 und einen
zeitlichen Verlauf 20 darstellt. Ist somit der Ablauf der
Fertigungsanlage bekannt, dann kann somit automatisch der zeitliche Verlauf 20 des
Energieverbrauchs der Fertigungsanlage als Mittelwert dargestellt
werden; hieraus kann dann der Mittelwert einfach hergeleitet werden.
Dieser Verlauf 20 kann im folgenden für eine Energieoptimierung 23 der
Fertigungsanlage genutzt werden.
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Nach
den zuvor erläuterten Verfahrensschritten sind somit auch
die Energiekosten 21 bekannt, was mit dem Block 13 symbolisch
angedeutet ist. Die Gesamtkosten der Fertigungsanlage sind somit
gemäß dem Block 13 bekannt, da sie sich
aus den Kosten für die Komponenten (Feld 14, Investivkosten), der
Ausbringung (Feld 19, Taktzeit) und den Energiekosten (Feld 21,
Energieverbrauch) ergeben.
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Aus
der Auswahl 10 ist zu entnehmen, dass, wie erwähnt,
mit den Balken 11 die mittlere Auslastung (Load) und mit
den Strichen 12 jeweils die Spitzenauslastung (Peakload)
für die dargestellten Versorgungskomponenten 9, 8, 7 jeweils
angegeben ist. Liegt die Spitzenauslastung über 100%, dann
können die Versorgungskomponenten die Versorgung der angeschlossenen
Fertigungskomponenten nicht leisten. Liegt die mittlere Auslastung
deutlich unter 80% oder 90%, dann ist die Versorgungskomponente vermutlich überdimensioniert
und sollte durch eine kleinere ersetzt werden. Liegen die mittlere
Auslastung und die Spitzenauslastung zu weit auseinander, dann sollte
der Ablauf der Fertigungsanlage optimiert werden, da sonst eine
hohe Aggregateleistung der Versorgungskomponenten für einige
wenige Zeitpunkte vorgehalten werden muss.
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Mit
den bisher durchgeführten Verfahrensschritten kann auf
der Basis des zeitlichen Ablaufs 20 und der Loadfunktionen 11, 12 ermittelt
werden, wie stark die Versorgungskomponenten 9, 8,
oder 7 durch ihre jeweils angeschlossenen Fertigungskomponenten 3, 4, 5,
oder 6 ausgelastet werden.
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Im
Folgenden werden nun Verfahrensschritte zur Energieoptimierung 23,
die in den Figuren mit Pfeilen gekennzeichnet sind, und zur Gesamtkostenminimierung
anhand von 2 und 3 erläutert, die
bis auf die eingearbeiteten zusätzlichen Optimierungsschritte
mit der 1 identisch sind. Als Optimierungsschritte
kommen in Frage: Erstens eine Änderung des Ablaufs, zweitens
eine Wahl anderer Fertigungs- und/oder Versorgungskomponenten oder drittens
eine andere Paarung der Fertigungs- und/oder Versorgungskomponenten.
Die Optimierung kann solange fortgeführt werden, bis vorgegebene
Energie- und/oder Kostenziele erreicht sind. Erst dann wird mit
der Detailkonstruktion der Fertigungsanlage begonnen.
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Die 2 zeigt
eine Optimierung durch eine taktzeitneutrale Änderung des
Ablaufs beim Einsatz der Komponenten. Zwischen den im Verlauf des
Energieverbrauchs 16 aufgetragenen Zeitpunkten t = 2 s
und t = 3 s ergibt sich eine Lastspitze 30 im Energieverbrauch
(Kurvenbereich 30), die mit der vorgeschlagenen Optimierung
vermindert bzw. nivelliert werden soll. Hierzu wird die Aktivierung
der Fertigungskomponente 3 mit der laufenden Nummer 3, die
nicht im kritischen Pfad liegt, d. h. nicht taktzeitbestimmend ist,
im Ablauf um eine Sekunde nach hinten verschoben, was mit den Zeitabschnitten 17 (alter Zustand)
und 17' (neuer Zustand) gekennzeichnet ist. Im Energieverbrauchsdiagramm
nach 16 kann man erkennen, dass diese Maßnahme
erfolgreich war, da die Energiespitze reduziert wurde (Pfeil 31). Im
Auslastungsdiagramm in der Auswahl 10 kann man erkennen,
dass auch die Lastspitze (Strich 12) bei der Versorgungskomponente 8 (lfd.
Nr, 2) reduziert wurde (was mit einem Kreis 32 gekennzeichnet ist),
die mit 89% im Mittel gut ausgelastet ist.
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Aus
der 3 ist alternativ dazu eine Optimierung der Fertigungsanlage
durch eine Änderung bei der Auswahl einer Versorgungskomponente
gezeigt. In der ursprünglichen Planung nach der 1 (Auswahl 10)
war die Versorgungskomponente 3 mit der lfd. Nr. 3 ein
großer Kompressor für die Pneumatikversorgung
mit 23% im mittleren und 54% in der Spitzenauslastung nicht gut
ausgelastet, also mindestens um den Faktor 2 überdimensioniert.
Daher wird nun statt des großen Kompressors aus dem Komponentenbaukasten 2 der
mittlere Kompressor als pneumatische Versorgungskomponente 9 ausgewählt.
Dies ist mit dem Kreis 33 und dem Block 34 in der 3 symbolisch
verdeutlicht.
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Es
ist nun insbesondere aus der Änderung vom bisherigen Verlauf 20 des
Energieverbrauchs in 16 erkennbar, dass der neue Verlauf 35 eine
mit dem Pfeil 36 angedeutete Verringerung des Energieverbrauchs
bewirkt. Der verringerte Energieverbrauch führt auch zu
einer besseren Auslastung der Pneumatikkomponente 8 (lfd.
Nr. 3 im Block 10 nach der 3) von jetzt
82%, was mit einem Kreis 37 gekennzeichnet ist. Mit diesem
höheren Wirkungsgrad sinkt der Energieverbrauch des Kompressors
als Pneumatikkomponente 8 und auch die Investivkosten gehen
durch den kleineren Kompressor (Feld 14 in Block 13)
zurück.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 63923848
T2 [0003]
- - DE 2232715 A [0004]
- - DE 69732488 T2 [0004]