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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von elektrischen
Verbrauchern in einer Druckerei, wobei die steuerbaren Verbraucher
Bedruckstoffe verarbeitenden Maschinen, den Maschinen zugeordneten
peripheren Einrichtungen und zentralen Einrichtungen der Druckerei
zugeordnet sind.
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Aus
der
DE 103 18 541
A1 ist ein Verfahren zur Messung, Dokumentation und Überwachung elektrischer
Parameter von Druckmaschinen bekannt, welches es ermöglicht,
mit Hilfe eines in die Maschinensteuerung integrierten Multifunktionsmoduls
relevante Energieverbrauchsparameter an Druckmaschinen zu erfassen
und auszuwerten, um den Druckmaschinenbetrieb und die Störungsanalyse
zu optimieren.
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In
der
DE 10 2007
026 012 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen
Antrieben mit einem gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis in Maschinen
bekannt, die es ermöglicht, den mittleren Energieverbrauch
in Abhängigkeit von Bewegungsprofilen vorauszuberechnen,
um mit Hilfe von Energiespeichern und Steuerungselektronik im Gleichstromzwischenkreis
nicht benötigte Leistung zu absorbieren und bei Lastspitzen
wieder abzugeben mit dem Ziel, die Leistungsaufnahme der Maschine
zu vergleichmäßigen. Bekannter Stand der Technik
ist es weiterhin, die einzelnen Energieverbraucher an Druckmaschinen
(Antrieb, Luftversorgung, Trockner, Beistellgeräte, etc.)
jeweils für sich separat zu steuern oder regeln. Durch
das unkoordinierte Ein- und Ausschalten der Verbraucher kommt es
dazu, dass eine stark wechselnde Anzahl von Verbrauchern gleichzeitig
aktiv ist. Zum Beispiel benötigt eine Druckmaschine beim
Anlauf maximale Leistung. Wenn dazu noch Kompressoren einschalten
und Kühlgeräte laufen, ist dies nachteilig, da
die Einspeiseleistung auf Maximalwerte ausgelegt werden muss und
die aus dem Netz bezogene Spitzenleistung mit hohen Kosten verbunden
ist.
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Andererseits
gibt es Betriebszustände (z. B. Bremsen einer Druckmaschine),
in denen überschüssige elektrische Energie in
Bremswiderständen „verheizt” wird, während
zeitflexibel arbeitende Verbraucher, z. B. Kompressoren, gerade
ausgeschaltet sind.
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Nachteilig
an den bekannten Lösungen ist, dass lediglich der Leistungsbedarf
einzelner Maschinen überwacht und beeinflusst wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Energiemanagement
insbesondere von Bedruckstoffe verarbeitenden Maschinen zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Energiemanagementsystem nutzt
die Tatsache, dass es bei den elektrischen Verbrauchern zwei unterschiedliche
Gruppen mit unterschiedlicher Betriebsweise gibt. Eine erste Gruppe
elektrischer Verbraucher ist den peripheren und zentralen Einrichtungen
zugeordnet, die im Wesentlichen der Medienversorgung der die Bedruckstoffe
verarbeitenden Maschinen oder der Klimatisierung der Produktionsräume
dienen. Derartige Einrichtungen, wie Druckluftversorgung, Kühlwasserkreisläufe,
Klimaanlagen sind in aller Regel mit Medienspeichern ausgestattet,
die einen gewissen zeitflexiblen Betrieb der entsprechenden Kompressoren, Verdichter,
Pumpen usw. ermöglichen. Die zweite Gruppe wird von Verbrauchern
gebildet, die an den Produktionsprozessen zum Bedrucken oder Verarbeiten
der Bedruckstoffe unmittelbar beteiligt sind und deshalb zeitlich
exakt determiniert oder zumindest innerhalb bestimmter Zeitintervalle
eingeschränkt zeitflexibel in einer vorgegebenen Art und Weise
betrieben werden müssen. Dazu gehören beispielsweise
Antriebsmotoren für Druckmaschinen, die für die
Erzielung einer gewünschten Maschinendrehzahl und Produktionsgeschwindigkeit
benötigt werden, Medienpumpen für die Druckfarben
oder deren Temperierung zur Aufrechterhaltung geeigneter Druckbedingungen
oder Trockner für die schnelle Trocknung der aufgedruckten
Farben zur Vermeidung des Abschmierens der Druckbilder auf den die Druckwerke
durchlaufenden Bedruckstoffen.
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Durch
die Einführung eines zentralen verbraucherübergreifenden
Energiemanagementsystems werden die zeitflexibel steuerbaren Energieverbraucher
der Bedruckstoffe verarbeitenden Maschinen oder auch mehrerer Maschinen
und die Verbraucher der den Maschinen zugeordneten peripheren Einrichtungen
an den Maschinen und in der Druckerei in Abhängigkeit vom
Betriebszustand der den Verarbeitungsprozess unmittelbar beeinflussenden
nicht zeitflexibel steuerbaren Verbraucher insbesondere mit hohem
und wechselndem Leistungsbedarf in ihrer Betriebsweise so koordiniert,
dass Leistungsbedarfsspitzen auf ein im Vergleich zum nicht koordinierten
Betrieb der Verbraucher niedrigeres Niveau abgesenkt werden. Dazu
werden zunächst die Leistungsaufnahmen der Verbraucher
und deren Abhängigkeiten erfasst und danach zeitflexibel
steuerbare erste Verbraucher mit anpassbaren Einschaltprioritäten
in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf nicht oder eingeschränkt
zeitflexibel steuerbarer zweiter Verbraucher der Bedruckstoffe verarbeitenden
Maschinen so betrieben, dass bei hohem Leistungsbedarf der zweiten
Verbraucher die Leistungsaufnahme der ersten Verbraucher eingeschränkt
oder zeitlich verlagert wird, so dass Maxima der Gesamtleistungsaufnahme
im Vergleich zu einem nicht koordinierten Betrieb der Verbraucher
reduziert werden. Bei geringem Leistungsbedarf der zeitlich determinierten
Verbraucher oder zur Nutzung überschüssiger Energie
werden die ersten Verbraucher dagegen ohne Einschränkung
zugeschaltet.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass mit einem zentralen Energiemanagement
die Durchführung der Kernprozesse (Bedruckstoffverarbeitung)
uneingeschränkt gewährleistet bleibt, während
durch eine intelligente Steuerung der ”Nebenverbraucher” der
Gesamtenergieverbrauch einer Druckerei verringert, die Leistungsaufnahme
vergleichmäßigt und somit die notwendige Anschlussleistung
für die Druckerei herabgesetzt wird.
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Damit
können sowohl Investitions- als auch laufende Betriebskosten
reduziert werden. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der
bekannten Lösung zum Energiemanagement in einem Gleichspannungszwischenkreis
besteht in der Maschinen übergreifenden Koordination der
Energieverbraucher einer gesamten Fertigungsstätte, wodurch
sich ein bedeutend größeres Potential zur gegenseitigen
Abstimmung der Einschaltzeiten ergibt. Ein weiterer Vorteil des
vorgeschlagenen Energiemanagements ist darin zu sehen, dass aufgrund
tages- oder jahreszeitlich bedingter Änderungen der Umgebungsbedingungen,
auftragsbedingter Prozessvarianten sowie aufgrund sich verändernder
Ausstattung der Maschinen und Fertigungsstätten die Einschaltprioritäten der
Verbraucher an veränderte Bedingungen anpassbar sind.
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Im
Folgenden soll das erfindungsgemäße Energiemanagement
beispielhaft erläutert werden.
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Bedruckstoff
verarbeitende Maschinen, insbesondere Bogendruckmaschinen, weisen
als Energieverbraucher im wesentlichen Antriebsmotoren für den
Bedruckstoff- oder Medientransport oder Trockner auf. Den Maschinen
sind periphere Einrichtungen, z. B. zur Medienbereitstellung oder
-temperierung zugeordnet, die Kompressoren, Heizer/Kühler oder
Pumpen enthalten. Weiterhin sind in einer Druckerei zentrale Einrichtungen,
beispielsweise Klimaanlagen mit Ventilatoren, Kühlmittelkompressoren oder
Heizelementen vorhanden. Für die erfindungsgemäße
Lösung werden nun die Steuerungen bzw. Regelungen zumindest
aller wesentlichen Stromverbraucher in den Bedruckstoff verarbeitenden
Maschinen und den peripheren Einrichtungen mit einem übergeordneten
Energiemanagementmodul zu einem Energiemanagementsystem verbunden.
Vorteilhafterweise sind zur Vereinfachung der Signalverarbeitung
und -übertragung zusätzlich untergeordnete Energiemanagementmodule
in die einzelnen Maschinensteuerungen implementiert, welche mit
den Steuerungen der Energieverbraucher der jeweiligen Maschinen
in Verbindung stehen.
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Die
Aufgabe des Energiemanagementsystems ist es, die Betriebsweise der
Verbraucher der Maschinen mit den Verbrauchern der anderen Maschinen
und mit den Verbrauchern der peripheren und zentralen Einrichtungen
so zu koordinieren, dass
- a) die Leistungsaufnahme
der Maschine insgesamt verringert wird (Energieeffizienz),
- b) die Gesamtleistung möglichst wenig Leistungsspitzen
enthält (Vergleichmäßigung),
- c) gewarnt wird, wenn eine bestimmte Leistungsaufnahme überschritten
wird (Optimierung des Energiebezugs), und
- d) in bestimmten Betriebssituationen entstehende überschüssige
Energie möglichst von anderen Aggregaten in oder neben
der Maschine verbraucht wird.
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Grundlage
für ein Energiemanagement bildet die Erfassung des Energiebedarfs
der einbezogenen Verbraucher und deren Abhängigkeit von
der Aktivität anderer Verbraucher, von Produktions- oder Umgebungsbedingungen
bzw. von auftragsbedingten Maschinenkonfigurationen, die dann als
Randbedingungen bei der mittels Energiemanagementsystem erfolgten
Steuerung der Verbraucher zu berücksichtigen sind. Das
Aufzeichnen des realen Energiebedarfs ermöglicht auch Optimierungen
bei der Auslegung von Maschinen sowie bei der Projektierung der
Anschlussleistung einer Druckerei.
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Das
Energiemanagementmodul (Energiemanager) überwacht dazu
die Leistungsaufnahme der nicht flexibel steuerbaren zweiten Verbraucher, insbesondere
Hauptantriebe, und steuert in Abhängigkeit davon zeitlich
nicht determinierte Verbraucher, z. B. Luftversorgungsanlagen, Klimaanlagen oder
Wärmepumpen zur Rückgewinnung der Abwärme,
so, dass die oben genannten Ziele erreicht werden.
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Ein
grundsätzliches Element des Energiemanagements besteht
darin, dass die genannten zeitflexiblen ersten Verbraucher zugeschaltet
werden, wenn zweite Verbraucher, insbesondere Hauptantriebe der
Maschinen, mit geringer Leistung betrieben werden.
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Durch
die Kopplungsmöglichkeit zu peripheren Systemen kann eine
Druckerei ihren Gesamtenergieverbrauch optimieren, wenn periphere
Geräte wie Klimatisierung, Wärmepumpen zur Rückgewinnung
der Abwärme o. ä. gezielt dann zugeschaltet werden,
wenn große Verbraucher wie Hauptantriebe von Druckmaschinen
gerade stehen (z. B. wegen Auftragswechsel o. ä.).
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Ein
weiteres Element beinhaltet, dass beim Bremsen der zweiten Verbraucher
frei werdende Energie ersten Verbrauchern zugeführt wird.
Dies kann erfolgen, indem Gleichspannungszwischenkreise von zweiten
Verbrauchern mit Gleichspannungszwischenkreisen von ersten Verbrauchern,
insbesondere Hilfsantrieben der Maschinen oder Antrieben der peripheren
Einrichtungen für die Medienversorgung der Maschinen, gekoppelt
werden und beim Bremsen der zweiten Verbraucher frei werdende Energie in
die Gleichspannungszwischenkreise der zugeschalteten ersten Verbraucher
geleitet wird. So kann bei einer Maschine mit Drehstromantrieb,
z. B. der Gleichspannungszwischenkreis des Hauptantriebs, über
eine Diode mit dem Zwischenkreis der Luftversorgung gekoppelt werden,
so dass beim Abbremsen der Maschine entstehende Energie in den Zwischenkreis
der Kompressoren geleitet wird. Werden die Kompressoren, Trockner
oder andere Verbraucher nun gezielt zugeschaltet, wenn überschüssige
Energie zu verbrauchen ist, kann das „Verheizen” in
einem Bremswiderstand vermieden werden. Neben der direkten Energieeinsparung
wird auch die Wärmeabgabe in die Druckerei vermindert und
damit die Klimatisierung der Druckerei entlastet, was indirekt Kosten
spart.
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Eine
Frequenzumrichtersteuerung der Kompressoren (anstelle von Ventilen
bzw. Bypass) verringert den Energieverbrauch bei der Lufterzeugung
zusätzlich. Eine Druck- bzw. Saugluft abhängige
Drehzahlsteuerung vergleichmäßigt die Leistungsaufnahme.
Auch lässt sich das Druckniveau der Luftversorgung dem
aktuellen Maschinenzustand anpassen, so dass nur jeweils das im
Moment wirklich benötigte Druckniveau bereitgestellt wird
(Energieeffizienz).
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Luftspeicherkessel
der Maschinen und Einrichtungen können im Rahmen des Energiemanagements
vorteilhaft als Energiespeicher genutzt werden, wobei das Druckniveau
der Luftspeicher erhöht wird, wenn überschüssige
Energie, insbesondere die Bremsenergie elektrischer Hauptantriebe,
zu verbrauchen ist.
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Bei
kurzzeitigem Leistungsüberschuss an der Maschine (z. B.
Bremsen) kann der Druck im Speicherkessel kurzzeitig erhöht
werden (Vermeidung von ”Verheizen” der Energie). Über
Regelventile kann der Druck an den einzelnen Verbrauchern dann konstant
gehalten werden.
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Weiterhin
kann über eine Prioritätensteuerung eine zeitliche
Staffelung der ersten und/oder zweiten Verbraucher beim Anlaufen
erreicht werden, wobei sich beispielsweise das Kühlgerät
für Farb- oder Feuchtwerke von Druckmaschinen, die Feuchtmittelaufbereitung,
die Kompressoren oder andere zyklisch arbeitende Verbraucher nacheinander
und nicht gleichzeitig zuschalten.
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Dabei
kann die zur Verfügung stehende Leistung immer den Verbrauchern
zugewiesen werden, die sie momentan am dringendsten benötigen.
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Durch
die zeitliche Staffelung beim Anlaufen peripherer Einrichtungen
mit Hilfe von Einschaltprioritäten (z. B. Hochlaufkurven
der Lufterzeuger), können Leistungsspitzen im Verbrauch
vermindert werden.
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Ein
weiteres Element des Energiemanagements besteht darin, bei Überschreitung
des vorgebbaren maximalen Leistungsbedarfs der zweiten Verbraucher
der Bedruckstoffe verarbeitenden Maschinen erste Verbraucher temporär
abzuschalten und/oder die zweiten Verbraucher leistungsgedrosselt
zu betreiben, bis der Leistungsbedarf der zweiten Verbraucher bzw.
der Maschinen die vorgegebene maximale Leistungsaufnahme wieder
unterschreitet.
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Alternativ
kann vorgesehen werden, bei Überschreiten der vom Energieversorgungsunternehmen
festgelegten Maximalleistung der Druckerei eine Warnung bzw. einen
Hinweis auszugeben, die Maschine langsamer zu fahren, bestimmte
Verbraucher abzuschalten, oder die Leistungsaufnahme der Verbraucher
automatisch zu reduzieren.
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Die
Optimierung der Gesamtenergieabnahme der Druckerei durch ein Energiemanagementsystem
wird dann besonders effektiv, wenn die zur Verfügung stehende
Leistung den Verbrauchern nach Prioritäten zugeteilt wird:
Jeder
Verbraucher bekommt aktuell eine (flexible) Priorität zugewiesen,
nach der er dem Netz Leistung entnehmen darf, z. B. wenn eine Maschine
gerade einen Auftragswechsel durchführt und wenig Leistung benötigt,
wird die Wärmepumpe bzw. Klimatisierung der Druckerei bzw.
des Büros zugeschaltet.
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Wenn
es in Büroräumen sehr warm ist, bekommt die Klimatisierung
eine höhere Priorität und schaltet zu, dafür
wird beispielsweise die Warmwasserbereitung gestoppt.
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Besonders
zweckmäßig könnte ein Energiemanagement
bei zeitlich flexiblen Energietarifen werden, der Strompreis also
vom aktuellen Angebot und Nachfrage abhängt.
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Dann
kann ein Produktionsplanungssystem Aufträge, die viel Energie
erfordern (z. B. Trocknerleistung bei UV-Farbe oder hohe Farbdichte,
Karton mit hoher Blasleistung) in Zeitfenster mit niedrigeren Energiekosten
verschieben und Aufträge, die weniger Energie benötigen
(weniger Farbe, geringere Druckgeschwindigkeiten) abarbeiten, wenn
der Strompreis höher ist.
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Im
Zusammenhang mit Gleichstromzwischenkreisen ist der Einsatz von
aktiven rückspeisefähigen Einheiten zur Kompensation
von Blindstromanteilen und Netzoberschwingungen interessant.
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Ein
aktiv rückspeisefähiges Netzgerät wird dazu
mit dem Spannungszwischenkreis einer Druckmaschine verbunden. Wenn
die Maschine bremst, wird Energie ins Netz zurückgespeist
zur Vermeidung des ”Verheizens” von Energie in
Ballastwiderständen. In Betriebszuständen, in
denen die Maschine besonders viel Energie benötigt (z.
B. Anlauf), speist die Netzeinheit zusätzlich zum Gleichrichter Energie
in den Zwischenkreis. Ein positiver Nebeneffekt besteht darin, dass
der ungeregelte Gleichrichter dadurch kleiner ausgelegt werden kann.
Während die Maschine mit konstanter Geschwindigkeit im
Normalbetrieb arbeitet, kompensiert der Netzregler nunmehr Blindstrom
und Oberwellen am Einspeisepunkt der Druckmaschine oder der Druckerei.
Damit kann der Oberschwingungsanteil und Blindleistungsbedarf der
Maschine oder auch anderer Verbraucher (ungeregelte Einspeisungen
von Antrieben, Gleichstromantriebe, sonstige Maschinen, Bürogeräte)
ausgeglichen werden, wodurch die Netzqualität im gesamten Betrieb
steigt und die Kosten für die Druckerei sinken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10318541
A1 [0002]
- - DE 102007026012 A1 [0003]