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Messtechnik senkt Energiekosten bei der Kunststoffverarbeitung

Abbildung eines Kunststoff-Extruders mit Messtechnik von Janitza

Bild 01: Beim Extrudieren und Tiefziehen von thermoverformbaren Kunststoffen ist eine ausreichende Kühlung für die Qualität von entscheidender Bedeutung (Quelle: Janitza)

Beim Extrudieren und Tiefziehen von thermoverformbaren Kunststoffen kann eine unzureichende Kühlung ganze Chargen unbrauchbar machen. Deswegen wird oft stärker gekühlt als nötig, um Produktionsverluste zu vermeiden. Die steigenden Kosten für die Kälteerzeugung lassen sich jedoch drastisch senken, wenn die Prozesstemperaturen an den kritischen Stellen erfasst und die Messdaten richtig interpretiert werden. Mit der passenden Kombination aus Messtechnik und automatisierter Auswertung kann man die Kosten um über 20 % senken, wie die Hard- und Softwarelösung von Janitza zeigt.

Seit ihrer Gründung 1958 hat sich die Dr. Ing. Kaupert GmbH & Co. KG [1] zu einem der führenden deutschen Hersteller von Formverpackungen für Süßwaren, Gebäck, Schokolade etc. entwickelt. Die Blister und Trays bestehen aus PP (Polypropylen), Apet (amorphes Polyethylenterephthalat) oder anderen, thermoverformbaren Kunststoffen. Diese Monofolien sind, im Gegensatz zu Mehrschichtfolien beispielsweise für Fleisch, sehr dünn – in der Regel zwischen 350 µm und 500 µm; bestimmte PET-Formen kommen sogar mit nur 150 µm Foliendicke aus.

Die Herstellung erfolgt in zwei Schritten: Zunächst wird aus Kunststoffgranulat in einem Extruder eine Folie erzeugt. Diese wird als Rollenware gelagert und nach Bedarf einer Tiefziehmaschine zugeführt, in der die fertigen Trays entstehen. Bei beiden Prozessen wird das Ausgangsmaterial zunächst erhitzt und dann sehr rasch und gleichmäßig gekühlt, damit keine Spannungen im Material entstehen (Bild 1). Ein unzureichend gekühlter Extruder hätte bei der Folie kostspielige Folgen. Da Heizung und Kühlung systembedingt eine gewisse Trägheit aufweisen und nur wenige, lokal ab­lesbare Temperaturanzeigen an den Kältemaschinen zur ­Verfügung standen, wurde die Produktion stets mit einem Sicherheitsaufschlag gefahren.

Abbildung eines Freikühlers von Janitza

Bild 02: Der neue Freikühler versorgt die Zisterne unter den ­Silos mit Kaltwasser (Quelle: Janitza)

Abbildung eines Freikühlers von Janitza

Bild 03: Dr.-Ing. Norbert Feck mit dem neuen Freikühler auf dem Hallendach (Quelle: Janitza)

Abbildung eines Durchflussmesser mit Temperaturfühler von Janitza

Bild 04: Durchflussmesser mit Temperaturfühlern erfassen die Kaltwassermengen und sind über den Modbus mit der Visualisierung verbunden (Quelle: Janitza)

Abbildung des UMG 96RM-E von Janitza

Bild 05: Das kompakte UMG 96RM-E erfasst die Messdaten ­eines Verbrauchers und dient als Gateway für die Visualisierung aller Verbraucher (Quelle: Janitza)

Einsparpotenziale Stück für Stück erfasst

Steigende Energiekosten verlangten mittelfristig einen Strategiewechsel in der Kälteerzeugung. Dipl.-Ing. Wolfgang Ermert, Geschäftsführer bei Kaupert, beauftragte deshalb die Econius GmbH [2] als unabhängiger Berater die Effi­zienz der Kaltwasserversorgung zu analysieren, ein Optimierungskonzept zu erstellen und dessen Umsetzung einschließlich der erforderlichen Ausschreibungen zu begleiten.

Ein zentrales Element der Kälteerzeugung bei Kaupert ist eine Zisterne mit einem Volumen von 200 m³ (Bild 2). Dank ihrer Größe kann der Betrieb selbst bei einem Ausfall der Kühlung je nach Auslastung mehrere Stunden bis zu einem vollen Tag aufrechterhalten werden. Als Kühlmedium dient gewöhnliches Wasser ohne Zusätze. Für die aktive Kühlung sorgten vor dem Umbau ausschließlich drei ­Käl­temaschinen. W. Ermert: „Das ganze Konzept, mit der ­Zisterne als riesigem Kältepuffer, war komplett auf Sicherheit ausgelegt. Diese haben wir jedoch mit sehr viel Energie erkauft.“ Lange Zeit war diese Strategie sinnvoll und wirtschaftlich, denn Energie war billig. Dafür war Messtechnik kostspielig, zumal die Auswertung nur durch ständige ­Kontrollgänge und manuell auszufüllende Tabellen möglich ­gewesen wäre. Heute kann der Produktionsleiter vom Schreibtisch aus die Fertigung in allen Details überwachen. Geplant war dies allerdings nicht; die nötige Infrastruktur war eher das Nebenprodukt einer optimierten Kälteerzeugung, bringt aber enorme zusätzliche Vorteile.

Erste Maßnahmen: Freikühler und regelbare Pumpen

Dr.-Ing. Norbert Feck von der Econius GmbH (Bild 3) ­installierte zunächst für mehrere Monate die firmeneigenen Messgeräte, um sich einen Überblick zu verschaffen. So ­wurden Leistungen und Temperaturen in einem Fünf-­Minuten-Raster erfasst und ausgewertet. Am Ende der ­Analyse lagen Ganglinien aller relevanten Größen vor, ­insbesondere der elektrischen Leistungen von Produktionsanlagen, Kältemaschinen, Kühlwasserpumpen sowie synchrone Aufzeichnung der Prozess- und Außentemperaturen.

Auf Basis der Messungen beschlossen Econius und ­Kaupert zunächst, das Kaltwassersystem mit einem Frei­kühler und regelbaren Pumpen auszurüsten. Dazu N. Feck: „Wir haben das Potenzial des Freikühlers mit verschiedenen Wetterdaten simuliert und kamen auf eine Energieein­sparung von 66 % und 50 % der Kosten für die Kälteerzeugung.“ Ein enormer Wert, aber die Prognosen erwiesen sich als korrekt. An einem kalten Tag benötigt der Freikühler gerade einmal 3 kW für die Ventilatoren und erzeugt damit über 360 kW Kälte. Bei Außentemperaturen unter 11 °C kann er die gesamte Kälteleistung bereitstellen. Er funktioniert aber auch in der warmen Jahreszeit. „Bis 19 °C Außentemperatur können wir vorkühlen, das heißt im Sommer fast jede Nacht. Econius hat sehr gut und konservativ ­berechnet, dass sich die Investition innerhalb von weniger als drei Jahren amortisiert“, beschreibt W. Ermert die gemachten Erfahrungen.

Abbildung der Netzvisualisierungssoftware Grivis von Janitza

Bild 6: Die Netzvisualisierungssoftware Grivis von Janitza­ ­informiert jederzeit über den Zustand der Anlage (Quelle: Janitza)

Parallel dazu wurde auch die Pumpensteuerung verbessert. Die überwiegend eingesetzten Überströmventile kosteten nicht nur viel Strom, weil die Pumpe durchgehend mit Volllast läuft, der Zulauf von Kaltwasser verursacht auch unnötige Verwirbelungen in der Zisterne. Besser sind definierte kalte und warme Zonen, die sich bei einer höheren Rücklauftemperatur und einem geringeren Durchfluss ausbilden können. Auch der Freikühler arbeitet mit höheren Temperaturdifferenzen effizienter. Da jetzt die Anteile von Kühlaggregaten und Freikühler an der Kälteerzeugung ­variabel gehalten werden können, ist Kaupert in der Lage die wirtschaftlichen Vorteile der Technik voll auszuschöpfen, ohne die Betriebssicherheit zu gefährden.

Unerwartete Einsparpotenziale werden erschlossen

Eigentlich waren mit dem beschriebenen Umbau die geplanten Energiesparmaßnahmen abgeschlossen. Die Effizienz des Freikühlers sollte nur noch mit Kälte- und Stromzählern überprüft werden. Das einfache monatliche Ablesen der ­Werte und Auswerten per Excel-Tabelle sollte bei Abweichungen von der Prognose die Ursachenfindung erleichtern. Für diese Messungen waren während des Umbaus Tauch­hülsen für Temperaturfühler sowie vier Kältemengenzähler installiert worden. Letztere sind als induktiv arbeitende Durchflussmesser mit Temperatursensoren und Rechenwerk ausgeführt (Bild 4).

Bald wurde jedoch klar, dass die Messwerte einen riesigen Mehrwert bieten. Die Idee entstand, die Werte auch online zur Erhöhung der Produktionssicherheit zu nutzen. Hier konnte Econius als Solution Partner von Janitza [3] eine maßgeschneiderte Lösung auf Modbus-Basis anbieten. N. Feck: „Wir haben die Strommessung auf Janitza auf­gebaut, weil wir die Technik und das Preis-Leistungs-­­Ver­hältnis ausgezeichnet finden. Deshalb war das unsere Empfehlung für die Umrüstung. Interessant war auch die Möglichkeit, Fremdfabrikate per Modbus einzubinden.“

In der Tat verfügten die Kältemesser ab Werk über eine entsprechende Schnittstelle; weitere Temperaturfühler ­ließen sich über entsprechende Modbus-Module einbinden. Durch den offenen Standard bleiben Aufbau und Funktion der Anlage übersichtlich. Außerdem sind Erweiterungen einfacher möglich als bei einem proprietären System. Als Messgeräte wurden stromseitig die Janitza-Fabrikate UMG 96RM-CBM sowie UMG 96RM-E, letzteres auch als Ethernet-Gateway, eingesetzt (Bild 5).

Livebild in die Fertigung

Alle Geräte sind auf die Netzvisualisierungssoftware Gridvis (Edition Professional) aufgeschaltet. Damit steht der Produktionsleitung ein völlig neuer Blick auf die gesamte ­Fertigung offen. Die wichtigste Neuerung ist eine Live­­­bild-Übersicht über alle Parameter im Kaltwassersystem einschließlich der Verbraucher. In dem Anlagenschema als ­Hintergrundbild sind alle die Effizienz bestimmenden ­Messgrößen mit ihren Live-Werten abgebildet (Bild 6). Betriebszustandsänderungen und Grenzwertüberschreitungen werden per Farbwechsel angezeigt, sodass diese sofort ins Auge fallen und frühzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Außerdem sind jederzeit spezielle Auswertungen und historische Verläufe abrufbar.

Die Auswirkungen auf den Betriebsalltag sind frappierend. W. Ermert beschreibt ein Beispiel: „Wir hatten vor Jahren einmal ein Problem mit einem verstopften Wärmetauscher. Das ist ein schleichender Prozess, aber irgendwann ist die Leitung blockiert. So einen Fehler findet man nicht so einfach. Mit dem jetzigen System fallen solche Veränderungen auf, bevor sie die Fertigung stören.“ René Mahner, Prokurist und Technischer Leiter bei Kaupert, ergänzt: „Auch der Start nach dem Wochenende kann kritisch sein. Wenn eine Pumpe anläuft, aber aus irgendeinem Grund nur Luft ansaugt, fiel das früher nicht gleich auf. Von außen sieht man das nicht. Im ungünstigsten Fall versagt die Kühlung an einem Extruder, sodass die Folie die beschriebenen Spannungen aufweist. Mit dem Messgerät für Volumenstrom erkennt man so einen Fehler sofort.“

Angesichts der Leistungsfähigkeit der Visualisierung, war der Mehraufwand verblüffend klein. N. Feck musste noch nicht einmal vor Ort sein. „Wir haben bei uns im Büro die IO-Module parametriert und die Anbindung an die Gridvis getestet. Die parametrierten Module haben wir ganz einfach per Post an Kaupert geschickt. Dort hat ein Elektriker alles eingebaut und angeschlossen. Die Anbindung konnte dann ein Kollege per Fernzugriff einrichten“, beschreibt er den Installationsvorgang.

Rantasten an Grenzbereiche

Das Live-Bild mit den auffälligen Anzeigen für Grenzwertüberschreitungen und Änderungen im Betriebszustand ermöglicht eine völlig neue Arbeitsweise. Über Jahrzehnte kam für die Produktionsleitung ein Anheben der Temperaturen nicht infrage. Die Auswirkungen auf den komplexen Prozess waren nicht vorherzusagen und das Risiko ­fehlerhafte Chargen zu produzieren viel zu hoch. Das machte schon den Umbau der Kühlung zur Herausforderung. W. Ermert: „Wie effektiv der Freikühler arbeitet, hängt vom Temperaturniveau an der Maschine ab. Deshalb haben wir uns sehr genau angesehen, bis zu welchen Temperaturen wir gehen können. Früher war eine Vorlauftemperatur von 15 °C die absolute Obergrenze. Wir haben nun gemerkt, dass wir ­höher gehen können.“ Das bringt bares Geld. Allein durch die höheren Systemtemperaturen lassen sich die Kälteerzeugungskosten um ca. 20 % verringern. Dank der Visualisierung ist die Produktionsleitung gern bereit, die Grenzen weiter auszutesten. Dazu R. Mahner: „Wir fahren heute mit höheren Temperaturen, weil wir wissen, dass wir sie tatsächlich halten. Wird ein Wert überschritten, sehen wir dies sofort und können die Ursache schnell einkreisen.“ N. Feck ergänzt: „Wir müssen natürlich auch die optische Anzeige beim Überschreiten von Grenztemperaturen anpassen, wenn wir Systemtemperaturen erhöht haben. Das ist mit der Gridvis aber sehr einfach zu realisieren.“ In der Anpassungsphase ist Econius noch online aufgeschaltet. Die ­Experten können die Prozesse verfolgen und bei Bedarf die Daten in einer eigenen Gridvis prüfen. So lassen sich auch vom Kunden gewünschte Änderungen vorab testen. Änderungen erfolgen anschließend nach Absprache mittels Teamviewer.

Mit der Janitza-Lösung konnte Econius somit nicht nur die jährlichen Kosten der Kaltwasserbereitstellung noch ­stärker reduzieren als vorgesehen, sondern auch die Betriebssicherheit wesentlich verbessern. (no)


Literatur:
[1] Dr. Ing. Kaupert GmbH & Co. KG, Erndtebrück: www.kaupert-online.com
[2] Econius GmbH, Bad Laasphe: www.econius.de
[3] Janitza Electronics GmbH, Lahnau: www.janitza.de


Autor:
Dipl.-Phys. Martin Witzsch, freier Journalist im Auftrag der Janitza Electronics GmbH