Framework for the energy-optimized control of machine tools

Werkzeugmaschinen haben einen großen Anteil am elektrischen Gesamtenergiebedarf der deutschen Industrie. Studien zur Reduktion des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen haben ergeben, dass eine Senkung des Energieverbrauchs nur durch viele Einzelmaßnahmen möglich ist. Die Umsetzung von Einzelmaßnahmen erfolgt nach einer Umfrage des Instituts der deutschen Wirtschaft Köln allerdings heute nur, wenn diese sich kostengünstig realisieren lassen (Mahammadzadeh 2013). An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an, die ein Framework für die energieoptimale Ansteuerung beschreibt, mit dem unterschiedliche steuerungstechnische Einzelmaßnahmen zur Energieoptimierung von Werkzeugmaschinen zur Laufzeit einfach und kostengünstig umgesetzt werden können. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik werden dafür zuerst Konzepte entwickelt, um den energetischen Istzustand der Werkzeugmaschine zu erfassen. Als zweiter Schritt erfolgt dann die Definition von allgemeingültigen Stelleingriffen, mit denen der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Um Einzelmaßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs durch Energieoptimierer durchführen zu können, werden die Schnittstellen der Energieoptimierer definiert sowie Mechanismen entwickelt, um die Energieoptimierer ins Framework einzubinden. Da eine Optimierung heute maßgeblich von Randbedingungen (wie z.B. einer Pausenzeit) abhängt, wird weiterhin ein Konzept zur Parametrierung und Überwachung der Energieoptimierer zur Laufzeit entworfen. Die Parametrierung kann dabei durch ein übergeordnetes Manufacturing Execution System (MES) oder durch den Maschinenbediener über eine Bedienoberfläche erfolgen. Den Abschluss der Arbeit bilden eine Realisierung der Konzepte sowie deren Evaluation. Durch die Evaluierung wird gezeigt, dass eine energieoptimale Ansteuerung durch das in dieser Arbeit entwickelte Framework in Kombination mit einem Energieoptimierer einfach und kostengünstig realisiert werden kann.Machine tools consume a large share of the total energy requirement of the German industry. Studies concerning the reduction of energy consumption have revealed that this is only possible through many individual measures. However, according to a survey of the Institute for German Economy in Cologne, the implementation of these measures is only accomplished today if they can be realized cost-efficiently (Mahammadzadeh 2013). This is the starting point for this thesis, in which a framework for the energy-optimized control is described. This framework allows the easy and inexpensive implementation of various individual control methods for energy optimization of machine tools at runtime. For this purpose, first concepts are developed, based on the scientific and technical state of the art, for recording the actual energetic state of the machine tool. A second step is the definition of generally applicable control actions for reducing the energy consumption. For performing individual measures for reducing the energy consumption by means of energy optimizers, their interfaces were defined as well as mechanisms developed for the integration of these into the framework. Since optimization today mainly depends on the boundary conditions (e.g. break times), another concept has been developed for parameterizing and monitoring of the energy optimizers at runtime. Here, parameterization can be done by a higher-level Manufacturing Execution System (MES) or by the machine operator via a user surface. The thesis concludes with a realization of the concepts and their evaluation. The evaluation shows that, in combination with an energy optimizer, an energy-optimized control can be easily and cost-efficiently implemented through the framework

Proceedings of the 24th International Conference on Flexible Automation & Intelligent Manufacturing; FAIM 2014

Paper presented at the Proceedings of the 24th International Conference on Flexible Automation & Intelligent Manufacturing, held May 20-23, 2014 in San Antonio, Texas, and organized by the Center for Advanced Manufacturing and Lean Systems, University of Texas at San Antonio; Includes bibliographical references; Current control systems are limited from a technical viewpoint in areas such as scalability, start-up and reconfiguration time and computational complexity for algorithms. These limitations call for a new concept for control systems to address current and future requirements. It has been suggested that the physical location of the control system be moved from that of the machine to a cloud, i.e. Control System as a service (CSaaS). In this way, the control system becomes scalable and can handle highly complex computational tasks while keeping the process know-hows. Utilizing capabilities of modern Wide Area Network (WAN) and Local Area Network (LAN) the control system can be connected with the rest of the machine, e.g. drives, sensors, devices and HMI. This approach, however, presents new challenges, i.e. the requirement for integration of network, cloud computing and control system expertise. This paper will focus on the requirements of the communication for a cloud based control system

ECOMATION - Energieeffiziente Steuerung von Werkzeugmaschinen

Aktuelle Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen beschränken sich maßgeblich auf die Verbesserung oder den Austausch von Einzelkomponenten. Hiermit kann zwar der Energiebedarf bereits gesenkt werden, jedoch liegt dieser noch deutlich über dem technisch möglichen Wert. Zum einen muss die Flexibilität der Werkzeugmaschine bezüglich der Prozessfähigkeit erhalten bleiben, so dass nur eine nutzungsübergreifen Optimierung erfolgen kann. Zum anderen wird nicht das Gesamtsystem optimiert, so dass hier noch Einsparpotentiale ungenutzt bleiben. Im Rahmen der DFG Forschergruppe ECOMATION wird untersucht, ob auf Basis regelungs- und betriebstechnischer Maßnahmen der Energiebedarf von bestehenden Werkzeugmaschinen gesenkt und das Wissen in den Entwurf neuer Maschinen übernommen werden kann. Dazu werden Modelle zur Energieverbrauchsvorhersage und eine Beschreibungssprache zur rechnergestützten Nutzung dieser Modelle entwickelt

Steuern aus der Cloud

Heute existierende Maschinen- und Anlagensteuerungen stoßen in einigen Bereichen an ihre Grenzen - gerade wenn Anforderungen wie Skalierbarkeit, schnelle Rekonfiguration der Anlage und steigende Komplexität der Algorithmen relevant sind. Steuern aus der Cloud heraus ist ein Konzept, mit dem sich diese Grenzen überwinden ließen

Multi-level Energy Demand Optimizer System for Machine Tool Controls

The need to increase resource and energy efficiency for a sustainable production has led to saving potential analyses and afterwards saving strategies in a multitude of disciplines: product design, supply chain management, process chain design, production process development, energy-optimal machine or component control and even machine tool and component design. Each of those strategies resulted in numerous improvements, however, they still lack reciprocal consideration. To overcome this deficit, a machine-independent energy control system to include any control- or operation-based energy optimizer will be introduced in this paper. It is based on real-time control information from the machine and software-based energy demand optimizers targeting the machining process, the machine tool components control as well as the overlaying production process. The control system itself ensures the correct cooperative operation of the three optimizer types, to enable the much needed reciprocal consideration of the optimizer's effects