Vorstudie zur energetischen Modellierung automatischer ... · Vorstudie zur energetischen Modellierung automatischer Parksysteme 599 -breite und -anzahl sowie der Fördermitteltechnik

Simulation in Production and Logistics 2015 Markus Rabe & Uwe Clausen (eds.) Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2015

Vorstudie zur energetischen Modellierung automatischer Parksysteme

Preliminary Study for Energetic Modelling of Automated Parking Systems

Katrin Sinha, Bernd Künne, TU Dortmund, Dortmund (Germany), [email protected], [email protected]

Abstract: In view of decreasing fossil fuel, energy efficiency is one of the most important keys to all industry sectors. By contrast, the number of cars utilised all over the world is increasing which leads to a growing stationary traffic. From this it follows a demand to develop a system creating more parking spaces. An automated parking system provides the reduction of space requirements concerning conventional car parks. In this case, the parking space is doubled at the same cubature. The aim of the project is the analysis of the energy consumption of automated parking systems and the improvement of the energy efficiency. In this case different simulation models of automated parking systems are going to be developed. The bases of these models are theoretical backgrounds of the propulsion technology and the system architecture of available parking systems. This paper demonstrates the results of the simulation preliminary study.

1 Einleitung Neben regenerativen Energien, angepassten Netzstrukturen und Elektromobilität übernimmt die Steigerung der Energieeffizienz eine wichtige Rolle bei der erfolgrei-chen Umsetzung der Energiewende (Stadt Dortmund Umweltamt 2011). Stetig stei-gender Energiekonsum, bedingt durch den hohen Automatisierungsgrad heutiger Prozesse, erzwingt eine Effektivitätssteigerung von Anlagen und Maschinen. Ener-gieeffiziente Anlagen und Produkte haben im Hinblick auf eine nachhaltige Energie-versorgung daher eine große ökonomische und ökologische Bedeutung.

Steigender Individualverkehr und die dazugehörige Unterbringung des ruhenden Verkehrs sind ein immer größeres Problem. Untersuchungen zeigen, dass in Spitzen-zeiten Parksuchverkehre bis zu 80% des Verkehrsaufkommens verursachen (BAGMG 1990). Park-Such-Situationen sind mit Stausituationen gleichzusetzen. Verglichen mit dem fließenden Verkehr werden hier drei- bis fünfmal so viel Schad-stoffe produziert (Fittinghoff 2001). Die Forderung nach mehr Stellplätzen ist dem-nach nicht nur eine ökonomische, sondern auch eine ökologische Lösung. Dadurch

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meter nur unzureichend analysiert und deren Einfluss auf den Energiebedarf wenig erforscht. Auch die unterschiedlichen Förderaggregate (Regalbediengeräte (RBG), Shuttle-Lift-System (SLS)), Stellplatzanordnungen (Turm- oder Gassensysteme) und Systemvarianten (mit und ohne Ladehilfsmittel (LHM)) sind bislang noch nicht im Bezug auf den Energiebedarf vergleichend gegenübergestellt worden.

Seit einigen Jahren wird eine Kombination aus automatischem Park- und Lagersys-tem, in Form multifunktionaler Park- und Lagersysteme, diskutiert (Kuhn 2004). Im Hinblick auf ein steigendes Verkehrsaufkommen bietet die zeitgleiche oder versetzte Mehrfachnutzung logistischer Systeme zur Lagerung von Pkw und Waren eine Möglichkeit mit hoher Flexibilität und multipler Funktion in innerstädtischen Berei-chen und Ballungsgebieten, dezentralen Park- und Lagerraum zu schaffen. Im Rah-men eines Verbundprojektes wurde vom Fachgebiet Maschinenelemente (FG ME) gemeinsam mit Industrie- und Hochschulpartnern ein neuartiges multifunktionales APS in Containerbauweise entwickelt (Abb. 1).

2.2 Simulation in der Logistik

Der Einsatzbereich von Simulation in der Logistik ist vielfältig. Ein Indikator für den Einsatz der Simulation in diesem Bereich ist u. a. die Zeitanhängigkeit der dort betrachteten Systeme. Eine detaillierte Übersicht, die unterschiedliche Simulations-ansätze in logistischen Systemen zeigt, geben Blecker et al. (2014) in Innovative Methods in Logistics and Supply Chain Management.

Ein wichtiges Ziel in der aktuellen logistischen Forschungslandschaft sind u. a. Maßnahmen zum Umweltschutz. Beispielsweise erfolgt die Erfassung von CO2-Parametern im Kontext der Green Supply Chain (Rabe et al. 2012). Aber auch die Steigerung der Energieeffizienz intralogistischer Anlagen wird erforscht. Die ener-getische Optimierung eines Kleinteilelagers ist im Forschungsprojekt Eneff Lager - Energieeffiziente Lagerstrategien und Lastverteilung vorgenommen worden (Zadek 2014). Die Verwendung der Simulation als Analysetool ist hierbei gängige Praxis. Forschungsarbeiten beziehen sich auf den Aufbau und die Simulation von Modellen, die Ergebnisse geben z. B. Aufschluss über das Potenzial von Leichtbau-Werkstof-fen in RBG (Günthner et al. 2011) oder spiegeln den Einfluss kinematischer Parame-ter auf den Energiebedarf von RBG in Kleinteilelagern wider (Schulz et al. 2012).

Jedes intralogistische System verfügt über elektrische Antriebe. Im Zusammenhang einer Energieeffizienzanalyse von Antriebskomponenten kann die Simulation An-wendung für die Bewertung von elektrischen Antrieben finden, und energieexakte Simulationsmodelle können aufgebaut werden (Blank und Roth-Stielow 2011).

Vermehrt findet die Simulation nun auch im Kontext mit APS Anwendung. Die Mo-dellierung eines APS nahm Schrepfer (2000) vor und untersuchte diese u. a. hin-sichtlich der logistischen Kapazität. Weiterhin sind Vorarbeiten aus der Forschung bekannt, die das Ein- und Ausfahrtverhalten der Kunden modellieren, damit Rück-stauungen auf öffentliche Verkehrswege vermieden werden (Bernhard und Fen-der 2003). Die Untersuchung alternativer Fördermitteltechnik in APS erforschte Eller (2010). Das Ziel dieser Arbeit ist, die Reduktion des Lastpendelns beim Ein-satz von Kranen als Fördermittel in APS zu erreichen, dafür werden unterschiedliche Steuerungsstrategien von Krananlagen simuliert.

Die energetische Optimierung von APS ist bislang nicht wissenschaftlich untersucht worden. Dementsprechend fehlen Ansätze sowie quantitative belegbare Aussagen.

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Die vorliegenden Forschungsarbeiten dienen dazu, die Forschungslücke zu schließen und ein Simulationsmodell aufzubauen, um den Energiebedarf unterschiedlicher APS-Systemvarianten sowie mögliche Energieeinsparpotentiale aufzuzeigen.

3 Vorstudien für den Simulationsaufbau Für den Aufbau eines Simulationsmodells, das den Energiebedarf von APS abbildet, ist eine Systemanalyse zwingend erforderlich. Im Zuge der Forschungsarbeiten wer-den APS der Kategorie Parkregale mit feststehenden Regalen unter Variation ver-schiedener Fördermittel einer Energieeffizienzanalyse unterzogen. Deswegen wird an dieser Stelle für eine detaillierte Beschreibung anderer Parksystemvarianten auf die Literatur verwiesen (Fittinghoff 2011; Irmscher et al. 2013; Kirchmann 1993).

Um die energetische Optimierung von APS zu erreichen, müssen die Einflussgrößen auf den Energiebedarf bekannt sein. Entsprechend erfolgt vorab eine Systemanalyse, die sowohl den allgemeinen Aufbau als auch die Funktionsweise von APS umfasst.

3.1 Allgemeiner Aufbau und Funktionsweise von APS

APS sind in der VDI-Richtlinie 4466 definiert als „Systeme mit fördertechnischen Einrichtungen, die in einer Übergabekabine ein dort geparktes Fahrzeug aufnehmen und automatisch zu einem Lagerfach (Stellplatz) transportieren, um es dort einzula-gern. Nach einer variablen Lagerzeit (Parkzeit) wird das Fahrzeug auf Anforderung vom Stellplatz automatisch ausgelagert und in eine Übergabekabine befördert, wo es dem Benutzer wieder zur Verfügung steht“. Der allgemeine Aufbau und die Funk-tionsweise von APS entsprechen grundlegend dem Aufbau eines in der Intralogistik etablierten automatischen Hochregallagers.

Der Parkvorgang endet aus des Nutzers Sicht in einem APS nach Abgabe des Fahr-zeuges in der Übergabestation. Systemseitig jedoch beginnt nun der eigentliche Parkprozess. Es folgt der automatische Pkw-Transport durch den Einsatz entspre-chender Fördermitteltechnik zu einem freien Stellplatz. Nach Beendigung der Park-dauer kann das Fahrzeug in der Übergabezone durch den Nutzer abgerufen werden. Nach Transport zur Nutzerschnittstelle ist der Vorgang aus System- und Betreiber-sicht abgeschlossen. Der Pkw ist wieder im Verantwortungsbereich des Nutzers.

3.2 Ergebnisse der energetischen Parameterstudie

Parameter, die Einfluss auf den Energiebedarf von APS haben, sind in allgemeingül-tige, energetische Parameter der Antriebskomponenten und systemspezifische Para-meter zu gliedern. Allgemeingültige Einflussparameter sind in jedem Parksystem in ähnlicher Weise vorhanden. Einen Einfluss auf den Energiebedarf des Systems haben beispielsweise die Antriebsgeschwindigkeit, die interne Prozessführung, die Nutzungsfrequenz und Taktzeiten sowie die Massen der unterschiedlichen Ladeein-heiten. Jedoch auch die Massen der Fördermittel und Hilfsaggregate beeinflussen die benötigte Motorleistung. Auf der antriebstechnischen Seite hängen die Einflusspara-meter von den jeweils verwendeten Antriebskomponenten ab. Dazu zählen u. a. die Art der Motoren, deren Auslegungs- und optimaler Betriebspunkt, die verwendeten Führungselemente und Getriebe sowie die Lagerungsart. Systemspezifische Parame-ter sind bestimmt vom Aufbau des Parksystems, d. h. abhängig von Etagen- und Spaltenanzahl, Lage der E/A-Station, Taktspielanzahl, Stellplatzanordnung, -tiefe,


-breite und -anzahl sowie der Fördermitteltechnik. Bei gleicher Stellplatzanzahl hat beispielsweise ein Turmsystem einen anderen Energiebedarf als ein Gassensystem. Wieterhin ist die verwendete Fördermitteltechnik ausschlaggebend für den Energie-bedarf von APS. SLS transportieren während der Erschließung der horizontalen Ver-fahrwege, konstruktiv und durch die Arbeitsweise bedingt, geringere Massen als RBG. Systeme mit Palettenwechseleinheit arbeiten mit mehr Taktspielen, dafür aber zeitlich schneller als Systeme ohne ein solches Aggregat.

3.3 Erste Projektergebnisse

Erste Untersuchungen und theoretische Betrachtungen bezüglich eines energieeffi-zienten Betriebs von APS am fachgebietseigenen Demonstrator zeigen, dass der Energiebedarf der Anlage (a) vom Gewicht der einzulagernden Güter vgl. hierzu (Künne und Sinha 2013b; Sinha 2013) und (b) bedingt durch den Anteil der kine-tischen Energie von der Verfahrgeschwindigkeit der Förderaggregate abhängt.

Messungen des Energiebedarfs des RBGs in Abhängigkeit von der Nutzlast bei einer Fahrt von Ebene 0 in Ebene 2 wurden zu Testzwecken durchgeführt. Die Lastabhän-gigkeit der Motorenleistung wird bei einer Beladung von ca. 1200 kg durch einen um ca. 15% erhöhten Energiebedarf im Vergleich zu einer Leerfahrt bestätigt (Künne und Sinha 2013b). Prozessführungen mit höheren Geschwindigkeiten oder unterschiedlicher Priorisierung der einzulagernden Gütermassen beeinflussen nach-weislich den Energiebedarf der Antriebskomponenten (vgl. hierzu Sinha 2013). Ent-sprechend an die Gewichtsklassen der Nutzlast angepasste Prozessführungen wür-den somit den Energieverbrauch des Systems senken (Sinha und Künne 2012).

4 Simulationsaufbau Die energetische Optimierung von APS ist u. a. durch die Abhängigkeit der ener-getischen Einflussparameter problematisch. Ein Ziel der Forschungsarbeiten ist her-stellerunabhängig die energetisch sowie zeitlich effizienteste APS-Konfiguration zu generieren. Dafür ist eine herstellerübergreifende Analyse und Bewertung von APS notwendig. Einerseits ist es aufgrund der Vielzahl möglicher Konfigurationen not-wendig, die Simulation als Analyseinstrument für die verschiedenen Simulationssze-narien einzusetzen (vgl. hierzu März et al. 2011). Andererseits fehlen reale Anlagen zu Testzwecken. Die Analyse unterschiedlicher Fördermittel ist z. B. nicht ohne monetären Aufwand und komplizierte Umbaumaßnahmen zu prüfen. Ferner ist betreiberseitig ein Anlagenstillstand nicht zumutbar.

4.1 Simulationsprogramm Plant Simulation

Zur Untersuchung der vorliegenden Problematik wird das in der Industrie weit ver-breitete Simulationsprogramm Plant Simulation der Firma Siemens Industry Soft-ware GmbH & Co. KG (2015), das zum Produktportfolio von Tecnomatix gehört, verwendet. Mit Plant Simulation können Produktionssysteme modelliert und simu-liert werden. Weiterhin können beispielweise der Materialfluss, die Ressourcennut-zung und die Logistik auf allen Stufen der Anlagenplanung optimiert werden.

Aufgrund der Analogie von APS zu intralogistischen Anlagen ist Plant Simulation ein guter Kompromiss bzgl. Einsatzbreite und Implementierungsunterstützung. Zu-dem bietet Plant Simulation die Möglichkeit, das Verhalten von Simulationsmodel-


len genauer zu beschreiben, da diese mit der zugrunde liegenden Skriptsprache „Sim Talk“ zu steuern sind (Eley 2012).

4.2 Allgemeiner Aufbau der Simulation von APS

In den Simulationsaufbau gehen sowohl die Inputparameter, die Einfluss auf den Energieverbrauch eines APS nehmen, als auch die entsprechend zu modellierenden Simulationselemente ein. Abbildung 2 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau der Simulation. Die Simulationselemente können aufgrund ihrer Eigenschaften nicht mit Hilfe von zugewiesenen Parametern gestaltet werden. Exemplarisch hierfür sind die Stellplatzkonfigurationen, für die aufgrund der verschiedenen Anordnungen un-terschiedliche Simulationsmodelle erstellt werden müssen, anzuführen. Gleicherma-ßen sind die Fördermittel als Element zu modellieren. Es ist z. B. nicht möglich, die Verfahrrichtung durch zugewiesene Attribute in Listen abzubilden.

Abbildung 2: Allgemeiner Aufbau der unterschiedlichen Simulationsmodelle

APS sind mit intralogistischen Systemen gleichzusetzen. Deshalb muss als Output-parameter sowohl der Energiebedarf als auch die benötigte Zeit für einen Pro-zessschritt ausgegeben werden. Erst durch beide Parameter ist die energetische Opti-mierung in Abhängigkeit von Produktivität und zeitlicher Effizienz zu realisieren.

4.3 Simulationselemente und Simulationsmodelle

Die energetische Optimierung erfordert Aufbau und Überprüfung mehrerer Simula-tionsmodelle unterschiedlicher Parksystemkonfigurationen. Durch Variation des Si-mulationsaufbaus sind neue Simulationsmodelle konfigurierbar. Unterschiedliche Simulationsszenarien werden unter Variation der Inputparameter generiert. Nach Analyse der Ergebnisse erfolgt eine entsprechende Optimierung. Abbildung 3 zeigt einige zu modellierende Simulationselemente mit Stell- und Einflussgrößen. Die Stellplatzkonfiguration bestimmt den Aufbau des APS. Aufgrund unterschiedlicher Arbeitsweisen können auch Fördermittel nicht durch einfaches Zuweisen von Attri-buten in Listenform abgebildet werden. Die spezifischen Eigenschaften von SLS und RBG müssen über Modelle festgelegt werden. Zur Überprüfung verschiedener

MasseStandort

TaktzeitenStellplatztiefe

ProzessführungStellplatzanzahl

GeschwindigkeitLage E/A-StationStellplatzabmaße

Antriebsaggregate

Simulationsaufbau

Input Output

SimulationselementeFördermittelart / Antriebsaggregate

Art des Lagermittels / Stellplatzkonfiguration

EnergiebedarfZeit


Antriebskonzepte ist ebenso eine Modellierung erforderlich. Aufgrund des Kenn-linienverhaltens und der Anhängigkeit unterschiedlicher Parameter voneinander kann eine Zuweisung im Listenformat nicht erfolgen.

Abbildung 3: Ausgewählte Simulationselemente, die zum Aufbau eines Simulations-modells zur energetischen Analyse und Optimierung von APS identifiziert sind

Abbildung 4: Exemplarische Auswahl an Simulationsmodellen durch Variation der Simulationselemente (Darstellung der APS nach Hamelink 2011)

In Abbildung 4 wird eine Auswahl an Simulationsmodellen, die unterschiedliche Parksystemtypen abbilden, mit zugehörigen Systemspezifikationen, gezeigt. Zu jeder Systemvariante ist eine schematische Abbildung dargestellt. Diese verdeutlicht die Stellplatzkonfiguration mit Anordnung und Tiefe der Stellplätze, die Systembau-weise, die Lage der E/A-Station und spiegelt das verwendete Fördermittel wider.

4.4 Konkretes Simulationsmodell am Beispiel des multifunktionalen APS in Containerbauweise

Die Erläuterung des konkreten Simulationsmodells erfolgt anhand des Beispiels eines realen Simulationsszenarios für das vorhandene multifunktionale APS.

Stellplatzkonfiguration

• Bauweise des Regals• Turmbauweise• Gassensystem

• Stellplatzanordnung• radial• tangential• senkrecht zur Gasse• parallel zur Gasse

• Etagenhöhe• Etagenanzahl• Anzahl der Spalten• Gesamtstellplatzzahl• Stellplatzbreite

Fördermittelkonfiguration

• Shuttle-Lift-System• Trennung vertikalen &

horizontalen Transfers • Anzahl der Shuttle pro Ebene• Anzahl der Lifte• mit/ohne Palettenwechsler• mit/ohne LAM

• RBG• Diagonaltransfer möglich• Trennung vertikalen &

horizontalen Transfers• mit/ohne Palettenwechsler• mit/ohne LAM

Antriebskomponenten

• Antriebsart• elektrisch• hydraulisch• Leistungsklassen• Kennlinienverhalten• Anfahrverhalten

• Antriebsmotor• Synchronmaschine• Asynchronmaschine

• Energierückgewinnung• Lagerungsart

• Gleit-/Wälzlager• Führungen

Modell 1

• Gassensystem• Stellplatzanordnung:

senkrecht• RBG• LHM• Palettenwechsler• einfachtief• E/A-Station• Energierückgewinnung

Modell 2

• Turmbauweise• Stellplatzanordnung:

radial• RBG• LHM• Palettenwechsler• einfachtief• E/A-Station

Modell 3


senkrecht• SLS• LHM• Palettenwechsler• mehrfachrief • E/A-Station

Modell 4


parallel• RBG• ohne LHM• ohne

Palettenwechsler• einfachtief• E/A-Station


Abbildung 5: Wertebereich der Parameter des Simulationselementes Stellplatzkon-figuration am Beispiel des multifunktionalen APS in Containerbauweise

Abbildung 5 zeigt den entwickelten Wertebereich der Parameter des Simulationsele-ments Stellplatzkonfiguration und die damit verbundenen Variationsmöglichkeiten des fachgebietseigenen Demonstrators. An dieser Stelle wird deutlich, dass die An-wendung der Simulation als Analysetool aufgrund der Vielzahl an Variationen zwin-gend erforderlich ist.

Abbildung 6: Darstellung des konkreten Simulationsmodellaufbaus am Beispiel des fachgebietseigenen Demonstrators eines multifunktionalen APS in Containerbau-weise mit quantitativer Angabe des Simulationselements Stellplatzkonfiguration.

Abschließend zeigt Abbildung 6 die Konkretisierung des Simulationsmodellaufbaus des multifunktionalen automatischen Parksystems in Containerbauweise in Analogie zum allgemeinen Simulationsaufbau aus Abbildung 2. Der schematisch dargestellte Modellaufbau entspricht der Versuchsanlage des Fachgebiets Maschinenelemente der TU Dortmund und wird in den Simulationen als Referenzobjekt dienen.

Variationsparameter

GassenseitenanzahlStellplatzanordnung StellplatzbreiteStellplatzhöheStellplatztiefeStellplatzanzahl S. 1Stellplatzanzahl S. 2Etagenanzahl S. 1Etagenanzahl S. 2Spaltenanzahl S. 1Spaltenanzahl S. 2Lage der E/A-Station

Beschreibung

Stellplatzseiten pro GasseAusrichtung der Stellplätze zur GasseBreite der Stellplätze in [m]Höhe der Stellplätze in [m]Anzahl der Stellplätze pro ISO-Container [Fuss]Stellplätze pro Seite Stellplätze pro SeiteAnzahl X der Etagen der Stellplatzmatrix S. 1 Anzahl Y der Etagen der Stellplatzmatrix S. 2Anzahl an Stellplätzen pro Etage: Gassenseite 1Anzahl an Stellplätzen pro Etage: Gassenseite 2Lage der E/A-Station im System

Wertebereich

1 - 21 / 22 - 31,4 - 2,520 / 401 - 61 - 91 - 31 - 31 - 31 - 2S. 1 / 2; X; Y

Simulationselementekonfiguration• Art des Lagermittels: Regal mit Gasse• 20 Fuss ISO-Container als Stellplatz

• Fördermittel: Regalbediengerät• Nutzung von Ladehilfsmitteln• Antriebaggregate: elektrische Motoren

• Stellplatzkonfiguration

• Seite 1: 3 Etagen; 2 Stapel; 5 Stellplätze• Seite 1: 3 Etagen; 3 Stapel; 9 Stellplätze• Stellplatzanordnung parallel zur Gasse• Lage der E/A-Station S. 1; E. 0; Stapel 1• Stellplatzbreite 2,481m• Stellplatzhöhe 2,591 m

SimulationsmodellAPS in ContainerbauweiseDemonstrator des FG ME

Simulationselemente

Input Output


5 Zusammenfassung und Ausblick Die Simulationsvorstudie automatischer Parksysteme zeigt, dass die Einflusspara-meter auf den Energiebedarf von APS in einer wechselseitigen Beziehung zueinan-der stehen. Dadurch bedingt muss eine genaue Charakterisierung unter Variation dieser energetischen Größen erfolgen. Da die Auswirkung der Parameter auf den Energiebedarf von APS bislang unerforscht ist, ermöglicht erst diese Spezifikation die energetische Optimierung von APS. Die erste Phase der Forschungsarbeiten hat bereits gezeigt, dass ein Potential bezüglich einer energetischen Optimierung besteht und durch beispielsweise eine entsprechende Prozessführung zu erreichen ist (vgl. Kap. 3.3). Eine herstellerübergreifende Optimierung ermöglicht eine Vielzahl von APS-Konfigurationsmöglichkeiten. Aus diesem Grund ist der Einsatz der Simula-tion als Analyseinstrument der unterschiedlichen Simulationsszenarien erforderlich.

In der aktuellen Forschungsphase wird mit Plant Simulation der vorgestellte Proto-typ des multifunktionalen Parksystems in Containerbauweise realisiert. Dazu werden die in Kapitel 4.3 vorgestellten Simulationselemente in das Simulationsmodell über-tragen. Nach erfolgter Validierung des Modells werden im Anschluss unterschied-liche Simulationsszenarien abgebildet, und eine erste Analyse des Systems erfolgt anhand dieser Ergebnisse. Im Verlauf der Forschungsarbeiten sind weitere Modelle mittels der modellierten Simulationselemente zu konfigurieren, um verschiedene APS abzubilden. Unter Variation der energetischen Parameter werden obige Simula-tionsszenarien analog durchlaufen und die Ergebnisse ausgewertet. Abschließend werden weitere energetische Einsparpotentiale identifiziert, und eine hersteller-unabhängige Variante eines energieeffizient gestalteten APS zu realisieren sein.

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