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Optimierung der elektrischen SPS-Leistung für maximale Produktivität
1. Einleitung
1.1 Forschungshintergrund und Bedeutung
In der modernen Industrie hat sich die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zu einem Schlüsselelement für die automatisierte Produktion entwickelt und findet in vielen Branchen wie Fertigung, Energie und Transport breite Anwendung. Von Produktionslinien in der Automobilproduktion über die Prozesssteuerung in Chemieunternehmen bis hin zur automatisierten Verwaltung intelligenter Gebäude – SPS sind allgegenwärtig und übernehmen zentrale Aufgaben wie Datenverarbeitung, Logiksteuerung und Gerätesteuerung. Mit dem Aufkommen von Industrie 4.0 und dem Konzept der intelligenten Fertigung werden an Produktionssysteme immer höhere Anforderungen an Effizienz, Zuverlässigkeit und Flexibilität gestellt. Die Optimierung der elektrischen Leistung von SPS ist daher ein Schlüsselfaktor zur Steigerung der industriellen Produktivität.
SPS ermöglicht die Automatisierung und Intelligenz des Produktionsprozesses durch präzise Logiksteuerung und schnelle Datenverarbeitung und steigert so effektiv die Produktionseffizienz. In herkömmlichen industriellen Steuerungssystemen sind die aus Hardwarekomponenten wie Relais und Schützen bestehenden Logiksteuerkreise nicht nur sperrig und komplex in der Verkabelung, sondern weisen auch eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit und geringe Zuverlässigkeit auf. SPS setzt auf eine digitale Steuerungsmethode und ersetzt die Hardwareverkabelung durch Softwareprogrammierung. Dies vereinfacht Design und Wartung des Steuerungssystems erheblich und verbessert die Steuerungsgenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit deutlich. In Produktionslinien der Automobilherstellung kann die SPS die Bewegungen von Robotern präzise steuern, um eine schnelle und präzise Montage von Teilen zu ermöglichen und so die Produktionseffizienz deutlich zu steigern. In chemischen Produktionsprozessen kann die SPS verschiedene Prozessparameter in Echtzeit überwachen und anpassen, um die Sicherheit des Produktionsprozesses zu gewährleisten. Stabiler Betrieb, verbesserte Produktqualität und Produktionseffizienz.
Die Optimierung der elektrischen Leistung von SPS spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Produktionseffizienz. Einerseits kann durch die Verbesserung der Rechengeschwindigkeit und der Datenverarbeitungskapazitäten der SPS die Reaktionszeit des Systems verkürzt werden, sodass die Anlagen schneller auf Produktionsanweisungen reagieren können, was wiederum die Produktionseffizienz steigert. An Hochgeschwindigkeits-Montagelinien können SPS Sensorsignale schnell verarbeiten, die Bewegung der Anlagen zeitnah steuern, eine kontinuierliche Produktion gewährleisten und Produktionsausfallzeiten reduzieren. Andererseits kann die Optimierung der elektrischen Leistung der SPS auch die Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems verbessern, Anlagenausfälle und Ausfallzeiten reduzieren und so die Kontinuität der Produktion sicherstellen. Der Einsatz von Technologien wie redundanter Stromversorgung und Hot-Standby-CPU kann die Fehlertoleranz des SPS-Systems verbessern. Selbst bei Hardwareausfällen kann das System weiterhin normal arbeiten, sodass die Produktion nicht beeinträchtigt wird.
Mit der kontinuierlichen Verbesserung der industriellen Automatisierung steigen auch die Leistungsanforderungen an Produktionssysteme für SPS. Zukünftig werden SPS leistungsstärker, zuverlässiger und intelligenter. Daher ist eine eingehende Forschung zur Optimierung der elektrischen Leistung von SPS von großer praktischer Bedeutung und hat einen hohen Anwendungswert, um die Entwicklung der industriellen Automatisierung voranzutreiben und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen zu verbessern.
1.2 Forschungsziele und Problemlösung
Ziel dieser Studie ist es zu untersuchen, wie die elektrische Leistung von SPS optimiert werden kann, um die Effizienz der industriellen Produktion zu maximieren. Durch die Erforschung und Verbesserung der SPS-Hardware, -Software und -Systemarchitektur werden eine Reihe praktischer Optimierungsstrategien und -methoden vorgeschlagen, um Industrieunternehmen technischen Support und theoretische Anleitung für den Einsatz von SPS in der realen Produktion zu bieten.
Bei der Optimierung der elektrischen Leistung von SPSen treten viele zentrale Herausforderungen auf. Erstens hat mit der kontinuierlichen Ausweitung des industriellen Produktionsmaßstabs und der zunehmenden Komplexität der Produktionsprozesse die Menge der von SPSen zu verarbeitenden Daten und Steuerungsaufgaben drastisch zugenommen, was wiederum höhere Anforderungen an Rechengeschwindigkeit und Datenverarbeitungskapazitäten stellt. Die Verbesserung der Rechengeschwindigkeit von SPSen, damit diese große Datenmengen schnell und präzise verarbeiten können, ist zu einem dringenden Problem geworden. In Hochgeschwindigkeitsproduktionslinien müssen SPSen große Mengen an Sensordaten in Echtzeit verarbeiten und die Bewegung der Anlagen präzise steuern, um die Kontinuität der Produktion und die Produktqualität zu gewährleisten. Eine unzureichende Rechengeschwindigkeit der SPSen führt zu Verzögerungen bei der Datenverarbeitung, beeinträchtigt die Reaktionsgeschwindigkeit der Anlagen und verringert somit die Produktionseffizienz.
Zweitens sind die Zuverlässigkeit und Stabilität der SPS entscheidend für die Sicherstellung der Produktionskontinuität. In industriellen Produktionsumgebungen sind SPS häufig verschiedenen Störfaktoren wie elektromagnetischen Störungen, Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit usw. ausgesetzt. Diese Faktoren können zu SPS-Ausfällen führen und die normale Produktion beeinträchtigen. Daher ist die Verbesserung der Entstörungsfähigkeit der SPS sowie deren Zuverlässigkeit und Stabilität ein wichtiger Aspekt bei der Optimierung ihrer elektrischen Leistung. In Chemieunternehmen sind elektromagnetische Störungen in der Produktionsumgebung besonders schwerwiegend. Eine unzureichende Entstörungsfähigkeit der SPS kann leicht zu Fehlfunktionen und damit zu Produktionsunfällen führen.
Darüber hinaus ist die Kommunikationskompatibilität zwischen SPS und anderen Geräten ein wichtiges Thema. In modernen industriellen Automatisierungssystemen müssen SPS üblicherweise mit einer Vielzahl von Geräten wie Sensoren, Aktoren und Hostcomputern kommunizieren. Unterschiede in den Kommunikationsprotokollen und Schnittstellenstandards verschiedener Geräte können die Kommunikation der SPS erschweren. Eine effiziente und stabile Kommunikation zwischen SPS und anderen Geräten sowie die Gewährleistung einer präzisen Datenübertragung sind wichtige Herausforderungen zur Optimierung der elektrischen Leistung von SPS. In intelligenten Fabriken müssen SPS mit verschiedenen intelligenten Geräten kommunizieren, um eine intelligente Steuerung des Produktionsprozesses zu ermöglichen. Eine unzureichende Kommunikationskompatibilität führt zu einer schlechten Datenübertragung und beeinträchtigt die Betriebseffizienz des gesamten Produktionssystems.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie diese Schlüsselprobleme eingehend untersucht und durch theoretische Analysen, experimentelle Untersuchungen und die Überprüfung tatsächlicher Fälle wirksame Optimierungsstrategien und -lösungen vorschlägt, um die elektrische Leistung von SPS zu verbessern und die Effizienz der industriellen Produktion zu maximieren.
2. Theoretische Grundlagen der Beziehung zwischen elektrischer Leistung und Produktivität von SPS
2.1 Übersicht über das Funktionsprinzip und die elektrische Leistung der SPS
Als zentrales Steuergerät der industriellen Automatisierung arbeitet die SPS auf Basis gespeicherter Programmsteuerung und zyklischer Abfragemechanismen. Sie besteht hauptsächlich aus der Zentraleinheit (CPU), dem Speicher, der E/A-Schnittstelle (I/O), der Stromversorgung und weiteren Komponenten. Die CPU ist der Kern der SPS und für die Ausführung von Benutzerprogrammen und die Verarbeitung verschiedener Daten verantwortlich. Der Speicher dient zur Speicherung von Systemprogrammen, Benutzerprogrammen und Daten. Die E/A-Schnittstelle dient dem Datenaustausch zwischen der SPS und externen Geräten. Die Stromversorgung sorgt für eine stabile Betriebsspannung für alle Teile der SPS.
Der Arbeitsprozess einer SPS lässt sich in sechs Phasen unterteilen: interne Verarbeitung, Kommunikationsverarbeitung, Selbstdiagnose, Eingangsabtastung, Ausführung des Anwenderprogramms und Aktualisierung der Ausgangsdaten. Diese Phasen werden in einem sogenannten Scan-Zyklus wiederholt ausgeführt. In der internen Verarbeitungsphase initialisiert die SPS die Hardware, prüft die Konfiguration der E/A-Module, stellt den Schutzbereich bei Stromausfall ein usw. In der Kommunikationsverarbeitungsphase kommuniziert die SPS mit ihrem eigenen intelligenten Modul, der CPU und anderen externen Geräten, um Datenübertragung und -empfang abzuschließen, auf Befehle des Programmierers zu reagieren, die Anzeige des Programmierers zu aktualisieren sowie die Uhr und die Inhalte der Sonderregister zu aktualisieren. In der Selbstdiagnosephase erkennt die CPU den Status jedes SPS-Moduls. Tritt eine Anomalie auf, wird diese sofort diagnostiziert und bearbeitet, gleichzeitig wird ein Fehlersignal ausgegeben und die LED-Anzeige auf dem CPU-Panel leuchtet auf. Bei einem schwerwiegenden Fehler wird die CPU in den STOP-Modus gezwungen und stoppt die Programmausführung. In der Eingangsabtastphase scannt die SPS alle Eingangsanschlüsse und speichert ihren Status (0/1) im Eingangsregister, schließt dann den Eingangskanal und geht zum nächsten Schritt des Programms über; in der Ausführungsphase des Benutzerprogramms werden Daten aus dem Eingangsregister und dem internen Komponentenregister entnommen und die Ergebnisse entsprechend den logischen Operationen und Rechenoperationen im Programm in das Ausgangsabbildregister und den zugehörigen Speicher geschrieben; in der Ausgabeaktualisierungsphase werden nach Abschluss der Programmausführung alle Ausgangsrelaiszustände im internen Komponentenregister gleichzeitig in der Ausgangsstufe an den Ausgangsriegel übertragen und durch Isolierung an das Ausgangsende übertragen und treiben die Leistungsverstärkerschaltung an, um die tatsächliche Last anzutreiben.
Die elektrische Leistung von SPS beeinflusst direkt deren Anwendung in industriellen Automatisierungssystemen. Im Folgenden sind einige wichtige elektrische Leistungsindikatoren aufgeführt:
- Reaktionsgeschwindigkeit : Die Reaktionsgeschwindigkeit bezeichnet die Zeit, die die SPS benötigt, um vom Empfang eines Eingangssignals zur Ausgabe einer Signaländerung zu wechseln. Sie wird üblicherweise anhand des Abtastzyklus gemessen. Je kürzer der Abtastzyklus, desto schneller reagiert die SPS und desto schneller kann sie auf Änderungen im Produktionsprozess reagieren. In Hochgeschwindigkeitsproduktionslinien muss der Abtastzyklus der SPS im Millisekunden- oder sogar Mikrosekundenbereich liegen, um eine Echtzeitsteuerung der Anlagen und die Kontinuität der Produktion zu gewährleisten. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird von Faktoren wie der CPU-Arbeitsgeschwindigkeit, der Programmkomplexität und der Anzahl der E/A-Punkte beeinflusst. Der Einsatz einer Hochleistungs-CPU, die Optimierung der Programmstruktur und die Reduzierung unnötiger E/A-Operationen können die Reaktionsgeschwindigkeit der SPS effektiv verbessern.
- Anti-Interferenz-Fähigkeit In der industriellen Produktionsumgebung gibt es verschiedene Störquellen, wie elektromagnetische Störungen, Störungen der Stromversorgung, Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit usw. Diese Störungen können den normalen Betrieb der SPS beeinträchtigen und zu Datenfehlern, Programmverlust und sogar Geräteschäden führen. Daher muss die SPS über starke Entstörungsfunktionen verfügen, um einen stabilen Betrieb in rauen Umgebungen zu gewährleisten. SPS setzen üblicherweise verschiedene Entstörungsmaßnahmen ein, wie z. B. Hardwarefilterung, photoelektrische Isolierung, Abschirmung und Erdung usw. Durch Hardwarefilterung können hochfrequentes Rauschen und Störungen im Eingangssignal entfernt werden. Die photoelektrische Isolierung isoliert den internen Schaltkreis der SPS über einen Optokoppler vom externen Schaltkreis, um das Eindringen externer Störsignale in die SPS zu verhindern. Abschirmung und Erdung reduzieren die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen durch Abschirmung und gute Erdung der SPS.
- Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit beschreibt die Fähigkeit einer SPS, bestimmte Funktionen unter bestimmten Bedingungen und innerhalb einer bestimmten Zeit auszuführen. Sie ist ein entscheidender Leistungsindikator für SPS in industriellen Anwendungen und steht in direktem Zusammenhang mit der Kontinuität und Stabilität der Produktion. SPS nutzen verschiedene Zuverlässigkeitstechnologien wie Redundanztechnologie, Fehlerdiagnose und Selbstwiederherstellungstechnologie. Zu den Redundanztechnologien gehören Stromversorgungsredundanz, CPU-Redundanz und Redundanz von E/A-Modulen. Bei Ausfall des Hauptgeräts kann automatisch auf das Ersatzgerät umgeschaltet werden, um den normalen Systembetrieb sicherzustellen. Fehlerdiagnose und Selbstwiederherstellungstechnologie überwachen den Betriebszustand der SPS in Echtzeit. Wird ein Fehler erkannt, kann dieser rechtzeitig diagnostiziert und behoben werden. Anschließend werden entsprechende Maßnahmen zur Selbstwiederherstellung ergriffen, wie z. B. ein automatischer Neustart oder die Umschaltung auf das Ersatzprogramm.
- Ein- und Ausgangspunkte : Ein- und Ausgangspunkte bezeichnen die Anzahl der Eingangs- und Ausgangsgeräte, mit denen die SPS verbunden werden kann, üblicherweise ausgedrückt in E/A-Punkten. Je mehr E/A-Punkte vorhanden sind, desto mehr Geräte kann die SPS steuern und desto größer ist der anwendbare Steuerungsumfang. Bei der Auswahl einer SPS müssen die benötigten E/A-Punkte anhand der tatsächlichen Steuerungsanforderungen bestimmt werden, um sicherzustellen, dass die SPS die Steuerungsanforderungen des Produktionssystems erfüllt. Gleichzeitig muss die Erweiterungsfähigkeit der E/A-Punkte berücksichtigt werden, damit diese bei einer zukünftigen Produktionserweiterung oder Prozessoptimierung problemlos erweitert werden können.
- Speicherkapazität Speicherkapazität bezeichnet die Größe des von der SPS genutzten Speichers zum Speichern von Anwenderprogrammen, Daten und Systeminformationen. Je größer die Speicherkapazität, desto mehr Programme und Daten kann die SPS speichern und desto komplexere Steuerungsfunktionen lassen sich realisieren. Mit der Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung werden Datenmenge und Steuerungslogik im Produktionsprozess immer komplexer, und auch die Speicherkapazitätsanforderungen der SPS steigen. Bei der Auswahl einer SPS müssen Sie eine SPS mit ausreichender Speicherkapazität entsprechend den tatsächlichen Anwendungsanforderungen wählen und die Erweiterungsmöglichkeiten der Speicherkapazität berücksichtigen.
2.2 Produktivitätsmessindikatoren und Einflussfaktoren
Produktivität ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Effizienz und des Nutzens eines Produktionssystems. Sie spiegelt die Fähigkeit eines Produktionssystems wider, innerhalb eines bestimmten Zeitraums Produkte herzustellen oder Dienstleistungen zu erbringen. In der industriellen Produktion bedeutet Produktivitätssteigerung, mehr Produkte in der gleichen Zeit herstellen zu können oder bei gleicher Produktanzahl weniger Ressourcen zu verbrauchen. Bei SPS-gesteuerten industriellen Produktionssystemen umfassen die Messindikatoren der Produktivität hauptsächlich folgende Aspekte:
- Ausgabe : Die Produktionsleistung ist der intuitivste Indikator für Produktivität und gibt die Anzahl der von einem Produktionssystem innerhalb eines bestimmten Zeitraums produzierten Produkte an. In automatisierten Produktionslinien sorgt die SPS durch präzise Steuerung der Anlagen für Kontinuität und Effizienz im Produktionsprozess und steigert so die Produktionsleistung. Die Produktionslinie eines Automobilherstellers kann durch die Steuerung von Robotern und automatisierten Anlagen über die SPS Dutzende von Autos pro Stunde produzieren, was die Produktionsleistung im Vergleich zu herkömmlichen manuellen Produktionsmethoden deutlich steigert.
- Produktionseffizienz : Produktionseffizienz bezeichnet die vom Produktionssystem pro Zeiteinheit geleistete Arbeitsmenge, üblicherweise ausgedrückt als Verhältnis von Produktionszeit zu Ausstoß. Je höher die Produktionseffizienz, desto mehr Arbeit leistet das Produktionssystem pro Zeiteinheit und desto höher ist die Produktivität. Im chemischen Produktionsprozess hält die SPS den Produktionsprozess durch Echtzeitüberwachung und Anpassung verschiedener Prozessparameter im optimalen Zustand und verbessert so die Produktionseffizienz. Durch die Optimierung des SPS-Steuerungsprogramms werden die Anzahl der Gerätestarts und -stopps sowie die Wartezeiten im Produktionsprozess reduziert und die Produktionseffizienz um 20% gesteigert.
- Geräteauslastungsgrad : Die Anlagenauslastung bezeichnet das Verhältnis der tatsächlichen zur geplanten Betriebszeit und spiegelt die Effizienz der Anlagennutzung wider. In der industriellen Produktion kann eine verbesserte Anlagenauslastung die Produktionskapazität optimal nutzen, Anlagenleerlaufzeiten reduzieren und so die Produktivität steigern. Durch Echtzeitüberwachung und Fehlerdiagnose erkennt die SPS Anlagenausfälle rechtzeitig und führt Reparaturen durch. So wird der normale Betrieb der Anlagen sichergestellt und die Anlagenauslastung verbessert. Durch das SPS-Überwachungssystem werden potenzielle Anlagenausfälle rechtzeitig erkannt und im Vorfeld behoben, wodurch die Anlagenauslastung von ursprünglich 801 TP3T auf 901 TP3T gesteigert werden konnte.
- Produktqualität Die Produktqualität ist ein wichtiger Produktivitätsindikator und beeinflusst direkt die Marktwettbewerbsfähigkeit von Produkten und den wirtschaftlichen Nutzen von Unternehmen. Im Produktionsprozess gewährleistet die SPS durch die präzise Steuerung verschiedener Prozessparameter die Stabilität und Konstanz der Produktqualität. In der Elektronikfertigung kann die automatisierte, SPS-gesteuerte Produktionslinie Schweißtemperatur, Schweißzeit und andere Parameter präzise steuern, wodurch die Schweißqualität elektronischer Produkte sichergestellt und die Produktqualität verbessert wird.
- Produktionszyklus Der Produktionszyklus beschreibt die Zeitspanne von der Rohstoffzufuhr bis zur Produktausgabe und spiegelt die Produktionsgeschwindigkeit des Produktionssystems wider. Eine Verkürzung des Produktionszyklus kann die Produktionseffizienz verbessern, den Kapitalumschlag beschleunigen und somit die Produktivität steigern. SPS verkürzt den Produktionszyklus durch Optimierung des Produktionsprozesses und Steuerung der Betriebsgeschwindigkeit der Anlagen. In Bekleidungsunternehmen haben SPS-gesteuerte automatisierte Schneide- und Nähanlagen den Produktionszyklus von Bekleidung von einer Woche auf drei Tage verkürzt.
Viele Faktoren beeinflussen die Produktivität. Bei industriellen Produktionssystemen mit SPS-Steuerung sind die folgenden Faktoren besonders wichtig:
- Effizienz des Gerätebetriebs Die Betriebseffizienz von Anlagen ist einer der wichtigsten Faktoren für die Produktivität. Durch präzise Steuerung des Anlagenbetriebs können SPS Ausfallzeiten reduzieren und die Betriebseffizienz verbessern. In einer automatisierten Produktionslinie kann die SPS die Betriebsgeschwindigkeit und den Betriebsmodus der Anlage automatisch an die Produktionsanforderungen anpassen, um sicherzustellen, dass die Anlage stets im optimalen Betriebszustand ist. Gleichzeitig kann die SPS die Anlagen in Echtzeit überwachen und diagnostizieren, Anlagenfehler rechtzeitig erkennen und beheben, langfristige Anlagenausfälle vermeiden und so die Betriebseffizienz verbessern.
- Produktqualität Die Produktqualität wirkt sich direkt auf die Marktwettbewerbsfähigkeit und den wirtschaftlichen Nutzen von Unternehmen aus. Im Produktionsprozess gewährleistet die SPS durch die präzise Steuerung verschiedener Prozessparameter die Stabilität und Konstanz der Produktqualität. Eine instabile Produktqualität führt zu einer geringeren Produktqualifizierungsrate, höheren Produktionskosten und beeinträchtigt zudem den Ruf und Marktanteil des Unternehmens. Daher ist die Verbesserung der Produktqualität ein wichtiger Weg zur Produktivitätssteigerung.
- Optimierung des Produktionsprozesses : Die Optimierung von Produktionsprozessen kann die Produktionseffizienz verbessern, die Produktionskosten senken und somit die Produktivität steigern. Durch Echtzeitüberwachung und Datenanalyse des Produktionsprozesses kann die SPS Engpässe und Unregelmäßigkeiten im Produktionsprozess erkennen und optimieren. Durch die Optimierung des Produktionsprozesses werden Wartezeiten und Materialtransportwege reduziert und die Produktionseffizienz verbessert.
- Personalqualität Auch das Qualifikationsniveau und die Arbeitseinstellung der Bediener haben großen Einfluss auf die Produktivität. Bediener mit Kenntnissen in SPS-Programmierung und -Bedienung können die Steuerungsvorteile der SPS besser nutzen und so die Produktionseffizienz und Produktqualität verbessern. Gleichzeitig ist die Arbeitseinstellung der Bediener proaktiv, gewissenhaft und verantwortungsbewusst, was den Einfluss menschlicher Faktoren auf die Produktion reduziert und die Produktivität steigert.
- Externe Umweltfaktoren Externe Umweltfaktoren wie Rohstoffversorgung, Marktnachfrage, Richtlinien und Vorschriften wirken sich ebenfalls auf die Produktivität aus. Eine instabile Rohstoffversorgung führt zu Produktionsunterbrechungen und beeinträchtigt die Produktionseffizienz. Veränderungen der Marktnachfrage wirken sich auf den Produktabsatz aus und beeinträchtigen damit den Produktionsplan und die Produktivität des Unternehmens. Anpassungen von Richtlinien und Vorschriften wirken sich ebenfalls auf die Produktion und den Betrieb des Unternehmens aus und beeinträchtigen somit die Produktivität.
2.3 Der Einfluss der elektrischen Leistung der SPS auf die Produktivität
Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der elektrischen Leistung der SPS und der Produktivität. Sie beeinflusst in vielerlei Hinsicht die Produktionseffizienz, die Produktqualität und die Anlagenstabilität, was wiederum erhebliche Auswirkungen auf die Produktivität hat.
2.3.1 Auswirkungen auf die Produktionseffizienz
Die Reaktionsgeschwindigkeit der SPS ist einer der Schlüsselfaktoren für die Produktionseffizienz. In einer Hochgeschwindigkeitsproduktionslinie sind alle Produktionsschritte eng miteinander verknüpft, und jede Verzögerung in einem dieser Schritte kann zum Stillstand der gesamten Produktionslinie führen. Die schnelle Reaktionsfähigkeit der SPS stellt sicher, dass die Anlage verschiedene Steueranweisungen zeitnah ausführt und die Wartezeiten im Produktionsprozess verkürzt. In der Stanzproduktionslinie der Automobilherstellung muss die SPS die Stanzmaschine schnell steuern, damit das Stanzen des Blechs in kurzer Zeit abgeschlossen werden kann. Eine zu langsame Reaktionsgeschwindigkeit der SPS verzögert die Stanzmaschine und beeinträchtigt somit die Produktionseffizienz. Relevanten Untersuchungen zufolge kann die Produktionseffizienz der Produktionslinie um 10–20 % gesteigert werden, wenn der Abtastzyklus der SPS von 10 auf 5 ms verkürzt wird.
Die Datenverarbeitungskapazität der SPS hat ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die Produktionseffizienz. Mit der fortschreitenden Digitalisierung und Intelligenz in der industriellen Produktion steigt die im Produktionsprozess generierte Datenmenge, die von der SPS in Echtzeit verarbeitet und analysiert werden muss. Leistungsstarke Datenverarbeitungsfunktionen ermöglichen der SPS die schnelle Verarbeitung großer Mengen an Produktionsdaten, die Bereitstellung einer präzisen Grundlage für Produktionsentscheidungen, wodurch Produktionsprozesse optimiert und die Produktionseffizienz verbessert werden. Im chemischen Produktionsprozess muss die SPS Temperatur-, Druck-, Durchfluss- und andere von verschiedenen Sensoren erfasste Daten in Echtzeit verarbeiten und die Produktionsparameter anhand dieser Daten anpassen, um einen stabilen Betrieb des Produktionsprozesses zu gewährleisten. Bei unzureichender Datenverarbeitungskapazität der SPS erfolgt die Datenverarbeitung nicht zeitnah, was die Anpassung der Produktionsparameter beeinträchtigt und somit die Produktionseffizienz mindert.
2.3.2 Auswirkungen auf die Produktqualität
Die hochpräzise Steuerungsfähigkeit der SPS ist der Schlüssel zur Sicherung der Produktqualität. Im Produktionsprozess wird die Produktqualität häufig durch viele Faktoren beeinflusst, beispielsweise durch Schwankungen der Prozessparameter Temperatur, Druck und Geschwindigkeit. Die SPS steuert diese Prozessparameter präzise, um sie im vorgegebenen Bereich zu halten und so die Stabilität und Konstanz der Produktqualität zu gewährleisten. In der Elektronikfertigung gelten für den Chipherstellungsprozess sehr strenge Anforderungen an die Prozessparameter. Die SPS gewährleistet die Fertigungsgenauigkeit und -qualität der Chips durch die präzise Steuerung der Parameter von Prozessverbindungen wie Lithografie und Ätzen. Laut Statistik kann die Qualifikationsrate von Produkten durch den Einsatz eines SPS-gesteuerten Produktionssystems um 51 bis 101 Prozentpunkte gesteigert werden.
Die Zuverlässigkeit und Stabilität der SPS haben ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die Produktqualität. Ein Ausfall der SPS während des Produktionsprozesses kann zu Produktionsunterbrechungen oder der Produktion minderwertiger Produkte führen. Daher kann eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und Stabilität der SPS Produktqualitätsprobleme durch Geräteausfälle reduzieren und die Produktqualität stabil halten. In der Pharmaindustrie werden für die Arzneimittelproduktion extrem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Stabilität der Geräte gestellt. Jeder Ausfall der SPS kann zu einer minderwertigen Arzneimittelqualität und sogar zu Gesundheitsschäden für Patienten führen. Durch den Einsatz von Redundanztechnologie, Fehlerdiagnose, Selbstwiederherstellungstechnologie und anderen Maßnahmen werden die Zuverlässigkeit und Stabilität der SPS verbessert und so die Produktionsqualität der Arzneimittel sichergestellt.
2.3.3 Auswirkungen auf die Gerätestabilität
Die Entstörungsfähigkeit von SPS ist ein wichtiger Faktor für den stabilen Betrieb von Anlagen. In industriellen Produktionsumgebungen gibt es verschiedene elektromagnetische Störungen, Störungen der Stromversorgung und andere Faktoren, die den normalen Betrieb von SPS beeinträchtigen und zu einem instabilen Betrieb der Anlagen führen können. SPS reduziert effektiv die Auswirkungen von Störungen auf Anlagen und gewährleistet deren stabilen Betrieb durch den Einsatz von Entstörungsmaßnahmen wie Hardwarefilterung, photoelektrischer Isolierung und Schirmerdung. Im Stromnetz wird die SPS zur Steuerung der Anlagen von Umspannwerken eingesetzt. Aufgrund der starken elektromagnetischen Störungen im Stromnetz ist die Entstörungsfähigkeit von SPS sehr hoch. Durch den Einsatz leistungsstarker Entstörungsmaßnahmen kann die SPS auch in einer Umgebung mit starken elektromagnetischen Störungen stabil arbeiten und so den normalen Betrieb der Umspannwerksanlagen gewährleisten.
Das Zuverlässigkeitsdesign der SPS hat ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die Stabilität der Anlage. Durch den Einsatz von Zuverlässigkeitskonzepten wie Redundanztechnologie, Fehlerdiagnose und Selbstwiederherstellungstechnologie kann die SPS den normalen Systembetrieb bei Hardwareausfällen aufrechterhalten und so die Stabilität der Anlage verbessern. In der Luft- und Raumfahrt wird das Steuerungssystem von Flugzeugen mit redundanten SPS betrieben. Bei Ausfall der Haupt-SPS kann die Backup-SPS automatisch umschalten, um die Flugsicherheit des Flugzeugs zu gewährleisten. Untersuchungen zufolge kann ein Steuerungssystem mit redundanten SPS die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen um ein Vielfaches verlängern und so die Stabilität der Anlage deutlich verbessern.
3. Analyse der Faktoren, die die elektrische Leistung des PLC beeinflussen
3.1 Hardwarefaktoren
3.1.1 Prozessorleistung
Als Kernkomponente der SPS spielt die Leistung des Prozessors eine entscheidende Rolle für deren elektrische Leistung. Die Rechengeschwindigkeit des Prozessors bestimmt die Effizienz der SPS-Verarbeitung von Eingangssignalen und die Geschwindigkeit der Ausführung von Benutzerprogrammen. In Hochgeschwindigkeitsproduktionslinien, wie beispielsweise Stanzlinien für Automobilteile, erfordert jeder Stanzvorgang eine schnelle Reaktion der SPS und eine präzise Steuerung des Betriebs der Stanzmaschine. Reicht die Rechengeschwindigkeit des Prozessors nicht aus, verlängert sich das Zeitintervall zwischen der Erkennung des Plattenankunftssignals durch den Sensor und der Steuerung der Stanzmaschine. Dies führt zu einem langsameren Takt der Produktionslinie und einer verringerten Produktionseffizienz. Durch eine Verdoppelung der Prozessor-Rechengeschwindigkeit kann die Produktionseffizienz der Stanzlinie um 301–401 TP3T gesteigert werden.
Die Speicherkapazität ist ebenfalls ein wichtiger Indikator für die Prozessorleistung. Mit der fortschreitenden Digitalisierung und Intelligenz in der industriellen Produktion hat die im Produktionsprozess generierte Datenmenge drastisch zugenommen. SPS müssen daher große Mengen an Produktionsdaten, Anwenderprogrammen und Systemkonfigurationsinformationen speichern. Ausreichende Speicherkapazität gewährleistet den normalen Betrieb der SPS und verhindert Datenverlust oder fehlerhafte Programmabläufe aufgrund unzureichenden Speicherplatzes. In großen Chemieunternehmen müssen SPS verschiedene Prozessparameter, den Betriebszustand von Anlagen und andere Daten in Echtzeit speichern und verarbeiten. Bei unzureichender Speicherkapazität werden wichtige Daten möglicherweise nicht erfasst, was die Überwachung und Analyse des Produktionsprozesses beeinträchtigt und sogar zu Produktionsunfällen führen kann.
Darüber hinaus beeinflussen die Befehlssatzarchitektur und der Cache-Mechanismus des Prozessors die elektrische Leistung der SPS. Eine fortschrittliche Befehlssatzarchitektur kann die Ausführungseffizienz von Befehlen verbessern und deren Ausführungszeit verkürzen. Ein effizienter Cache-Mechanismus ermöglicht schnelles Lesen und Speichern von Daten, reduziert die Datenübertragungsverzögerung zwischen Prozessor und Speicher und verbessert so die Gesamtleistung der SPS. Beispielsweise ermöglicht eine Befehlssatzarchitektur mit Pipeline-Technologie dem Prozessor die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Befehle, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht. Ein großer Cache reduziert die Anzahl der Speicherzugriffe des Prozessors und verbessert die Effizienz der Datenverarbeitung.
3.1.2 Netzqualität
Die Stromversorgung ist die Grundlage für den normalen Betrieb der SPS, und ihre Qualität hat einen wichtigen Einfluss auf deren elektrische Leistung. Die Stabilität der Stromversorgung steht in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit der SPS. In einer industriellen Produktionsumgebung kann die Netzspannung schwanken, übersteuern und andere anormale Bedingungen aufweisen. Wenn die Spannungsschwankung den normalen Betriebsbereich der SPS überschreitet, kann dies zu Funktionsstörungen der internen Schaltung der SPS führen, was zu Datenfehlern, Programmverlust und anderen Problemen führen kann. In Gebieten mit instabiler Stromversorgung kann es häufig zu Ausfällen der SPS-Steuerung kommen, was die normale Produktion beeinträchtigt.
Die Entstörungsfähigkeit des Netzteils ist ebenfalls ein entscheidender Faktor für die elektrische Leistung der SPS. In Industrieanlagen gibt es verschiedene Quellen elektromagnetischer Störungen, wie z. B. das Starten und Stoppen von Hochleistungsmotoren oder der Betrieb von Elektroschweißgeräten. Diese Störungen können über die Stromversorgungsleitung in die SPS übertragen werden und deren normalen Betrieb beeinträchtigen. Wenn die Entstörungsfähigkeit des Netzteils unzureichend ist und diese Störsignale nicht effektiv herausgefiltert werden können, verringert sich die Regelgenauigkeit der SPS, was sogar zu Geräteausfällen führen kann. Um die Entstörungsfähigkeit des Netzteils zu verbessern, werden üblicherweise Filter, Trenntransformatoren und andere Geräte am Stromeingang installiert, um die Auswirkungen von Störsignalen auf die SPS zu reduzieren.
Darüber hinaus darf der Welligkeitsfaktor des Netzteils nicht vernachlässigt werden. Welligkeit bezeichnet den Wechselstromanteil in der Ausgangsspannung des Netzteils. Übermäßige Welligkeit stört die digitalen und analogen Schaltkreise der SPS und beeinträchtigt deren Leistung. In Situationen, in denen eine hohe Regelgenauigkeit erforderlich ist, wie beispielsweise in Produktionslinien für die Herstellung elektronischer Chips, sind Netzteile mit geringer Welligkeit erforderlich, um sicherzustellen, dass die SPS verschiedene Parameter im Produktionsprozess präzise steuern und die Produktqualität sicherstellen kann.
3.1.3 Eigenschaften der Eingangs- und Ausgangsmodule
Das Ein- und Ausgabemodul dient als Brücke für den Datenaustausch zwischen SPS und externen Geräten. Seine Eigenschaften wirken sich direkt auf die elektrische Leistung der SPS aus. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Ein- und Ausgabemoduls bestimmt, wie schnell die SPS externe Signale wahrnimmt und steuert. In Hochgeschwindigkeits-Bewegungssteuerungssystemen, wie z. B. der Roboterbewegungssteuerung, muss die SPS Sensorpositionssignale schnell erfassen und den Motorbetrieb zeitnah steuern. Eine zu langsame Reaktionsgeschwindigkeit des Ein- und Ausgabemoduls führt zu Verzögerungen bei der Roboteraktion, was die Genauigkeit und Stabilität der Bewegung beeinträchtigt. Eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit des Ein- und Ausgabemoduls um 50 % erhöht die Genauigkeit der Roboterbewegungssteuerung um 20 % bis 30 %.
Die Genauigkeit der Ein- und Ausgangsmodule ist für einige Anwendungsszenarien, die eine hohe Regelgenauigkeit erfordern, entscheidend. In der industriellen Automatisierungsproduktion erfordern viele Prozessschritte eine präzise Steuerung von Parametern wie Temperatur, Druck und Durchfluss. Ist die Genauigkeit der Ein- und Ausgangsmodule unzureichend, kommt es zu Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Regelwert und dem Sollwert, was die Produktqualität beeinträchtigt. In der chemischen Produktion ist die Temperaturregelgenauigkeit im Reaktor extrem hoch. Ist der Genauigkeitsfehler der Ein- und Ausgangsmodule bei der Temperaturmessung zu groß, kann dies dazu führen, dass die chemische Reaktion außer Kontrolle gerät und einen Sicherheitsunfall verursacht.
Darüber hinaus ist die Entstörungsfähigkeit der Ein- und Ausgangsmodule nicht zu vernachlässigen. In Industrieanlagen sind Ein- und Ausgangsmodule anfällig für elektromagnetische Störungen, elektrostatische Störungen usw., was zu Signalübertragungsfehlern führt. Um die Entstörungsfähigkeit von Ein- und Ausgangsmodulen zu verbessern, werden üblicherweise optoelektronische Isolierung, Abschirmung und Erdung eingesetzt, um eine zuverlässige Signalübertragung zu gewährleisten. Beispielsweise isoliert die optoelektronische Isolierungstechnologie die Ein- und Ausgangsmodule über Optokoppler vom externen Schaltkreis und verhindert so effektiv das Eindringen externer Störsignale. Abschirmung und Erdung reduzieren die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen durch Abschirmung und gute Erdung der Ein- und Ausgangskabel.
3.2 Softwarefaktoren
3.2.1 Programmieralgorithmus und Logikoptimierung
Die Gestaltung der Programmieralgorithmen und -logik hat einen erheblichen Einfluss auf die elektrische Leistung der SPS, insbesondere hinsichtlich der Zykluszeiten und der Ressourcennutzung. Unterschiedliche Programmieralgorithmen weisen bei der Bearbeitung derselben Aufgabe unterschiedliche Ausführungseffizienzen und einen unterschiedlichen Ressourcenverbrauch auf. Bei der sequentiellen Steuerungsprogrammierung werden strukturierte Programmiermethoden verwendet, um komplexe Steuerungsaufgaben in mehrere Funktionsmodule zu zerlegen. Jedes Modul implementiert spezifische Funktionen. Durch sinnvolle Modulaufrufe und logische Verknüpfungen können Lesbarkeit und Wartbarkeit des Programms verbessert, während gleichzeitig die Ausführungszeit des Programms und der Zyklus verkürzt werden. Im SPS-Steuerungssystem einer automatisierten Produktionslinie sind die Funktionen Materialtransport, -verarbeitung und -erkennung als unabhängige Module geschrieben, die nacheinander vom Hauptprogramm aufgerufen werden, um den automatisierten Betrieb der Produktionslinie zu realisieren. Im Vergleich zur herkömmlichen linearen Programmierung verkürzt die strukturierte Programmierung den Zyklus um 20–30 Zyklustage und verbessert die Produktionseffizienz.
Auch hinsichtlich bedingter Beurteilung und Schleifensteuerung kann die Optimierung der Programmierlogik die Leistung der SPS effektiv verbessern. Bei der Steuerung komplexer Produktionsprozesse ist es notwendig, den Betriebszustand der Anlage anhand mehrerer Bedingungen zu beurteilen. Der sinnvolle Einsatz bedingter Beurteilungsanweisungen und die Vermeidung unnötiger Verschachtelung und wiederholter Beurteilungen können die Programmausführungszeit verkürzen. In einem Temperaturregelsystem muss anhand des Rückmeldesignals des Temperatursensors beurteilt werden, ob die Temperatur den Sollwert erreicht und wie sich die Temperatur ändert, um den Start und Stopp der Heizanlage zu steuern. Durch die Optimierung der bedingten Beurteilungslogik sowie die Integration und Vereinfachung der relevanten Bedingungen wird die Ausführungseffizienz des Programms um 15% – 20% verbessert und die Genauigkeit und Aktualität der Temperaturregelung sichergestellt.
Schleifensteuerung wird in der SPS-Programmierung häufig für wiederkehrende Aufgaben wie die Datenerfassung und -verarbeitung eingesetzt. Durch die Optimierung des Schleifensteuerungsalgorithmus und die sinnvolle Einstellung der Schleifenbedingungen und der Anzahl der Schleifen können unnötige Schleifenausführungen reduziert und die Ressourcennutzung verbessert werden. In einem Datenerfassungssystem müssen regelmäßig Daten von mehreren Sensoren erfasst werden. Durch die Optimierung des Schleifensteuerungsalgorithmus und die Verwendung zeitgesteuerter Interrupts zum Auslösen der Datenerfassung werden unnötige Schleifenwartezeiten vermieden. Dies verbessert die Effizienz der Datenerfassung durch 30% – 40% und reduziert gleichzeitig den CPU-Ressourcenverbrauch der SPS.
3.2.2 Kompatibilität und Stabilität der Systemsoftware
Als Kernunterstützung für den SPS-Betrieb sind die Kompatibilität der Systemsoftware mit der Hardware und ihre eigene Stabilität entscheidend für die elektrische Leistung der SPS. Wenn die Systemsoftware nicht mit der Hardware kompatibel ist, kann dies zu Problemen wie einer gestörten Kommunikation des Geräts, Datenübertragungsfehlern oder Systemabstürzen führen. Wenn während der Aktualisierung des SPS-Steuerungssystems die neu installierte Systemsoftware nicht mit der ursprünglichen Hardware übereinstimmt, können Kommunikationsunterbrechungen und Ausfälle von E/A-Modulen auftreten, die die normale Produktion erheblich beeinträchtigen. Im Rahmen eines Automatisierungstransformationsprojekts einer bestimmten Fabrik wurde die Systemsoftware der SPS aktualisiert, die Kompatibilität von Software und Hardware jedoch nicht vollständig berücksichtigt. Dies führte zu häufigen Ausfällen der Produktionslinie während des Betriebs und einem erheblichen Rückgang der Produktionseffizienz. Nach einem erneuten Debugging und der Anpassung der Systemsoftware und -hardware wurde das Kompatibilitätsproblem gelöst und der normale Betrieb der Produktionslinie wiederhergestellt.
Die Stabilität der Systemsoftware selbst steht in direktem Zusammenhang mit der elektrischen Leistung der SPS. Instabile Systemsoftware kann Probleme wie Speicherlecks und fehlerhafte Programmabbrüche aufweisen, die den normalen Betrieb der SPS beeinträchtigen. Speicherlecks führen zu einer allmählichen Verknappung des Systemspeichers, sodass die SPS aufgrund unzureichenden Speichers schließlich nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Ein fehlerhafter Programmabbruch führt zu Produktionsunterbrechungen und damit zu Produktionsausfällen. Um die Stabilität der Systemsoftware zu verbessern, führen Softwareentwickler in der Regel umfangreiche Tests und Optimierungen durch, um Schwachstellen und Mängel in der Software zu beheben. Gleichzeitig sollten Anwender die Systemsoftware während der Nutzung rechtzeitig aktualisieren, um die neueste Stabilität und Leistungsoptimierung zu erhalten. In einigen Industriebereichen mit extrem hohen Zuverlässigkeitsanforderungen, wie z. B. der Luft- und Raumfahrt oder der Energietechnik, muss die Systemsoftware der SPS strengen Tests und Überprüfungen unterzogen werden, um ihre Stabilität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und so die Sicherheit und Stabilität des Produktionsprozesses zu gewährleisten.
3.3 Externe Umweltfaktoren
3.3.1 Elektromagnetische Störungen
Elektromagnetische Störungen sind einer der wichtigsten externen Umweltfaktoren, die die elektrische Leistung von SPS beeinflussen. Ihre Quellen sind vielfältig und ihre Übertragungswege komplex. In industriellen Produktionsstätten entstehen elektromagnetische Störungen hauptsächlich durch folgende Faktoren:
- Stromversorgungssystem Verschiedene elektrische Geräte im Stromnetz, wie Transformatoren, Hochspannungsleitungen, Hochleistungsmotoren usw., erzeugen während des Betriebs starke elektromagnetische Felder. Überschreitet die Intensität dieser elektromagnetischen Felder einen bestimmten Schwellenwert, stören sie benachbarte SPS-Systeme. In Stahlwerken erzeugen große Elektroöfen zur Stahlherstellung während des Betriebs drastische Stromschwankungen, die starke elektromagnetische Strahlung verursachen, die wiederum Datenfehler oder Steuerungsanomalien in benachbarten SPS-Steuerungssystemen verursachen kann.
- Kommunikationsausrüstung : Drahtlose Kommunikationsgeräte, die in der modernen industriellen Produktion weit verbreitet sind, wie Mobilfunk-Basisstationen, Funksprechgeräte, WLAN-Geräte usw., können ebenfalls elektromagnetische Störungen verursachen. Diese Kommunikationsgeräte senden im Betrieb hochfrequente elektromagnetische Wellen aus. Liegt die Betriebsfrequenz nahe an der der SPS, kann dies die Kommunikation und Datenverarbeitung der SPS beeinträchtigen. In einigen intelligenten Fabriken kommunizieren zahlreiche drahtlose Sensoren und Aktoren über drahtlose Netzwerke mit der SPS. Starke Störquellen in der Umgebung können zu Kommunikationsunterbrechungen oder Datenübertragungsfehlern führen.
- Andere elektrische Geräte : Elektrische Schweißgeräte, Leuchtstofflampen, Drehzahlregler mit variabler Frequenz und andere elektrische Geräte erzeugen im Betrieb ebenfalls elektromagnetische Störungen. Elektrische Schweißgeräte erzeugen beim Schweißen hochfrequente Impulsströme, die elektromagnetische Wellen in die Umgebung abstrahlen und benachbarte SPS stören. Leuchtstofflampen erzeugen beim Starten und Arbeiten hochfrequente Schwingungen, die ebenfalls Störungen an SPS verursachen. Drehzahlregler mit variabler Frequenz regeln die Motordrehzahl durch Änderung der Netzfrequenz und erzeugen im Betrieb zahlreiche Oberwellen, die über Stromleitungen und Raumstrahlung SPS stören.
Elektromagnetische Störungen beeinträchtigen die elektrische Leistung von PLC hauptsächlich auf zwei Arten: Leitung und Strahlung:
- Leitungsgebundene Störungen Leitungsgebundene Störungen sind elektromagnetische Störungen, die über Leiter wie Strom- und Signalleitungen in die SPS übertragen werden. In der industriellen Produktion können Störsignale aus dem Stromnetz über die Stromleitung in die SPS gelangen und deren normalen Betrieb beeinträchtigen. Störungen wie Spannungsspitzen und Oberschwingungen im Stromnetz werden über die Stromleitung an das Leistungsmodul der SPS übertragen und beeinträchtigen so andere Teile der SPS. Störungen auf der Signalleitung beeinträchtigen auch die Ein- und Ausgangssignale der SPS und verursachen Signalverzerrungen oder -fehler. Wenn die Signalleitung zwischen Sensor und SPS elektromagnetischen Störungen ausgesetzt ist, kann das vom Sensor ausgegebene Signal während der Übertragung gestört werden, wodurch die SPS falsche Signale empfängt und falsche Steuerungsentscheidungen trifft.
- Störstrahlung : Strahlungsstörungen beziehen sich auf elektromagnetische Störungen, die sich durch Raumstrahlung in die SPS ausbreiten. Befindet sich die SPS in einer Umgebung mit starker elektromagnetischer Strahlung, wirken sich die Strahlungsstörungen direkt auf die Schaltungskomponenten der SPS aus und beeinträchtigen deren normalen Betrieb. In der Nähe großer Umspannwerke können aufgrund starker elektromagnetischer Felder die umliegenden SPSen durch Strahlungsstörungen beeinträchtigt werden, was zu Programmfehlern oder Datenverlust führen kann. Strahlungsstörungen können auch das Kommunikationsnetzwerk der SPS beeinträchtigen und das Kommunikationssignal stören, was zu Kommunikationsunterbrechungen oder Datenübertragungsfehlern führen kann.
Um die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen auf die elektrische Leistung der SPS zu verringern, werden normalerweise die folgenden Maßnahmen ergriffen:
- Abschirmung : Schirmen Sie die SPS und die zugehörigen Geräte ab, um die Abstrahlung und den Empfang elektromagnetischer Störungen zu reduzieren. Metallische Abschirmgehäuse, Abschirmkabel usw. können verwendet werden, um die SPS von externen elektromagnetischen Störquellen zu isolieren. Das metallische Abschirmgehäuse blockiert das Eindringen externer elektromagnetischer Felder und schützt die internen Schaltkreise der SPS vor Störungen. Das Abschirmkabel reduziert effektiv die elektromagnetischen Störungen auf der Signalleitung und gewährleistet eine zuverlässige Signalübertragung.
- Filtern : Installieren Sie Filter an der Stromversorgungs- und Signalleitung, um Störsignale herauszufiltern. Der Stromversorgungsfilter kann hochfrequentes Rauschen und Störungen in der Stromversorgung entfernen, um die Stabilität der SPS-Stromversorgung zu gewährleisten. Der Signalfilter kann die Eingangs- und Ausgangssignale filtern, Störkomponenten in den Signalen entfernen und die Signalqualität verbessern.
- Erdung Eine gute Erdung ist eine wichtige Maßnahme zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen. Durch die Erdung des Metallgehäuses, der Abschirmschicht usw. der SPS kann Störstrom in die Erde abgeleitet werden, um zu verhindern, dass Störsignale das Innere der SPS beeinträchtigen. Gleichzeitig sind eine sinnvolle Erdungsanordnung und die Kontrolle des Erdungswiderstands sehr wichtig, um die Wirksamkeit der Erdung zu gewährleisten.
- Sinnvolle Verkabelung : Beim Verdrahten des SPS-Steuerungssystems sollten die Positionen von Strom-, Signal- und Steuerleitungen sinnvoll angeordnet werden, um gegenseitige Störungen zu vermeiden. Verlegen Sie Strom- und Signalleitungen getrennt, um Störungen der Strom- und Signalleitungen zu reduzieren. Vermeiden Sie zu lange Signalleitungen, um Störungen bei der Signalübertragung zu reduzieren.
3.3.2 Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit
Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit haben einen erheblichen Einfluss auf die elektrische Leistung der SPS. In einer industriellen Produktionsumgebung sind Änderungen dieser Faktoren komplex und erfordern besondere Aufmerksamkeit.
Die Temperatur ist einer der wichtigsten Umgebungsfaktoren, die die elektrische Leistung der SPS beeinflussen. Die Leistung der elektronischen Komponenten in der SPS ändert sich bei unterschiedlichen Temperaturen und beeinflusst somit die Gesamtleistung der SPS. Bei zu hoher Umgebungstemperatur steigt die Temperatur der elektronischen Komponenten aufgrund schlechter Wärmeableitung an. Dies führt zu Parameterabweichungen, wie z. B. Änderungen der Widerstands- und Kapazitätswerte, was wiederum den normalen Betrieb der Schaltung beeinträchtigt. Übermäßige Temperaturen können zudem die Lebensdauer elektronischer Komponenten verkürzen oder diese sogar beschädigen. In einer Umgebung mit hohen Temperaturen steigt der Leckstrom des Chips, der Stromverbrauch steigt und es entsteht mehr Wärme. Dies bildet einen Teufelskreis, der schließlich zum Durchbrennen des Chips führen kann. Studien zufolge kann sich die Lebensdauer elektronischer Komponenten pro 10 °C Temperaturanstieg um etwa 50 % verkürzen. In einigen industriellen Produktionsszenarien mit hohen Temperaturen, wie z. B. in der Stahlverhüttung und der Glasherstellung, überschreitet die Umgebungstemperatur häufig den normalen Betriebstemperaturbereich der SPS. Wenn keine wirksamen Maßnahmen zur Wärmeableitung ergriffen werden, sind die Zuverlässigkeit und Stabilität der SPS ernsthaft gefährdet.
Im Gegenteil: Bei zu niedrigen Umgebungstemperaturen kann die Leistung der elektronischen Komponenten in der SPS nachlassen. Beispielsweise verringert sich die Kapazität des Kondensators mit sinkender Temperatur, wodurch sich die Zeitkonstante der Schaltung ändert und die Signalverarbeitung und -übertragung beeinträchtigt wird. Auch die Leitungseigenschaften einiger Halbleiterbauelemente werden durch die Temperatur beeinflusst, was zu Logikfehlern oder Steuerungsstörungen führen kann. In der industriellen Produktion in kalten Regionen, beispielsweise in der Chemieproduktion im Winter, kann die SPS mit niedrigen Umgebungstemperaturen konfrontiert sein. Um einen normalen Betrieb zu gewährleisten, sind Isolierungsmaßnahmen erforderlich.
Der Einfluss von Feuchtigkeit auf die elektrische Leistung von SPS ist nicht zu vernachlässigen. Übermäßige Feuchtigkeit kann dazu führen, dass Feuchtigkeit von der Oberfläche der Leiterplatte im Inneren der SPS aufgenommen wird, was die Isolationsleistung der Leiterplatte verringert und das Risiko von Kurzschlüssen und Leckagen erhöht. Befindet sich Feuchtigkeit auf der Leiterplattenoberfläche, kann dies zu Problemen mit der elektrischen Verbindung zwischen elektronischen Komponenten und zu Ausfällen führen. In feuchter Umgebung neigen Metallteile zu Rost und Korrosion, was die mechanische Struktur und die elektrische Leistung der SPS beeinträchtigt. Sind das Gehäuse oder die internen Metallanschlüsse der SPS verrostet, kann dies zu schlechtem Kontakt führen, was die Signalübertragung und den normalen Betrieb des Geräts beeinträchtigt.
Darüber hinaus kann Feuchtigkeit auch chemische Korrosion an den elektronischen Komponenten der SPS verursachen, was deren Leistung und Lebensdauer weiter verkürzt. Beispielsweise reagieren einige wasserhaltige korrosive Gase wie Schwefelwasserstoff und Chlor in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit eher chemisch mit elektronischen Komponenten und können zu Bauteilschäden führen. In einigen Chemieunternehmen oder industriellen Produktionsumgebungen in Küstengebieten sind die Auswirkungen von Feuchtigkeit und korrosiven Gasen besonders schwerwiegend. Daher sind besondere Schutzmaßnahmen erforderlich, beispielsweise die Verwendung feuchtigkeits- und korrosionsbeständiger Gehäuse und Leiterplattenbeschichtungen, um die SPS vor Feuchtigkeit und korrosiven Gasen zu schützen.
Um den Einfluss von Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die elektrische Leistung der SPS zu reduzieren, werden üblicherweise die folgenden Maßnahmen ergriffen:
- Temperaturkontrolle Um eine geeignete Arbeitstemperatur für die SPS zu gewährleisten, kann die Umgebungstemperatur durch den Einbau von Wärmeableitungsgeräten, Klimaanlagen und anderen Geräten geregelt werden. In Hochtemperaturumgebungen werden Wärmeableitungsgeräte wie Radiatoren und Lüfter eingesetzt, um die in der SPS erzeugte Wärme abzuleiten und sicherzustellen, dass die Temperatur der elektronischen Komponenten im Normalbereich liegt. In Niedrigtemperaturumgebungen werden Heizgeräte oder Isoliermaterialien eingesetzt, um die Arbeitstemperatur der SPS aufrechtzuerhalten. In einigen großen industriellen Steuerungssystemen werden speziell für SPS-Schaltschränke Klimaanlagen installiert, um die Temperatur im Schaltschrank präzise zu regeln und einen stabilen Betrieb der SPS zu gewährleisten.
- Feuchtigkeitskontrolle Verwenden Sie Entfeuchtungsgeräte oder Trockenmittel, um die Luftfeuchtigkeit zu senken und das Innere der SPS trocken zu halten. Installieren Sie in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit einen Luftentfeuchter, um die Luftfeuchtigkeit zu reduzieren. Platzieren Sie Trockenmittel im SPS-Schaltschrank, um die Feuchtigkeit im Schrank zu absorbieren und die Leiterplatte vor Nässe zu schützen. Gleichzeitig können das Gehäuse und die Leiterplatte der SPS mit feuchtigkeitsbeständigen Mitteln wie feuchtigkeitsbeständiger Farbe oder Versiegelung behandelt werden, um die Feuchtigkeitsbeständigkeit zu verbessern.
- Schutzmaßnahmen : Für die SPS sollte ein Schutzdesign verwendet werden, z. B. durch die Verwendung von versiegelten Gehäusen und wasserdichten, atmungsaktiven Ventilen, um das Eindringen von Feuchtigkeit und Staub in die SPS zu verhindern. Das versiegelte Gehäuse hält Feuchtigkeit und Staub von außen wirksam ab und schützt die elektronischen Komponenten im Inneren der SPS. Das wasserdichte, atmungsaktive Ventil gleicht den Innen- und Außendruck aus und gewährleistet gleichzeitig die Abdichtung des Gehäuses. So wird das Eindringen von Feuchtigkeit und Staub durch Druckschwankungen verhindert. Zusätzlich können die elektronischen Komponenten im Inneren der SPS einer speziellen Behandlung unterzogen werden, z. B. durch Besprühen mit dreischichtiger Farbe (feuchtigkeitsbeständig, schimmelbeständig und salznebelbeständig), um ihre Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse zu verbessern.
4. Methoden und Technologien zur Optimierung der elektrischen Leistung von SPS
4.1 Strategie zur Hardwareoptimierung
4.1.1 Leistungsstarke Prozessoren und Hardware-Upgrades auswählen
In modernen industriellen Automatisierungssystemen steigen mit der kontinuierlichen Ausweitung des Produktionsumfangs und der zunehmenden Komplexität der Produktionsprozesse auch die Leistungsanforderungen an SPS. Die Wahl eines Hochleistungsprozessors ist eine der wichtigsten Maßnahmen zur Verbesserung der elektrischen Leistungsfähigkeit von SPS. Hochleistungsprozessoren verfügen über eine höhere Rechengeschwindigkeit und leistungsfähigere Datenverarbeitungsfunktionen, wodurch der SPS-Abtastzyklus deutlich verkürzt werden kann, schneller auf externe Signale reagiert und der Produktionsprozess präzise gesteuert werden kann. In automatisierten Hochgeschwindigkeitsproduktionslinien, wie beispielsweise Stanz- und Schweißproduktionslinien im Automobilbau, ist der Produktionsrhythmus eng und die Anlagen bewegen sich häufig, was eine extrem hohe Reaktionsgeschwindigkeit der SPS erfordert. Mit einem Prozessor mit hoher Rechengeschwindigkeit und hoher Verarbeitungsleistung kann die SPS große Datenmengen verarbeiten und Anweisungen in kurzer Zeit ausführen und so einen effizienten und stabilen Betrieb der Produktionslinie gewährleisten. Einer Fallstudie zufolge steigerte sich in einer Stanzproduktionslinie eines Automobilherstellers nach der Aufrüstung des ursprünglichen SPS-Prozessors auf einen Hochleistungsprozessor die Produktionseffizienz der Produktionslinie um 201 TP3T und die Produktqualifizierungsrate um 101 TP3T.
Bei der Auswahl eines Prozessors sind mehrere Schlüsselfaktoren zu berücksichtigen. Der erste ist die Kernarchitektur des Prozessors. Verschiedene Architekturen unterscheiden sich in Rechengeschwindigkeit, Stromverbrauch und Befehlssatz. Beispielsweise kann ein Prozessor mit fortschrittlicher Mehrkernarchitektur mehrere Aufgaben parallel verarbeiten und so die Recheneffizienz effektiv verbessern. Der zweite ist die Taktfrequenz des Prozessors. Eine höhere Taktfrequenz kann die Ausführung von Befehlen beschleunigen, erhöht aber auch den Stromverbrauch und die Anforderungen an die Wärmeableitung. Auch die Cache-Größe ist ein wichtiger Indikator. Ein größerer Cache kann die Anzahl der Speicherzugriffe des Prozessors reduzieren und die Datenlese- und -verarbeitungsgeschwindigkeit erhöhen. Im Produktionssteuerungssystem eines Chemieunternehmens wurde ein Hochleistungsprozessor mit großem Cache ausgewählt. Dadurch erhöhte sich die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit der SPS bei der Verarbeitung großer Prozessdatenmengen um 301 TP3T, was zu einer schnelleren Systemreaktion führte.
Hardware-Upgrades betreffen neben dem Prozessor auch andere wichtige Hardwarekomponenten. Der Arbeitsspeicher ist eine wichtige Komponente für die Speicherung von Programmen und Daten. Seine Kapazität sowie Lese- und Schreibgeschwindigkeit haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der SPS. Durch die Erhöhung der Speicherkapazität kann die SPS mehr Programme und Daten speichern und so Programmfehler aufgrund unzureichenden Speichers vermeiden. Gleichzeitig kann der Einsatz von Hochgeschwindigkeitsspeicher das Lesen und Schreiben von Daten beschleunigen und die Gesamtleistung des Systems verbessern. In einer automatisierten Produktionslinie eines Elektronikherstellers konnte durch die Verdoppelung der Speicherkapazität der SPS und den Austausch gegen Hochgeschwindigkeitsspeicher die Betriebsstabilität des Systems deutlich verbessert und das Problem von Verzögerungen bei der Datenverarbeitung im Produktionsprozess effektiv gelöst werden.
Das Ein-/Ausgabemodul (E/A) bildet die Brücke zwischen der SPS und externen Geräten. Seine Leistung beeinflusst direkt die Fähigkeit der SPS, externe Signale zu erfassen und zu steuern. Beim Upgrade des E/A-Moduls sollten Sie Produkte mit schneller Reaktionszeit und hoher Präzision wählen. Für Hochgeschwindigkeits-Bewegungssteuerungsszenarien, wie z. B. die Roboterbewegungssteuerung, sind E/A-Module mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit erforderlich, um sicherzustellen, dass die SPS Signale von Positionssensoren zeitnah erfassen und die Motorbewegung präzise steuern kann. In der Montagelinie eines Roboterherstellers kommen hochpräzise E/A-Module mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit zum Einsatz, die die Bewegungssteuerungsgenauigkeit des Roboters um 15 % und die Montageeffizienz um 18 % verbessern.
Bei Hardware-Upgrades müssen Kompatibilitäts- und Stabilitätsaspekte umfassend berücksichtigt werden. Neue Hardwarekomponenten sollten mit anderen Komponenten des bestehenden Systems kompatibel sein, um Hardwarekonflikte oder -inkongruenzen zu vermeiden. Vor dem Upgrade ist eine umfassende Bewertung des bestehenden Systems erforderlich, um Modell, Spezifikationen und Schnittstellentyp jeder Hardwarekomponente zu verstehen und sicherzustellen, dass die neue Hardware reibungslos angeschlossen werden kann. Gleichzeitig muss das aktualisierte System gründlich getestet und debuggt werden, einschließlich Funktionstests, Leistungstests und Stabilitätstests, um einen stabilen und zuverlässigen Systembetrieb unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Bei einem Automatisierungs-Upgradeprojekt eines Stahlunternehmens kam es aufgrund unzureichender Berücksichtigung von Kompatibilitätsproblemen während des Hardware-Upgrade-Prozesses zu Kommunikationsfehlern zwischen dem neu installierten E/A-Modul und dem SPS-Host. Nach mehrmaligem Debuggen und Hardware-Austausch konnte das Problem behoben werden, was dem Unternehmen erhebliche wirtschaftliche Verluste verursachte. Daher sind Kompatibilitäts- und Stabilitätsaspekte bei Hardware-Upgrades von entscheidender Bedeutung. Nur durch eine gute Kompatibilität und Stabilität zwischen der neuen Hardware und dem bestehenden System kann der gewünschte Effekt erzielt und die elektrische Leistung der SPS verbessert werden.
4.1.2 Energieverwaltung und Maßnahmen zur Störungsbeseitigung
Als Grundlage für den normalen Betrieb der SPS haben die Stabilität und Qualität der Stromversorgung einen entscheidenden Einfluss auf deren elektrische Leistung. In industriellen Produktionsumgebungen sind Netzspannungsschwankungen, Spannungsspitzen und Stromrauschen häufig, die zu Funktionsstörungen der SPS oder sogar zu Geräteschäden führen können. Daher sind effektives Energiemanagement und Entstörungsmaßnahmen der Schlüssel für einen stabilen Betrieb der SPS.
Spannungsstabilisierung und -filterung sind wichtige Maßnahmen im Energiemanagement. Spannungsstabilisierungsgeräte gewährleisten die Stabilität der Ausgangsspannung und halten sie innerhalb eines bestimmten Bereichs konstant. In der industriellen Produktion kann die Netzspannung aufgrund von Laständerungen, Netzausfällen usw. schwanken und den normalen Betriebsspannungsbereich der SPS überschreiten. Stabilisierte Netzteile, wie lineare oder schaltstabilisierte Netzteile, können Spannungsschwankungen effektiv unterdrücken und eine stabile Betriebsspannung für die SPS bereitstellen. Lineare Netzteile stabilisieren die Ausgangsspannung durch Anpassung des Leitfähigkeitsgrads des Transistors. Sie bieten die Vorteile einer stabilen Ausgangsspannung und geringer Welligkeit, haben jedoch einen relativ geringen Wirkungsgrad. Schaltstabilisierte Netzteile hingegen regeln die Ausgangsspannung über einen Hochfrequenz-Schaltkreis mit hohem Wirkungsgrad, aber relativ hoher Welligkeit. Bei hohen Anforderungen an die Stabilität der Stromversorgung, wie z. B. bei der Steuerung von Präzisionsinstrumenten oder der Herstellung elektronischer Chips, eignen sich lineare Netzteile. Bei hohen Anforderungen an die Effizienz, wie z. B. bei der Steuerung großer Industrieanlagen, eignen sich schaltstabilisierte Netzteile.
Die Filterschaltung dient dazu, hochfrequentes Rauschen und Störsignale aus der Stromversorgung zu entfernen und so deren Reinheit zu gewährleisten. Gängige Filterschaltungen sind Kondensatorfilter, Induktivitätsfilter und LC-Filter. Die kapazitive Filterung nutzt die Lade- und Entladeeigenschaften des Kondensators, um das hochfrequente Rauschen in der Stromversorgung gegen Erde abzuleiten und so den Filterzweck zu erfüllen. Die induktive Filterung nutzt die hemmende Wirkung der Induktivität auf Stromänderungen, um den Stromversorgungsstrom zu glätten und Stromschwankungen zu reduzieren. Die LC-Filterung ist eine Kombination aus Kondensatoren und Induktivitäten, die die Vorteile beider Filter vereint und hoch- und niederfrequentes Rauschen in der Stromversorgung effektiver herausfiltern kann. Im SPS-Steuerungssystem eines Chemieunternehmens ist am Stromeingang eine LC-Filterschaltung installiert. Diese entfernt Oberwellen und hochfrequentes Rauschen in der Stromversorgung effektiv, verbessert die Betriebsstabilität der SPS deutlich und reduziert das Risiko von Stromstörungen.
Entstörungsmaßnahmen sind ein wichtiges Mittel, um den normalen Betrieb von SPS in komplexen Industrieumgebungen sicherzustellen. Die Abschirmtechnologie isoliert die SPS durch den Einsatz von Metallabschirmgehäusen, Abschirmkabeln usw. von externen elektromagnetischen Störquellen und reduziert so die Abstrahlung und den Empfang elektromagnetischer Störungen. Das Metallabschirmgehäuse blockiert das Eindringen externer elektromagnetischer Felder und schützt die internen Schaltkreise der SPS vor Störungen. Das Abschirmkabel reduziert effektiv elektromagnetische Störungen auf der Signalleitung und gewährleistet eine zuverlässige Signalübertragung. Im Überwachungssystem eines Umspannwerks verwendet die SPS ein vollständig metallisches Abschirmgehäuse und nutzt abgeschirmte Kabel zum Anschluss von Sensoren und Aktoren. Dies schützt effektiv vor starken elektromagnetischen Störungen im Umspannwerk und gewährleistet einen stabilen Systembetrieb.
Erdung ist eine wichtige Maßnahme zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen. Eine gute Erdung kann Störströme in die Erde leiten und so verhindern, dass Störsignale die SPS beeinflussen. Die SPS-Steuerung sollte ein unabhängiges Erdungssystem verwenden und sicherstellen, dass der Erdungswiderstand unter dem angegebenen Wert liegt, der in der Regel unter 10 Ohm liegen sollte. Gleichzeitig ist auf die Erdungsmethode und -anordnung zu achten, um Erdungsschleifen und Erdpotentialunterschiede zu vermeiden und so die Entstehung neuer Störungen zu verhindern. In der automatisierten Produktionslinie eines Automobilwerks konnten durch die Optimierung des SPS-Erdungssystems, die Einführung einer Einzelpunkt-Erdung und eine sinnvolle Anordnung der Erdungsleitungen die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen auf die SPS effektiv reduziert und die Betriebseffizienz und -stabilität der Produktionslinie verbessert werden.
Darüber hinaus können Isolationstechnologien wie photoelektrische Isolation und Transformatorisolation eingesetzt werden, um die SPS von externen Geräten zu isolieren und so das Eindringen externer Störsignale über elektrische Verbindungen zu verhindern. Bei der photoelektrischen Isolation werden Optokoppler zur elektrischen Trennung von Eingangs- und Ausgangssignalen eingesetzt, um das Eindringen von Störsignalen effektiv zu verhindern. Die Transformatorisolation isoliert Eingangs- und Ausgangssignale über Transformatoren und kann zudem bei der Spannungswandlung und Impedanzanpassung eine Rolle spielen. In automatisierten Fertigungsstraßen werden photoelektrische Isolatoren eingesetzt, um die Eingangs- und Ausgangssignale der SPS zu isolieren. Dies verbessert die Entstörungsfähigkeit des Systems und reduziert Fehlfunktionen durch Signalstörungen. Durch umfassende Energiemanagement- und Entstörungsmaßnahmen wie Spannungsstabilisierung, Filterung, Abschirmung, Erdung und Isolation kann die elektrische Leistung der SPS effektiv verbessert und ein stabiler und zuverlässiger Betrieb in komplexen Industrieumgebungen gewährleistet werden.
4.2 Softwareoptimierungstechnologie
4.2.1 Fortgeschrittene Programmiertechnologie und Algorithmenanwendung
In der SPS-Programmierung spielt der Einsatz fortschrittlicher Programmiertechnologien und Algorithmen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Systemleistung und der Steuerungseffekte. Strukturierte Programmierung ist ein wichtiges Programmierkonzept und zerlegt komplexe Programmlogik in mehrere Module mit klaren Funktionen und unabhängig voneinander. Jedes Modul konzentriert sich auf die Erfüllung spezifischer Aufgaben. Diese modulare Designmethode macht die Programmstruktur übersichtlich, leicht verständlich und wartbar. Im Steuerungssystem einer automatisierten Großproduktionslinie können Funktionen wie Materialtransport, -verarbeitung und -erkennung in verschiedenen Modulen zusammengefasst werden. Das Materialtransportmodul steuert Start und Stopp des Förderbands, die Geschwindigkeitsregelung und die Materialpositionierung. Das Verarbeitungsmodul steuert die Aktionen verschiedener Verarbeitungsgeräte gemäß den Prozessanforderungen, wie Stanzen, Schweißen, Schneiden usw. Das Erkennungsmodul überwacht die Produktqualität in Echtzeit, um festzustellen, ob das Produkt den Standards entspricht. Durch strukturierte Programmierung interagiert jedes Modul mit Daten und arbeitet über eine übersichtliche Schnittstelle zusammen, was die Lesbarkeit und Wartbarkeit des Programms erheblich verbessert. Wenn sich der Prozess der Produktionslinie ändert oder ein Fehler auftritt, können Techniker das entsprechende Modul zur Änderung und Fehlerbehebung schnell lokalisieren und so die Auswirkungen auf das gesamte System reduzieren.
Objektorientierte Programmierung (OOP) wird auch in der SPS-Programmierung zunehmend eingesetzt. Sie führt Konzepte wie Klassen, Objekte, Kapselung, Vererbung und Polymorphismus ein und ermöglicht so eine höhere Abstraktionsebene und eine bessere Wiederverwendbarkeit von Code in der SPS-Programmierung. Im Steuerungssystem einer Smart Factory können verschiedene Geräte in verschiedene Klassen abstrahiert werden, beispielsweise Motorklassen, Sensorklassen, Ventilklassen usw. Jede Klasse kapselt die Eigenschaften und Betriebsmethoden des Geräts. Die Motorklasse kann Eigenschaften und Methoden wie Drehzahl, Drehrichtung, Start und Stopp des Motors enthalten; die Sensorklasse kann Eigenschaften und Methoden wie Sensortyp, Messbereich und Lesedaten enthalten. Durch die Erstellung von Objekten der Klasse zur Instanziierung spezifischer Geräte kann der Vererbungsmechanismus genutzt werden, um Code wiederzuverwenden und die Erstellung doppelten Codes zu reduzieren. Bei mehreren Motortypen mit gemeinsamen Eigenschaften und Methoden kann eine Basisklasse „Motor“ erstellt und anschließend spezifische Motorunterklassen wie „Wechselstrommotor“ und „Gleichstrommotor“ abgeleitet werden. Die Unterklasse kann die Eigenschaften und Methoden der Basisklasse erben und diese entsprechend ihren eigenen Merkmalen erweitern und neu schreiben. Polymorphismus ermöglicht es dem Programm, die entsprechende Methode entsprechend dem tatsächlichen Objekttyp aufzurufen, was die Flexibilität und Erweiterbarkeit des Programms verbessert. Bei der Motorsteuerung, egal ob Wechselstrom- oder Gleichstrommotor, können Methoden wie „Start“ und „Stopp“ über eine einheitliche Schnittstelle aufgerufen werden. Das System führt die entsprechenden Operationen basierend auf dem tatsächlichen Objekttyp aus.
Neben fortschrittlichen Programmiertechniken spielen Optimierungsalgorithmen eine wichtige Rolle in der SPS-Steuerung. Als intelligenter Regelungsalgorithmus kann der Fuzzy-Regelalgorithmus komplexe nichtlineare Systeme und Unsicherheitsprobleme bewältigen und eignet sich besonders für Regelungsszenarien, in denen die Erstellung eines präzisen mathematischen Modells schwierig ist. In einem Temperaturregelsystem wird die Temperaturänderung von vielen Faktoren beeinflusst, wie z. B. Umgebungstemperatur, Heizleistung und Wärmeableitungsbedingungen. Es ist schwierig, ein präzises mathematisches Modell zu erstellen, das die Beziehung zwischen Temperatur und diesen Faktoren beschreibt. Mithilfe des Fuzzy-Regelalgorithmus, der Definition von Fuzzy-Variablen (wie Temperaturabweichung, Temperaturänderungsrate usw.) und Fuzzy-Regeln (z. B. Erhöhung der Heizleistung bei großer Temperaturabweichung und kleiner Temperaturänderungsrate; Reduzierung der Heizleistung bei kleiner Temperaturabweichung und großer Temperaturänderungsrate usw.) kann die SPS die Regelungsstrategie flexibel an den tatsächlichen Temperaturmesswert und die sich ändernde Situation anpassen, um eine präzise Temperaturregelung zu erreichen. Im Vergleich zum herkömmlichen PID-Regelalgorithmus kann sich der Fuzzy-Regelalgorithmus besser an dynamische Systemänderungen anpassen und die Genauigkeit und Stabilität der Regelung verbessern. In der Praxis hat der Fuzzy-Regelalgorithmus gute Regeleffekte in der chemischen Produktion, im Smart Home, in Energiesystemen und anderen Bereichen erzielt und so die Produktionseffizienz und Produktqualität effektiv verbessert.
Neuronale Netzalgorithmen sind ein weiterer leistungsstarker intelligenter Algorithmus. Sie verfügen über die Fähigkeit zum Selbstlernen, zur Selbstanpassung und zur Mustererkennung und können komplexe nichtlineare Systeme modellieren und vorhersagen. In der industriellen Produktion können neuronale Netzalgorithmen zur Fehlerdiagnose, Qualitätsprognose und Optimierungssteuerung eingesetzt werden. Bei der Fehlerdiagnose von Anlagen erfasst das trainierte neuronale Netz verschiedene Betriebsdaten wie Vibration, Temperatur, Stromstärke usw. als Eingaben. Dadurch lernt das neuronale Netz die charakteristischen Datenmuster im Normalbetrieb und im Fehlerzustand. Im laufenden Betrieb analysiert und beurteilt das neuronale Netz die in Echtzeit erfassten Daten und kann rechtzeitig und präzise erkennen, ob ein Fehler vorliegt, sowie Fehlerart und -ort identifizieren. Im Hinblick auf die Qualitätsprognose kann das neuronale Netz die Produktqualität anhand verschiedener Parameter im Produktionsprozess (wie Rohstoffqualität, Prozessparameter usw.) vorhersagen, potenzielle Qualitätsprobleme im Voraus erkennen und entsprechende Anpassungs- und Verbesserungsmaßnahmen ergreifen, um die Produktqualität zu verbessern. Bei der Optimierungssteuerung kann das neuronale Netzwerk die Steuerungsparameter automatisch entsprechend den Produktionszielen und -beschränkungen optimieren, den Produktionsprozess optimal steuern und so die Produktionseffizienz und den wirtschaftlichen Nutzen verbessern. Die Anwendung neuronaler Netzwerkalgorithmen in der intelligenten Fertigung, der Luft- und Raumfahrt, dem Transportwesen und anderen Bereichen wird immer umfassender und unterstützt die Intelligenz und Automatisierung der industriellen Produktion nachhaltig.
4.2.2 Optimierung und Wartung von Softwaresystemen
Die Optimierung und Wartung von Softwaresystemen ist ein Schlüsselfaktor für den stabilen und effizienten Betrieb von SPS und steht in direktem Zusammenhang mit der Kontinuität und Stabilität der industriellen Produktion. Codeoptimierung ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Softwareleistung. Durch Analyse und Verbesserung des Programmcodes können Ausführungszeit und Ressourcenverbrauch reduziert und die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems verbessert werden. Bei der Codeoptimierung muss zunächst die logische Struktur des Programms überprüft werden, um redundanten Code und unnötige Berechnungen zu entfernen. Wiederholte Berechnungsschritte oder bedingte Beurteilungen in einem Datenverarbeitungsprogramm können extrahiert und in eine unabhängige Funktion oder ein unabhängiges Modul umgewandelt werden. Durch Aufruf dieser Funktion oder dieses Moduls können wiederholte Berechnungen vermieden und die Ausführungseffizienz des Codes verbessert werden. Ändert sich in einer Schleifenstruktur die Schleifenbedingung nicht in jeder Schleife, kann sie außerhalb der Schleife extrahiert werden, um den Berechnungsaufwand innerhalb der Schleife zu reduzieren.
Die Algorithmusoptimierung ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt der Codeoptimierung. Bei einigen komplexen Rechenaufgaben kann die Wahl eines geeigneten Algorithmus die Recheneffizienz deutlich verbessern. Unter den Sortieralgorithmen beträgt die durchschnittliche Zeitkomplexität des Quicksort-Algorithmus O(n log n), während die durchschnittliche Zeitkomplexität des Bubblesort-Algorithmus O(n^2) beträgt. Bei der Sortierung großer Datenmengen kann der Quicksort-Algorithmus die Sortierzeit erheblich reduzieren. In der Praxis ist es notwendig, je nach Problemstellung und Datenmenge geeignete Algorithmen auszuwählen, um die Programmleistung zu verbessern. Auch die richtige Verwendung des Befehlssatzes und der Funktionsblöcke der SPS kann den Code optimieren. Verschiedene SPS-Befehle haben unterschiedliche Ausführungseffizienzen. Das Verstehen und der geschickte Einsatz effizienter Befehle kann die Programmausführungszeit verkürzen. Einige SPS bieten spezielle mathematische Operations- und Logikverarbeitungsbefehle, die für eine schnellere Ausführung optimiert sind. Beim Schreiben von Programmen sollten Sie diese effizienten Befehle priorisieren und ineffiziente Befehlskombinationen vermeiden.
Speicherverwaltung ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Softwaresystemoptimierung. Im Betrieb der SPS ist eine sinnvolle Zuweisung und Verwaltung der Speicherressourcen entscheidend, um Speicherlecks und Speicherfragmentierung zu vermeiden und so die Stabilität und Leistung des Systems zu gewährleisten. Ein Speicherleck bedeutet, dass ein Programm nach der Speicheranforderung den zugewiesenen Speicher aus irgendeinem Grund nicht freigeben kann. Dies führt zu einer kontinuierlichen Reduzierung der Speicherressourcen und kann schließlich zu einem Systemabsturz führen. Um Speicherlecks zu vermeiden, stellen Sie beim Schreiben von Programmen sicher, dass für alle angeforderten Speicher entsprechende Freigabevorgänge vorhanden sind. Nachdem Sie dynamische Speicherzuweisungsfunktionen (z. B. die malloc-Funktion in C) zum Anfordern von Speicher verwendet haben, rufen Sie unbedingt die entsprechende Freigabefunktion (z. B. die free-Funktion) auf, um den Speicher freizugeben, sobald er nicht mehr benötigt wird. Achten Sie gleichzeitig auf den Zeitpunkt der Speicherfreigabe, um eine zu frühe oder zu späte Freigabe zu vermeiden.
Speicherfragmentierung beschreibt die Situation, in der der Speicherplatz aufgrund unterschiedlicher Blockgrößen bei der Speicherzuweisung und -freigabe in viele kleine Blöcke aufgeteilt wird. Diese kleinen Blöcke können nicht effektiv genutzt werden, was die Speicherauslastung reduziert. Um die Speicherfragmentierung zu reduzieren, können geeignete Speicherzuweisungsstrategien wie die Zuweisung von Speicherblöcken mit fester Größe und die Speicherpool-Technologie angewendet werden. Bei der Zuweisung von Speicherblöcken mit fester Größe wird der Speicher in mehrere Speicherblöcke mit fester Größe aufgeteilt. Bei jeder Speicherzuweisung wird aus diesen Speicherblöcken mit fester Größe der passende Block zur Zuweisung ausgewählt, wodurch die Speicherfragmentierung reduziert werden kann. Bei der Speicherpool-Technologie wird ein großer Speicherplatz vorab als Speicherpool zugewiesen. Wenn ein Programm Speicher zuweisen muss, ruft es den Speicherblock aus dem Speicherpool ab. Wird der Speicherblock nicht mehr benötigt, wird er wieder in den Speicherpool zurückgelegt, anstatt direkt an das Betriebssystem freigegeben zu werden. Dadurch können häufige Speicherzuweisungs- und -freigabevorgänge vermieden und die Speicherfragmentierung reduziert werden.
Die Wartungsstrategie des Softwaresystems ist entscheidend für den langfristig stabilen Betrieb der SPS. Regelmäßige Software-Updates sind eine wichtige Maßnahme zur Systempflege. Softwareanbieter beheben kontinuierlich Schwachstellen und Mängel, fügen neue Funktionen hinzu und optimieren die Leistung. Durch regelmäßige Software-Updates erhalten Sie die neuesten Sicherheitspatches und Leistungsoptimierungen, um die Stabilität und Sicherheit der Software zu verbessern. Vor der Aktualisierung sollten Sie eine umfassende Sicherung des bestehenden Systems, einschließlich Programmcode, Daten und Konfigurationsdateien, erstellen, um Probleme während des Aktualisierungsvorgangs zu vermeiden, die zu Datenverlust oder Systemausfällen führen können. Führen Sie nach der Aktualisierung einen umfassenden Systemtest durch, um sicherzustellen, dass die neue Softwareversion normal funktioniert und die Funktionen und die Leistung des bestehenden Systems nicht beeinträchtigt.
Software-Backups sind ebenfalls ein wichtiger Bestandteil der Softwarewartung. Regelmäßige Software-Backups verhindern Softwareverluste oder -schäden durch Hardwarefehler, Virenbefall, menschliches Versagen usw. Backup-Dateien sollten an einem sicheren und zuverlässigen Ort, z. B. auf externen Speichergeräten oder Netzwerkservern, gespeichert werden. Gleichzeitig sollten Backup-Dateien regelmäßig überprüft werden, um ihre Integrität und Verfügbarkeit sicherzustellen. Bei einem Systemausfall kann die Software rechtzeitig aus den Backup-Dateien wiederhergestellt werden, um Systemausfallzeiten zu reduzieren und die Produktionskontinuität zu gewährleisten. Achten Sie bei der Software-Sicherung auf Häufigkeit und Inhalt der Backups und legen Sie das Backup-Intervall sinnvoll anhand der Wichtigkeit des Systems und der Häufigkeit der Datenaktualisierungen fest. Bei wichtigen Systemen und häufig aktualisierten Daten sollte die Backup-Häufigkeit erhöht werden, um die Datensicherheit zu gewährleisten. Neben der regelmäßigen Aktualisierung und Sicherung der Software sollten Sie ein vollständiges Protokoll und eine Dokumentation der Softwarewartung erstellen. Die Protokolle sollten Informationen wie Aktualisierungszeitpunkt, Aktualisierungsinhalt, Backup-Zeitpunkt, Backup-Speicherort sowie Systemfehler und -lösungen enthalten. Diese Protokolle helfen Technikern, den Betriebs- und Wartungsverlauf der Software zu verstehen und Probleme rechtzeitig zu erkennen und zu beheben. Zu den Softwaredokumenten sollten Softwaredesigndokumente, Benutzerhandbücher, Betriebsanleitungen usw. gehören. Diese Dokumente sind für die Softwarewartung und -aktualisierung sehr wichtig und können Technikern helfen, die Funktionen und die Verwendung der Software schnell zu verstehen und die Wartungseffizienz zu verbessern.
4.3 Maßnahmen zur Umweltoptimierung
4.3.1 Elektromagnetische Abschirmung und Erdungstechnik
Elektromagnetische Abschirmung und Erdungstechnologie sind wichtige Mittel zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen und zur Gewährleistung der elektrischen Leistung von SPS. In industriellen Automatisierungsumgebungen sind elektromagnetische Störungen relativ häufig und beeinträchtigen den stabilen Betrieb von SPS erheblich. Daher ist es wichtig, diese Technologien gründlich zu verstehen und effektiv anzuwenden.
Die elektromagnetische Abschirmungstechnologie basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Dabei werden metallische Abschirmmaterialien wie Kupfer und Aluminium verwendet, um die SPS und die zugehörigen Geräte zu einem abgeschirmten Raum zu umgeben. Wirkt ein externes elektromagnetisches Feld auf die Abschirmung, induziert die Oberfläche der Abschirmung Ladungen. Diese Ladungen erzeugen ein induziertes elektromagnetisches Feld, das dem externen elektromagnetischen Feld entgegengerichtet ist. Dadurch wird ein Teil des Einflusses des externen elektromagnetischen Felds ausgeglichen und die elektrische Feldstärke innerhalb der Abschirmung deutlich reduziert. In Industrieanlagen mit starken elektromagnetischen Störungen, beispielsweise in der Nähe eines großen Umspannwerks, kann eine metallische Abschirmhülle um den SPS-Schaltschrank das Eindringen externer elektromagnetischer Felder wirksam abwehren und die internen Schaltkreise der SPS vor Störungen schützen. Die Abschirmwirkung hängt eng mit der Leitfähigkeit, Dicke und Integrität des Abschirmmaterials zusammen. Je besser die Leitfähigkeit des Materials, beispielsweise Kupfer, desto besser die Abschirmwirkung; eine entsprechend erhöhte Dicke des Abschirmmaterials kann die Abschirmwirkung ebenfalls verbessern. Die Integrität der Abschirmung erfordert, dass die Abschirmung frei von Defekten wie Rissen und Löchern ist, um das Austreten elektromagnetischer Störungen zu verhindern.
Bei der Erdungstechnologie werden das Metallgehäuse, die Abschirmschicht usw. der SPS gut mit der Erde verbunden, damit der Störstrom ungehindert über das Erdungskabel in die Erde fließen kann und so verhindert wird, dass das Störsignal das Innere der SPS beeinflusst. Der Erdungswiderstand ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Erdungswirkung. Im Allgemeinen muss der Erdungswiderstand weniger als 10 Ohm betragen. In Situationen, in denen eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit erforderlich ist, sollte der Erdungswiderstand weniger als 1 Ohm betragen. In praktischen Anwendungen sollte das SPS-Steuerungssystem ein unabhängiges Erdungssystem verwenden, um die gemeinsame Erdung mit anderen Geräten zu vermeiden und so Erdpotenzialunterschiede und Erdschleifenströme zu vermeiden. Auch die Wahl der Erdungsmethode ist entscheidend. Gängige Erdungsmethoden sind Einzelpunkterdung, Mehrpunkterdung und gemischte Erdung. Einzelpunkterdung eignet sich für Niederfrequenzschaltungen und kann Störungen durch Erdschleifenströme wirksam vermeiden; Mehrpunkterdung eignet sich für Hochfrequenzschaltungen und kann die Erdimpedanz verringern und die Erdungswirkung verbessern; Gemischte Erdung kombiniert die Vorteile von Einzelpunkt- und Mehrpunkterdung und wählt je nach Schaltungseigenschaften geeignete Erdungsmethoden aus. In einem SPS-Steuerungssystem mit analogen und digitalen Schaltungen kann der analoge Schaltungsteil Einzelpunkterdung nutzen, um Störungen des analogen Signals zu reduzieren; der digitale Schaltungsteil nutzt Mehrpunkterdung, um die Übertragungsstabilität digitaler Signale zu verbessern.
In der Praxis müssen elektromagnetische Abschirmung und Erdungstechnologie oft kombiniert werden, um eine optimale Entstörungswirkung zu erzielen. In einer großen automatisierten Produktionslinie verwendet der SPS-Schaltschrank eine metallische Abschirmhülle zur elektromagnetischen Abschirmung, die gut geerdet ist. Die Signalleitung im Schaltschrank verwendet ein abgeschirmtes Kabel, dessen Abschirmschicht an einem Ende geerdet ist, um elektromagnetische Störungen während der Signalübertragung zu reduzieren. Durch diese umfassende Anwendung wird die Entstörungsfähigkeit des SPS-Steuerungssystems effektiv verbessert und ein stabiler Betrieb der Produktionslinie gewährleistet. Bei der Auslegung der elektromagnetischen Abschirmung und Erdung müssen auch Faktoren wie die tatsächlichen Anforderungen des Systems und der Installationsumgebung berücksichtigt und geeignete Parameter wie Abschirmmaterialien, Erdungsmethoden und Erdungswiderstand ausgewählt werden, um eine optimale Entstörungswirkung zu erzielen.
4.3.2 Umweltüberwachung und -kontrolle
In einer industriellen Produktionsumgebung wird der normale Betrieb von SPS erheblich durch Umgebungsfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Daher ist die Implementierung effektiver Umweltüberwachungs- und -kontrollmaßnahmen entscheidend, um die elektrische Leistung und Stabilität der SPS zu gewährleisten.
Temperatursensoren sind gängige Geräte zur Überwachung der Umgebungstemperatur. Ihr Funktionsprinzip basiert auf dem thermischen Widerstandseffekt oder Thermoelementeffekt von Materialien. Thermowiderstandstemperatursensoren nutzen die Eigenschaft, dass sich der Widerstandswert von Metallleitern oder Halbleitermaterialien mit der Temperatur ändert, und berechnen die Temperatur durch Messung des Widerstandswerts. Platin-Widerstandstemperatursensoren zeichnen sich durch hohe Präzision und Stabilität aus und werden häufig in der industriellen Temperaturmessung eingesetzt. Thermoelement-Temperatursensoren basieren auf dem thermoelektrischen Effekt zweier unterschiedlicher Metallleiter. Bilden zwei unterschiedliche Metallleiter einen geschlossenen Kreislauf und besteht zwischen den beiden Enden ein Temperaturunterschied, entsteht im Kreislauf ein thermoelektrisches Potenzial, dessen Messung die Temperatur bestimmt. Thermoelement-Temperatursensoren reagieren schnell und eignen sich für Hochtemperaturmessungen. Durch die Installation eines Temperatursensors im SPS-Schaltschrank kann die Temperatur im Schaltschrank in Echtzeit überwacht werden. Überschreitet die Temperatur den eingestellten Grenzwert, wird rechtzeitig ein Alarm ausgelöst, der den Bediener an entsprechende Kühlmaßnahmen erinnert.
Feuchtigkeitssensoren werden zur Überwachung der Umgebungsfeuchtigkeit eingesetzt. Gängige Feuchtigkeitssensoren sind kapazitive, resistive und keramische. Kapazitive Feuchtigkeitssensoren nutzen die Eigenschaft der sich mit der Feuchtigkeit ändernden Dielektrizitätskonstante feuchtigkeitsempfindlicher Materialien, um die Feuchtigkeit durch Messung der Kapazität zu bestimmen. Resistive Feuchtigkeitssensoren basieren auf dem Prinzip der sich mit der Feuchtigkeit ändernden Widerstandsänderung feuchtigkeitsempfindlicher Materialien, wobei die Feuchtigkeit durch Widerstandsmessung gemessen wird. Keramische Feuchtigkeitssensoren zeichnen sich durch schnelle Reaktionszeiten, hohe Genauigkeit und gute Stabilität aus und werden häufig zur industriellen Feuchtigkeitsüberwachung eingesetzt. In industriellen Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, wie z. B. in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben und Chemiewerken, kann durch den Einbau von Feuchtigkeitssensoren die Umgebungsfeuchtigkeit in Echtzeit überwacht werden. Überschreitet die Luftfeuchtigkeit den normalen Arbeitsbereich der SPS, können rechtzeitig Entfeuchtungsmaßnahmen ergriffen werden, um feuchtigkeitsbedingte SPS-Ausfälle zu verhindern.
Ergreifen Sie anhand der Daten der Umgebungsüberwachung entsprechende Kontrollmaßnahmen, um sicherzustellen, dass die SPS unter geeigneten Umgebungsbedingungen arbeitet. Klimaanlagen sind ein gängiges Gerät zur Temperaturregelung. In einer Umgebung mit hohen Temperaturen kann eine Klimaanlage die Temperatur im SPS-Schaltschrank senken und so den normalen Betrieb der SPS gewährleisten. In einigen großen Industrieanlagen wird zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs der SPS-Steuerung eine Präzisionsklimaanlage speziell für den SPS-Schaltschrank installiert, um die Temperatur im Schrank präzise auf etwa 25 °C zu regeln und so die Zuverlässigkeit und Stabilität der SPS effektiv zu verbessern.
Luftentfeuchter sind ein wichtiges Gerät zur Regulierung der Luftfeuchtigkeit. In Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit kann der Einsatz eines Luftentfeuchters den Feuchtigkeitsgehalt der Luft reduzieren und das Innere der SPS trocken halten. In einigen unterirdischen Fabriken oder Industriebetrieben in Küstengebieten ist der SPS-Schaltschrank aufgrund der hohen Luftfeuchtigkeit mit einem Luftentfeuchter ausgestattet, um die Luftfeuchtigkeit im Bereich von 40 °C bis 60 °C zu regeln und so Kurzschlüsse, Korrosion und andere feuchtigkeitsbedingte Fehler zu vermeiden.
Darüber hinaus können weitere Zusatzmaßnahmen ergriffen werden, beispielsweise der Einbau von Lüftern in den SPS-Schaltschrank zur Verbesserung der Luftzirkulation und Wärmeableitung oder der Einsatz von Trockenmitteln zur Absorption von Feuchtigkeit im Schaltschrank, um die Luftfeuchtigkeit weiter zu senken. Bei einigen kleinen SPS-Steuerungssystemen wird durch den Einbau von Lüftern und Trockenmitteln im Schaltschrank die Arbeitsumgebung der SPS effektiv verbessert und die Systemstabilität erhöht. Durch die Implementierung von Umweltüberwachungs- und -kontrollmaßnahmen kann eine geeignete Arbeitsumgebung für die SPS geschaffen werden, wodurch die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf die elektrische Leistung der SPS reduziert und die Kontinuität und Stabilität der industriellen Produktion sichergestellt werden.
V. Fallanalyse
5.1 Fall 1: SPS-Systemoptimierung eines Automobilherstellers
Ein Automobilhersteller setzt in seinen Produktionslinien häufig SPS-Steuerungssysteme ein, um den Produktionsprozess zu automatisieren und effizienter zu gestalten. Mit der stetig wachsenden Marktnachfrage und der zunehmenden Komplexität der Produktionsprozesse traten jedoch allmählich Probleme mit dem ursprünglichen SPS-System auf, die die Produktionseffizienz und die Produktqualität beeinträchtigten.
Vor der Optimierung wies das SPS-System des Unternehmens folgende Hauptprobleme auf: Erstens war die Reaktionsgeschwindigkeit langsam. Mit zunehmender Beschleunigung der Produktionslinie konnte die Leistung des ursprünglichen SPS-Prozessors die Anforderungen an schnelle Datenverarbeitung und Echtzeitsteuerung nicht mehr erfüllen. Dies führte zu verzögerten Reaktionen der Anlagen und einem instabilen Produktionsrhythmus. Beim Karosserieschweißen verringerte sich aufgrund der Verzögerung bei der Übertragung der Steueranweisungen von der SPS an den Schweißroboter die Genauigkeit der Schweißzeit und -position. Dies beeinträchtigte die Schweißqualität der Karosserie und führte zu Problemen wie Kaltschweißen und Entlöten an einigen Schweißpunkten. Die Produktqualifizierungsrate lag bei nur 85%.
Zweitens ist das System nicht zuverlässig genug. Faktoren wie elektromagnetische Störungen und Temperaturschwankungen in der Produktionsumgebung führen häufig zu SPS-Ausfällen und beeinträchtigen den normalen Betrieb der Produktionslinie. Laut Statistik betragen die durch SPS-Ausfälle verursachten Ausfallzeiten mehr als 10 Stunden pro Monat, was zu erheblichen Produktionsverlusten führt.
Darüber hinaus war die Kommunikationskompatibilität des ursprünglichen SPS-Systems mit einigen neu eingeführten Geräten unzureichend, sodass eine effiziente Zusammenarbeit zwischen den Geräten nicht möglich war und die allgemeine Effizienzsteigerung der Produktionslinie eingeschränkt war.
Als Reaktion auf diese Probleme hat das Unternehmen eine Reihe von Optimierungsmaßnahmen ergriffen. Hardwareseitig wurde ein Hochleistungsprozessor mit einer um 501 TP3T höheren Rechengeschwindigkeit als bisher ausgewählt und die Speicherkapazität verdoppelt, was die Datenverarbeitungskapazität und Reaktionsgeschwindigkeit der SPS deutlich verbesserte. Gleichzeitig wurde das Leistungsmodul modernisiert und ein Schaltnetzteil mit höherer Stabilität und Entstörungsfähigkeit eingesetzt. Ein Filter und ein Trenntransformator am Stromeingang reduzieren die Auswirkungen von Netzschwankungen und Störungen auf die SPS. Darüber hinaus wurden einige E/A-Module mit langsamer Reaktionsgeschwindigkeit und geringer Präzision ersetzt und durch Hochgeschwindigkeits- und Präzisions-E/A-Module ersetzt, um den Datenaustausch zwischen der SPS und externen Geräten zu verbessern.
Softwareseitig wurden Programmieralgorithmus und Logik der SPS vollständig optimiert. Die strukturierte Programmierung zerlegt das komplexe Steuerungsprogramm in mehrere Funktionsmodule, was die Lesbarkeit und Wartbarkeit des Programms verbessert. Gleichzeitig optimieren fortschrittliche Algorithmen, wie beispielsweise Fuzzy-Regelalgorithmen, die Regelung der Schweißprozessparameter. Schweißstrom, -spannung, -geschwindigkeit und weitere Parameter werden während des Schweißprozesses anhand der Echtzeitdaten automatisch angepasst, um die Schweißqualität zu stabilisieren. Kommunikationsseitig wurde das SPS-Kommunikationsprotokoll verbessert, um eine nahtlose Kommunikation mit den neu eingeführten Geräten und die Zusammenarbeit zwischen den Geräten zu ermöglichen.
Nach der Optimierung wurde die Leistung des SPS-Systems des Unternehmens deutlich verbessert. Die Reaktionsgeschwindigkeit wurde deutlich verbessert, die Reaktionsverzögerung der Anlage von ursprünglich 100 ms auf unter 20 ms verkürzt, der Produktionsrhythmus stabilisiert und die Produktionseffizienz der Produktionslinie um 30 % gesteigert. Auch die Zuverlässigkeit des Systems wurde deutlich verbessert. Ausfallzeiten aufgrund von SPS-Ausfällen wurden auf weniger als zwei Stunden pro Monat reduziert, eine Reduzierung um mehr als 80 %. Dadurch wird die Kontinuität der Produktion effektiv sichergestellt.
Die Produktqualität konnte durch die präzise Steuerung der Schweißprozessparameter deutlich verbessert werden. Die Erfolgsquote beim Karosserieschweißen stieg von ursprünglich 85% auf über 95%. Das neue SPS-System ist gut mit anderen Geräten kommunikationskompatibel, ermöglicht eine effiziente Zusammenarbeit zwischen den Geräten und steigert die Gesamteffizienz der Produktionslinie weiter.
Durch die Analyse des SPS-Systemoptimierungsfalls dieses Automobilherstellers ist ersichtlich, dass durch angemessene Hardware-Upgrades und Softwareoptimierung die elektrische Leistung der SPS effektiv verbessert werden kann, wodurch die Produktionseffizienz, die Produktqualität und die Zuverlässigkeit der Ausrüstung verbessert werden und dem Unternehmen erhebliche Vorteile, erhebliche wirtschaftliche Vorteile und eine verbesserte Wettbewerbsfähigkeit gebracht werden.
5.2 Fall 2: Praxis zur Verbesserung der SPS-Leistung in einem Chemieunternehmen
Ein Chemieunternehmen setzt in seinem Produktionsprozess häufig SPS-Steuerungssysteme ein, um verschiedene chemische Reaktionen, den Materialtransport und den Anlagenbetrieb präzise zu steuern. Mit der schrittweisen Ausweitung des Produktionsumfangs und zunehmend strengeren Prozessanforderungen traten jedoch allmählich Probleme mit dem ursprünglichen SPS-System auf, die die Stabilität und Effizienz der Produktion erheblich beeinträchtigten.
Vor der Optimierung wies das SPS-System des Unternehmens folgende gravierende Probleme auf: Erstens war die Reaktionsgeschwindigkeit langsam. Im chemischen Produktionsprozess ändern sich verschiedene Prozessparameter schnell, sodass die SPS schnell reagieren und Anpassungen vornehmen muss. Die Leistung des ursprünglichen SPS-Prozessors war jedoch begrenzt und er konnte große Mengen an Sensordaten und Steueranweisungen nicht rechtzeitig verarbeiten, was zu einer Verzögerung der Regelung führte. Bei ungewöhnlichen Temperaturschwankungen im Reaktor benötigte die SPS lange, um Anpassungen vorzunehmen. Dies führte zu großen Temperaturabweichungen, die den Verlauf der chemischen Reaktion beeinträchtigten und schließlich zu instabiler Produktqualität und einer Fehlerquote von bis zu 15% führten.
Zweitens ist die Entstörungsfähigkeit schwach. Die chemische Produktionsumgebung ist komplex und es gibt eine Vielzahl elektromagnetischer Störquellen, wie z. B. Hochleistungsmotoren, Frequenzumrichter usw. Das ursprüngliche SPS-System verfügt über unzureichende Entstörungsmaßnahmen und wird häufig durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt, was zu Datenübertragungsfehlern, fehlerhafter Ausführung von Steuerbefehlen und anderen Problemen führt. Die Ausfallrate der Geräte ist hoch, und die durch Geräteausfälle verursachten Ausfallzeiten betragen mehr als 15 Stunden pro Monat, was dem Unternehmen große wirtschaftliche Verluste verursacht.
Drittens ist das System schlecht skalierbar. Mit der Entwicklung des Unternehmens verbessert sich der Produktionsprozess ständig, und neue Steuerungsgeräte und -funktionen müssen hinzugefügt werden. Das ursprüngliche SPS-System wurde jedoch bei seiner Entwicklung nicht vollständig auf Skalierbarkeit ausgelegt, was die Aktualisierung von Hard- und Software erschwerte und die Produktionsentwicklung des Unternehmens einschränkte.
Als Reaktion auf diese Probleme hat das Unternehmen eine Reihe gezielter Optimierungsmaßnahmen ergriffen. Hardwareseitig wurde der SPS-Prozessor modernisiert und ein leistungsstarker Mehrkernprozessor ausgewählt. Seine Rechengeschwindigkeit ist um 80% höher als zuvor und ermöglicht die schnelle Verarbeitung großer Daten- und Befehlsmengen, was die Reaktionszeit des Systems deutlich verkürzt. Gleichzeitig wurde die Speicherkapazität erhöht, die Geschwindigkeit beim Speichern und Lesen von Daten verbessert und ein stabiler Systembetrieb gewährleistet. Das Netzteilmodul wurde verbessert und durch ein Schaltnetzteil mit hoher Entstörungsfähigkeit ersetzt. Es ist mit einem Filter und einem Spannungsregler ausgestattet, wodurch die Auswirkungen von Störungen im Netzteil auf die SPS effektiv reduziert werden. Darüber hinaus wurden die Eingangs- und Ausgangsmodule vollständig überprüft und ausgetauscht. Es wurden Module mit hoher Entstörungsfähigkeit und schneller Reaktionsgeschwindigkeit ausgewählt, um die Genauigkeit und Stabilität der Signalübertragung zu verbessern.
Softwareseitig wurde die Programmierlogik der SPS optimiert. Die strukturierte Programmierung zerlegt das komplexe Steuerungsprogramm in mehrere Funktionsmodule. Jedes Modul ist für eine bestimmte Steuerungsaufgabe zuständig, wodurch die Lesbarkeit und Wartbarkeit des Programms verbessert wird. Gleichzeitig wird die Regelungsstrategie durch fortschrittliche Algorithmen optimiert, beispielsweise durch den Einsatz von Fuzzy-Regelalgorithmen zur präzisen Regelung wichtiger Prozessparameter wie Temperatur und Druck. Die Regelmenge wird automatisch an die Abweichung zwischen tatsächlichem Messwert und Sollwert angepasst, um die Prozessparameter zu stabilisieren. Bei der Temperaturregelung wird die Temperaturabweichung durch den Einsatz des Fuzzy-Regelalgorithmus auf ±1 °C begrenzt, was die Produktqualität effektiv verbessert und die Fehlerquote auf unter 5% senkt.
Um die Störfestigkeit des Systems zu verbessern, wurden verschiedene Hard- und Software-Maßnahmen ergriffen. Hardwareseitig ist der SPS-Schaltschrank vollständig elektromagnetisch abgeschirmt. Metallgehäuse und geschirmte Kabel reduzieren das Eindringen elektromagnetischer Störungen. Softwareseitig wurden Datenüberprüfungs- und Fehlerkorrekturfunktionen hinzugefügt, um die Echtzeitüberprüfung von Ein- und Ausgabedaten zu ermöglichen. Sobald Datenfehler gefunden werden, wird umgehend eine Fehlerkorrektur durchgeführt, um die Datengenauigkeit sicherzustellen.
Im Hinblick auf die Skalierbarkeit des Systems wurde das SPS-System neu konzipiert und modular aufgebaut, um Hardware- und Software-Upgrades sowie -Erweiterungen zu erleichtern. Ausreichend E/A- und Kommunikationsschnittstellen wurden reserviert, um die zukünftige Erweiterung um neue Steuergeräte und Funktionen zu ermöglichen.
Nach der Optimierung wurde die Leistung des SPS-Systems des Chemieunternehmens deutlich verbessert. Die Reaktionsgeschwindigkeit wurde deutlich verbessert, das Problem der Regelverzögerung wurde effektiv gelöst, die Steuerung der Prozessparameter wurde präziser, die Produktqualität deutlich verbessert und die Fehlerquote um mehr als 10 Prozentpunkte gesenkt. Die Entstörungsfähigkeit des Systems wurde verbessert und die Ausfallrate der Geräte deutlich reduziert. Die monatlichen Ausfallzeiten durch Geräteausfälle wurden auf weniger als fünf Stunden reduziert, eine Reduzierung um mehr als 661 TP3T, wodurch die Produktionskontinuität effektiv sichergestellt wird.
Darüber hinaus ist das optimierte SPS-System gut skalierbar und unterstützt die zukünftige Produktionsentwicklung des Unternehmens optimal. Durch diese Verbesserung der SPS-Leistung steigerte das Unternehmen nicht nur die Produktionseffizienz und Produktqualität, sondern senkte auch die Produktionskosten, steigerte die Wettbewerbsfähigkeit und erzielte erhebliche wirtschaftliche und soziale Vorteile.
5.3 Fallvergleich und Erfahrungszusammenfassung
Durch eine eingehende Analyse der beiden oben genannten Fälle lässt sich deutlich erkennen, dass Automobilhersteller und Chemieunternehmen zwar in unterschiedlichen Branchen tätig sind und erhebliche Unterschiede bei Produktionsprozessen und -ausrüstung aufweisen, sie jedoch bei der Optimierung der elektrischen Leistung von SPS viele Gemeinsamkeiten aufweisen.
In Bezug auf die Hardwareoptimierung erkennen beide Unternehmen die Schlüsselrolle von Hochleistungsprozessoren zur Verbesserung der SPS-Leistung an. Automobilhersteller konnten ihre Datenverarbeitungskapazität und Reaktionsgeschwindigkeit durch die Wahl von Prozessoren mit 50% höherer Rechengeschwindigkeit und doppelter Speicherkapazität effektiv verbessern. Chemieunternehmen setzen auf Mehrkernprozessoren mit 80% höherer Rechengeschwindigkeit und verkürzen so die Systemreaktionszeit deutlich. Dies zeigt, dass die Wahl eines geeigneten Hochleistungsprozessors, der auf die eigenen Produktionsanforderungen abgestimmt ist, die Rechengeschwindigkeit und Datenverarbeitungskapazität der SPS deutlich verbessern und so den wachsenden Anforderungen an die Produktionssteuerung gerecht werden kann.
Auch die Optimierung von Leistungsmodulen ist eine gemeinsame Initiative beider Unternehmen. Der Automobilhersteller verwendet ein Schaltnetzteil mit höherer Stabilität und Entstörungsfähigkeit, das mit einem Filter und einem Trenntransformator ausgestattet ist. Der Chemiehersteller verwendet ein Schaltnetzteil mit hoher Entstörungsfähigkeit, das mit einem Filter und einem Spannungsregler ausgestattet ist. Diese Maßnahmen reduzieren effektiv die Auswirkungen von Spannungsschwankungen und Störungen auf SPS und gewährleisten so den stabilen Betrieb der SPS in komplexen Industrieumgebungen.
Ebenso wichtig ist die Aktualisierung von Ein- und Ausgabemodulen. Automobilhersteller ersetzten E/A-Module mit langsamer Reaktionsgeschwindigkeit und geringer Präzision durch Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsmodule. Chemiehersteller prüften und ersetzten Ein- und Ausgabemodule umfassend und wählten Module mit hoher Entstörungsfähigkeit und schneller Reaktionsgeschwindigkeit. Diese Maßnahmen verbessern die Effizienz des Datenaustauschs zwischen SPS und externen Geräten und gewährleisten die Genauigkeit und Stabilität der Signalübertragung.
Zur Softwareoptimierung werden in beiden Unternehmen häufig Methoden der strukturierten Programmierung eingesetzt. Automobilhersteller zerlegen komplexe Steuerungsprogramme in mehrere Funktionsmodule, um deren Lesbarkeit und Wartbarkeit zu verbessern. Auch Chemieunternehmen nutzen strukturierte Programmierung, um Steuerungsprogramme in mehrere Funktionsmodule zu zerlegen, wobei jedes Modul für bestimmte Steuerungsaufgaben zuständig ist. Diese Programmiermethode macht die Programmstruktur übersichtlicher, erleichtert Technikern die Fehlersuche und Wartung und verbessert die Programmiereffizienz und -zuverlässigkeit.
Der Einsatz fortschrittlicher Algorithmen hat beiden Unternehmen ebenfalls erhebliche Vorteile gebracht. Automobilhersteller nutzen Fuzzy-Regelalgorithmen zur Optimierung der Schweißprozessparameter und verbessern so die Schweißqualität. Chemieunternehmen nutzen Fuzzy-Regelalgorithmen zur präzisen Steuerung wichtiger Prozessparameter wie Temperatur und Druck und verbessern so die Produktqualität. Dies zeigt deutlich, dass die Auswahl geeigneter, fortschrittlicher Algorithmen basierend auf den Eigenschaften des Produktionsprozesses eine präzise Steuerung des Produktionsprozesses sowie eine Verbesserung der Produktqualität und Produktionseffizienz ermöglicht.
Angesichts ihrer jeweils spezifischen Probleme ergriffen beide Unternehmen gezielte Maßnahmen. Der Automobilhersteller konzentrierte sich auf die Lösung der Kommunikationskompatibilität zwischen dem System und den neuen Geräten und erreichte durch die Aktualisierung des Kommunikationsprotokolls eine reibungslose Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen den Geräten. Der Chemiekonzern konzentrierte sich auf die Verbesserung der Entstörungsfähigkeit und Skalierbarkeit des Systems und verbesserte diese effektiv durch elektromagnetische Abschirmung, zusätzliche Datenverifizierungs- und Fehlerkorrekturfunktionen sowie die Einführung eines modularen Strukturdesigns.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Optimierung der elektrischen Leistung von SPS eine umfassende Berücksichtigung von Hardware, Software, Umgebung und anderen Faktoren sowie gezielte Optimierungsmaßnahmen erfordert. Bei der Optimierung von SPS-Systemen sollten Unternehmen diese erfolgreichen Erfahrungen voll ausschöpfen und basierend auf ihren eigenen Produktionsmerkmalen und -anforderungen sinnvolle Optimierungspläne entwickeln, um die Produktionseffizienz, Produktqualität und Anlagenzuverlässigkeit zu verbessern und die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen auf dem Markt zu stärken.
6. Bewertung der Optimierungseffekte und Analyse des wirtschaftlichen Nutzens
6.1 Indikatoren und Methoden zur Bewertung des Optimierungseffekts
Um die Auswirkungen der Optimierung der elektrischen Leistung von SPSen umfassend und präzise bewerten zu können, müssen eine Reihe wissenschaftlich fundierter Bewertungsindikatoren ermittelt und geeignete Bewertungsmethoden angewendet werden. Diese Indikatoren und Methoden können die Auswirkungen von Optimierungsmaßnahmen auf Produktionseffizienz, Produktqualität usw. intuitiv widerspiegeln und bilden eine solide Grundlage für Unternehmensentscheidungen.
Unter den Bewertungsindikatoren ist die Produktionseffizienzsteigerungsrate ein Schlüsselindikator. Sie spiegelt direkt die Leistungssteigerung des optimierten Produktionssystems pro Zeiteinheit wider. Die Produktionseffizienzsteigerungsrate lässt sich anhand der Veränderung der Produktleistung pro Zeiteinheit vor und nach der Optimierung berechnen. Die Formel lautet: Produktionseffizienzsteigerungsrate = (Leistung pro Zeiteinheit nach Optimierung – Leistung pro Zeiteinheit vor Optimierung) / Leistung pro Zeiteinheit vor Optimierung × 100%. An einer Produktionslinie für elektronische Produkte wurden vor der Optimierung 100 Produkte pro Stunde und nach der Optimierung 120 Produkte pro Stunde produziert. Die Produktionseffizienzsteigerungsrate beträgt somit (120 – 100) / 100 × 100% = 20%.
Die Produktqualitäts-Durchlaufquote ist ebenfalls ein wichtiger Indikator für den Optimierungseffekt und spiegelt den Einfluss der Optimierungsmaßnahmen auf die Produktqualitätsstabilität wider. Die Berechnung der Produktqualitäts-Durchlaufquote erfolgt wie folgt: Produktqualitäts-Durchlaufquote = Anzahl der qualifizierten Produkte / Gesamtzahl der Produkte × 100%. In einem Maschinenbauunternehmen lag die Produktqualitäts-Durchlaufquote vor der Optimierung bei 85% und stieg nach der Optimierung auf 95%. Dies zeigt, dass die Optimierungsmaßnahmen die Produktqualität effektiv verbessert haben.
Auch die Reduzierung der Geräteausfallrate sollte nicht vernachlässigt werden, da sie die Zuverlässigkeit und Stabilität der optimierten Geräte widerspiegelt. Die Reduzierung der Geräteausfallrate lässt sich anhand der Veränderung der Geräteausfälle vor und nach der Optimierung mit der folgenden Formel berechnen: Reduzierung der Geräteausfallrate = (Anzahl der Geräteausfälle vor der Optimierung – Anzahl der Geräteausfälle nach der Optimierung) / Anzahl der Geräteausfälle vor der Optimierung × 100%. In einem Chemieunternehmen lag die Anzahl der Geräteausfälle pro Monat vor der Optimierung bei zehnmal so hoch, nach der Optimierung reduzierte sie sich auf fünfmal, sodass die Reduzierung der Geräteausfallrate = (10 – 5) / 10 × 100% = 50% beträgt.
Als Bewertungsmethode wird häufig experimentell gearbeitet. Dabei werden eine Versuchsgruppe und eine Kontrollgruppe unter gleichen Bedingungen gebildet. Das SPS-System der Versuchsgruppe wird optimiert, während das der Kontrollgruppe unverändert bleibt. Anschließend werden die Leistungsindikatoren beider Gruppen verglichen, um den Optimierungseffekt zu bewerten. Für eine automatisierte Produktionslinie wurden zwei identische Produktionslinien ausgewählt: eine als Versuchsgruppe, deren SPS-System durch Hard- und Softwareoptimierung aufgerüstet wurde; die andere als Kontrollgruppe, bei der keine Optimierung durchgeführt wurde. Nach einer Betriebsphase wurden Produktionseffizienz, Produktqualität und Anlagenausfallrate der beiden Produktionslinien verglichen. Es zeigte sich, dass die Produktionseffizienz der Versuchsgruppe um 25 % (TP3T) stieg, die Produktqualitätsqualifikationsrate um 10 % (TP3T) zunahm und die Anlagenausfallrate um 60 % (TP3T) sank, während die Indikatoren der Kontrollgruppe im Wesentlichen unverändert blieben. Dies bestätigt die Wirksamkeit der Optimierungsmaßnahmen.
Die Vergleichsmethode ist auch eine effektive Bewertungsmethode. Sie bewertet den Optimierungseffekt durch Vergleich der Leistungsparameter und Produktionsdaten des SPS-Systems vor und nach der Optimierung. In einem Automobilhersteller wurden Reaktionsgeschwindigkeit, Datenverarbeitungskapazität sowie Produktionsleistung und Qualitätsdaten des SPS-Systems vor und nach der Optimierung verglichen. Es zeigte sich, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit des SPS-Systems nach der Optimierung um 301 TP3T, die Datenverarbeitungskapazität um 401 TP3T, die Produktionsleistung um 201 TP3T und die Produktqualitätsquote um 81 TP3T verbesserten. Dies verdeutlichte die Verbesserung der elektrischen Leistung und der Produktionseffizienz der SPS durch die Optimierungsmaßnahmen.
Neben experimentellen und vergleichenden Methoden können auch Simulationsmethoden eingesetzt werden. Mithilfe professioneller Software wird das SPS-System modelliert und simuliert, verschiedene Arbeitsszenarien und Optimierungspläne werden simuliert und die Optimierungseffekte werden prognostiziert. In einem bestimmten Leistungssteuerungssystem wurde Simulationssoftware verwendet, um das SPS-System zu modellieren, verschiedene elektromagnetische Störumgebungen und Optimierungsmaßnahmen zu simulieren und die Störfestigkeit und Stabilität des optimierten Systems vorherzusagen. Die Simulationsergebnisse zeigen deutlich, dass sich die Störfestigkeit des Systems durch die Einführung von Maßnahmen zur elektromagnetischen Abschirmung und Erdung deutlich verbessert hat, wodurch die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen auf das System effektiv reduziert wurden.
Durch die umfassende Nutzung dieser Bewertungsindikatoren und -methoden kann die Wirkung der Optimierung der elektrischen Leistung von SPS umfassend und genau bewertet werden. Dies bietet Unternehmen eine wissenschaftliche Grundlage für die weitere Verbesserung und Optimierung von SPS-Systemen.
6.2 Modell und Anwendung der wirtschaftlichen Nutzenanalyse
Bei der Bewertung des wirtschaftlichen Nutzens der Optimierung der elektrischen Leistung von SPS ist das Kosten-Nutzen-Analysemodell ein gängiges und effektives Instrument. Dieses Modell hilft Unternehmen, die wirtschaftliche Machbarkeit und den Investitionswert von Optimierungsmaßnahmen klar zu verstehen, indem es den Kosten- und Nutzenaufwand im Optimierungsprozess quantitativ analysiert.
Hardware-Upgrades sind ein nicht zu vernachlässigender Kostenfaktor. Der Austausch von Hochleistungsprozessoren, die Aufrüstung von Speicher, E/A-Modulen und anderer Hardware sind kostenintensiv. Bei der SPS-Systemoptimierung eines Elektronikherstellers beliefen sich die Kosten für den Austausch von Hochleistungsprozessoren auf 50.000 Yuan, die Aufrüstung von Speicher und E/A-Modulen auf 30.000 bzw. 40.000 Yuan. Die Gesamtkosten für das Hardware-Upgrade beliefen sich auf 120.000 Yuan. Die Kosten für die Softwareoptimierung umfassen die Kosten für Softwareentwicklung, Debugging und Wartung. Die Optimierung der SPS-Programmieralgorithmen, die Aktualisierung der Softwaresysteme und die anschließende Wartung erfordern professionelle Techniker und verursachen entsprechende Zeitkosten. Die Kosten für die Softwareoptimierung in diesem Elektronikhersteller beliefen sich auf 80.000 Yuan, einschließlich der Arbeitskosten für Programmierer, Kauf und Nutzung von Softwaretools usw.
Die Kosten für die Umweltoptimierung betreffen hauptsächlich den Bau elektromagnetischer Abschirm- und Erdungsanlagen sowie die Anschaffungs- und Betriebskosten von Umweltüberwachungs- und -kontrollgeräten. Um die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen auf SPS zu reduzieren, kostet ein Chemieunternehmen 60.000 Yuan für die Installation elektromagnetischer Abschirmvorrichtungen und die Verbesserung des Erdungssystems. Gleichzeitig betragen die Kosten für die Anschaffung von Klimaanlagen, Luftentfeuchtern und anderen Geräten zur Regelung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit 40.000 Yuan, die jährlichen Betriebs- und Wartungskosten betragen 20.000 Yuan.
Die Vorteile einer verbesserten Produktionseffizienz sind erheblich. Durch die Optimierung der elektrischen Leistung der SPS wird die Produktionseffizienz verbessert und die Produktproduktion pro Zeiteinheit gesteigert, was zu zusätzlichen Umsätzen führt. In einem Automobilhersteller konnte die Produktionseffizienz der optimierten Produktionslinie um 201 TP3T gesteigert werden, sodass monatlich 100 Autos mehr produziert werden können. Der Gewinn pro Auto beträgt 20.000 Yuan, sodass der zusätzliche Gewinn durch die Verbesserung der Produktionseffizienz monatlich 2 Millionen Yuan beträgt.
Die Vorteile der verbesserten Produktqualität zeigen sich vor allem in der Reduzierung der Fehlerquote und der Steigerung des Produktmehrwerts. In einem Maschinenbauunternehmen lag die Fehlerquote vor der Optimierung bei 101 TP3T und sank nach der Optimierung auf 51 TP3T. Pro Monat wurden 10.000 Produkte zu je 1.000 Yuan produziert. Die monatliche Kostenersparnis durch die Reduzierung der Fehlerquote betrug somit 500.000 Yuan. Die Verbesserung der Produktqualität kann zudem zu einem höheren Preis des Produkts am Markt und damit zu höheren Umsätzen führen.
Die Vorteile der reduzierten Ausfallrate zeigen sich vor allem in der Senkung der Wartungskosten und der Verkürzung der Ausfallzeiten. Bei einem Energieversorger lagen die jährlichen Wartungskosten vor der Optimierung bei 500.000 Yuan, nach der Optimierung reduzierten sie sich auf 200.000 Yuan. Gleichzeitig reduzierte sich die jährliche Ausfallzeit der Anlagen von 50 auf 20 Stunden, und der Ausfallverlust pro Stunde betrug 10.000 Yuan. Somit beläuft sich der Nutzen der reduzierten Ausfallrate auf 600.000 Yuan pro Jahr.
Das Return-on-Investment-Modell (ROI) ist ein weiteres wichtiges Instrument zur Analyse des wirtschaftlichen Nutzens. Es bewertet die Rentabilität und den Investitionswert eines Investitionsprojekts, indem es das Verhältnis zwischen der erwarteten Rendite des Investitionsprojekts und den Investitionskosten berechnet. Die Berechnungsformel für den ROI lautet: ROI = (Jahresgewinn oder durchschnittlicher Jahresgewinn / Gesamtinvestition) × 100%. Bei einem SPS-Systemoptimierungsprojekt für eine automatisierte Produktionslinie beträgt die Gesamtinvestition 1 Million Yuan, einschließlich der Kosten für Hardware-Upgrades, Softwareoptimierung und Umweltoptimierung. Nach der Optimierung beträgt der zusätzliche Gewinn durch gesteigerte Produktionseffizienz, verbesserte Produktqualität und reduzierte Anlagenausfallrate 300.000 Yuan pro Jahr. Der ROI des Projekts beträgt dann (30 / 100) × 100% = 30%. Dies zeigt, dass das Projekt eine hohe Kapitalrendite und einen hohen Investitionswert hat.
Durch die Anwendung des Kosten-Nutzen-Analysemodells und des Return-on-Investment-Modells können Unternehmen den wirtschaftlichen Nutzen der SPS-Leistungsoptimierung umfassend und präzise bewerten und so ihre Entscheidungsfindung nachhaltig unterstützen. In der Praxis sollten Unternehmen zudem die Machbarkeit und den Investitionswert von Optimierungsmaßnahmen im Einklang mit ihren eigenen Entwicklungsstrategien, der Marktnachfrage und den finanziellen Rahmenbedingungen berücksichtigen, um den wirtschaftlichen Nutzen zu maximieren.
6.3 Vergleich des wirtschaftlichen Nutzens vor und nach der Optimierung von Fallunternehmen
Ein detaillierter Vergleich der wirtschaftlichen Vorteile der einzelnen Unternehmen vor und nach der Optimierung verdeutlicht die bemerkenswerten Ergebnisse der Optimierung der elektrischen Leistung der SPS. Ein Automobilhersteller ist ein Beispiel dafür. Vor der Optimierung war die Produktionseffizienz gering, die Produktqualität instabil und die Ausfallrate hoch. Dies führte zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten für das Unternehmen, da die SPS-Systeme vor der Optimierung Probleme wie langsame Reaktionszeiten, mangelnde Zuverlässigkeit und mangelnde Kommunikationskompatibilität aufwiesen.
Die Produktionseffizienz des Unternehmens lag vor der Optimierung bei 50 Fahrzeugen pro Stunde, nach der Optimierung bei 65 Fahrzeugen. Die Produktionseffizienz stieg damit um 30%. Das bedeutet, dass das Unternehmen bei gleicher Arbeitszeit mehr Produkte herstellen und damit den Umsatz steigern kann. Bei einem angenommenen Fahrzeugpreis von 150.000 Yuan können nach der Optimierung (65 – 50) × 8 × 22 = 2.640 zusätzliche Fahrzeuge pro Monat produziert werden (basierend auf 22 Arbeitstagen und 8 Arbeitsstunden pro Tag). Der Umsatzanstieg beträgt 2.640 × 15 = 396 Millionen Yuan.
Was die Produktqualität betrifft, so lag die qualifizierte Produktrate vor der Optimierung bei 851 TP3T und stieg nach der Optimierung auf 951 TP3T. Die Verbesserung der Produktqualität reduziert nicht nur die durch fehlerhafte Produkte verursachten Verluste, sondern stärkt auch das Markenimage und die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens auf dem Markt. Am Beispiel einer Produktion von 10.000 Autos pro Monat lag die Anzahl der fehlerhaften Produkte vor der Optimierung bei 10.000 × (1 – 851 TP3T) = 1.500 und reduzierte sich nach der Optimierung auf 10.000 × (1 – 951 TP3T) = 500. Angenommen, die Bearbeitungskosten für jedes fehlerhafte Produkt betragen 50.000 Yuan, können die Bearbeitungskosten für fehlerhafte Produkte nach der Optimierung um (1.500 – 500) × 5 = 50 Millionen Yuan pro Monat eingespart werden.
Die Ausfallrate der Anlagen betrug vor der Optimierung mehr als 10 Stunden pro Monat aufgrund von SPS-Ausfällen. Diese hohe Ausfallrate beeinträchtigte die Produktionskontinuität. Nach der Optimierung reduzierte sich die Ausfallzeit auf unter 2 Stunden pro Monat, was einer Reduzierung um mehr als 80% entspricht. Die reduzierte Ausfallrate senkt die Reparaturkosten und die Ausfallzeiten. Angenommen, der stündliche Ausfallverlust beträgt 100.000 Yuan und die Wartungskosten 200.000 Yuan pro Monat, dann können nach der Optimierung die monatlichen Ausfallzeiten und Wartungskosten um (10 – 2) × 10 + 20 – 2 × 10 = 800.000 Yuan reduziert werden.
Am Beispiel eines Chemieunternehmens: Vor der Optimierung gab es aufgrund langsamer Reaktionszeiten, schwacher Entstörungsfähigkeit und mangelnder Skalierbarkeit des SPS-Systems eine hohe Produkt- und Anlagenausfallrate sowie eine niedrige Produktionseffizienz. Nach der Optimierung konnte die Produktionseffizienz deutlich verbessert, die Produkt- und Anlagenausfallrate deutlich gesenkt und das Unternehmen profitierte erheblich von der Wirtschaftlichkeit.
Was die Produktionseffizienz betrifft, so lag die tägliche Produktion chemischer Produkte des Unternehmens vor der Optimierung bei 100 Tonnen und stieg nach der Optimierung auf 120 Tonnen, was einer Steigerung der Produktionseffizienz um 20% entspricht. Bei einem angenommenen Gewinn pro Tonne Produkt von 5.000 Yuan kann das Unternehmen nach der Optimierung (120 – 100) × 30 = 600 Tonnen mehr Produkte pro Monat (berechnet als 30 Tage) produzieren, und der erhöhte Gewinn beträgt 600 × 5.000 = 3 Millionen Yuan.
Die Produktqualitätsquote lag vor der Optimierung bei 151 TP3T und reduzierte sich nach der Optimierung auf 51 TP3T. Bei einer Produktion von 3.000 Tonnen Produkten pro Monat betrug die Anzahl der fehlerhaften Produkte vor der Optimierung 3.000 × 151 TP3T = 450 Tonnen und reduzierte sich nach der Optimierung auf 3.000 × 51 TP3T = 150 Tonnen. Bei angenommenen Verarbeitungskosten von 3.000 Yuan pro Tonne fehlerhafter Produkte können die Verarbeitungskosten für fehlerhafte Produkte nach der Optimierung um (450 – 150) × 3.000 = 900.000 Yuan pro Monat gesenkt werden.
Was die Ausfallrate betrifft, so betrugen die durch Geräteausfälle verursachten Ausfallzeiten vor der Optimierung mehr als 15 Stunden pro Monat, und die Wartungskosten waren hoch. Nach der Optimierung reduzierten sich die Ausfallzeiten auf weniger als 5 Stunden pro Monat, was einer Reduzierung von mehr als 66% entspricht. Angenommen, der stündliche Ausfallverlust beträgt 80.000 Yuan und die Wartungskosten 300.000 Yuan pro Monat, dann können der monatliche Ausfallverlust und die Wartungskosten nach der Optimierung um (15 – 5) × 8 + 30 – 5 × 8 = 700.000 Yuan reduziert werden.
Durch den Vergleich der wirtschaftlichen Vorteile der beiden oben genannten Unternehmen vor und nach der Optimierung wird deutlich, dass die Optimierung der elektrischen Leistung der SPS die Produktionseffizienz des Unternehmens deutlich steigern, die Produktqualität verbessern und die Ausfallrate der Geräte senken kann, was dem Unternehmen enorme wirtschaftliche Vorteile bringt. Diese tatsächlichen Fälle bieten anderen Unternehmen aussagekräftige Referenzen für die Optimierung von SPS-Systemen und belegen, wie wichtig die Optimierung der elektrischen Leistung der SPS für Unternehmen ist, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern und eine nachhaltige Entwicklung zu erreichen.
7. Fazit und Ausblick
7.1 Zusammenfassung der Forschungsergebnisse
Diese Studie analysiert eingehend die Hardware, Software und externen Umgebungsfaktoren, die die elektrische Leistung der SPS beeinflussen, und schlägt eine Reihe umfassender und effektiver Optimierungsmethoden und -technologien vor. Hardwareseitig konnten durch den Einsatz leistungsstarker Prozessoren, modernisierter Speicher- und E/A-Module sowie optimiertes Energiemanagement und Entstörungsmaßnahmen die Datenverarbeitungsleistung, Reaktionsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit der SPS deutlich verbessert werden. Durch die Wahl eines Prozessors mit 50% erhöhter Rechengeschwindigkeit und verdoppelter Speicherkapazität konnte die Reaktionsgeschwindigkeit des SPS-Systems eines Automobilherstellers deutlich verbessert und die Reaktionsverzögerung der Anlage von 100 ms auf unter 20 ms verkürzt werden, was die Produktionseffizienz deutlich steigerte.
Auf Softwareebene werden fortschrittliche Programmiertechnologien wie strukturierte und objektorientierte Programmierung sowie intelligente Algorithmen wie Fuzzy-Regelalgorithmen und neuronale Netzwerkalgorithmen eingesetzt, um die Programmlogik und Regelungsstrategien zu optimieren und die Flexibilität und Regelgenauigkeit des Systems zu verbessern. In der Temperaturregelung konnte ein Chemieunternehmen durch die Einführung des Fuzzy-Regelalgorithmus die Temperaturabweichung auf ±1 °C begrenzen, was die Produktqualität effektiv verbesserte und die Fehlerquote auf unter 5% senkte.
Angesichts externer Umweltfaktoren werden elektromagnetische Abschirmung, Erdungstechnologie sowie Umweltüberwachungs- und -kontrollmaßnahmen eingesetzt, um die Auswirkungen von Umweltfaktoren wie elektromagnetischen Störungen, Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die SPS zu reduzieren und so ihren stabilen Betrieb in komplexen Industrieumgebungen zu gewährleisten. Im Überwachungssystem eines bestimmten Umspannwerks verwendet die SPS ein vollständig metallgeschirmtes Gehäuse und abgeschirmte Kabel zum Anschluss von Sensoren und Aktoren. Dies widersteht starken elektromagnetischen Störungen effektiv und gewährleistet den stabilen Betrieb des Systems.
Durch eine Fallstudie eines Automobilherstellers und eines Chemieunternehmens wurde die Wirksamkeit der Optimierungsmaßnahmen nachgewiesen. Nach der Optimierung steigerte sich die Produktionseffizienz des Automobilherstellers um 30 Prozentpunkte, die Produktqualifizierungsrate von 85 Prozentpunkten auf über 95 Prozentpunkte und die Anlagenausfallrate um über 80 Prozentpunkte. Die Produktionseffizienz des Chemieunternehmens stieg um 20 Prozentpunkte, die Fehlerrate sank von 15 Prozentpunkten auf unter 5 Prozentpunkte und die Anlagenausfallrate um über 66 Prozentpunkte. Diese bemerkenswerten Ergebnisse belegen, dass die Optimierung der elektrischen Leistung von SPS-Systemen von großer Bedeutung für die Verbesserung der Produktionseffizienz, der Produktqualität und der Anlagenzuverlässigkeit ist und Unternehmen enorme wirtschaftliche Vorteile und eine Verbesserung ihrer Marktwettbewerbsfähigkeit bringen kann.
7.2 Forschungsdefizite und Perspektiven
Obwohl diese Studie gewisse Ergebnisse bei der Optimierung der elektrischen Leistung von SPS erzielt hat, weist sie noch einige Mängel auf. Der Umfang der Studie ist in einigen Aspekten begrenzt und konzentriert sich hauptsächlich auf die Auswirkungen und Optimierung gängiger Hardware-, Software- und Umweltfaktoren auf die elektrische Leistung von SPS. Einige neue Technologien, wie die potenzielle Anwendung von Quantencomputern in SPS-Prozessoren und die Anwendung der Blockchain-Technologie in der sicheren SPS-Datenübertragung, wurden noch nicht eingehend erforscht. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie könnten diese neuen Technologien zu neuen Durchbrüchen bei der Verbesserung der elektrischen Leistung von SPS führen. Diese Studie berücksichtigte diese hochmodernen Bereiche jedoch nicht, was die Vollständigkeit und Weitsicht der Forschung einschränkt.
Auch die Versuchsbedingungen unterliegen gewissen Einschränkungen. Obwohl im Forschungsprozess reale Fälle analysiert wurden, ist es schwierig, die komplexen und veränderlichen industriellen Rahmenbedingungen in der Versuchsumgebung vollständig zu simulieren. Faktoren wie elektromagnetische Störungen sowie Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen in Industrieanlagen sind oft vielfältig und unsicher, und die Versuchsbedingungen decken möglicherweise nicht alle diese Situationen ab. In einigen speziellen Industrieszenarien, beispielsweise in extremen Umgebungen wie der Tiefsee und dem Weltraum, sind die Herausforderungen für PLC besonders groß. Die Versuchsbedingungen dieser Studie können diese Extremsituationen nicht effektiv simulieren, was zu Einschränkungen bei der Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Praxis führen kann.
Zukünftige Forschungsrichtungen können aus mehreren Blickwinkeln entwickelt werden. Einerseits sollten wir die Anwendung neuer Technologien zur Optimierung der elektrischen Leistung von SPS untersuchen. Wir sollten untersuchen, wie Quantencomputertechnologie die Rechengeschwindigkeit und Datenverarbeitungskapazität von SPS-Prozessoren verbessern kann und wie Blockchain-Technologie die Sicherheit und Zuverlässigkeit der SPS-Datenübertragung erhöhen kann. Wir können untersuchen, wie die Superrechenleistung des Quantencomputers auf die komplexe Algorithmusverarbeitung von SPS angewendet werden kann, um eine schnelle Analyse und Entscheidungsfindung großer Datenmengen zu ermöglichen. Und wir können erforschen, wie die Distributed-Ledger- und Verschlüsselungstechnologie der Blockchain sicherstellen kann, dass die Datenübertragung von SPS im industriellen Internet der Dinge nicht manipuliert oder gestohlen wird.
Darüber hinaus werden wir die experimentelle Forschung weiter verbessern, experimentelle Szenarien erweitern, verschiedene komplexe Industrieumgebungen so weit wie möglich simulieren und die Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse verbessern. Wir werden eine umfassendere experimentelle Plattform einrichten, um Industrieumgebungen in verschiedenen Branchen und Szenarien zu simulieren und die Leistung von PLC unter verschiedenen komplexen Bedingungen zu testen und zu analysieren. Wir werden spezielle experimentelle Forschungen im Hinblick auf hohen Druck, niedrige Temperaturen, starke Korrosion und andere Eigenschaften der Tiefseeumgebung sowie die hohe Strahlung und Mikrogravitation im Weltraum durchführen, um die Anwendung von PLC in diesen Spezialbereichen technisch zu unterstützen.
Mit der fortschreitenden Entwicklung von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung werden SPS zunehmend mit künstlicher Intelligenz, Big Data, Cloud Computing und anderen Technologien integriert. Zukünftige Forschung kann sich auf die Auswirkungen dieser Technologieintegrationen auf die elektrische Leistung von SPS konzentrieren und darauf, wie durch Technologieintegration eine intelligente und adaptive Steuerung von SPS-Steuerungssystemen erreicht werden kann. Künstliche Intelligenz ermöglicht intelligente Diagnose und vorausschauende Wartung von SPS-Produktionsprozessen, optimierte SPS-Steuerungsstrategien durch Big-Data-Analyse und Cloud Computing ermöglicht die Fernspeicherung und -analyse von SPS-Daten. Durch die Ausweitung dieser Forschungsrichtungen wird erwartet, dass die elektrische Leistung von SPS weiter verbessert und die Entwicklung der industriellen Automatisierung technisch besser unterstützt wird.
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