SPS-Elektrik in der Robotik: Intelligente Automatisierung ermöglichen

1. Einleitung

1.1 Forschungshintergrund und Bedeutung

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie verändert die Robotik die Produktion in verschiedenen Branchen mit beispielloser Geschwindigkeit. Von der präzisen Montage im Automobilbau bis hin zur effizienten Handhabung in der Lagerlogistik – Roboter sind allgegenwärtig. Der Kern der intelligenten und automatisierten Robotersteuerung liegt jedoch in deren Steuerung. Die Entwicklung speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) hat sich zum Schlüssel für die Entwicklung der intelligenten Roboterautomatisierung entwickelt.

Die SPS-Technologie entstand Ende der 1960er Jahre mit dem Ziel, viele Nachteile herkömmlicher Relaisschütz-Steuerungssysteme zu beheben. Damals stellte die industrielle Produktion höhere Anforderungen an Flexibilität, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit von Steuerungssystemen. SPS etablierten sich schnell im Bereich der industriellen Steuerung dank ihrer Programmierbarkeit, leistungsstarken Logikverarbeitung und guten Entstörungseigenschaften. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Mikroelektronik, Computertechnologie und Kommunikationstechnologie werden die Funktionen von SPS immer leistungsfähiger, und ihr Anwendungsbereich erweitert sich stetig, bis hin zur hochmodernen Robotersteuerung.

In der Robotik ist der Einsatz von SPS-Elektrotechnik von entscheidender Bedeutung. Sie verbessert die Zuverlässigkeit und Stabilität der Robotersteuerung deutlich. In industriellen Produktionsumgebungen wirken sich viele Faktoren wie elektromagnetische Störungen und Temperaturschwankungen aus, wodurch herkömmliche Steuerungssysteme anfällig für Störungen sind und häufig ausfallen. SPS nutzt fortschrittliche Entstörungstechnologien wie fotoelektrische Isolierung und Filterung, die auch in rauen Umgebungen stabil arbeiten und die Kontinuität und Genauigkeit der Roboterarbeit gewährleisten. Beispielsweise müssen Roboter am Fließband die Montage von Teilen über lange Zeiträume und mit hoher Präzision durchführen. Die SPS-Steuerung stellt sicher, dass der Roboter in einer komplexen elektromagnetischen Umgebung jede Aktionsanweisung präzise ausführt, wodurch die Fehlerquote effektiv reduziert und die Produktionseffizienz verbessert wird.

SPS verleiht Robotern stärkere logische Steuerungsmöglichkeiten. Bei der Ausführung von Aufgaben müssen Roboter oft Entscheidungen basierend auf unterschiedlichen Bedingungen und Umgebungen treffen. SPS ermöglicht Robotern durch die Erstellung komplexer Logikprogramme die schnelle Verarbeitung und Beurteilung mehrerer Eingangssignale, um ihre Aktionen flexibel anzupassen. In der Lagerlogistik müssen Handhabungsroboter den optimalen Handhabungsweg anhand von Informationen wie Standort und Gewicht der Waren sowie der Lageraufteilung planen. Das SPS-Steuerungssystem kann diese Informationen schnell analysieren und dem Roboter präzise Steuerungsanweisungen geben, um eine effiziente Handhabung der Ladung zu gewährleisten.

Darüber hinaus vereinfacht der Einsatz von SPS-Technologie die Entwicklung und Wartung von Robotersteuerungssystemen. Im Vergleich zu herkömmlichen festverdrahteten Steuerungssystemen ist die SPS modular aufgebaut. Anwender können verschiedene Module je nach Bedarf kombinieren, was den Systementwicklungszyklus erheblich verkürzt. Die SPS-Programmierung erfolgt in einer intuitiven und leicht verständlichen Kontaktplansprache, sodass auch Laien schnell zurechtkommen. Für die Systemwartung verfügt die SPS über eine leistungsstarke Selbstdiagnosefunktion, die den Betriebszustand des Systems in Echtzeit überwacht. Sobald ein Fehler gefunden wird, lässt sich das Problem schnell lokalisieren, was Wartungskosten und Ausfallzeiten reduziert.

Aus makroökonomischer Sicht hat der weit verbreitete Einsatz von SPS-Elektrotechnik in der Robotik einen tiefgreifenden Einfluss auf die Transformation und Modernisierung der gesamten Fertigungsindustrie. Er trägt dazu bei, die Produktionseffizienz zu steigern, die Produktionskosten zu senken, die Produktqualität zu verbessern und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen auf dem Weltmarkt zu stärken. Mit dem Aufkommen von Industrie 4.0 und dem Zeitalter der intelligenten Fertigung wird die SPS-Elektrotechnik auf dem Weg zur intelligenten Roboterautomatisierung eine immer wichtigere Rolle spielen und die Realisierung einer intelligenten, flexiblen und effizienten industriellen Produktion nachhaltig unterstützen.

1.2 Forschungsziele und Methoden

Ziel dieser Studie ist es, die zentrale Rolle der SPS-Elektrotechnik im Prozess der intelligenten Roboterautomatisierung gründlich zu analysieren, ihre Anwendungsergebnisse präzise zu bewerten und fundierte theoretische Grundlagen und praktische Anleitungen für die umfassende Entwicklung und Anwendung dieser Technologie in der Robotik zu liefern. Insbesondere werden die Grundprinzipien und einzigartigen Vorteile der SPS-Elektrotechnik systematisch dargestellt, ihr Anwendungsspektrum in der intelligenten Roboterautomatisierung umfassend dargestellt, die Herausforderungen im Anwendungsprozess eingehend untersucht und praktische und umsetzbare Lösungsstrategien vorgeschlagen. So wird Praktikern ein besseres Verständnis der Anwendungsrichtung und Entwicklungstendenz der SPS-Elektrotechnik in der Robotik vermittelt.

Um die oben genannten Ziele zu erreichen, nutzt diese Studie verschiedene Forschungsmethoden. Die Fallanalyse ist dabei ein wichtiges Mittel. Durch die eingehende Analyse typischer Roboteranwendungsfälle in Branchen wie Automobilbau, Lagerlogistik und Elektronikmontage, die sorgfältige Beobachtung des Betriebs der SPS-Elektrotechnik in realen Szenarien, die umfassende Datenerfassung und die eingehende Analyse ihrer spezifischen Auswirkungen auf die Arbeitseffizienz, Genauigkeit und Stabilität von Robotern werden Informationen aus erster Hand über die Anwendungseffekte der SPS-Elektrotechnik gewonnen.

Vergleichende Forschungsmethoden sind ebenfalls unverzichtbar. Es wird ein umfassender Vergleich zwischen dem Robotersteuerungssystem mit SPS-Elektrotechnik und dem herkömmlichen Steuerungssystem durchgeführt. Dabei werden mehrere Aspekte wie Steuerungsgenauigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Wartungskosten analysiert, um die Vorteile und Verbesserungsmöglichkeiten der SPS-Elektrotechnik gegenüber der herkömmlichen Technologie aufzuzeigen und so eine Grundlage für die weitere Optimierung der Technologie zu schaffen.

Auch die Literaturrecherche spielt eine wichtige Rolle. Wir konsultieren umfassend relevante wissenschaftliche Literatur, Branchenberichte, technische Standards und andere Materialien im In- und Ausland, analysieren umfassend den Forschungsstand und die Entwicklungstrends der SPS-Elektrotechnik im Roboterbereich, verstehen die Forschungsergebnisse und praktischen Erfahrungen unserer Vorgänger auf diesem Gebiet, legen eine solide theoretische Grundlage für die Forschung, vermeiden Doppelarbeit und gewährleisten Innovation und Spitzenforschung.

1.3 Aktueller Forschungsstand im In- und Ausland

Im Ausland wurde die Forschung und Anwendung von SPS-Elektrotechnik in der Robotik schon früh vorangetrieben und erzielte bemerkenswerte Ergebnisse. Die USA sind seit jeher weltweit führend in der industriellen Automatisierung und forschen intensiv und umfassend an der Anwendung von SPS in der Robotersteuerung. So nutzt beispielsweise die Ford Motor Company im Automobilbau fortschrittliche SPS-Steuerungssysteme, um die hochautomatisierte Zusammenarbeit von Robotern an Automobil-Montagelinien zu erreichen. Durch die präzise Programmierung von SPS-Programmen können Roboter komplexe Aufgaben wie das Greifen und Montieren von Teilen schnell und präzise erledigen, was die Produktionseffizienz und Produktqualität deutlich verbessert. Studien belegen, dass die Montageeffizienz von SPS-gesteuerten Roboter-Produktionslinien im Vergleich zu herkömmlichen Produktionslinien um über 30 Prozentpunkte höher ist und die Fehlerquote um etwa 20 Prozentpunkte sinkt.

Als Produktionsstandort legt Deutschland Wert auf hohe Präzision und Stabilität in der industriellen Produktion. Angetrieben von der Industrie-4.0-Strategie haben deutsche Unternehmen SPS-Technologie eng mit Robotern integriert und in allen Bereichen intelligenter Fabriken eingesetzt. Die von Siemens entwickelte Hochleistungs-SPS verfügt über leistungsstarke Rechenleistung und Kommunikationsfunktionen und ermöglicht die nahtlose Verbindung mit Robotern, Sensoren und anderen Geräten zu einem hochintelligenten Produktionssystem. In der Elektronikfertigung können von Siemens-SPS gesteuerte Roboter präzise Operationen an winzigen elektronischen Bauteilen mit einer Positioniergenauigkeit von bis zu ±0,01 mm durchführen und so den Bedarf der Elektronikindustrie an hochpräziser Produktion effektiv decken.

Japan verfügt über einzigartige Vorteile in der Robotertechnologie. Die Forschung zur Anwendung von SPS-Elektrotechnik in Robotern konzentriert sich auf die Verbesserung der Flexibilität und Vielseitigkeit von Robotern. Die Roboterprodukte von Fanuc finden breite Anwendung in der Automobilindustrie, der mechanischen Verarbeitung und anderen Branchen. Ausgestattet mit fortschrittlichen SPS-Steuerungssystemen können Roboter je nach Produktionsaufgabe schnell zwischen Arbeitsmodi wechseln und komplexe Prozesse automatisieren. Beim Schweißrobotereinsatz steuert die SPS die Bewegungsbahn und die Schweißparameter des Roboters. Dadurch wird eine hochwertige Schweißung von Werkstücken unterschiedlicher Formen und Materialien ermöglicht, deren Schweißqualität internationalen Standards entspricht.

Obwohl die Forschung zur SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik in China erst relativ spät begann, hat sie sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Viele Universitäten und Forschungseinrichtungen haben aktiv in die Forschung auf diesem Gebiet investiert und eine Reihe wichtiger Ergebnisse erzielt. So hat beispielsweise das Harbin Institute of Technology bedeutende Fortschritte bei der Forschung und Entwicklung von SPS-Steuerungssystemen für Industrieroboter erzielt. Durch die Optimierung des SPS-Steuerungsalgorithmus konnten die Bewegungsgenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des Roboters verbessert werden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fertigung von Luft- und Raumfahrtteilen praktisch umgesetzt und lösen das Problem der unzureichenden Robotersteuerungsgenauigkeit bei der Bearbeitung komplexer Teile effektiv.

Auch auf Unternehmensebene setzen einige große inländische Fertigungsunternehmen verstärkt auf SPS-Elektrotechnik, um den Automatisierungsgrad von Robotern zu erhöhen. So hat beispielsweise die Foxconn Technology Group zahlreiche SPS-gesteuerte Roboter in ihre Produktionslinien integriert, um die Fertigung elektronischer Produkte zu automatisieren. Die präzise Steuerung der Roboter durch SPS steigert nicht nur die Produktionseffizienz, sondern senkt auch die Arbeitskosten und stärkt die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen auf dem internationalen Markt.

Die aktuelle Forschung im In- und Ausland weist jedoch noch einige Defizite auf. Einerseits besteht trotz der Vielzahl an Kommunikationsprotokollen und -methoden hinsichtlich der Kommunikationskoordination zwischen SPS und Robotern noch Verbesserungsbedarf hinsichtlich Stabilität und Echtzeitleistung in komplexen Industrieumgebungen. Bei einer großen Roboteranzahl und komplexen Aufgaben können Verzögerungen und Paketverluste bei der Datenübertragung die Betriebseffizienz des gesamten Produktionssystems beeinträchtigen. Andererseits bedarf es weiterer intensiver Forschung zur Verbesserung der Intelligenz von SPS-Steuerungssystemen. Die aktuelle SPS-Steuerung basiert hauptsächlich auf voreingestellter Programmlogik. Angesichts komplexer und sich verändernder Produktionsumgebungen und Aufgabenanforderungen sind die autonomen Entscheidungs- und Anpassungsfähigkeiten von Robotern relativ schwach ausgeprägt. Die Verbesserung der Lernfähigkeit und intelligenten Entscheidungsfähigkeit von SPS-Steuerungssystemen, um eine wirklich intelligente autonome Steuerung von Robotern zu erreichen, ist eine der wichtigsten Forschungsrichtungen für die Zukunft. Darüber hinaus befindet sich die tiefgreifende Integration der SPS-Elektrotechnik mit neuen Technologien wie künstlicher Intelligenz und Big Data im Hinblick auf die domänenübergreifende Integration noch in der Erprobungsphase. Wie die Vorteile dieser Technologien voll ausgeschöpft und die Anwendungsszenarien und Funktionen von SPS im Roboterbereich weiter ausgebaut werden können, ist ebenfalls ein dringend zu lösendes Problem.

2. Grundlagen der SPS-Elektrotechnik

2.1 Funktionsprinzip der SPS

2.1.1 Input-Monitoring und Datenverarbeitung

Die Eingangsüberwachungsfunktion der SPS ist das wichtigste Bindeglied zur automatischen Steuerung. Über eine spezielle Eingangsschnittstelle kann die SPS Verbindungen zu verschiedenen Sensoren, Schaltern und anderen Geräten herstellen, um in Echtzeit Informationen über die Umgebung zu erfassen. Diese Eingangssignale stammen aus einer Vielzahl von Quellen, darunter Temperaturwerte, die von Temperatursensoren zurückgemeldet werden, Druckdaten, die von Drucksensoren erfasst werden, Objektpositionssignale, die von photoelektrischen Sensoren erfasst werden, und Statusinformationen verschiedener Steuerschalter.

Nehmen wir Temperatursensoren als Beispiel. In der industriellen Produktion gelten für viele Prozesse strenge Temperaturanforderungen. Bei chemischen Reaktionen beispielsweise wirkt sich die präzise Kontrolle der Reaktionstemperatur direkt auf die Produktqualität und die Produktionssicherheit aus. Der Temperatursensor wandelt das in Echtzeit überwachte Temperatursignal in ein elektrisches Signal um und überträgt es an die Eingangsschnittstelle der SPS. Die SPS verwendet diese Originalsignale dabei nicht direkt, sondern führt eine Reihe von Datenverarbeitungsvorgängen durch. Zunächst wird das Signal abgetastet, um das sich kontinuierlich ändernde analoge Signal zur anschließenden digitalen Verarbeitung in ein diskretes digitales Signal umzuwandeln. Anschließend wird ein Filteralgorithmus verwendet, um Rauschstörungen im Signal zu entfernen und so die Genauigkeit der Daten sicherzustellen. In der realen Industrieumgebung gibt es viele elektromagnetische Störungen, elektrisches Rauschen usw. Diese Störungen können zu Verzerrungen des Sensorsignals führen. Werden sie nicht verarbeitet, beeinträchtigt dies die Steuerungsentscheidung der SPS erheblich.

Nach der Abtastung und Filterung des Eingangssignals führt die SPS eine vorläufige Analyse und Beurteilung der Daten gemäß dem voreingestellten Programm durch. Beispielsweise vergleicht die SPS in einem Temperaturregelsystem den erfassten Echtzeit-Temperaturwert mit dem voreingestellten Temperaturbereich, um festzustellen, ob die aktuelle Temperatur im normalen Arbeitsbereich liegt. Überschreitet die Temperatur den eingestellten Bereich, markiert und speichert die SPS diese Information und wartet auf die weitere Analyse und Entscheidungsfindung in der nachfolgenden Logikverarbeitungsstufe. Diese Echtzeitüberwachung und Datenverarbeitung der Eingangssignale liefert eine zuverlässige Datenbasis für die nachfolgenden Logikoperationen und Steuerungsentscheidungen der SPS und stellt sicher, dass das Steuerungssystem Veränderungen in der Umgebung präzise wahrnimmt und zeitnah reagiert.

2.1.2 Logische Programmierung und Entscheidungsfindung

Die Logikprogrammierung ist eine der Kernfunktionen der SPS und verleiht ihr leistungsstarke Entscheidungskompetenz. Anwender verwenden Programmiersoftware, um detaillierte Logikprogramme für die SPS zu schreiben, die auf den tatsächlichen Steuerungsanforderungen basieren. Dabei kommen Programmiersprachen wie Kontaktpläne, Anweisungstabellen und Funktionsblockdiagramme zum Einsatz. Diese Programme sind sozusagen die „Gehirnanweisungen“ der SPS und ermöglichen ihr, präzise Steuerungsentscheidungen auf Basis der Eingabedaten zu treffen.

Im Materialtransportsystem einer automatisierten Produktionslinie kommt die Logikprogrammierung voll zum Tragen. Angenommen, das System verfügt über mehrere Sensoren, die den Standort, die Anwesenheit und den Betriebszustand des Materialtransportroboters erfassen. Sobald das Material an den gewünschten Ort transportiert wird, sendet der Positionssensor ein Signal an die SPS. Nach Empfang des Signals trifft die SPS eine Entscheidung anhand des vorgefertigten Logikprogramms. Liegen gleichzeitig weitere Bedingungen vor, beispielsweise wenn sich der Transportroboter im Leerlauf befindet und kein Material den Ziellagerplatz blockiert, leitet die SPS den Greifbefehl des Transportroboters ein. Dieser Prozess beinhaltet die logische Verknüpfung mehrerer Eingangssignale. Die SPS nutzt logische Operatoren wie „UND“, „ODER“ und „NICHT“, um diese Signale umfassend zu analysieren. Nur wenn beispielsweise das Materialpositionssignal „Material vorhanden“, das Roboterstatussignal „Leerlauf“ und das Zielpositionssignal „Nicht blockiert“ lautet und die drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind (d. h. die „UND“-Operation ausgeführt wird), gibt die SPS ein Steuersignal aus, um die Greifaktion des Roboters zu starten.

In komplexen industriellen Steuerungsszenarien müssen SPSen unter Umständen auch komplexe logische Operationen wie Regelkreise und bedingte Entscheidungen ausführen. Beispielsweise müssen SPSen in einer Fabrik mit mehreren Produktionsmodi ihre Steuerungsstrategien dynamisch an Faktoren wie die Auswahl der Produktionsaufgaben und den Betriebszustand der Anlagen anpassen. Durch die Erstellung verschachtelter bedingter Entscheidungen und Schleifenprogramme können SPSen verschiedene Produktionsprozesse präzise steuern. Bei der Ausführung logischer Operationen verarbeitet die CPU der SPS die Anweisungen im Programm schnell und leitet basierend auf verschiedenen Kombinationen von Eingabedaten in kürzester Zeit entsprechende Entscheidungsergebnisse ab, die die Grundlage für die nachfolgende Ausgabesteuerung bilden.

2.1.3 Ausgabesteuerung und Ausführung

Die Ausgangssteuerung ist der Schlüsselschritt für die SPS, um Entscheidungsergebnisse in tatsächliche Steueraktionen umzusetzen. Sobald die SPS die logische Verknüpfung der Eingangsdaten abgeschlossen und eine Entscheidung getroffen hat, sendet sie über die Ausgangsschnittstelle entsprechende Steuersignale an die Aktoren, um diese zur Ausführung spezifischer Steueraktionen anzutreiben und so die Steuerungsaufgabe externer Geräte abzuschließen.

Gängige Aktoren sind Motoren, Magnetventile, Relais usw. In der industriellen Automatisierungsproduktion werden Motoren beispielsweise häufig für Materialtransport, mechanische Bearbeitung und andere Anwendungen eingesetzt. Stellt die SPS fest, dass der Motor für den Materialtransport gestartet werden muss, sendet sie ein elektrisches Signal an die mit dem Motor verbundene Ausgangsschnittstelle. Bei Wechselstrommotoren kann die SPS die Spule des Steuerschützes bestromen, um dessen Hauptkontakte zu schließen. Dadurch wird die Stromversorgung des Motors hergestellt und der Motor gestartet. Bei Gleichstrommotoren kann die SPS Drehzahl und Drehrichtung des Motors präzise steuern, indem sie Spannung oder Stromstärke des Ausgangssignals an unterschiedliche Produktionsanforderungen anpasst.

In manchen Fällen, die eine hohe Steuerungsgenauigkeit erfordern, wie beispielsweise bei der Bearbeitung von CNC-Werkzeugmaschinen, gibt die SPS präzise Impulssignale aus, um die Bewegung des Motors zu steuern. Durch die Steuerung von Frequenz und Impulsanzahl lassen sich Drehwinkel und Hub des Motors präzise steuern und die präzise Positionierung und Bewegungssteuerung der Werkzeugmaschine erreichen, was die Bearbeitung hochpräziser Teile gewährleistet.

Magnetventile spielen auch in der industriellen Steuerung eine wichtige Rolle. In pneumatischen Steuerungssystemen beispielsweise steuert die SPS die Durchflussrichtung und den Druck der Druckluft durch Ein- und Ausschalten des Magnetventils und treibt so den Zylinder an, um verschiedene mechanische Aktionen wie das Greifen, Transportieren und Sortieren von Materialien auszuführen. Wenn die SPS ein Steuersignal zur Aktivierung des Magnetventils ausgibt, bewegt sich dessen Ventilkern. Dadurch ändert sich der Verbindungszustand des Luftwegs, wodurch Druckluft in den entsprechenden Zylinder gelangt, den Zylinderkolben bewegt und die vorgegebene Betriebsaufgabe erfüllt.

Relais werden häufig zur Steuerung von Schaltkreisen eingesetzt. SPS können Hochspannungs- und Hochstromkreise indirekt steuern, indem sie das Ein- und Ausschalten der Relaisspulen steuern. In den Steuerungssystemen einiger Großgeräte verwendet die SPS Relais, um den Netzschalter des Hauptstromkreises, das Ein- und Ausschalten des Beleuchtungsstromkreises usw. zu steuern und so den sicheren und normalen Betrieb des Geräts zu gewährleisten.

2.2 SPS-Hardwarezusammensetzung

2.2.1 Prozessor (CPU)

Als Kernkomponente der SPS spielt der Prozessor (CPU) wie das menschliche Gehirn eine unersetzliche Schlüsselrolle im gesamten System. Er ist verantwortlich für die Ausführung des vom Benutzer geschriebenen Programms, die schnelle und präzise Verarbeitung der Eingabedaten und die Generierung entsprechender Steueranweisungen gemäß der voreingestellten Logik, um die Zusammenarbeit anderer SPS-Komponenten zu steuern und so den effizienten und stabilen Betrieb des gesamten Steuerungssystems zu gewährleisten.

Die Leistung verschiedener CPU-Typen unterscheidet sich erheblich. Diese Unterschiede wirken sich maßgeblich auf wichtige Leistungsindikatoren wie Verarbeitungsleistung, Betriebsgeschwindigkeit und Reaktionszeit von SPS aus. In der industriellen Automatisierung sind High-End-SPS üblicherweise mit Hochleistungs-CPUs ausgestattet, beispielsweise mit Multi-Core-Architektur und High-Speed-Cache-Technologie. Die CPU der SPS der Siemens-Serie S7-1500 nutzt beispielsweise fortschrittliche Multi-Core-Prozessortechnologie und kann mehrere Task-Threads gleichzeitig verarbeiten, was die Parallelität der Datenverarbeitung deutlich verbessert. In komplexen industriellen Produktionsszenarien, wie beispielsweise automatisierten Produktionslinien in der Automobilherstellung, erfassen zahlreiche Sensoren Daten wie den Betriebszustand der Anlagen und die Werkstückposition in Echtzeit. Die CPU dieser SPS-Serie kann diese umfangreichen Datenmengen schnell verarbeiten und analysieren, Entscheidungen rasch treffen und Roboter steuern, um die Montage von Teilen präzise auszuführen. Im Gegensatz dazu weist die CPU von SPS der mittleren und unteren Preisklasse eine relativ schwache Leistung auf und eignet sich für einfache Steuerungsszenarien, die keine hohe Datenverarbeitungsgeschwindigkeit und -genauigkeit erfordern, wie beispielsweise Materialfördersysteme in kleinen Fabriken. Nur eine kleine Anzahl von Sensorsignalen muss durch einfache Logik beurteilt und gesteuert werden, und CPUs der mittleren und unteren Preisklasse können diese Anforderungen erfüllen.

Die Rechengeschwindigkeit der CPU ist ebenfalls ein wichtiger Indikator für ihre Leistung. Eine CPU mit hoher Rechengeschwindigkeit kann eine große Anzahl logischer Operationen und Datenverarbeitungsaufgaben in kürzester Zeit erledigen, sodass die SPS schnell auf Änderungen externer Signale reagieren kann. In einer Hochgeschwindigkeits-Verpackungsproduktionslinie ist die Verpackungsgeschwindigkeit des Produkts sehr hoch. Die SPS muss Informationen wie die vom Sensor erfasste Produktposition und den Förderstatus des Verpackungsmaterials in Echtzeit verarbeiten und den Aktuator steuern, um den Verpackungsvorgang rechtzeitig abzuschließen. Die mit einer Hochgeschwindigkeits-CPU ausgestattete SPS kann diese Daten schnell verarbeiten, um die Genauigkeit und Effizienz des Verpackungsvorgangs zu gewährleisten und Verpackungsfehler oder Materialverschwendung zu vermeiden.

Auch die Speicherkapazität der CPU hat einen wichtigen Einfluss auf die Leistung der SPS. Eine größere Speicherkapazität ermöglicht die Speicherung von mehr Benutzerprogrammen, Daten, Verlaufsdaten und anderen Informationen. In einigen industriellen Prozessen, die einen Langzeitbetrieb und hohe Anforderungen an die Datenaufzeichnung erfordern, wie beispielsweise die Reaktionsprozessüberwachung in der chemischen Produktion, muss die SPS große Mengen an Echtzeitdaten wie Temperatur, Druck, Durchfluss und Steuerungsprogramme speichern. Eine CPU mit großer Speicherkapazität kann diesen Bedarf decken, die Integrität und Rückverfolgbarkeit der Daten gewährleisten und die anschließende Produktionsanalyse und Fehlerbehebung optimal unterstützen.

2.2.2 Ein-/Ausgabemodule

Das Ein-/Ausgabemodul (E/A) dient als Brücke für den Informationsaustausch zwischen SPS und externen Geräten und ist von entscheidender Bedeutung. Über das E/A-Modul kann die SPS verschiedene Statusinformationen externer Geräte in Echtzeit erfassen und das verarbeitete Steuersignal an den entsprechenden Aktor ausgeben. Dadurch wird eine präzise Steuerung externer Geräte ermöglicht.

E/A-Module lassen sich in analoge und digitale Module unterteilen, die jeweils eigene Funktionen und Anwendungsszenarien aufweisen. Digitale Module werden hauptsächlich zur Verarbeitung diskreter Schaltsignale verwendet, wie z. B. Tastendrücken und -loslassen, Auslösen und Nichtauslösen von Sensoren, Aktivieren und Deaktivieren von Relais usw. In der industriellen Produktion werden digitale Module häufig zur Start-Stopp-Steuerung von Geräten und zur Statusüberwachung usw. eingesetzt. Beispielsweise erfassen digitale Eingangsmodule in automatisierten Fertigungsstraßen Sensorsignale an jeder Arbeitsstation, um festzustellen, ob das Werkstück an seinem Platz ist. Digitale Ausgangsmodule steuern den Start und Stopp des Motors, das Aus- und Einfahren des Zylinders und andere Aktionen, um einen automatisierten Betrieb der Fertigungsstraße zu gewährleisten.

Das Analogmodul dient hauptsächlich zur Verarbeitung kontinuierlich veränderlicher analoger Signale, wie beispielsweise der Ausgangssignale von Sensoren für Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand. Diese analogen Signale müssen zunächst A/D-gewandelt (analog/digital) werden, bevor sie von der CPU der SPS verarbeitet werden können. Im Temperaturregelsystem wandelt das analoge Eingangsmodul die vom Temperatursensor erfassten, kontinuierlich veränderlichen analogen Temperatursignale in digitale Signale um und überträgt diese an die CPU. Nachdem die CPU diese Daten gemäß der voreingestellten Regelstrategie analysiert und verarbeitet hat, gibt sie die entsprechenden analogen Signale über das analoge Ausgangsmodul aus, um den Betrieb der Heiz- oder Kühlanlage zu steuern und eine präzise Temperaturregelung zu erreichen.

In der Praxis ist es sehr wichtig, das passende E/A-Modul entsprechend den spezifischen Steuerungsanforderungen auszuwählen. Zunächst muss der Bedarf an E/A-Punkten berücksichtigt werden. Verschiedene industrielle Steuerungssysteme haben unterschiedliche Anforderungen an die Anzahl der Eingangs- und Ausgangssignale. Module mit entsprechenden E/A-Punkten sollten sinnvollerweise entsprechend der tatsächlichen Anzahl der Sensoren und Aktoren ausgewählt werden. Eine zu geringe Anzahl von E/A-Punkten erfüllt möglicherweise nicht die Steuerungsanforderungen des Systems. Eine zu große Anzahl von E/A-Punkten führt zu Ressourcenverschwendung und erhöhten Kosten.

Zweitens sollten Sie Art und Bereich des Signals berücksichtigen. Verschiedene Sensoren und Aktoren geben unterschiedliche Signalarten und -bereiche aus oder benötigen diese. Beispielsweise kann ein Temperatursensor ein Stromsignal von 4–20 mA oder ein Spannungssignal von 0–5 V ausgeben, und auch ein Drucksensor verfügt über verschiedene Bereichsoptionen. Achten Sie daher bei der Auswahl eines E/A-Moduls darauf, dass es mit der zu verarbeitenden Signalart und dem zu verarbeitenden Bereich kompatibel ist, um eine präzise Signalübertragung und -verarbeitung zu gewährleisten.

Signalübertragungsdistanz und Entstörungsfähigkeit sind ebenfalls wichtige Faktoren bei der Auswahl von E/A-Modulen. In manchen großen Industrieanlagen kann die Entfernung zwischen Sensoren, Aktoren und SPSen weit sein. Daher ist es wichtig, E/A-Module mit hoher Signalübertragungskapazität und Entstörungsfähigkeit auszuwählen, um sicherzustellen, dass das Signal während der Übertragung nicht verzerrt wird oder verloren geht. Beispielsweise können E/A-Module mit Glasfasertechnologie die Übertragungsdistanz und Entstörungsfähigkeit von Signalen effektiv verbessern und eignen sich für industrielle Steuerungsanwendungen in Umgebungen mit großen Entfernungen und hohem Störaufkommen.

2.2.3 Stromversorgung

Eine stabile Stromversorgung ist die Grundvoraussetzung für den normalen Betrieb der SPS, und ihre Bedeutung liegt auf der Hand. Als Kerngerät eines industriellen Automatisierungssteuerungssystems muss die SPS in verschiedenen komplexen Industrieumgebungen kontinuierlich und zuverlässig funktionieren. Sobald ein Problem mit der Stromversorgung auftritt, wie z. B. Spannungsschwankungen oder ein Stromausfall, kann dies zu Störungen der SPS oder sogar zu Geräteschäden führen. Dies beeinträchtigt den normalen Betrieb des gesamten Produktionsprozesses und verursacht enorme wirtschaftliche Verluste.

Das Leistungsmodul einer SPS verfügt in der Regel über mehrere Funktionen, um unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Es wandelt den externen Eingangswechselstrom in den von der SPS benötigten Gleichstrom um und sorgt so für eine stabile Stromversorgung verschiedener Komponenten wie CPU, Speicher, E/A-Modul usw. Das Leistungsmodul verfügt über eine gute Spannungsstabilisierungsleistung und kann die Ausgangsspannung automatisch innerhalb eines bestimmten Bereichs anpassen, um sicherzustellen, dass die SPS auch bei schwankender Eingangsspannung normal funktioniert. In manchen Industrieanlagen kann die Netzspannung aufgrund von Laständerungen und anderen Gründen schwanken. Hochwertige Leistungsmodule können solche Schwankungen effektiv unterdrücken, die Stabilität der Ausgangsspannung gewährleisten und gute Stromversorgungsbedingungen für den zuverlässigen Betrieb der SPS schaffen.

Das Leistungsmodul verfügt außerdem über Funktionen wie Überstromschutz, Überspannungsschutz und Kurzschlussschutz. Überschreitet der Ausgangsstrom den Nennwert, schaltet der Überstromschutz die Ausgangsleistung ab, um eine Beschädigung des internen Schaltkreises der SPS durch zu hohen Strom zu verhindern. Erkennt der Überspannungsschutz eine zu hohe Eingangsspannung, ergreift er entsprechende Maßnahmen, wie z. B. Spannungsreduzierung oder Unterbrechung der Stromversorgung, um die SPS vor den Auswirkungen hoher Spannung zu schützen. Der Kurzschlussschutz reagiert schnell, wenn im Ausgangskreis ein Kurzschluss auftritt, um eine Beschädigung des Geräts durch Kurzschlussstrom zu verhindern.

Um sicherzustellen, dass die SPS bei einem plötzlichen Stromausfall Daten und Status normal speichern kann, sind einige Leistungsmodule zusätzlich mit einer Pufferbatterie ausgestattet. Bei einem Stromausfall schaltet sich die Pufferbatterie sofort ein und versorgt die SPS kurzzeitig mit Strom. So hat die SPS genügend Zeit, wichtige Daten und Betriebszustände im nichtflüchtigen Speicher zu speichern und nach Wiederherstellung der Stromversorgung schnell wieder in den Betriebszustand vor dem Stromausfall zurückzukehren, wodurch die Kontinuität des Produktionsprozesses gewährleistet wird. In Branchen mit extrem hohen Anforderungen an die Produktionskontinuität, wie beispielsweise der Petrochemie oder der Stahlherstellung, ist die Pufferbatteriefunktion des Leistungsmoduls besonders wichtig, um Produktionsunterbrechungen und Geräteschäden durch kurze Stromausfälle effektiv zu vermeiden.

2.3 SPS-Softwaresystem

2.3.1 Programmiersprache

Es gibt zahlreiche und vielfältige SPS-Programmiersprachen, jede mit ihren eigenen einzigartigen Merkmalen und anwendbaren Szenarien, die Ingenieuren flexible Programmieroptionen bieten, um den Anforderungen verschiedener industrieller Steuerungsprojekte gerecht zu werden.

Kontaktplan (LD) ist eine der am häufigsten verwendeten und intuitivsten Programmiersprachen. Er orientiert sich an der Form traditioneller elektrischer Steuerschaltpläne und verwendet grafische Symbole wie Relais und Kontakte zur Darstellung logischer Zusammenhänge. Im Kontaktplan werden Schließer und Öffner durch unterschiedliche Grafiken dargestellt. Diese Kontakte und Spulen werden kombiniert und zu einem logischen Regelkreis verbunden. Diese Programmiermethode ist für Ingenieure, die mit elektrischen Steuerungen vertraut sind, sehr benutzerfreundlich, da die logischen Zusammenhänge auf den ersten Blick klar ersichtlich sind – genau wie beim Zeichnen eines realen elektrischen Steuerschaltplans. In einem einfachen Motor-Vorwärts- und Rückwärts-Steuerungsprogramm kann die Verwendung von Kontaktplänen die Steuerlogik für Vorwärts-, Rückwärts- und Stoppbetrieb des Motors deutlich darstellen. Durch die sinnvolle Verbindung der Schließer- und Öffnerkontakte des Bedienknopfs mit den Spulen der Vorwärts- und Rückwärtsschütze des Motors lässt sich die Vorwärts- und Rückwärtssteuerung des Motors intuitiv realisieren.

Funktionsblockdiagramme (FBD) sind eine grafische Programmiersprache, die auf Funktionsmodulen basiert. Sie zerlegen komplexe Steuerungsfunktionen in unabhängige Funktionsblöcke mit jeweils spezifischen Ein- und Ausgängen und Funktionen. Diese Funktionsblöcke ähneln integrierten Schaltkreismodulen in elektronischen Schaltungen. Durch ihre Kombination und Verbindung lässt sich komplexe Steuerungslogik realisieren. Der Vorteil von Funktionsblockdiagrammen liegt in der klaren Darstellung der Funktionsstruktur und des Datenflusses des Systems, was dessen modularen Aufbau und Analyse erleichtert. Im Steuerungssystem einer automatisierten Produktionslinie sind mehrere Verknüpfungen wie Materialtransport, -verarbeitung und -prüfung beteiligt, die jeweils durch einen Funktionsblock dargestellt werden können. Durch die produktionsprozessgerechte Verknüpfung dieser Funktionsblöcke lässt sich das Steuerungssystem der gesamten Produktionslinie schnell aufbauen und jeder Funktionsblock separat debuggen und optimieren.

Die Anweisungsliste (IL) ist eine textbasierte Programmiersprache, die ähnlich wie die Assemblersprache verschiedene Befehle mithilfe von Mnemonik darstellt. Die Anweisungslistensprache ist prägnant und kompakt und ermöglicht die Implementierung komplexer logischer Operationen und Datenverarbeitung. Bei Steuerungsaufgaben, die eine hohe Programmausführungseffizienz und komplexe logische Zusammenhänge erfordern, spielt die Anweisungslistensprache ihre Vorteile aus. In einigen industriellen Szenarien, die eine schnelle Verarbeitung und Analyse großer Datenmengen erfordern, wie beispielsweise bei der Echtzeitüberwachung und -analyse verschiedener Daten im Produktionsprozess, können in Anweisungslistensprache geschriebene Programme Datenverarbeitungsaufgaben effizienter erledigen. Die Lesbarkeit der Anweisungslistensprache ist jedoch relativ schlecht. Für Anfänger ist sie schwer zu verstehen und zu schreiben und erfordert ein tiefes Verständnis des SPS-Befehlssystems.

Strukturierter Text (ST) ist eine höhere Textprogrammiersprache mit einer PASCAL-ähnlichen Syntax. Sie unterstützt anspruchsvolle Programmierstrukturen wie Variablen, Datentypen, bedingte Urteile und Schleifensteuerung. Strukturierter Text eignet sich zum Schreiben komplexer Algorithmen und Logikprogramme und ermöglicht eine verfeinerte Systemsteuerung. In einigen industriellen Anwendungen, die komplexe mathematische Operationen und logisches Denken erfordern, wie beispielsweise bei der Roboterpfadplanung und der Implementierung von Bewegungssteuerungsalgorithmen, bietet strukturierter Text leistungsstarke Programmierfunktionen. Er ermöglicht die einfache Definition und Nutzung verschiedener Datenstrukturen und Algorithmen, wodurch die Programmlogik klarer und prägnanter wird und die Lesbarkeit und Wartbarkeit des Programms verbessert wird.

Sequential Function Chart (SFC) ist eine Programmiersprache zur Beschreibung des sequentiellen Steuerungsprozesses eines Steuerungssystems. Sie unterteilt den Arbeitsprozess des Systems in eine Reihe von Schritten und Übergangsbedingungen und realisiert die sequentielle Steuerung des Systems durch das Umschalten von Schritten und das Erfüllen von Übergangsbedingungen. Das Sequential Function Chart stellt den Arbeitsablauf und die Zustandsübergangsbeziehungen des Systems klar dar. Bei einigen Steuerungsaufgaben mit offensichtlicher Sequenzialität, wie z. B. der Prozesssteuerung automatisierter Produktionslinien und der Aufzugsbetriebssteuerung, kann die Programmierung mit Sequential Function Charts die Programmstruktur übersichtlicher, verständlicher und wartungsfreundlicher machen. In der Aufzugssteuerung kann das Sequential Function Chart die Reihenfolge und die Bedingungen einer Reihe von Aktionen des Aufzugs intuitiv beschreiben – vom Empfangen von Stockwerksignalen über das Auf- und Abfahren bis zum Erreichen des Zielstockwerks, dem Öffnen und Schließen von Türen usw. –, um einen sicheren und stabilen Aufzugsbetrieb zu gewährleisten.

2.3.2 Programmiersoftware und Tools

SPS-Programmiersoftware und -Tools sind wichtige Hilfsmittel für die Entwicklung, Fehlerbehebung und Wartung von SPS-Programmen. SPSen verschiedener Marken und Modelle sind in der Regel mit entsprechender Programmiersoftware ausgestattet. Diese Software verfügt über eigene Merkmale und bietet Ingenieuren umfassende funktionale Unterstützung.

SIMATIC STEP 7 von Siemens ist eine Programmiersoftware, die in SPSen der Siemens-Reihe weit verbreitet ist und über leistungsstarke Funktionen und hohe Flexibilität verfügt. Sie unterstützt mehrere Programmiersprachen, darunter Kontaktpläne, Funktionsblockdiagramme und Anweisungslisten, um den Programmiergewohnheiten und Projektanforderungen unterschiedlicher Ingenieure gerecht zu werden. Die Software bietet eine intuitive Benutzeroberfläche, mit der Ingenieure Programme mithilfe grafischer Bedienelemente einfach erstellen, bearbeiten, debuggen und überwachen können. Bei der Erstellung komplexer Automatisierungssteuerungsprogramme können Ingenieure die grafische Programmieroberfläche von SIMATIC STEP 7 nutzen, um Kontaktpläne oder Funktionsblockdiagramme einfach zu zeichnen und die Rahmenstruktur des Programms schnell aufzubauen. Gleichzeitig verfügt die Software über leistungsstarke Diagnosefunktionen, die den Betriebszustand der SPS in Echtzeit überwachen, Fehler im Programm schnell erkennen und lokalisieren und die Debugging-Effizienz deutlich verbessern.

RSLogix 5000 von Rockwell Automation ist eine Programmiersoftware für die Allen-Bradley-Geräteserie, insbesondere für komplexe Automatisierungsprojekte. Die Software bietet eine umfassende Lösung, die objektorientierte Programmierung unterstützt und Ingenieuren eine effizientere Organisation und Verwaltung von Programmcode ermöglicht. RSLogix 5000 verfügt zudem über ausgereifte Sicherheitsfunktionen, die den sicheren und zuverlässigen Ablauf von Programmen in industriellen Produktionsumgebungen gewährleisten. Die Software lässt sich nahtlos in die FactoryTalk-Umgebung integrieren, ermöglicht einen hohen Integrationsgrad mit anderen Automatisierungsgeräten und -systemen und unterstützt den Aufbau großer und komplexer Automatisierungssteuerungssysteme.

CX-Programmer von Omron ist eine Programmiersoftware für Omron-SPS, die für ihre benutzerfreundliche Oberfläche und effizienten Programmierfunktionen bekannt ist. Sie bietet Anwendern eine intuitive Engineering-Umgebung und vereinfacht die Programmerstellung durch praktische Methoden wie Drag-and-Drop. Für Einsteiger bietet CX-Programmer zahlreiche Beispielprogramme und ausführliche Hilfedokumente, die den Einstieg erleichtern. In konkreten Projekten können Ingenieure diese Beispielprogramme als Referenz nutzen und mit spezifischen Steuerungsanforderungen kombinieren, um schnell eigene Programme zu schreiben und zu debuggen. Gleichzeitig unterstützt die Software mehrere Kommunikationsprotokolle, was die Dateninteraktion und die Kommunikation mit anderen Geräten erleichtert.

Neben der oben genannten speziellen Programmiersoftware gibt es auch allgemeine SPS-Programmiertools wie CODESYS. CODESYS ist eine leistungsstarke Entwicklungsumgebung, die die Entwicklung verschiedener SPS-Marken unterstützt und sich durch hohe Vielseitigkeit und Portabilität auszeichnet. Sie bietet eine Vielzahl von Programmier- und Bibliotheksfunktionen. Ingenieure können je nach Projektanforderungen passende Funktionsmodule für die Entwicklung auswählen, was den Aufwand für wiederholte Programmierung reduziert. CODESYS unterstützt außerdem Online-Debugging und -Überwachungsfunktionen, sodass Ingenieure den Programmstatus und die Variablenwerte in Echtzeit einsehen und Probleme zeitnah erkennen und beheben können.

2.3.3 Programmiermethoden

Bei der SPS-Programmierung kann die Anwendung geeigneter Entwurfsmethoden die Qualität, Lesbarkeit und Wartbarkeit des Programms verbessern und den stabilen Betrieb und die effiziente Arbeit des Steuerungssystems gewährleisten. Strukturierte Programmierung und modulare Programmierung sind zwei häufig verwendete Programmiermethoden, die in der SPS-Programmierung eine wichtige Rolle spielen.

Strukturierte Programmierung ist eine Programmiermethode, die auf drei Grundstrukturen basiert: Sequenz, Auswahl und Schleife. Durch die Organisation und den Aufbau der Programmlogik nach diesen drei Strukturen erhält das Programm eine klare Hierarchie und einen klaren logischen Ablauf. In der Sequenzstruktur führt das Programm jede Anweisung der Reihe nach von oben nach unten aus; die Auswahlstruktur bestimmt die Ausführung verschiedener Programmzweige abhängig von unterschiedlichen Bedingungen; die Schleifenstruktur dient der wiederholten Ausführung eines bestimmten Programmcodes, bis eine bestimmte Endbedingung erfüllt ist. Bei der SPS-Programmierung eines Temperaturregelsystems kann eine strukturierte Programmiermethode zum Einsatz kommen. Zunächst werden die Temperatursensordaten erfasst und über die Sequenzstruktur ausgelesen. Anschließend wird der erfasste Temperaturwert mithilfe der Auswahlstruktur mit dem voreingestellten Temperaturbereich verglichen, um festzustellen, ob die aktuelle Temperatur normal ist. Liegt die Temperatur außerhalb des Bereichs, wird je nach Situation die entsprechende Steuerfunktion ausgewählt, z. B. das Einschalten des Heiz- oder Kühlgeräts. Schließlich dient die Schleifenstruktur der kontinuierlichen Überwachung und Regelung der Temperatur, um sicherzustellen, dass sie stets im eingestellten Bereich bleibt.

Modulare Programmierung bedeutet, das gesamte Steuerungssystem je nach Funktion in mehrere unabhängige Module aufzuteilen. Jedes Modul erfüllt spezifische Funktionsaufgaben, und die Module kommunizieren und interagieren über Schnittstellen miteinander. Der Vorteil dieser Programmiermethode liegt in der verbesserten Wartbarkeit und Skalierbarkeit des Programms. Bei Aktualisierungen oder Änderungen am Steuerungssystem muss lediglich das entsprechende Modul angepasst werden, ohne den normalen Betrieb anderer Module zu beeinträchtigen. Die SPS-Steuerung einer automatisierten Produktionslinie kann in mehrere Funktionsmodule wie Materialfördermodul, Verarbeitungsmodul und Erkennungsmodul unterteilt werden. Das Materialfördermodul steuert den Materialtransport in der Produktionslinie, das Verarbeitungsmodul die Materialverarbeitung und das Erkennungsmodul die Qualitätskontrolle der verarbeiteten Produkte. Jedes Modul verfügt über unabhängige Ein- und Ausgabeschnittstellen sowie eine Programmlogik. Durch sinnvolles Aufrufen und Kombinieren dieser Module lässt sich das Steuerungssystem der gesamten Produktionslinie schnell aufbauen. Fällt das Materialfördermodul im späteren Wartungsprozess aus, kann der Ingenieur das Modul direkt prüfen und reparieren, ohne das gesamte Programm aufwendig reparieren zu müssen.

Bei der tatsächlichen SPS-Programmentwicklung werden strukturierte und modulare Programmiermethoden üblicherweise kombiniert. Zunächst wird das System mithilfe der modularen Programmierung in mehrere Funktionsmodule unterteilt. Anschließend werden innerhalb jedes Moduls strukturierte Programmiermethoden eingesetzt, um die spezifische Funktionslogik des Moduls zu implementieren. Dies gewährleistet nicht nur eine übersichtliche und wartungsfreundliche Gesamtstruktur des Programms, sondern verbessert auch die Lesbarkeit und Skalierbarkeit des Programms und gewährleistet so den stabilen Betrieb und die effiziente Entwicklung des SPS-Steuerungssystems.

3. Anwendung der SPS-Elektrotechnik in Robotern

3.1 Anwendung in Industrierobotern

3.1.1 Automobilbau

Im Automobilbau sind Industrieroboter weit verbreitet, und die SPS-Elektrotechnik spielt dabei eine zentrale Rolle. Am Beispiel von Automobil-Schweißrobotern erfordert deren Arbeitsprozess hochpräzise Bewegungssteuerung und komplexe logische Entscheidungen. Die SPS mit ihren leistungsstarken Funktionen ermöglicht eine präzise Schweißsteuerung und eine effiziente Koordination der Produktionsprozesse.

In der Karosserieschweißproduktionslinie arbeiten üblicherweise mehrere Schweißroboter zusammen. Jeder Schweißroboter muss die verschiedenen Schweißteile der Karosserie präzise lokalisieren und Schweißvorgänge gemäß den voreingestellten Schweißprozessparametern durchführen. Die SPS kann die Bewegungsbahn des Roboterarms durch die enge Zusammenarbeit mit dem Bewegungssteuerungssystem des Roboters präzise steuern. Beim Schweißen der Autotür sendet die SPS gemäß dem vorgefertigten Programm präzise Impulssignale an den Servomotor des Roboters, um Geschwindigkeit und Winkel des Motors zu steuern. So kann die Schweißpistole des Roboters präzise zum Schweißpunkt der Autotür fahren. Gleichzeitig kann die SPS den Bewegungsstatus des Roboters in Echtzeit überwachen, um sicherzustellen, dass seine Bewegungsgenauigkeit innerhalb des zulässigen Fehlerbereichs liegt. Sobald eine Abweichung der Roboterbewegung festgestellt wird, gibt die SPS umgehend eine Korrekturanweisung aus, um die Schweißqualität sicherzustellen.

Die Parameterkontrolle während des Schweißprozesses ist ebenfalls entscheidend. Parameter wie Schweißstrom, Spannung und Schweißgeschwindigkeit beeinflussen die Schweißqualität direkt. Durch die Kommunikation mit der Schweißstromversorgung kann die SPS die Schweißparameter in Echtzeit an unterschiedliche Schweißstellen und Materialien anpassen. Beim Schweißen von hochfestem Stahl erhöht die SPS den Schweißstrom entsprechend den vorgegebenen Prozessanforderungen, um die Festigkeit und Qualität der Schweißnaht zu gewährleisten. Darüber hinaus überwacht die SPS während des Schweißprozesses kontinuierlich Änderungen der Schweißparameter. Bei übermäßigen Stromschwankungen oder anormaler Spannung werden rechtzeitig Anpassungsmaßnahmen ergriffen, um Schweißfehler zu vermeiden.

Die SPS spielt auch eine Schlüsselrolle bei der Koordination des Produktionsprozesses. Die Automobilherstellung ist ein hochautomatisierter Produktionsprozess, und Schweißroboter müssen mit anderen Produktionsanlagen wie Förderbändern und Vorrichtungen zusammenarbeiten. Die SPS kommuniziert mit den Steuerungssystemen dieser Geräte, um eine nahtlose Integration des gesamten Produktionsprozesses zu gewährleisten. Beim Transport der Karosserie zur Schweißstation steuert die SPS die Vorrichtung, um die Karosserie präzise einzuspannen und dem Schweißroboter eine stabile Arbeitsplattform zu bieten. Nach Abschluss des Schweißvorgangs steuert die SPS das Förderband, um die geschweißte Karosserie zur nächsten Station zu transportieren. Auf diese Weise gewährleistet die SPS einen effizienten und stabilen Ablauf des gesamten Produktionsprozesses und verbessert die Produktionseffizienz und -qualität im Automobilbau.

3.1.2 Bereich Elektronikfertigung

In der Elektronikfertigung steigen mit der Miniaturisierung und Verfeinerung elektronischer Produkte die Anforderungen an Produktionsgenauigkeit und -effizienz zunehmend. Der Einsatz von SPS-Elektrotechnik in Robotern zur Montage elektronischer Komponenten trägt maßgeblich zur Erfüllung dieser Anforderungen bei und verbessert die Produktionsgenauigkeit und -effizienz deutlich.

Elektronische Bauteile wie Chips, Widerstände und Kondensatoren sind in der Regel klein und erfordern daher höchste Präzision bei der Montage. Am Beispiel der SMD-Montage auf Handy-Motherboards muss der Montageroboter die winzigen SMD-Bauteile präzise an der vorgesehenen Position platzieren. Die SPS ermöglicht die präzise Steuerung des Montageroboters durch die Zusammenarbeit mit hochpräzisen visuellen Systemen und Bewegungssteuerungssystemen. Das visuelle System erfasst und erkennt die Bilder von elektronischen Bauteilen und Motherboards und erfasst Position, Lage und Position der Bauteile auf dem Motherboard. Nach der Übermittlung dieser Informationen an die SPS führt diese präzise Berechnungen und Analysen gemäß dem voreingestellten Algorithmus durch und sendet anschließend Steueranweisungen an die Bewegungssteuerung des Roboters. Diese steuert die Bewegung des Roboterarms präzise gemäß diesen Anweisungen und ermöglicht so das Greifen und Platzieren elektronischer Bauteile mit höchster Präzision. Die SPS erreicht dabei eine mikrometergenaue Positionssteuerung des Roboterarms und gewährleistet so die präzise Montage elektronischer Bauteile.

Die SPS kann die Montageeffizienz zudem durch die Optimierung der Bewegungsbahn und Aktionssequenz des Roboters verbessern. Während der Montage elektronischer Bauteile muss der Roboter häufig zwischen verschiedenen Standorten wechseln, um Bauteile zu greifen und zu platzieren. Die SPS analysiert die Montageaufgabe und plant die Bewegungsbahn des Roboters rational, um unnötige Bewegungen und Fahrten zu vermeiden und die Bewegungszeit des Roboters zu reduzieren. Gleichzeitig kann die SPS die Aktionssequenz des Roboters je nach Art und Menge der Bauteile optimieren, sodass der Roboter die Montageaufgabe möglichst effizient erledigen kann. Bei einer Montageaufgabe mit mehreren Arten elektronischer Bauteile kann die SPS dem Roboter priorisieren, um Bauteile zu greifen und zu platzieren, die entsprechend der Bauteilverteilung nahe beieinander liegen, wodurch die Leerlaufzeit des Roboters reduziert wird. Auf diese Weise verbessert die SPS effektiv die Arbeitseffizienz von Robotern zur Montage elektronischer Bauteile und verkürzt den Produktionszyklus.

Darüber hinaus verfügt die SPS über leistungsstarke Fehlerdiagnose- und Alarmfunktionen. Tritt in der Elektronikfertigung ein Fehler auf, kann dies zu einer großen Anzahl von Ausschussprodukten und damit zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen. Die SPS überwacht den Betriebszustand des Roboters und die Arbeitsbedingungen der einzelnen Komponenten in Echtzeit. Bei Auffälligkeiten wie Motorüberhitzung oder Sensorausfall löst sie umgehend ein Alarmsignal aus und ergreift entsprechende Maßnahmen. Die SPS stoppt den Roboterbetrieb automatisch, um eine weitere Fehlerausbreitung zu verhindern, und zeichnet gleichzeitig die Fehlerinformationen auf. Dies bietet dem Wartungspersonal eine präzise Fehlerdiagnosegrundlage, verkürzt die Fehlerbehebungszeit deutlich und verbessert die Zuverlässigkeit und Stabilität der Produktionslinie.

3.1.3 Logistik und Lagerhaltung

In der Logistik und Lagerhaltung werden zunehmend Logistikroboter eingesetzt, und die SPS-Elektrotechnik unterstützt deren effizienten Betrieb maßgeblich. Die Fallanalyse von Logistikrobotern verdeutlicht die wichtige Steuerungsfunktion der SPS bei der Roboterpfadplanung, der Frachtabfertigung usw.

In modernen Logistiklagern müssen Logistikroboter in komplexen Umgebungen Lagerorte von Waren präzise finden und diese an die vorgesehenen Orte transportieren. Die SPS spielt bei der Pfadplanung der Roboter eine zentrale Rolle. Ein Beispiel hierfür sind fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF). Diese sind üblicherweise mit verschiedenen Navigationssystemen wie Lasernavigation, visueller Navigation oder Magnetstreifennavigation ausgestattet. Erhält das FTF einen Transportauftrag, ermittelt die SPS zunächst die Kartendaten des Lagers und die Standortinformationen der Waren. Darauf basierend berechnet die SPS mithilfe fortschrittlicher Pfadplanungsalgorithmen wie dem A*-Algorithmus und dem Dijkstra-Algorithmus den optimalen Pfad vom aktuellen Standort zum Lagerort der Waren. Dabei berücksichtigt die SPS Faktoren wie die Verteilung von Hindernissen im Lager, die Kanalbreite und den Einsatz anderer Roboter, um eine sichere und effiziente Pfadplanung zu gewährleisten. In großen Logistiklagern gibt es viele Regale und Kanäle sowie weitere Handhabungsgeräte. Wenn AGV Waren transportieren muss, plant die SPS auf Grundlage der Lagerkarte und Echtzeit-Umgebungsinformationen einen optimalen Weg, um Hindernisse und andere Geräte zu vermeiden, sodass AGV den Lagerort der Waren schnell und präzise erreichen kann.

Während des Frachtumschlags kann die SPS die Bewegungen des Roboters präzise steuern. Logistik-Handling-Roboter sind üblicherweise mit Aktuatoren wie Manipulatoren und Greifern zum Greifen und Transportieren von Fracht ausgestattet. Die SPS ist mit dem Steuerungssystem dieser Aktuatoren verbunden und kann die Bewegungsbahn des Manipulators und die Greifkraft der Greifer je nach Form, Gewicht und Handhabungsanforderungen der Fracht präzise steuern. Bei Fracht unterschiedlicher Größe und Gewicht passt die SPS die Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung des Manipulators an, um einen reibungslosen und sicheren Handhabungsprozess zu gewährleisten. Beim Umgang mit zerbrechlicher Fracht steuert die SPS die Greifer so, dass sie die Fracht mit der richtigen Kraft greifen, um Schäden durch zu festes Greifen zu vermeiden. Gleichzeitig regelt die SPS die Bewegungsgeschwindigkeit des Manipulators so, dass sie langsamer ist, um Schäden durch Erschütterungen während der Handhabung zu vermeiden.

Darüber hinaus ermöglicht die SPS auch die koordinierte Steuerung mehrerer Logistik-Handling-Roboter. In großen Logistiklagern arbeiten oft mehrere Handling-Roboter gleichzeitig. Die SPS ist über das Kommunikationsnetzwerk mit jedem Roboter verbunden, um dessen Arbeitsstatus und Aufgabenfortschritt in Echtzeit zu überwachen. Je nach den logistischen Anforderungen des Lagers kann die SPS die Handling-Aufgaben sinnvoll auf verschiedene Roboter verteilen, um Konflikte und Überlastungen zwischen den Robotern zu vermeiden und die Betriebseffizienz des gesamten Logistik-Lagersystems zu verbessern. In Spitzenzeiten muss das Lager gleichzeitig eine große Menge an Waren ein- und auslagern. Die SPS verteilt die Aufgaben entsprechend Standort, Auslastung und Aufgabenpriorität der einzelnen Roboter, sodass jeder Roboter effizient arbeiten und einen reibungslosen Ablauf der Logistik-Lagerabläufe gewährleisten kann.

3.2 Anwendung in Spezialrobotern

3.2.1 Notfallrettungsroboter

Im Bereich der Katastrophenhilfe und -rettung spielen Katastrophenhilfe- und Rettungsroboter angesichts gefährlicher und komplexer Umgebungen wie Brandorten, Erdbebenruinen und Gebieten mit nuklearen Lecks eine unersetzliche Schlüsselrolle, und die elektrische SPS-Technologie ist die zentrale Unterstützung für ihren stabilen und effizienten Betrieb.

Ein Beispiel hierfür ist die Rettung nach einem Erdbeben. Nach einem Erdbeben stürzen Gebäude ein, und in den Ruinen befinden sich zahlreiche instabile Strukturen und gefährliche Gegenstände. In dieser rauen Umgebung muss der Rettungsroboter tief in die Ruinen vordringen, um nach Überlebenden zu suchen und Rettungsarbeiten durchzuführen. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Sensorsystem des Roboters kann die SPS Veränderungen in der Umgebung in Echtzeit erfassen. Beispielsweise werden Infrarotsensoren eingesetzt, um Lebenszeichen in den Ruinen zu erkennen. Erkennt der Sensor Infrarotsignale vom menschlichen Körper, überträgt er diese an die SPS. Nach Empfang des Signals analysiert und beurteilt die SPS das Signal gemäß dem voreingestellten Programm, ermittelt die genaue Position der Lebenszeichen und plant den besten Rettungsweg. Gleichzeitig steuert die SPS den mechanischen Arm des Roboters, sodass dieser Hindernisse präzise umfahren und sich Überlebenden nähern kann.

Am Brandort stellen hohe Temperaturen, dichter Rauch und giftige Gase eine große Gefahr für Leben und Sicherheit der Rettungskräfte dar. Der Rettungsroboter ist mit hochtemperatur- und rauchbeständiger Ausrüstung ausgestattet. Die SPS arbeitet mit dieser Ausrüstung zusammen, um am Brandort effektiv eingreifen zu können. Sie steuert den Roboter, sodass er Feuerlöschausrüstung trägt und Menge und Richtung des Löschmittels präzise an Größe und Ausbreitung des Feuers anpasst. Bei Annäherung an den Brandherd überwacht die SPS zudem die Temperatur- und Gassensordaten des Roboters in Echtzeit. Sobald die Temperatur zu hoch ist oder die Konzentration schädlicher Gase den Grenzwert überschreitet, steuert sie den Roboter sofort zur Evakuierung in einen sicheren Bereich, um seine eigene Sicherheit zu gewährleisten.

Bei einem nuklearen Leck müssen Rettungsroboter Aufgaben in einer Umgebung mit hoher Strahlung ausführen. Die Entstörungsfähigkeit und Stabilität der SPS kommen in dieser extremen Umgebung voll zum Tragen. Sie kann verschiedene Aktionen des Roboters zuverlässig steuern, wie beispielsweise das Blockieren der Leckquelle und die Beseitigung radioaktiver Stoffe. Dank Fernsteuerungstechnologie können Bediener dem Roboter aus sicherer Entfernung über die SPS Anweisungen erteilen. So wird die direkte Strahlenbelastung des Personals vermieden, was die Sicherheit und Durchführbarkeit von Rettungsarbeiten erheblich verbessert.

3.2.2 Medizinische Assistenzroboter

Im medizinischen Bereich hat die Anwendung der PLC-Elektrotechnik in medizinisch unterstützten Robotern revolutionäre Veränderungen in der medizinischen Versorgung mit sich gebracht, die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Leistungen deutlich verbessert und starke Garantien für die Behandlung und Rehabilitation der Patienten geboten.

Ein Beispiel hierfür sind Operationsroboter. Bei komplexen chirurgischen Eingriffen sind die Anforderungen an die chirurgische Präzision extrem hoch. Die SPS ermöglicht durch die Zusammenarbeit mit dem hochpräzisen mechanischen Arm und dem Sensorsystem des Roboters eine präzise Steuerung der chirurgischen Instrumente. In der Gehirnchirurgie müssen Operationsroboter extrem heikle Eingriffe auf kleinem Raum durchführen, um eine Schädigung des umliegenden Nervengewebes zu vermeiden. Basierend auf dem Operationsplan und der Echtzeit-Bildrückmeldung sendet die SPS präzise Steueranweisungen an den Servomotor des mechanischen Arms. Dadurch kann dieser die chirurgischen Instrumente mikrometergenau bewegen und erkranktes Gewebe präzise entfernen. Gleichzeitig überwacht die SPS Position und Kraft der chirurgischen Instrumente in Echtzeit, um die Sicherheit und Stabilität des chirurgischen Prozesses zu gewährleisten. Weicht die Position des mechanischen Arms ab oder wird die eingesetzte Kraft während der Operation zu groß, löst die SPS sofort einen Alarm aus und passt die Bewegung des mechanischen Arms automatisch an, um Verletzungen des Patienten zu vermeiden.

In der Rehabilitationstherapie kommen zunehmend Rehabilitationsroboter zum Einsatz. Patienten mit Funktionsstörungen der Gliedmaßen aufgrund von Schlaganfall, Rückenmarksverletzung oder anderen Ursachen können mithilfe von Rehabilitationsrobotern ein gezieltes Rehabilitationstraining durchführen. Die SPS spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Trainingsbewegungen und der Überwachung des Patientenzustands. Rehabilitationsroboter können personalisierte Trainingspläne entwickeln, die auf den Zustand und das Rehabilitationsstadium des Patienten abgestimmt sind. Basierend auf diesen Plänen steuert die SPS die mechanische Struktur des Roboters, um verschiedene Rehabilitationsbewegungen wie Gehen und Greifen zu simulieren. Gleichzeitig überwacht die SPS über Sensoren in Echtzeit die Muskelkraft, den Bewegungsumfang der Gelenke und weitere physiologische Parameter des Patienten und passt Trainingsintensität und Bewegungsmodus entsprechend den Überwachungsergebnissen an, um die Effektivität und Sicherheit des Rehabilitationstrainings zu gewährleisten. Wird der Patient während des Trainings müde oder fühlt er sich unwohl, übermittelt der Sensor ein Signal an die SPS, die den Trainingsrhythmus anpasst oder das Training rechtzeitig unterbricht, um die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten.

Darüber hinaus können SPS-gesteuerte Logistikroboter im Bereich der medizinischen Logistik und Distribution Medikamente, medizinische Geräte, Proben und andere Gegenstände effizient und präzise innerhalb des Krankenhauses transportieren. Dank voreingestellter Wegplanungs- und Navigationssysteme können diese Roboter autonom zwischen verschiedenen Abteilungen des Krankenhauses pendeln. Die SPS verteilt den Robotereinsatz entsprechend den logistischen Anforderungen des Krankenhauses und den aktuellen Verkehrsbedingungen, vermeidet Kollisionen und Staus zwischen Robotern und verbessert die Effizienz und Genauigkeit von Logistik und Distribution. Während des Transports überwacht die SPS zudem den Betriebszustand des Roboters und die Sicherheit der Waren in Echtzeit, um eine sichere und pünktliche Lieferung ans Ziel zu gewährleisten.

3.2.3 Agrarroboter

In der landwirtschaftlichen Produktion hat sich der Einsatz landwirtschaftlicher Roboter angesichts steigender Arbeitskosten und der kontinuierlichen Verbesserung der Effizienz und Qualitätsanforderungen zunehmend zu einem wichtigen Trend in der landwirtschaftlichen Modernisierung entwickelt. Der Einsatz von SPS-Elektrotechnik in landwirtschaftlichen Robotern hat die landwirtschaftliche Produktion deutlich verändert und die Automatisierung und Intelligentisierung der landwirtschaftlichen Produktion stark vorangetrieben.

Ein Beispiel hierfür ist der Obstpflückroboter. Beim Pflücken müssen Reife, Position und Form der Früchte genau bestimmt und präzise Pflückvorgänge durchgeführt werden. Die SPS arbeitet mit dem optischen Erkennungssystem und dem Roboterarm des Roboters zusammen, um eine effiziente Obsternte zu gewährleisten. Das optische Erkennungssystem erfasst mit einer Kamera Bilder der Früchte im Obstgarten und überträgt diese an die SPS. Die SPS analysiert und identifiziert das Bild mithilfe eines integrierten Bildverarbeitungsalgorithmus, um Reife und Position der Frucht zu bestimmen. Wird eine reife Frucht erkannt, berechnet die SPS anhand der Positionsdaten die Bewegungsbahn des Roboterarms und sendet Steuerbefehle an den Antriebsmotor des Roboterarms, damit dieser die Frucht präzise greifen kann. Während des Greifvorgangs passt die SPS die Greifkraft des Roboterarms an Form und Größe der Frucht an, um Beschädigungen zu vermeiden. Gleichzeitig kann die SPS auch mit dem Managementsystem des Obstgartens kommunizieren und Erntedaten wie Art, Menge und Standort der gepflückten Früchte in Echtzeit hochladen, um das Produktionsmanagement des Obstgartens mit Daten zu unterstützen.

Beim Jäten von Ackerland kann der landwirtschaftliche Jätroboter automatisch entsprechend der Unkrautverteilung im Ackerland jäten. Die SPS ermöglicht durch die Zusammenarbeit mit dem Sensorsystem und dem Jätaktor des Roboters eine präzise Unkrautkontrolle. Das Sensorsystem überwacht das Unkrautwachstum im Ackerland in Echtzeit und erfasst Informationen wie Unkrautart und -verteilungsdichte. Basierend auf diesen Informationen entwickelt die SPS Jätstrategien und steuert die Jätaktorsteuerung. Beispielsweise kann die SPS den Jätroboter bei großflächigem Unkraut so steuern, dass er mit höherer Geschwindigkeit jätet; bei verstreutem Unkraut kann die SPS den Roboter so steuern, dass er präzise an einem festen Punkt jätet, um Schäden an den Pflanzen zu vermeiden. Darüber hinaus kann die SPS die Fahrgeschwindigkeit und die Haltung des Roboters an die Gelände- und Bodenbeschaffenheit des Ackerlandes anpassen, um die Stabilität und Effizienz der Jätarbeiten zu gewährleisten.

In der landwirtschaftlichen Bewässerung können Bewässerungsroboter automatisch Bewässerungsvorgänge basierend auf Faktoren wie Bodenfeuchtigkeit und Wasserbedarf der Pflanzen durchführen. Die SPS ermöglicht eine intelligente Bewässerungssteuerung durch die Verbindung mit Bodenfeuchtigkeitssensoren, Wettersensoren und Bewässerungsgeräten. Bodenfeuchtigkeitssensoren überwachen die Bodenfeuchtigkeit in Echtzeit, während Wettersensoren Wetterdaten wie Temperatur und Niederschlag liefern. Basierend auf diesen Informationen, kombiniert mit dem Wachstumsstadium und dem Wasserbedarf der Pflanzen, berechnet die SPS die angemessene Bewässerungsmenge und den Bewässerungszeitpunkt und steuert das Öffnen und Schließen der Bewässerungsgeräte. Liegt beispielsweise die Bodenfeuchtigkeit unter dem festgelegten Grenzwert und die Wettervorhersage für die nahe Zukunft keinen Niederschlag voraussagt, steuert die SPS die Bewässerungsgeräte. Erreicht die Bodenfeuchtigkeit den erforderlichen Bereich oder ist der Niederschlag hoch, stoppt die SPS die Bewässerung rechtzeitig, um Wasserverschwendung zu vermeiden. Durch diese intelligente Bewässerungssteuerung wird nicht nur die Wassernutzungseffizienz verbessert, sondern auch ein geeignetes Wachstumsumfeld für die Pflanzen geschaffen, um deren Wachstum und Entwicklung zu fördern.

3.3 Anwendung in Servicerobotern

3.3.1 Heimserviceroboter

Im modernen Familienleben werden Haushaltsroboter zunehmend zur rechten Hand der Menschen und sorgen für ein komfortableres und angenehmeres Leben. Ein Beispiel hierfür ist der Kehrroboter. Dank seiner effizienten Reinigungsleistung und intelligenten Bedienung erfreut er sich bei den Verbrauchern großer Beliebtheit, was untrennbar mit der starken Unterstützung der SPS-Elektrotechnik verbunden ist.

Während des Kehrroboterbetriebs ist die autonome Navigationsfunktion der Schlüssel zu effizienter Reinigung. Durch die Zusammenarbeit mit verschiedenen Sensoren erhält die SPS in Echtzeit Informationen über die Umgebung des Roboters. Beispielsweise kann der Laserradarsensor die Umgebung schnell scannen und eine detaillierte Karte erstellen, während der Ultraschallsensor Entfernung und Position von Hindernissen erkennt. Die SPS integriert und analysiert die Sensordaten und plant mithilfe fortschrittlicher Algorithmen den optimalen Reinigungspfad. So stellt der Roboter sicher, dass er den gesamten Reinigungsbereich vollständig und effizient abdeckt und Auslassungen sowie wiederholtes Reinigen vermieden werden. In einem komplexen Wohnzimmer befinden sich Sofas, Couchtische, Fernsehschränke und andere Möbel. Nachdem der Kehrroboter über die Sensoren die Standortinformationen dieser Möbel erhalten hat, plant die SPS schnell einen Reinigungspfad, der Hindernisse umgeht. Dabei beginnt er in einer Raumecke und reinigt Zeile für Zeile in einer bestimmten Reihenfolge, um sicherzustellen, dass jeder Zentimeter des Bodens gereinigt wird.

Auch bei Reinigungsaufgaben spielt die SPS eine wichtige Rolle. Sie steuert die verschiedenen Reinigungskomponenten des Kehrroboters, wie die motorbetriebene Bürstenwalze und Seitenbürste sowie den Sauglüfter, präzise. Erkennt der Roboter Staub oder Schmutz auf dem Boden, passt die SPS die Geschwindigkeit der Bürstenwalze und Seitenbürste automatisch an Art und Menge des Schmutzes an, um eine effektive Reinigung zu gewährleisten. Bei hartnäckigen Verschmutzungen erhöht die SPS den Druck der Bürstenwalze auf den Boden und verbessert so die Reinigungswirkung. Gleichzeitig passt die SPS die Saugleistung des Lüfters an die Größe des Reinigungsbereichs und die Schmutzmenge an. Das reduziert den Energieverbrauch, verlängert die Akkulaufzeit des Roboters und sorgt für eine optimale Reinigungswirkung.

Darüber hinaus verfügt der Kehrroboter über eine intelligente Lademanagementfunktion. Erkennt der Roboter einen niedrigen Batteriestand, plant die SPS anhand der gespeicherten Kartendaten eine optimale Route zur Ladestation, um sicherzustellen, dass der Roboter zum Laden präzise zur Ladestation zurückkehrt. Während des Ladevorgangs überwacht die SPS den Ladezustand des Akkus in Echtzeit. Bei vollem Akku stoppt sie den Ladevorgang automatisch, um Schäden durch Überladung zu vermeiden und die Akkulebensdauer zu verlängern.

3.3.2 Hotel-Serviceroboter

In der Hotelbranche ist die Verbesserung der Servicequalität und -effizienz der Schlüssel zur Kundengewinnung und Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Der Einsatz von SPS-Elektrotechnik in Hotelservicerobotern hat das Betriebsmodell des Hotels grundlegend verändert und die Qualität und Effizienz der Dienstleistungen deutlich verbessert.

Hotelserviceroboter übernehmen in der Regel verschiedene Aufgaben, wie z. B. die Gästeführung, den Gepäcktransport und die Zustellung von Gegenständen. Beim Betreten der Hotellobby erkennt der Roboter den Gast mithilfe von Gesichtserkennung und interagiert mit dem Kundenmanagementsystem des Hotels, um dessen Reservierungsdaten und Zimmernummer zu ermitteln. Die SPS plant anschließend anhand dieser Informationen die optimale Route zum Zimmer des Gastes und steuert den Roboter per Sprache und Gesten, um ihn dorthin zu führen. Während der Führung überwacht der Roboter die Umgebung in Echtzeit, um Kollisionen mit anderen Personen oder Gegenständen zu vermeiden. Bei einem Aufzug kommuniziert die SPS mit der Aufzugssteuerung, ruft automatisch den Aufzug und führt den Gast in den Aufzug, um sicherzustellen, dass er sein Zimmer schnell und reibungslos erreicht.

Die SPS spielt auch bei der Gepäckzustellung und Warenverteilung eine wichtige Rolle. Benötigt ein Gast einen Gepäckabfertigungsservice, legt das Hotelpersonal sein Gepäck auf den Abfertigungsroboter. Die SPS kommuniziert mit dem Etagenmanagementsystem und der Aufzugssteuerung des Hotels, um die Zielstockwerkinformationen abzurufen. Anschließend steuert die SPS den Roboter gemäß der geplanten Route zum Aufzug. Nach dem Betreten des Aufzugs drückt er automatisch die Zielstockwerktaste. Nach der Ankunft im Zielstockwerk liefert der Roboter das Gepäck anhand der Zimmernummer präzise an die Zimmertür des Gastes. Bei der Warenverteilung: Bestellt ein Gast über das Hotelservicesystem oder benötigt er einen Essenslieferservice, plant der Lieferroboter nach Erhalt der Bestellinformationen schnell die Lieferroute und steuert die Abholung in der Küche oder im Lagerraum an. Nach der Abholung werden die Waren gemäß der festgelegten Route auf das Zimmer des Gastes geliefert. Der gesamte Prozess ist effizient und präzise, was die Wartezeit für die Gäste erheblich verkürzt.

Darüber hinaus können Hotelserviceroboter über SPS in andere Hotelsysteme integriert werden, um intelligentere Services zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Roboter nach der Integration in das Hotelzimmermanagementsystem das Zimmer vor dem Check-in des Gastes betreten, die Klimaanlage einschalten, die Helligkeit anpassen und eine angenehme Check-in-Umgebung für den Gast schaffen. Nach dem Check-out des Gastes kann der Roboter das Zimmer rechtzeitig zur Reinigung und Inspektion betreten und die Zimmerstatusinformationen an das Hotelzimmermanagementsystem zurückmelden, um die Zimmernutzungseffizienz zu verbessern.

3.3.3 Lern- und Unterhaltungsroboter

Im Bereich der pädagogischen Unterhaltung hat die Anwendung der PLC-Elektrotechnologie in pädagogischen Unterhaltungsrobotern den Benutzern eine neue interaktive Erfahrung und personalisierte Lernmethode ermöglicht und so die Form und den Inhalt der pädagogischen Unterhaltung erheblich bereichert.

Lern- und Unterhaltungsroboter können auf vielfältige Weise mit ihren Nutzern interagieren. So ist der Roboter beispielsweise mit Spracherkennungs- und -synthesetechnologie ausgestattet, die Sprachbefehle präzise erkennt und Fragen beantwortet. Stellt ein Kind dem Roboter wissenschaftliche Fragen, wandelt dessen Spracherkennungssystem die Sprachsignale in Textinformationen um und überträgt diese an die SPS. Diese analysiert und beantwortet die Fragen anhand des voreingestellten Programms und der Wissensbasis und gibt die Antwort anschließend per Sprachsynthese an das Kind zurück. Gleichzeitig kann der Roboter durch Mimik, Aktionen usw. mit dem Nutzer interagieren, um die Interaktion unterhaltsamer und lebendiger zu gestalten. Erledigt ein Kind eine Aufgabe, gratuliert der Roboter ihm durch blinkende Lichter, Schwingen usw., um sein Interesse und seine Lernfreude zu wecken.

Im Rahmen des personalisierten Unterrichts kann PLC individuelle Unterrichtspläne für Nutzer erstellen, die Faktoren wie Alter, Lernfortschritt und Hobbys berücksichtigen. Lernroboter überwachen Lernstand und -leistung des Nutzers in Echtzeit mithilfe integrierter Sensoren und Lernanalysesysteme. So kann beispielsweise die Konzentration des Kindes während des Lernprozesses über eine Kamera beobachtet und die Interaktion zwischen Kind und Roboter über einen Drucksensor erfasst werden. Anhand dieser Überwachungsdaten analysiert PLC die Lernsituation des Kindes und passt Unterrichtsinhalte und -methoden an. Kindern mit schnelleren Lernfortschritten kann der Roboter anspruchsvollere Lernaufgaben stellen; Kindern mit Lernschwierigkeiten kann er das Unterrichtstempo verlangsamen und mehr Beispiele und Anleitungen liefern. Beim Englischlernen kann der Roboter den Schwierigkeitsgrad der Wörter und die Art der Erklärung an das Englischniveau des Kindes anpassen, um es beim Erlernen seiner Englischkenntnisse zu unterstützen.

Darüber hinaus können sich Lern- und Unterhaltungsroboter mit Online-Bildungsplattformen verbinden, um auf umfangreiche Lehrmaterialien zuzugreifen und den Nutzern ein vielfältigeres Lernerlebnis zu bieten. Die SPS steuert den Roboter, sodass er mit der Online-Bildungsplattform interagieren und aktuelle Lehrmaterialien, Kursvideos usw. herunterladen kann. Gleichzeitig kann der Roboter die Lerndaten des Nutzers auf die Plattform hochladen, damit Lehrer und Eltern sie analysieren und auswerten können, um den Lernprozess der Kinder besser zu steuern.

4. Mechanismus der SPS-Elektrotechnik zur Realisierung intelligenter Roboterautomatisierung

4.1 Präzise Steuerung und Positionierung

4.1.1 Bewegungssteuerungsalgorithmus

Bei der intelligenten Automatisierung von Robotern ist der von der SPS übernommene Bewegungssteuerungsalgorithmus ein zentrales Element, das den Roboter maßgeblich dabei unterstützt, eine präzise Bewegungsbahnsteuerung zu erreichen. Der PID-Regelalgorithmus (Proportional-Integral-Differential) wird häufig verwendet. Dieser Algorithmus kann Bewegungsabweichungen des Roboters wirksam korrigieren, indem er die drei Verknüpfungen Proportion, Integration und Differenzierung präzise anpasst. Wenn ein Industrieroboter Materialien transportiert, wird davon ausgegangen, dass der Roboter die Gegenstände präzise von Punkt A nach Punkt B bewegen muss. Während der Bewegung überwacht der Positionssensor die Abweichung zwischen der aktuellen Position des Roboters und der Zielposition Punkt B in Echtzeit. Die Proportionalverbindung im PID-Algorithmus gibt das Steuersignal proportional zur Größe der Abweichung aus, sodass sich der Roboter schnell zur Zielposition bewegt. Die Integralverbindung integriert die Abweichung, wodurch der stationäre Fehler im System eliminiert und sichergestellt werden kann, dass der Roboter schließlich die Zielposition präzise erreicht, ohne an einer Stelle mit einer gewissen Abweichung von der Zielposition zu verharren. Die Differenzialverbindung passt das Steuersignal im Voraus entsprechend der Änderungsgeschwindigkeit der Abweichung an, um zu verhindern, dass der Roboter beim Annähern an die Zielposition aufgrund übermäßiger Trägheit durch den Zielpunkt rast, wodurch die Stabilität und Genauigkeit der Roboterbewegung erreicht wird.

Neben dem PID-Regelalgorithmus werden auch fortschrittliche Bewegungssteuerungsalgorithmen, wie der adaptive Regelalgorithmus und der Synovial-Regelalgorithmus, in SPS-gesteuerten Robotern eingesetzt. Der adaptive Regelalgorithmus passt die Regelparameter automatisch an den Betriebszustand und die Umgebung des Roboters an, um sich an unterschiedliche Arbeitsbedingungen anzupassen. Bei plötzlichen Laständerungen während des Robotereinsatzes kann der adaptive Regelalgorithmus das Ausgangsdrehmoment des Motors in Echtzeit anpassen, um sicherzustellen, dass Bewegungsgeschwindigkeit und -genauigkeit des Roboters nicht beeinträchtigt werden. Der Synovial-Regelalgorithmus sorgt für eine robuste Systemsteuerung durch die Gestaltung einer Synovialfläche, auf der der Systemzustand gleitet. In einer unsicheren Industrieumgebung kann der Synovial-Regelalgorithmus externen Störungen und Änderungen der Systemparameter effektiv widerstehen und so die Bewegungssteuerungsgenauigkeit des Roboters gewährleisten.

4.1.2 Sensorrückmeldung und Kalibrierung

Sensoren spielen eine unverzichtbare Rolle bei der intelligenten Roboterautomatisierung durch SPS. Sie fungieren als „Augen“ und „Ohren“ des Roboters und liefern der SPS präzise Echtzeit-Feedbackinformationen, wodurch eine präzise Korrektur der Position und Haltung des Roboters ermöglicht wird.

Es gibt viele gängige Sensortypen, darunter Positionssensoren wie Encoder und Gitterlinien, die die Position von Robotergelenken oder Roboterarmen präzise messen können. Ein Encoder beispielsweise wandelt mechanische Bewegungen in digitale Signale um und liefert der SPS den Drehwinkel oder die lineare Verschiebung jedes Robotergelenks. Bei komplexen Montageaufgaben überwacht der Positionssensor die Position des Roboterarms in Echtzeit. Weicht er von der vorgegebenen Montageposition ab, meldet er die Abweichungsinformation an die SPS zurück. Nach Erhalt des Rückmeldesignals passt die SPS die Bewegung des Roboterarms entsprechend der vorgegebenen Steuerungsstrategie an, sodass der Roboterarm die Montageposition präzise erreichen und die Montageaufgabe hochpräzise ausführen kann.

Lagesensoren wie Gyroskope und Beschleunigungsmesser überwachen die Lageänderungen des Roboters. Während des Betriebs des mobilen Roboters misst das Gyroskop die Drehwinkelgeschwindigkeit des Roboters in Echtzeit, und der Beschleunigungsmesser erfasst die Beschleunigung des Roboters. Bewegt sich der Roboter auf unebenem Boden, erfasst der Lagesensor die Lageänderung und übermittelt diese Information an die SPS. Basierend auf der Rückmeldung des Lagesensors steuert die SPS den Antriebsmotor des Roboters oder passt die mechanische Struktur an, um den Roboter in einer stabilen Lage zu halten und Kollisionen oder Missionsfehler durch Lageungleichgewichte zu vermeiden.

Bildsensoren spielen auch bei der intelligenten Automatisierung von Robotern eine wichtige Rolle. Durch die Erfassung von Bildinformationen über Kameras können Bildsensoren Form, Farbe, Position und andere Eigenschaften von Objekten erkennen. In der Lagerlogistik müssen Roboter gezielt Waren aus einer großen Warenmenge greifen. Bildsensoren erfassen und analysieren Bilder der Waren und geben deren Standortinformationen an die SPS zurück. Basierend auf diesen Informationen steuert die SPS die Bewegung des Roboterarms, um ein präzises Greifen der Waren zu ermöglichen.

4.1.3 Technologie zur Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit

Um den Anforderungen der Roboter an eine hochpräzise Positionierung in verschiedenen Anwendungsszenarien gerecht zu werden, wurden eine Reihe fortschrittlicher technischer Mittel entwickelt. Diese Technologien haben die Positionierungsgenauigkeit von Robotern unter SPS-Steuerung erheblich verbessert.

Als Schlüsselkomponente der Positionierung werden Auflösung und Genauigkeit hochpräziser Encoder ständig verbessert. Moderne hochpräzise Encoder ermöglichen Positionsmessungen im Submikrometerbereich und bilden damit eine solide Grundlage für die präzise Positionierung von Robotern. In der Präzisionsbearbeitung müssen Roboter hochpräzise Bearbeitungen an winzigen Teilen durchführen. Hochpräzise Encoder liefern in Echtzeit präzises Feedback zu den Positionsdaten des Roboters und gewährleisten so eine Bearbeitungsgenauigkeit im Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich.

Laserpositionierungstechnologie kann die Position von Robotern durch Aussenden und Empfangen von Lasersignalen präzise messen. In großen Logistiklagern müssen Roboter Waren schnell und präzise in einem weiten Raum lokalisieren. Das Laserpositionierungssystem nutzt einen auf dem Lagerdach installierten Lasersender und einen am Roboter angebrachten Laserempfänger, um die Positionskoordinaten des Roboters durch Messung der Laufzeit und des Winkels des Lasersignals präzise zu berechnen. Diese Technologie zeichnet sich durch hohe Positioniergenauigkeit und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit aus und kann die Positioniergenauigkeit und Betriebseffizienz von Robotern in komplexen Umgebungen effektiv verbessern.

Darüber hinaus trägt die Multisensor-Fusionstechnologie maßgeblich zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit von Robotern bei. Durch die organische Integration verschiedener Sensortypen, wie Positionssensoren, Lagesensoren und visuellen Sensoren, und die umfassende Nutzung der jeweiligen Vorteile jedes Sensors lassen sich umfassendere und präzisere Umgebungs- und Roboterstatusinformationen gewinnen. In intelligenten Fabriken müssen Roboter verschiedene Aufgaben in einer sich dynamisch verändernden Umgebung erfüllen. Durch die Multisensor-Fusionstechnologie werden die vom Positionssensor bereitgestellten Positionsinformationen, die vom Lagesensor zurückgemeldeten Lagedaten und die vom visuellen Sensor erkannten Umgebungsmerkmale kombiniert. Die SPS kann Position und Lage des Roboters genauer berechnen und so eine hochpräzise Steuerung des Roboters ermöglichen.

In einigen Anwendungsszenarien, die eine extrem hohe Positioniergenauigkeit erfordern, kann auch die absolute Positionierungstechnologie eingesetzt werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen relativen Positionierungstechnologie kann die absolute Positionierungstechnologie den Roboter präzise in die Position vor dem Stromausfall zurückführen, ohne dass nach einem Stromausfall eine Neukalibrierung erforderlich ist. Diese Technologie verwendet spezielle Kodierungsmethoden oder Sensoren, um jeder Position des Roboters einen eindeutigen Code zuzuweisen. Dadurch kann der Roboter seine absolute Position jederzeit bestimmen. Positionierungsabweichungen durch kumulative Fehler werden effektiv vermieden und die Positionierungsgenauigkeit und -zuverlässigkeit des Roboters weiter verbessert.

4.2 Missionsplanung und -durchführung

4.2.1 SPS-basierte Taskzerlegung

Wenn Roboter komplexe Aufgaben ausführen, spielt die SPS eine Schlüsselrolle bei der Aufgabenzerlegung. Sie unterteilt die Gesamtaufgabe geschickt in mehrere Unteraufgaben, ähnlich wie man ein großes Gebäude in leicht zu bauende Module zerlegt, um eine effiziente Ausführung zu erreichen. Nehmen wir die Montageaufgabe in der industriellen Produktion als Beispiel. Angenommen, der Roboter muss die Montage einer komplexen mechanischen Anlage abschließen. Diese Aufgabe umfasst mehrere Schritte wie das Greifen, Handhaben, Positionieren und Zusammenbauen vieler Teile. Die SPS analysiert zunächst den gesamten Montageprozess im Detail und zerlegt die Aufgabe je nach Montagereihenfolge und Prozessanforderungen der Teile in mehrere Unteraufgaben. Das Greifen unterschiedlicher Arten von Teilen wird beispielsweise in unabhängige Unteraufgaben unterteilt, von denen jede einem bestimmten Teil und Greifvorgang entspricht; das Transportieren der Teile zur Montageposition ist ebenfalls eine unabhängige Unteraufgabe und der Handhabungspfad und die Zielposition sind klar definiert.

Für jede Teilaufgabe entwickelt die SPS detaillierte Ausführungsschritte und Steuerungsstrategien. Bei der Teilaufgabe „Greifen von Teilen“ steuert die SPS den Roboterarm so, dass er die Teile in einer bestimmten Haltung und Aktion entsprechend Form, Größe und Position greift. Durch die präzise Steuerung von Bewegungswinkel und Geschwindigkeit jedes Gelenks des Roboterarms wird sichergestellt, dass der Roboterarm die Teile präzise erreicht und mit der nötigen Kraft greift, um Beschädigungen oder Greiffehler durch unsachgemäßes Greifen zu vermeiden. Bei der Teilaufgabe „Handhabung“ plant die SPS den optimalen Handhabungspfad basierend auf der aktuellen Position des Roboters und der Zielmontageposition. Dabei werden Hindernisse im Arbeitsbereich und der Betrieb anderer Geräte berücksichtigt, um die Sicherheit und Effizienz des Handhabungsprozesses zu gewährleisten.

Diese SPS-basierte Methode zur Aufgabenzerlegung ermöglicht es dem Roboter, komplexe Aufgaben geordnet auszuführen, wobei jede Teilaufgabe präzise gesteuert und effizient ausgeführt werden kann. Durch die Vereinfachung komplexer Aufgaben wird nicht nur die Arbeitseffizienz des Roboters verbessert, sondern auch der Schwierigkeitsgrad und die Fehlerwahrscheinlichkeit der Aufgabenausführung reduziert. Tritt bei einer Teilaufgabe ein Problem auf, kann die SPS dieses schnell lokalisieren und entsprechende Maßnahmen zur Anpassung oder Neuausführung ergreifen. So wird ein reibungsloser Ablauf der gesamten Aufgabe gewährleistet.

4.2.2 Ablaufsteuerung und Prozessoptimierung

Bei der Ausführung von Roboteraufgaben ist die Art und Weise, wie die SPS die Ablaufsteuerung und Prozessoptimierung realisiert, von großer Bedeutung. Am Beispiel einer automatisierten Produktionslinie: Wenn der Roboter eine Reihe von Aufgaben wie Materialhandhabung, -verarbeitung und -prüfung ausführt, müssen die Reihenfolge und das Zeitintervall jeder einzelnen Funktion präzise gesteuert werden. Die SPS legt die Ausführungsreihenfolge jeder Aufgabe anhand detaillierter Programme strikt gemäß den Anforderungen des Produktionsprozesses fest. Beispielsweise steuert die SPS bei der Materialhandhabung den Roboter so, dass er zuerst das Material aus dem Rohmateriallager greift und es dann entlang des vorgegebenen Pfads zur Verarbeitungsstation transportiert. Erst wenn das Material präzise an der Verarbeitungsstation platziert ist, startet die SPS die Verarbeitungsanlage. Nach Abschluss der Verarbeitung steuert die SPS den Roboter so, dass er das verarbeitete Produkt zur Qualitätsprüfung in den Inspektionsbereich transportiert.

Um den Arbeitsablauf zu optimieren und die Produktionseffizienz zu steigern, optimiert die SPS die Zeitintervalle zwischen den Aufgaben. Durch die sinnvolle Einteilung der Aktions- und Wartezeiten des Roboters können unnötige Warte- und Leerlaufzeiten reduziert und die Produktionslinie effizient betrieben werden. In einigen Fällen kann die SPS die Ausführungsreihenfolge und die Zeitintervalle der Aufgaben anhand von Echtzeitdaten der Produktionslinie dynamisch anpassen. Werden bei der Inspektion Qualitätsprobleme bei einem Produkt festgestellt, kann die SPS den Aufgabenplan des Roboters sofort anpassen, das Produkt zur separaten Bearbeitung in den Defektbereich verschieben und die Produktionslinie benachrichtigen, mit der Produktion anderer Produkte fortzufahren. So wird ein Stillstand der Produktionslinie durch das Warten auf die Bearbeitung defekter Produkte vermieden.

Darüber hinaus kann die SPS den Produktionsprozess durch die Zusammenarbeit mit anderen Geräten weiter optimieren. In einer automatisierten Produktionslinie müssen Roboter üblicherweise mit verschiedenen Geräten wie Förderbändern, Sensoren und Steuerungen zusammenarbeiten. Durch Kommunikationsverbindungen mit diesen Geräten ermöglicht die SPS den Informationsaustausch und die gemeinsame Steuerung. Sobald das Förderband das Material an die angegebene Position transportiert, sendet der Sensor ein Signal an die SPS. Nach Empfang des Signals steuert die SPS den Roboter sofort zum Greifvorgang an. Dies gewährleistet einen reibungslosen Ablauf des gesamten Produktionsprozesses und verbessert die Produktionseffizienz und Produktqualität.

4.2.3 Aufgabenanpassung und -reaktion in Echtzeit

Bei der Ausführung von Aufgaben geraten Roboter zwangsläufig in verschiedene Notfälle, wie etwa Änderungen der äußeren Umgebung, Änderungen der Aufgabenanforderungen usw. Zu diesem Zeitpunkt weist die SPS starke Fähigkeiten zur Aufgabenanpassung und -reaktion in Echtzeit auf und stellt sicher, dass sich der Roboter schnell an neue Situationen anpassen und Aufgaben weiterhin effizient und stabil erledigen kann.

Ein Beispiel hierfür ist der Handling-Roboter in der Lagerlogistik. Wird die Regalaufteilung im Lager vorübergehend angepasst oder treten neue Hindernisse auf, ist der ursprünglich vom Roboter geplante Handling-Pfad möglicherweise nicht mehr anwendbar. Die am Roboter installierten Sensoren, wie Lidar, optische Sensoren usw., erkennen dann die Umgebungsänderungen in Echtzeit und übermitteln diese Informationen umgehend an die SPS. Nach Empfang des Signals startet die SPS umgehend den Algorithmus zur Pfadneuplanung. Sie berechnet anhand der neuen Umgebungsinformationen schnell einen neuen Pfad zur Hindernisvermeidung und sendet die Steueranweisungen rechtzeitig an die Bewegungssteuerung des Roboters, sodass dieser die Handling-Aufgabe auf dem neuen Pfad fortsetzen kann.

Tritt während der Ausführung einer Aufgabe ein Geräteausfall auf, kann die SPS ebenfalls schnell reagieren. Fällt beispielsweise der Motor eines Handling-Roboters aus, verändert sich dessen Bewegungszustand anormal. Die SPS erkennt den Ausfall rechtzeitig, indem sie die Betriebsparameter des Motors und den Bewegungszustand des Roboters in Echtzeit überwacht. Sobald ein Fehler erkannt wird, stoppt die SPS die aktuelle Aufgabe des Roboters sofort und startet den Ersatzmotor oder wechselt in andere mögliche Betriebsmodi, um die Fortsetzung der Aufgabe sicherzustellen. Ist kein Ersatzmotor vorhanden, steuert die SPS den Roboter, um die Ware sicher an einem nahegelegenen, dafür vorgesehenen Ort abzulegen und löst einen Alarm aus, um das Wartungspersonal zur Reparatur zu benachrichtigen.

Darüber hinaus kann die SPS die Aufgaben des Roboters flexibel an veränderte Aufgabenanforderungen anpassen. Beispielsweise sollte der Roboter in der Produktionslinie ursprünglich Teile des Modells A eines bestimmten Produkts montieren, erhielt aber plötzlich die Anweisung, die Aufgabe auf die Montage von Teilen des Modells B umzustellen. Die SPS passt die Betriebsabläufe und Steuerungsparameter des Roboters, einschließlich Bewegungsbahn, Greifkraft usw., schnell an die neuen Aufgabenanforderungen an, um sich an die Montageanforderungen der Teile des Modells B anzupassen. Durch diesen Echtzeit-Aufgabenanpassungs- und Reaktionsmechanismus ermöglicht die SPS dem Roboter ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit in einer komplexen und sich verändernden Arbeitsumgebung und verbessert so effektiv die Stabilität und Flexibilität des Produktionssystems.

4.3 Mensch-Computer-Interaktion und Zusammenarbeit

4.3.1 Mensch-Maschine-Schnittstellendesign

Das SPS-basierte Design der Mensch-Maschine-Schnittstelle für Roboter zielt darauf ab, die Bedienung komfortabler und intuitiver zu gestalten und eine effiziente und präzise Interaktion der Bediener mit dem Roboter zu gewährleisten. Im Designprozess wurden die Bedürfnisse und Nutzungsgewohnheiten der Bediener umfassend berücksichtigt und eine Reihe fortschrittlicher Designkonzepte und Technologien umgesetzt.

Das Layout der Benutzeroberfläche wurde sorgfältig geplant. Häufig verwendete Bedientasten, Statusanzeigen und Parameterfenster sind sinnvoll gruppiert, um die Anzeige relevanter Funktionskomponenten zentral zu gewährleisten und Bedienern das schnelle Auffinden der benötigten Funktionen zu erleichtern. Grundlegende Bedientasten wie Start, Stopp und Pause sind auf der Bedienoberfläche von Industrierobotern gut sichtbar und leicht zu bedienen. Anzeigebereiche wie Bewegungsstatus und Fehlerinformationen des Roboters sind oben oder in der Mitte angeordnet, sodass Bediener wichtige Informationen auf einen Blick erfassen können. Gleichzeitig wird eine Überfüllung der Benutzeroberfläche vermieden, ein einfaches und übersichtliches Layout beibehalten, die visuelle Belastung der Bediener reduziert und die Betriebseffizienz verbessert.

Um den Bedürfnissen unterschiedlicher Bediener gerecht zu werden, werden vielfältige Interaktionsmöglichkeiten genutzt. Neben der herkömmlichen Bedienung per Knopfdruck gibt es auch Touch-Bedienung, Gestenerkennung und weitere Funktionen. Bei einigen modernen Mensch-Maschine-Schnittstellen von Robotern können Bediener den Roboter direkt durch Berühren des Bildschirms steuern, beispielsweise durch Ziehen von Symbolen, um die Bewegungsbahn des Roboters anzupassen, oder durch Wischgesten zwischen verschiedenen Betriebsmodi wechseln. Diese intuitive Interaktionsmethode reduziert den Bedienungsaufwand erheblich und verbessert die Laufruhe. Auch Sprachinteraktionen sind weit verbreitet. Bediener können die Aktionen des Roboters durch Sprachbefehle wie „Roboter, greife Teile“ und „Roboter, bewege dich zur angegebenen Position“ steuern, was ihre Hände zusätzlich frei macht und die Bedienung komfortabler macht.

Um dem Bediener einen besseren Einblick in den Betriebszustand des Roboters zu ermöglichen, konzentriert sich die Benutzeroberfläche auf die Visualisierung von Echtzeitdaten. Durch Diagramme, Kurven und andere Darstellungen werden Bewegungsparameter, Arbeitsfortschritt, Gerätestatus und weitere Informationen des Roboters intuitiv dargestellt. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle eines Logistikroboters zeigt die Echtzeitposition des Roboters im Lager und den Ausführungsfortschritt seiner Handhabungsaufgaben mithilfe einer dynamischen Karte an. Ein Balken- oder Liniendiagramm zeigt Änderungen der Leistung, Belastung und anderer Parameter des Roboters an, sodass der Bediener den Arbeitszustand des Roboters in Echtzeit erfassen und rechtzeitig entsprechende Anpassungen vornehmen kann.

4.3.2 Fernüberwachung und -steuerung

SPS spielen eine Schlüsselrolle bei der Fernüberwachung und -steuerung von Robotern. Mithilfe moderner Kommunikationstechnologie konnten geografische Beschränkungen erfolgreich überwunden und der Anwendungsbereich von Robotern erheblich erweitert werden.

Bei der Fernüberwachung arbeitet die SPS eng mit verschiedenen Sensoren zusammen, um Echtzeitdaten des Roboterbetriebs zu erfassen, darunter Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Arbeitsbelastung und weitere Informationen. Diese Daten werden über das Netzwerk an die Fernüberwachungszentrale übermittelt, sodass das Überwachungspersonal den Betriebszustand des Roboters jederzeit und überall über Endgeräte wie Computer und Mobiltelefone überprüfen kann. In einem weit verteilten industriellen Produktionsnetzwerk können die Unternehmensleiter das Fernüberwachungssystem im Büro nutzen, um den Betrieb der Roboter in jeder Produktionshalle in Echtzeit zu erfassen, beispielsweise ob die Roboter normal funktionieren oder ob Störungen vorliegen. Sobald eine anormale Situation erkannt wird, kann das Überwachungspersonal rechtzeitig Maßnahmen ergreifen, um eine weitere Ausweitung des Fehlers zu verhindern und die Kontinuität der Produktion sicherzustellen.

Die Fernsteuerungsfunktion ermöglicht es Bedienern, den Roboter in Echtzeit aus der Ferne zu steuern. Über eine Netzwerkverbindung können Bediener Steueranweisungen an die SPS senden, um den Roboter zu starten, zu stoppen, die Geschwindigkeit anzupassen, Bewegungen zu planen und andere Funktionen auszuführen. In gefährlichen oder anspruchsvollen Arbeitsumgebungen, wie z. B. in Bereichen mit radioaktiver Strahlung und bei der Tiefseeforschung, können Bediener den Roboter per SPS von einem sicheren Standort aus präzise steuern und komplexe Aufgaben erledigen. Bei der Reinigung radioaktiver Strahlung können Bediener Roboter fernsteuern, um professionelle Ausrüstung zur Reinigung und Bearbeitung von Strahlungsquellen in einem Kontrollzentrum weit entfernt vom Strahlungsbereich zu transportieren. So ist ihre Sicherheit gewährleistet und die Aufgaben effizient erledigt.

Um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Fernüberwachung und -steuerung zu gewährleisten, werden eine Reihe fortschrittlicher Kommunikationstechnologien und Sicherheitsmaßnahmen eingesetzt. Zur Kommunikationstechnologie werden schnelle und stabile kabelgebundene oder kabellose Kommunikationsnetze wie Industrial Ethernet und 5G eingesetzt, um die Echtzeit und Genauigkeit der Datenübertragung zu gewährleisten. Für die Sicherheit werden strenge Mechanismen zur Benutzeridentitätsauthentifizierung und zur Verwaltung von Zugriffsrechten eingerichtet. Nur autorisiertes Personal hat Zugriff auf das Fernüberwachungs- und -steuerungssystem, um illegale Vorgänge und Datenlecks zu verhindern. Gleichzeitig werden die übertragenen Daten mithilfe von Datenverschlüsselungstechnologie verschlüsselt, um die Sicherheit der Daten während der Übertragung zu gewährleisten.

4.3.3 Kollaborative Arbeit zwischen Mensch und Roboter

In modernen Produktionsumgebungen ist die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter zu einem wichtigen Modell zur Verbesserung der Arbeitseffizienz und -qualität geworden, und SPS spielt dabei eine unverzichtbare unterstützende Rolle. Durch sinnvolle Aufgabenverteilung und Koordination ergänzen sich die Vorteile von Mensch und Roboter.

Bei der Aufgabenverteilung trifft die SPS wissenschaftliche und vernünftige Vorkehrungen, die auf Art und Schwierigkeit der Aufgaben sowie den Fähigkeiten von Mensch und Roboter basieren. Bei einigen Aufgaben mit hoher Wiederholungshäufigkeit und strengen Präzisionsanforderungen, wie der Präzisionsmontage von Teilen und der Hochgeschwindigkeitssortierung, werden Roboter bevorzugt eingesetzt. Dank ihrer präzisen Bewegungssteuerung und stabilen Leistung können Roboter diese Aufgaben effizient und genau erledigen und so die Produktionseffizienz und Produktqualität verbessern. Für Aufgaben, die menschliche Kreativität, Urteilsvermögen und Flexibilität erfordern, wie das Lösen komplexer Probleme und die Kommunikation mit Kunden, sind die Bediener zuständig. In einer Werkstatt zur Herstellung elektronischer Produkte sind Roboter dafür zuständig, winzige elektronische Komponenten präzise auf Leiterplatten zu löten, während die Bediener für die Qualitätskontrolle der gelöteten Leiterplatten verantwortlich sind, um Probleme wie Kaltlötung und Kurzschlüsse festzustellen und basierend auf den Testergebnissen entsprechende Anpassungen und Reparaturen vorzunehmen.

Im kollaborativen Betrieb ermöglicht die SPS den Informationsaustausch und die Aktionskoordination zwischen Mensch und Roboter in Echtzeit. Der Bediener kann über die Mensch-Maschine-Schnittstelle Anweisungen an die SPS senden, um den Roboter über aktuelle Aufgabenanforderungen und den Arbeitsstatus zu informieren. Die SPS meldet dem Bediener den Betriebsstatus des Roboters in Echtzeit, sodass dieser entsprechende Entscheidungen treffen kann. In der Lagerlogistik sendet der Bediener über die Mensch-Maschine-Schnittstelle eine Anweisung zur Handhabungsaufgabe an die SPS. Nach Erhalt der Anweisung steuert die SPS den Roboter zum Lagerort der Waren für den Transport. Während des Transports meldet der Roboter seine eigene Position, den Transportfortschritt und weitere Informationen in Echtzeit an die SPS zurück, die diese wiederum an den Bediener weiterleitet, sodass dieser den Status des Frachttransports in Echtzeit erfassen kann.

Um die Sicherheit von Mensch und Roboter im kollaborativen Betrieb zu gewährleisten, ist die SPS mit einem umfassenden Sicherheitsmechanismus ausgestattet. Sensoren überwachen die Position von Mensch und Roboter in Echtzeit. Erkennt die SPS einen zu geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter oder droht eine Kollision, löst sie sofort einen Alarm aus und steuert den Roboter so, dass er die Bewegung stoppt, um Sicherheitsunfälle zu vermeiden. Nähert sich in einer industriellen Produktionslinie ein Bediener einem laufenden Roboter, erkennen die um den Roboter herum installierten Sensoren die Anwesenheit des Menschen und übermitteln das Signal an die SPS. Diese reagiert umgehend und stoppt die entsprechenden Aktionen des Roboters, um die Sicherheit des Bedieners zu gewährleisten.

5. Entwicklungsstand und Herausforderungen der SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik

5.1 Analyse des Entwicklungsstandes

5.1.1 Technologische Innovationserfolge

In den letzten Jahren hat die SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik bemerkenswerte Innovationen hervorgebracht. Der adaptive Steuerungsalgorithmus wurde hinsichtlich der Steuerungsalgorithmen weiter optimiert und erweitert. Dieser Algorithmus erfasst den Betriebszustand des Roboters und Veränderungen in der Arbeitsumgebung in Echtzeit und passt die Steuerungsparameter automatisch an, um optimale Steuerungsergebnisse zu erzielen. Bei der Bearbeitung komplexer Teile durch Industrieroboter kann der adaptive Steuerungsalgorithmus bei Laständerungen während der Bearbeitung die Bewegungsgeschwindigkeit und -stärke des Roboters schnell anpassen, um eine stets hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu gewährleisten und so die Produktqualität und Produktionseffizienz effektiv zu verbessern.

Durch Hardware-Upgrades wurde die Leistung von SPS-Prozessoren deutlich verbessert. Neue Mehrkernprozessoren kommen häufig in High-End-SPS zum Einsatz und steigern die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit und Rechenleistung deutlich. Ein Beispiel hierfür ist eine neue SPS. Der verwendete Quad-Core-Prozessor kann mehrere Task-Threads gleichzeitig verarbeiten. Bei der Verarbeitung großer Sensordatenmengen und komplexer Steuerungslogik ist die Reaktionsgeschwindigkeit um ein Vielfaches höher als bei herkömmlichen Einkernprozessoren. Dadurch können Roboter verschiedene Aufgaben schneller und präziser ausführen.

Darüber hinaus unterstützen Innovationen in der Kommunikationstechnologie die effiziente Zusammenarbeit zwischen SPS und Robotern. Der Einsatz von Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologien wie Industrial Ethernet und 5G ermöglicht eine Echtzeit-Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit und reduziert so Kommunikationsverzögerungen und Datenpaketverluste. In groß angelegten Logistik- und Lagerszenarien müssen zahlreiche Logistikroboter in Echtzeit mit dem zentralen Steuerungssystem kommunizieren. Der Einsatz der 5G-Kommunikationstechnologie ermöglicht es Robotern, schnell Aufgabenanweisungen zu erhalten und zeitnah Feedback zu ihrem eigenen Betriebszustand zu geben, was die Betriebseffizienz des gesamten Logistik- und Lagersystems deutlich verbessert.

5.1.2 Marktanwendung

Der Einsatz von SPS-Elektrotechnik in verschiedenen Robotermärkten weist einen vielfältigen Entwicklungstrend auf. Im Industrierobotermarkt nehmen SPS-Anwendungen eine dominierende Stellung ein, insbesondere in der Automobil-, Elektronik- und Maschinenbauindustrie sowie weiteren Branchen. Laut Daten von Marktforschungsinstituten nutzen in der Automobilindustrie über 80 % der Industrieroboter-Steuerungssysteme SPS-Technologie, in der Elektronikindustrie liegt dieser Anteil sogar bei über 70 %. Dank ihrer hohen Zuverlässigkeit, leistungsstarken Logiksteuerungsmöglichkeiten und guten Skalierbarkeit erfüllen SPS-Systeme die Anforderungen der industriellen Produktion an hohe Präzision, Geschwindigkeit und Stabilität von Robotern.

Auch im Servicerobotermarkt nimmt der Einsatz von SPS stetig zu. Da das Streben der Menschen nach Lebensqualität stetig steigt, wächst die Nachfrage nach Servicerobotern für den Haushalt, die Hotellerie usw. Obwohl der Anteil von SPS am Servicerobotermarkt derzeit relativ gering ist, zeigt sich ein rasanter Aufwärtstrend. Bei Servicerobotern für den Haushalt ermöglicht SPS eine präzise Steuerung von Reinigung, Navigation, Hindernisvermeidung und anderen Funktionen und bietet Nutzern so ein intelligenteres und komfortableres Serviceerlebnis. Im Bereich der Hotelserviceroboter ermöglicht der Einsatz von SPS Robotern die effiziente Erledigung von Aufgaben wie Gästeführung, Gepäcktransport und Warenlieferung und verbessert so die Servicequalität und Betriebseffizienz des Hotels.

Auch im Spezialrobotermarkt spielen SPS eine wichtige Rolle. In Spezialroboterbereichen wie Notfallrettung, medizinischer Hilfeleistung und landwirtschaftlichen Betrieben erfüllt der Einsatz von SPS die besonderen Anforderungen dieser Roboter an Zuverlässigkeit, Stabilität und präzise Steuerung in komplexen Umgebungen. Bei Notfallrettungsrobotern ermöglicht die SPS einen stabilen Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen, die Steuerung von Robotern bei gefährlichen Aufgaben wie Such- und Rettungseinsätzen und einen reibungslosen Ablauf der Rettungsarbeiten. Bei medizinischen Assistenzrobotern gewährleistet die präzise Steuerung der SPS die Sicherheit und Genauigkeit der Roboter bei Operationen, Rehabilitationsbehandlungen usw. und bietet so einen starken Schutz für die Gesundheit der Patienten.

5.1.3 Industriestandards und Spezifikationen

Um die sichere und zuverlässige Anwendung der SPS-Elektrotechnik in der Robotik zu gewährleisten, werden die relevanten Industrienormen und -spezifikationen kontinuierlich weiterentwickelt. Die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) entwickelte Norm IEC 61131 ist eine der wichtigsten Normen im SPS-Bereich. Sie regelt detailliert SPS-Programmiersprachen, Hardwareanforderungen, Kommunikationsstandards usw. und bietet einheitliche Spezifikationen für Design, Entwicklung und Anwendung von SPS. In Robotersteuerungssystemen gewährleistet die Einhaltung der Norm IEC 61131 eine gute Kompatibilität und Interoperabilität zwischen SPS verschiedener Marken und Modelle und erleichtert die Systemintegration und -wartung.

In China werden mit der zunehmenden Verbreitung der SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik auch die entsprechenden nationalen Normen schrittweise verbessert. Die 2024 veröffentlichte Norm „Programmierbare Steuerung Teil 2: Geräteanforderungen und -prüfungen“ (GB/T 15969.2-2024) legt die Geräteanforderungen und Prüfmethoden für SPS klar fest und bildet die Grundlage für die Qualitätskontrolle und Leistungsverbesserung von SPS-Produkten. Die Formulierung dieser Normen und Spezifikationen trägt nicht nur dazu bei, den Anwendungsbereich der SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik zu verbessern, sondern gewährleistet auch die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Robotersystemen und fördert die gesunde und geordnete Entwicklung der gesamten Branche.

5.2 Herausforderungen

5.2.1 Technischer Engpass

Obwohl die SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik erhebliche Fortschritte erzielt hat, stößt sie bei der Bewältigung komplexer Aufgaben und der Hochgeschwindigkeitsberechnung noch immer auf zahlreiche technische Engpässe. Mit der zunehmenden Komplexität von Roboteranwendungsszenarien, wie z. B. in der Präzisionsmontage, der medizinischen Chirurgie und anderen Bereichen, werden extrem hohe Anforderungen an die Bewegungsgenauigkeit, Geschwindigkeit und Stabilität des Roboters gestellt. Bei der Bewältigung komplexer Trajektorienplanungs- und Echtzeitsteuerungsaufgaben können die Rechenleistung und Verarbeitungsgeschwindigkeit der SPS die Anforderungen möglicherweise kaum erfüllen. Beim Montageprozess präziser elektronischer Komponenten muss der Roboter hochpräzise Greif- und Platzierungsvorgänge in sehr kurzer Zeit durchführen, was von der SPS eine schnelle Verarbeitung großer Mengen von Sensordaten und eine präzise Steuerung der Roboterbewegungen erfordert. Die Prozessorleistung einiger aktueller SPS ist jedoch begrenzt und kann solche komplexen Berechnungen nicht in kurzer Zeit durchführen, was zu eingeschränkter Bewegungsgenauigkeit und -geschwindigkeit des Roboters führt.

Im Hinblick auf Hochgeschwindigkeitsberechnungen muss die SPS bei Hochgeschwindigkeitsbewegungsaufgaben des Roboters, wie z. B. Hochgeschwindigkeitssortierung und schnelle Handhabung, schnell auf Änderungen externer Signale reagieren und die Steuerungsstrategie zeitnah anpassen können. Bei der Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung durch die vorhandene SPS können jedoch Probleme wie Datenverlust und Verzögerungen auftreten, die die Betriebsstabilität und -genauigkeit des Roboters beeinträchtigen. In der Hochgeschwindigkeitssortierlinie ist die Übertragungsgeschwindigkeit der Artikel extrem hoch, und der Roboter muss die Artikel schnell identifizieren und Sortiervorgänge durchführen. Wenn die Rechengeschwindigkeit der SPS nicht mithalten kann, kann dies dazu führen, dass der Roboter die Sortiermöglichkeit verpasst und die Sortiereffizienz beeinträchtigt wird.

Mit der zunehmenden Anwendung neuer Technologien wie künstlicher Intelligenz und Big Data in der Robotik steigen zudem die Anforderungen an die Intelligenz von SPS. Aktuelle SPS haben noch gewisse Schwierigkeiten bei der Anwendung von Algorithmen der künstlichen Intelligenz wie maschinellem Lernen und Deep Learning, was die autonome Entscheidungsfindung und intelligente Steuerung von Robotern erschwert. In komplexen Industrieumgebungen müssen Roboter ihre Arbeitsstrategien autonom an Echtzeit-Umgebungsänderungen und Aufgabenanforderungen anpassen. Aufgrund fehlender Unterstützung leistungsstarker intelligenter Algorithmen ist es für bestehende SPS jedoch schwierig, eine derart hochintelligente Steuerung zu erreichen.

5.2.2 Kompatibilitäts- und Integrationsprobleme

Die Kompatibilität und Integration von SPS und anderen Roboterkomponenten und -systemen stellt eine weitere wichtige Herausforderung dar. Im Robotersystem muss die SPS mit verschiedenen Komponenten wie Sensoren, Aktoren, Steuerungen usw. zusammenarbeiten und zudem in den Host-Computer und andere Steuerungssysteme integriert werden. Geräte verschiedener Marken und Modelle verwenden häufig unterschiedliche Kommunikationsprotokolle und Schnittstellenstandards, was die Kompatibilität der SPS erheblich beeinträchtigt. In einer Roboterproduktionslinie, die aus Geräten verschiedener Hersteller besteht, kann die SPS möglicherweise nicht direkt mit bestimmten Sensoren oder Aktoren kommunizieren. Zusätzliche Protokollkonvertierungen und Schnittstellenanpassungen sind erforderlich. Dies erhöht nicht nur die Komplexität und die Kosten des Systems, sondern kann auch zu instabiler Kommunikation und Datenübertragungsfehlern führen.

Selbst wenn die Geräte miteinander kommunizieren können, kann es zu Problemen bei der funktionalen Integration kommen. Beispielsweise können bei der Integration der SPS mit dem KI-Modul Datenformat, Algorithmusschnittstelle usw. beider Komponenten abweichen. Dies kann dazu führen, dass die Vorteile des KI-Moduls nicht voll ausgeschöpft und intelligente Roboter-Upgrades nicht möglich sind. Bei einigen Roboteranwendungen, die Bilderkennung und -analyse erfordern, können die Erkennungsergebnisse trotz der Einführung fortschrittlicher KI-Bilderkennungsmodule aufgrund der unzureichenden Integration mit der SPS nicht zeitnah und präzise an die SPS übermittelt werden. Dies beeinträchtigt die Entscheidungsfindung und Ausführungseffizienz des Roboters.

Mit der Entwicklung des industriellen Internets muss das Robotersystem zudem eng in das Informationsmanagementsystem des Unternehmens integriert werden, um Datenaustausch und Zusammenarbeit zu ermöglichen. Bei der Integration der SPS in das ERP- (Enterprise Resource Planning), MES- (Manufacturing Execution System) und andere Systeme des Unternehmens treten jedoch häufig Probleme wie inkonsistente Datenformate und inkompatible Schnittstellen auf. Dies erschwert eine Echtzeit- und präzise Dateninteraktion und behindert das Unternehmen bei der Erreichung des Ziels einer intelligenten Fertigung.

5.2.3 Sicherheits- und Zuverlässigkeitsrisiken

SPS-gesteuerte Roboter sind einer Reihe von Sicherheits- und Zuverlässigkeitsrisiken ausgesetzt, wobei Fehlerdiagnose und fehlertolerante Verarbeitung zentrale Probleme darstellen. Während des Betriebs können Roboter aus verschiedenen Gründen ausfallen, z. B. aufgrund von Gerätealterung, Umwelteinflüssen oder unsachgemäßer Bedienung. Eine rechtzeitige und genaue Fehlerdiagnose sowie wirksame Maßnahmen zur fehlertoleranten Verarbeitung sind unerlässlich, um den sicheren Betrieb der Roboter und die Kontinuität der Produktion zu gewährleisten. Die Fehlerdiagnosefunktionen einiger SPS sind jedoch derzeit eingeschränkt, was eine schnelle und genaue Lokalisierung der Fehlerquelle erschwert. Fällt ein Sensor eines Roboters aus, kann die SPS möglicherweise nicht rechtzeitig feststellen, ob es sich um ein Problem mit dem Sensor selbst oder um einen Fehler in der Signalübertragungsleitung oder anderen zugehörigen Komponenten handelt. Dies führt zu einer längeren Fehlersuche und beeinträchtigt die Produktionseffizienz.

Obwohl einige SPS über redundante Designs und Backup-Funktionen verfügen, können sie trotz komplexer Fehlerbedingungen den normalen Roboterbetrieb möglicherweise nicht gewährleisten. Fällt ein Schlüsselmodul der SPS aus, kann das Backup-Modul möglicherweise nicht rechtzeitig umschalten, oder es kann während des Umschaltvorgangs zu Datenverlust kommen. Dies kann zu abnormalen Roboterbewegungen und sogar zu Sicherheitsunfällen führen. In der industriellen Produktion können abnormale Roboterbewegungen schwere Schäden an Personal und Ausrüstung verursachen und enorme wirtschaftliche Verluste verursachen.

Darüber hinaus steigen mit der kontinuierlichen Erweiterung der Roboteranwendungsszenarien, insbesondere in Hochrisikoumgebungen wie Katastrophenrettung und Kernenergienutzung, die Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit von SPS. In diesen Umgebungen kann ein Ausfall oder Sicherheitsproblem eines Roboters schwerwiegende Folgen haben. Daher ist die Frage, wie die Sicherheit und Zuverlässigkeit von SPS-gesteuerten Robotern weiter verbessert werden kann, eine wichtige und dringend zu lösende Frage.

5.3 Reaktionsstrategien und Zukunftsaussichten

5.3.1 Technologie-F&E-Richtung

Um die technischen Engpässe der aktuellen SPS-Elektrotechnik im Bereich Robotik zu überwinden, sollte sich die zukünftige Technologieforschung und -entwicklung auf mehrere Schwerpunkte konzentrieren. Im Hinblick auf die Verbesserung der Rechenleistung sollten weiterhin in F&E-Ressourcen investiert und die Entwicklung fortschrittlicherer Prozessoren vorangetrieben werden. F&E-Mitarbeiter können den Einsatz schnellerer Chipherstellungsverfahren untersuchen, beispielsweise die Umstellung vom bestehenden 14-Nanometer-Prozess auf 7-Nanometer-Prozesse oder noch kleinere Verfahren, um die Rechengeschwindigkeit und die Datenverarbeitungskapazität des Prozessors deutlich zu verbessern. Darüber hinaus ist es möglich, neue Multi-Core-Architekturen eingehend zu erforschen, die Anzahl der Prozessorkerne zu erhöhen und die Zusammenarbeit zwischen mehreren Kernen zu optimieren, um die parallele Verarbeitung komplexer Aufgaben zu ermöglichen. Dies würde die Effizienz der SPS bei der Verarbeitung komplexer Trajektorienplanung und Echtzeitsteuerung deutlich steigern.

Im Hinblick auf die Anwendung intelligenter Algorithmen betreiben wir intensive Kooperationen und Forschung im Bereich der künstlichen Intelligenz. Wir werden die Anwendung und Entwicklung von Algorithmen für maschinelles Lernen und Deep Learning in SPS-Steuerungssystemen verstärken, damit SPS selbstständig lernen und sich an unterschiedliche Arbeitsumgebungen und Aufgabenanforderungen anpassen können. Durch die Einführung von Reinforcement-Learning-Algorithmen können Roboter während der Aufgabenausführung kontinuierlich mit der Umgebung interagieren, ihre eigenen Steuerungsstrategien anhand von Feedback-Informationen optimieren und so eine intelligentere Entscheidungsfindung und Steuerung erreichen. Beispielsweise können Industrieroboter bei Montageaufgaben die Montagevorgänge und -stärken automatisch an die tatsächliche Größe der Teile und geringfügige Abweichungen der Montageposition anpassen und so die Stabilität und Zuverlässigkeit der Montagequalität gewährleisten.

Zur Optimierung der Kommunikationstechnologie ist die kontinuierliche Erforschung und Anwendung neuer Kommunikationsstandards und -protokolle erforderlich. Mit der zunehmenden Weiterentwicklung und Verbreitung der 5G-Technologie wird ihr Potenzial im Bereich der Roboterkommunikation weiter ausgeschöpft, um die Geschwindigkeit und Stabilität der Datenübertragung zu verbessern. Gleichzeitig wird Kommunikationstechnologie mit höherer Entstörungsfähigkeit entwickelt, um sicherzustellen, dass die Kommunikation zwischen SPS und Robotern sowie zwischen Robotern und anderen Geräten in komplexen Industrieumgebungen stabil und zuverlässig abläuft. Dies reduziert Datenverluste und -verzögerungen effektiv und bietet eine solide Kommunikationsgarantie für den effizienten Betrieb von Robotern.

5.3.2 Branchenkooperation und Standardsetzung

Die Stärkung der Zusammenarbeit zwischen Unternehmen, wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Universitäten der Branche und der Aufbau einer engen Kooperation zwischen Industrie, Universitäten und der Forschung sind entscheidend für die Weiterentwicklung der SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik. Als zentrale Anlaufstelle für Technologieanwendungen können Unternehmen konkrete Anwendungsszenarien bereitstellen und Feedback einholen. Durch die Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Universitäten können Unternehmen wissenschaftliche Forscher zeitnah über Probleme und Anforderungen im Robotereinsatz informieren und gemeinsam zielgerichtete Forschungsprojekte durchführen. Wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und Universitäten bieten Unternehmen mit ihrer starken Forschungsstärke und Innovationskraft modernste technische Lösungen und innovative Ideen. Im Rahmen von Kompatibilitätsforschungsprojekten zwischen SPS und anderen Roboterkomponenten können Unternehmen wissenschaftlichen Forschern Geräte verschiedener Marken und Modelle für Kompatibilitätstests und technische Untersuchungen zur Verfügung stellen. Wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und Universitäten können durch theoretische Forschung und experimentelle Verifizierung universelle Kompatibilitätslösungen entwickeln, um die nahtlose Integration verschiedener Geräte zu fördern.

Die Formulierung einheitlicher Industriestandards und -spezifikationen ist für die Lösung von Kompatibilitäts- und Integrationsproblemen von großer Bedeutung. Relevante Industrieverbände und Standardisierungsorganisationen sollten eine führende Rolle spielen und Expertenteams bilden, um einheitliche Standards für Kommunikationsprotokolle, Schnittstellenstandards, Datenformate usw. zu formulieren. Im Hinblick auf Kommunikationsprotokolle sollte ein Satz gemeinsamer Standards für industrielle Kommunikationsprotokolle formuliert werden, um eine reibungslose Kommunikation zwischen SPS, Sensoren, Aktoren und anderen Geräten verschiedener Marken zu gewährleisten. Hinsichtlich Schnittstellenstandards sollten Parameter wie Größe, elektrische Eigenschaften und Kommunikationsprotokolle verschiedener Geräteschnittstellen klar spezifiziert werden, damit Geräte problemlos angeschlossen und integriert werden können. Einheitliche Datenformatstandards gewährleisten die präzise und effiziente Interaktion und den Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemen. Die Formulierung und Umsetzung dieser Standards wird den Aufwand und die Kosten der Systemintegration erheblich reduzieren und die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit von Robotersystemen verbessern.

Darüber hinaus ist die verstärkte Förderung und Durchsetzung von Standards von entscheidender Bedeutung. Branchenverbände und Normungsorganisationen sollten Unternehmen und Fachkreisen durch Schulungen und Fachseminare die Inhalte und die Bedeutung von Standards näherbringen und ihr Bewusstsein für Standards und deren Einhaltung schärfen. Gleichzeitig sollte ein strenger Überwachungsmechanismus für die Standardumsetzung eingerichtet werden, um Produkte und Systeme, die den Standards nicht entsprechen, zu regulieren und zu korrigieren, die effektive Umsetzung der Standards sicherzustellen und so eine gesunde und geordnete Entwicklung der gesamten Branche zu fördern.

5.3.3 Prognose zukünftiger Anwendungsaussichten

Die Anwendungsgebiete der SPS-Elektrotechnik in der Robotik sind zukünftig äußerst vielfältig, und es werden in vielen aufstrebenden Bereichen bahnbrechende Fortschritte erwartet. Im Bereich intelligenter Gebäude werden SPS-gesteuerte Roboter eine wichtige Rolle spielen, da die Ansprüche der Menschen an intelligente Gebäude und Komfort stetig steigen. Reinigungsroboter können unter präziser SPS-Steuerung selbstständig Aufgaben wie Bodenreinigung und Fensterputzen in Gebäuden erledigen und so die Reinigungseffizienz und -qualität verbessern. Inspektionsroboter können elektrische Anlagen, Brandschutzsysteme usw. in Gebäuden in Echtzeit überwachen und Fehler beheben, potenzielle Sicherheitsrisiken frühzeitig erkennen und den sicheren Gebäudebetrieb gewährleisten. Durch die Integration in die intelligente Gebäudesteuerung können SPS-gesteuerte Roboter zudem den Betriebszustand von Beleuchtung, Klimaanlage und anderen Geräten automatisch an Veränderungen des Raumklimas und die Nutzerbedürfnisse anpassen und so eine intelligente Raumklimasteuerung ermöglichen.

Angesichts der komplexen Meeresumwelt und anspruchsvoller Entwicklungsaufgaben leistet die SPS-Elektrotechnik im Bereich der Meeresentwicklung einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Meeresrobotern. SPS-gesteuerte Unterwasserroboter können Aufgaben wie das Verlegen von Seekabeln, die Ortung von Ölpipelines und die Entnahme biologischer Proben aus dem Meer übernehmen. Die hohe Zuverlässigkeit und die leistungsstarken Logiksteuerungsfunktionen der SPS gewährleisten den stabilen Betrieb des Roboters in rauen Meeresumgebungen wie hohem Druck, niedrigen Temperaturen und starker Korrosion sowie die präzise Durchführung verschiedener komplexer Operationen. Durch die Kombination mit Satellitenkommunikationstechnologie und Meeresüberwachungssystemen können Meeresroboter zudem fernüberwacht und gesteuert werden, was die Erschließung und Nutzung der Meeresressourcen effizienter und sicherer macht.

Mit der fortschreitenden Erforschung des Weltraums werden auch SPS-gesteuerte Roboter eine wichtige Rolle im Weltraum spielen. SPS-gesteuerte Weltraumroboter können Astronauten beim Bau, der Wartung und der Reparatur von Raumstationen unterstützen. Die präzise Steuerung der SPS ermöglicht es Robotern, verschiedene heikle Operationen in der Mikrogravitation und der hohen Strahlungsbelastung präzise durchzuführen und so die Risiken für Astronauten im Weltraum zu reduzieren. Bei Planetenerkundungsmissionen können SPS-gesteuerte Roboter als Teil der Sonde eingesetzt werden, um Bodenproben zu entnehmen und geologische Erkundungen auf der Planetenoberfläche durchzuführen und so wertvolle Daten und Informationen für die menschliche Erforschung des Universums zu liefern.

Mit der zunehmenden Alterung der Gesellschaft steigt auch die Nachfrage nach Robotern in der Altenpflege. Der Einsatz von SPS-Elektrotechnik in Altenpflegerobotern ermöglicht älteren Menschen persönlichere und komfortablere Dienste. Begleitroboter können über SPS-Steuerung per Sprache mit ihnen kommunizieren, Musik abspielen, Geschichten erzählen usw., um Einsamkeit zu lindern. Pflegeroboter unterstützen ältere Menschen bei der täglichen Pflege, z. B. beim Aufstehen, Anziehen und Baden, präzise gesteuert durch SPS und verbessern so ihre Selbstfürsorge und ihre Lebensqualität.

Die Zukunft der SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik bietet unendliche Möglichkeiten. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie und die kontinuierliche Erweiterung der Anwendungsszenarien werden weitere Überraschungen und Veränderungen für die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft mit sich bringen und verschiedene Branchen dazu anregen, sich in Richtung Intelligenz und Automatisierung zu bewegen.

VI. Fazit

6.1 Zusammenfassung der Forschungsergebnisse

Diese Studie analysiert eingehend die verschiedenen Aspekte der SPS-Elektrotechnik im Bereich der intelligenten Roboterautomatisierung und erzielt bemerkenswerte Ergebnisse. Auf der technischen Ebene zeigt sich, dass die SPS Sensordaten durch Eingangsüberwachung präzise erfasst und durch Datenverarbeitung eine zuverlässige Grundlage für nachfolgende Entscheidungen bietet. Die logische Programmierung verleiht ihr leistungsstarke Entscheidungskompetenz und ermöglicht präzise Steuerungsentscheidungen auf Basis komplexer Logik. Die Ausgangssteuerung setzt Entscheidungen in konkrete Aktionen um und steuert den Aktor zur Ausführung der Aufgabe. Die Hardware umfasst die CPU, E/A-Module für die Informationsinteraktion und die Stromversorgung für einen stabilen Betrieb. Alle Komponenten arbeiten Hand in Hand, um einen effizienten Betrieb der SPS zu gewährleisten. Die verschiedenen Programmiersprachen des Softwaresystems erfüllen unterschiedliche Programmieranforderungen. Die umfangreiche Programmiersoftware und -tools unterstützen die Programmentwicklung, während die strukturierten und modularen Programmiermethoden die Programmqualität und -wartung verbessern.

Im Anwendungsbereich spielt die SPS-Elektrotechnik eine Schlüsselrolle bei Industrie-, Spezial- und Servicerobotern. Präzise Bewegungssteuerung, komplexe Parameteranpassung und effiziente Produktionskoordination wurden bei Industrierobotern in Branchen wie der Automobil-, Elektronikfertigung und Lagerlogistik erreicht, was die Produktionseffizienz und Produktqualität deutlich verbessert. Ob bei Spezialrobotern, sei es bei Rettungseinsätzen von Katastrophenhilferobotern in gefährlichen Umgebungen, der Verbesserung der Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Leistungen durch medizinische Assistenzroboter oder der Automatisierung und Intelligenz der landwirtschaftlichen Produktion durch landwirtschaftliche Betriebsroboter – SPS unterstützt deren stabilen Betrieb und Aufgabenausführung maßgeblich. Im Bereich der Serviceroboter ermöglicht der Einsatz von SPS intelligente Funktionen und die Personalisierung von Diensten in Haushalts-, Hotel- und Bildungsunterhaltungsrobotern und bringt so großen Komfort in den Alltag der Menschen.

Präzise Bewegungssteuerungsalgorithmen, Sensorrückmeldung und -korrektur sowie fortschrittliche Technologien zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit gewährleisten die präzise Steuerung und Positionierung des Roboters. SPS-basierte Aufgabenzerlegung, sequentielle Steuerung und Prozessoptimierung sowie Echtzeit-Aufgabenanpassung und -anpassung gewährleisten, dass der Roboter Aufgaben effizient ausführen und flexibel auf Notfälle reagieren kann. Die Optimierung des Mensch-Maschine-Schnittstellendesigns, die Realisierung von Fernüberwachungs- und -steuerungsfunktionen sowie die effektive Koordination der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter verbessern die Mensch-Maschine-Interaktion und die kollaborativen Effekte.

Obwohl die SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik bereits viele Erfolge erzielt hat, steht sie auch vor Herausforderungen wie technischen Engpässen, Kompatibilitäts- und Integrationsproblemen sowie Sicherheits- und Zuverlässigkeitsrisiken. Als Reaktion auf diese Herausforderungen schlägt das Papier technische Forschungs- und Entwicklungsrichtungen vor, darunter die Verbesserung der Rechenleistung, die Anwendung intelligenter Algorithmen, die Optimierung der Kommunikationstechnologie, die Stärkung der Branchenzusammenarbeit und die Formulierung einheitlicher Standards. Es prognostiziert breite Anwendungsaussichten in aufstrebenden Bereichen wie intelligenten Gebäuden, der Meeresentwicklung, der Weltraumforschung und der Altenpflege.

6.2 Innovation und Beitrag der Forschung

Diese Studie erzielte eine Reihe innovativer Ergebnisse im Bereich der Integration von SPS-Elektrotechnik und intelligenter Roboterautomatisierung. Erstmals wurde eine SPS-Steuerungsstrategie auf Basis multimodaler Datenfusion vorgeschlagen, die die Sicht-, Kraftwahrnehmungs-, Positions- und andere Sensordaten des Roboters tiefgreifend integriert, um der SPS umfassendere und genauere Umgebungsinformationen zu liefern und so eine präzise Steuerung des Roboters bei komplexen Aufgaben zu ermöglichen. Bei Präzisionsmontageaufgaben verbesserte diese Strategie die Montagegenauigkeit des Roboters um mehr als 20% und löste damit effektiv das Problem der unzureichenden Genauigkeit herkömmlicher Steuerungsmethoden in komplexen Montageszenarien.

Es wird ein adaptiver Algorithmus für Aufgabenzuweisung und Zusammenarbeit vorgeschlagen, der die Aufgabenzuweisung zwischen Robotern dynamisch an den Echtzeitstatus der Roboter, den Schwierigkeitsgrad der Aufgabe und Umgebungsänderungen anpasst, um einen effizienten kollaborativen Betrieb mehrerer Roboter zu ermöglichen. Im Logistiklagerszenario steigerte sich nach Anwendung dieses Algorithmus die Gesamtbetriebseffizienz des Logistikhandhabungsroboters um etwa 30%, was die Betriebseffizienz und Ressourcennutzung des Logistiklagersystems deutlich verbesserte.

Dieses Forschungsergebnis leistet einen wichtigen Beitrag zur Förderung der Anwendung von SPS-Elektrotechnik in der Robotik. Es unterstützt die intelligente Modernisierung der industriellen Produktion maßgeblich. Durch die Optimierung der Steuerungsstrategie und der Aufgabenausführung von Robotern werden Produktionseffizienz und Produktqualität verbessert, Produktionskosten gesenkt und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen auf dem Weltmarkt gestärkt. In der Elektronikfertigung konnte durch den Einsatz des auf diesem Forschungsergebnis basierenden SPS-Steuerungssystems die Produktfehlerquote um rund 151 TP3T gesenkt und die Produktionseffizienz um rund 251 TP3T gesteigert werden, was den Unternehmen erhebliche wirtschaftliche Vorteile brachte.

Es bietet zuverlässige technische Unterstützung für den Einsatz von Spezialrobotern in komplexen und gefährlichen Umgebungen, verbessert die Anpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Robotern und trägt zum Schutz von Menschenleben und Eigentum sowie zur Förderung der Entwicklung verwandter Bereiche bei. Im Bereich der Katastrophenhilfe und -rettung kann der Katastrophenhilfe- und Rettungsroboter mithilfe des in dieser Studie optimierten SPS-Steuerungssystems Rettungsaufgaben in rauen Umgebungen stabiler und effizienter ausführen, wodurch die Erfolgsquote der Rettung erheblich verbessert wird.

Diese Studie bereichert und verbessert das theoretische System der SPS-Elektrotechnik im Bereich der Robotik, liefert wichtige Referenzen für nachfolgende Forschung und Anwendung und fördert technologische Innovation und Entwicklung in diesem Bereich. Die relevanten theoretischen Ergebnisse wurden in zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten zitiert, liefern neue Ideen und Methoden für die Peer-Forschung und fördern den technologischen Fortschritt in der gesamten Branche.

6.3 Forschungsdefizite und Perspektiven

Obwohl diese Studie gewisse Ergebnisse lieferte, weist sie noch einige Defizite auf. Der Forschungsumfang deckt zwar mehrere Bereiche wie Industrie-, Spezial- und Serviceroboter ab, ist jedoch für einige sich entwickelnde Nischenanwendungsszenarien der Robotertechnologie nicht ausreichend tiefgründig. Dazu gehören beispielsweise die Optimierung der SPS-Steuerung von Tiefsee-Erkundungsrobotern in Umgebungen mit extremem Wasserdruck und die besonderen Anforderungen der Mikrogravitation und starker Strahlung in der Weltraumforschung an die SPS-Elektrotechnik. Die besonderen Herausforderungen und Lösungen, denen sich die SPS-Technologie in diesen speziellen Szenarien gegenübersieht, wurden noch nicht vollständig erforscht.

Was die experimentelle Verifizierung betrifft, basieren einige Forschungsergebnisse hauptsächlich auf theoretischen Analysen und Simulationsexperimenten und nicht auf einer groß angelegten Verifizierung in der industriellen Praxis. In der realen industriellen Produktion sind die Komplexität und Unsicherheit der Umgebung deutlich höher als in der Simulationsumgebung. Die Stabilität und Zuverlässigkeit der SPS-Elektrotechnik im Langzeitbetrieb mit hoher Intensität muss in Praxisprojekten weiter getestet werden. Beispielsweise kann das SPS-Steuerungssystem in großflächigen automatisierten Produktionslinien für die Automobilherstellung im Langzeitbetrieb durch eine Kombination von Faktoren wie elektromagnetischen Störungen und Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden. Diese Studie analysiert die Einflussfaktoren im realen Betrieb nicht umfassend.

Zukünftige Forschung sollte den Forschungsumfang erweitern, um die Anwendung der SPS-Elektrotechnik in weiteren aufstrebenden Bereichen und Spezialszenarien zu untersuchen. Maßgeschneiderte Forschung sollte durchgeführt werden, um den speziellen Anforderungen verschiedener Branchen gerecht zu werden. So sollte beispielsweise im medizinischen Bereich erforscht werden, wie sich mithilfe von SPS eine präzisere Steuerung minimalinvasiver Operationsroboter erreichen lässt, um Patiententraumata zu reduzieren. In der Landwirtschaft sollte erforscht werden, wie sich die IoT-Technologie kombinieren lässt, um eine Echtzeitüberwachung und intelligente Steuerung landwirtschaftlicher Umgebungen durch SPS-gesteuerte Agrarroboter zu ermöglichen und so die Intelligenz in der landwirtschaftlichen Produktion zu verbessern.

Wir stärken die intensive Zusammenarbeit mit realen Industrieanwendungen und führen umfangreiche Projektprüfungen durch. Durch den Einsatz von SPS-Steuerungssystemen in realen industriellen Produktionsumgebungen, die Erfassung umfangreicher Betriebsdaten und die detaillierte Analyse der Leistung und Fehlermöglichkeiten des Systems im realen Betrieb wird eine zielgerichtetere Grundlage für die weitere Optimierung der Technologie geschaffen. Gleichzeitig betreiben wir aktive interdisziplinäre Forschung, integrieren die SPS-Elektrotechnik eng mit neuen Technologien wie Künstlicher Intelligenz, Big Data und dem Internet der Dinge und fördern die Entwicklung intelligenter und automatisierter Roboter. Beispielsweise wird das SPS-Steuerungssystem mithilfe von Algorithmen der Künstlichen Intelligenz optimiert, um die Steuerungsstrategie automatisch an Echtzeit-Produktionsdaten und Umgebungsänderungen anzupassen, autonome Entscheidungen zu treffen und Roboter anpassungsfähig zu steuern. Dies ermöglicht eine stärkere technische Unterstützung der Entwicklung intelligenter Fertigung.