Fehlerbehebung bei elektrischen SPS-Systemen: Häufige Probleme und Lösungen

1. Einleitung

1.1 Übersicht über das elektrische System der SPS

Als zentrales Steuergerät der industriellen Automatisierung spielt die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) mit ihrer hohen Zuverlässigkeit, Flexibilität und leistungsstarken Logiksteuerung eine entscheidende Rolle in der modernen industriellen Produktion. Sie kann Signale von verschiedenen Sensoren und Eingabegeräten empfangen und nach internen Logikoperationen und -verarbeitungen Steuersignale ausgeben. Dadurch wird eine präzise Steuerung verschiedener mechanischer und elektrischer Geräte im industriellen Produktionsprozess ermöglicht.

Aus Sicht der Systemzusammensetzung besteht das elektrische SPS-System hauptsächlich aus einer Zentraleinheit (CPU), einem Speicher, einem Ein-/Ausgabemodul (E/A), einem Leistungsmodul und einem Kommunikationsmodul. Als Kern der SPS fungiert die CPU wie das menschliche Gehirn. Sie interpretiert und führt das vom Benutzer geschriebene Steuerprogramm aus, verarbeitet das Eingangssignal und generiert das entsprechende Ausgangssteuersignal gemäß der Programmlogik. Der Speicher dient zur Speicherung von Systemprogrammen, Benutzerprogrammen und Daten während des Betriebs. Der Systemprogrammspeicher speichert das Betriebssystem und die Grundfunktionen der SPS, während der Benutzerprogrammspeicher die vom Benutzer entsprechend den tatsächlichen Steuerungsanforderungen geschriebenen Anwendungsprogramme speichert.

Das E/A-Modul dient als Brücke für den Informationsaustausch zwischen SPS und externen Geräten. Das Eingangsmodul erfasst verschiedene Signale aus dem Feld, wie z. B. Sensorsignale, Schaltsignale von Tastern usw., und wandelt diese in digitale Signale um, die von der CPU verarbeitet werden können. Das Ausgangsmodul wandelt die von der CPU verarbeiteten Steuersignale in Signale um, die für die Ansteuerung externer Aktoren geeignet sind, z. B. zum Starten und Stoppen von Motoren oder zum Öffnen und Schließen von Ventilen. Leistung und Anzahl der E/A-Module wirken sich direkt auf die Anzahl der externen Geräte aus, mit denen die SPS verbunden werden kann, und auf die Steuerungsmöglichkeiten.

Das Leistungsmodul sorgt für eine stabile Stromversorgung des SPS-Systems und gewährleistet so den einwandfreien Betrieb aller Komponenten. Seine Stabilität und Zuverlässigkeit sind entscheidend für den Gesamtbetrieb des SPS-Systems, insbesondere in industriellen Umgebungen, wo Stromschwankungen den normalen Betrieb der SPS erheblich beeinträchtigen können. Das Kommunikationsmodul ermöglicht der SPS den Datenaustausch und die Kommunikation mit anderen Geräten oder Systemen, um eine erweiterte Automatisierungssteuerung und -verwaltung zu erreichen. Über das Kommunikationsmodul kann die SPS zur Fernüberwachung und -steuerung an einen Host-Computer (z. B. einen Überwachungscomputer) angeschlossen werden. Sie kann auch mit anderen SPS oder intelligenten Geräten vernetzt werden, um ein komplexeres Automatisierungssteuerungssystem aufzubauen.

In der industriellen Automatisierung sind SPS-Systeme weit verbreitet. In der Fertigungsindustrie werden sie häufig zur Automatisierungssteuerung von Produktionslinien eingesetzt, beispielsweise in der Automobilproduktion, der Elektronikfertigung und der mechanischen Bearbeitung. Sie ermöglichen eine präzise Steuerung und einen effizienten Ablauf des Produktionsprozesses und verbessern so die Produktionseffizienz und Produktqualität. In der Energiewirtschaft können SPS zur Überwachung und zum Schutz von Energiesystemen eingesetzt werden, beispielsweise zur automatischen Steuerung von Umspannwerken und zur Statusüberwachung von Energieanlagen, um einen sicheren und stabilen Betrieb der Energiesysteme zu gewährleisten. In der Gebäudeautomation ermöglichen SPS die intelligente Steuerung von Beleuchtung, Klimaanlagen, Aufzügen und anderen Geräten in Gebäuden und verbessern so die Energieeffizienz und den Komfort. Auch in vielen Branchen wie dem Transportwesen, der chemischen Industrie und der Wasseraufbereitung spielen SPS-Systeme eine unverzichtbare Rolle und werden zu einer Schlüsseltechnologie für die industrielle Automatisierung.

1.2 Forschungszweck und Bedeutung

In der industriellen Produktion fungiert das SPS-System wie das menschliche Nervensystem und spielt eine zentrale Steuerungsrolle im gesamten Produktionsprozess. Wie bei jedem komplexen System treten jedoch auch bei SPS-Systemen im Langzeitbetrieb zwangsläufig verschiedene Fehler auf. Diese Fehler beeinträchtigen nicht nur die Produktionseffizienz erheblich, sondern können auch zu einem deutlichen Anstieg der Produktionskosten führen und sogar den stabilen Betrieb und die Produktionssicherheit des Systems gefährden. Daher ist eine eingehende Erforschung der Fehlerbehebungstechnologie für SPS-Systeme von großer praktischer Bedeutung.

Um die Produktionseffizienz zu steigern, können rechtzeitige Fehlersuche und -behebung bei Störungen im elektrischen SPS-System Produktionsunterbrechungen minimieren. In der modernen Großserienproduktion kann jede Minute Ausfallzeit enorme wirtschaftliche Verluste verursachen. Wenn beispielsweise in einem Automobilwerk eine automatisierte Produktionslinie aufgrund eines Ausfalls des elektrischen SPS-Systems stillsteht, kann dies nicht nur die Fahrzeugmontage nicht termingerecht abschließen, sondern auch den normalen Betrieb anderer vor- und nachgelagerter Produktionslinien beeinträchtigen und so den gesamten Produktionsplan verzögern. Durch eingehende Forschung und die Analyse häufiger Fehler wurden effiziente Methoden und Prozesse zur Fehlerbehebung entwickelt. Diese ermöglichen es Technikern, das Problem im Fehlerfall schnell zu lokalisieren und wirksame Lösungen zu finden. So kann die Produktion schnell wieder aufgenommen und die Produktionseffizienz nicht ernsthaft beeinträchtigt werden.

Kostensenkung ist ein wichtiges Ziel der Fehlersuche in elektrischen SPS-Systemen. Ausfälle gehen oft mit Reparaturkosten, Rohstoffverschwendung und potenziellen wirtschaftlichen Verlusten durch Produktionsverzögerungen einher. Eine rechtzeitige und präzise Fehlersuche kann einerseits unnötigen Teileaustausch durch Blindreparaturen vermeiden und so die Wartungskosten senken. Andererseits können durch die Verkürzung von Produktionsunterbrechungen Rückstände und Rohstoffverschwendung durch Produktionsstillstände sowie mögliche Verluste wie Vertragsstrafen durch nicht termingerechte Produktlieferungen wirksam vermieden werden. Am Beispiel von Chemieunternehmen sind die im Produktionsprozess verwendeten Rohstoffe in der Regel sehr wertvoll. Einige Rohstoffe werden nach einer Produktionsunterbrechung möglicherweise verschrottet, da sie nicht mehr an der Reaktion teilnehmen können. Wenn Anzahl und Dauer der Produktionsunterbrechungen durch effektive Fehlerbehebungstechnologie reduziert werden, können die Kosten für Rohstoffverschwendung deutlich gesenkt und der wirtschaftliche Nutzen des Unternehmens gesteigert werden.

Die Gewährleistung eines stabilen Systembetriebs ist entscheidend für die Sicherheit und Zuverlässigkeit der industriellen Produktion. SPS-Systeme werden häufig in verschiedenen Bereichen eingesetzt, die die Sicherheit von Personen und die Sicherheit in der Produktion betreffen, beispielsweise in der Energieversorgung, der Petrochemie und im Transportwesen. In diesen Bereichen kann ein Systemausfall schwere Unfälle verursachen und eine enorme Gefahr für Leben und Eigentum darstellen. Beispielsweise werden SPS im Energiesystem zur Steuerung der Schaltanlagen und des Stromverteilungssystems von Umspannwerken eingesetzt. Ein Ausfall des SPS-Systems kann zu einer Unterbrechung der Stromversorgung führen und so den normalen Stromverbrauch der Bevölkerung und die industrielle Produktion beeinträchtigen. In der petrochemischen Industrie steuert die SPS den Betrieb verschiedener chemischer Reaktionsprozesse und Anlagen. Wird der Fehler nicht rechtzeitig behoben, kann dies zu schweren Unfällen wie Bränden und Explosionen führen. Durch umfassende Forschung zur Fehlerbehebungstechnologie von SPS-Systemen können potenzielle Fehlergefahren im Voraus erkannt und rechtzeitig vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden, um einen stabilen und zuverlässigen Systembetrieb in komplexen Umgebungen zu gewährleisten und so die Produktionssicherheit sowie die Sicherheit von Leben und Eigentum zu gewährleisten.

Diese Studie bietet eine umfassende, systematische und effiziente Methode und Lösung zur Fehlersuche anhand einer detaillierten Analyse häufiger Fehler in SPS-Systemen. Die Fehlerarten der einzelnen Komponenten des SPS-Systems werden detailliert klassifiziert, die Ursachen ihres Auftretens eingehend analysiert und die entsprechenden Fehlerbehebungsprozesse und -lösungen anhand von Praxisbeispielen erläutert. Gleichzeitig wird untersucht, wie Fehler vermieden und die allgemeine Zuverlässigkeit und Stabilität des SPS-Systems durch optimiertes Systemdesign sowie verbesserte tägliche Wartung und Verwaltung verbessert werden können. Diese Studie soll Technikern in der industriellen Produktion eine praktische Referenz bieten und ihnen helfen, Fehler in SPS-Systemen besser zu bewältigen und einen effizienten, stabilen und sicheren Betrieb der industriellen Produktion zu gewährleisten.

2. Häufige Probleme des elektrischen PLC-Systems

2.1 Hardwarefehler

2.1.1 Stromausfall

Stromausfälle zählen zu den häufigsten und schwerwiegendsten Problemen in elektrischen SPS-Systemen. Die Ursachen sind komplex und vielfältig, und ihre Auswirkungen auf den Systembetrieb sind erheblich.

Netzspannungsschwankungen sind eine häufige Ursache für Stromausfälle. In einer industriellen Produktionsumgebung kann das Stromnetz durch Faktoren wie das Starten und Stoppen großer Geräte, das Umschalten des Stromnetzes usw. beeinflusst werden, was zu einem plötzlichen Anstieg oder Abfall der Spannung führt. Überschreitet die Spannungsschwankung den normalen Betriebsbereich des SPS-Leistungsmoduls, kann dies zu dessen Funktionsstörungen und damit zu Fehlfunktionen des SPS-Systems führen. Beispielsweise sinkt die Netzspannung beim Starten eines großen Motors in einer Fabrik schlagartig. Eine unzureichende Toleranz des SPS-Leistungsmoduls gegenüber Spannungsschwankungen kann zu einem Ausfall des SPS-Systems führen.

Kurzschlüsse sind ebenfalls eine wichtige Ursache für Stromausfälle. Wenn beim Verdrahten des SPS-Systems die Isolationsschicht des Kabels beschädigt oder die Klemme lose ist, kann es zu einem direkten Kontakt von Kabeln mit unterschiedlichem Potenzial und damit zu einem Kurzschluss kommen. Ein Kurzschluss führt zu einem starken Anstieg des Stroms im Stromkreis und erzeugt große Hitze, die das Leistungsmodul, Kabel und sogar andere elektrische Geräte beschädigen kann. Auch der Ausfall von Feldgeräten kann einen Kurzschluss verursachen, beispielsweise einen Kurzschluss im Sensor. Dieser überträgt den Fehler auf den Eingangskreis der SPS und beeinträchtigt so den normalen Betrieb der Stromversorgung.

Die Qualität des Leistungsmoduls selbst sollte nicht vernachlässigt werden. Leistungsmodule minderer Qualität können im Langzeitbetrieb altern oder beschädigt werden, was zu einer instabilen Leistungsabgabe oder einer ausfallenden Normalspannung führt. Als wichtige Komponente des Leistungsmoduls kann die Leistungsverschlechterung von Kondensatoren die Welligkeit der Leistungsabgabe erhöhen und die Stabilität des SPS-Systems beeinträchtigen.

Die Auswirkungen eines Stromausfalls auf elektrische SPS-Systeme sind vielfältig. Die unmittelbarste Auswirkung ist der Systemausfall, der den gesamten Produktionsprozess zum Stillstand bringt. In Branchen mit extrem hohen Anforderungen an die Produktionskontinuität, wie beispielsweise der Chemie- und Stahlindustrie, führen Systemausfälle nicht nur zu Produktionsverzögerungen, sondern können auch schwerwiegende Folgen wie Produktverschrottung und Anlagenschäden nach sich ziehen und dem Unternehmen enorme wirtschaftliche Verluste verursachen. Darüber hinaus können Stromausfälle auch zum Verlust oder zur Beschädigung von SPS-Programmen führen. Bei einer anormalen Stromversorgung funktioniert der SPS-Speicher möglicherweise nicht ordnungsgemäß, wodurch Benutzerprogramme und darin gespeicherte Daten verloren gehen oder fehlerhaft sind. Dies erfordert ein erneutes Herunterladen von Programmen und Konfigurationsdaten, was den Wartungsaufwand erhöht. Stromausfälle können zudem dauerhafte Schäden an der SPS-Hardware verursachen, beispielsweise durch das Durchbrennen von CPU, E/A-Modulen usw., was die Wartungskosten weiter erhöht und die Systemwiederherstellung erschwert.

2.1.2 Ausfall des Eingangs- und Ausgangsmoduls

Das Eingabe-/Ausgabemodul (E/A) ist die Schlüsselbrücke für den Informationsaustausch zwischen der SPS und externen Geräten. Ein Ausfall wirkt sich direkt auf die Erfassung externer Signale und die Ausgabe von Steuersignalen durch das System aus und führt zu Systemfehlern.

Signalverlust ist eine häufige Folge von E/A-Modulausfällen. In Industrieanlagen können aufgrund der komplexen Umgebung elektromagnetische Störungen, Vibrationen, Temperaturschwankungen und andere Faktoren die Signalübertragung beeinträchtigen. Überschreitet die Intensität des Störsignals einen bestimmten Schwellenwert, kann das Eingangsmodul das Sensorsignal möglicherweise nicht korrekt identifizieren, was zu Signalverlust führt. In automatisierten Produktionslinien werden Näherungssensoren zur Positionserkennung von Werkstücken eingesetzt. Befinden sich starke elektromagnetische Störquellen wie große Motoren in der Nähe, kann das vom Eingangsmodul empfangene Signal verzerrt werden. Dadurch kann die SPS die Werkstückposition nicht mehr genau bestimmen und nachfolgende Produktionsabläufe beeinträchtigen.

Lose Verkabelung ist ebenfalls eine wichtige Ursache für den Ausfall von E/A-Modulen. Im Dauerbetrieb können sich die Anschlussklemmen aufgrund von Faktoren wie Gerätevibrationen und Temperaturschwankungen allmählich lösen, was zu einem schlechten Kontakt führt. Dies verhindert eine stabile Übertragung des Eingangssignals an die SPS oder die effektive Ansteuerung des externen Aktors durch das Ausgangssignal. Beispielsweise können sich bei einem Gerät, das häufig gestartet und gestoppt wird, die Anschlussklemmen des mit dem Motor verbundenen Ausgangsmoduls durch Vibrationen lösen, was dazu führt, dass der Motor nicht normal startet oder instabil läuft.

Schäden an den elektronischen Komponenten im E/A-Modul können ebenfalls zu Fehlfunktionen führen. Mit zunehmender Nutzungsdauer altern die elektronischen Komponenten allmählich, ihre Leistung lässt nach oder sie werden sogar beschädigt. Beispielsweise ist der Optokoppler im Eingangsmodul eine Schlüsselkomponente, die externe Signale in digitale Signale umwandelt. Altert er oder ist er beschädigt, kann dies dazu führen, dass das Eingangssignal nicht korrekt umgewandelt wird, sodass die SPS das korrekte Signal nicht empfangen kann. Das Relais im Ausgangsmodul ist eine wichtige Komponente zur Steuerung externer Geräte. Sind seine Kontakte abgenutzt, klemmen oder verbrannt, führt dies zu einem anormalen Ausgangssignal und kann das externe Gerät nicht mehr normal steuern.

E/A-Modulfehler können viele Ursachen haben, und Fehlfunktionen sind eine davon. Ein E/A-Modulausfall kann dazu führen, dass die SPS ein falsches Steuersignal ausgibt und dadurch das externe Gerät ausfällt. In einem Sicherheitssteuerungssystem kann ein Ausfall des Ausgangsmoduls dazu führen, dass ein Ventil, das eigentlich geschlossen sein sollte, fälschlicherweise öffnet und einen Sicherheitsunfall verursacht. E/A-Modulfehler können auch zu zeitweiligen Systemausfällen führen, d. h., der Fehler tritt mal auf, mal nicht, was die Fehlerbehebung erschwert. Ursache hierfür sind meist instabile elektronische Komponenten oder Probleme wie virtuelle Verbindungen in der Verkabelung, die die Fehlersuche und Wartung erheblich erschweren.

2.1.3 Kommunikationsmodulfehler

Das Kommunikationsmodul spielt eine wichtige Rolle im elektrischen SPS-System. Es ist für die Datenübertragung und Kommunikation zwischen der SPS und anderen Geräten oder Systemen verantwortlich. Ein Ausfall des Kommunikationsmoduls beeinträchtigt die Gesamtleistung und die Zusammenarbeitsfähigkeit des Systems erheblich.

Kommunikationsunterbrechungen sind die direkteste Folge eines Ausfalls eines Kommunikationsmoduls. Sie bedeuten, dass der Informationsaustausch zwischen der SPS und anderen Geräten vollständig unterbrochen wird. Kommunikationsunterbrechungen können viele Ursachen haben, häufig sind Schäden am Kommunikationskabel. In Industrieanlagen können Kommunikationskabel durch mechanische Beschädigungen, chemische Korrosion, elektromagnetische Störungen und andere Faktoren beeinträchtigt werden. Wird das Kabel beispielsweise durch schwere Gegenstände gequetscht oder zerkratzt oder ist es längere Zeit einer korrosiven Umgebung ausgesetzt, kann die Isolationsschicht des Kabels beschädigt werden, was die Signalübertragung behindert und zu Kommunikationsunterbrechungen führt. Auch lose Kommunikationsschnittstellen können Kommunikationsunterbrechungen verursachen. Während des Betriebs des Geräts kann sich der Stecker der Kommunikationsschnittstelle aufgrund von Vibrationen und anderen Gründen allmählich lösen, was zu schlechtem Kontakt führt und die Signalübertragung beeinträchtigt.

Nicht übereinstimmende Kommunikationsprotokolle sind ebenfalls eine wichtige Ursache für den Ausfall von Kommunikationsmodulen. Verschiedene Geräte oder Systeme können unterschiedliche Kommunikationsprotokolle verwenden. Stimmen die Kommunikationsprotokolle zwischen der SPS und dem Gerät, mit dem sie kommuniziert, nicht überein, kann keine effektive Kommunikationsverbindung hergestellt werden. In einem Automatisierungssystem mit Geräten verschiedener Hersteller ist eine normale Datenübertragung zwischen der SPS und einem bestimmten Gerät nicht möglich, wenn das Kommunikationsprotokoll zwischen der SPS und einem bestimmten Gerät falsch eingestellt ist. Auch falsche Einstellungen der Kommunikationsparameter beeinträchtigen die normale Kommunikation. Zu den Kommunikationsparametern gehören Baudrate, Datenbit, Stoppbit, Prüfbit usw. Sind diese Parameter falsch eingestellt, können die SPS und andere Geräte die gegenseitig gesendeten Daten nicht korrekt interpretieren, was zu Kommunikationsfehlern führt.

Die Auswirkungen eines Kommunikationsmodulausfalls auf die Systemkommunikation sind vielfältig. Fällt in einem verteilten Steuerungssystem das Kommunikationsmodul der SPS aus, kann diese möglicherweise nicht mehr mit anderen SPS oder dem Hostrechner kommunizieren. Dies beeinträchtigt die Koordinations- und Steuerungsfunktionen des gesamten Systems erheblich. Dies kann dazu führen, dass Daten im Produktionsprozess nicht in Echtzeit an die Leitstelle übermittelt werden können. Manager können die Situation am Produktionsstandort nicht rechtzeitig erfassen und den Produktionsprozess nicht mehr fernsteuern und anpassen. Darüber hinaus kann ein Ausfall des Kommunikationsmoduls zu Datenverlust oder Systemfehlern führen. Kommt es während der Kommunikation zu Störungen oder einem Ausfall des Kommunikationsmoduls, können Daten verloren gehen oder der Code während der Übertragung fehlerhaft sein. Dies beeinträchtigt die Steuerungsgenauigkeit und -zuverlässigkeit des Systems und kann sogar zu Gerätestörungen und Sicherheitsunfällen führen.

2.2 Softwarefehler

2.2.1 Programmfehler

Programmfehler sind ein häufiges und komplexes Problem bei SPS-Softwarefehlern. Es gibt viele Arten von Fehlern, die sich unterschiedlich stark auf den Systembetrieb auswirken.

Logische Fehler sind eine der häufigsten Formen von Programmfehlern und entstehen hauptsächlich durch ein mangelndes Verständnis der Programmierer für die Steuerungslogik oder durch fehlerhaftes Design. Wenn Programmierer in einem komplexen automatisierten Produktionslinien-Steuerungssystem die Aktionssequenz und die logischen Beziehungen zwischen den Geräten falsch gestalten, kann dies zu einem Chaos im Anlagenbetrieb führen. Beispielsweise kann es sein, dass im Steuerungsprogramm eines Montageroboters eine falsche logische Abfolge von Greifen und Ablegen von Teilen die Ablage ausführt, ohne die Teile zu greifen. Dies kann zu Produktionsunterbrechungen und Produktqualitätsproblemen führen. Logische Fehler können sich auch als bedingte Beurteilungsfehler manifestieren. Wenn beispielsweise in einem Temperaturregelsystem die Beurteilungsbedingungen für die obere und untere Temperaturgrenze vertauscht sind und die Temperatur den Normalbereich überschreitet, ergreift das System möglicherweise nicht die richtigen Anpassungsmaßnahmen, was die Stabilität des Produktionsprozesses beeinträchtigt.

Syntaxfehler sind ebenfalls eine wichtige Art von Programmfehlern und werden meist durch mangelnde Vertrautheit des Programmierers mit den Regeln der Programmiersprache verursacht. Beim Schreiben von SPS-Programmen hat jede Programmiersprache ihre eigenen spezifischen Syntaxregeln, wie z. B. das Format von Anweisungen, Art und Umfang von Operanden usw. Verstößt der Programmierer gegen diese Regeln, wird das Programm nicht korrekt kompiliert und ausgeführt. Beispielsweise kann bei der Kontaktplanprogrammierung ein falsch verwendetes Symbol oder ein falsch verwendeter Parameter einer Anweisung die Anweisung nicht erkennen, was zu einem Syntaxfehler führt. Syntaxfehler sind relativ leicht zu finden, da die meisten Programmierprogramme sie beim Kompilieren automatisch erkennen und darauf hinweisen. Bei einigen komplexen Programmen erfordert die Fehlersuche und -behebung jedoch einen gewissen Zeit- und Arbeitsaufwand.

Programmfehler haben vielfältige Auswirkungen auf den Betrieb von SPS-Systemen. Die unmittelbarste Auswirkung besteht darin, dass das System nicht wie erwartet funktioniert und Probleme wie Gerätestörungen und ungenaue Steuerung auftreten können. Dies beeinträchtigt nicht nur die Produktionseffizienz und Produktqualität, sondern kann auch die Sicherheit von Geräten und Personal gefährden. In einigen Steuerungssystemen mit hohen Echtzeitanforderungen können Programmfehler zu Systemreaktionsverzögerungen und einer fehlerhaften rechtzeitigen Verarbeitung externer Ereignisse führen, was schwerwiegende Folgen haben kann. Programmfehler können auch zum Einfrieren oder Absturz des Systems führen. Bei toten Schleifen oder schwerwiegenden logischen Fehlern im Programm kann die CPU der SPS in eine Endlosschleife geraten, andere Aufgaben nicht mehr normal verarbeiten und schließlich zum Einfrieren des Systems führen. Dies erfordert einen Neustart des SPS-Systems und eine umfassende Überprüfung und Reparatur des Programms, um den Normalbetrieb wiederherzustellen, was zweifellos zu erheblichen Produktionsverlusten führt.

2.2.2 Datenverlust

Datenverlust ist ein Problem, das bei SPS-Softwarefehlern nicht ignoriert werden kann. Er kann verschiedene Ursachen haben und den stabilen Betrieb des Systems und des Produktionsprozesses erheblich beeinträchtigen.

Stromausfälle sind eine der häufigsten Ursachen für Datenverlust. In industriellen Produktionsumgebungen ist die Stabilität der Stromversorgung oft schwer zu gewährleisten. Bei einem plötzlichen Stromausfall, einem Spannungsabfall oder einem Ausfall eines Leistungsmoduls kann der Speicher der SPS möglicherweise nicht ordnungsgemäß funktionieren, was zum Verlust der darin gespeicherten Daten führt. Bei einigen SPS-Systemen ohne unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) gehen bei einem Stromausfall die nicht rechtzeitig im nichtflüchtigen Speicher gespeicherten Daten verloren. Selbst wenn eine USV vorhanden ist, kann sie die SPS bei einer anormalen Stromversorgung nicht ausreichend mit Strom versorgen, wenn die USV-Kapazität unzureichend ist oder ausfällt. Dies kann ebenfalls zu Datenverlust führen.

Speicherfehler sind ebenfalls eine wichtige Ursache für Datenverlust. Bei längerem Einsatz der SPS kann der interne Speicher altern, beschädigt werden usw. Beispielsweise können die Speicherzellen eines Flash-Speicherchips durch langfristige Lese- und Schreibvorgänge verschleißen, was die Zuverlässigkeit der Datenspeicherung beeinträchtigt. Bei einer Beschädigung einer Speicherzelle gehen die darin gespeicherten Daten verloren. Darüber hinaus können Faktoren wie statische Elektrizität und elektromagnetische Störungen den Speicher beschädigen und zu Datenverlust führen. In Industrieanlagen mit komplexen elektromagnetischen Umgebungen können elektromagnetische Störungen die Daten im Speicher zerstören, wenn die SPS-Abschirmung nicht vorhanden ist, sodass das System die Daten nicht mehr normal lesen und verwenden kann.

Datenverlust hat gravierende Auswirkungen auf SPS-Systeme. Daten bilden eine wichtige Grundlage für deren Betrieb. Bei Datenverlust kann das System möglicherweise nicht mehr normal gestartet oder betrieben werden. Bei Systemen, die auf historischen Daten basieren, wie z. B. Prozessleitsystemen, kann ein Datenverlust dazu führen, dass der aktuelle Produktionsstatus nicht mehr präzise beurteilt und keine korrekten Steuerungsentscheidungen getroffen werden können. Dies kann zu Störungen im Produktionsprozess führen, wie z. B. instabiler Produktqualität und verminderter Produktionseffizienz. In einigen Branchen, die Produktionsdaten zur Erfüllung der Anforderungen an Qualitätsrückverfolgbarkeit und -management aufzeichnen müssen, kann Datenverlust zudem Compliance-Risiken für das Unternehmen mit sich bringen. Kann ein Unternehmen keine vollständigen Produktionsdatensätze vorlegen, drohen ihm möglicherweise Strafen der Aufsichtsbehörden, die seinen Ruf und den normalen Geschäftsbetrieb gefährden.

Um verlorene Daten wiederherzustellen, versuchen Sie zunächst, die Ursache des Datenverlusts so genau wie möglich zu ermitteln. Ist der Datenverlust durch einen Stromausfall verursacht worden, prüfen Sie nach Wiederherstellung der Stromversorgung, ob Sicherungsdaten vorhanden sind. Viele SPS-Systeme unterstützen Datensicherungsfunktionen, mit denen Daten regelmäßig auf externen Speichermedien wie Speicherkarten oder Festplatten gesichert werden können. Sind Sicherungsdaten vorhanden, können diese im Speicher der SPS wiederhergestellt werden, um den normalen Systembetrieb wiederherzustellen. Ist der Datenverlust durch einen Speicherfehler verursacht worden, muss das defekte Speichermodul ausgetauscht werden. Nach dem Austausch des Speichermoduls müssen die Daten ebenfalls aus der Sicherung wiederhergestellt werden. Sind keine Sicherungsdaten vorhanden, kann die Wiederherstellung der verlorenen Daten sehr schwierig oder sogar unmöglich sein. In diesem Fall kann eine Neukonfiguration der Systemparameter und die Erstellung von Programmen erforderlich sein, was viel Zeit und Personal kostet. Um die schwerwiegenden Folgen eines Datenverlusts zu vermeiden, ist eine regelmäßige Datensicherung daher eine sehr wichtige Maßnahme. Unternehmen sollten eine umfassende Datensicherungsstrategie entwickeln und dabei das Zeitintervall, die Sicherungsmethode und den Speicherort der Sicherung usw. klären, um sicherzustellen, dass Daten bei Verlust schnell wiederhergestellt werden können und die Auswirkungen auf die Produktion so gering wie möglich gehalten werden.

2.3 Externer Gerätefehler

2.3.1 Sensorfehler

Sensoren sind wichtige Geräte zur Erfassung externer Informationen in SPS-Elektrosystemen. Ihr Ausfall beeinträchtigt die Echtzeitüberwachung und die präzise Steuerung des Produktionsprozesses erheblich. Sensorausfälle können viele Ursachen haben, vor allem physische Schäden. In industriellen Produktionsstätten können Sensoren durch raue Umgebungsfaktoren wie Stöße, Vibrationen, hohe Temperaturen und Feuchtigkeit beeinträchtigt werden, wodurch ihre empfindlichen Komponenten oder Schaltkreise beschädigt werden. Beispielsweise können Näherungssensoren zur Positionsbestimmung von Erzen in rauen Umgebungen wie dem Bergbau durch häufige Vibrationen und Kollisionen beschädigt werden und keine Signale mehr ausgeben.

Störungen sind ebenfalls ein wichtiger Faktor für Sensorausfälle. In industriellen Umgebungen gibt es zahlreiche elektromagnetische Störquellen, beispielsweise elektromagnetische Felder, die während des Betriebs von großen Motoren, Transformatoren und anderen Geräten erzeugt werden. Diese Störungen können die Signalübertragung des Sensors beeinträchtigen und zu Signalverzerrungen oder -verlusten führen. Bei unzureichender Abschirmung des Sensors können externe elektromagnetische Störungen in die Signalübertragungsleitung des Sensors eindringen. Dies führt zu Abweichungen im von der SPS empfangenen Signal und macht eine genaue Beurteilung des tatsächlichen Werts der externen physikalischen Größe unmöglich.

Sensorausfälle haben erhebliche Auswirkungen auf die Systemsteuerung. In automatisierten Produktionslinien erfassen Sensoren Position, Größe, Temperatur und weitere Parameter von Werkstücken und bilden so die Steuerungsgrundlage für die SPS. Fällt ein Sensor aus, kann die SPS falsche oder fehlende Signale empfangen, was zu fehlerhaften Steuerungsentscheidungen führt. In automatisierten Montagesystemen mit SPS-Steuerung dient der Positionssensor zur Positionserkennung von Teilen. Fällt der Sensor aus, kann die SPS möglicherweise nicht genau bestimmen, ob die Teile die vorgesehene Position erreicht haben. Dadurch führt der Montageroboter Montagevorgänge an der falschen Stelle aus. Dies kann zu Qualitätsproblemen oder sogar zu Geräteschäden führen.

2.3.2 Stellgliedausfall

Der Aktuator ist das letzte ausführende Gerät zur Umsetzung von Steueranweisungen im elektrischen SPS-System. Ein Ausfall führt unmittelbar dazu, dass das System den Produktionsprozess nicht wie erwartet steuern kann. Aktuatorausfälle können sich in verschiedenen Formen äußern, wobei Untätigkeit eine der häufigsten ist. Ursachen können ein Fehler im Antriebskreis des Aktuators, eine fehlerhafte Übertragung des Steuersignals an den Aktuator oder ein Feststecken der mechanischen Teile im Aktuator sein. Ist in einem System zur Steuerung des Öffnens und Schließens eines Ventils der Antriebskreis des Magnetventils beschädigt, kann sich das Magnetventil selbst dann nicht bewegen, wenn die SPS ein Steuersignal zum Öffnen des Ventils sendet. Dadurch kann die Flüssigkeit nicht normal zirkulieren.

Abnormale Bewegungen sind ebenfalls häufige Anzeichen für Aktuatorfehler, wie z. B. instabile Aktuatorbewegungen, abnormale Geschwindigkeit, unzureichende Kraft usw. Diese Probleme können durch eine instabile Stromversorgung des Aktuators, falsche Einstellungen der Steuerparameter oder Verschleiß mechanischer Teile usw. verursacht werden. Bei einem motorgetriebenen Roboterarmsystem kann eine stark schwankende Versorgungsspannung des Motors zu einer instabilen Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarms führen und so die Produktionsgenauigkeit und -effizienz beeinträchtigen. Darüber hinaus kann starker Verschleiß mechanischer Aktuatorteile wie Zahnräder und Ketten zu Störungen wie Blockieren und Zittern bei der Bewegung des Aktuators führen.

Bei der Fehlersuche an einem Aktuator prüfen Sie zunächst, ob das Steuersignal ordnungsgemäß an den Aktuator übertragen wird. Mit einem Oszilloskop oder anderen Werkzeugen können Sie die Wellenform und Amplitude des Steuersignals erfassen und feststellen, ob es den Anforderungen entspricht. Ist das Steuersignal normal, prüfen Sie, ob die Stromversorgung des Aktuators stabil ist und die Versorgungsspannung im Normbereich liegt. Prüfen Sie mechanische Teile auf Verschleiß, Verklemmungen usw. und zerlegen und reparieren Sie diese gegebenenfalls. Lösungen für Aktuatorfehler umfassen die Reparatur oder den Austausch beschädigter Antriebsschaltungen, die Anpassung der Steuerparameter, die Reparatur oder den Austausch verschlissener mechanischer Teile usw. Achten Sie beim Austausch von Aktuatorteilen darauf, dass Modell und Spezifikationen der neuen Teile mit den Originalteilen übereinstimmen, um den normalen Betrieb des Aktuators zu gewährleisten.

3. Methoden und Techniken zur Fehlerbehebung

3.1 Symptombasierte Fehlerbehebung

3.1.1 Beobachtungsmethode

Beobachtung ist die einfachste und intuitivste Methode zur Fehlersuche. Durch sorgfältige Beobachtung aller Aspekte des elektrischen SPS-Systems lassen sich viele offensichtliche Fehleranzeichen schnell erkennen und wichtige Hinweise für eine eingehendere Fehlersuche liefern.

Die Systemkontrollleuchte ist ein wichtiges Fenster, das den Betriebszustand des SPS-Systems anzeigt. Die Betriebskontrollleuchte zeigt direkt den Betriebszustand des Leistungsmoduls an. Normalerweise sollte sie dauerhaft leuchten und die Farbe sollte konstant sein. Wenn die Betriebskontrollleuchte aus ist, ist das Leistungsmodul möglicherweise nicht richtig an die Stromversorgung angeschlossen. Überprüfen Sie, ob das Netzkabel lose oder abgezogen ist oder ob der Netzstecker beschädigt ist. Blinkt die Kontrollleuchte, kann dies auf eine instabile Versorgungsspannung hinweisen. Messen Sie in diesem Fall die Versorgungsspannung mit einem Multimeter oder einem anderen Messgerät, um festzustellen, ob sie im Normalbereich liegt. Ist die Spannung anormal, kann dies auf zu starke Netzspannungsschwankungen oder einen Defekt des Leistungsmoduls hinweisen, der einer weiteren Untersuchung bedarf.

Der Status der Betriebsanzeige zeigt an, ob die SPS ordnungsgemäß funktioniert. Im Normalbetrieb blinkt die Anzeige mit einer bestimmten Frequenz und zeigt damit an, dass die SPS das Anwenderprogramm ausführt und Datenverarbeitungs- und Steuerungsvorgänge durchführt. Wenn die Betriebsanzeige nicht mehr blinkt oder dauerhaft leuchtet, liegt möglicherweise ein Programmfehler, ein Hardwarefehler oder ein Einfrieren der SPS vor. Zu diesem Zeitpunkt ist zu prüfen, ob das Programm logische Fehler, tote Schleifen oder andere Probleme aufweist und ob die Hardware ordnungsgemäß funktioniert, z. B. ob das CPU-Modul überhitzt oder beschädigt ist.

Das Aufleuchten der Fehleranzeige signalisiert einen Systemfehler. Unterschiedliche Fehlerarten können unterschiedlichen Anzeigefarben oder Blinkmustern entsprechen. Beispielsweise leuchtet die Fehleranzeige mancher SPSen dauerhaft rot, was auf einen schwerwiegenden Fehler hinweist, der möglicherweise einen Hardwareschaden zur Folge hat. Gelbes Blinken hingegen kann auf einen allgemeinen Fehler hinweisen, wie z. B. eine abnormale Kommunikation, Ein- und Ausgabefehler usw. Der Techniker sollte den Status der Fehleranzeige sorgfältig beobachten und im SPS-Benutzerhandbuch nachschlagen, um die genaue Fehlerursache zu ermitteln.

Der Betriebszustand des Geräts ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil der Beobachtungsmethode. Beobachten Sie den Motorbetrieb. Normalerweise sollte der Motor ruhig, mit gleichmäßiger Drehzahl und ohne ungewöhnliche Vibrationen oder Geräusche laufen. Ungewöhnliche Motorvibrationen können auf Schäden am Motorlager, einen unausgeglichenen Rotor oder Probleme mit der Verbindung zwischen Motor und Last zurückzuführen sein. Ungewöhnliche Motorgeräusche, wie z. B. schrilles Kreischen oder übermäßiges Summen, können auf Phasenmangel, Wicklungskurzschluss oder starken Verschleiß mechanischer Teile zurückzuführen sein. Achten Sie bei der Motorprüfung auch auf zu hohe Motortemperaturen. Überhitzte Motoren können durch Überlastung, schlechte Wärmeableitung und andere Probleme verursacht werden.

Der Öffnungs- und Schließzustand des Ventils ist ebenfalls entscheidend für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems. Im automatisierten Produktionsprozess beeinflusst die korrekte Ventilfunktion direkt die Flüssigkeitszufuhr und den Prozessverlauf. Lässt sich das Ventil nicht normal öffnen oder schließen, liegt dies möglicherweise an einem Defekt des Ventilantriebs, z. B. einem Defekt des Magnetventils oder einer Undichtigkeit des pneumatischen Antriebs. Auch eine fehlerhafte Übertragung des Steuersignals an das Ventil kann die Ursache sein. In diesem Fall ist zu prüfen, ob die Verkabelung lose ist und das Steuermodul ordnungsgemäß funktioniert. Außerdem ist zu beobachten, ob das Ventil während des Öffnungs- und Schließvorgangs klemmt oder undicht ist. Solche Probleme können die Arbeitseffizienz und Produktqualität des Systems beeinträchtigen und sogar zu Sicherheitsunfällen führen.

Bei der Beobachtung der Systemkontrollleuchten und des Gerätebetriebszustands sollte eine umfassende Inspektion in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden, um wichtige Informationen nicht zu übersehen. Gleichzeitig sollten die beobachteten Phänomene in Kombination mit dem Funktionsprinzip und den Prozessanforderungen des Systems umfassend analysiert werden, um die Fehlerursache genau zu ermitteln. Wenn beispielsweise in einem chemischen Produktionsprozess festgestellt wird, dass das Zulaufventil eines Reaktors nicht geöffnet werden kann und die entsprechende Kontrollleuchte des SPS-Ausgangsmoduls nicht leuchtet, müssen nicht nur der Ventilantrieb und die Verkabelung überprüft werden, sondern auch, ob im SPS-Programm ein Fehler in der Steuerlogik des Ventils vorliegt und ob die entsprechenden Sensoren ordnungsgemäß funktionieren. Ein Sensorausfall kann dazu führen, dass die SPS ein fehlerhaftes Steuersignal sendet. Durch diese sorgfältige Beobachtung und Analyse können die Effizienz und Genauigkeit der Fehlersuche verbessert und Fehler im elektrischen SPS-System schnell behoben werden.

3.1.2 Messverfahren

Bei der Messmethode werden professionelle Werkzeuge verwendet, um die elektrischen Parameter im SPS-System präzise zu messen. Durch Vergleich mit dem normalen Parameterbereich lässt sich feststellen, ob im System ein Fehler vorliegt und wo genau dieser liegt. Multimeter und Oszilloskope sind zwei häufig verwendete Werkzeuge bei der Messmethode und spielen bei verschiedenen Arten der Fehlersuche eine wichtige Rolle.

Ein Multimeter ist ein multifunktionales, tragbares elektrisches Messgerät, mit dem sich verschiedene elektrische Parameter wie Spannung, Stromstärke und Widerstand messen lassen. Die Spannungsmessfunktion des Multimeters ist besonders wichtig bei der Fehlersuche nach Stromausfällen. Stellen Sie den Messbereich des Multimeters auf den entsprechenden Spannungsbereich ein und messen Sie die Eingangsspannung des SPS-Leistungsmoduls. Normalerweise sollte die Eingangsspannung innerhalb des vom Stromnetz vorgegebenen Spannungsbereichs liegen, z. B. 380 V dreiphasig oder 220 V einphasig. Weicht der Messwert stark vom Sollwert ab, kann dies auf ein Problem mit der Stromversorgung im Stromnetz hindeuten. Beispielsweise können Spannungsschwankungen den zulässigen Bereich überschreiten oder die Stromleitung einen schlechten Kontakt und einen zu hohen Widerstand aufweisen. Überprüfen Sie daher die verschiedenen Anschlusspunkte der Stromleitung und messen Sie den Leitungswiderstand mit dem Widerstandsbereich des Multimeters. Ein zu hoher Widerstandswert deutet auf ein Problem mit der Leitung hin und erfordert eine Reparatur oder einen Austausch.

Die Messung der Ausgangsspannung des Leistungsmoduls ist ebenfalls wichtig, um die ordnungsgemäße Funktion des Netzteils zu überprüfen. Schließen Sie ein Multimeter an den Ausgangsanschluss des Leistungsmoduls an und prüfen Sie, ob die Ausgangsspannung den Anforderungen der SPS entspricht. Verschiedene SPS-Modelle haben unterschiedliche Anforderungen an die Ausgangsspannung des Netzteils, in der Regel 24 V, 12 V usw. Wenn die Ausgangsspannung anormal hoch oder zu niedrig ist, kann dies auf einen Defekt der Spannungsstabilisierungsschaltung im Leistungsmodul hinweisen. Das Leistungsmodul muss dann überprüft und repariert werden. Manchmal ist die Welligkeit der Ausgangsspannung des Leistungsmoduls zu groß, was den normalen Betrieb der SPS beeinträchtigt. In diesem Fall kann die Spannungswelligkeit mit einem Oszilloskop gemessen werden. Überschreitet die Welligkeit den zulässigen Bereich, muss das Leistungsmodul ebenfalls überprüft werden.

Bei der Fehlersuche in den Ein- und Ausgangsmodulen kann die Widerstandsmessfunktion des Multimeters genutzt werden, um lose Verkabelungen festzustellen. Stellen Sie das Multimeter auf den Widerstandsbereich ein und messen Sie den Widerstand zwischen den Ein- und Ausgangsanschlüssen und dem entsprechenden Gerät. Normalerweise liegt der Widerstand nahe Null, was auf eine einwandfreie Verkabelung und eine reibungslose Signalübertragung hinweist. Ein unendlicher oder hoher Widerstandswert deutet auf einen offenen Stromkreis oder einen schlechten Kontakt in der Verkabelung hin. Prüfen Sie sorgfältig, ob die Anschlussklemmen lose, oxidiert oder beschädigt sind. Ziehen Sie lose Klemmen nach, reinigen Sie oxidierte Klemmen und ersetzen Sie beschädigte Kabel.

Mit dem Multimeter lässt sich auch der Widerstandswert von Sensoren und Aktoren messen, um deren ordnungsgemäße Funktion festzustellen. Verschiedene Sensor- und Aktortypen weisen unterschiedliche Widerstandseigenschaften auf. Unter normalen Betriebsbedingungen sollten ihre Widerstandswerte innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Beispielsweise ändert sich der Widerstandswert eines Thermistor-Temperatursensors mit der Temperatur. Durch Messung des Widerstandswerts bei unterschiedlichen Temperaturen und Vergleich mit der Sensorkennlinie lässt sich feststellen, ob der Sensor normal funktioniert. Weicht der Messwert deutlich vom Standardwert ab, ist der Sensor möglicherweise defekt und muss ausgetauscht werden.

Das Oszilloskop zeigt Wellenform, Frequenz, Amplitude und weitere Informationen des Signals intuitiv an, was bei der Behebung von Signalübertragungsfehlern eine wichtige Rolle spielt. Um die Wellenform der Eingangs- und Ausgangssignale zu erfassen, schließen Sie die Sonde des Oszilloskops an die entsprechende Signalleitung an und beobachten Sie die auf dem Oszilloskop-Bildschirm angezeigte Wellenform. Die normale Wellenform des Eingangssignals sollte den Ausgangseigenschaften des Sensors entsprechen. Beispielsweise sollte das Ausgangssignal eines Näherungssensors bei Objekterkennung einen deutlichen Pegelwechsel aufweisen und ein stabiles Impulssignal darstellen. Ist die Wellenform des Eingangssignals verzerrt, gestört oder weist sie gar kein Signal auf, liegt ein Problem bei der Signalübertragung vor. Möglich ist ein Fehler des Sensors selbst, beispielsweise eine Beschädigung der internen Komponenten, die zu anormalen Ausgangssignalen führt; auch elektromagnetische Störungen auf der Signalübertragungsleitung können auftreten. Prüfen Sie daher, ob die Leitung ausreichend abgeschirmt ist und ob sie parallel zur Starkstromleitung verläuft.

Auch bei Ausgangssignalen kann ein Oszilloskop helfen, deren Normalität zu bestimmen. Die Wellenform des Ausgangssignals sollte mit dem vom SPS-Programm eingestellten Steuersignal übereinstimmen. Beispielsweise sollte beim Ausgangssignal, das den Start und Stopp des Motors steuert, beim Starten des Motors ein High-Pegel-Signal ausgegeben werden, dessen Wellenform ein stabiler High-Pegel-Impuls sein sollte; beim Stoppen des Motors sollte ein Low-Pegel-Signal ausgegeben werden. Entspricht die Wellenform des Ausgangssignals nicht den Erwartungen, kann dies an einem Defekt des SPS-Ausgangsmoduls oder einem Programmlogikfehler liegen, der das Ausgangssignal anormal macht. An dieser Stelle ist es notwendig, den Betriebszustand des Ausgangsmoduls weiter zu überprüfen, die Programmlogik mithilfe der Programmiersoftware anzuzeigen, das Problem zu ermitteln und zu beheben.

Oszilloskope können auch zur Messung von Signalfrequenz und -amplitude eingesetzt werden. In einigen Steuerungssystemen mit strengen Anforderungen an Signalfrequenz und -amplitude, wie z. B. Hochgeschwindigkeitszählsystemen oder analogen Steuerungen, können Frequenz und Amplitude des Signals mit einem Oszilloskop gemessen und mit den Systemanforderungen verglichen werden, um die ordnungsgemäße Funktion des Systems zu ermitteln. Überschreitet die Signalfrequenz oder -amplitude den zulässigen Bereich, kann dies zu ungenauen Systemsteuerungen oder sogar zu Funktionsstörungen führen. Beispielsweise wird in einem analogen Temperaturregelungssystem das vom Temperatursensor ausgegebene analoge Signal von einem Transmitter in ein Standardspannungssignal umgewandelt und anschließend in das analoge Eingangsmodul der SPS eingespeist. Messen Sie die Amplitude des Spannungssignals mit einem Oszilloskop. Weicht die Amplitude stark vom der tatsächlichen Temperatur entsprechenden Spannungswert ab, ist der Sensor oder Transmitter möglicherweise defekt und muss kalibriert oder ausgetauscht werden.

3.2 Toolbasierte Fehlerbehebungstechniken

3.2.1 Diagnosefunktion der SPS-Programmiersoftware

Als wichtiges Werkzeug für die Interaktion mit der SPS bietet die SPS-Programmiersoftware mit ihrer integrierten Diagnosefunktion umfassende Unterstützung bei der Fehlersuche. Dank dieser Funktion können Techniker den Betriebszustand des Systems genau verstehen und detaillierte Fehlerinformationen abrufen, um Probleme schnell zu lokalisieren und zu beheben.

Die meisten SPS-Programmierprogramme überwachen den Betriebszustand des Systems in Echtzeit. Im Normalbetrieb können Techniker den Ein- und Ausgangsstatus der SPS über die Programmiersoftware einsehen und intuitiv erkennen, ob jeder Eingangspunkt das externe Signal korrekt empfängt und der Ausgangspunkt das entsprechende Steuersignal gemäß der Programmlogik ausgibt. In einer automatisierten Produktionslinie stellte die Überwachung der Programmiersoftware fest, dass die Kontrollleuchte eines bestimmten Eingangspunkts nicht leuchtete und der Feldsensor ein Objekt erkannte. Dies deutete auf ein mögliches Problem bei der Signalübertragung am Eingangspunkt hin und erforderte eine weitere Überprüfung, um festzustellen, ob die Verkabelung oder das Eingangsmodul defekt war. Die Programmiersoftware kann außerdem Informationen wie den Registerwert der SPS sowie den aktuellen Status von Timer und Zähler in Echtzeit anzeigen. Anhand dieser Informationen können Techniker feststellen, ob das Programm normal ausgeführt wird und ob logische Fehler vorliegen. Entspricht beispielsweise der Zeitwert des Timers nicht den Erwartungen, kann dies daran liegen, dass der Timer im Programm falsch eingestellt oder selbst defekt ist.

Bei einem Ausfall eines SPS-Systems liefert die Programmiersoftware detaillierte Fehlerinformationen. Diese Informationen werden üblicherweise in Form von Fehlercodes, Alarmen oder Fehlermeldungen dargestellt. Unterschiedliche Fehlerarten entsprechen unterschiedlichen Fehlercodes. Techniker können die genaue Bedeutung der einzelnen Fehlercodes im SPS-Benutzerhandbuch oder in der Hilfedokumentation der Programmiersoftware nachschlagen und so schnell den ungefähren Umfang des Fehlers ermitteln. Zeigt der Fehlercode „Kommunikations-Timeout“ an, liegt ein Problem mit der Kommunikation zwischen der SPS und anderen Geräten vor. Dies kann durch ein beschädigtes Kommunikationskabel, eine lose Kommunikationsschnittstelle oder falsche Kommunikationsparametereinstellungen verursacht werden. Die Programmiersoftware zeichnet zudem Zeitpunkt, Ablauf und zugehörige Betriebsdaten des Fehlers auf. Diese Verlaufsdaten sind für die Analyse der Fehlerursache und des Fehlerverlaufs von großem Wert. Bei der Behebung zeitweiliger Fehler können Techniker durch die Anzeige der Fehlerverlaufsdaten das Fehlermuster erkennen und so gezielter Fehler beheben.

Wenn Sie die Diagnosefunktion der Programmiersoftware zur Fehlersuche verwenden, stellen Sie zunächst sicher, dass die Kommunikation zwischen der Programmiersoftware und der SPS einwandfrei funktioniert. Dazu müssen Sie das Programmierkabel korrekt anschließen und die Kommunikationsparameter wie Baudrate und Kommunikationsprotokoll in der Programmiersoftware einstellen. Öffnen Sie nach erfolgreicher Verbindung die Diagnoseoberfläche der Programmiersoftware und prüfen Sie sorgfältig den Systembetriebsstatus und die Fehlerinformationen. Bei komplexen Fehlern kann es erforderlich sein, Informationen aus verschiedenen Bereichen für eine umfassende Analyse zu kombinieren. Wenn beispielsweise ein Eingangssignal anormal ist und gleichzeitig ein Programmfehler auftritt, muss der Techniker zunächst prüfen, ob Eingangsmodul und Verkabelung in Ordnung sind, den Hardwarefehler beheben und anschließend die Programmlogik gründlich analysieren, um festzustellen, ob eine fehlerhafte Verarbeitung des Eingangssignals vorliegt. Achten Sie bei der Fehlersuche darauf, die Fehlerinformationen und zugehörigen Betriebsdaten für weitere Analysen und eine Erfahrungszusammenfassung zu speichern.

3.2.2 Anwendung des Fehlerdiagnoseinstruments

Das Fehlerdiagnosegerät ist ein professionelles Gerät, das speziell zur Erkennung von Fehlern in elektrischen SPS-Systemen eingesetzt wird. Es kann den Fehlerpunkt schnell und präzise lokalisieren und so die Effizienz und Genauigkeit der Fehlererkennung erheblich verbessern. Das Fehlerdiagnosegerät verfügt über mehrere Funktionen und kann die Erkennungsanforderungen verschiedener Fehlerarten erfüllen.

Das Fehlerdiagnosegerät kann die SPS-Hardware umfassend prüfen. Es erkennt, ob die Ausgangsspannung des Leistungsmoduls stabil ist und im normalen Betriebsbereich liegt. Wird die Ausgangsspannung des Leistungsmoduls gemessen und eine zu hohe oder zu niedrige Spannung festgestellt, kann dies auf einen Defekt der Spannungsstabilisierungsschaltung im Leistungsmodul hinweisen, die rechtzeitig repariert oder ausgetauscht werden muss. Das Fehlerdiagnosegerät kann auch die elektrische Leistung der Ein- und Ausgangsmodule, einschließlich der Leitfähigkeit und des Isolationswiderstands der Ein- und Ausgangspunkte, prüfen. Ist der Isolationswiderstand eines bestimmten Ein- und Ausgangspunkts zu niedrig, besteht Kurzschlussgefahr. In diesem Fall muss geprüft werden, ob Probleme mit der Verkabelung und den zugehörigen Geräten vorliegen. Darüber hinaus kann das Fehlerdiagnosegerät auch andere Hardwarekomponenten wie das CPU-Modul und das Kommunikationsmodul auf ihre ordnungsgemäße Funktion prüfen. Beispielsweise lässt sich durch die Erkennung des Kommunikationschips und der zugehörigen Schaltkreise des Kommunikationsmoduls feststellen, ob der Kommunikationsfehler auf einen Hardwareschaden zurückzuführen ist.

Das Fehlerdiagnosegerät kann auch die SPS-Software erkennen und analysieren. Es liest die in der SPS gespeicherten Programme und Daten, um sie auf logische Fehler, Syntaxfehler und andere Probleme zu prüfen. Anschließend führt das Fehlerdiagnosegerät eine Syntaxprüfung durch und weist auf Syntaxfehler wie falsches Befehlsformat oder nicht übereinstimmende Operandentypen hin. Das Fehlerdiagnosegerät analysiert außerdem die Programmlogik und prüft, ob Probleme wie tote Schleifen und logische Konflikte vorliegen. In einem komplexen Automatisierungssystem kann eine tote Schleife dazu führen, dass die SPS andere Aufgaben möglicherweise nicht normal ausführen kann. Mithilfe der Logikanalysefunktion des Fehlerdiagnosegeräts lassen sich solche Probleme schnell erkennen und beheben. Das Fehlerdiagnosegerät erkennt außerdem, ob die Daten im Programm korrekt sind, z. B. ob die Variablenzuweisung sinnvoll ist oder ob Fehler bei der Datenspeicherung vorliegen.

Bei der Verwendung des Fehlerdiagnosegeräts sollten Sie zunächst das passende Gerät entsprechend dem Modell und den Spezifikationen der SPS auswählen und die Kompatibilität sicherstellen. Schließen Sie das Fehlerdiagnosegerät ordnungsgemäß an die SPS an und bedienen Sie es gemäß der Bedienungsanleitung. Wählen Sie bei der Hardwareerkennung die entsprechende Funktion. Das Gerät scannt und erkennt die Hardware der SPS automatisch und zeigt die Ergebnisse auf dem Bildschirm an. Zum erkannten Fehlerpunkt liefert das Gerät detaillierte Informationen, z. B. zu Fehlerart und -ort. Wählen Sie bei der Softwareerkennung ebenfalls die entsprechende Funktion. Das Gerät liest das Programm und die Daten der SPS, analysiert und diagnostiziert die Fehler. Anhand der Diagnoseergebnisse können Techniker entsprechende Reparaturmaßnahmen ergreifen, z. B. Programmfehler beheben oder fehlerhafte Hardware austauschen. Beachten Sie bei der Verwendung des Fehlerdiagnosegeräts die Betriebsanweisungen, um Geräteschäden durch Fehlbedienung zu vermeiden. Gleichzeitig sollte das Fehlerdiagnosegerät regelmäßig kalibriert und gewartet werden, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit seiner Erkennungsergebnisse zu gewährleisten.

3.3 Systematischer Fehlerbehebungsprozess

3.3.1 Fehlerumfang ermitteln

Bei einem Fehler im elektrischen SPS-System ist die genaue Bestimmung des Fehlerumfangs der erste Schritt zur effektiven Fehlerbehebung. Dazu müssen Techniker das Fehlerphänomen umfassend und detailliert beobachten und analysieren und den möglichen Fehlerbereich anhand des Funktionsprinzips und der strukturellen Merkmale des Systems schrittweise eingrenzen.

Bei einem Systemausfall ist zunächst die Fehlerursache zu beobachten: das gesamte System läuft nicht mehr, einzelne Funktionen sind ausgefallen oder es treten zeitweise Störungen auf. Stillsteht das gesamte System plötzlich und erlöschen alle Kontrollleuchten, liegt der Fehler wahrscheinlich in der Stromversorgung. Es ist wichtig, das Leistungsmodul, das Netzkabel und die zugehörigen Leitungen auf Probleme wie Kurzschlüsse, Unterbrechungen oder Spannungsschwankungen zu überprüfen. Funktionieren nur einzelne Geräte nicht ordnungsgemäß, z. B. reagieren die Geräte mehrerer Ein- oder Ausgänge nicht, konzentriert sich die Untersuchung auf die Ein- und Ausgangsmodule, die Verkabelung und die zugehörigen externen Geräte. Lässt sich in einer automatisierten Produktionslinie der Motor einer Station nicht starten, während die Motoren anderer Stationen normal laufen, müssen das Ausgangsmodul, die Anschlussklemmen, der Motor selbst und die zugehörigen Steuerkreise auf lose Leitungen, Modulfehler oder Motorschäden überprüft werden.

Die Analyse des Zeitpunkts und der Bedingungen des Fehlers kann ebenfalls zur Bestimmung des Fehlerumfangs beitragen. Tritt der Fehler unmittelbar nach dem Gerätestart auf, kann er mit dem Initialisierungsprozess des Systems, der Startschaltung oder zugehörigen Hardwarekomponenten zusammenhängen. Wird beispielsweise beim Einschalten der SPS ein Speicherfehler angezeigt, liegt das Problem möglicherweise am Speichermodul der SPS. Es ist zu prüfen, ob der Speicher beschädigt ist, einen schlechten Kontakt aufweist oder ein Problem mit der Programmspeicherung vorliegt. Tritt der Fehler erst nach längerem Systembetrieb auf, kann er durch Faktoren wie Geräteüberhitzung, Komponentenalterung und elektromagnetische Störungen verursacht werden. Kommt es im Sommer bei hohen Temperaturen häufig zu Kommunikationsunterbrechungen im SPS-System, kann dies auf eine Überhitzung des Kommunikationsmoduls und damit auf eine Leistungsminderung zurückzuführen sein. In diesem Fall ist die Wärmeableitung des Kommunikationsmoduls zu prüfen und festzustellen, ob sich in der Umgebung eine heiße Wärmequelle befindet.

Auch die Kenntnis des aktuellen Betriebs- und Wartungszustands des Systems kann wichtige Hinweise zur Bestimmung des Fehlerausmaßes liefern. Tritt der Fehler kurz nach einem Software-Upgrade oder einem Hardware-Austausch auf, ist die neu installierte Software oder Hardware wahrscheinlich die Fehlerursache. Nach dem Austausch eines neuen Eingangsmoduls weist das System instabile Eingangssignale auf. Zu diesem Zeitpunkt ist zu prüfen, ob das neue Modul korrekt installiert ist, die Verkabelung stabil ist und ob Qualitätsprobleme am Modul selbst vorliegen. Durch eine umfassende Analyse des Fehlerphänomens, des Zeitpunkts des Auftretens, der Bedingungen sowie des aktuellen Betriebs- und Wartungszustands lässt sich das Fehlerausmaß genauer bestimmen und so eine solide Grundlage für die anschließende Fehlersuche schaffen.

3.3.2 Schrittweise Untersuchung und Überprüfung

Nachdem der Umfang des Fehlers ermittelt wurde, besteht der nächste Schritt darin, den Fehler Schritt für Schritt in einer bestimmten Reihenfolge zu beheben und die tatsächliche Fehlerursache durch Überprüfung zu ermitteln. Dieser Prozess erfordert von den Technikern strenges logisches Denken und umfassende praktische Erfahrung, um sicherzustellen, dass der Fehlerpunkt effizient und präzise gefunden und behoben werden kann.

Beginnen Sie die Fehlersuche zunächst mit dem Teil, der am einfachsten zu prüfen und zu beurteilen ist. Bei Hardwarefehlern prüfen Sie in der Regel zuerst externe Geräte und die Verkabelung. Wie bereits erwähnt, sind lose Verkabelungen eine der häufigsten Ursachen für Ausfälle in elektrischen SPS-Systemen. Prüfen Sie daher sorgfältig alle relevanten Anschlüsse auf festen Sitz und stellen Sie sicher, dass sie nicht lose, oxidiert oder korrodiert sind. Prüfen Sie externe Geräte wie Sensoren und Aktoren auf Beschädigungen oder Verformungen und messen Sie deren elektrische Parameter mit Messgeräten wie Multimetern, um festzustellen, ob sie normal sind. Wenn bei der Überprüfung eines Temperaturregelsystems die Temperaturanzeige anormal ist, prüfen Sie zunächst, ob die Verkabelung des Temperatursensors lose ist. Messen Sie anschließend mit einem Multimeter, ob der Widerstandswert des Sensors im Normbereich liegt. Sind Sensorverkabelung und Widerstandswert in Ordnung, prüfen Sie anschließend, ob die Signalleitung zwischen Sensor und SPS unterbrochen oder kurzgeschlossen ist.

Bei der Fehlersuche an Ein- und Ausgangsmodulen können Sie die Diagnosefunktion der SPS-Programmiersoftware nutzen, um die Statusinformationen der Ein- und Ausgangspunkte einzusehen. Die Programmiersoftware zeigt Ihnen intuitiv, welche Eingänge Signaleingänge und welche Ausgänge Signaleausgänge haben, und stellt so fest, ob die Ein- und Ausgangsmodule ordnungsgemäß funktionieren. Liegt an einem bestimmten Eingangspunkt kein Signaleingang an, der Feldsensor jedoch ein Objekt erkannt hat, ist der Eingangspunkt möglicherweise defekt. Vergleichen Sie den Eingangspunkt mit anderen normalen Eingangspunkten, um zu prüfen, ob die Verdrahtung identisch ist. Ist die Verdrahtung korrekt, sind möglicherweise die elektronischen Komponenten im Eingangsmodul beschädigt, sodass eine weitere Überprüfung oder ein Austausch des Eingangsmoduls erforderlich ist.

Bei Softwarefehlern prüfen Sie zunächst das Programm auf logische Fehler. Verwenden Sie die Programmiersoftware, um das Programm Zeile für Zeile auf bedingte Beurteilungsfehler, logische Konflikte oder tote Schleifen zu prüfen. Wenn in einem komplexen automatisierten Produktionsliniensteuerungssystem die Betriebsabläufe der Geräte durcheinander geraten, liegt möglicherweise ein Fehler im logischen Steuerungsteil des Programms vor. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, die Aktionssequenz und die logischen Beziehungen zwischen den verschiedenen Geräten im Programm sorgfältig zu analysieren, um den Fehler zu ermitteln und zu beheben. Sie können das Programm auch Schritt für Schritt debuggen und die Änderungen der Variablenwerte während der Programmausführung beobachten, um die Fehlerursache genauer zu bestimmen.

Bei der Fehlersuche muss jeder Schritt überprüft werden, um sicherzustellen, dass die ermittelte Fehlerursache korrekt ist. Die Überprüfung kann darin bestehen, den Betriebszustand des Systems erneut zu beobachten, um festzustellen, ob der Fehler behoben ist. Alternativ können die relevanten elektrischen Parameter, Signalverläufe usw. gemessen und mit den Daten im Normalzustand verglichen werden, um festzustellen, ob das System wieder normal funktioniert. Nach dem Austausch eines defekten Ausgangsmoduls sollte das System neu gestartet und geprüft werden, ob das entsprechende Gerät normal funktioniert. Gleichzeitig sollte die Wellenform des Ausgangssignals mit einem Oszilloskop gemessen werden, um zu prüfen, ob sie den Anforderungen entspricht. Funktioniert das Gerät normal und ist der Signalverlauf normal, ist der Fehler behoben. Besteht das Problem weiterhin, muss die Fehlersuche erneut durchgeführt und nach anderen möglichen Fehlerursachen gesucht werden.

Die schrittweise Fehlersuche und Verifizierung ist ein iterativer Prozess, der von den Technikern Geduld und Sorgfalt erfordert. Während der Fehlersuche müssen die Schritte, gefundenen Probleme und Verifizierungsergebnisse zeitnah aufgezeichnet werden, um sie anschließend analysieren und zusammenfassen zu können. Durch einen solch rigorosen Fehlersuchprozess können Effizienz und Genauigkeit der Fehlersuche effektiv verbessert und sichergestellt werden, dass das SPS-Elektrosystem schnellstmöglich wieder den Normalbetrieb aufnehmen kann.

IV. Fallanalyse

4.1 Fall 1: SPS-Systemausfall in einer Fabrikproduktionslinie

4.1.1 Fehlersymptom Beschreibung

Die automatisierte Produktionslinie einer Fabrik ist hauptsächlich für die Montage elektronischer Produkte zuständig, und ihr SPS-Steuerungssystem sorgt für die präzise Steuerung jedes einzelnen Produktionsglieds. Im Normalbetrieb läuft die Produktionslinie ordnungsgemäß und gemäß den festgelegten Verfahren, und alle Geräte arbeiten Hand in Hand, um eine effiziente Produktmontage zu gewährleisten. Während eines Produktionsprozesses kam es jedoch plötzlich zu Störungen an der Produktionslinie. Einige Geräte fielen aus, beispielsweise der Montageroboter konnte keine Teile mehr greifen und platzieren, und auch das Förderband blieb stehen. Gleichzeitig leuchtete die Fehleranzeige auf dem Bedienfeld auf und zeigte einen bestimmten Fehlercode an. Darüber hinaus stellte das Überwachungssystem fest, dass die Ein- und Ausgangspunkte dieser ausgefallenen Geräte abnormal waren, einige Eingangspunkte keine Sensorsignale erfassten und die entsprechenden Ausgangspunkte nicht die erwarteten Steuersignale ausgaben.

4.1.2 Fehlerbehebung bei der Prozess- und Methodenanwendung

Nach Erhalt der Störungsmeldung eilten die Techniker umgehend zum Einsatzort, um die Fehlersuche durchzuführen. Zunächst nutzten sie die Beobachtungsmethode, um das System umfassend zu untersuchen. Sie überprüften sorgfältig den Status der SPS-Anzeigen und stellten fest, dass die Betriebsanzeige normal leuchtete, was auf eine grundsätzlich einwandfreie Stromversorgung hindeutete. Die Betriebsanzeige hörte jedoch auf zu blinken, und die Fehleranzeige leuchtete dauerhaft rot, was einen schwerwiegenden Fehler im System bestätigte. Im SPS-Benutzerhandbuch wurde festgestellt, dass der Fehlertyp, der der roten Fehleranzeige entspricht, möglicherweise auf einen Hardware- oder Kommunikationsfehler zurückzuführen ist.

Anschließend maßen die Techniker die elektrischen Parameter der möglicherweise defekten Teile. Mit einem Multimeter maßen sie den Verdrahtungswiderstand zwischen den Eingangs- und Ausgangsmodulen und den externen Geräten. Dabei stellten sie fest, dass der Widerstand einiger Leitungen deutlich erhöht war. Dies deutete auf eine mögliche Lockerung oder einen schlechten Kontakt hin. Bei genauerer Betrachtung stellten die Techniker fest, dass einige Klemmen tatsächlich locker waren. Sie zogen diese fest. Der Systemfehler bestand jedoch auch nach dem Festziehen der Leitungen weiterhin.

Zur weiteren Fehlerbehebung nutzten die Techniker die Diagnosefunktion der SPS-Programmiersoftware. Durch die Verbindung der Software mit der SPS konnten sie den Betriebszustand des Systems in Echtzeit überwachen und detaillierte Fehlerinformationen erhalten. In der Diagnoseoberfläche der Software stellten sie fest, dass der Status einiger Ein- und Ausgangspunkte nicht der tatsächlichen Situation entsprach und eine Fehlermeldung mit einem Kommunikations-Timeout angezeigt wurde. Dies deutet darauf hin, dass neben dem Verdrahtungsproblem möglicherweise auch ein Kommunikationsmodulfehler oder ein anderer Hardwarefehler vorliegt.

Die Techniker konzentrierten sich auf das Kommunikationsmodul. Sie testeten es mit einem Fehlerdiagnosegerät. Das Fehlerdiagnosegerät kann die Hardwareleistung des Kommunikationsmoduls umfassend testen, einschließlich des Betriebszustands des Kommunikationschips und der Konnektivität der Kommunikationsleitung. Durch die Erkennung des Fehlerdiagnosegeräts wurde festgestellt, dass ein Kommunikationschip des Kommunikationsmoduls defekt war, was zu einer anormalen Kommunikation führte.

4.1.3 Fehlerursachenanalyse und -lösungen

Nach einer umfassenden Analyse der im Rahmen der Fehlersuche gewonnenen Informationen stellte sich heraus, dass die Hauptursache des Fehlers eine Beschädigung des Kommunikationschips des Kommunikationsmoduls und das Lösen einiger Anschlussklemmen war. Die Beschädigung des Kommunikationschips führte unmittelbar zur Unterbrechung der Kommunikation zwischen der SPS und einigen externen Geräten. Dadurch konnte die SPS keine Steuersignale mehr an diese Geräte senden und keine Rückmeldesignale von Sensoren empfangen. Die lockeren Anschlussklemmen verstärkten die Instabilität der Signalübertragung zusätzlich, führten zu anormalen Ein- und Ausgangssignalen und führten schließlich zum Ausfall einiger Geräte in der Produktionslinie.

Die Techniker reagierten auf die Fehlerursache und ergriffen entsprechende Maßnahmen. Zunächst wurde der beschädigte Kommunikationschip ausgetauscht. Dabei befolgten die Techniker die Betriebsanweisungen strikt, um sicherzustellen, dass der neue Chip korrekt installiert wurde. Um ähnliche Probleme zu vermeiden, wählten sie Kommunikationschips mit zuverlässiger Qualität und stabiler Leistung. Anschließend wurden alle Anschlussklemmen gründlich überprüft und festgezogen, um die Festigkeit und Zuverlässigkeit der Verkabelung sicherzustellen. Nach Abschluss der Reparaturen wurde das SPS-System neu gestartet und die Produktionslinie debuggt. Nach der Fehlerbehebung nahm die Produktionslinie den Normalbetrieb wieder auf, alle Geräte arbeiteten gemäß den Programmanforderungen zusammen, und der Fehler war vollständig behoben.

Die Analyse dieses Falls zeigt, dass bei der Fehlersuche in SPS-Elektrosystemen der Einsatz verschiedener Methoden und Techniken entscheidend ist. Durch die vorläufige Bestimmung des Fehlerbereichs durch Beobachtung, den Einsatz von Messmethoden zur Erfassung elektrischer Parameter, die Nutzung der Diagnosefunktion der Programmiersoftware zur Erfassung detaillierter Fehlerinformationen und den Einsatz von Fehlerdiagnosegeräten zur präzisen Hardwareerkennung kann die Fehlerursache schnell und präzise ermittelt und effektive Lösungen gefunden werden. Dies trägt nicht nur zur Verbesserung der Produktionseffizienz und zur Reduzierung fehlerbedingter Produktionsausfälle bei, sondern gewährleistet auch den stabilen Betrieb des SPS-Elektrosystems.

4.2 Fall 2: Ausfall der SPS-Steuerung in einer Kläranlage

4.2.1 Fehlerbeschreibung

Eine Kläranlage nutzt ein fortschrittliches SPS-Steuerungssystem, um den Abwasserbehandlungsprozess vollständig zu automatisieren. Dies umfasst die Siebreinigung, die Sandfangbehandlung, die Belüftungssteuerung des biologischen Reaktors, die Schlammentwässerung und weitere wichtige Prozesse. Das System arbeitet stabil und gewährleistet effektiv die Qualität und Effizienz der Abwasserbehandlung. Im Routinebetrieb stellte der Betreiber jedoch fest, dass einige Behandlungsschritte nicht korrekt funktionierten.

Insbesondere passte sich die Belüftungsanlage des Bioreaktors nicht automatisch an die voreingestellte Sauerstoffkonzentration an. Dies führte zu einem zu hohen oder zu niedrigen Sauerstoffgehalt im Becken, was das Wachstum von Mikroorganismen und die Abwasserreinigung erheblich beeinträchtigte. Gleichzeitig wurde die Schlammentwässerungsanlage häufig an- und ausgeschaltet, was nicht nur deren Lebensdauer verkürzte, sondern auch die Effizienz der Schlammbehandlung beeinträchtigte. Darüber hinaus zeigte das Überwachungssystem, dass die Messdaten mehrerer Sensoren schwankten und instabil waren, was dem Steuerungssystem keine genauen Informationen lieferte.

4.2.2 Ideen zur Fehlerbehebung und technische Anwendungen

Nach Erhalt der Störungsmeldung stellten die Techniker umgehend ein professionelles Wartungsteam zusammen und eilten zum Unfallort. Zunächst führten sie mithilfe der Beobachtungsmethode eine vorläufige Inspektion des gesamten SPS-Steuerungssystems durch. Sie überprüften sorgfältig den Status der Kontrollleuchten im SPS-Schaltschrank und stellten fest, dass die Kontrollleuchten einiger Ein- und Ausgangsmodule ungewöhnlich blinkten, was auf mögliche Probleme bei der Signalübertragung hindeutete. Gleichzeitig stellten die Techniker fest, dass die Temperatur im Schaltschrank hoch war und die Lüftungs- und Wärmeableitungsanlage normal funktionierte. Aufgrund der relativ feuchten Umgebung vor Ort könnte dies jedoch Auswirkungen auf die elektronischen Komponenten haben.

Um die Fehlerursache genauer zu ermitteln, maßen die Techniker die relevanten elektrischen Parameter. Mit einem Multimeter maßen sie die Ausgangsspannung des Sensors und stellten fest, dass die Ausgangsspannung einiger Sensoren zwar im Normbereich schwankte, die Schwankungsbreite jedoch groß war und den zulässigen Fehlerbereich überschritt. Dies deutet darauf hin, dass der Sensor möglicherweise gestört war oder einen Fehler aufweist. Anschließend untersuchten die Techniker die Wellenform der Ein- und Ausgangssignale mit einem Oszilloskop und stellten fest, dass die Signalwellenform deutliche Verzerrungen und Störungen aufwies. Dies bestätigte erneut ein Problem bei der Signalübertragung.

Während der Fehlersuche nutzten die Techniker auch die Diagnosefunktion der SPS-Programmiersoftware. Über die Programmiersoftware konnten sie den Betriebszustand der SPS in Echtzeit überwachen, die Statusinformationen der Ein- und Ausgangspunkte sowie die Programmausführung einsehen. Dabei stellte sich heraus, dass bei der Verarbeitung der Sensordaten ein Fehler im Programm auftrat, der dazu führte, dass die Steueranweisungen nicht korrekt ausgegeben wurden. Dies kann auf Probleme mit der Programmlogik oder auf Datenverlust bzw. Fehler bei der Datenübertragung zurückzuführen sein.

Um das Problem gründlich zu beheben, führten die Techniker eine umfassende Überprüfung der SPS-Hardware durch. Mit einem Fehlerdiagnosegerät prüften sie jedes Modul der SPS, einschließlich Leistungsmodul, Ein-/Ausgabemodul und Kommunikationsmodul. Die Erkennung durch das Fehlerdiagnosegerät ergab, dass ein Kanal im Ein-/Ausgabemodul defekt war. Dadurch konnte das zugehörige Sensorsignal nicht ordnungsgemäß an die SPS übertragen werden. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass der Kommunikationschip des Kommunikationsmoduls überhitzt war. Dies könnte auf Dauerbetrieb oder schlechte Wärmeableitung zurückzuführen sein.

4.2.3 Lösungen und Wirkungsbewertung

Als Reaktion auf die identifizierten Fehlerursachen ergriffen die Techniker eine Reihe effektiver Lösungen. Zunächst wurden die fehlerhaften Eingangs- und Ausgangsmodule ausgetauscht, um sicherzustellen, dass die Sensorsignale korrekt an die SPS übertragen werden konnten. Beim Austausch der Module befolgten die Techniker die Betriebsanweisungen strikt, um sicherzustellen, dass die neuen Module korrekt installiert wurden, und führten Funktionstests an den neuen Modulen durch, um deren einwandfreie Funktion sicherzustellen.

Um das Problem der Sensorstörungen zu lösen, führten die Techniker eine umfassende Überprüfung und Überprüfung der Sensorverkabelung durch, um deren Festigkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Gleichzeitig verstärkten sie die Abschirmung des Sensors durch den Einsatz doppellagig geschirmter Kabel und die zuverlässige Erdung der Abschirmschicht an einem Ende. Dadurch wurden die Auswirkungen externer elektromagnetischer Störungen auf das Sensorsignal effektiv reduziert.

Als Reaktion auf das Überhitzungsproblem des Kommunikationsmoduls optimierten die Techniker dessen Wärmeableitungssystem. Sie erhöhten die Drehzahl des Lüfters und verbesserten die Belüftung im Schaltschrank, um sicherzustellen, dass das Kommunikationsmodul im normalen Temperaturbereich arbeiten kann. Darüber hinaus wurden die Kommunikationsparameter des Kommunikationsmoduls zurückgesetzt und optimiert, um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Kommunikation zu verbessern.

Softwareseitig prüften und modifizierten die Techniker das SPS-Programm sorgfältig. Sie entdeckten einen Logikfehler im Programm, der zu Fehleinschätzungen bei der Verarbeitung von Sensordaten führte. Die Techniker korrigierten den Logikfehler und führten umfassende Tests und Fehlerbehebungen am Programm durch, um sicherzustellen, dass das Programm die Sensordaten korrekt verarbeiten und präzise Steueranweisungen ausgeben konnte.

Nach Abschluss der Reparaturarbeiten starteten die Techniker das SPS-Steuerungssystem neu und führten eine umfassende Fehlersuche und Überwachung aller Behandlungseinheiten der Kläranlage durch. Nach einer Betriebszeit stellte sich heraus, dass sich die Belüftungseinrichtung des Bioreaktors automatisch an die gelöste Sauerstoffkonzentration anpasst, der gelöste Sauerstoffgehalt stabil im voreingestellten Bereich bleibt und die Schlammentwässerungsanlage ohne häufiges An- und Abschalten normal funktioniert. Gleichzeitig zeigt das Überwachungssystem, dass die Messdaten des Sensors stabil und zuverlässig sind und dem Steuerungssystem genaue Informationen liefern.

Durch die Fehlersuche und -behebung des SPS-Steuerungssystemfehlers der Kläranlage konnte nicht nur die Produktion der Kläranlage wieder normalisiert, sondern auch die Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems verbessert werden. Im Rahmen der Fehlersuche wurden verschiedene technische Mittel wie Beobachtungsmethoden, Messverfahren, Diagnosefunktionen der SPS-Programmiersoftware und Fehlerdiagnosegeräte eingesetzt, um die Fehlerursache schnell und präzise zu ermitteln und wirksame Lösungen zu finden. Dies liefert wertvolle Erfahrungen und Referenzen für den Umgang mit ähnlichen SPS-Steuerungssystemfehlern in der Zukunft. Es erinnert uns auch daran, die Überwachung und Verwaltung von SPS-Steuerungssystemen im täglichen Betrieb und bei der Wartung zu verstärken, potenzielle Probleme rechtzeitig zu erkennen und zu beheben und einen sicheren und stabilen Betrieb des Systems zu gewährleisten.

V. Vorbeugende Maßnahmen und Wartungsvorschläge

5.1 Tägliche Wartungspunkte

5.1.1 Inspektion und Wartung der Hardwareausrüstung

Regelmäßige Inspektion und Wartung der SPS-Hardware ist entscheidend für einen langfristig stabilen Betrieb. Achten Sie bei der Inspektion auf das Erscheinungsbild der Geräte und prüfen Sie diese auf Beschädigungen, Verformungen, Korrosion usw. Ist beispielsweise die Außenhülle des SPS-Schaltschranks beschädigt, können Staub, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen ins Innere gelangen und den normalen Betrieb des Geräts beeinträchtigen. Bei SPS-Geräten, die in rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit oder korrosiven Gasen installiert sind, ist es besonders wichtig, den Schutz und die Inspektion der Außenhüllen zu verstärken, um eine gute Abdichtung zu gewährleisten.

Die regelmäßige Überprüfung der Anschlussteile des Geräts ist ebenfalls unerlässlich. Lose Klemmen sind eine häufige Ursache für elektrische Ausfälle. Daher ist es notwendig, regelmäßig zu prüfen, ob die Klemmen festgezogen sind und ob Oxidation oder Korrosion vorliegt. Mit Werkzeugen wie Schraubendrehern können Sie lose Klemmen festziehen, oxidierte und korrodierte Teile reinigen und bei Bedarf neue Klemmen einsetzen. Achten Sie bei der Überprüfung auch auf den Zustand der Kabel und prüfen Sie, ob diese beschädigt, gealtert oder abgenutzt sind. Beschädigte Kabel sollten rechtzeitig repariert oder ausgetauscht werden, um eine stabile und zuverlässige Signalübertragung zu gewährleisten. Beispielsweise sind Kabel bei häufig bewegten Geräten anfällig für Verschleiß. Daher sollten der Biegeradius und die Schutzmaßnahmen der Kabel besonders beachtet werden, um Ausfälle durch Kabelschäden zu vermeiden.

Die ordnungsgemäße Funktion des Kühlsystems ist entscheidend für den stabilen Betrieb der SPS-Hardware. Die SPS erzeugt während des Betriebs Wärme. Eine schlechte Wärmeableitung kann zu hohen Gerätetemperaturen führen und so Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, regelmäßig zu prüfen, ob der Lüfter ordnungsgemäß funktioniert und der Kühlkörper verstaubt ist. Stark verstaubte Kühlkörper können mit Druckluft oder einer weichen Bürste gereinigt werden, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten. Achten Sie gleichzeitig auf eine gute Belüftung des Gerätes und vermeiden Sie Ablagerungen, die die Luftzirkulation beeinträchtigen. In Umgebungen mit hohen Temperaturen empfiehlt sich der Einsatz zusätzlicher Kühlgeräte wie Klimaanlagen, Kühlschränken usw., um die Betriebstemperatur der SPS-Anlage im Normbereich zu halten.

5.1.2 Software-Systemsicherung und -Update

Regelmäßige Sicherungen des SPS-Softwaresystems sind eine wichtige Maßnahme, um Datenverlust und Programmschäden zu vermeiden. Daten und Programme bilden den Kern des SPS-Systems. Bei Verlust oder Beschädigung kann der gesamte Produktionsprozess zum Stillstand kommen und dem Unternehmen enorme wirtschaftliche Verluste verursachen. Durch regelmäßige Sicherungen kann das System bei Problemen schnell wiederhergestellt und Ausfallzeiten reduziert werden. Die Sicherungshäufigkeit sollte den tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden. Es wird allgemein empfohlen, einmal wöchentlich oder monatlich eine vollständige Sicherung und täglich eine inkrementelle Sicherung durchzuführen. Die gesicherten Daten sollten auf einem sicheren und zuverlässigen Medium, z. B. einer externen Festplatte oder einem Netzwerkspeichergerät, gespeichert und regelmäßig auf Integrität und Verfügbarkeit überprüft werden.

Es ist außerdem wichtig, die Version des SPS-Softwaresystems rechtzeitig zu aktualisieren. Softwareanbieter optimieren und verbessern die SPS-Software kontinuierlich, beheben bekannte Schwachstellen und Probleme und fügen neue Funktionen hinzu. Durch die Aktualisierung der Softwareversion können Leistung, Stabilität und Sicherheit des SPS-Systems verbessert werden. Lesen Sie vor der Aktualisierung die Aktualisierungsanweisungen des Softwareanbieters sorgfältig durch, um den Inhalt und die möglichen Auswirkungen des Updates zu verstehen. Sichern Sie gleichzeitig Ihr aktuelles Softwaresystem, um Probleme während des Aktualisierungsvorgangs zu vermeiden, die zu Systemfehlern führen können. Beachten Sie während des Aktualisierungsvorgangs strikt die Anweisungen in der Bedienungsanleitung, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten. Nach Abschluss der Aktualisierung muss das System vollständig getestet werden, um zu überprüfen, ob alle Funktionen normal funktionieren und ob das aktualisierte Softwaresystem den Produktionsanforderungen entspricht.

5.2 Umweltmanagement und -optimierung

5.2.1 Kontrolle von Umweltfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit

Umgebungsfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit haben einen entscheidenden Einfluss auf den Betrieb des elektrischen SPS-Systems. Überschreiten diese Faktoren den normalen Toleranzbereich der SPS, können sie eine Reihe von Fehlern verursachen und die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems ernsthaft beeinträchtigen.

Übertemperaturen sind einer der häufigsten Umweltfaktoren, die zu Ausfällen elektrischer SPS-Systeme führen. Eine zu hohe Umgebungstemperatur der SPS beeinträchtigt die Leistung der internen elektronischen Komponenten erheblich. Beispielsweise kann die Arbeitsgeschwindigkeit des Chips sinken, was wiederum die Rechen- und Verarbeitungsleistung der SPS verringert und somit die Reaktionsgeschwindigkeit und Regelgenauigkeit des Systems auf externe Signale beeinträchtigt. Zu hohe Temperaturen beschleunigen zudem die Alterung elektronischer Komponenten und verkürzen deren Lebensdauer. In Industrieumgebungen mit hohen Temperaturen, wie z. B. Stahlhütten oder Glasfabriken, können interne Kondensatoren, Widerstände und andere Komponenten der SPS durch Überhitzung beschädigt werden, wenn die Wärmeableitungsmaßnahmen nicht erfüllt sind und die SPS über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Dies kann zu Fehlfunktionen der SPS führen. Um das Problem zu hoher Temperaturen zu lösen, muss zunächst sichergestellt werden, dass das Wärmeableitungssystem des SPS-Schaltschranks ordnungsgemäß funktioniert. Überprüfen Sie regelmäßig die Funktion des Lüfters und reinigen Sie den Kühlkörper von Staub, um eine gute Belüftung und Wärmeableitung zu gewährleisten. In Hochtemperaturumgebungen können Sie die Installation von Kühlgeräten wie Klimaanlagen in Betracht ziehen, um die Temperatur im Schaltschrank im entsprechenden Betriebstemperaturbereich der SPS zu regeln, der in der Regel zwischen 0 °C und 55 °C liegt. Sie können auch ein SPS-Modell mit guter Wärmeableitung wählen oder die SPS sinnvoll anordnen, um die zentrale Platzierung mehrerer Heizgeräte zu vermeiden und den Wärmestau zu reduzieren.

Die Auswirkungen von Feuchtigkeit auf das elektrische System der SPS sollten nicht ignoriert werden. Übermäßige Feuchtigkeit kann die elektronischen Komponenten in der SPS feucht werden lassen, was die Isolationsleistung verringert und das Kurzschlussrisiko erhöht. In feuchten Umgebungen, wie z. B. in Papierfabriken, Druckereien und Färbereien, kann sich Feuchtigkeit auf der SPS-Platine niederschlagen, was zu einem Kurzschluss führt und die SPS funktionsunfähig macht. Feuchtigkeit kann außerdem dazu führen, dass Metallteile rosten, was die mechanischen Eigenschaften des Geräts und die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen beeinträchtigt. Um die Luftfeuchtigkeit zu kontrollieren, sollte die SPS nicht in feuchten oder wasserdampfgefährdeten Bereichen wie Kellern oder in der Nähe von Wasserquellen installiert werden. Ist dies nicht möglich, sollten wirksame Feuchtigkeitsschutzmaßnahmen ergriffen werden, z. B. die Installation eines Luftentfeuchters im Schaltschrank zur Reduzierung der Luftfeuchtigkeit. Der Schaltschrank sollte abgedichtet sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit von außen zu verhindern. Überprüfen Sie die SPS regelmäßig auf Anzeichen von Feuchtigkeit im Inneren. Wasserflecken oder Rost sollten rechtzeitig getrocknet und behandelt werden.

Neben Temperatur und Luftfeuchtigkeit können auch andere Umgebungsfaktoren wie Staub und Vibrationen das elektrische System der SPS beeinflussen. Zu viel Staub kann sich auf Kühlkörper, Lüfter und anderen Komponenten der SPS ansammeln und die Wärmeableitung beeinträchtigen. Staub kann auch in die internen elektronischen Komponenten eindringen und Probleme wie schlechten Kontakt verursachen. In staubigen Umgebungen wie Zementwerken und Bergwerken sollte der Schutz der SPS verstärkt, regelmäßig vom Staub befreit oder mit Staubschutzhauben versehen werden. Vibrationen können Probleme wie lose Kabel und beschädigte Komponenten verursachen. Bei SPS, die an Geräten mit starken Vibrationen installiert sind, sollten wirksame Stoßdämpfungsmaßnahmen ergriffen werden, beispielsweise durch den Einsatz von Dämpfungspolstern und Federn, um die Auswirkungen von Vibrationen auf die SPS zu reduzieren.

5.2.2 Schutzmaßnahmen gegen elektromagnetische Störungen

Elektromagnetische Störungen sind einer der wichtigsten Faktoren, die den normalen Betrieb des SPS-Systems beeinträchtigen. Sie können dazu führen, dass die SPS falsche Signale empfängt, abnormale Steueranweisungen ausgibt und sogar Systemausfälle verursacht. Daher sind wirksame Maßnahmen zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen unerlässlich, um den stabilen Betrieb des SPS-Systems zu gewährleisten.

Elektromagnetische Störungen entstehen hauptsächlich durch verschiedene elektrische Geräte in der Umgebung, wie z. B. große Motoren, Transformatoren und Frequenzumrichter. Diese Geräte erzeugen im Betrieb starke elektromagnetische Felder, die das SPS-System durch Strahlung oder Leitung beeinflussen. Beim Starten und Stoppen großer Motoren kommt es zu plötzlichen Stromschwankungen, wodurch starke elektromagnetische Strahlung in der Umgebung entsteht, die die Signalübertragung der SPS stören kann. Frequenzumrichter erzeugen im Betrieb Oberschwingungen höherer Ordnung. Diese Oberschwingungen belasten nicht nur das Stromnetz, sondern können auch über die Stromleitung auf das SPS-System übertragen werden und dessen normalen Betrieb beeinträchtigen.

Um die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen auf das SPS-System zu reduzieren, muss zunächst die Verdrahtung optimiert werden. Verlegen Sie die Strom-, Signal- und Steuerleitungen der SPS getrennt, um eine enge Verlegung oder Parallelität zu vermeiden und so die elektromagnetische Kopplung zu reduzieren. Für Signalleitungen sollten geschirmte Kabel verwendet werden, deren Abschirmung zuverlässig geerdet sein muss, um das Eindringen externer elektromagnetischer Störungen wirksam zu verhindern. In der Praxis kann die Verlegung von Strom- und Signalkabeln in unterschiedlichen Kabelkanälen und die Einhaltung eines gewissen Abstands die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen deutlich reduzieren.

Erdung ist ein wichtiges Mittel zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen. Eine korrekte Erdung ermöglicht einen niederohmigen Abfluss von Störströmen zur Erde und reduziert so die Auswirkungen auf das SPS-System. Das SPS-System sollte über ein unabhängiges Erdungssystem verfügen, dessen Erdungswiderstand unter 10 Ω liegen sollte. Eine gute Erdung des Metallgehäuses der SPS und des Metallrahmens des Schaltschranks verhindert wirksam statische Aufladung und elektromagnetische Induktion. Achten Sie bei der Erdung darauf, dass sich an mehreren Erdungspunkten Erdschleifen bilden, da diese zusätzlichen Störstrom erzeugen können.

Der Einbau von Filtern ist ebenfalls eine wirksame Maßnahme zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen. Durch die Installation eines Netzfilters am Stromeingang der SPS können hochfrequente Störsignale in der Stromversorgung effektiv herausgefiltert und eine stabile und saubere Stromversorgung der SPS sichergestellt werden. Für Signalübertragungsleitungen können Signalfilter je nach den tatsächlichen Bedingungen installiert werden, um Störungen während der Signalübertragung zu reduzieren. Bei einigen Steuerungssystemen, die empfindlich auf elektromagnetische Störungen reagieren, kann die Entstörungsfähigkeit des Systems durch den Einbau leistungsstarker Netz- und Signalfilter deutlich verbessert werden.

Bei der Auswahl von SPS-Geräten sollte Produkten mit guter Entstörungsleistung der Vorzug gegeben werden. Einige SPS-Hersteller haben bereits im Produktdesign verschiedene Entstörungsmaßnahmen ergriffen, um ihre Produkte widerstandsfähiger gegen elektromagnetische Störungen zu machen, z. B. durch zusätzliche Abschirmschichten oder die Optimierung des Schaltungslayouts. In der Praxis kann die Wahl von SPS-Geräten bekannter Marken und zuverlässiger Qualität die Risiken durch elektromagnetische Störungen bis zu einem gewissen Grad reduzieren.

5.3 Personalschulung und Technologieverbesserung

5.3.1 Kompetenzschulung für Bediener

Die Schulung von SPS-Systembedienern ist äußerst wichtig, da sie direkt mit dem normalen und effizienten Betrieb des Systems zusammenhängt. Da der Bediener direkt mit dem SPS-System interagiert, wirkt sich sein Qualifikationsniveau direkt auf die Stabilität des Produktionsprozesses und die Produktqualität aus.

Die Schulungsinhalte sollten die grundlegenden Prinzipien und Betriebsmethoden des SPS-Systems abdecken. Bediener müssen die Funktionsprinzipien der SPS, einschließlich ihrer internen logischen Operationen, Datenverarbeitungsmechanismen usw., genau verstehen, um die Betriebslogik des Systems besser zu verstehen und die Bedienung geschickter zu handhaben. In einer automatisierten Produktionslinie können Bediener die SPS nur dann präzise bedienen und den normalen Betrieb der Produktionslinie sicherstellen, wenn sie verstehen, wie die SPS auf Grundlage der von den Sensoren eingegebenen Signale logische Entscheidungen trifft und entsprechende Steuersignale zur Ansteuerung der Aktoren ausgibt. Bediener sollten außerdem mit den Betriebsmethoden der SPS vertraut sein, einschließlich des Hoch- und Herunterladens von Programmen, des Einstellens von Parametern und der Überwachung des Betriebszustands des Systems usw. Durch praktische Bedienschulungen können Bediener verschiedene Bedienübungen in einer simulierten Umgebung durchführen, wie z. B. das Starten und Stoppen des Systems, das Anpassen von Steuerparametern usw., um ihre praktischen Bedienfähigkeiten zu verbessern.

Schulungen zur Fehlererkennung und Fehlerbeseitigung sind ebenfalls unerlässlich. Bediener können in ihrer täglichen Arbeit mit verschiedenen Arten von Störungen konfrontiert werden. Daher müssen sie lernen, häufige Fehlerphänomene wie ungewöhnliche Gerätealarme, ungewöhnliches Blinken der Kontrollleuchte usw. zu erkennen und anhand der Fehlerphänomene die Fehlerart und mögliche Ursachen vorab zu bestimmen. Während der Schulung werden die Bediener durch Fallanalysen und simulierte Fehlerübungen mit den Erscheinungsformen und den vorläufigen Behandlungsmethoden verschiedener Fehler vertraut gemacht. Bei einem plötzlichen Geräteausfall sollte der Bediener schnell prüfen können, ob die Betriebsanzeige normal leuchtet und ob ein Stromausfall vorliegt. Ist die Stromversorgung in Ordnung, kann er zusätzlich prüfen, ob die relevanten Sensoren und Aktoren anormal funktionieren. Durch diese Schulung können Bediener bei Störungen rechtzeitig die richtigen Maßnahmen ergreifen, eine weitere Ausweitung der Störung vermeiden und Zeit für nachfolgende Wartungsarbeiten gewinnen.

5.3.2 Professionelle Qualitätsschulung des Wartungspersonals

Die fachliche Qualifikation des Wartungspersonals für SPS-Systeme ist entscheidend für den stabilen Betrieb des Systems. Sie benötigen umfassende Fachkenntnisse und umfangreiche praktische Erfahrung, um mit verschiedenen komplexen Fehlersituationen umgehen zu können.

Fachliche Weiterbildung bildet die Grundlage für die Verbesserung der fachlichen Qualifikation des Wartungspersonals. Wartungspersonal muss sich eingehend mit der Hardwarestruktur und den Funktionsweisen von SPSen befassen, einschließlich der Funktionen, Arbeitsprinzipien und Wechselwirkungen verschiedener Hardwarekomponenten wie CPU, Speicher, E/A-Modulen und Leistungsmodulen. Nur mit einem umfassenden Verständnis der Hardwarestruktur kann bei einem Hardwareausfall die Fehlerquelle präzise ermittelt und eine effektive Reparatur durchgeführt werden. Bei der Fehlersuche am Leistungsmodul muss das Wartungspersonal dessen Eingangs- und Ausgangsspannungsanforderungen sowie die Funktionsweise der internen Spannungsstabilisierungsschaltung kennen, um die Fehlerursache durch Spannungsmessung und Überprüfung der Schaltungskomponenten ermitteln zu können. Wartungspersonal sollte außerdem die Softwareprogrammierung und -debugging-Technologie von SPSen beherrschen, einschließlich des Schreibens und Debuggens von Programmiersprachen wie Kontaktplänen und Anweisungstabellen sowie der Programmoptimierung und -fehlerbehebung. Durch das Erlernen der Softwareprogrammierung und -debugging-Technologie kann Wartungspersonal Probleme bei Softwareausfällen schnell lokalisieren und beheben.

Das Sammeln praktischer Erfahrungen ist für Wartungspersonal gleichermaßen wichtig. Durch die praktische Teilnahme an Fehlersuche und Wartungsarbeiten kann Wartungspersonal seine praktischen Fähigkeiten im Umgang mit Fehlern und seine Problemlösungskompetenz kontinuierlich verbessern. Im Laufe der Praxis werden sie mit verschiedenen Fehlerfällen konfrontiert und verstehen deren Ursachen, Fehlerbehebungsmethoden und Lösungen. Wartungspersonal kann eine Fehlerfallbibliothek anlegen und jeden aufgetretenen Fehler detailliert dokumentieren, einschließlich Fehlerphänomen, Fehlerbehebungsprozess, Lösungen usw. Durch die Analyse und Zusammenfassung der Fehlerfallbibliothek kann Wartungspersonal kontinuierlich Erfahrung sammeln und seine Fehlerdiagnosefähigkeiten verbessern. Bei ähnlichen Fehlern kann es schnell Referenzen in der Fallbibliothek finden und effektive Lösungen anwenden. Die regelmäßige Teilnahme an technischen Austausch- und Schulungsaktivitäten ist ebenfalls ein wichtiger Weg, die berufliche Qualifikation des Wartungspersonals zu verbessern. Durch den Erfahrungsaustausch mit Kollegen und das Erlernen der neuesten Technologien und Methoden kann Wartungspersonal sein Wissen kontinuierlich erweitern und sein berufliches Niveau verbessern.

VI. Fazit

6.1 Zusammenfassung der Forschungsergebnisse

Diese Studie befasste sich eingehend mit häufigen Problemen, Fehlerbehebungsmethoden und vorbeugenden Wartungsmaßnahmen bei elektrischen SPS-Systemen und erzielte eine Reihe von Ergebnissen mit wichtigem praktischem Wert. Im Rahmen der Analyse häufiger Probleme wurden Hardware-, Software- und externe Gerätefehler umfassend und detailliert analysiert. Hardwarefehler können unter anderem durch Netzspannungsschwankungen, Kurzschlüsse oder Qualitätsprobleme bei den Leistungsmodulen verursacht werden, die zu Systemabschaltungen, Programmverlusten oder sogar Hardwareschäden führen können. Fehler bei Eingangs- und Ausgangsmodulen äußern sich in Signalverlust, losen Kabeln, Komponentenschäden usw., was sich direkt auf die Informationskommunikation zwischen dem System und externen Geräten auswirkt. Kommunikationsmodulfehler werden häufig durch beschädigte Kommunikationskabel, Protokollfehler oder fehlerhafte Parametereinstellungen verursacht, was die Datenübertragung und die Zusammenarbeit zwischen den Systemen behindert.

Zu den Softwarefehlern zählen Programmfehler wie Logik- und Syntaxfehler, die zu Systemfehlern oder sogar Systemabstürzen führen können. Datenverluste entstehen meist durch Strom- und Speicherausfälle, die den normalen Systemstart und -betrieb erheblich beeinträchtigen. Bei externen Gerätefehlern führen Sensorfehler wie physische Schäden und Störungen zu ungenauen Daten. Aktorfehler äußern sich in fehlender oder anormaler Aktion, wodurch das System Steueranweisungen nicht effektiv ausführen kann.

Symptombasierte Fehlerbehebungsmethoden umfassen Beobachtung und Messung. Die Beobachtungsmethode kann anhand von Systemanzeigen, Gerätebetriebszuständen usw. schnell offensichtliche Fehleranzeichen erkennen. Die Messmethode nutzt Werkzeuge wie Multimeter und Oszilloskope, um elektrische Parameter präzise zu messen und den Fehlerort zu bestimmen. Werkzeugbasierte Fehlerbehebungstechniken, wie die Diagnosefunktion von SPS-Programmiersoftware und der Einsatz von Fehlerdiagnosegeräten, unterstützen ein tiefgreifendes Verständnis des Systembetriebszustands und des Fehlerorts. Der systematische Fehlerbehebungsprozess konzentriert sich zunächst auf die Bestimmung des Fehlerumfangs und anschließend auf die schrittweise Fehlersuche und -überprüfung, was die Effizienz und Genauigkeit der Fehlerbehebung verbessert.

Anhand einer Fallstudie einer Fabrikproduktionslinie und einer Kläranlage wird der Prozess der Behebung komplexer Störungen durch den umfassenden Einsatz verschiedener Methoden und Technologien zur Fehlerbehebung demonstriert und die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode überprüft. Für präventive Maßnahmen und Wartungsempfehlungen wird eine umfassende Strategie mit drei Dimensionen vorgeschlagen: tägliche Wartungspunkte, Umweltmanagement und -optimierung sowie Personalschulung und technische Verbesserung. Die tägliche Wartung umfasst die Überprüfung und Instandhaltung der Hardware sowie die Sicherung und Aktualisierung von Softwaresystemen. Das Umweltmanagement umfasst die Kontrolle von Umgebungsfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie den Schutz vor elektromagnetischen Störungen. Die Personalschulung richtet sich an Bediener und Wartungspersonal und verbessert deren Bedienkompetenzen und fachliche Qualifikationen. Diese Leistungen bieten umfassende technische Unterstützung und praktische Anleitung für den stabilen Betrieb von SPS-Elektrosystemen in der industriellen Produktion.

6.2 Zukünftige Forschungsrichtungen

Für die Zukunft werden im Bereich der Fehlersuche in elektrischen SPS-Systemen bahnbrechende Fortschritte in mehreren Bereichen erwartet. Mit der fortschreitenden Weiterentwicklung von Industrie 4.0 und intelligenten Fertigungskonzepten wird die intelligente Fehlerdiagnose zu einem der wichtigsten Forschungsschwerpunkte. Der Einsatz fortschrittlicher Technologien wie künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und Deep Learning zur Entwicklung intelligenter Diagnosesysteme, die Fehlermodi in elektrischen SPS-Systemen automatisch erlernen und identifizieren können, wird die Genauigkeit und Effizienz der Fehlerdiagnose deutlich verbessern. Durch das Lernen aus einer großen Menge historischer Fehlerdaten kann das intelligente Diagnosesystem ein präzises Fehlervorhersagemodell erstellen, potenzielle Fehlergefahren im Voraus erkennen und eine vorbeugende Wartung ermöglichen. Dadurch wird das Risiko von Produktionsunterbrechungen und Anlagenschäden effektiv reduziert.

Die tiefe Integration von IoT-Technologie und SPS-Elektrosystemen eröffnet neue Möglichkeiten und Herausforderungen für die Fehlersuche. Durch die Anbindung des SPS-Elektrosystems an das IoT können Gerätestatusdaten in Echtzeit erfasst, übertragen und geteilt werden. Techniker können das System jederzeit und überall aus der Ferne überwachen und Fehler diagnostizieren. IoT-Technologie ermöglicht zudem die Integration des SPS-Elektrosystems mit anderen zugehörigen Systemen, um eine umfassende Datenanalyse und kollaborative Verarbeitung zu ermöglichen. Dadurch wird ein umfassenderes Verständnis des Systembetriebszustands gewonnen und die Fehlersuche mit umfassenderen Informationen unterstützt.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung neuer Energietechnologien wird sich der Einsatz von PLC-Elektrosystemen im Bereich der neuen Energien zunehmend verbreiten. Angesichts der Besonderheiten neuer Energiesysteme, wie dezentraler Stromerzeugung und Energiespeicherung, wird die Erforschung von Methoden und Technologien zur Fehlerbehebung in PLC-Elektrosystemen, die für neue Energieumgebungen geeignet sind, zukünftig eine wichtige Forschungsrichtung sein. Die Betriebsumgebung und Arbeitsweise neuer Energiesysteme unterscheiden sich erheblich von denen herkömmlicher Industriesysteme. Um den sicheren und stabilen Betrieb neuer Energiesysteme zu gewährleisten, müssen spezielle Technologien zur Fehlerdiagnose und Fehlerbehebung entwickelt werden.

Die Standardisierung und Normalisierung der Fehlersuche in SPS-Elektrosystemen ist ebenfalls von großer Bedeutung. Die Einführung einheitlicher Fehlerklassifizierungsstandards, Fehlerbehebungsprozesse und technischer Spezifikationen trägt dazu bei, die Effizienz und Qualität der Fehlersuche zu verbessern und die Wartungskosten zu senken. Dies erfordert die Zusammenarbeit aller Beteiligten in der Branche, um die Zusammenarbeit und den Austausch zu stärken und die Standardisierung und Normalisierung der Fehlerbehebungstechnologie für SPS-Elektrosysteme voranzutreiben.

In Zukunft wird die Forschung im Bereich der Fehlersuche bei elektrischen SPS-Systemen eng mit der Entwicklung neuer Technologien verknüpft sein und weiterhin Forschung und Innovationen vorantreiben, um eine solidere technische Garantie für den effizienten, stabilen und sicheren Betrieb der industriellen Produktion zu bieten.