製造の世界では、金型プロセスは、自動車のプラスチック部品から日用品に至るまで、幅広い製品の製造の根幹を成しています。しかし、複雑な多段階の金型プロセスでは、従来の手動または半自動制御に依存すると、効率の低さ、品質の一貫性のなさ、人件費の高さなどの課題に直面することがよくあります。-このケーススタディでは、中規模のプラスチック製造会社が、分散型シーメンス PLC システムを導入して多段階の射出成形プロセスを自動化することで、これらのハードルをどのように克服したかを説明します。-プロジェクトの背景、分散型シーメンス PLC ソリューションの設計、実装プロセス、達成された顕著な結果について詳しく説明します。この記事では、シーメンス PLC の中核的な役割に焦点を当て、実践的な洞察を統合して、産業オートメーション技術がどのように金型製造に変革をもたらすかを読者が理解できるようにします。
1. プロジェクトの背景と課題
クライアントは、自動車およびエレクトロニクス産業向けの精密プラスチック成形品の製造を専門とする大手メーカーです。自動化される前、同社の中核となる生産ラインでは、多段階の射出成形プロセスが使用されていました。このプロセスには、型締め、原材料の射出、圧力保持、冷却、型開き、製品の取り出しという 6 つの主要な段階が含まれていました。-長年にわたり、このプロセスは各ステージの独立した制御システムに依存しており、オペレーターがパラメータを手動で監視および調整していました。より高い品質とより迅速な生産に対する市場の需要が高まるにつれ、同社はいくつかの重大な課題に直面しました。
1.1 一貫性のないプロセス制御
金型プロセスの各段階では、温度、圧力、タイミングなどの正確なパラメーター制御が必要でした。手動による調整では避けられない人的ミスが発生しました。たとえば、射出圧力や冷却時間のわずかな偏差により、充填が不完全になったり、コンポーネントが歪んだりするなど、製品に欠陥が生じることがよくあります。製品の認定率はわずか約 85% であり、生産コストが大幅に増加しました。
1.2 低い生産効率
ステージ間の独立した制御システムにより、調整に遅れが生じていました。 1 つのステージが完了すると、オペレーターは次のステージを手動でトリガーする必要があり、生産サイクルが長くなってしまいました。平均して、各金型サイクルには 45 秒かかり、生産ラインは 1 シフトあたり 800 サイクルしか完了できませんでした。この非効率性により、同社は増加する顧客の注文に応えることが困難になりました。
1.3 高い人件費と安全上のリスク
従来のプロセスでは、各段階を監視し、パラメータを調整し、製品の排出を処理するために、シフトごとに 3-4 人のオペレーターが必要でした。高い人件費が会社の利益を蝕んだ。さらに、金型エリアでの手動操作により、作業者は偶発的な金型クランプや高温部品との接触など、潜在的な安全リスクにさらされます。
1.4 工程トレーサビリティの難しさ
統合された監視システムがなければ、同社は各生産サイクルの主要なパラメータを効果的に記録できませんでした。品質問題が発生した場合、根本原因を追跡することが難しく、的を絞った改善を実施することが困難でした。これらの課題に対処するために、同社はオートメーション技術を採用することを決定し、産業オートメーションにおける信頼性と優れたパフォーマンスで定評のあるシーメンス PLC をコア制御コンポーネントとして選択しました。
2. 分散型シーメンス PLC ソリューション
-クライアントとの綿密なコミュニケーションと現場調査を経て、-エンジニアリング チームは Siemens PLC を中心とした分散自動化ソリューションを設計しました。中心となるアイデアは、金型プロセスの 6 つの段階を分散制御ネットワークを通じて接続し、集中監視と協調制御を可能にすることでした。このソリューションは、現在の課題に対処しただけでなく、将来のスマート ファクトリー アップグレードの基礎も築きました。ソリューションの主要なコンポーネントと設計は次のとおりです。
2.1 コアハードウェア構成
このソリューションでは、メイン コントローラーとして Siemens S7-1500 PLC を選択しました。これは、高い処理速度と強力な拡張性で知られており、複雑な多段階制御タスクに適しています。-金型プロセスの各段階では、センサー (温度、圧力、位置センサー) と制御アクチュエーター (ソレノイド バルブ、サーボ モーター) からリアルタイム データを収集するために、分散型 I/O モジュール (ET 200SP) が設置されました。-さらに、Siemens KTP700 Basic HMI (ヒューマン マシン インターフェース) が導入され、オペレーターが生産プロセスの監視、パラメータの調整、アラーム情報の表示を行うためのユーザーフレンドリーなインターフェースを提供しました。{{10}システム全体では、産業用イーサネット プロトコルである PROFINET を使用して、メイン コントローラーと分散モジュール間の高速データ伝送を実現し、リアルタイムで信頼性の高い通信を確保しました。-
2.2 システムアーキテクチャの設計
分散型 Siemens PLC システムは、フィールド層、制御層、モニタリング層の 3 層アーキテクチャを採用しました。-フィールド層には、センサー、アクチュエーター、分散 I/O モジュールが含まれており、現場データの収集と制御コマンドの実行を担当します。-制御層は、収集されたデータを処理し、制御ロジックを実行し、各ステージの動作を調整する Siemens S7-1500 PLC で構成されていました。監視レイヤーは HMI とデータ ロギング システムで構成され、オペレーターが生産プロセス全体をリアルタイムで監視し、トレーサビリティのための重要なパラメータを記録できるようにします。この階層化されたアーキテクチャにより、システム構造が明確になり、保守が容易になり、拡張性が高くなります。
2.3 主要な制御ロジックの設計
エンジニアリング チームは、Siemens TIA ポータル（Totally Integrated Automation Portal）を使用して、多段階の金型プロセスの中核となる制御ロジックをプログラムしました。{0}鍵となるのは、各段階の連続的かつ協調的な動作を実現することでした。たとえば、システムは、金型が完全にクランプされた (位置センサーによって検出された) ことを確認した後にのみ射出ステージを開始します。圧力保持段階では、シーメンス PLC が圧力センサーからのリアルタイム データに従って圧力を自動的に調整し、原材料の均一な充填を確保します。-冷却ステージは温度センサーによって制御され、温度が事前設定値に達すると、PLC が自動的に冷却プロセスを終了します。さらに、このシステムには完全なアラーム ロジックが組み込まれており、温度や圧力などのパラメーターが安全範囲を超えた場合、シーメンス PLC は直ちに生産プロセスを停止し、アラーム信号を HMI に送信します。
3. 自動化システムの導入プロセス
分散型シーメンス PLC システムの導入は、システムの安定性と信頼性を確保するために 4 つのフェーズで実行されました。企業の通常の生産への影響を避けるために、各フェーズは綿密に監視され、テストされました。
3.1 導入前の準備-
このフェーズでは、エンジニアリング チームはまず、同社のオペレーターとメンテナンス担当者を対象に、Siemens PLC の基本操作、HMI の使用法、および基本的なトラブルシューティング方法を含む詳細なトレーニングを実施しました。次に、チームは、TIA ポータル ソフトウェアのインストール、PLC と分散モジュールの IP アドレスの構成、センサーとアクチュエーターの配線の確認などのハードウェアとソフトウェアを準備しました。
3.2 ハードウェアの設置と配線
チームは、Siemens S7-1500 PLC メイン ユニットを中央制御室に設置し、金型プロセスの各段階の近くに分散型 I/O モジュールを取り付けました。配線時には、信号伝送の安定性を確保するために業界規格に厳密に準拠しました。信号干渉を避けるために、高温および高圧センサーの配線には特別な注意が払われました。{4}
3.3 ソフトウェアのプログラミングとデバッグ
チームは TIA ポータルを使用して、シーケンシャル制御、パラメータ調整、アラーム処理などの制御ロジックをプログラムしました。プログラミング後、論理エラーをチェックするためにオフライン デバッグが実行されました。次に、オンライン デバッグが実行されました。シーメンス PLC がフィールド機器に接続され、プロセスの各段階が個別にテストされました。デバッグ中、チームは実際の製造条件に応じて射出速度や冷却時間などのパラメータを調整し、プロセスを最適化しました。たとえば、シーメンス PLC を通じて圧力保持パラメータを微調整することで、不完全な充填の問題は効果的に解決されました。-
3.4 システム統合と試用運用
各段階のデバッグが完了した後、チームはシステム全体を統合し、試運転を実施しました。試用期間中、システムは 72 時間連続稼働し、チームは生産効率、製品品質、システムの安定性などの重要な指標を監視しました。見つかった問題はすぐに対処されました。試験運用が成功し、正式に運用が開始された。
4. 達成された結果と利点
分散型シーメンス PLC システムが正式に運用されて以来、同社の多段階金型プロセスは劇的な変革を遂げてきました。-主な結果と利点は次のとおりです。
4.1 製品品質の大幅な向上
シーメンス PLC の正確な制御により、各段階のパラメーター (温度、圧力、タイミング) が最適な範囲内に維持されます。製品の合格率は 85% から 99% に向上し、不良品の数が大幅に減少し、原材料コストが節約されました。安定した品質により顧客からの評判も高まり、さらなる注文につながっています。
4.2 生産効率の大幅向上
分散型シーメンスPLCシステムによるステージ間の協調動作により、手動操作による遅延を解消しました。金型あたりの生産サイクルは 45 秒から 30 秒に短縮され、シフトあたりのサイクル数は 800 から 1200 に増加し、生産効率が 50% 向上しました。これにより、同社は成長する市場の需要に簡単に対応できるようになりました。
4.3 人件費の削減と安全性の向上
この自動化システムでは、HMI を監視し、特殊な状況に対処するためにシフトごとに 1 ～ 2 人のオペレーターのみが必要となり、人件費が約 50% 削減されます。同時に、手作業が減ることで職場事故のリスクが最小限に抑えられ、従業員にとってより安全な労働環境が生まれました。
4.4 完全なプロセスのトレーサビリティ
このシステムは、射出圧力、冷却時間、金型温度など、各生産サイクルの主要なパラメータを自動的に記録します。品質上の問題が発生した場合、同社は関連する生産データを迅速に追跡して根本原因を特定し、目標を絞った改善を実施できます。このデータは、生産プロセスをさらに最適化するための基礎にもなります。
4.5 スマート製造のためのスケーラブルな基盤
分散型シーメンス PLC システムは拡張性に優れています。ソフトウェアのアップグレードや関連モジュールの追加により、遠隔監視や予知保全などの新機能を簡単に追加できる。これは、同社の将来のスマートファクトリーへの移行のための強固な基盤を築きます。
5. 金型メーカーにとっての重要なポイント
このケーススタディは、分散型シーメンス PLC システムを使用して複雑な多段階の金型プロセスを自動化することが、従来の金型製造の課題を解決する実用的かつ効果的な方法であることを示しています。{0}効率と品質の向上を目指す金型メーカーにとって、次の重要なポイントは重要です。
- 信頼性の高いオートメーション コンポーネントを選択する: Siemens PLC は、優れたパフォーマンスと強力な拡張性を備え、産業オートメーションにおける信頼性の高いコア制御コンポーネントであることが証明されており、複雑な多段階制御タスクに適しています。-
- 分散制御アーキテクチャの採用: 多段階プロセスの場合、分散アーキテクチャは集中監視と協調制御を実現し、システムの柔軟性と保守性を向上させます。{0}
- システムの統合とデバッグに注意する: オートメーション システムの安定した動作を確保するには、徹底的な準備、厳密なハードウェアのインストール、および慎重なソフトウェアのデバッグが不可欠です。
- 人材トレーニングを優先する: 自動化システムの使用とメンテナンスについてオペレーターとメンテナンス担当者をトレーニングすることは、システムの利点を最大化するために不可欠です。
結論として、分散型シーメンス PLC システムを多段階の金型プロセスに適用すると、コストを削減しながら、生産効率、製品の品質、安全性を大幅に向上させることができます。{0}製造業が自動化とインテリジェンスに移行するにつれて、そのようなテクノロジーを採用する金型メーカーは市場での競争力を獲得することになります。金型プロセスの自動化を検討している場合は、分散型シーメンス PLC ソリューションを検討する価値があります。
