Время монтажа проводки в шкафу ПЛК значительно сокращается благодаря клеммным колодкам с шагом 5,08 мм для DIN-рейки — что производители оборудования для промышленной автоматизации получают в плане повышения эффективности сборки.
Вкратце:
- Вставные клеммные колодки 5,08 мм сокращают время подключения проводов с 45-90 секунд (при использовании традиционных винтовых клемм) до 15-25 секунд. — Сокращение на 50-70%, которое в сумме дает 40-60 часов экономии на каждый шкаф ПЛК при распределении на 600-1200 отдельных подключений.
- Предварительно собранные разъемы исключают ошибки при прокладке проводов. Поскольку распиновка разъема фиксируется на этапе изготовления жгута проводов, а не определяется производителем панели по электрической схеме, это снижает количество ошибок при монтаже проводки с примерно 2-5 на шкаф практически до нуля.
- Замена модулей ввода-вывода в полевых условиях сокращается с 45-105 минут до менее чем 10 минут. При использовании разъемов типа «штекер» техник отсоединяет блок разъемов, заменяет модуль и снова подключает тот же разъем, не выполняя повторной привязки.
Трудозатраты на традиционную проводку с винтовыми клеммами
В шкафу управления ПЛК средней сложности, используемом для упаковочного оборудования, конвейерных систем или управления машинами для литья под давлением, обычно имеется от 600 до 1200 отдельных клеммных соединений. Для каждого соединения на традиционном винтовом клеммном блоке требуется: снятие 8-10 мм изоляции с конца провода с помощью калиброванного инструмента для зачистки, вставка зачищенного провода в отверстие клеммы, затягивание винта с заданным моментом затяжки (обычно 0,5-0,8 Нм для провода сечением 2,5 мм², как указано производителем клеммы) и проверка соединения с помощью испытания на растяжение в соответствии с IEC 60947-7-1. Полный цикл «зачистка-вставка-затягивание-проверка» занимает от 45 до 90 секунд на провод в зависимости от опыта специалиста, доступности места расположения клеммы в плотно заполненном шкафу и необходимости дополнительных этапов прокладки проводов. При среднем времени подключения 60 секунд и 800 подключений на один шкаф, только работа по прокладке проводов занимает 800 минут — более 13 часов на один шкаф.
Это не включает время, необходимое для интерпретации схемы подключения и сопоставления её с физическими положениями клемм. Схема подключения показывает логические соединения: «I0.0 → клемма X1:47». Техник должен найти клемму X1 на DIN-рейке, досчитать до позиции 47 в ряду из 60-80 одинаковых клемм и вставить правильный провод. При плотности 60 клемм на метр DIN-рейки визуальное различение клеммы 47 и клеммы 48 требует пристального внимания к каждому отдельному соединению. Частота ошибок в производственных условиях — когда техники подключают шкафы по 7-8 часов за смену — составляет в среднем примерно 2-5 ошибок подключения на шкаф, согласно данным о качестве работы цеха по сборке панелей, которые я проанализировал. На диагностику и исправление каждой ошибки во время функционального тестирования уходит 15-45 минут, что добавляет 30-225 минут времени на доработку каждого шкафа. Эти ошибки почти полностью являются следствием этапа ручного сопоставления — пальцы техника попали на правильный провод, но на неправильное положение клеммы — и их практически невозможно устранить только с помощью обучения или дисциплины в процессе работы.
Парадигма подключаемых устройств: подключение на уровне жгута проводов, а не на уровне шкафа управления.
Клеммные колодки с возможностью подключения меняют принципиальную схему проводки, переходя от подключения проводов внутри шкафа к подключению непосредственно к жгуту проводов. Вместо того чтобы заносить отдельные провода в шкаф и подключать каждый к соответствующей клемме на DIN-рейке, производитель панелей получает предварительно собранные жгуты проводов с уже подключенными разъемами. Разъемная колодка — 2-24-контактный штекер с шагом 5,08 мм — соединяется с фиксированным разъемом, установленным на DIN-рейке. Задача производителя шкафов меняется: вместо 800 отдельных подключений проводов, теперь нужно подключить 20-40 предварительно собранных клеммных колодок к соответствующим разъемам.
Это принципиально иная модель сборки, последствия которой выходят далеко за рамки прямой экономии на трудозатратах. Высокоточная, подверженная ошибкам работа по монтажу проводки переносится на этап производства жгутов проводов, где её можно выполнять на верстаке при лучшем освещении, с беспрепятственным доступом к контактам разъемов и — что крайне важно — с помощью автоматизированного оборудования для тестирования жгутов проводов, которое проверяет каждое соединение на целостность, правильность расположения контактов и сопротивление изоляции перед отправкой жгута в цех по сборке панелей. Система тестирования жгутов проводов с использованием Cirris или аналогичного автоматизированного тестера может проверить сборку 50-контактного разъема менее чем за 30 секунд и выдать отчет о тестировании, который служит объективным доказательством качества для входного контроля в цехе по сборке панелей. Переход происходит от доверия к вниманию техника к доверию к объективным измерениям испытательного оборудования.
Экономия времени существенна и хорошо задокументирована в сфере промышленного панельного строительства. Разъем с 12 предварительно обжатыми проводами подключается к разъему на DIN-рейке за 5-10 секунд — это время, необходимое для выравнивания разъема с разъемом, вдавливания его до щелчка фиксирующей защелки и визуального подтверждения полного вставления путем проверки того, что лицевая сторона разъема находится на одном уровне с лицевой стороной разъема. Для подключения традиционного винтового клеммного блока с 12 позициями требуется 12-18 минут. Использование разъемов с возможностью подключения сокращает это время до менее чем 30 секунд для работы на стороне шкафа — сокращение трудозатрат на подключение этих 12 соединений более чем на 95%. В шкафу на 800 соединений с разъемами с возможностью подключения время монтажа проводки на стороне шкафа сокращается с более чем 13 часов до примерно 2-3 часов. Время сборки жгута проводов, выполняемое на рабочем столе, добавляет 4-6 часов, что в сумме составляет сокращение общих трудозатрат на монтаж проводки на 35-45%.
Устранение ошибок за счет фиксированной распиновки.
Наиболее существенным экономическим преимуществом клеммных колодок со сменными клеммами может быть не экономия на трудозатратах, а почти полное исключение ошибок при подключении проводов. Когда производитель жгутов проводов изготавливает 12-контактный разъем с проводами в позициях с 1 по 12, расположение контактов физически фиксировано. Сборщик панелей не может вставить неправильный провод в позицию 7, поскольку провод для позиции 7 уже подключен к разъему в этой позиции и не может быть перемещен без обрезки и повторной заделки. Единственное действие по сборке в шкафу — это подключение разъема к правильному разъему, который обозначен идентификатором разъема (например, «X101»), соответствующим как схеме подключения, так и физической маркировке на корпусе разъема со стороны жгута проводов.
Переход от проверки каждого провода к проверке каждого разъема коренным образом меняет профиль обнаружения ошибок. В традиционном коммутационном шкафу с точечной проводкой каждое из 800 соединений должно быть индивидуально проверено по схеме проводки — процесс проверки, занимающий 4-6 часов и подверженный той же вероятности человеческих ошибок, что и исходная проводка. С разъемами проверка сводится к: (1) подтверждению того, что жгут проводов был проверен на целостность и распиновку производителем жгута, и имеется протокол испытаний, и (2) подтверждению того, что каждый штекер разъема находится в правильном разъеме, путем визуальной проверки маркировки по схеме расположения разъемов в шкафу. Шаг 2 занимает 10-15 минут для 30 разъемов. Общее время проверки сокращается с 4-6 часов до менее чем часа. Вероятность ошибок проводки снижается с 2-5 на шкаф до почти нуля, поскольку распиновка физически обеспечивается разъемом — оператору не нужно принимать решение о том, какой провод куда идет, только визуальное соответствие между двумя маркировками.
Он UL 508A стандарт для промышленных панелей управления и МЕК 61439 В низковольтных распределительных устройствах и блоках управления технология разъемных соединений рассматривается как способ повышения качества заводской проводки. Стандарт UL 508A конкретно допускает использование разъемных соединителей в качестве приемлемого метода проводки при условии, что соединитель сертифицирован для данного применения, а его номинальные значения напряжения/тока соответствуют спецификациям производителя соединителя.
Выездное обслуживание: где окупаемость инвестиций многократно возрастает.
Экономия времени на сборку оправдывает внедрение клеммных колодок с возможностью подключения на заводе; экономия на выездном обслуживании – это то, где окупаемость инвестиций значительно превосходит первоначальное обоснование покупки. Когда модуль ввода-вывода выходит из строя в шкафу ПЛК, подключенном традиционными винтовыми клеммами, процедура выездного обслуживания становится чрезвычайно трудоемкой: необходимо сфотографировать или промаркировать каждый провод, подключенный к неисправному модулю (10-30 минут, в зависимости от плотности проводов и качества существующей маркировки), отсоединить все 20-40 отдельных проводов (5-15 минут), снять неисправный модуль и установить новый (5-10 минут), повторно подключить все провода к соответствующим клеммам на новом модуле, сверяясь с фотографией или маркировкой, сделанными на шаге 1 (20-45 минут), и проверить каждое соединение (5-10 минут). Общее затраченное время: 45-105 минут работы квалифицированного специалиста, в течение которых производственное оборудование не работает.
При использовании разъемов процедура сводится к следующему: отсоединить блок разъемов от неисправного модуля (5 секунд), снять неисправный модуль и установить новый (5-10 минут), а затем подключить блок разъемов к новому модулю (5 секунд). При этом не отключаются никакие провода. Не требуется повторная заделка контактов. Проверка соединений не требуется, поскольку тот же разъем с теми же проводами в тех же контактных положениях теперь подключен к идентичному новому модулю. Общее время — менее 10 минут, в основном за счет замены механического модуля и повторной инициализации ПЛК — сокращается на 80-90% по сравнению с традиционной процедурой. В отраслях, где простой оборудования обходится в 500-5000 долларов США в час (автомобильные сборочные линии, упаковка продуктов питания и напитков, фармацевтическое производство, производство полупроводников), разница между 90-минутным и 10-минутным ремонтом позволяет сэкономить 650-7500 долларов США на стоимости простоя на каждый отказавший модуль ввода-вывода. За 10-15 лет эксплуатации оборудования с 3-6 заменами модулей ввода-вывода экономия на выездном обслуживании может в 3-5 раз превысить дополнительные затраты на подключаемые клеммные колодки.
Экономика затрат на одно соединение
На уровне компонентов традиционная двухпозиционная клеммная колодка с винтовым зажимом стоит приблизительно 0,30–0,60 долларов США за позицию при оптовых закупках (более 5000 позиций). Система клеммной колодки с разъемом 5,08 мм, включающая в себя разъем для монтажа на DIN-рейку и штекерный разъем со стороны жгута проводов, стоит приблизительно 0,80–1,50 долларов США за позицию. Доплата за компоненты составляет существенные 0,50–1,00 долларов США за позицию, что для шкафа на 800 позиций составляет 400–800 долларов США дополнительных затрат на комплектующие.
Однако стоимость компонентов — это лишь одна статья расходов. Полная ставка оплаты труда сборщиков в цехе по сборке панелей в Северной Америке или Западной Европе составляет 35-55 долларов США в час. Экономия на оплате труда за одно соединение — примерно 30-50 секунд — составляет 0,29-0,76 долларов США за соединение при таких ставках. Используя средние значения каждого диапазона, разница в 0,75 долларов США за компонент компенсируется экономией на оплате труда в размере 0,50 долларов США, в результате чего чистая разница составляет 0,25 долларов США за позицию — или 200 долларов США на шкафу на 800 позиций. С учетом экономии на выездном обслуживании, сокращения времени функционального тестирования и исключения претензий по гарантийной проводке, общая стоимость владения существенно смещается в пользу разъемов с возможностью подключения через 1-2 года эксплуатации.
Часто задаваемые вопросы
Какой номинальный ток имеют клеммные колодки с разъемом 5,08 мм?
Стандартные клеммные колодки с шагом 5,08 мм рассчитаны на ток 12-16 А при напряжении 300 В в соответствии со стандартами IEC 61984 и UL 1059, с использованием провода сечением 0,5-2,5 мм² (20-14 AWG). Это охватывает подавляющее большинство сигналов ввода/вывода ПЛК — цифровые входы (5-15 мА при 24 В постоянного тока), цифровые выходы (0,5-2 А при 24 В постоянного тока или 120 В переменного тока) и аналоговые сигналы (4-20 мА или 0-10 В). Для соединений с более высокими токами, таких как контакторы двигателей, источники питания и цепи нагревателей с током выше 16 А, следует использовать разъемы с большим шагом (7,5 мм или 10,16 мм) или традиционные силовые клеммные колодки. Стандарт шага проводов 5,08 мм был специально разработан для соответствия расстоянию между клеммами на модулях ввода-вывода ПЛК от ведущих производителей, включая Siemens S7, Allen-Bradley ControlLogix и серию Mitsubishi MELSEC, и стал фактическим стандартом для проводки в шкафах ввода-вывода ПЛК во всем мире.
Как ведут себя клеммные колодки с возможностью подключения в условиях промышленной вибрации?
При наличии встроенной фиксирующей защелки, разъемы надежно работают в стандартных условиях промышленной вибрации. Ключевым параметром является механизм фиксации разъема — выбирайте разъемы с надежной фиксирующей защелкой, которая издает слышимый щелчок при полном вставлении, а не с фиксацией за счет трения. В серии PCT от J-Guang используется конструкция с двойной защелкой, обеспечивающая усилие фиксации более 80 Н, протестированное в соответствии с... МЕК 60068-2-6 Испытания на вибрацию проводились в диапазоне 10-500 Гц с амплитудой смещения 0,35 мм. Для экстремальных вибрационных условий, таких как горнодобывающее оборудование, машинные отделения судов и железнодорожный подвижной состав, винтовые фланцевые соединители с механическим креплением к коллектору обеспечивают дополнительную безопасность по сравнению со стандартной защелкой. За 14 лет эксплуатации на нашей базе мы не зафиксировали ни одного отказа, связанного с отсоединением соединителя в нормальных условиях промышленной эксплуатации, при условии правильного выбора и установки модели с защелкой.
Каков минимальный объем заказа для индивидуальных конфигураций разъемов?
Стандартные разъемы с шагом 5,08 мм и 2-24 контактами имеются в наличии на складе без минимального объема заказа — отдельные единицы можно заказать для прототипирования и пилотной оценки. Для индивидуальных конфигураций с определенным количеством контактов, цветовой кодировкой по функциям (например, синий для сигналов постоянного тока, красный для сигналов переменного тока, желтый для защитных цепей) или предварительно напечатанными идентификационными этикетками разъемов обычно минимальный объем заказа составляет 500-1000 штук, а сроки поставки — 4-6 недель. Для OEM-производителей, стандартизирующих определенную конфигурацию разъемов для всей линейки продукции, затраты на изготовление оснастки для сборки обычно амортизируются в течение первых 500-1000 шкафов, а единообразие маркировки во всех шкафах на объекте значительно упрощает документацию по сервисному обслуживанию и управление запасными частями.
Можно ли модернизировать существующие шкафы с винтовыми клеммами, установив в них разъемы с возможностью подключения внешних клемм?
Частичная модернизация возможна, но требует инженерной оценки. Если существующий шкаф использует стандартное крепление на DIN-рейку, на ту же рейку можно установить клеммные колодки с возможностью подключения. Однако существующие провода необходимо будет заново подключить с помощью разъемов с возможностью подключения — по сути, это будет полная замена проводки в шкафу. Модернизация наиболее целесообразна, когда в шкафу уже запланирована масштабная замена проводки (например, при обновлении системы управления с более старого поколения ПЛК). Для новых шкафов описанный выше подход с использованием жгутов проводов обеспечивает все преимущества. Для существующих шкафов дополнительная выгода от модернизации заключается в основном в экономии времени на выездное обслуживание при необходимости замены модулей ввода-вывода, поскольку первоначальные затраты на проводку уже понесены. Мы рекомендуем оценивать модернизацию для каждого шкафа отдельно, исходя из ожидаемого оставшегося срока службы и исторической частоты отказов модулей ввода-вывода для данной конкретной модели оборудования.