Thời gian đấu dây tủ PLC giảm đáng kể nhờ các khối đấu nối ray DIN có thể cắm rút với khoảng cách chân 5,08mm — Những lợi ích mà các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa công nghiệp đạt được về hiệu quả lắp ráp.

Hàm lượng lao động trong việc đấu dây bằng đầu nối vít truyền thống

Trong một tủ điều khiển PLC có độ phức tạp trung bình dùng cho máy đóng gói, hệ thống băng tải hoặc máy ép phun, thường có từ 600 đến 1200 đầu nối dây riêng lẻ. Mỗi đầu nối trên khối đấu dây xuyên suốt kiểu kẹp vít truyền thống yêu cầu: tước bỏ 8-10mm lớp cách điện ở đầu dây bằng dụng cụ tước vỏ dây đã được hiệu chuẩn, đưa dây đã tước vỏ vào lỗ đấu dây, siết chặt vít đến mô-men xoắn quy định (thường là 0,5-0,8 Nm cho dây 2,5mm² theo quy định của nhà sản xuất đầu nối), và kiểm tra kết nối bằng thử nghiệm kéo theo tiêu chuẩn IEC 60947-7-1. Chu trình tước vỏ - đưa dây vào - siết chặt - kiểm tra hoàn chỉnh mất từ ​​45 đến 90 giây cho mỗi dây tùy thuộc vào kinh nghiệm của kỹ thuật viên, khả năng tiếp cận vị trí đầu nối trong tủ có cấu hình dày đặc, và liệu việc đi dây có yêu cầu các bước quản lý cáp bổ sung hay không. Với trung bình 60 giây cho mỗi kết nối và 800 đầu nối mỗi tủ, chỉ riêng công việc đấu dây trực tiếp đã mất 800 phút — hơn 13 giờ cho mỗi tủ.

Điều này không bao gồm thời gian cần thiết để giải thích sơ đồ đấu dây và ánh xạ nó đến vị trí đầu nối vật lý. Sơ đồ đấu dây thể hiện các kết nối logic: "I0.0 → đầu nối X1:47." Kỹ thuật viên phải xác định vị trí đầu nối X1 trên thanh ray DIN, đếm đến vị trí 47 trong một hàng gồm 60-80 đầu nối trông giống hệt nhau, và cắm đúng dây. Với mật độ 60 đầu nối trên mỗi mét thanh ray DIN, việc phân biệt bằng mắt thường giữa đầu nối 47 và đầu nối 48 đòi hỏi sự tập trung cao độ vào từng kết nối. Tỷ lệ lỗi trong điều kiện sản xuất — nơi các kỹ thuật viên đấu dây tủ điện trong 7-8 giờ mỗi ca — là khoảng 2-5 lỗi đấu dây mỗi tủ điện trung bình, dựa trên dữ liệu chất lượng xưởng sản xuất bảng điều khiển mà tôi đã xem xét. Mỗi lỗi mất 15-45 phút để chẩn đoán và sửa chữa trong quá trình kiểm tra chức năng, làm tăng thêm 30-225 phút thời gian làm lại cho mỗi tủ điện. Những lỗi này hầu như hoàn toàn là do bước ánh xạ thủ công — ngón tay của kỹ thuật viên chạm vào đúng dây nhưng sai vị trí đầu nối — và chúng thực sự không thể loại bỏ chỉ bằng đào tạo hoặc kỷ luật quy trình.

Mô hình kết nối rời: Kết thúc tại bộ dây dẫn, không phải tại tủ điện.

Các khối đấu nối có thể tháo rời thay đổi hoàn toàn mô hình đấu dây cơ bản từ đấu nối trong tủ sang đấu nối tại bó dây. Thay vì đưa từng dây riêng lẻ vào tủ và đấu nối từng dây vào vị trí đầu cuối được chỉ định trên thanh ray DIN, nhà sản xuất bảng điều khiển sẽ nhận được các bó dây đã được lắp ráp sẵn với các đầu nối có thể tháo rời đã được đấu nối vào đầu dây. Khối đầu nối — một phích cắm 2-24 vị trí với khoảng cách chân 5,08mm — khớp với một đầu nối cố định được gắn trên thanh ray DIN. Nhiệm vụ của nhà sản xuất tủ chuyển từ việc đấu nối 800 dây riêng lẻ sang việc cắm 20-40 khối đầu nối đã được lắp ráp sẵn vào các đầu nối tương ứng.

Đây là một mô hình lắp ráp hoàn toàn khác biệt, với những tác động vượt xa việc tiết kiệm nhân công trực tiếp. Công việc đấu dây đòi hỏi độ chính xác cao và dễ xảy ra lỗi được chuyển lên giai đoạn sản xuất bó dây, nơi nó có thể được thực hiện trên bàn làm việc với điều kiện ánh sáng tốt hơn, với khả năng tiếp cận không bị cản trở đến các mặt đầu nối, và – điều quan trọng – với thiết bị kiểm tra bó dây tự động để xác minh mọi kết nối về tính liên tục, việc gán chân chính xác và điện trở cách điện trước khi bó dây được vận chuyển đến xưởng lắp ráp bảng điều khiển. Hệ thống kiểm tra bó dây sử dụng máy kiểm tra tự động Cirris hoặc tương tự có thể xác minh cụm đầu nối 50 vị trí trong vòng chưa đầy 30 giây và tạo ra báo cáo thử nghiệm đóng vai trò là bằng chứng chất lượng khách quan cho việc kiểm tra đầu vào của xưởng lắp ráp bảng điều khiển. Sự thay đổi nằm ở chỗ từ việc tin tưởng vào sự chú ý của kỹ thuật viên sang tin tưởng vào phép đo khách quan của thiết bị kiểm tra.

Việc tiết kiệm thời gian là rất đáng kể và đã được chứng minh rõ ràng trong việc lắp ráp bảng điều khiển công nghiệp. Một khối kết nối với 12 dây đã được đấu nối sẵn cắm vào đầu nối ray DIN chỉ trong 5-10 giây — thời gian cần thiết để căn chỉnh đầu nối với đầu nối, đẩy vào cho đến khi lẫy khóa khớp với tiếng tách, và xác nhận bằng mắt thường bằng cách kiểm tra xem mặt đầu nối có khớp với mặt đầu nối hay không. Một khối đấu nối vít truyền thống 12 vị trí cần 12-18 phút để đấu nối trong tủ điện. Phương pháp cắm rút giúp giảm thời gian này xuống dưới 30 giây cho thao tác phía tủ điện — giảm hơn 95% nhân công phía tủ điện cho 12 kết nối đó. Trên một tủ điện 800 kết nối với các đầu nối cắm rút, thời gian đấu dây phía tủ điện giảm từ hơn 13 giờ xuống còn khoảng 2-3 giờ. Thời gian lắp ráp bó dây đã đấu nối, được thực hiện tại bàn làm việc, cộng thêm 4-6 giờ, cho thấy tổng mức giảm 35-45% về nhân công đấu dây.

Loại bỏ lỗi thông qua sơ đồ chân cố định

Lợi ích kinh tế quan trọng nhất của các khối đấu nối có thể tháo rời có lẽ không phải là tiết kiệm nhân công mà là việc gần như loại bỏ hoàn toàn các lỗi gán dây. Khi nhà sản xuất dây dẫn chế tạo đầu nối 12 vị trí với các dây ở vị trí từ 1 đến 12, sơ đồ chân cắm được cố định về mặt vật lý. Người lắp ráp bảng điều khiển không thể cắm nhầm dây vào vị trí 7 vì dây cho vị trí 7 đã được nối sẵn trong đầu nối ở vị trí 7 và không thể di chuyển mà không cần cắt và nối lại. Thao tác lắp ráp duy nhất trong tủ điện là cắm đầu nối vào đúng đầu cắm, được dán nhãn với mã nhận dạng đầu nối (ví dụ: "X101") khớp với cả sơ đồ đấu dây và nhãn vật lý trên thân đầu nối phía dây dẫn.

Sự chuyển đổi từ việc kiểm tra từng dây sang kiểm tra từng đầu nối về cơ bản làm thay đổi hồ sơ phát hiện lỗi. Trong một tủ điện có dây nối điểm-điểm truyền thống, mỗi một trong số 800 kết nối phải được kiểm tra riêng lẻ so với sơ đồ đấu dây — một quy trình xác minh cần 4-6 giờ và chịu cùng tỷ lệ lỗi do con người như hệ thống dây điện ban đầu. Với các đầu nối cắm được, quá trình xác minh được giảm xuống còn: (1) xác nhận rằng bộ dây dẫn đã được kiểm tra tính liên tục và sơ đồ chân tại nhà sản xuất bộ dây dẫn và báo cáo kiểm tra có sẵn, và (2) xác nhận mỗi đầu cắm của đầu nối được cắm vào đúng đầu nối bằng cách kiểm tra trực quan nhãn so với bản vẽ bố trí tủ điện. Bước 2 mất 10-15 phút cho 30 đầu nối. Tổng thời gian xác minh giảm từ 4-6 giờ xuống dưới một giờ. Tỷ lệ lỗi đấu dây giảm từ 2-5 lỗi mỗi tủ xuống gần bằng không vì sơ đồ chân được thực thi vật lý bởi đầu nối — không có quyết định nào của người vận hành về việc dây nào đi vào đâu, chỉ cần đối chiếu trực quan giữa hai nhãn.

Cái UL 508A tiêu chuẩn cho bảng điều khiển công nghiệp và IEC 61439 Đối với các cụm thiết bị đóng cắt và điều khiển điện áp thấp, cả hai tiêu chuẩn đều đề cập đến công nghệ kết nối cắm được như một phương tiện để cải thiện chất lượng đấu dây tại nhà máy. Tiêu chuẩn UL 508A cho phép sử dụng các đầu nối cắm được như một phương pháp đấu dây chấp nhận được, miễn là đầu nối đó được liệt kê cho ứng dụng đó và định mức điện áp/dòng điện nằm trong thông số kỹ thuật của nhà sản xuất đầu nối.

Dịch vụ tại hiện trường: Nơi lợi nhuận đầu tư được nhân lên gấp bội

Việc tiết kiệm thời gian lắp ráp là lý do chính đáng để sử dụng các khối đấu nối cắm được tại xưởng sản xuất bảng điều khiển; còn việc tiết kiệm chi phí dịch vụ tại hiện trường mới là yếu tố giúp tăng tốc lợi tức đầu tư (ROI) vượt xa sự biện minh ban đầu cho việc mua sắm. Khi một mô-đun I/O bị lỗi trong tủ PLC được đấu dây bằng các đầu nối vít truyền thống, quy trình dịch vụ tại hiện trường sẽ tốn rất nhiều thời gian: chụp ảnh hoặc dán nhãn cho từng dây được kết nối với mô-đun bị lỗi (10-30 phút, tùy thuộc vào mật độ dây và chất lượng nhãn hiện có), ngắt kết nối tất cả 20-40 dây riêng lẻ (5-15 phút), tháo mô-đun bị lỗi và lắp đặt mô-đun thay thế (5-10 phút), đấu nối lại tất cả các dây vào các đầu nối chính xác trên mô-đun thay thế trong khi tham khảo ảnh hoặc nhãn đã chụp ở bước 1 (20-45 phút), và xác minh mọi kết nối (5-10 phút). Tổng thời gian thực hiện: 45-105 phút làm việc của kỹ thuật viên lành nghề, trong thời gian đó máy móc sản xuất không hoạt động.

Với các đầu nối cắm rút, quy trình được rút gọn thành: rút khối đầu nối khỏi mô-đun bị lỗi (5 giây), tháo mô-đun bị lỗi và lắp mô-đun thay thế (5-10 phút), và cắm khối đầu nối vào mô-đun thay thế (5 giây). Không có dây nào bị ngắt kết nối. Không có dây nào cần được đấu nối lại. Không cần xác minh bất kỳ kết nối nào vì cùng một đầu nối với cùng các dây dẫn ở cùng vị trí chân cắm giờ đây được cắm vào một mô-đun thay thế giống hệt. Tổng thời gian — dưới 10 phút, chủ yếu là do việc thay thế mô-đun cơ khí và khởi tạo lại PLC — giảm 80-90% so với quy trình truyền thống. Trong các ngành công nghiệp mà chi phí thời gian ngừng hoạt động của máy móc là 500-5.000 USD/giờ (dây chuyền lắp ráp ô tô, đóng gói thực phẩm và đồ uống, sản xuất dược phẩm, chế tạo chất bán dẫn), sự khác biệt giữa sửa chữa 90 phút và sửa chữa 10 phút giúp tiết kiệm 650-7.500 USD chi phí thời gian ngừng hoạt động cho mỗi lần lỗi mô-đun I/O. Trong suốt vòng đời hoạt động 10-15 năm của một máy móc với việc thay thế 3-6 mô-đun I/O, chỉ riêng khoản tiết kiệm chi phí bảo trì tại chỗ đã có thể vượt quá chi phí gia tăng của các khối đầu cuối cắm được gấp 3-5 lần.

Kinh tế chi phí trên mỗi kết nối

Ở cấp độ linh kiện, một khối đấu nối xuyên mạch kiểu vít kẹp 2 vị trí truyền thống có giá khoảng 0,30-0,60 USD/vị trí với số lượng lớn (5.000 vị trí trở lên). Một hệ thống khối đấu nối 5,08mm có thể cắm được — bao gồm đầu nối gắn trên thanh ray DIN và đầu nối cắm phía dây dẫn — có giá khoảng 0,80-1,50 USD/vị trí. Chi phí chênh lệch giữa linh kiện và vật liệu là khoảng 0,50-1,00 USD/vị trí, tương đương với 400-800 USD chi phí vật liệu bổ sung cho một tủ điện 800 vị trí.

Tuy nhiên, chi phí linh kiện chỉ là một khoản mục. Mức lương nhân công lắp ráp trọn gói cho một xưởng sản xuất bảng điều khiển ở Bắc Mỹ hoặc Tây Âu là 35-55 USD/giờ. Tiết kiệm nhân công cho mỗi kết nối — khoảng 30-50 giây — tương đương với 0,29-0,76 USD/kết nối với mức lương này. Sử dụng điểm giữa của mỗi khoảng giá, khoản chênh lệch 0,75 USD giữa chi phí linh kiện được bù đắp bởi 0,50 USD tiết kiệm nhân công, để lại khoản chênh lệch ròng là 0,25 USD/vị trí — hoặc 200 USD cho một tủ điện 800 vị trí. Khi tính cả chi phí bảo trì tại hiện trường, giảm thời gian kiểm tra chức năng và loại bỏ các khiếu nại về dây dẫn bảo hành, tổng chi phí sở hữu sẽ nghiêng hẳn về phía các đầu nối cắm được sau 1-2 năm vận hành thực tế.