Chociaż na pozór szafy sterownicze mogą wydawać się prostymi urządzeniami, to w rzeczywistości są one bardzo złożonym zespołem elementów i bywają niepowtarzalne, przez co ich u standaryzowanie staje się bardzo trudne. Od producentów szaf sterowniczych wymaga się, aby szafy te były odporne na trudne warunki środowiskowe oraz zasilały najważniejsze urządzenia w zakładach należących do ich klientów. Ponadto wymagania stawiane szafom elektrycznym zakładają szeroki zakres zastosowań i uniwersalność: muszą one spełniać standardy z zakresu elektryki, mechaniki i automatyki. To niezwykle wymagające i konkurencyjne środowisko kładzie silny nacisk na realizację zleceń w terminach i na wysokość marży. Praca producentów szaf sterowniczych nie należy do najłatwiejszych! W niniejszym dokumencie przedstawiono zarys wszystkich etapów procesu technologicznego projektowania szaf sterowniczych oraz opisano, w jaki sposób digitalizacja poszczególnych procesów może przyczynić się do ogólnego wzrostu produktywności. To z kolei umożliwi projektantom zwiększenie konkurencyjności i satysfakcji konsumentów. Koncepcja przemysłu 4.0 może zapewnić dodatkowe korzyści w takich etapach jak: przetargi, projektowanie, produkcja i testy. 

PRZETARG

Opis etapu

Z punktu widzenia firmy zajmującej się produkcją rozdzielnic, każdy z projektów rozpoczyna się od przetargu. Potencjalny klient, zazwyczaj dystrybutor, przesyła ogólny opis projektu. Może to być na przykład zakład uzdatniania wody, który będzie sterowany i zasilany za pomocą szafy sterowniczej. W zasadzie można to nazwać specyfikacja zamówienia.

W zamian dystrybutor oczekuje następujących informacji:

● Całkowity koszt projektu

● Wstępny projekt obiektu

● Wstępne zestawienie materiałów

Oprócz kosztorysu, ostatnie dwa punkty są kluczowe na etapie składania oferty, ponieważ to właśnie na ich podstawie klient może stwierdzić, czy przedstawiona oferta spełnia jego wymagania. W tym celu dział przetargowy ściśle współpracuje z działem projektowym, ponieważ często niezbędny jest wstępny projekt, aby ocenić ilość i typ urządzeń, które wchodzą w skład szafy. W praktyce można jedynie podać ile pomp, wentylatorów, silników lub grzałek zostało uwzględnionych w danym projekcie. Dział projektowy musi ustalić, jakiego typu aparatura będzie potrzebna do sterowania tymi wszystkimi urządzeniami w sposób gwarantujący bezpieczną obsługę oraz w jakiej zabudowie zostanie to wszystko umieszczone.

W wielu przypadkach etap ten nie jest taki prosty. Nierzadko zdarza się, że dział przetargowy otrzymuje mało sprecyzowane informacje, które stają się przyczyną konieczności kontaktu z klientem. To z kolei może okazać się czasochłonne i kosztowne.

Korzyści płynące z digitalizacji

Jednym z kluczowych, a zarazem najtrudniejszych procesów, na którym można zyskać dzięki digitalizacji, jest precyzyjne rozpoznanie potrzeb klienta. Aby uniknąć nieporozumień, można opracować znormalizowany schemat przepływu informacji pomiędzy działem przetargowym a potencjalnym klientem. Takie rozwiązanie zapewnia płynne przekazywanie wszystkich niezbędnych informacji już przy pierwszym spotkaniu. Tym samym radykalnie skraca czas potrzebny na gromadzenie brakujących informacji i niweluje ryzyko błędnej interpretacji wymagań klienta.

Często zdarza się, że dział przetargowy ściśle współpracuje z działem projektowym w celu sporządzenia wstępnej kalkulacji kosztów. Jeżeli wniosek klienta został sporządzony w znormalizowanej formie cyfrowej, wówczas można go błyskawicznie przeanalizować i przekazać do działu projektowego. Następnie dział ten dokona wstępnej analizy i prześle go z powrotem do działu przetargowego. Rozwiązanie to pozwala uniknąć niespójności i niedomówień na tym etapie. Tak przygotowana ocena projektu zawiera szereg istotnych informacji potrzebnych na etapie projektowania. Można ją ponownie wykorzystać, co skraca czas potrzebny na ponowne wprowadzenie danych po wygraniu przetargu. 

PROJEKT

Opis etapu

Po wygraniu przetargu można rozpocząć etap projektowy. Etap ten może zająć nawet 35% całego czasu przeznaczonego na realizację projektu. Krótko podsumowując, etap ten składa się z 3 punktów:

● Zaprojektowanie szafy elektrycznej spełniającej wszelkie wymagania.

● Przygotowanie dokumentacji na potrzeby etapu produkcji: szczegółowy widok szafy, szczegółowy schemat zasadniczy, zestawienie materiałów.

● Przygotowanie dokumentacji wymaganej do uruchomienia i serwisowania instalacji: poglądowy schemat montażowy, szczegółowy schemat zasadniczy, zestawienie materiałów.

Aby zrealizować te 3 punkty, po pierwsze należy sporządzić wielokreskowy schemat zasadniczy szafy. Podstawą do obliczeń projektowych jest wstępna analiza przeprowadzona na etapie przetargu, która zawiera ogólne zestawienie materiałów, z uwzględnieniem aparatury narzuconej przez klienta, oraz szczegółowy opis układu. Na podstawie tych informacji i posiadanej wiedzy projektant tworzy schemat zasilania i sterowania, który zawiera połączenia pomiędzy wszystkimi aparatami wchodzącymi w skład rozdzielnicy tj. wyłączniki, transformatory i sterowniki PLC. Jest to jedna z ważniejszych informacji, które przedstawia dział projektowy. Projektant instalacji elektrycznej zazwyczaj jest jedyną osobą, która wie, jak prawidłowo zasilić i zabezpieczyć pompy, wentylatory, silniki i inne urządzenia elektryczne w danym obiekcie. Na tym etapie zestawienie materiałów zawiera więcej szczegółów niż na etapie przetargu. Zawiera kody katalogowe oraz etykiety, które zostaną przyklejone na każde z urządzeń.

Dokumentacja musi zostać sporządzona we właściwy sposób zarówno na etapie produkcji, jak i przekazania do eksploatacji, dlatego projektant zazwyczaj wprowadza poprawki do schematu z uwzględnieniem ostatecznego rozmieszczenia rozdzielnic i listew zaciskowych. Projekt został przygotowany do rozpoczęcia produkcji, brakuje jedynie ostatniego, kluczowego kroku: akceptacji klienta. Po przedstawieniu ostatecznej wersji projektu i zatwierdzeniu go przez klienta, można rozpocząć produkcję.

Korzyści płynące z digitalizacji

Pierwszą czynnością wykonywaną przez projektanta jest przeniesienie danych pochodzących z etapu przetargu. W przypadku tradycyjnej metody wykonywania projektu, oznacza to ponowne wprowadzenie wszystkich danych, co często okazuje się czasochłonne. Jeśli dane zostały wprowadzone do systemu w formie cyfrowej i przekazane wszystkim działom, wówczas można od razu rozpocząć pracę nad projektem. Posiadamy wstępny schemat, listę najważniejszych urządzeń oraz opis projektowanego układu w formie schematu synoptycznego. Dodatkowym problemem może okazać się kwestia złożoności schematu rozdzielnicy, który może szybko osiągnąć pokaźną liczbę stron (czasami kilkaset). Taka objętość projektu znacząco zwiększa ryzyko przeoczenia lub powielenia schematu, co może być trudne do wychwycenia podczas kolejnych etapów. Oprogramowanie wspomagające projektowanie elektryczne może wspomóc automatyzację procesu kontroli zgodności schematów, np. sprawdzenie wystąpienia duplikatów lub sprawdzenie, czy etykiety produktów są prawidłowo przypisane (zgodnie z wymogami norm lub klienta). Dzięki temu rozwiązaniu, można poświęcić znacznie mniej czasu na opracowanie schematu ideowego, co przekłada się na wyższą jakość wykonania, a tym samym na dopracowanie instalacji pod kątem oczekiwań klienta. Na przykład: można poświęcić więcej czasu na zaprojektowanie układu rozdzielnicy (najlepiej w rzucie 3D), aby uzyskać efekt odzwierciedlający rzeczywisty wygląd rozdzielnicy. Opracowanie schematu ideowego oraz trójwymiarowego widoku rozdzielnicy prowadzi do stworzenia „cyfrowego bliźniaka”. Takie szczegóły mogą przynieść znaczący wzrost wydajności i umożliwić podjęcie odpowiednich kroków podczas kluczowych etapów przedsięwzięcia. Na przykład: projekt może zostać szybko sprawdzony i można do niego dodać uwagi i komentarze poprzez cyfrowy model projektu. W tych zaletach pominęliśmy jedną z najbardziej czasochłonnych części projektu: produkcję. W następnym rozdziale zobaczymy, jak niektóre rozwiązania mogą zostać zrealizowane za pomocą cyfrowego projektu. 

PRODUKCJA

Opis etapu

Po zaakceptowaniu ostatecznego projektu panelu przez klienta, można przystąpić do produkcji. Można podzielić ją na 5 etapów: logistyka, przygotowania techniczne, montaż elementów, prace elektryczne i okablowanie szafy.

Podstawową dokumentacją w przypadku klasycznego projektu jest dokumentacja techniczna, która zawiera zestawienie materiałów, schemat ideowy i rzut szafy w 2D. Zestawienie materiałów znajduje się w biurze zamówień w celu złożenia zamówienia na obudowy i urządzenia, których nie ma na magazynie lub które nie są zaliczane do materiałów eksploatacyjnych. Następnie zestawienie trafia do magazynu, gdzie logistyk przygotowuje wszystkie elementy potrzebne do tego projektu, a następnie dostarcza je do stanowiska montażowego na hali produkcyjnej.

Pozostałe czynności realizowane są w tym samym czasie. W rzeczywistości dokumentacja jest również wykorzystywana przez inżyniera zajmującego się mechaniką, który przygotowuje szafę do montażu. Wykorzystując jego doświadczenie i projekt, może on ocenić, ile szyn i korytek kablowych należy zamontować w rozdzielnicy. Po dokonaniu oceny należy wywiercić otwory pod płyty montażowe, drzwi, przyciąć szyny i korytka na odpowiednią długość. Jeśli dział projektowy jest w stanie przekazać rzut 2D z wymiarami, może to przyśpieszyć wiercenie i cięcie, niestety nie zawsze jest to możliwe.

Dane z dokumentacji są wykorzystywane do przygotowania wszystkich etykiet, które należy umieścić na urządzeniach. Pracownik hali produkcyjnej jest często odpowiedzialny za wpisywanie i drukowanie informacji zawartych w zestawieniu materiałów.

Na tym etapie rozdzielnica jest gotowa do zamontowania urządzeń elektrycznych. Na tym etapie pracownik techniczny często staje przed nie lada wyzwaniem: musi on posłużyć się zestawieniem materiałów i schematem lub rzutem 2D, który zwiera etykietę produktu i powiązany z nią numer części, aby odnaleźć dany element oznaczyć go i zamontować w odpowiednim miejscu. Ten proces może stanowić nawet do 23% czasu realizacji całego projektu. Oprócz tego elektryk musi zamontować listwę zaciskową i oznaczyć ją na podstawie schematu ideowego. Listwy zaciskowe same w sobie mogą być przyczyną wielu problemów. Łączą one rozdzielnicę z układem, który ma zasilać. Ze względu na uniwersalność tych części, istnieje szeroka gama konfiguracji, które można wykorzystać : zaciski piętrowe, mostki, które redukują ilość przewodów i separatory, które dzielą je na mniejsze grupy. Elektryk musi połączyć wiedzę z zakresu asortymentu producenta zacisków z ograniczeniami wynikającymi z rozmiarów rozdzielnicy. 

Po zamontowaniu urządzeń elektrycznych, rozdzielnica jest gotowa do podłączenia instalacji elektrycznej. W przypadku instalacji klasycznej bez oprogramowania komputerowego, długość przewodów nie jest wcześniej znana. W związku z tym przygotowanie okablowania i jego podłączenie wykonywane jest ręcznie. Z ogólnego punktu widzenia, na etapie podłączania przewodów obowiązują następujące wymogi:

● Należy rozpocząć od podłączenia wewnętrznego okablowania płyt montażowych lub drzwi.

● Następnie połączyć ze sobą płyty montażowe lub drzwi.

● Należy zawsze stosować się do poniższych kryteriów: zacząć od dużych przekrojów, ponieważ są to mało elastyczne żyły, które zajmują więcej miejsca w korytkach kablowych, podłączyć zaciski od dołu do góry (w przypadku zacisków piętrowych).

Elektryk otrzymuje schemat ideowy, musi przyciąć przewód do odpowiedniej długości, odizolować go, zacisnąć i oznaczyć. Szybko można zauważyć, że w tej fazie może wystąpić wiele błędów. Błędy te mogą okazać się kosztowne, ponieważ wykonanie okablowania stanowi do 49% całkowitego czasu produkcji szafy elektrycznej. Często jest to zrekompensowane przez wysoki poziom umiejętności i doświadczenia instalatora.

Po okablowaniu rozdzielnicy można przystąpić do etapu testów.

Korzyści płynące z digitalizacji

Dla przypomnienia, etap produkcji rozdzielnicy stanowi 28% całkowitego czasu realizacji projektu. Na przygotowania i montaż przypada 28% czasu tej fazy, a na okablowanie 49%.

Digitalizacja może przyczynić się do skrócenia tego czasu jednocześnie podnosząc jakość wykonania. Podstawą jest posiadanie w pełni cyfrowego projektu. I rzeczywiście, dzięki cyfrowemu procesowi projektowania, taki projekt zawiera wszystkie dane, które są niezbędne do stworzenia odpowiednich zestawień i dokumentacji.

Przykładowo, mówiliśmy o dziale logistyki przygotowującym części do montażu. Instrukcje montażu rozdzielnicy mogą zostać wprowadzone do projektu, dzięki czemu można wstępnie przygotować części do montażu według najbardziej optymalnej kolejności. Jeśli najlepszą opcją jest rozpoczęcie montażu od lewego górnego rogu płyty montażowej, to dlaczego nie przygotować części tak, aby monter rozdzielnicy otrzymał część od której powinien zacząć montaż? Jeśli połączymy to z automatycznym eksportem do drukarki etykiet, możemy wówczas zaoszczędzić czas i usprawnić etykietowanie urządzeń elektrycznych.

Podczas przygotowywań (klasyczny projekt) monter musi ocenić ilość szyn i korytek, a następnie wywiercić otwory w płytach montażowych, drzwiach i przyciąć szyny i korytka. I to z wysokim ryzykiem popełnienia błędów. Przy dobrze opracowanym projekcie cyfrowym, dane te będą zawarte w dokumentacji i nie będzie trzeba niczego dodawać. Ponadto ułatwia to automatyzację procesu wiercenia płyt montażowych i drzwi oraz cięcia szyn i korytek. Zautomatyzowanie tych czynności pozwala zaoszczędzić do 47% czasu.

Cyfrowy projekt nie tylko optymalizuje etap produkcji, ale także znacznie usprawnia montaż urządzeń w szafie. Rzeczywiście, instrukcje montażowe mogą zostać wykorzystane do zautomatyzowania czynności wykonywanych krok po kroku przez technika. W połączeniu z urządzeniami przygotowanymi przez dział logistyczny daje to ogromne możliwości zwiększenia wydajności i zmniejszenia liczby popełnianych błędów. Co więcej projekt ten może zostać wykorzystany do szybszego montażu i etykietowania listew zaciskowych poprzez integrację z programami do konfiguracji listew zaciskowych i wykorzystanie robotów montażowych.

Podobne korzyści można uzyskać w fazie podłączania urządzeń. Najpierw należy przygotować okablowanie. Okablowanie może zostać automatycznie wygenerowane na etapie projektowania, a następnie dodane do dokumentacji. Dane te mogą zostać wykorzystane do zautomatyzowania procesu cięcia, ściągania izolacji i zaciskania przewodów, dzięki czemu można zaoszczędzić do 80% czasu. Dodatkowo, jeżeli uwzględnimy stosowanie się do wymienionych powyżej zasad łączenia przewodów w rozdzielnicy, czyli zaciski należy najpierw łączyć od dołu, wpierw podłączać przewody o dużym przekroju itd., to przewody mogą zostać wstępnie uporządkowane przez elektryka, a okablowanie może zostać wykonane bez schematu, co pozwoli na uniknięcie błędów na tym etapie.

Ogólnie rzecz biorąc, cyfryzacja projektu może znacznie zwiększyć wydajność na etapie produkcji. Może to również pomóc producentom rozdzielnic w zarządzaniu zasobami ludzkimi. Szafy sterownicze są bardzo skomplikowanymi wyrobami do zaprojektowania i złożenia, ponieważ łączą one elementy elektryczne i mechaniczne. Znalezienie pracowników z takim zestawem umiejętności i odpowiednim doświadczeniem może stanowić niełatwe zadanie, ponieważ coraz trudniej znaleźć takich pracowników. Dane zawarte w cyfrowym projekcie mogą zostać wykorzystane do przyspieszenia produkcji i wyeliminowania wszystkich błędów. Jest to kluczowa sprawa, którą należy wziąć pod uwagę. 

TESTY

Opis etapu

Po zakończeniu montażu i okablowaniu, rozdzielnica musi przejść przez ostatni etap – kontroli. Proces ten jest często wykonywany w specjalnie wydzielonej części warsztatu przez pracowników, którzy nie posiadają jakiejkolwiek wiedzy na temat projektu, aby zapewnić jak największą obiektywność i bezstronność podczas testów. Testy te składają się z 2 kroków:

● Weryfikacja poprawności rozmieszczenia i oznaczenia komponentów rozdzielnicy pod kątem brakujących elementów oraz sprawdzenie poprawności funkcjonowania rozdzielnicy

● Weryfikacja poprawności połączeń poprzez wykonanie testów ciągłości i testów funkcjonalnych wybranych urządzeń, takich jak sterowniki PLC

Dokumentacja wykorzystywana przez testera jest bardzo podobna do dokumentacji używanej podczas produkcji. Zazwyczaj składa się z całego schematu, zestawienia materiałów, ogólnego widoku rozmieszczenia urządzeń i listy czynności do sprawdzenia.

Po pomyślnym przejściu testów, rozdzielnica może zostać wysłana i zamontowana na obiekcie klienta. Finalna wersja dokumentacji jest przekazywana administratorowi obiektu na wypadek przeprowadzenia prac konserwacyjnych.

Korzyści płynące z digitalizacji

Etap sprawdzania rozdzielnicy stanowi 17% całego czasu potrzebnego na ukończenie inwestycji. Korzyści płynące z pracy w cyfrowym środowisku mogą być ogromne. Jeśli można wykorzystać kopię fizycznego obiektu podczas produkcji i wspomagać pracowników technicznych podczas montażu szafy i łączenia przewodów, to przy niewielkich nakładach finansowych można otrzymać informację zwrotną z przebiegu poszczególnych etapów. Ponadto każdy etap prac montażowych może zostać cyfrowo podpisany przez pracownika, co pozwala na pominięcie niektórych etapów kontroli. Może się okazać, że w takim przypadku nie będzie konieczne sprawdzanie, czy wszystkie komponenty zostały prawidłowo rozmieszczone, ponieważ proces cyfrowy umożliwia wyeliminowanie pomyłek. Podsumowując, wdrożenie zdigitalizowanego procesu produkcji, który zawiera jednoznaczne instrukcje co do każdego z etapów produkcji, a także przewiduje weryfikację każdej operacji, może w znacznym stopniu ograniczyć konieczność wykonywania szczegółowych testów lub ograniczyć je do wyrywkowych kontroli.

WNIOSKI: CZY DIGITALIZACJA NIESIE ZE SOBĄ KORZYŚCI?

Spoglądając całościowo na każdy etap realizacji projektu szafy sterowniczej można łatwo zauważyć, że digitalizacja oferuje wiele korzyści. Pierwsza taka inwestycja lub mała zmiana przyzwyczajeń, musi zostać poczyniona podczas etapu przetargu i projektowania. Poprzez wdrożenie digitalizacji procesu, w którym bierze udział klient, dział przetargowy i dział projektowy, można szybko opracować szczegółową specyfikację rozdzielnicy. Wprowadzanie danych do programu ogranicza wystąpienia błędów podczas projektowania, a tym samym przyczynia się do poprawy jakości i konkurencyjności inwestycji. Korzyści płynące z tego tytułu mogą być naprawdę duże np. skrócenie czasu potrzebnego na etapie produkcji nawet o 49% oraz możliwość uporania się z problemem braku wykwalifikowanej kadry. Dlatego kolejnym krokiem powinna być ocena jaki pakiet rozwiązań należy wdrożyć, aby osiągnąć założone cele i wkroczyć w sferę automatyzacji oferowaną w przemyśle 4.0.