Die Verdrahtungszeit für SPS-Schaltschränke sinkt deutlich durch steckbare DIN-Schienenklemmen mit 5,08 mm Rastermaß – welche Vorteile OEMs im Bereich der industriellen Automatisierung hinsichtlich der Montageeffizienz haben

Der Arbeitsaufwand bei der herkömmlichen Schraubklemmenverdrahtung

In einem SPS-Steuerschrank mittlerer Komplexität für Verpackungsmaschinen, Fördersysteme oder Spritzgießmaschinen befinden sich typischerweise 600 bis 1200 einzelne Drahtanschlüsse. Jeder Anschluss an einer herkömmlichen Schraubklemmenleiste erfordert folgende Schritte: Abisolieren von 8–10 mm der Drahtisolierung mit einem kalibrierten Abisolierwerkzeug, Einführen des abisolierten Drahtes in die Klemmenöffnung, Anziehen der Schraube mit dem vom Klemmenhersteller vorgegebenen Drehmoment (typischerweise 0,5–0,8 Nm für 2,5 mm² Drahtquerschnitt) und Überprüfung der Verbindung mittels Zugprüfung nach IEC 60947-7-1. Der gesamte Zyklus aus Abisolieren, Einführen, Anziehen und Prüfen dauert je nach Erfahrung des Technikers, Zugänglichkeit der Klemmenposition im dicht bestückten Schaltschrank und dem erforderlichen zusätzlichen Kabelmanagement 45–90 Sekunden pro Draht. Bei durchschnittlich 60 Sekunden pro Verbindung und 800 Anschlüssen pro Schrank beträgt der Arbeitsaufwand für die direkte Verdrahtung allein 800 Minuten – über 13 Stunden pro Schrank.

Dies beinhaltet nicht die Zeit, die für die Interpretation des Verdrahtungsplans und dessen Zuordnung zu den physischen Klemmenpositionen benötigt wird. Ein Verdrahtungsplan zeigt logische Verbindungen: „I0.0 → Klemme X1:47“. Der Techniker muss Klemme X1 auf der DIN-Schiene lokalisieren, in einer Reihe von 60–80 identisch aussehenden Klemmen bis zur Position 47 zählen und den richtigen Draht anschließen. Bei einer Dichte von 60 Klemmen pro Meter DIN-Schiene erfordert die visuelle Unterscheidung zwischen Klemme 47 und Klemme 48 höchste Aufmerksamkeit bei jeder einzelnen Verbindung. Die Fehlerrate unter Produktionsbedingungen – wo Techniker 7–8 Stunden pro Schicht Schaltschränke verdrahten – liegt laut den von mir ausgewerteten Qualitätsdaten der Schaltschrankfertigung bei durchschnittlich 2–5 Verdrahtungsfehlern pro Schaltschrank. Die Diagnose und Behebung jedes Fehlers während der Funktionsprüfung dauert 15–45 Minuten, was zusätzliche Nacharbeitszeit von 30–225 Minuten pro Schaltschrank bedeutet. Diese Fehler sind fast ausschließlich auf den manuellen Zuordnungsschritt zurückzuführen – die Finger des Technikers landeten zwar auf dem richtigen Draht, aber an der falschen Anschlussstelle – und lassen sich praktisch nicht allein durch Schulungen oder die Einhaltung der Prozessvorgaben beseitigen.

Das Steckparadigma: Anschluss am Kabelbaum, nicht am Gehäuse

Steckbare Klemmenblöcke verändern das grundlegende Verdrahtungsprinzip von der Einzelanschlussstelle im Schaltschrank zur Anschlussstelle am Kabelbaum. Anstatt einzelne Drähte in den Schaltschrank zu führen und jeden einzelnen an der vorgesehenen Klemmenposition auf der DIN-Schiene anzuschließen, erhält der Schaltschrankbauer vorkonfektionierte Kabelbäume mit bereits an den Drahtenden angebrachten Steckverbindern. Der Steckverbinderblock – ein 2-24-poliger Stecker mit 5,08 mm Rastermaß – passt in eine feste Stiftleiste auf der DIN-Schiene. Die Aufgabe des Schaltschrankbauers reduziert sich somit von 800 einzelnen Drahtanschlüssen auf das Einstecken von 20 bis 40 vorkonfektionierten Steckverbinderblöcken in die entsprechenden Stiftleisten.

Dies ist ein grundlegend anderes Montageverfahren mit weitreichenden Folgen, die weit über die direkten Arbeitskosteneinsparungen hinausgehen. Die hochpräzise und fehleranfällige Verdrahtung wird in die Kabelbaumfertigung verlagert. Dort kann sie an einem Arbeitsplatz unter besseren Lichtverhältnissen, mit freiem Zugang zu den Steckverbindern und – ganz entscheidend – mit automatisierten Kabelbaumprüfgeräten durchgeführt werden. Diese überprüfen jede Verbindung auf Durchgang, korrekte Pinbelegung und Isolationswiderstand, bevor der Kabelbaum an die Schaltschrankfertigung geliefert wird. Ein Kabelbaumprüfsystem mit einem Cirris oder einem vergleichbaren automatisierten Prüfgerät kann eine 50-polige Steckverbinderbaugruppe in weniger als 30 Sekunden prüfen und einen Prüfbericht erstellen, der als objektiver Qualitätsnachweis für die Wareneingangskontrolle der Schaltschrankfertigung dient. Der Wandel geht vom Vertrauen auf die Sorgfalt des Technikers hin zum Vertrauen auf die objektive Messung der Prüfgeräte.

Die Zeitersparnis ist erheblich und im Schaltschrankbau gut dokumentiert. Ein Anschlussblock mit 12 vorkonfektionierten Drähten lässt sich in 5–10 Sekunden in die DIN-Schiene einstecken – so lange dauert es, den Stecker auszurichten, ihn bis zum hörbaren Einrasten der Verriegelung einzudrücken und den korrekten Sitz visuell zu überprüfen. Ein herkömmlicher Schraubklemmenblock mit 12 Anschlüssen benötigt 12–18 Minuten für die Montage im Schaltschrank. Mit steckbaren Steckverbindern verkürzt sich diese Zeit auf unter 30 Sekunden – eine Reduzierung des Arbeitsaufwands um über 95 % für diese 12 Verbindungen. Bei einem Schaltschrank mit 800 Anschlüssen sinkt die Verdrahtungszeit von über 13 Stunden auf ca. 2–3 Stunden. Die Montage des fertigen Kabelbaums am Arbeitsplatz dauert zusätzlich 4–6 Stunden, was eine Nettoersparnis von 35–45 % beim gesamten Verdrahtungsaufwand bedeutet.

Fehlerbeseitigung durch feste Pinbelegung

Der wirtschaftlich bedeutendste Vorteil von steckbaren Klemmenblöcken liegt möglicherweise nicht in der Arbeitsersparnis, sondern in der nahezu vollständigen Vermeidung von Verdrahtungsfehlern. Wenn ein Kabelbaumhersteller einen 12-poligen Stecker mit Drähten in den Positionen 1 bis 12 fertigt, ist die Pinbelegung fest vorgegeben. Der Schaltschrankbauer kann nicht versehentlich den falschen Draht in Position 7 einstecken, da dieser bereits im Stecker an Position 7 angeschlossen ist und nur durch Durchtrennen und erneutes Anschließen verändert werden kann. Der einzige Montageschritt im Schaltschrank besteht darin, den Stecker in die richtige Stiftleiste zu stecken. Diese ist mit der Steckerkennung (z. B. „X101“) versehen, die sowohl dem Verdrahtungsplan als auch der Beschriftung am Steckergehäuse entspricht.

Diese Umstellung von der Prüfung einzelner Drähte auf die Prüfung einzelner Steckverbinder verändert das Fehlererkennungsprofil grundlegend. In einem herkömmlichen, punktverdrahteten Schaltschrank muss jede der 800 Verbindungen einzeln anhand des Verdrahtungsplans geprüft werden – ein Prüfprozess, der 4–6 Stunden in Anspruch nimmt und der gleichen Fehlerquote wie die ursprüngliche Verdrahtung unterliegt. Mit Steckverbindern reduziert sich die Prüfung auf: (1) Sicherstellen, dass der Kabelbaum beim Hersteller auf Durchgang und Pinbelegung geprüft wurde und der Prüfbericht vorliegt, und (2) Sicherstellen, dass jeder Stecker im richtigen Header steckt, indem die Beschriftung visuell mit dem Schaltschrankplan abgeglichen wird. Schritt 2 dauert bei 30 Steckverbindern 10–15 Minuten. Der gesamte Prüfaufwand sinkt von 4–6 Stunden auf unter eine Stunde. Die Fehlerquote bei der Verdrahtung sinkt von 2–5 pro Schaltschrank auf nahezu null, da die Pinbelegung durch den Steckverbinder vorgegeben ist – es gibt keine Entscheidung des Bedieners darüber, welcher Draht wohin gehört, sondern nur einen visuellen Abgleich zweier Beschriftungen.

Der UL 508A Standard für industrielle Schaltschränke und IEC 61439 Sowohl bei Niederspannungs-Schaltanlagen als auch bei Steuergeräten wird die Steckverbindungstechnik als Mittel zur Verbesserung der werkseitigen Verdrahtungsqualität erwähnt. UL 508A erlaubt Steckverbinder ausdrücklich als zulässige Verdrahtungsmethode, sofern der Steckverbinder für die Anwendung zugelassen ist und die Spannungs-/Stromwerte den Spezifikationen des Herstellers entsprechen.

Außendienst: Wo sich der ROI vervielfacht

Die Zeitersparnis bei der Montage rechtfertigt den Einsatz von steckbaren Klemmenblöcken in der Schaltschrankfertigung; die Einsparungen im Kundendienst sorgen dafür, dass sich die Investition deutlich schneller amortisiert als die anfängliche Anschaffung. Fällt ein E/A-Modul in einem SPS-Schaltschrank mit herkömmlichen Schraubklemmen aus, ist der Kundendienst extrem zeitaufwendig: Jede am defekten Modul angeschlossene Leitung muss fotografiert oder beschriftet werden (10–30 Minuten, abhängig von der Leitungsdichte und der Qualität der vorhandenen Beschriftung). Anschließend müssen alle 20–40 einzelnen Leitungen getrennt werden (5–15 Minuten). Das defekte Modul muss ausgebaut und das Ersatzmodul eingesetzt werden (5–10 Minuten). Danach müssen alle Leitungen am Ersatzmodul anhand der in Schritt 1 erstellten Fotos oder Beschriftungen wieder an die richtigen Klemmen angeschlossen werden (20–45 Minuten). Abschließend muss jede Verbindung überprüft werden (5–10 Minuten). Der gesamte Zeitaufwand beträgt 45–105 Minuten für die Arbeit eines qualifizierten Technikers, während der die Produktionsmaschine stillsteht.

Mit steckbaren Steckverbindern reduziert sich der Vorgang auf Folgendes: Steckerblock vom defekten Modul abziehen (5 Sekunden), defektes Modul ausbauen und Ersatzmodul einsetzen (5–10 Minuten) und Steckerblock in das Ersatzmodul einstecken (5 Sekunden). Es müssen keine Kabel getrennt oder neu angeschlossen werden. Da derselbe Stecker mit denselben Kabeln an denselben Pin-Positionen in ein identisches Ersatzmodul gesteckt wird, ist keine Überprüfung der Verbindungen erforderlich. Die Gesamtzeit – unter 10 Minuten, hauptsächlich für den mechanischen Modultausch und die SPS-Neuinitialisierung – bedeutet eine Reduzierung um 80–90 % gegenüber dem herkömmlichen Verfahren. In Branchen, in denen Maschinenstillstand 500–5.000 US-Dollar pro Stunde kostet (Automobilmontage, Lebensmittel- und Getränkeverpackung, pharmazeutische Produktion, Halbleiterfertigung), spart die Differenz zwischen einer 90-minütigen und einer 10-minütigen Reparatur 650–7.500 US-Dollar an Ausfallkosten pro E/A-Modulausfall. Über die 10-15-jährige Lebensdauer einer Maschine mit 3-6 I/O-Modulwechseln können allein die Einsparungen im Außendienst die Mehrkosten der steckbaren Klemmenblöcke um das 3- bis 5-Fache übersteigen.

Kostenökonomie pro Verbindung

Auf Komponentenebene kostet eine herkömmliche 2-polige Schraubklemmenleiste bei größeren Stückzahlen (ab 5.000 Stück) ca. 0,30–0,60 USD pro Position. Ein steckbares 5,08-mm-Klemmensystem – bestehend aus DIN-Schienen-Stiftleiste und Steckverbinder für den Kabelbaum – kostet ca. 0,80–1,50 USD pro Position. Der höhere Komponentenpreis von 0,50–1,00 USD pro Position bedeutet bei einem Schaltschrank mit 800 Positionen zusätzliche Materialkosten von 400–800 USD.

Die Komponentenkosten sind jedoch nur ein Kostenfaktor. Der Stundensatz für die Montage in einem Schaltschrankbaubetrieb in Nordamerika oder Westeuropa beträgt 35–55 USD. Die Zeitersparnis pro Verbindung – etwa 30–50 Sekunden – entspricht bei diesen Stundensätzen 0,29–0,76 USD. Ausgehend von den Mittelwerten der jeweiligen Spanne wird der Komponentenaufschlag von 0,75 USD durch die Zeitersparnis von 0,50 USD kompensiert, sodass ein Nettoaufschlag von 0,25 USD pro Steckplatz – oder 200 USD bei einem 800-Steckplatz-Schrank – verbleibt. Berücksichtigt man die Einsparungen im Kundendienst, die reduzierte Testzeit und den Wegfall von Gewährleistungsansprüchen für die Verkabelung, verschiebt sich die Gesamtbetriebskostenrechnung bereits nach ein bis zwei Jahren Betrieb deutlich zugunsten von Steckverbindern.