5 nền tảng cơ bản của bảo trì và ứng dụng trong bảo trì điện – tự động

Trong các ngành công nghiệp, bảo trì và vận hành tốt là một trong những điều tiên quyết bảo đảm lợi nhuận của một nhà máy. Để bảo trì tốt cần các nền tảng cơ bản nhất. Nếu nhà máy của bạn chưa đạt được các nền tảng này, việc triển khai các công cụ cao cấp hơn (analytic, predictive maintenance) sẽ không có nhiều ý nghĩa.

• Phần chìm của tảng băng trong bảo trì
• Giải pháp thu thập dữ liệu, điều khiển và bảo trì bảo dưỡng trên cơ sở Cloud

Mình rất may mắn vì đã có 4 năm làm việc trong một nhà máy 20 năm tuổi mà toàn bộ hệ thống tăng hiệu suất từ 0.6 lên 0.85, với thời gian chết (downtime) giảm từ 10% xuống 1%, chi phí bảo trì bằng VND giảm 10% mỗi năm. Ưu điểm của nhà máy là áp dụng phương pháp TPM (Total Productive Maintenance) của Nhật, với sự hỗ trợ của tất cả các bộ phận. Tuy nhiên, trong khuôn khổ bài viết này, mình chia sẻ về hoạt động bảo trì phù hợp cho hầu hết các nhà máy.

5 nền tảng bảo trì gồm:

1/ Xây dựng hệ thống quản trị thiết bị theo tầng asset classification và BOM
2/ Spare parts management: quản lý vật tư thay thế
3/ Work order management + Planned maintenance: Quản lý hệ thống công việc+ bảo trì hệ thống
4/ Troubleshooting tool: công cụ xác định vấn đề
5/ Subject experts: chuyên gia

Trong bài viết này mình sẽ viết về hệ thống bảo trì cho người làm về điều khiển tự động. Những người làm trong mảng này thường rất ngại xây dựng hệ thống bảo trì, nhưng nếu như xây dựng ổn thì đến năm thứ 3,4 là có thể yên tâm.

1. Xây dựng hệ thống quản trị thiết bị theo tầng giá trị tài sản và cấu trúc chi phí

Một nhà máy có rất nhiều xưởng, mỗi xưởng lại có nhiều dây chuyền, mỗi dây chuyền có nhiều máy, mỗi máy có nhiều cụm thiết bị và mỗi cụm lại có nhiều vật tư cấu thành nó.

Hệ thống quản trị thiết bị cần được chia theo tầng (level), và tầng trên phụ thuộc tầng dưới. Cấp nhỏ nhất là BOM, sẽ nằm ở tầng (level) 5 hoặc 6

• Level 1: nhà máy (đối với công ty có nhiều nhà máy).
•Level 2: xưởng
• Level 3: phân xưởng
• Level 4: dây chuyền
• Level 5: máy
• Level 6: cụm thiết bị
• BOM: Thuộc level 5 hoặc 6

Thường với kỹ sư tự động sẽ quan tâm hơn ở level 5 hoặc 6 đối với từng máy. Trong level 5, bạn cần có được các tủ điện điều khiển. Trong level 6, bạn cần có các thiết bị được sử dụng nếu là hệ thống quá trình, đặt tên theo tag name.

Trong BOM, bạn cần có ít nhất:

• Toàn bộ hệ PLC (controller/io/communication card/chasis/terminal base). Nếu bạn dùng hệ thống chung của một hãng, phần này sẽ dùng chung được rất nhiều.
• Toàn bộ hệ Motion control (Servo driver + servo control) và biến tần (VSD/VFD)
• Toàn bộ thiết bị (chia riêng theo level 6)
• Toàn bộ HMI
• Các bộ nguồn đặc chủng
• Các board mạch được thiết kế riêng

Ở các nhà máy không xây dựng đủ hệ thống BOM thường khi máy hỏng mọi người sẽ chạy loạn đi tìm vật tư thay thế (spare parts), vì không biết trước được trong máy đó có gì. Nếu bạn có hệ thống quản lý vật tư thay thế đúng và có đủ BOM của thiết bị đó, bạn sẽ có luôn để thay thế, và giảm MTTR (mean time to repair) rất nhiều.

Đối với kỹ sư điện tự động, vấn đề này càng quan trọng vì thiết bị điện điện tử không phải muốn là có được và chế được. Bản thân mình từng bị áp lực rất nhiều trong năm đầu tiên do thiếu vật tư thay thế (bộ điều khiển chuyển động cho servo tốc độ cao) và phải cho dây chuyền đắp chiếu 12 tuần. Tổng thiệt hại do việc thiếu phương án dự phòng 300tr là gần 3 tỷ tiền nhân công thay thế cho máy đó.

Việc nữa là có đủ BOM của toàn bộ hệ thống một cách chính xác cũng sẽ giúp bạn biết được cấu trúc chi phí của nhà máy và phân bố nó cho phù hợp. Chi phí theo từng cụm, từng dây chuyền sẽ có thể được phân tích nhỏ, và giúp bạn đánh giá được việc đầu tư thời gian vào giảm chi phí dây chuyền nào sẽ đem lại hiệu quả cao hơn. Có đủ BOM toàn bộ nhà máy cũng sẽ giúp bạn tối ưu hoá được vật tư thay thế, và có thể sử dụng chung các vật tư đó khi cần.

Ở góc độ dùng chung toàn bộ nhà máy, bạn nên có trong BOM:
• CB các loại
• Solenoid van khí/thuỷ lực các loại
• Cầu chì các loại
• Terminal các loại

2. Hệ thống quản lý vật tư thay thế (spare parts)

Với kỹ sư điện tự động, mỗi thứ trong BOM ở mục 1 nên có một món.
Lý do rất đơn giản:

• Khi hỏng bạn không có hàng thay thì máy dừng, hoặc dây chuyền dừng, thậm chí xưởng dừng.
• Với các mặt hàng thuộc danh sách ở trên thời gian giao hàng sẽ rất dài. Máy càng cũ, hoặc hệ càng ít người dùng thì thời gian giao hàng càng cao. Trường hợp 3 tháng mình nói ở trên, ở châu Á có 3-4 máy, Việt Nam có đúng 1 máy. Thiết bị cao cấp, ít nhất là mất 3 tháng.
• Hỏng thì rất khó có thể tự sửa được. Nếu bạn thuê sửa được cũng không tin tưởng đem vào dây chuyền dùng lại trong thời gian dài được.

Thay vì cấm kỹ sư mua vật tư thay thế, các công ty lớn sẽ thường chọn chiến lược tối ưu hoá hơn là chấp nhận rủi ro của việc dừng dây chuyền 3 tháng.

Để tiết kiệm chi phí cho phần này, ở mảng điện tự động các công ty thường chọn chiến lược:

• Chọn specification theo một hãng để ít chi phí vật tư thay thế cho các máy gần giống nhau. Đây là lý do vì sao khi vào làm việc tại một công ty nước ngoài lớn, bạn thường thấy cả nhà máy chạy chung một hãng PLC. Lý do này ở phần sau còn thấy rõ nữa.
• Thực hiện các gói hợp đồng thuê vật tư thay thế để có sẵn 100% số lượng linh kiện cần thiết, và giảm áp lực chi phí vốn bỏ ra mua sắm (chôn vốn)

Ở góc độ kỹ sư thì để tối ưu hoá chi phí phần này, bạn có thể làm:

• Kiểm tra lại các vật tư có tên na ná nhau có phải là một hay không, nếu đúng thì giữ một là đủ
• Đối với IO, hoặc PLC, cùng một đời chỉ giữ một module có khả năng chứa lớn nhất. Ví dụ với Rockwell controllogix, nhà máy có L71, L61, L72, L63, L73,… thì chỉ cần giữ L73 là đủ.
• Đối với biến tần thì mỗi kích thước giữ một con lớn nhất, dùng chung.

Ví dụ trước mình dùng rất nhiều Powerflex 755, từ 4-> 7.5kW. Trong lúc xem xét về sức chứa, mình chỉ giữ loại 7.5kW full option để dự phòng. Nếu hỏng sẽ đặt đúng về thay, trả loại 7.5kW về lại kho.

3. Quản lý hệ thống công việc + bảo trì kế hoạch

Đối với bảo trì hệ thống, sẽ luôn gồm 2 phần là bảo trì corrective (sửa chữa) và preventive (bảo trì dự phòng).

Bạn có thể đợi cho hệ thống có lỗi để chạy bảo trì sửa chữa, và đây là tình huống người làm bảo trì điện tự động bị gọi nhiều nhất. Dĩ nhiên, không ai muốn nửa đêm bị “dựng dậy” vì tính huống đột xuất cả, và các bảo trì ngăn chặn thường.

Với vai trò của kỹ sư bảo trì, việc của bạn đối với bảo trì sửa chữa là làm theo ở bước 4 ( troubleshooting methodology) và lưu trữ đầy đủ thông tin ở hệ thống Work Order management. Từ thông tin lưu lại của hệ thống WO management, bạn có thể tìm ra sự lặp lại (pattern) và có thể phân tích, dự đoán, từ đó ít nhất đưa ra được kế hoạch thay thế/bảo dưỡng định kỳ nếu có.

Tuy nhiên, bạn có thể ngăn chặn bằng cách làm nhiều hơn bảo dưỡng dự phòng. Bạn sẽ hỏi, hệ thống điện tử thì nên bảo trì như thế nào? Sẽ có mấy dạng chính, đối với các thiết bị gồm:

Tủ điện – đảm bảo môi trường làm việc

• Kiểm tra nối đất
• Kiểm tra siết ốc
• Vệ sinh tủ, vệ sinh lọc
• Làm gọn dây
• Kiểm tra zoăng (seal) làm kín tủ
• Kiểm tra tình trạng hệ thống giải nhiệt nếu có (điều hoà, quạt)

PLC

• Back up chương trình thường xuyên
• Kiểm tra nếu có thay đổi
• Kiểm tra lỗi nếu có

HMI

• Back up chương trình thường xuyên
• Kiểm tra nếu có thay đổi
• Kiểm tra lỗi nếu có

Biến tần

• Vệ sinh theo quy định của nhà sản xuất
• Back up chương trình thường xuyên
• Kiểm tra nếu có lỗi nhỏ
• Biến tần được thiết kế cho 10 năm sử dụng. Sau 10 năm phần tự điện/IGBT sẽ có vấn đề và thường cần thay thế
• Thay quạt định kì
• Thay thế theo phần bảo trì dự phòng nếu có (Powerflex 755T đời mới có) Motion control (điều khiển motor servo) (servo motor+ servo driver + motion controller)
• Vệ sinh theo quy định của nhà sản xuất
• Back up chương trình thường xuyên
• Kiểm tra nếu có lỗi nhỏ
• Biến tần được thiết kế cho 10 năm sử dụng. Sau 10 năm phần tự điện/IGBT sẽ có vấn đề và thường cần thay thế
• Thay quạt định kì

Nguồn các loại

• Thay sau 10 năm. Lý do là tụ lỏng phần tiếp xúc tự nó sẽ giảm chất lượng, thường sau 10 năm là giảm mất 20-50% công suất. Khi không đáp ứng thì dòng ra sẽ có vấn đề dẫn đến hệ thống không ổn định.

Thiết bị đo lường:

• Triển khai hiệu chuẩn định kì theo yêu cầu, và trong quá trình triển khai thì vệ sinh bảo dưỡng theo yêu cầu nhà sản xuất.

Với các thao tác dành cho hệ của Rockwell liên quan tới chương trình, bạn có thể sử dụng phần mềm Factory Talk Asset Center để tự động upload, back up, so sánh chương trình. Nếu hệ thống có thiết bị sử dụng chuẩn HART và IO card HART, bạn có thể kết nối thiết bị để quản lý luôn.

Với nhà máy cỡ nhỏ, mình nghĩ bạn có thể hoàn toàn quản lý công việc liên quan qua excel hoặc một hệ thống nhắc việc nào đó. Đối với các tập đoàn lớn có sử dụng hệ ERP, có thể bạn đã nghe tới Maximo hoặc SAP Maintenance. Nếu bạn chưa có cái nào và muốn có hệ thống quản lý chuyên nghiệp dễ thiết lập thì có thể dùng Fiix

4. Troubleshooting tool

Về các công cụ giúp tìm nguyên nhân, các bạn có thể đọc về:
• Go-See-Think-Do
• Break Down Analysis
• Fishbone
• 5W1H
• PDCA

Về bản chất, đây là các công cụ giúp 1 người hệ thống hoá và làm việc cùng nhóm để giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, với mình thì khi động tới hệ thống điện tự động và hư hỏng của hệ thống, thường có mấy nguyên nhân như thế này để cho vào các công cụ trên. Theo kinh nghiệm cá nhân, nếu thiết bị hỏng thì 99% trong những nguyên nhân bên dưới:

• Nhiệt độ: nóng quá hoặc lạnh quá hoặc thay đổi thường xuyên. Thiết bị được thiết kế cho một giải nhiệt độ nào đấy, nóng quá nó không tản nhiệt được sẽ thay đổi tính chất hoá lý bên trong. Còn thay đổi thường xuyên (heat cycling) là cách trước đây mình từng làm A*STAR để kiểm tra xem bao lâu chip bị hỏng (Accelerated test). Mình đã từng nhìn thấy một tủ biến tần đặt ngoài trời cho hệ HVAC và chỉ lắp quạt. Đến khi trời nóng nhất thì hệ thống sẽ treo, và người trong nhà sẽ bị nóng quá mức.
• Độ ẩm/nước: Điện và nước không đi chung với nhau. Khuyến cáo nếu lắp khu có nước hoặc hơi ẩm thì tủ phải IP69K. Mình từng thấy thợ sửa chữa cầm vòi xịt thiết bị, và hướng về phía tủ. Từ đó, khi vệ sinh, tủ được cuốn thêm màng co.
• Rung lắc. Thiết bị điện điện tử không thích bị rung lắc, trừ khi thiết bị đó được thiết kế cho việc bị rung lắc. Mình từng thay không biết bao nhiêu công tắc của E&H cho hệ thống bồn chứa bị hỏng do bồn chứa có dùng búa gõ tạo rung chấn. Khi thay loại thiết bị điều khiển từ xa, tách rời bo bạch điện tử ra khỏi hệ thống thì việc này không bao giờ xảy ra nữa. Mình cũng từng có tủ máy, bị nối rung động với máy qua máng cáp. Mỗi khi máy lắc là tủ lắc. Và hơn chục con servo chạy cáp quang lắc, thi thoảng báo lỗi. Ngắt được nguồn rung ra, thay bộ điều khiển chuyển động mới, chạy êm 3 năm.
• Ăn mòn: môi trường của bạn nếu là ngành lốp xe, xử lý nước thải, tháp làm mát, hoá chất ăn mòn (acid), gần bờ biển có muối (dầu khí, hàng hải) thì chắc chắn một điều là hệ thống của bạn sẽ bị ăn mòn. Đồng và bạc sử dụng trong bo mạch rất kị với hoá chất ăn mòn, và nếu có ăn mòn xảy ra thì bo mạch sẽ hỏng. Xử lý bằng cách sử dụng thiết bị có conformal coating và IPX6 trở lên.

Tham khảo ví dụ cho ngành lốp xe:
https://www.youtube.com/watch?v=r1CBaKVNNZA&ab_channel=RockwellAutomation

• Các đặc tính điện năng: EMC, nhiễu, sóng hài, điện áp tăng (voltage surge), điện áp sụt, nối đất không tốt,… chỉ có sử dụng thiết bị kiểm soát chất lượng điện năng mới biết được, nhưng nếu xảy ra ngẫu nhiên, không hư hỏng thiết bị mà chỉ gây treo/lỗi/sai số thì bạn nên xem xét kiểm tra lại hệ thống nối đất, chống EMC, bảo hộ dây cáp tín hiệu và chất lượng điện năng.
• Lỗi do phần cơ khí/lắp đặt: Nhiều khi việc thiết bị điện tử báo lỗi, đặc biệt các lỗi liên quan tới tải là do thành phần cơ khí không phù hợp. Các lỗi liên quan tới đo đạc sai của thiết bị cũng phụ thuộc rất nhiều vào lắp đặt. Mình từng thấy một con lưu lượng kế hơi DN100 yêu cầu 10D đường ống chạy thẳng phía trước, và phía trước có 10D đường ống chạy thẳng thật, nhưng mà là DN80 theo ống phía trước, còn sau đó là cụm tăng giảm cắm thẳng vào lưu lượng kế.
• Tuổi thọ: nếu thiết bị đạt tới 10 năm tuổi thì bạn xác định là mình đang chuẩn bị vào giai đoạn đánh liều với các con tụ. Như mình nói ở trên, tụ thường sẽ giảm hiệu quả theo thời gian, và vì thế với các biến tần, và nguồn, sẽ giảm công suất thực tế. Khi quá công suất thì chất lượng dòng xuất ra sẽ không còn ổn định, và vì thế sẽ không đảm bảo được. Thường nếu chạy dưới tải (ví dụ 50%) thì tuổi thọ có thể lên gấp đôi, vì thế với các máy phát điện bạn nên để kích thước lớn hơn để yên tâm trong nhiều năm, còn với biến tần thì từ 10 năm nên đánh giá lại, đặc biệt với dòng biến tần rất cao (> 300kW). Lúc này, bạn nên thay thế các bộ nguồn, tụ, IGBT/SGBT. Với dòng Powerflex 755T thì có tính năng tự cảnh báo khi nào nên thay các thiết bị này dựa theo việc dùng thực tế.
• Lỗi nhà sản xuất: không tránh được việc thiết bị sản xuất có lỗi, và thường tỉ lệ lỗi rất nhỏ. Tuy nhiên, bạn cũng nên kiểm tra nếu nhà sản xuất có thông báo triệu hồi hoặc thông báo cảnh báo nếu lỗi có lỗi xảy ra xem có giống với lỗi của mình hay không

Dựa vào các lỗi thường thấy trên thì bạn cho vào các công cụ xử lý sự cố là có hướng đi để giải quyết vấn đề lỗi thiết bị điện điều khiển.

5. Chuyên gia (subject matter expert)

Bạn có 2 cách khi thiếu chuyên gia:

• Bỏ tiền ra để thuê đào tạo nội bộ. Mình từng làm cách này, mỗi năm kinh phí khoảng 10-15tr/nhân viên, và hoàn vốn của việc đầu tư này hoàn toàn xứng đáng. Hồi trước mình hay tổ chức các lớp học, thuê thầy về dạy tận công ty. Thời điểm này do Covid, có thể học online qua các công cụ học online. Không có tiền thì học qua youtube, có tiền thì mua hẳn chương trình học online có sự hỗ trợ kèm cặp của chuyên gia các hãng. Sau khi bỏ tiền ra đào tạo, bạn sẽ có khoảng 80% số công việc giải quyết được bởi người nội bộ.
• Khi có sự cố thì thuê chuyên gia của các hãng. Cách này về mặt ngắn hạn sẽ xử lý vấn đề, khi mà nhân viên chưa được đào tạo, nhưng về mặt chi phí sẽ cao hơn. Nên sử dụng với các hệ thống có yêu cầu kỹ thuật cao và rất cao (biến tần highhorse power/trung thế chẳng hạn). Đề xuất này sử dụng cho 20% công việc phức tạp, nguy hiểm và ít khi phải làm, cũng như khi chưa có chuyên gia nội bộ.

Hoàng Kim Hùng – Sales Account Manager
Rockwell Automation Việt Nam