Zwiększenie bezpieczeństwa funkcjonalnego dzięki modułom przekaźnikowym

Bezpieczeństwo funkcjonalne ma kluczowe znaczenie dla współczesnych systemów przemysłowych, gwarantując bezpieczne działanie maszyn i procesów, nawet w przypadku wystąpienia błędów lub awarii. Kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa funkcjonalnego odgrywają moduły przekaźnikowe, oferując niezawodny mechanizm regulacji obwodów elektrycznych. W artykule skupiono się na grupie produktów SAFESERIES firmy Weidmüller oraz przyjrzano się znaczeniu modułów przekaźnikowych w kontekście bezpieczeństwa funkcjonalnego, podkreślając ich podstawowe cechy i dostarczając wskazówek dotyczących optymalnego doboru i wykorzystania.

Zaspokajanie potrzeb w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego

Przekaźniki elektromechaniczne są powszechnie stosowane do sterowania obwodami elektrycznymi dużej mocy za pomocą sygnałów niskiej mocy. Działają one jak przełączniki, przepuszczając lub zatrzymując przepływ prądu w zależności od statusu sygnału wejściowego. Moduły przekaźnikowe są wykorzystywane w zastosowaniach bezpieczeństwa funkcjonalnego, aby zapewnić niezawodne działanie krytycznych funkcji bezpieczeństwa i zminimalizować potencjalne zagrożenia. Oto kilka najważniejszych aspektów modułów przekaźnikowych z punktu widzenia bezpieczeństwa funkcjonalnego:

• Redundancja: to jedna z podstawowych zasad bezpieczeństwa funkcjonalnego, która wymaga, aby wiele niezależnych komponentów wykonywało tę samą, krytyczną dla bezpieczeństwa funkcję. Moduły przekaźnikowe są często konfigurowane redundantnie, aby zapewnić bezpieczną pracę systemu nawet w przypadku awarii jednego z przekaźników.
• Konstrukcja bezpieczna w razie awarii: moduły przekaźnikowe są zwykle zaprojektowane tak, aby w razie awarii przechodziły w stan bezpieczny; jeśli przekaźnik ulegnie awarii lub utraci zasilanie, przejdzie on domyślnie w stan zapewniający bezpieczeństwo systemu. Na przykład uszkodzenie przekaźnika w obwodzie odpowiedzialnym za awaryjne zatrzymywanie maszyny powinno spowodować natychmiastowe zatrzymanie maszyny.
• Diagnostyka i monitorowanie: funkcje te są zintegrowane z zaawansowanymi modułami przekaźnikowymi i pozwalają systemowi na wykrywanie usterek lub nieprawidłowego działania w przekaźniku oraz inicjowanie odpowiednich reakcji, takich jak alarmy o usterkach lub przełączenie na przekaźnik redundantny.
• Niezawodność i wytrzymałość: moduły przekaźnikowe są dobrze znane ze swojej trwałości i niezawodności. Są w stanie wytrzymać ekstremalne warunki środowiskowe, wahania temperatury i naprężenia mechaniczne, dzięki czemu mogą być używane w wymagających warunkach przemysłowych.
• Niska latencja: czas reakcji ma ogromne znaczenie w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa. W zastosowaniach, w których dla zapewnienia bezpieczeństwa personelu i sprzętu wymagany jest krótki czas reakcji, preferowane są moduły przekaźnikowe.

Podczas wdrażania modułów przekaźnikowych w zastosowaniach bezpieczeństwa funkcjonalnego należy wziąć pod uwagę wiele kwestii, począwszy od zgodności z normami. Zapewnia to zgodność modułów przekaźnikowych używanych w zastosowaniach bezpieczeństwa funkcjonalnego z odpowiednimi normami bezpieczeństwa i certyfikatami.

Europejski Komitet Normalizacji Elektrotechnicznej (CENELEC) opracował serię norm EN 61810, która koncentruje się na elementarnych przekaźnikach elektromechanicznych. W serii tej znajduje się kilka norm, z których każda dotyczy konkretnych odmian i zastosowań przekaźników. Jedną z tych norm jest norma EN 61810-3, a jej wariant typu A ma szczególne znaczenie.

Przekaźniki zabezpieczające

Norma EN 61810-3 typu A dotyczy przekaźników elementarnych, w których zastosowano specjalne techniki projektowania i konstrukcji gwarantujące, że styki zwierne (NO) nie będą mogły przyjąć tej samej pozycji co styki rozwierne (NC). Przekaźniki te, zbudowane specjalnie z użyciem styków o wymuszonym przełączaniu w celu zapewnienia zgodności z normą, mogą być stosowane w związanych z bezpieczeństwem systemach sterowania posiadających funkcję automonitorowania.

Styki o wymuszonym przełączaniu są połączone mechanicznie, aby zapewnić, że styki rozwierne (NC) i zwierne (NO) nigdy nie zamkną się jednocześnie w przypadku obecności np. mikrospawu styków spowodowanego wyładowaniem łukowym („sklejanie przekaźnika”).

Praktyczny przykład takiego mechanizmu zabezpieczającego przedstawiono na ilustracji 1 i odnosi się on do zabezpieczającego modułu przekaźnikowego firmy Weidmüller posiadającego 3 styki zwierne (NO) i 1 styk rozwierny (NC). Jak widać na ilustracji, wszystkie bieguny są mechanicznie połączone belką, co uniemożliwia niezależny ruch.

Jeśli styk rozwierny (NC) ulegnie zespawaniu, żaden ze styków zwiernych (NO) nie będzie mógł się zamknąć po zasileniu przekaźnika. Podobnie, jeśli którykolwiek ze styków zwiernych (NO) ulegnie zespawaniu, po odłączeniu zasilania przekaźnika styk rozwierny nie będzie mógł się zamknąć. Usterki otwierania wykrywane są w połączeniu ze specjalnym obwodem. Jest to najbardziej niezawodny sposób zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa ludzi i maszyn.

Ilustracja 1: diagram przedstawiający przekaźnikowy moduł zabezpieczający firmy Weidmüller. (Źródło: Weidmüller)

Przekaźniki bezpieczeństwa umożliwiają niezawodne wdrażanie funkcji bezpieczeństwa w maszynach i systemach, takich jak monitorowanie sygnałów przycisków zatrzymania awaryjnego, kurtyn świetlnych, przełączników drzwi bezpieczeństwa itp. W przypadku sytuacji awaryjnych w zakładzie potrzebna jest szybka reakcja. Do włączania syren, świateł ostrzegawczych lub systemów chłodzenia należy stosować protokół „bezpieczne gdy zasilane” (ETS), natomiast do wyłączania silników lub zaworów zatrzymania awaryjnego należy stosować procedurę „bezpieczne gdy niezasilane” (DTS). Zgodna z normami IEC62061 i SIL 3 aktywacja i dezaktywacja urządzeń związanych z bezpieczeństwem jest gwarantowana dzięki zastosowaniu przekaźników ze stykami redundantnymi.

Po wielu cyklach pracy, styki metalowe w przekaźniku przełączającym, który nie spełnia norm bezpieczeństwa, mogą się zespawać. Nawet jeśli operator użyje przycisku zatrzymania awaryjnego, maszyna będzie nadal pracować w trybie niebezpiecznym. Istnieje zagrożenie zarówno dla operatora, jak i maszyny. Przekaźniki, które nie posiadają certyfikatów bezpieczeństwa, nie mogą być używane w potencjalnie niebezpiecznych maszynach lub instalacjach, zgodnie z krajowymi i międzynarodowymi wymogami bezpieczeństwa.

Ze względu na zwiększone bezpieczeństwo i niezawodność, przekaźniki ze stykami o wymuszonym przełączaniu zyskują na popularności. Moduły przekaźnikowe ze stykami o wymuszonym przełączaniu jako swoją główną technologię wykorzystują mechanizmy i obwody redundantne. Te funkcje redundantne mają na celu zapewnienie, że przekaźnik pozostanie w stanie bezpiecznym nawet w przypadku awarii obwodu sterującego lub samego przekaźnika. Redundancja ta jest niezbędna w zastosowaniach, gdzie ważne jest bezpieczeństwo i niezawodność.

Funkcje niezawodności i bezpieczeństwa omawianych modułów przekaźnikowych sprawiają, że są one odpowiednie do różnorodnych zastosowań, takich jak:

• Automatyka przemysłowa
• Urządzenia medyczne
• Wytwarzanie i dystrybucja energii
• Telekomunikacja
• Transport

W tego typu przekaźnikach, gdy styki główne i pomocnicze są połączone mechanicznie, położenie styków pomocniczych można wykorzystać do określenia położenia styków głównych w obwodzie zasilania. W związku z tym można określić, czy stycznik pozostał zamknięty (z powodu sklejenia styku), nawet gdy od jego cewki odłączono zasilanie. Jeśli styk bieguna zasilania jest zespawany, połączenie mechaniczne zapobiega zwarciu rozwartego styku pomocniczego, gdy cewka nie jest zasilana.

Moduły przekaźnikowe SAFESERIES firmy Weidmüller

Bezpieczeństwo i niezawodność w dziedzinie elektrotechniki mają ogromne znaczenie. To przywiązanie do precyzji i niezawodności zaowocowało stworzeniem zaawansowanych komponentów, takich jak wtykowe moduły przekaźnikowe firmy Weidmüller, które posiadają styki o wymuszonym przełączaniu. Te innowacyjne moduły przekaźnikowe stanowią znaczący postęp technologiczny, oferując zwiększone bezpieczeństwo, sprawność i elastyczność w szerokim zakresie zastosowań.

Podstawą tych modułów przekaźnikowych jest technologia, która gwarantuje, że styki mają wymuszone przełączanie, co oznacza, że przechodzą między stanem rozwartym i zwartym w kontrolowany i niezawodny sposób. Mechanizm ten wyklucza niezamierzone zadziałanie styku, niezależnie od usterek przekaźnika lub obwodu sterującego. W związku z tym, tak uzyskany przekaźnik ma priorytetowe znaczenie dla bezpieczeństwa bez pogarszania parametrów działania.

Urządzenie rozszerzające styki SAFESERIES firmy Weidmüller jest zgodne z normą EN 61810-3 typu A i składa się z przekaźników ze stykami o wymuszonym przełączaniu. Z tego względu szczególnie dobrze sprawdzają się w monitorowaniu sygnałów w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem zarówno ludzi, jak i maszyn.

Seria SAFESERIES składa się z czterech oddzielnych przekaźników wtykowych z dopasowanymi gniazdami śrubowymi, w następujących wersjach styków:

• 2 zwierne (NO) + 2 rozwierne (NC)
• 3 zwierne (NO) + 1 rozwierne (NC)
• 4 zwierne (NO) + 2 rozwierne (NC)
• 3 zwierne (NO) + 3 rozwierne (NC)

Osiągnięcie najwyższego poziomu parametrów działania na poziomie PL „e” dla danego zastosowania jest możliwe, jeżeli zostało ono zaprojektowane zgodnie z normą EN/ISO 13849-1. Komponent podstawowy może być również używany w zastosowaniach bezpieczeństwa zgodnie z normą IEC/EN 62061, co pozwala na osiągnięcie poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa SIL.

Ilustracja 2 przedstawia przekaźnikowy moduł zabezpieczający 2759070000 firmy Weidmüller zamknięty w zespole odpowiednim do stosowania na szynach DIN. Jest to 4-pozycyjny przekaźnik ogólnego przeznaczenia z 3 stykami zwiernymi (NO) i 1 stykiem rozwiernym (NC) z cewką na napięcie 24V₌ ±10%. Urządzenie może być zasilane znamionowym prądem stałym cewki o natężeniu 20mA i znamionowym napięciu przełączania 250V_~. Posiada pozłacane styki AgSnO o znamionowym prądzie ciągłym 6A. Po stronie obciążenia maksymalne napięcie przełączania wynosi 400V_~ oraz 250V₌. Diagram na ilustracji 1 ukazuje przekaźnik zawierający wskaźnik stanu (zielona dioda LED) i diodę zwrotną dla zabezpieczenia. Opóźnienie włączenia i wyłączenia jest krótsze niż 20ms, a okres użytkowania urządzenia wynosi 10 x 10⁶ cykli przełączania.

Ilustracja 2: moduł przekaźnikowy 2759070000 SAFESERIES firmy Weidmüller. (Źródło: DigiKey)

Na ilustracji 3 przedstawiono kolejny produkt z serii SAFESERIES, tj. miniaturowy przekaźnik przemysłowy 2759030000. Ten przekaźnik ogólnego przeznaczenia do montażu przewlekanego jest wyposażony w styki o wymuszonym przełączaniu - 3 zwierne (NO) i 1 rozwierny (NC).

Ilustracja 3: moduł przekaźnikowy 2759030000 SAFESERIES firmy Weidmüller. (Źródło: DigiKey)

Podsumowanie

Moduły przekaźnikowe są niezbędnymi komponentami w systemach bezpieczeństwa funkcjonalnego, ponieważ zapewniają niezawodne sterowanie i wykonują podstawowe zadania. Ze względu na ich wytrzymałość, konstrukcję odporną na uszkodzenia i kompatybilność z wymogami redundancji, są one często wybierane do użycia w zastosowaniach, gdzie wymagany jest najwyższy poziom bezpieczeństwa. Moduły przekaźnikowe w znacznym stopniu przyczyniają się do ogólnego bezpieczeństwa i niezawodności systemów przemysłowych i motoryzacyjnych, pod warunkiem, że są użytkowane w odpowiedni sposób i zgodnie z obowiązującymi normami. Moduły przekaźnikowe są stale rozwijane wraz z postępem technologicznym. Dodaje się do nich coraz bardziej złożone funkcje, aby sprostać stale rosnącym wymaganiom bezpieczeństwa funkcjonalnego.