Zvýšení funkční bezpečnosti pomocí reléových modulů

Funkční bezpečnost je pro dnešní průmyslové systémy klíčová, zaručuje totiž bezpečný provoz strojů a procesů i v případě, že dojde k chybě nebo poruše. Reléové moduly hrají při zajišťování funkční bezpečnosti klíčovou roli tím, že nabízejí spolehlivý mechanismus pro regulaci elektrických obvodů. Tento článek, zaměřený na řadu produktů SAFESERIES společnosti Weidmüller, pojednává o významu reléových modulů v kontextu funkční bezpečnosti, jsou v něm zdůrazněny jejich základní charakteristiky a uvedeny pokyny k optimálnímu výběru a použití.

Splnění požadavků na funkční bezpečnost

Elektromechanická relé se běžně používají k ovládání vysoce výkonných elektrických obvodů se signály s nízkým výkonem. Fungují jako spínače, které umožňují nebo zabraňují průchodu proudu v závislosti na stavu vstupního signálu. Reléové moduly se používají v aplikacích funkční bezpečnosti, aby se zajistilo spolehlivé provádění kritických bezpečnostních funkcí a minimalizovala se potenciální nebezpečí. Některé z nejdůležitějších aspektů reléových modulů ve funkční bezpečnosti jsou následující:

• Redundance: Redundance je jedním ze základních principů funkční bezpečnosti, který vyžaduje, aby stejnou funkci kritickou z hlediska bezpečnosti vykonávalo více nezávislých součástek. Reléové moduly jsou často konfigurovány redundantně, aby se zajistilo, že systém bude moct pokračovat v bezpečném provozu i v případě, že jedno relé selže.
• Konstrukce zabezpečená proti selhání: Reléové moduly jsou obvykle navrženy tak, aby byly při poruše v bezpečném stavu. Pokud relé selže nebo ztratí napájení, přepne se do stavu, který zajišťuje bezpečnost systému. Například selhání relé v obvodu regulujícím nouzové zastavení stroje by mělo vést k okamžitému zastavení.
• Diagnostika a monitorování: Tyto funkce jsou integrovány do pokročilých reléových modulů a umožňují systému detekovat závady nebo poruchy v relé a iniciovat příslušné reakce, jako jsou alarmy poruchy nebo přepnutí na redundantní relé.
• Spolehlivost a robustnost: Reléové moduly jsou známé svou odolností a spolehlivostí. Odolávají extrémním podmínkám prostředí, teplotním výkyvům a mechanickému namáhání, díky čemuž jsou vhodné pro použití v náročných průmyslových prostředích.
• Nízká latence: V aplikacích kritických z hlediska bezpečnosti je nanejvýš důležitá doba odezvy. V aplikacích, kde jsou vyžadovány rychlé doby odezvy k zajištění bezpečnosti personálu a zařízení, jsou preferovány reléové moduly.

Při implementaci reléových modulů v aplikacích funkční bezpečnosti je třeba vzít v úvahu několik aspektů, počínaje dodržováním norem. To zajišťuje, že reléové moduly používané v aplikacích funkční bezpečnosti splňují příslušné bezpečnostní normy a certifikace.

Evropský výbor pro normalizaci v elektrotechnice (CENELEC) vyvinul řadu norem EN 61810, která se zaměřuje na elektromechanická elementární relé. Řada zahrnuje několik norem, z nichž každá je přizpůsobena konkrétním typům relé a aplikacím. Jednou z těchto norem je EN 61810-3, jejíž varianta typu A má zvláštní význam.

Bezpečnostní relé

Norma EN 61810-3 typu A se vztahuje na elementární relé, která zahrnují specifická provedení a konstrukční techniky, které zaručují, že spínací („normally open“, NO) kontakty nemohou zaujmout stejnou polohu jako rozpínací („normally closed“, NC) kontakty. Tato relé, v souladu s normou speciálně konstruovaná s nuceně ovládanými kontakty, lze použít v samočinně monitorovaných řídicích systémech souvisejících s bezpečností.

Nuceně ovládané kontakty jsou mechanicky spřaženy, aby bylo zajištěno, že se rozpínací kontakty NC a spínací kontakty NO nikdy nesepnou současně, například v případě mikrosvaření kontaktů způsobeného elektrickým obloukem („přilepení relé“).

Praktický příklad tohoto bezpečnostního mechanismu je uveden na obrázku 1, který se týká modulu bezpečnostního relé společnosti Weidmüller se 3 kontakty NO a 1 kontaktem NC. Jak je vidět na obrázku, všechny póly jsou mechanicky spojeny pomocí lišty, která brání samostatnému pohybu.

Pokud je rozpínací kontakt svařen, žádný z kontaktů NO se nemůže během zapnutí relé sepnout. Pokud je podobně některý z kontaktů NO svařen, během odpojení relé se nemůže sepnout rozpínací kontakt. V kombinaci se speciálním obvodem jsou detekovány poruchy v rozpínání. Jde o nejspolehlivější způsob, jak zajistit maximální bezpečnost člověka i stroje.

Obrázek 1: Schéma modulu bezpečnostního relé společnosti Weidmüller. (Zdroj: společnost Weidmüller)

Bezpečnostní relé umožňují spolehlivou implementaci bezpečnostních funkcí na strojích a v systémech pro monitorování signálů tlačítek nouzového zastavení, světelných clon, bezpečnostních dveřních spínačů a dalších. V případě nouze v závodě je nutná rychlá reakce. K zapnutí sirén, varovných světel nebo chladicích systémů je třeba použít protokol „od napájení do bezpečného stavu“ („energized to safe“, ETS), zatímco pro vypnutí motorů nebo ventilů nouzového zastavení je třeba postup „od odpojení do bezpečného stavu“ („de-energized to safe“, DTS). Aktivace a deaktivace aplikací souvisejících s bezpečností podle norem IEC62061 a SIL 3 je zaručena pomocí relé s redundantními kontakty.

Po opakovaném použití se mohou kovové kontakty ve spínacím relé, které nevyhovuje bezpečnostním normám, přivařit. I když obsluha stiskne tlačítko nouzového zastavení, stroj bude pokračovat v provozu v nebezpečném režimu. Hrozí tak nebezpečí jak pro obsluhu, tak pro stroj. Relé, která nejsou certifikovaná jako bezpečná, nelze na potenciálně nebezpečných strojích nebo instalacích používat tak, jak to vyžadují národní a mezinárodní bezpečnostní požadavky.

Díky své zvýšené bezpečnosti a spolehlivosti získávají stále větší oblibu relé s pozitivně ovládanými kontakty. Reléové moduly s pozitivně ovládanými kontakty využívají jako hlavní technologii redundantní obvody a mechanismy. Tyto redundantní funkce jsou navrženy tak, aby zajistily, že relé zůstane v bezpečném stavu, i když dojde k poruše řídicího obvodu nebo samotného relé. Tato redundance je nezbytná pro aplikace, kde je důležitá bezpečnost a spolehlivost.

Díky své spolehlivosti a bezpečnostním vlastnostem jsou tyto reléové moduly vhodné pro různé aplikace, jako jsou:

• Průmyslová automatizace
• Lékařské přístroje
• Výroba a distribuce elektrické energie
• Telekomunikace
• Doprava

U těchto typů relé s mechanicky spřaženými hlavními a pomocnými kontakty lze v silovém obvodu použít polohu pomocných kontaktů k určení polohy hlavních kontaktů. Proto je možné určit, zda stykač zůstal sepnutý (kvůli přilepení kontaktu), i když byla jeho cívka bez napětí. Pokud je přivařen kontakt silového pólu, sepnutí rozepnutého pomocného kontaktu zabraňuje v případě, že je cívka bez napětí, mechanické spřažení.

Reléové moduly SAFESERIES společnosti Weidmüller

V oblasti elektrotechniky je bezpečnost a spolehlivost nanejvýš důležitá. Tento důraz na přesnost a spolehlivost vedl k vytvoření pokročilých součástek, jako jsou zásuvné reléové moduly společnosti Weidmüller, které mají pozitivně ovládané kontakty. Tyto inovativní reléové moduly představují významný pokrok v technologii a nabízejí vyšší bezpečnost, účinnost a flexibilitu v široké řadě aplikací.

Jádrem těchto reléových modulů je technologie, která zaručuje, že kontakty jsou pozitivně ovládány, což znamená, že přecházejí mezi rozepnutým a sepnutým stavem kontrolovaně a spolehlivě. Tento mechanismus vylučuje možnost nezáměrné činnosti kontaktů bez ohledu na poruchy relé nebo řídicího obvodu. V důsledku toho upřednostňuje výsledné relé bezpečnost, aniž by byl obětován výkon.

Rozšíření kontaktů SAFESERIES společnosti Weidmüller je v souladu s normou EN 61810-3 typu A a sestává z relé s nuceně ovládanými kontakty. Z tohoto důvodu jsou relé zvláště vhodná pro monitorování signálu v aplikacích, které usilují o bezpečnost lidí i strojů.

Řada SAFESERIES se skládá ze čtyř samostatných zásuvných relé s odpovídajícími šroubovými paticemi v následujících verzích kontaktů:

• 2 NO + 2 NC
• 3 NO + 1 NC
• 4 NO + 2 NC
• 3 NO + 3 NC

Dosažení nejvyšší úrovně výkonu PL „e“ pro aplikaci je možné, pokud byla navržena v souladu s normou EN/ISO 13849-1. Základní součástka může být také použita pro bezpečnostní aplikace v souladu s normou IEC/EN 62061, což umožňuje dosažení úrovně integrity bezpečnosti SIL 3.

Na obrázku 2 je modul bezpečnostního relé 2759070000 společnosti Weidmüller uzavřený v sestavě vhodné pro aplikace na lištu DIN. Jedná se o 4polohové relé pro všeobecné použití se 3 kontakty NO a 1 kontaktem NC s cívkou 24 V_DC ± 10 %. Zařízení lze napájet stejnosměrným proudem 20 mA v cívce se jmenovitým spínacím napětím 250 V_AC a pozlacenými kontakty AgSnO, které jsou dimenzovány na trvalý proud 6 A. Na straně zátěže je maximální spínací napětí 400 V_AC a 250 V_DC. Jak je znázorněno na schématu obrázku 1, relé má v sobě pro ochranu integrován stavový indikátor (zelená dioda LED) a volnoběžnou diodu. Zpoždění zapnutí a vypnutí je méně než 20 ms a životnost zařízení je 10 × 10⁶ spínacích cyklů.

Obrázek 2: Reléový modul SAFESERIES 2759070000 společnosti Weidmüller. (Zdroj: společnost DigiKey)

Dalším produktem řady SAFESERIES je miniaturní průmyslové relé 2759030000, které je na obrázku 3. Toto relé s nuceně ovládanými kontakty se 3 kontakty NO a 1 kontaktem NC je vhodné pro všeobecné použití a má průchozí montáž.

Obrázek 3: Reléový modul SAFESERIES 2759030000 společnosti Weidmüller. (Zdroj: společnost DigiKey)

Závěr

Reléové moduly jsou základními součástmi systémů funkční bezpečnosti, protože zajišťují spolehlivé řízení a plní základní funkce. Pro svou robustnost, konstrukci zabezpečenou proti selhání a kompatibilitu s redundancí jsou často vybírány pro použití v aplikacích, kde je vyžadována nejvyšší úroveň bezpečnosti. Reléové moduly významně přispívají k celkové bezpečnosti a spolehlivosti průmyslových a automobilových systémů, pokud jsou využívány vhodně a v souladu s platnými normami. Reléové moduly se neustále vyvíjejí, rostou spolu s technologickým pokrokem a přidávají stále složitější funkce, aby uspokojily stále se zvyšující požadavky na funkční bezpečnost.