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在工业 4.0 工厂中增强安全性并提升可用性

作者： Jeff Shepard 2023-08-03

标签

工程

电路保护

工业控制

在设计工业 4.0 生产线时，安全性至关重要。例如，电机和驱动器等子系统通常必须达到国际电工委员会 (IEC) 62061 安全完整性等级 (SIL) 2 和国际标准化组织 (ISO) 13849-1 性能等级 (PL) c。为了满足这些要求，您通常可以使用接触器来安全地连接和断开电机。对于功率低于 55 kW 的小型电机，标准接触器可以提供简单且经济高效的方法。

正如我们很多人所发现的那样，对于功率水平更高的电机而言，由于电机和标准接触器之间需要耦合器件，因此满足 IEC 和 ISO 安全性要求变得更加复杂，而且成本更加昂贵。幸运的是，当前市场上有一些增强型接触器，带有内置的故障安全功能，能够直接连接到功率介于 55 至 250 kW 的电机，因而降低了系统成本和元件器数，并且增强了可靠性。

下面我们将以 Siemens 的创新型安全等级接触器为例，简单介绍一个适用于功率介于 55 至 250 kW 的电机的简化架构，该架构采用了故障安全接触器。在本文最后，我们还将讨论使用 Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) 与德国机械和工厂建设协会标准，在量化安全等级接触器性能时遇到的一些相关挑战。

利用安全等级接触器来实现简化

适用于功率水平高达约 55 kW 的接触器可以直接连接到故障安全控制器和安全继电器的输出端，以满足安全等级应用要求。这些故障安全控制器和安全继电器的输出通常限定为 5 A 或更小电流 (24 VDC)。由于它们不带用于控制高功率接触器所必需的冲头，因此在控制器/安全继电器与标准接触器之间需要耦合器件，以提升驱动器功率。这些耦合器件会增加成本和复杂度，并且占用更多空间。

为了解决这个问题，Siemens 开发了一种创新方法，其中使用的接触器除了包含标准驱动器线圈之外，还有故障安全控制输入。故障安全控制输入能够在 24 VDC 下以约 5 A 的驱动电流运作，而传统接触器在 24 VDC 下需要 5 A 或更大的电流。这意味着接触器可以直接从安全继电器和故障安全控制器进行驱动。

即便故障安全接触器由故障安全控制输入来控制，接触器线圈也能永久连接到供电电压，以确保可靠运行（图 1）。

图 1：传统接触器（左）需要耦合器件（右上方的两个蓝色方框），而在使用故障安全接触器（右）时则不需要。（图片来源：Siemens）

故障安全操作

Siemens 提供了一系列创新型 Sirius 模块化控制选件，包括提供传统 AC/DC 和集成故障安全控制工作方式的接触器。故障安全工作机制可以选择性地配备剩余寿命 (RLT) 信号，以便指示触头磨损状况。这样可以实现预防性维护，从而进一步提高系统可靠性和可用性。RLT 电路可为所有三个主触头保存触头磨损信息。触头磨损通过 LED 指示灯来指示；当磨损最严重的触头的 RLT 降至 20% 时，就会生成额外的继电器输出。

由于这些接触器能够连接到故障安全控制器的输出端，因此它们被称为 F-PLC-IN 接触器，并且可以通过故障安全控制输入端的黄色标记端子或线圈外壳进行识别（图 2）。

图 2：F-PLC-IN 接触器可以通过黄色标记端子或线圈外壳进行视觉识别，例如 3RT2037-1SF30（左）和 3RT1056-6SF36（右）。（图片来源：Siemens）

安全性的数字指标

VDMA 标准数据表 66413 规定了四种可用于安全性评估的器件类型：

1 类器件的开发目的是为了在安全功能中使用，例如安全继电器和故障安全可编程逻辑控制器 (PLC)，并且满足特定的 SIL 或 PL 要求。
2 类器件的开发目的不一定是为了满足特定安全要求，并且需要应用数据来评估安全操作。
3 类器件包括易磨损元器件，例如机电接触器。它们的开发目的不一定是为了满足特定安全要求，并且可能需要广泛的安全评估。
4 类器件的开发目的是为了在安全功能中使用，不会遇到随机故障。

Sirius F-PLC-IN 接触器具有集成电子元件，并非纯粹是机电元件，因而不能归为 3 类器件。它们反而属于 1 类器件，满足特定的 SIL 和 PLC 要求，并且符合全面的安全相关规格。与标准接触器相比，它们可以简化安全完整性计算任务（表 1）。

表 1：Sirius F-PLC-IN 接触器属于 VDMA 1 类器件，随附提供了详细的安全相关数据。（图片来源：Siemens）

结语

接触器在工业 4.0 自动化系统中扮演着重要角色。在这些系统中，设计人员需要满足 IEC 62021 SIL 2 和 ISO 13849-1 PL c 安全性和可靠性要求，同时还要努力降低成本。正如本文所述，来自 Siemens 的创新型 Sirius F-PLC-IN 接触器有助于满足这些要求，同时减少元器件数并降低复杂度。