A funkcionális biztonság javítása relémodulokkal

A funkcionális biztonság alapvető fontosságú a mai ipari rendszerek esetében, mert akkor is garantálja a gépek és folyamatok biztonságos működését, ha meghibásodások lépnek fel. A relémodulok kulcsszerepet játszanak a funkcionális biztonság megteremtésében, mert megbízható mechanizmust kínálnak a villamos áramkörök szabályozásához. Ez a cikk, amely a Weidmüller SAFESERIES termékcsaládra összpontosít, a relémodulok jelentőségét vizsgálja a funkcionális biztonsággal összefüggésben, kiemelve a relémodulok alapvető jellemzőit, és iránymutatást ad az optimális relémodul kiválasztásához és használatához.

A funkcionális biztonsággal kapcsolatos igények kielégítése

Az elektromechanikus reléket általában nagy teljesítményű villamos áramkörök kis teljesítményű jelekkel történő vezérlésére használják. Kapcsolóként működnek, és a bemenőjel állapotától függően teszik lehetővé vagy akadályozzák meg az áram átfolyását. A relémodulokat a funkcionális biztonság területén a kritikus biztonsági funkciók megbízható végrehajtásának biztosítására és a lehetséges veszélyek minimálisra csökkentésére használják. A funkcionális biztonság területén használt relémodulok néhány fontosabb szempontja:

• Redundancia: A redundancia (biztonsági tartalék) a funkcionális biztonság egyik alapelve, amely megköveteli, hogy több független alkatrész végezze ugyanazt a biztonság szempontjából kritikus funkciót. A biztonsági rendszerekben a relémodulok általában úgy vannak kialakítva, hogy egyazon feladatot több relé is végezzen. Ennek célja, hogy a rendszer akkor is biztonságosan működjön, ha az egyik relé meghibásodik.
• Hibatűrő tervezés: A relémodulokat általában úgy tervezik, hogy meghibásodás esetén biztonságos állapotot hozzanak létre. Ha egy relé meghibásodik, vagy megszűnik az áramellátása, akkor olyan alaphelyzetbe áll, amely biztonságos állapotba állítja a rendszert. Például egy gép vészleállítását szabályozó áramkörben egy meghibásodott relének azonnali leállítást kell eredményeznie.
• Diagnosztika és felügyelet: Ezek a korszerű relémodulokba beépített képességek lehetővé teszik, hogy a rendszer észlelje a relében fellépő meghibásodásokat, és azoknak megfelelő válaszlépéseket kezdeményezzen, például hibajelzés kiadását vagy a tartalékrelére való átkapcsolást.
• Megbízhatóság és strapabírás: A relémodulok jól ismertek tartósságukról és megbízhatóságukról. Ellenállnak a szélsőséges környezeti viszonyoknak, a hőmérséklet-ingadozásoknak és a mechanikai igénybevételnek, így alkalmasak a magas követelményeket támasztó ipari környezetben való használatra.
• Kis késleltetés: A biztonság szempontjából kritikus területeken rendkívül fontos a válaszidő. Azokon a területeken, ahol a személyzet és a berendezések biztonsága érdekében rövid reakcióidőre van szükség, a relémodulokat részesítik előnyben.

A relémoduloknak a funkcionális biztonság területén történő használata esetén több szempontot is figyelembe kell venni, kezdve a szabványoknak való megfeleléssel. Ez garantálja, hogy a funkcionális biztonság területén használt relémodulok megfeleljenek a vonatkozó biztonsági szabványoknak és tanúsítványoknak.

A CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization, Európai Elektrotechnikai Szabványügyi Bizottság) kidolgozta az EN 61810 szabványsorozatot, amely az elektromechanikus alaprelékre összpontosít. A sorozatot több szabvány alkotja, amelyek mindegyike adott reléfajtákkal és felhasználási területekkel foglalkozik. Az EN 61810-3 az egyike ezeknek a szabványoknak, és különösen fontos az A típusú változata.

Biztonsági relék

Az EN 61810-3 A típusú szabvány az olyan alaprelékre vonatkozik, amelyek egyedi tervezési és kivitelezési megoldásokat használnak annak biztosítására, hogy az alaphelyzetben nyitott (NO, normally open) érintkezők ne kerülhessenek ugyanabba a helyzetbe, mint az alaphelyzetben zárt (NC, normally closed) érintkezők. Ezek a relék, amelyek kifejezetten a szabványnak való megfelelés érdekében kényszervezetett érintkezőkkel készülnek, alkalmasak az önellenőrző, biztonsággal kapcsolatos vezérlőrendszerekben való használatra.

A kényszervezetett érintkezők mechanikusan össze vannak kapcsolva egymással, hogy a nyitó alaphelyzetben nyitott és a záródó alaphelyzetben zárt érintkezők soha ne lehessenek egyszerre zárt helyzetben például az érintkezők ívkisülés következtében fellépő mikrohegesztés miatti összeragadása (reléberagadás) esetén.

Ennek a biztonsági mechanizmusnak egy gyakorlati példáját szemlélteti az 1. ábra. Ez egy Weidmüller biztonsági relémodult ábrázol, amely 3 alaphelyzetben nyitott és 1 alaphelyzetben zárt érintkezőt tartalmaz. Amint a képen látható, az összes érintkező össze van kötve mechanikusan egy rúddal, ami megakadályozza az érintkezők önálló mozgását.

Ha az alaphelyzetben zárt érintkező összeragad, a relé feszültség alá helyezésekor egyik alaphelyzetben nyitott érintkező sem tud zárni. Ehhez hasonlóan, ha az alaphelyzetben nyitott érintkezők bármelyike van összeragadva, a relé feszültségmentesítésekor az alaphelyzetben zárt érintkező nem tud zárni. Egy speciális áramkörrel kombinálva a rendszer érzékeli a nyitási hibákat. Ez a legmegbízhatóbb módja annak, hogy garantálni lehessen az ember és a gép lehető legnagyobb biztonságát.

1. ábra: Egy Weidmüller biztonsági relémodul kapcsolási rajza (ábra: Weidmüller)

A biztonsági relék lehetővé teszik a gépek és rendszerek biztonsági funkcióinak megbízható végrehajtását a vészleállító gombok, fényfüggönyök, biztonsági ajtókapcsolók és egyéb eszközök jeleinek figyelésével. Az üzemekben bekövetkező vészhelyzetek esetén gyors reagálásra van szükség. Például a szirénák, a figyelmeztető fények és a hűtőrendszerek bekapcsolásához a „feszültség alá helyezés a biztonságos állapot eléréséhez” (ETS, energized to safe), míg a villanymotorok leállításához és a vészleállító szelepek működtetéséhez a „feszültségmentesítés a biztonságos állapot eléréséhez” (DTS, de-energized to safe) eljárást kell használni. A biztonsághoz kapcsolódó berendezések IEC 62061 szabványnak és a SIL 3 biztonságjósági minősítésnek megfelelő be- és kikapcsolását a biztonsági tartalékérintkezőkkel ellátott relék használata garantálja.

A gyakori használat során a biztonsági szabványoknak nem megfelelő kapcsolórelék fémérintkezői összeragadhatnak. Még ha a kezelő megnyomja is a vészleállító gombot, a gép biztonságtalan üzemmódban működik tovább. Ilyenkor a kezelő és a gép egyaránt veszélyben van. A nemzeti és nemzetközi biztonsági követelmények előírásai szerint a biztonságos minősítéssel nem rendelkező relék potenciálisan veszélyes gépeken vagy berendezésekben nem használhatók.

Nagyobb biztonságuk és megbízhatóságuk miatt egyre népszerűbbek a pozitív kapcsolási logikájú érintkezőkkel ellátott relék. A pozitív kapcsolási logikájú érintkezőkkel ellátott relémodulok fő műszaki megoldása a biztonsági tartalék áramkörök és mechanizmusok használata. Ezeket a biztonsági tartalék funkciókat úgy tervezték, hogy a relé akkor is biztonságos állapotban maradjon, ha a vezérlőáramkör vagy maga a relé meghibásodik. Ez a redundancia alapvető fontosságú az olyan alkalmazásokban, ahol fontos a biztonság és a megbízhatóság.

Ezek a relémodulok a megbízhatóságuk és biztonsági jellemzőik miatt számos felhasználási területre alkalmasak, ilyenek például a következők:

• ipari automatizálás
• gyógyászati eszközök
• villamosenergia-termelés és -elosztás
• távközlés
• szállítmányozás

Az ilyen típusú reléknél, ahol a fő- és a segédérintkezők mechanikusan össze vannak kapcsolva, a segédérintkezők helyzetét fel lehet használni a tápáramkörben lévő főérintkezők helyzetének meghatározására. Így megállapítható, hogy a kontaktor zárva maradt-e (az érintkező beragadása miatt) annak ellenére, hogy a tekercse feszültségmentesítve lett. Ha egy nagyáramú érintkező össze van ragadva, a mechanikus kapcsolat megakadályozza, hogy a nyitott segédérintkező záródjon, amikor a tekercs feszültségmentes állapotban van.

Weidmüller SAFESERIES relémodulok

Az elektrotechnika területén a biztonság és a megbízhatóság a legfontosabb. Ez a pontosság és megbízhatóság iránti elkötelezettség olyan korszerű alkatrészek létrehozását eredményezte, mint a Weidmüller bedugható relémoduljai, amelyek pozitív kapcsolási logikájú érintkezőkkel vannak ellátva. Ezek az újszerű relémodulok műszaki szempontból jelentős előrelépést jelentenek, és nagyobb biztonságot és rugalmasságot, valamint jobb hatásfokot kínálnak számos felhasználási területen.

Ezeknek a relémoduloknak a középpontjában egy olyan műszaki megoldás áll, amely garantálja, hogy az érintkezők pozitív kapcsolási logikájúak legyenek, ami azt jelenti, hogy ellenőrzött és megbízható módon váltanak a nyitott és zárt állapot között. Ez a mechanizmus megakadályozza az érintkezők akaratlan működtetésének lehetőségét, függetlenül a relé vagy a vezérlőáramkör hibáitól. Következésképpen az eredményül kapott relé a biztonságot helyezi előtérbe a teljesítmény feláldozása nélkül.

A Weidmüller SAFESERIES érintkezőbővítője megfelel az EN 61810-3 A típusra vonatkozó előírásoknak, és kényszervezetett érintkezőkkel ellátott reléket tartalmaz. Emiatt különösen alkalmas a jelek figyelésére olyan felhasználási területeken, ahol egyaránt fontos az emberek és a gépek biztonsága.

A SAFESERIES négy különálló bedugható relét tartalmaz illeszkedő csavaros aljzattal a következő érintkezőkiosztási változatokban:

• 2 alaphelyzetben nyitott + 2 alaphelyzetben zárt
• 3 alaphelyzetben nyitott + 1 alaphelyzetben zárt
• 4 alaphelyzetben nyitott + 2 alaphelyzetben zárt
• 3 alaphelyzetben nyitott + 3 alaphelyzetben zárt

A legmagasabb „e” teljesítményszintet (PL, performance level) akkor lehet elérni egy készülékkel, ha azt az EN/ISO 13849-1 szabványnak megfelelően tervezik. Az eszköz alapjául szolgáló alkatrész az IEC/EN 62061 szabványnak megfelelő biztonsági berendezésekben is használható, és lehetővé teszi a SIL 3 biztonságjósági szint elérését.

A 2. ábrán a Weidmüller 2759070000 biztonsági relémodul látható, amely egy DIN-sínre szerelhető szerelvénybe van behelyezve. Ez egy 4 áramkörös általános célú relé 3 alaphelyzetben nyitott és 1 alaphelyzetben zárt érintkezővel, 24 V ±10% egyenfeszültségre méretezett tekerccsel. Az eszközt a tekercsére adott 20 mA-es névleges egyenárammal lehet működtetni, és 6 A folyamatos áramra méretezett aranyozott AgSnO érintkezőkkel van ellátva. A terhelési oldalon a legnagyobb kapcsolt feszültség 400 V váltakozó feszültség és 250 V egyenfeszültség. Amint az 1. ábrán szereplő kapcsolási rajzon látható, a relé tartalmaz egy állapotjelző világítódiódát (zöld LED) és a védelem érdekében egy szabadonfutó diódát. A be- és kikapcsolási késleltetés kevesebb mint 20 ms, az eszköz élettartama pedig 10⁷ (tízmillió) kapcsolási ciklus.

2. ábra: A Weidmüller 2759070000 SAFESERIES relémodul (kép: DigiKey)

A SAFESERIES sorozat egy másik tagja, a 2759030000 jelű miniatűr ipari relé a 3. ábrán látható. Ez a 3 alaphelyzetben nyitott és 1 alaphelyzetben zárt érintkezőt tartalmazó, kényszervezetett érintkezőkkel szerelt relé általános célú felhasználásra alkalmas, és furatszerelt kialakítású.

3. ábra: A Weidmüller 2759030000 SAFESERIES relémodul (kép: DigiKey)

Összegzés

A relémodulok a funkcionális biztonság megteremtésére szolgáló rendszerek alapvető alkatrészei, mivel megbízható vezérlést kínálnak, és alapvető feladatokat látnak el. Strapabírásuk, üzembiztos kialakításuk és a biztonsági tartalékokra vonatkozó előírásoknak való megfelelésük miatt gyakran használják őket olyan felhasználási területeken, ahol a legmagasabb szintű biztonságra van szükség. Ha megfelelően és a vonatkozó szabványoknak megfelelően használják őket, a relémodulok jelentősen hozzájárulhatnak az ipari és járműipari rendszerek általános biztonságához és megbízhatóságához. A relémodulok a műszaki fejlődéssel párhuzamosan folyamatosan fejlődnek és bővülnek, és egyre összetettebb funkciókra alkalmasak, hogy megfeleljenek a funkcionális biztonság egyre növekvő követelményeinek.