Toiminnallisen turvallisuuden parantaminen relemoduuleilla

Toiminnallinen turvallisuus on nykypäivän teollisuusjärjestelmissä ratkaisevan tärkeää, sillä se takaa koneiden ja prosessien turvallisen toiminnan myös silloin, kun niissä tapahtuu virheitä tai toimintahäiriöitä. Relemoduuleilla on keskeinen rooli toiminnallisen turvallisuuden varmistamisessa, sillä ne tarjoavat luotettavan mekanismin sähköpiirien ohjaukseen. Tämä Weidmüller SAFESERIES -tuoteperheeseen keskittyvä artikkeli tarkastelee relemoduulien merkitystä toiminnallisen turvallisuuden kannalta, esittelee niiden kriittisiä ominaisuuksia ja tarjoaa ohjeita niiden optimaaliseen valintaan ja käyttöön.

Toiminnallisen turvallisuuden vaatimusten täyttäminen

Sähkömekaanisia releitä käytetään yleisesti korkeatehoisten sähköpiirien ohjaamiseen pienitehoisilla signaaleilla. Ne toimivat kytkiminä, jotka sallivat tai estävät virran kulun tulosignaalin tilasta riippuen. Relemoduuleja käytetään toiminnallisen turvallisuuden sovelluksissa varmistamaan, että kriittiset turvallisuustoiminnot suoritetaan luotettavasti ja potentiaaliset vaarat minimoidaan. Seuraavassa on lueteltu muutamia relemoduulien tärkeimpiä ominaisuuksia toiminnallisessa turvallisuudessa:

• Redundanssi: Redundanssi on yksi toiminnallisen turvallisuuden perusperiaatteista. Se edellyttää, että useita riippumattomia komponentteja suorittaa samaa turvallisuuskriittistä tehtävää. Relemoduulit konfiguroidaan usein redundanssia käyttäen. Tällä varmistetaan, että järjestelmän toiminta voi jatkua turvallisena, vaikka yksi rele vioittuisikin.
• Vikaturvallinen rakenne: Relemoduulit on tyypillisesti suunniteltu toimimaan turvallisessa tilassa. Jos rele vikaantuu tai siitä katkeaa virta, se siirtyy oletusarvoisesti tilaan, joka takaa järjestelmän turvallisuuden. Esimerkiksi koneen hätäpysäytystä ohjaavassa piirissä releen vikaantumisen tulisi johtaa välittömään pysäytykseen.
• Diagnostiikka ja valvonta: Järjestelmä pystyy näiden kehittyneisiin relemoduuleihin integroitujen ominaisuuksien ansiosta tunnistamaan releviat tai -toimintahäiriöt sekä käynnistämään tarvittavat vastatoimet, kuten vikahälytys tai vaihtaminen redundanttiin releeseen.
• Luotettavuus ja kestävyys: Relemoduulit ovat tunnettuja kestävyydestään ja luotettavuudestaan. Ne kestävät äärimmäisiä ympäristöolosuhteita, lämpötilavaihteluita ja mekaanista rasitusta, joten ne soveltuvat vaativiin teollisuusympäristöihin.
• Alhainen latenssi: Vasteaika on äärimmäisen tärkeä tekijä turvallisuuskriittisissä sovelluksissa. Relemoduuleja suositaan sovelluksissa, joissa vaaditaan nopeita vasteaikoja henkilöstön ja laitteiden turvallisuuden varmistamiseksi.

Kun relemoduuleja otetaan käyttöön toiminnallisen turvallisuuden sovelluksissa, huomioon täytyy ottaa useita seikkoja, kuten standardien noudattaminen. Näin varmistetaan, että toiminnallisen turvallisuuden sovelluksissa käytettävät relemoduulit ovat vaadittavien turvallisuusstandardien ja -sertifiointien mukaisia.

Euroopan sähkötekniikan standardointikomitea (CENELEC) on kehittänyt EN 61810 -standardisarjan, joka keskittyy sähkömekaanisiin yleisreleisiin. Sarjaan kuuluu useita standardeja, joista kukin on räätälöity tiettyjä reletyyppejä ja -sovelluksia varten. EN 61810-3 on yksi näistä standardeista, ja sen A-tyypin variantti on erityisen tärkeä.

Turvareleet

Standardin EN 61810-3 tyyppi A pätee yleisreleisiin, joissa käytetään erityisiä rakenne- ja valmistustekniikoita sen takaamiseksi, että normaalisti avoimet (NO) koskettimet eivät voi asettua samaan asentoon kuin normaalisti suljetut (NC) koskettimet. Nämä releet, joihin on nimenomaisesti rakennettu standardin mukaiset pakko-ohjatut koskettimet, soveltuvat käytettäviksi itsevalvovissa turvallisuuteen liittyvissä ohjausjärjestelmissä.

Pakko-ohjatut koskettimet on linkitetty mekaanisesti toisiinsa sen varmistamiseksi, etteivät NC-avauskoskettimet ja NO-sulkukoskettimet ole koskaan kiinni samanaikaisesti, esimerkiksi valokaaren mikrohitsatessa koskettimet yhteen (”releen juuttuminen”).

Käytännön esimerkki tästä turvamekanismista on esitetty kuvassa 1, jossa kuvataan Weidmüllerin turvarelemoduulia, johon kuuluu 3 NO-kosketinta ja 1 NC-kosketin. Kuten kuvasta näkyy, kaikki navat on yhdistetty mekaanisesti toisiinsa tangon avulla, joka estää itsenäisen liikkeen.

Jos NC-kosketin on hitsautunut kiinni, yksikään NO-kosketin ei voi sulkeutua releen aktivoinnin aikana. Jos vastaavasti jokin NO-koskettimista on hitsautunut kiinni, NC-kosketin eivät voi sulkeutua releen deaktivoinnin aikana. Avautumiseen liittyvät toimintahäiriöt tunnistetaan erikoispiirin avulla. Tämä on kaikkein luotettavin tapa varmistaa ihmisen ja koneen maksimaalinen turvallisuus.

Kuva 1: Kaavio Weidmüllerin turvarelemoduulista. (Lähde: Weidmüller)

Turvareleet mahdollistavat koneiden ja järjestelmien turvallisuustoimintojen luotettavan toteuttamisen. Nämä toiminnot yleensä seuraavat hätäpysäytyspainikkeiden signaaleja, valoverhoja, turvaovikytkimiä ja muita laitteita. Jos laitoksessa ilmenee hätätilanne, tarvitaan nopeaa reagointia. Sireenien, varoitusvalojen tai jäähdytysjärjestelmien päällekytkentään tulee käyttää ETS (energized to safe) -protokollaa, kun taas moottorien tai hätäpysäytysventtiilien poiskytkentään on käytettävä DTS (de-energized to safe) -menettelyä. Edellinen tarkoittaa turvallista päällekytkentää ja jälkimmäinen turvallista poiskytkentää. Standardin IEC62061 ja SIL 3 -tason mukainen turvallisuuteen liittyvien sovellusten aktivointi ja deaktivointi taataan käyttämällä releitä, joissa on redundantit koskettimet.

Jos kytkentärele ei täytä turvallisuusstandardeja, sen metallikoskettimet voivat hitsautua kiinni toistuvassa käytössä. Vaikka käyttäjä painaisi hätäpysäytyspainiketta, kone jatkaa toimintaansa ei-turvallisessa tilassa. Tämä aiheuttaa riskin sekä käyttäjälle että koneelle. Kansallisten ja kansainvälisten turvallisuusvaatimusten mukaisesti releitä, joita ei ole sertifioitu turvallisiksi, ei saa käyttää potentiaalisesti vaarallisissa koneissa tai laitteistoissa.

Pakko-ohjatuilla koskettimilla varustetut releet ovat yleistymässä, koska ne ovat turvallisempia ja luotettavampia. Pakko-ohjatuilla koskettimilla varustetuissa relemoduuleissa käytetään pääasiallisena tekniikkana redundantteja piirejä ja mekanismeja. Näiden redundanttien ominaisuuksien tehtävänä on varmistaa, että rele pysyy turvallisessa tilassa, vaikka ohjauspiiri tai itse rele vioittuisi. Tämä redundanssi on välttämätöntä sovelluksissa, joissa turvallisuus ja luotettavuus ovat tärkeitä.

Nämä relemoduulit soveltuvat luotettavuus- ja turvallisuusominaisuuksiensa ansiosta monenlaisiin sovelluksiin, kuten:

• teollisuusautomaatio
• lääketieteelliset laitteet
• virrantuotanto ja -jakelu
• tietoliikenne
• kuljetus.

Tämäntyyppisissä releissä, joissa pää- ja apukoskettimet on yhdistetty mekaanisesti toisiinsa, apukoskettimien asennosta voidaan määrittää pääkoskettimien asento virtapiirissä. Näin ollen on mahdollista määrittää, onko kosketin jäänyt kiinni (koskettimen juuttumisen vuoksi), vaikka sen käämi olisi deaktivoitu. Jos virtanapakosketin hitsautuu kiinni, mekaaninen liitos estää avoimen apukoskettimen sulkeutumisen käämin ollessa deaktivoitu.

Weidmüllerin SAFESERIES-relemoduulit

Sähkötekniikan alalla turvallisuus ja luotettavuus ovat erittäin tärkeitä. Tämä tarkkuuteen ja luotettavuuteen panostaminen on johtanut sellaisten kehittyneiden komponenttien luontiin kuten pakko-ohjattuja koskettimia käyttävät Weidmüllerin irrotettavat relemoduulit. Nämä innovatiiviset relemoduulit edustavat merkittävää teknologista edistysaskelta, sillä ne parantavat turvallisuutta, tehokkuutta ja joustavuutta monenlaisia sovelluksia varten.

Näiden relemoduulien ytimenä toimii tekniikka, joka takaa koskettimien pakko-ohjattavuuden. Se tarkoittaa, että ne vaihtavat hallitusti ja luotettavasti tilaa avoimesta tilasta suljettuun ja päinvastoin. Tämä mekanismi estää koskettimien ei-halutun toiminnan vaikka rele tai ohjauspiiri vioittuisikin. Tuloksena on rele, joka priorisoi turvallisuuden suorituskyvystä tinkimättä.

Weidmüllerin SAFESERIES-kosketinlaajennus on standardin EN 61810-3 tyypin A mukainen, ja se koostuu releistä, joissa on pakko-ohjatut koskettimet. Tämän ansiosta sarjan releet sopivat erittäin hyvin signaalien seuraamiseen sovelluksissa, jotka on tarkoitettu henkilöiden ja koneiden suojaamiseen.

SAFESERIES sisältää neljä erillisistä irrotettavaa relettä ja niitä vastaavat ruuvikannat seuraavina kosketinversioina:

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

Sovelluksessa on mahdollista saavuttaa korkein PL e -suorituskyky, jos se on suunniteltu standardin EN/ISO 13849-1 mukaisesti. Peruskomponenttia voidaan käyttää myös turvallisuussovelluksissa standardin IEC/EN 62061 mukaisesti, mikä mahdollistaa SIL 3 -eheystason saavuttamisen.

Kuvassa 2 esitetään Weidmüllerin turvarelemoduuli 2759070000 DIN-kiskosovelluksiin sopivassa kokoonpanossa. Se on 4 koskettimen yleiskäyttöinen rele, joka tarjoaa 3 NO-kosketinta ja 1 NC-koskettimen sekä 24 V_DC:n (±10 %) käämin. Laite voidaan aktivoida kytkemällä käämiin sen luokituksen mukainen DC-virta 20 mA ja sen kytkentäjänniteluokitus on 250 V_AC AgSnO-kullattujen koskettimien kautta, jotka on luokiteltu 6 A:n jatkuvalle virralle. Kuormituspuolella suurin kytkentäjännite on 400 V_AC ja 250 V_DC. Kuten kuvan 1 kaaviossa näytetään, releeseen on integroitu tilan merkkivalo (vihreä ledi) ja nolladiodi suojausta varten. Kytkeytymis- ja katkaisuviive on alle 20 ms, ja laitteen käyttöikä on 10 x 10⁶ kytkentäsykliä.

Kuva 2: Weidmüllerin SAFESERIES-relemoduuli 2759070000. (Lähde: DigiKey)

Toinen SAFESERIES-tuote, miniatyyrikokoinen teollisuusrele 2759030000, näytetään kuvassa 3. Tässä 3 NO-koskettimella ja 1 NC-koskettimella varustetussa releessä on pakko-ohjatut koskettimet, ja se soveltuu yleiskäyttöön ja läpiasennukseen.

Kuva 3: Weidmüllerin SAFESERIES-relemoduuli 2759030000. (Lähde: DigiKey)

Yhteenveto

Relemoduulit ovat kriittisiä komponentteja toiminnallisen turvallisuuden järjestelmissä, koska ne takaavat luotettavan ohjauksen ja suorittavat erittäin kriittisiä tehtäviä. Koska ne ovat kestäviä, rakenteeltaan vikaturvallisia ja tukevat redundanssia, niitä käytetään usein sellaisissa sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeinta mahdollista turvallisuustasoa. Relemoduulit edistävät merkittävästi teollisuus- ja ajoneuvojärjestelmien yleistä turvallisuutta ja luotettavuutta, kun niitä käytetään oikealla tavalla ja vaadittavien standardien mukaisesti. Relemoduulien kehittäminen ja kasvu jatkuu teknologisen kehityksen rinnalla, ja niihin lisätään yhä kompleksisempia ominaisuuksia toiminnallisen turvallisuuden jatkuvasti kasvavien vaatimusten täyttämiseksi.