Hogere functionele veiligheid met relaismodules

Functionele veiligheid is van cruciaal belang voor hedendaagse industriële systemen. Het garandeert de veilige werking van machines en processen, zelfs wanneer er sprake is van fouten of storingen. Relaismodules spelen een belangrijke rol bij functionele veiligheid en dienen als een betrouwbaar mechanisme voor het regelen van elektrische circuits. Dit artikel richt zich op de SAFESERIES-productfamilie van Weidmüller en behandelt het belang van relaismodules in de context van functionele veiligheid. Daarnaast benadrukken we de essentiële kenmerken van deze modules en bieden we richtlijnen voor het selecteren van het juiste product voor optimaal gebruik.

Functionele veiligheidsbehoeften

Elektromechanische relais worden vaak gebruikt om met een klein signaal zwaardere elektrische circuits te besturen. Ze werken als schakelaars die de doorgang van stroom toestaan of verhinderen, afhankelijk van de status van een ingangssignaal. Relaismodules worden gebruikt in functionele veiligheidstoepassingen om ervoor te zorgen dat kritieke veiligheidsfuncties betrouwbaar worden uitgevoerd en potentiële gevaren worden geminimaliseerd. Enkele belangrijke aspecten van relaismodules in functionele veiligheid zijn:

• Redundantie: Redundantie is een fundamenteel principe van functionele veiligheid, waarbij meerdere onafhankelijke componenten dezelfde veiligheidskritische functie moeten uitvoeren. Relaismodules worden vaak redundant geconfigureerd om ervoor te zorgen dat een systeem veilig kan blijven werken, zelfs als er een relais uitvalt.
• Fail-safe ontwerp: Relaismodules zijn gewoonlijk ontworpen om in een veilige toestand te functioneren; als een relais defect raakt of geen stroom meer krijgt, valt het terug op een toestand die de veiligheid van het systeem garandeert. Een defect relais in een circuit dat de noodstop van een machine regelt, moet bijvoorbeeld resulteren in een onmiddellijke stop.
• Diagnose en bewaking: Diagnose en bewaking zijn geïntegreerd in geavanceerde relaismodules en stellen het systeem in staat om defecten of storingen in het relais te detecteren, waarna de juiste respons wordt geïnitieerd, zoals een storingsalarm of overschakeling naar een redundant relais.
• Betrouwbaarheid en robuustheid: Relaismodules staan bekend om hun duurzaamheid en gedegenheid. Ze zijn bestand tegen extreme omgevingsomstandigheden, temperatuurschommelingen en mechanische spanning, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in veeleisende industriële omgevingen.
• Lage latentie: In veiligheidskritische toepassingen is reactietijd van het grootste belang. In toepassingen waar snelle reactietijden vereist zijn om de veiligheid van personeel en apparatuur te garanderen, krijgen relaismodules de voorkeur.

Bij het implementeren van relaismodules in functionele veiligheidstoepassingen moeten verschillende overwegingen worden gemaakt, te beginnen met de naleving van normen. Dit garandeert dat de relaismodules die worden gebruikt in functionele veiligheidstoepassingen voldoen aan de relevante veiligheidsnormen en certificeringen.

Het Europees Comité voor Elektrotechnische Normalisatie (CENELEC) heeft de EN 61810-serie ontwikkeld, die gericht is op elektromechanische elementaire relais. De serie bestaat uit verschillende normen die afgestemd zijn op specifieke relaisvariëteiten en toepassingen. EN 61810-3 is een van deze normen en vooral de variant Type A is van belang.

Veiligheidsrelais

De norm EN 61810-3 Type A is van toepassing op elementaire relais met specifieke ontwerp- en constructietechnieken om te garanderen dat de NO-contacten (normaal open) niet dezelfde positie kunnen innemen als de NC-contacten (normaal gesloten). Deze relais zijn speciaal vervaardigd met gedwongen geleide contacten om aan de norm te voldoen en kunnen worden gebruikt in veiligheidsgerelateerde regelsystemen met zelfbewaking.

Gedwongen geleide contacten zijn mechanisch verbonden om ervoor te zorgen dat de NC-openingscontacten en NO-sluitingscontacten nooit gelijktijdig sluiten, bijvoorbeeld bij de aanwezigheid van contactverkleving veroorzaakt door vonkvorming (‘relais sticking’).

Een praktisch voorbeeld van dit veiligheidsmechanisme is te zien in afbeelding 1, waar een veiligheidsrelaismodule van Weidmüller met 3 NO-contacten en 1 NC-contact wordt getoond. Zoals op de afbeelding te zien is, zijn alle polen mechanisch met elkaar verbonden waardoor ze niet onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen.

Als het NC-contact verkleefd is, kan tijdens het bekrachtigen van het relais geen van de NO-contacten sluiten. Op dezelfde wijze kan, als een van de NO-contacten verkleefd is, tijdens het spanningsloos maken van het relais, het NC-contact niet sluiten. In combinatie met een speciaal circuit worden storingen bij het openen gedetecteerd. Dit is de meest betrouwbare manier om de maximale veiligheid van mensen en machines te garanderen.

Afbeelding 1: Schema van een veiligheidsrelaismodule van Weidmüller. (Bron: Weidmüller)

Veiligheidsrelais bieden een betrouwbare implementatie van veiligheidsfuncties op machines en systemen voor de bewaking van noodstopsignalen, lichtschermen, veiligheidsdeurschakelaars en meer. In het geval van een noodsituatie in een fabriek is een snelle reactie cruciaal. Het ETS-protocol ‘energized to safe’ (onder spanning tot veilig) moet worden gebruikt om sirenes, waarschuwingslichten of koelsystemen in te schakelen, terwijl de DTS-procedure ‘de-energized to safe’ (spanningsloos tot veilig) moet worden gevolgd om motoren of noodstopkleppen uit te schakelen. Gebruik van relais met redundante contacten garandeert naleving van IEC 62061 en SIL 3 voor het activeren en deactiveren van veiligheidsgerelateerde toepassingen.

Na herhaald gebruik kunnen de metalen contacten in een schakelrelais dat niet aan de veiligheidsnormen voldoet, verkleven. Zelfs als de operator op de noodstopknop drukt, blijft de machine in een onveilige modus werken. Dit veroorzaakt een risico voor zowel de bediener als de machine. Relais die niet als veilig zijn gecertificeerd, kunnen niet worden gebruikt op potentieel gevaarlijke machines of installaties. Dit is voorgeschreven door nationale en internationale veiligheidseisen.

Vanwege hun grotere veiligheid en betrouwbaarheid worden relais met positief aangedreven contacten steeds populairder. Relaismodules met positief aangedreven contacten maken gebruik van redundante circuits en mechanismen als belangrijkste technologie. Deze redundante functies zijn ontworpen om ervoor te zorgen dat het relais in een veilige toestand blijft, zelfs als het besturingscircuit of het relais zelf uitvalt. Deze redundantie is essentieel voor toepassingen waarbij veiligheid en betrouwbaarheid belangrijk zijn.

De betrouwbaarheids- en veiligheidskenmerken van deze relaismodules maken ze geschikt voor uiteenlopende toepassingen, zoals:

• Industriële automatisering
• Medische hulpmiddelen
• Stroomopwekking en -distributie
• Telecommunicatie
• Vervoer

Bij dit type relais zijn de hoofd- en hulpcontacten mechanisch verbonden, zodat de positie van de hulpcontacten kan worden gebruikt om de positie van de hoofdcontacten in het voedingscircuit te bepalen. Daarom is het mogelijk om te bepalen of de magneetschakelaar gesloten is gebleven (door contactverkleving), ook al is de spoel spanningsloos gemaakt. Als een stroompoolcontact verkleefd is, voorkomt de mechanische verbinding dat het geopende hulpcontact sluit wanneer de spoel spanningsloos is.

SAFESERIES-relaismodules van Weidmüller

In de elektrotechniek zijn veiligheid en betrouwbaarheid van het grootste belang. Speciale aandacht voor precisie en betrouwbaarheid heeft geresulteerd in het ontwerp van geavanceerde componenten zoals de insteekbare relaismodules van Weidmüller met positief aangedreven contacten. Deze innovatieve relaismodules zijn een belangrijke stap voorwaarts in technologie en bieden verbeterde veiligheid, efficiëntie en flexibiliteit voor een groot aantal toepassingen.

De kern van deze relaismodules wordt gevormd door een technologie die garandeert dat de contacten positief worden aangedreven, wat betekent dat ze op een gecontroleerde en betrouwbare manier van de ene naar de andere toestand overgaan. Dit mechanisme sluit de mogelijkheid van onbedoelde contactwerking uit, ongeacht storingen in het relais of het stuurcircuit. Bijgevolg geeft het resulterende relais prioriteit aan veiligheid zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.

Contactuitbreiding van de Weidmüller-SAFESERIES voldoet aan EN 61810-3 Type A, bestaande uit relais met gedwongen geleide contacten. Hierdoor zijn ze bijzonder geschikt voor signaalbewaking in toepassingen die te maken hebben met de veiligheid van zowel mensen als machines.

De SAFESERIES bestaat uit vier afzonderlijke insteekbare relais met bijpassende schroefbussen in de volgende contactuitvoeringen:

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

Het hoogste prestatieniveau van PL ‘e’ voor een toepassing is mogelijk als deze is ontworpen in overeenstemming met de norm EN/ISO 13849-1. Het fundamentele component kan ook worden gebruikt voor veiligheidstoepassingen in overeenstemming met IEC/EN 62061, waarmee SIL 3-niveaus van veiligheidsintegriteit kunnen worden bereikt.

Afbeelding 2 toont de veiligheidsrelaismodule 2759070000 van Weidmüller in een behuizing die geschikt is voor DIN-rail-toepassingen. Dit relais heeft 4 posities voor algemene doeleinden, met 3 NO-contacten en 1 NC-contact met een spoel van 24 V_DC ± 10%. Het relais kan worden bekrachtigd door een spoelgeschikte gelijkstroom van 20 mA toe te passen met een nominale schakelspanning van 250 V_AC en met AgSnO vergulde contacten die geschikt zijn voor een continue stroom van 6 A. Aan de belastingzijde is de maximale schakelspanning 400V _AC en 250 V_DC. Zoals het schema in afbeelding 1 laat zien, bevat het relais een statusindicator (groene led) en een vrijloopdiode ter bescherming. De in- en uitschakelvertraging is minder dan 20 ms en de levensduur van het relais is 10 x 10⁶ schakelcycli.

Afbeelding 2: De SAFESERIES-relaismodule 2759070000 van Weidmüller. (Bron: DigiKey)

Een ander SAFESERIES-product is het industriële miniatuurrelais, 2759030000, dat wordt getoond in afbeelding 3. Dit relais heeft 3 NO-contacten en 1 NC-contact, doorgangsmontage en gedwongen geleide contacten en is geschikt voor algemene toepassingen.

Afbeelding 3: De SAFESERIES-relaismodule 2759030000 van Weidmüller. (Bron: DigiKey)

Conclusie

Relaismodules zijn essentiële componenten in functionele veiligheidssystemen omdat ze een betrouwbare besturing garanderen en essentiële taken uitvoeren. Vanwege hun robuustheid, fail-safe ontwerp en compatibiliteit met redundantie worden ze vaak geselecteerd voor gebruik in toepassingen waar het hoogste veiligheidsniveau vereist is. Relaismodules leveren een aanzienlijke bijdrage aan de algehele veiligheid en betrouwbaarheid van industriële en automobielsystemen mits ze op de juiste manier en in overeenstemming met de geldende normen worden gebruikt. Relaismodules blijven zich ontwikkelen en meegroeien met de technologische vooruitgang, waarbij steeds complexere functies worden toegevoegd om te voldoen aan de almaar hogere eisen van functionele veiligheid.