העלאת בטיחות פונקציונלית באמצעות מודולי ממסר

בטיחות פונקציונלית היא חיונית למערכות תעשייתיות של היום, כדי להבטיח את העבודה הבטוחה של מכונות ותהליכים גם כשנתקלים בטעויות או תקלות. מודולי ממסר‏ מקבלים על עצמם תפקיד מפתח בהבטחת בטיחות פונקציונלית על ידי היצע של מנגנון אמין עבור בקרה על מעגלים חשמליים. מאמר זה, שמתמקד במשפחת המוצרים Weidmüller SAFESERIES‏, בוחן את החשיבות של מודולי ממסר בהקשר של‏ בטיחות פונקציונלית, מדגיש את המאפיינים החיוניים שלהם ומספק הנחיות עבור בחירה ושימוש אופטימלי.

עמידה בצרכי בטיחות פונקציונלית

ממסרים אלקטרומכניים משמשים לרוב לבקרת מעגלים חשמליים הספק-גבוה באמצעות אותות הספק-נמוך. הם עובדים כמתגים, מאפשרים או מונעים את מעבר הזרם, תלוי בסטטוס של אות‏ כניסה. מודולי ממסר משמשים ביישומי בטיחות פונקציונלית כדי להבטיח שפונקציות בטיחות קריטיות מבוצעות באמינות וסיכונים פוטנציאליים מופחתים למינימום. חלק מההיבטים החשובים ביותר של מודולי ממסר בבטיחות פונקציונלית הם כדלקמן:

• יתירות (Redundancy): יתירות היא‏ אחד העקרונות הבסיסיים של‏ בטיחות פונקציונלית הדורש רכיבים עצמאיים מרובים כדי לבצע את אותה הפונקציה הקריטית לבטיחות. קונפיגורציה של מודולי ממסר מוגדרת לרוב באופן שתכלול יתירות כדי להבטיח שמערכת יכולה להמשיך לפעול באופן בטוח גם אם ממסר אחד תקול.
• תכנון עמיד בפני כשלים (Failure-safe design): מודולי ממסר מתוכננים בדרך כלל למקרי תקלה במצב בטוח; אם‏ ממסר תקול או מאבד אספקת-כוח, ברירת המחדל תהיה מצב שיבטיח את בטיחות המערכת. לדוגמה, ממסר‏ תקול במעגל המסדיר את עצירת החירום של‏ מכונה חייב לגרום לעצירה מיידית.
• דיאגנוסטיקה וניטור: יכולות אלו המשולבות בתוך מודולי ממסר מתקדמים, מאפשרות למערכת לגלות פגמים או תקלות בממסר וליזום את התגובות המתאימות, כגון אזעקת תקלה או מעבר לממסר יתיר.
• אמינות וחוסן: מודולי ממסר ידועים היטב בעמידותם ובמהימנותם. הם יכולים לעמוד בתנאי סביבה קיצוניים, תנודות טמפרטורה ומאמצים מכניים, דבר ההופך אותם מתאימים לשימוש בסביבות תעשייתיות תובעניות.
• שיהוי קצר (Low latency): ביישומים קריטיים לבטיחות, זמן תגובה הוא בעל חשיבות עליונה. ביישומים בהם נדרשים זמני תגובה מהירים כדי להבטיח את הבטיחות של‏ עובדים וציוד, מודולי ממסר הם עדיפים.

בעת יישום מודולי ממסר ביישומי בטיחות פונקציונלית, יש לשקול מספר שיקולים, החל מתאימות לתקנים. זה מבטיח שמודולי הממסר המשמשים ביישומי בטיחות פונקציונלית תואמים לתקני בטיחות ואישורים רלוונטיים.

ה-European Committee for Electrotechnical Standardization‏ (CENELEC‏) פיתחה את סדרת ה-EN 61810, שמתרכזת בממסרים אלקטרומכניים פשוטים. הסדרה כוללת מספר תקנים, כל אחד מהם מותאם לסוגי ממסר ויישומים ספציפיים. ה-EN 61810-3‏ הוא‏ אחד מהתקנים‏ האלה, וגרסת ה-Type A‏ שלו היא בעלת חשיבות מיוחדת.

ממסרי בטיחות

תקן ה-EN 61810-3 Type A חל על ממסרים פשוטים הכוללים תכנון וטכניקות בנייה ספציפיים כדי להבטיח שהמגעים הפתוחים-במצב-רגיל (NO) אינם יכולים להגיע לאותו מצב כמו המגעים הסגורים-במצב-רגיל (NC). ממסרים אלה, שבנויים במיוחד עם סט מגעים מחוברים מכנית (forcibly guided contacts) כדי להיות תואמים לתקן, הם בעלי יכולת לשמש במערכות בקרה קשורות לבטיחות, עם ניטור עצמי.

Forcibly guided contacts הם סט מגעים מחוברים מכנית כדי להבטיח שמגעי ה-NC הנפתחים ומגעי ה-NO הנסגרים אף פעם לא יהיו סגורים בו-זמנית בנוכחות, לדוגמה, מיקרו-ריתוך של מגעים הנגרם על ידי קשת חשמלית ("הדבקת ממסר" (“relay sticking”)).

דוגמה פרקטית של‏ מנגנון בטיחות ‏זה מוצג באיור 1‏, שמתייחס למודול ממסר בטיחות Weidmüller‏ הכולל 3 מגעי NO ומגע אחד NC. כמתואר בתמונה, כל הקטבים מחוברים מכנית באמצעות מוט, המונע תנועה עצמאית.

אם מגע ה-NC מרותך, אף אחד ממגעי ה-NO לא יכול להיסגר במהלך עירור הממסר. באופן דומה, אם אחד ממגעי ה-NO מרותך, במהלך הסרת העירור של הממסר, מגע ה-NC אינו יכול להיסגר. בשילוב עם מעגל מיוחד,‏ תקלות בפתיחה מתגלות. זו הדרך האמינה ב‏יותר להבטיח את הבטיחות המקסימלית של‏ אדם ומכונה.

איור 1: תרשים של מודול‏ ממסר בטיחות Weidmüller.‏ (מקור: Weidmüller)

ממסרי בטיחות מאפשרים מימוש אמין של ‏פונקציות בטיחות במכונות ומערכות כדי לנטר אותות לחצן עצירת חירום, וילונות אור, מתגי דלת בטיחות, ועוד. במקרה של מצב חירום במפעל, דרושה תגובה מהירה. יש להשתמש בפרוטוקול ה-"energized to safe" ‏(ETS‏) כדי להפעיל סירנות, אורות אזהרה או מערכות קירור, בעוד שיש לבצע את נוהל ה-"de-energized to safe"‏ (DTS) כדי לכבות מנועים או שסתומי עצירת חירום. הפעלה והשבתה תואמות IEC62061 ו-SIL 3‏ של‏ יישומים הקשורים לבטיחות מובטחות על ידי שימוש בממסרים עם מגעים יתירים.

אחרי שימוש חוזר, מגעי המתכת בממסר מיתוג שאינו עומד בתקני הבטיחות עלולים לעבור ריתוך. אפילו אם המפעיל ילחץ על לחצן עצירת החירום, המכונה תמשיך לעבוד באופן לא בטיחותי. קיים סיכון לשניהם, למפעיל ולמכונה.‏ אין להשתמש בממסרים שאינם מאושרים כבטיחותיים במכונות או התקנות מסוכנות פוטנציאלית, כמתחייב מדרישות בטיחות לאומיות ובינלאומיות.

בשל הבטיחות והמהימנות המוגברת שלהם, ממסרים עם סט מגעים מחוברים מכנית (positively driven contacts) צוברים פופולריות. מודולי ממסר עם סט מגעים מחוברים מכנית (positively driven contacts) משתמשים במעגלים ומנגנונים יתירים כטכנולוגיה העיקרית שלהם. מאפיינים יתירים אלה מתוכננים כדי להבטיח שהממסר נשאר במצב בטיחותי אפילו אם מעגל הבקרה או הממסר עצמו תקול. יתירות זו היא חיונית עבור יישומים בהם בטיחות ומהימנות הן חשובות.

מאפייני האמינות והבטיחות של מודולי ממסר אלה עושים אותם מתאימים עבור‏ מגוון יישומים, כגון:

• אוטומציה תעשייתית
• התקנים רפואיים
• ייצור וחלוקת חשמל
• טלקומוניקציה
• תחבורה

בממסרים מהסוגים האלה, עם המגעים העיקריים ומגעי העזר מחוברים מכנית, ניתן להשתמש במצב מגעי העזר כדי לקבוע את המצב של המגעים העיקריים במעגל ההספק. לפיכך, ניתן לקבוע באם ה‏מגעון נשאר סגור (בשל הדבקת מגעים) אפילו אם הוסר העירור מהסליל שלו. אם מגע קוטב הספק מרותך, החיבור המכני מונע ממגע העזר הפתוח להיסגר כשהסליל לא מעורר.

מודולי ממסר SAFESERIES‏ של Weidmüller‏

בתחום‏ הנדסת החשמל, בטיחות ומהימנות הן בעלות חשיבות עליונה. מסירות לדיוק ומהימנות זו הביאה ליצירת רכיבים מתקדמים כמו מודולי ממסר נתקעים של Weidmüller הכוללים סט מגעים מחוברים מכנית (positively driven contacts). מודולי ממסר חדשניים אלה מייצגים‏ צעד משמעותי קדימה בטכנולוגיה, מציעים בטיחות משופרת, נצילות וגמישות במגוון רחב של יישומים.

בלב מודולי ממסר אלה יש‏ טכנולוגיה המבטיחה שהמגעים מחוברים מכנית, שפירושו שהם עוברים בין מצב פתוח וסגור באופן מבוקר ומהימן. מנגנון זה מונע את האפשרות של פעולת מגע לא מכוונת, ללא קשר לתקלות בממסר או במעגל הבקרה. כתוצאה מכך, הממסר המתקבל נותן עדיפות לבטיחות מבלי להקריב ביצועים.

הרחבת מגעים SAFESERIES של Weidmüller ‏תואמת עם EN 61810-3 Type A, כוללת ממסרים בעלי סט מגעים מחוברים מכנית (forcibly guided contacts). לכן, הם מתאימים במיוחד עבור ניטור אותות ביישומים העוסקים בבטיחותם של אנשים ומכונות כאחד.

ה-SAFESERIES‏ כוללת‏ ארבעה ממסרים תקיעים נפרדים עם תושבות הברגה‏ תואמות בגרסאות המגעים הבאות:

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

השגת רמת הביצועים הגבוהה ביותר של‏ ’PL ‘e עבור יישום‏ היא אפשרית אם היא מתוכננת בהתאם לתקן EN/ISO 13849-1‏. הרכיב הבסיסי יכול גם לשמש עבור יישומי בטיחות בהתאם ל-IEC/EN 62061, המאפשר את ההשגה של רמות תקינות בטיחות SIL 3‏.

איור 2‏ מראה את מודול ממסר הבטיחות Weidmüller 2759070000 סגור במכלול המתאים ליישומי מסילת DIN. זהו‏ ממסר לשימוש כללי, 4‏ חיבורים עם 3 מגעים NO ומגע אחד NC עם סליל של 24‎ V_DC ±10%. ניתן לערר את ההתקן על ידי החלת זרם ‏DC נקוב-סליל ‏של‏ mA‏ 20,‏ עם מתח ממותג נקוב של ‎250 V_AC ומגעי AgSnO מצופים זהב המדורגים לזרם רציף של ‎6 A‏. בצד העומס, המתח הממותג המקסימלי הוא 400‎ V_AC ו-250‎ V_DC. כמתואר בתרשים של איור 1‏, הממסר משלב‏ מחוון סטטוס (LED ירוק‏) ודיודת Freewheeling להגנה. שיהוי ההפעלה וההשבתה הוא פחות מ-ms‏ 20‏, ואורך חיי ההתקן הוא ‏‎10 x 10⁶ מחזורי מיתוג.

איור 2‏: מודול ממסר ‎2759070000 SAFESERIES‏ של Weidmüller‏. (מקור: DigiKey‏)

מוצר אחר של‏ ה-SAFESERIES‏, הממסר התעשייתי הזעיר 2759030000, מוצג באיור 3‏. ממסר זה עם 3 מגעי NO ומגע אחד NC, סט מגעים מחוברים מכנית (forcibly guided contacts), מתאים עבור יישומי שימוש כללי והוא בעל הרכבה בחור-עובר.

איור 3‏: מודול ממסר ‎2759030000 SAFESERIES‏ של Weidmüller‏. (מקור: DigiKey‏)

סיכום

מודולי ממסר הם רכיבים חיוניים במערכות בטיחות פונקציונלית כי הם מבטיחים בקרה מהימנה ומבצעים תפקידים חיוניים. הודות‏ לחוסן, תכן האל-כשל (Fail-Safe) והתאימות ליתירות שלהם, בדרך כלל הם נבחרים לשימוש ביישומים בהם דרושה בטיחות ברמה הגבוהה ביותר. מודולי ממסר תורמים תרומה משמעותית לבטיחות ומהימנות של מערכות רכב ותעשייתיות כשמשתמשים בהם נכון ובתאימות לתקנים רלוונטייים. מודולי ממסר ממשיכים להתפתח ולגדול לצד פיתוחים טכנולוגיים, מוסיפים מאפיינים מורכבים יותר ויותר כדי לענות לדרישות ההולכות וגדלות של בטיחות פונקציונלית.