כיצד להשתמש בממתגי-זרם (Contactor‏) בעלי דירוג בטיחות כדי לממש פתרונות בטיחות תעשייתיים אופטימליים

ממתגי-זרם בעלי דירוג בטיחות נדרשים ביישומים תעשייתיים כדי להבטיח שניתן יהיה למתג מכונות ומערכות למצב בטוח באופן אמין וצפוי, לעתים קרובות במקרה של שגיאת פעולה או דרישת פונקציית בטיחות. נקודת ההתחלה בעת תכנון מערכות בטיחות תעשייתיות היא הקביעה האם היישום דורש רמות תקינות בטיחותית (SIL) עד SIL 2 כפי שמוגדר ב-IEC 62061 ו/או רמת ביצועים (PL‏) c‏ תקן של ISO 13849. יישומים מסוימים דורשים רמות גבוהות יותר של בטיחות.

יש לקחת בחשבון את ההנחיות של תקן IEC 60947-4-1 המתמקדות בתכנון ובדיקה של מתגי מתח נמוך והתקני בקרה, ושל תקן ISO 13849-1 המספק עקרונות כלליים עבור תכנון ושילוב חלקים הקשורים לבטיחות של מערכות בקרה, כולל חומרה ותוכנה.

מאמר זה מראה כיצד לתכנן מערכות בטיחות תוך שימוש בממתגי-זרם בעלי דירוג-בטיחות 3RT2‏ של Siemens‏ עם פעולת אל-כשל כדי לממש פתרונות בטיחות תעשייתית אופטימלית. הוא גם סוקר השגת רמות SIL ו-PL גבוהות יותר ובעיות אינטגרציה של מערכות כמו ניהול תרמי של ממתגי-זרם, ומסיים בסקירה כיצד להתאים-במיוחד פתרון בטיחות באמצעות אביזרים כמו חיבורים יתירים, משככי נחשולים, מודולי פונקציות ועוד, לעבור ופטימיזציה נוספת של היישומים והבטיחות.

ממתגי-זרם 3RT2 זמינים עם אפשרויות פעולה קונבנציונליות ומצב-מוצק, בגדלים S00 עד S2 היכולים להתמודד עם עד kW‏ 37‏. עבור ממתגי-זרם עם מנגנון פעולה מצב-מוצק, הוא מגדיר הכללה של אות אופציונלי עבור אורך החיים הנותר.

ממתגי-זרם אלה עומדים בדרישות IEC 60947-4-1 קטגוריה AC-3e‏ עבור שימוש עם מנועים IE3 או IE4 בעלי נצילות גבוהה. יש להם מגוון של תצורות יציאת עזר, כולל מגעים פתוחים באופן-רגיל (NO‏) וסגורים באופן-רגיל (NC‏) שניתן להשתמש בהם כדי לספק משוב האם המעגל הראשי מופעל או מושבת. ניתן להשתמש במשוב להפעלת נורות חיווי, התרעות או התקני בקרה אחרים. דוגמאות של ממתגי-זרם 3RT2 כוללות את:

• 3RT20152AP611AA0‏ - גודל S00, מדורג עבור A‏ 7‏, kW‏ 3‏ / V‏ 400‏, 3‏ קטבים, _AC‏V‏ 220‏ Hz‏ 50‏ / _AC‏V‏ 240‏ Hz‏ 60‏, מגעי עזר: NO‏ 1‏, הדקים קפיציים
• 3RT20231AK60‏ - גודל S0, מדורג עבור A‏ 9‏, kW‏ 4‏ / V‏ 400‏, 3‏ קטבים, _AC‏V‏ 110‏ Hz‏ 50‏ / _AC‏V‏ 120‏ Hz‏ 60‏, מגעי עזר: NO‏ 1‏ + NC‏ 1‏, הדקי בורג (איור 1‏)
• 3RT20281AN20‏ - גודל S0, מדורג עבור A‏ 38, kW‏ 18.5‏ / V‏ 400‏, 3‏ קטבים, _AC‏V‏ 220‏ Hz‏ 50/60‏, מגעי עזר: NO‏ 1‏ + NC‏ 1‏, הדקי בורג
• 3RT20371KB40‏ - גודל S2, מדורג עבור A‏ 65, kW‏ 30‏ / V‏ 400‏, 3‏ קטבים, _DC‏V‏ 24‏, עם ואריסטור משולב, מגעי עזר: NO‏ 1‏ + NC‏ 1‏, הדקי בורג
• 3RT20371SF30‏ - גודל S2 עם כניסת F-PCL-IN‏, מדורג עבור A‏ 65, kW‏ 30‏ / V‏ 400‏, 3‏ קטבים, _AC‏V‏ 83‏ עד _DC/AC‏V‏ 150‏ עם ואריסטור משולב, מגעי עזר:NC‏ 1‏, הדקי בורג

איור 1: ממתג-זרם בגודל S0 זה מדורג עבור kW‏ 4‏ ויש לו יציאת עזר NC אחת ויציאת NO אחת. (מקור התמונה: Siemens‏)

זמן התגובה הוא קריטי לבטיחות

בעת תכנון פתרונות בטיחות תעשייתית, חשוב להבין את ההשפעה של זמן התגובה הכולל. הוא מורכב מכמה פרמטרים. בעת ביצוע הערכת סיכונים, זמן התגובה מוגדר כזמן הכולל שבו יש לעצור כל תנועה מסוכנת במקרה של דרישת בטיחות. כמה מהגורמים המשפיעים על זמן התגובה הם:

• זמן התגובה לכניסה של החיישנים ביחידת ניטור הבטיחות
• זמן מחזור של תוכנית הבטיחות
• זמן השיהוי של פרוטוקולי התקשורת
• זמן מהלך-יתר מהאינרציה של המנוע או המפעיל
• זמן הניתוק של ממתג-הזרם

זמן הניתוק של ממתגי-זרם אלקטרומכניים ומתנעי מנועים מכוסה על ידי IEC 60947-4-1. התקן מתאר את הדרישות עבור זרמי ניתוק בטיחותיים בתנאי פעולה שונים.

הוא גם מגדיר קטגוריות שימוש המסווגות את סוג העומס ואת תנאי הפעולה של ממתג-הזרם, כמו AC-3e עבור מנועים בעלי נצילות גבוהה. התקן כולל נהלים לבדיקת זמן הניתוק ומאפייני ביצועים אחרים של ממתגי-הזרם.

זמן הניתוק של ממתג-הזרם הוא פרמטר קריטי במערכות בטיחות. הוא מוגדר כזמן שחולף מהסרת מתח הסליל ועד לפתיחת המגעים הראשיים, כולל שיהוי הפתיחה (OD) בתוספת זמן הקשת החשמלית בין מגעים (AT‏).

לדוגמה, בעת שימוש בממתג-זרם בעל ביצועי מיתוג המודגמים באיור 2, זמן הניתוק, OD + AT, הוא בין 50 ל-75 מילי-שניות. כאשר מחשבים את זמן התגובה הכולל, יש תמיד לקחת בחשבון את ערכי המקרה-הגרוע-ביותר - במקרה זה, 75 מילי-שניות (איור 2).

איור 2: בדוגמה זו, זמן הניתוק הכולל עבור המגעים הראשיים (OD + AT) יוגדר כ-75 מילי-שניות, שהיא האפשרות הגרועה ביותר. (מקור התמונה: Siemens‏)

מהי רמת הבטיחות הנדרשת?

תכני SIL 2 ו-PL c‏ מתמקדים במערכות בהן כשלים עלולים להוביל לנזק משמעותי, בעוד שתכני SIL 3 ו-PL e מיועדים עבור מערכות בהן כשלים עלולים להיות בעלי השלכות קטסטרופליות. מערכות SIL 3 ו-PL e הן מורכבות יותר, ודורשות יותר הנדסה, אינטגרציה ותחזוקה. מערכות SIL 2‏, SIL 3‏ ו-PL c‏ הן כולן אמינות ביותר. ועדיין, מערכות SIL 3‏ ו-PL e‏ מתוכננות עבור אמינות גבוהה יותר, עם מנגנוני יתירות ואל-כשל (Fail-Safe‏) כדי לרכך תקלות אפשריות.

השימוש בממתגי-זרם בעלי דירוג בטיחות הוא המפתח עבור פתרונות בטיחות פשוטים ועם עלות נמוכה יותר. לממתגי-זרם אלה יש כניסת בטיחות ייעודית (F-PLC-IN‏) כדי להבטיח שהם ימותגו למצב בטוח במקרה של תקלה, כגון איבוד הספקת-כוח או שגיאת אות בקרה.

כניסת F-PLC-IN מאפשרת חיבור ישיר לבקר כשל-בטיחות (F-DQ‏) המאפשר יישום של פונקציות בטיחות כמו עצירות חירום או נעילות. השימוש בכניסת F-PLC-IN חוסך את הצורך במספר רכיבים חיצוניים כמו ממסרי צימוד ובקר ייעודי (DQ) עבור ממתג-הזרם.

עם ממתגי-הזרם בדירוג בטיחות 3RT2, ניתן לתכנן מערכות כך שיעמדו בדרישות SIL 2 או PL c עם ממתג-זרם אחד בלבד ו-SIL 3 או PL e עם שני ממתגי-זרם בתצורה טורית יתירה. פישוט המערכת הנובע מכך יכול לשפר את האמינות ולהפחית את עלויות מערכת הבטיחות (איור 3).

איור 3: השימוש בממתגי-זרם בעלי דירוג בטיחות 3RT2 (למטה) תומך ברמות בטיחות גבוהות יותר עם פחות רכיבים בהשוואה לממתגי-זרם שאינם בעלי דירוג בטיחות (למעלה). (מקור התמונה: Siemens‏)

כלי הערכת בטיחות (SET) החינמי של Siemens‏ עבור IEC 62061 ו-ISO 13849-1 נבדק על ידי TÜV‏. SET כולל סביבת הערכה ופיתוח של מערכת בטיחות צעד-אחר-צעד המאפשרת להעריך במהירות ובפשטות את פונקציות הבטיחות של מכונה. בעזרת SET ניתן להפיק בקלות דו"ח בהתאם לתקן הנבחר, אותו ניתן לשלב בתיעוד כהוכחת בטיחות.

שיקולי ניהול תרמי

כמו כל התקן אחר לטיפול בהספק, על המתכנן לקחת בחשבון את החום שנוצר בעת שימוש בממתגי-זרם 3RT2. אלו התקנים יעילים ביותר, כך שאין הרבה חום, אבל בכל זאת יש מעט. לדוגמה, דגם 3RT20371KB40‏ מדורג לעומסים של עד kW‏ 30‏ ומייצר הפסדי הספק של עד W‏ 11‏.

התכן הבסיסי של ממתגי-זרם 3RT2 מתאים עבור הרכבה זה-לצד-זה ולפעולה בטמפרטורות סביבה מ-25°C- עד 60°C+ עם קירור בקונבקציה טבעית. בכמה מממתגי-זרם אלה ניתן להשתמש בטמפרטורות של עד C‏°‏80‏+ תחת מגבלות פעולה ספציפיות.

בין 60°C+ ל-70°C+ ניתן להשתמש בממתגי-זרם אלה ברציפות עם הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) המתאימה של הזרם ותדר המיתוג (מיתוגים לשעה). בנוסף, ייתכן שיידרש Clearance‏ של 10 מ"מ כדי להבטיח פיזור חום טוב יותר בהרכבה זה-לצד-זה.

בממתגי 3RT2 ניתן להשתמש עד שעה בטמפרטורת סביבה שבין 70°C+ ל-80°C+ עם הורדת ערך נומינלי (Derating‏) נוספת. עם זאת, טמפרטורת הסביבה הממוצעת לא תעלה על C‏°‏60+‏ למשך 24 שעות.

המלצות טמפרטורה מורחבות אלה חלות רק על ממתגי-זרם שאינם מכילים רכיבים אלקטרוניים. מומלץ להשתמש בממתגי-זרם עם אלקטרוניקה משולבת רק בטמפרטורה של עד C‏°‏60+‏ על מנת להבטיח אורך חיים מקסימלי.

במידת הצורך ניתן להשתמש בממתגי-זרם S00 ו-S0 שאינם כוללים אלקטרוניקה בטמפרטורת סביבה מינימלית של -50°C, אם אין עיבוי, אך העמידות המכנית תפחת עד 50%. יתר מפרטי הביצועים יישארו ללא שינוי. אין להשתמש בממתגי-זרם עם אלקטרוניקה משולבת, או כאלה המשמשים עם אביזרים אלקטרוניים, בטמפרטורות של מתחת ל-40°C-.

אביזרים עבור התאמה-מיוחדת של פתרון הבטיחות

בעוד שממתגי-זרם הם לב המערכת, הם דורשים לעתים קרובות תוספת של אביזרים כדי לממש פתרון בטיחות אופטימלי. לדוגמה, למגעי ממתגי-זרם 3RT2 בגודל S00 יש מגוון רחב של אפשרויות כמו מגעי עזר, מתגי עזר, מודולי קישור חכמים, משככי נחשולי מתח, משככי EMC ועוד (איור 4).

איור 4: קיים מגוון רחב של אביזרים עבור תמיכה בהתאמה-מיוחדת של יישומי בטיחות. (מקור התמונה: Siemens‏)

התחילו עם ערכת החיווט 3RA29132AA1‏ (חלקים ⑯, ⑰ ו-⑱ באיור 4). הוא מספק הדקי בורג לחיבור חוטים ומערכת אינטרלוק מכנית, המבטיחה ביצועים חשמליים ומכניים חסונים.

אם יישום דורש חיבור טורי של שני ממתגי-זרם כדי להשיג בטיחות SIL 3 או PL e, הוסיפו את מחבר הבטיחות הטורי 3RA29261A‏ (⑮). הוספת בלוק נעילה כמו ה-3RT29263AB31‏ (לא מוצג) מאפשרת לממתג-הזרם להישאר במצב משופעל(ON) גם לאחר הסרת פולס ההספק הראשוני ויכולה לשפר עוד יותר את הבטיחות ביישומים מסוימים.

ניתן להוסיף בלוקים פונקציונליים כדי לחבר את ממתג-הזרם למערכת הבקרה. מודול הפונקציה 3RA27111AA00‏ (⑧) יכול לאפשר חיבור IO-Link. מודול 3RA27122AA00‏ (⑦) מוסיף ממשק-AS‏ היכול להתחבר עם Feldbus ברמה גבוהה יותר כמו PROFINET. מודולי פונקציה כמו ה-3RA28132FW10‏ (⑥) יכולים לשמש עבור משימות בקרה כמו אתחול מקוון ישיר, היפוך התנעה, והתנעת כוכב-דלתא (wye-delta).

ישנה גם אפשרות להוסיף בלוקי מתג עזר עם מגעים קטנים יותר כדי לממש פונקציות כמו אינטרלוק, תזמון וניטור סטטוס ממתג-הזרם הראשי. קיימים מגעי עזר בתצורות שונות, כמו הרכבה צידית או קדמית, עם מגעי NO או NC ומספרי קטבים שונים. לדוגמה, ה-3RH29111DA02‏ (②) הוא דגם דו-קוטבי מורכב-לרוחב, וה-3RH29111NF02‏ (④) הוא דגם דו-קוטבי מורכב-קדמית.

לטובת שיפור ביצועי המערכת, הוסיפו מודול משכך EMC כמו ה-3RT29161PA2‏ (לא מוצג) המשתמש באלמנטים של RC כדי לשכך נחשולי מתח, במיוחד בעת כיבוי עומסים אינדוקטיביים כמו מנועים, ובכך מסייע במניעת נזק לסליל ומפחית הפרעות אלקטרומגנטיות. משכך נחשולים כמו ה-3RT29261CD00‏ (⑨) יכול להגן על הסליל באמצעות ואריסטור כדי לספוג קפיצות מתח גבוהות המתרחשות כאשר הסליל אינו משופעל.

סיכום

סדרת 3RT2 של Siemens‏ זמינה בגדלים S00 עד S2 ויכולה להתמודד עם עד kW‏ 37‏. ממתגי-זרם בעלי דירוג בטיחות אלה מאפשרים פיתוח של מערכות בטיחות עם דירוגים מ-SIL 2 ו-PL c, עד SIL 3 ו-PL e. קיימים אביזרים רבים, כמו מודולי קישור חכמים, מגעי עזר, מתגי עזר, משככי נחשולים, משככי EMC ועוד לטובת שיפורים נוספים של התכן והביצועים.

קריאה מומלצת:

1. שיפור הבטיחות הזמינות במפעלי Industry 4.0
2. שימוש בפלטפורמה מאוחדת של אבטחת סייבר לתמיכה בחיבוריות Industry 4.0 מקיפה
3. כיצד לחבר מערכות אוטומציה של מפעלים מדורות קודמים ל-Industry 4.0 ללא הפרעה
4. שילוב בטוח ויעיל של AMRs בתוך פעולות Industry 4.0 לטובת תועלת מקסימלית
5. תמיכה בהתאמה-מיוחדת מסיבית, איכות גבוהה ותפעול בר-קיימא במפעלי Industry 4.0
6. אופטימיזציה של ארכיטקטורות תקשורת Industry 4.0 באמצעות רכזות I/O‏ וממירים רבי-פרוטוקולים
7. כיצד להתקין, לחבר ולשלב במהירות VSDs חד-צירים בתוך מערכות אוטומציה Industry 4.0