採用繼電器模組提升功能安全性

在當今的工業系統中，功能安全性非常重要。功能安全性能在錯誤或故障時，保證機械和製程也能安全地執行。繼電器模組能提供可靠的電路調節機制，確保功能安全性發揮關鍵作用。本文將著重說明 Weidmüller SAFESERIES 產品系列，檢驗繼電器模組在功能安全方面的重要性，並強調這類產品的重要特性，同時提供作出最佳選擇及運用的相關指引。

滿足功能安全需求

機電繼電器通常用於控制具有低功率訊號的高功率電路，可作為開關使用，並根據輸入訊號的狀態允許或阻止電流通過。功能安全應用使用繼電器模組有助於確保能可靠執行關鍵的安全功能，並將潛在危害降至最低。繼電器模組在功能安全性上，有以下幾項最重要的考量：

• 備援：備援是功能安全性的基本原則之一；此原則要求多個獨立元件執行相同的安全關鍵功能。繼電器模組需經常進行備援配置，以確保系統即使在一個繼電器故障時，仍可繼續安全地執行。
• 故障防護設計：繼電器模組的設計目的通常是為了在故障時處於安全狀態；若繼電器故障或失去電力，則會預設系統處於一個可確保系統安全的狀態。例如，如果用來調節機器緊急停機電路的繼電器故障，應該導致立即停機。
• 診斷和監控：若將診斷和監控功能整合至高階繼電器模組中，則系統能夠偵測繼電器中的缺陷或故障，並啟動適當的反應，例如發出故障警報，或切換到備援繼電器。
• 可靠性和耐用性：繼電器模組素來以耐用性和可靠性著稱。它們可以承受極端的環境條件、溫度波動和機械應力，因此適合在嚴苛的工業環境中使用。
• 低延遲：在安全關鍵型應用中，回應時間非常重要。在需要快速回應時間，以確保人員和設備安全的應用中，最好使用繼電器模組。

在功能安全性應用中實作繼電器模組時，必須考慮幾個因素，首先是符合標準。這可確保用於功能安全性應用的繼電器模組，可以符合相關安全標準和認證。

歐洲電子技術標準委員會 (CENELEC) 制訂了 EN 61810 系列標準，其重點在於機電輔助繼電器。該系列包括多項標準，而每項標準都針對特定的繼電器種類和應用量身打造。EN 61810-3 是這些標準之一，其 Type A 版本特別重要。

安全繼電器

EN 61810-3 Type A 標準適用於採用特定設計和構造技術的輔助繼電器，以保證常開型 (NO) 觸點不會佔據與常關型 (NC) 觸點相同的位置。這些繼電器特別採用強制引導式觸點，以符合繼電器的標準，同時能夠在自我監控、安全相關的控制系統中使用。

強制引導式觸點是以機械方式連接，以確保 NC 開啟觸點和 NO 關閉觸點能在電弧引起觸點微熔接 (「繼電器黏結」) 時，絕不同時關閉。

圖 1 顯示此安全機制的實際範例，此範例援引採用 3 個 NO 觸點和 1 個 NC 觸點的 Weidmüller 安全繼電器模組。如圖所示，所有極共通穿過一根桿子以機械方式連接，以防止發生獨立移動。

如果 NC 觸點已熔接，則在繼電器通電期間，NO 觸點都不能關閉。同樣的，如果任何 NO 觸點已熔接，則在繼電器斷電期間，NC 觸點無法關閉。若與特殊電路結合使用，可偵測開路中的故障。這是確保人員與機器受到最安全保護的最可靠方法。

圖 1：Weidmüller 安全繼電器模組示意圖。(來源：Weidmüller)

安全繼電器可在機器和系統上可靠地執行安全功能，以監控緊急停止按鈕訊號、光幕、安全門開關等。工廠發生緊急情況時，需要快速反應。應使用「通電至安全」(ETS) 協定開啟警報器、警告燈或冷卻系統；另一方面，應遵循「斷電至安全」(DTS) 程序，以關閉馬達或緊急停止閥。使用包含備援觸點的繼電器，可以保證與安全相關應用的啟動和停用可符合 IEC62061 和 SIL 3 標準。

重複使用後，切換繼電器中不符合安全標準的金屬觸點可能會形成熔接。即使操作人員按下緊急停機按鈕，機器仍將在不安全模式下繼續運作。對操作人員和機器都會造成危險。根據美國和國際安全要求的規定，未經認證為安全的繼電器，不得用於可能有危險的機器或裝置。

含正向驅動觸點的繼電器的安全性和可靠性提高，因此更受歡迎。具備正向驅動觸點的繼電器模組採用備援電路和機制為其主要技術。這些備援功能旨在確保繼電器，即便在控制電路或繼電器本身故障時，仍處於安全狀態。這種備援對於注重安全性和可靠性的應用非常重要。

這些繼電器模組具備可靠性和安全性，因此適合以下各種應用：

• 工業自動化
• 醫療裝置
• 發電與配電
• 電信
• 運輸

在這些類型的繼電器中，主觸點和輔助觸點是以機械方式連接，輔助觸點的位置可用於確定電源電路中主觸點的位置。因此，即使觸點的線圈已斷電 (因為觸點黏結所致)，也可以確定觸點是否仍保持關閉。如果已熔接電源極觸點，則線圈斷電時，機械連接會防止開啟的輔助觸點閉合。

Weidmüller 的 SAFESERIES 繼電器模組

在電機工程領域中，安全性和可靠性最重要。Weidmüller 對於精密度和可靠性投入注心力，開發出可插拔繼電器模組等高階元件，這些模組均具備正向驅動觸點。這些創新的繼電器模組代表技術革新的一大步，在多種應用中，提供增強的安全性、效率和靈活性。

這些繼電器模組核心採用的技術，可以保證觸點都是正向驅動。這表示開啟和關閉狀態之間的轉換，都是可控且以可靠的方式進行。無論繼電器或控制電路是否故障，此機制排除觸點意外操作的可能性。因此，此類繼電器可在不犧牲效能的情況下，優先考慮安全性。

Weidmüller 的 SAFESERIES 觸點延長件符合 EN 61810-3 Type A 標準，由具有強制引導式觸點的繼電器組成。因此，這類繼電器特別適合在涉及人員和機械安全的應用中，進行訊號監控。

SAFESERIES 由四個獨立的插入式繼電器組成，其插槽與以下觸點版本相配接：

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

如果相關應用有按照 EN/ISO 13849-1 標準設計，則可以達到 PL 'e' 的最高效能水準。基本元件也可用於符合 IEC/EN 62061 標準的安全性應用，進而達到 SIL 3 級的安全完整性。

圖 2 顯示 Weidmüller 2759070000 安全性繼電器模組，封閉在適用 DIN 軌道應用的組件中。這是一款具有 4 個腳位的一般用途繼電器，包含 3 個 NO 觸點和 1 個 NC 觸點，以及一個 24 V_DC ±10% 的線圈。該元件可以藉著施加 20 mA 的線圈額定直流電流、250 V_AC 的額定切換電壓，與額定連續電流為 6 A 的 AgSnO 鍍金觸點通電。在負載端，最大切換電壓為 400 V_AC 和 250 V_DC。如圖 1 所示，繼電器內建狀態指示燈 (綠色 LED) 和一個續流二極體以進行保護。開啟和關閉延遲低於 20 ms，元件的使用壽命為 10 x10⁶ 次切換循環。

圖 2：Weidmüller 的 2759070000 SAFESERIES 繼電器模組。(來源：DigiKey)

圖 3 展示 SAFESERIES 的另一款產品：2759030000 小型工業繼電器。此繼電器具有 3 個 NO 觸點和 1 個 NC 觸點，具備強制引導式觸點，適合用於一般用途的應用，而且採用通孔式安裝。

圖 3：Weidmüller 的 2759030000 SAFESERIES 繼電器模組。(來源：DigiKey)

結論

繼電器模組因其可確保可靠的控制，並執行關鍵任務，因而是功能安全性系統中的重要元件。由於其堅固性、故障防護設計，以及備援相容性，因此經常被選用於需要最高安全等級的應用。繼電器模組在適當使用下，且並符合適用標準時，可以對工業和汽車系統的整體安全性和可靠性做出重大貢獻。隨著技術的進步，繼電器模組不斷發展並成長，使功能越趨複雜化，以滿足日益增多的功能安全要求。