如何使用安規接觸器達到最佳工業安全解決方案

作者：Jeff Shepard

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2025-05-21

工業應用需要安規接觸器，以確保機器和系統能可靠且可預測地切換到安全狀態，通常是在出現操作錯誤或請求安全功能的情況下。設計工業安全系統時，一開始就要決定應用是否需要達到 IEC 62061 規定的最高安全完整性等級 (SIL) 第 2 級，和／或 ISO 13849 規定的效能等級 (PL) c 級。有些應用甚至需要更高等級的安全性。

可參考 IEC 60947-4-1 的準則，其注重在低壓開關和控制裝置的設計和測試，以及 ISO 13849-1 的準則，其針對控制系統的安全相關零件 (包括軟硬體) 提供設計與整合上的一般原則。

本文將介紹如何使用具有失效安全操作的 Siemens 3RT2 安規接觸器來建構安全系統，以達到最佳工業安全解決方案。也會回顧如何達到更高 SIL 和 PL 等級，以及接觸器熱管理等系統整合問題，最後會深入探討如何透過備援互連、突波抑制器、功能模組等配件來客製化安全解決方案，以進一步增強應用和安全最佳化。

3RT2 接觸器提供常規和固態操作選項，尺寸為 S00 至 S2，可處理高達 37 kW。若接觸器採用固態操作機制，可指明是否要納入剩餘使用壽命訊號。

這些接觸器符合 IEC 60947-4-1 Cat AC-3e 的要求，可搭配高效率 IE3 或 IE4 馬達使用。具有多種輔助輸出配置，包括常開 (NO) 和常閉 (NC) 觸點，可用於提供主電路為開啟或關閉的回饋。可將回饋用於觸發指示燈、警報或其他控制裝置。3RT2 接觸器的範例如下：

3RT20152AP611AA0 - 尺寸 S00、額定值為 7 A、3 kW / 400 V、三極、220 V_AC 50 Hz / 240 V_AC 60 Hz、輔助觸點：1 NO、含彈簧加載端子
3RT20231AK60 - 尺寸 S0、額定值為 9 A、4 kW / 400 V、三極、110 V_AC 50 Hz / 120 V_AC 60 Hz、輔助觸點：1 NO + 1 NC、螺絲端子 (圖 1)
3RT20281AN20 - 尺寸 S0、額定值為 38 A、18.5 kW / 400 V、三極、220 V_AC、50/60 Hz、輔助觸點：1 NO + 1 NC、螺絲端子
3RT20371KB40 - 尺寸 S2、額定值為 65 A、30 kW / 400 V、三極、24 V_DC、含整合式變阻器、輔助觸點：1 NO + 1 NC、螺絲端子
3RT20371SF30 - 尺寸 S2、含 F-PCL-IN 輸入、額定值為 65 A、30 kW / 400 V、三極、83 V_AC 至 150 V_AC/V _DC，50/60 Hz、含整合式變阻器、輔助觸點：1 NC、螺絲端子

尺寸 S0 接觸器的額定功率為 4 kW 示意圖 圖 1：尺寸 S0 的接觸器額定功率為 4 kW，具有一個 NC 和一個 NO 輔助輸出。(圖片來源：Siemens)

反應時間是安全的關鍵

在設計工業安全解決方案時，瞭解整體反應時間的影響非常重要。這當中涉及幾個參數。在執行風險評估時，反應時間的定義為，在安全要求下必須將任何危險運動停止的總時間。影響反應時間的一些因素包括：

安全監測單元內感測器的輸入回應時間
安全程式的週期時間
通訊協定的延遲時間
馬達或致動器慣量產生的超行程時間
接觸器的斷開時間

機電接觸器和馬達起動器的斷開時間皆在 IEC 60947-4-1 的規範內。此標準羅列各種工作條件下安全斷開電流的要求。

此外也制訂了使用類別，針對負載類型和接觸器操作條件進行分類，例如用於高效率馬達的 AC-3e。此標準涵蓋多種程序，可用來測試接觸器的斷開時間和其他效能特徵。

接觸器的斷開時間是安全系統的關鍵參數之一。其定義是，從線圈電壓消除到主觸點開路所經過的時間，包括開路延遲 (OD) 加上觸點電弧時間 (AT)。

例如，當使用具有圖 2 所示之切換性能的接觸器時，斷開時間 (OD + AT) 會介於 50 至 75 ms 之間。在計算總反應時間時，務必要考慮最壞情況的值，在本例中為 75 ms (圖 2)。

圖 2：在此範例中，主觸點的總斷開時間 (OD + AT) 會指定為 75 ms，即最壞的情況。(圖片來源：Siemens)

需要達到哪種安全等級？

SIL 2 和 PL c 的設計著重於故障可能會導致重大損害的系統，而 SIL 3 和 PL e 設計則適用於故障可能造成災難性後果的系統。SIL 3 和 PL e 系統更為複雜，因此需要更多的工程、整合和維護。SIL 2 和 3 以及 PL c 和 e 系統都高度可靠。儘管如此，SIL 3 和 PL e 系統在設計上可達到更高的可靠性，並具有備援和失效安全機制可減輕潛在故障。

使用安規接觸器是達到更簡單、成本更低之安全解決方案的關鍵。這些接觸器具有專用的安全輸入 (F-PLC-IN)，可確保在發生故障 (如斷電或控制訊號失誤) 時切換到安全狀態。

F-PLC-IN 輸入能直接連接失效安全控制器 (F-DQ)，能促成緊急停止或聯鎖等安全功能的實作。使用 F-PLC-IN 輸入，就無需多個外部元件，如耦合繼電器和接觸器專用控制器 (DQ)。

透過 3RT2 安規接觸器，系統設計上就只需要一個接觸器即可符合 SIL 2 或 PL c 的要求，若用兩個接觸器並採用備援的串聯配置，即可達到 SIL 3 或 PL e 等級。由此達到的系統簡化效果，可以增強可靠性並降低安全系統的成本 (圖 3)。

圖 3：與非安規接觸器 (上) 相比，使用 3RT2 安規接觸器 (下)，就能用更少的元件支援更高的安全等級。(圖片來源：Siemens)

Siemens 免費提供的 IEC 62061 與 ISO 13849-1 安全評估工具 (SET) 經過 TÜV 測試。SET 含有逐步說明的安全系統評估和開發環境，能讓使用者快速簡單地評估機器的安全功能。透過 SET，就可輕鬆製作符合選定標準的報告，並將其整合到相關文件中，當作安全證明。

熱管理考量事項

就像其他各種功率處理裝置一樣，設計人員也要將 3RT2 接觸器產生的熱量納入考量。這些裝置效率相當高，即便發熱量不高，但還是會有。以 3RT20371KB40 型號為例，其額定負載高達 30 kW，會產生高達 11 W 的功率損耗。

3RT2 接觸器的基本設計適合採用並排安裝，在 -25°C 至 +60°C 的環境溫度下以自然對流的散熱方式運作。有些接觸器，可在特定操作限制下，於最高 +80°C 的溫度下使用

這些接觸器可在 +60°C 和 +70°C 之間，以適當的電流和切換頻率 (每小時切換) 降額連續運作。此外，可能需要 10 mm 的間隔，以確保並排安裝下有更好的散熱效果。

3RT2 接觸器可在 +70°C 至 +80°C 的環境溫度下搭配額外降額運作長達一小時。只是，平均環境溫度不得超過 +60°C 達 24 小時。

這些延伸溫度建議僅適用於未含有電子元件的接觸器。若接觸器有搭配整合式電子元件使用，則建議最高僅在 +60°C 以下使用，以確保最長的使用壽命。

若有必要，可以在最低環境溫度 -50°C 且沒有冷凝的情況下使用不含電子元件的 S00 和 S0 接觸器，但機械耐用性將減少最多 50%。其他效能規格將保持不變。含有整合式電子元件的接觸器，或搭配電子配件使用的接觸器，則不得在低於 -40°C 的溫度下使用。

安全解決方案客製化用的配件

雖然接觸器是系統的核心，但通常要添加配件才能達到最佳的安全解決方案。例如，尺寸 S00 的 3RT2 接觸器就有多種選擇，如輔助觸點、輔助開關、智慧鏈路模組、突波抑制器、EMC 抑制器等 (圖 4)。

圖 4：多種可用配件，可支援安全應用的客製化。(圖片來源：Siemens)

從 3RA29132AA1 接線套件開始 (圖 4 中零件 ⑯、⑰ 與 ⑱)。有提供連接電線用的螺絲端子，還有機械聯鎖系統，可確保強大的電氣和機械效能。

如果應用需使用兩個接觸器串聯來達到 SIL 3 或 PL e 安全等級，則要添加 3RA29261A 安全系列連接器 (⑮)。添加像是 3RT29263AB31 (未顯示) 這樣的閂鎖模塊，接觸器即便在初始電源脈衝消失後，也能保持其通電 (開啟) 狀態，並可進一步提高某些應用的安全性。

可以添加功能模塊將接觸器連接到控制系統。3RA27111AA00 (⑧) 功能模組可以促成 IO-Link 連接。3RA27122AA00 模組 (⑦) 則添加了一個 AS-Interface，可以連接 PROFINET 等更高等級的現場匯流排。3RA28132FW10 (⑥) 等功能模組可用於控制任務，如直接線上啟動、逆向啟動和星三角 (wye-delta) 啟動等。

也可選擇添加具有較小觸點的輔助開關模塊，以實作聯鎖、排序和監測主接觸器狀態等功能。輔助觸點有多種配置，如側面或正面安裝、採用 NO 或 NC 觸點，以及多種極數。例如，3RH29111DA02 (②) 就是一款雙極側面安裝型產品，3RH29111NF02 (④) 則採用雙極正面安裝配置。

為了增強系統效能，可添加一個 EMC 抑制器模組，如 3RT29161PA2 (未顯示)，其使用 RC 元件來抑制電壓突波，尤其是在關閉馬達等電感式負載時，有助於避免線圈受損和減少電磁干擾。像 3RT29261CD00 (⑨) 這樣的突波抑制器，可使用變阻器來保護線圈，在線圈斷電時吸收其產生的高壓尖波。

結論

Siemens 的 3RT2 系列提供 S00 至 S2 尺寸，可處理高達 37 kW 的功率。這些安規接觸器有利於開發從 SIL 2 和 PL c 到最高 SIL 3 和 PL e 等級的安全系統。更有提供眾多配件，如智慧鏈路模組、輔助觸點、輔助開關、突波抑制器、EMC 抑制器等，可進一步增強設計和效能。