在工業 4.0 工廠中加強安全性並提升可用性

在設計工業 4.0 生產線時，安全考量至關重要。舉例來說，馬達和驅動器等子系統通常需要符合國際電工委員會 (IEC) 62061 安全完整性等級 (SIL) 2，以及國際標準組織 (ISO) 13849-1 效能等級 (PL) c。為了滿足這些要求，通常可以使用接觸器以安全連接及斷開馬達。對於額定功率低於 55 kW 的小型馬達，使用標準接觸器是簡單且符合成本效益的作法。

就像許多人發現的那樣，對更高功率的馬達來說，要符合 IEC 與 ISO 安全要求會更加複雜且費用更高，因為必須在馬達和標準接觸器之間使用耦合裝置。但好消息是，可以使用內建失效安全功能的增強型接觸器。此類接觸器可直接連接到額定功率介於 55 至 250 kW 的馬達，因此可降低系統成本和元件數量，同時提升可靠性。

現在讓我們以 Siemens 創新的安全等級接觸器為例，簡單探討這個採用失效安全功能的接觸器所打造的簡化架構，如何用於 55 至 250 kW 的馬達。最後還會探討使用 Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) 及德國機械和工廠建築協會標準，對安全等級接觸器的效能進行量化時會面臨的一些相關挑戰。

使用安全等級接觸器簡化架構

適用於功率最高約 55 kW 之馬達的接觸器，可以直接連接到失效安全控制器和安全繼電器的輸出，以符合安全等級應用的要求。這些失效安全控制器和安全繼電器的輸出，通常會限制在 5 A 或更低的電流 (24 VDC 時)。由於能力不足以控制高功率的接觸器，因此必須在控制器 (或安全繼電器) 和標準接觸器之間使用耦合裝置，以增強驅動功率。這些耦合裝置會增加成本、複雜度和空間需求。

為了因應此問題，Siemens 開發了一種創新作法，除了使用標準驅動線圈外，還使用含有失效安全控制輸入的接觸器。失效安全控制輸入的設計，是為了在 24 VDC 下以大約 5 mA 的驅動電流操作，而傳統接觸器則在 24 VDC 下以 5 A 或更高的電流操作。這表示，您可直接用安全繼電器和失效安全控制器來驅動接觸器。

即使失效安全接觸器是由失效安全控制輸入所控制，接觸器的線圈仍永久連接至電源電壓，以確保可靠的操作 (圖 1)。

圖 1：傳統接觸器 (左) 需要使用耦合裝置 (右上角兩個藍色框)；若使用失效安全接觸器 (右) 時，則不需要。(圖片來源：Siemens)

失效安全操作

Siemens 提供多種創新的 Sirius 模組化控制選項，包括內含傳統 AC/DC 及整合式失效安全控制操作功能的接觸器。失效安全操作機制可選擇搭配剩餘壽命 (RLT) 訊號，以指出觸點的磨損狀態。如此就可促成預防性維護，進一步提高系統可靠度和可用性。RLT 電路會針對三個主觸點，儲存其個別的磨損資訊。觸點磨損是透過 LED 指示，當磨損最嚴重之觸點的 RLT 降至 20%，會產生額外的繼電器輸出。

由於這些接觸器可以連接到失效安全控制器的輸出，因此稱為 F-PLC-IN 接觸器，且可透過失效安全控制輸入的黃色標記端子或線圈蓋加以識別 (圖 2)。

圖 2：3RT2037-1SF30 (左) 和 3RT1056-6SF36 (右) 之類的 F-PLC-IN 接觸器，可以透過黃色端子或線圈蓋加以識別。(圖片來源：Siemens)

數字代表的安全性

有四種裝置類型受到 VDMA 標準表 66413 認可，可用於安全評估：

• 類型 1 裝置是專為用於安全繼電器和失效安全可編程邏輯控制器 (PLC) 等安全功能而開發，且符合特定的 SIL 或 PL 要求。
• 類型 2 裝置不一定是為了符合特定的安全要求而開發，因此需要應用資料來評估安全操作。
• 類型 3 裝置包括容易磨損的元件，如機電接觸器。這類裝置不一定是為了符合特定的安全要求而開發，可能需要進行廣泛的安全性評估。
• 類型 4 裝置專為用於安全功能而開發，且不會發生隨機故障。

Sirius F-PLC-IN 接觸器具有整合式電子元件，並非純粹的機電元件，因此不符合類型 3 裝置的條件。相反地，屬於類型 1 裝置，符合特定的 SIL 和 PLC 要求，並且具備完善的安全相關規格。與標準接觸器相比，這可簡化安全完整性的計算作業 (表 1)。

表 1：Sirius F-PLC-IN 接觸器屬於 VDMA 類型 1 裝置，並隨附詳細的安全相關資料。(圖片來源：Siemens)

結論

接觸器在工業 4.0 自動化系統中擔任要角，因此設計人員不僅要符合 IEC 62021 SIL 2 和 ISO 13849-1 PL c 的安全性和可靠性要求，同時還要降低成本。如先前所述，Siemens 的創新 Sirius F-PLC-IN 接觸器，有助於以更少元件和更低的複雜度來滿足這些要求。

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