Come utilizzare i contattori di sicurezza per realizzare soluzioni ottimali di sicurezza industriale

I contattori di sicurezza sono necessari nelle applicazioni industriali per garantire che le macchine e i sistemi possano essere commutati in uno stato sicuro in modo affidabile e prevedibile, spesso come conseguenza di un errore di funzionamento o di una richiesta di una funzione di sicurezza. Il punto di partenza nella progettazione di sistemi di sicurezza industriali è determinare se l'applicazione richieda livelli di integrità della sicurezza (SIL) fino a SIL 2, come definito nella norma IEC 62061 e/o il livello di prestazioni (PL) c della norma ISO 13849. Alcune applicazioni richiedono livelli di sicurezza più elevati.

Si pensi alle linee guida della norma IEC 60947-4-1, che si concentra sulla progettazione e sul collaudo di interruttori e dispositivi di controllo a bassa tensione, e della norma ISO 13849-1, che fornisce i principi generali per la progettazione e l'integrazione di componenti dei sistemi di controllo correlati alla sicurezza, compresi hardware e software.

Questo articolo spiega come progettare i sistemi di sicurezza utilizzando i contattori a sicurezza intrinseca 3RT2 di Siemens per realizzare soluzioni ottimali di sicurezza industriale. L'articolo esamina inoltre il raggiungimento dei livelli SIL e PL più elevati e le questioni relative all'integrazione del sistema, come la gestione termica dei contattori, e si conclude con un'analisi di come personalizzare una soluzione di sicurezza utilizzando accessori come interconnessioni ridondanti, soppressori di sovratensioni, moduli funzionali e altro ancora, per ottimizzare ulteriormente l'applicazione e la sicurezza.

I contattori 3RT2 sono disponibili con opzioni di funzionamento convenzionale e a stato solido, nei formati da S00 a S2, in grado di gestire fino a 37 kW. Per i contattori con meccanismo di funzionamento a stato solido, si deve specificare l'inclusione di un segnale opzionale di durata residua.

Questi contattori soddisfano i requisiti IEC 60947-4-1 categoria AC-3e per l'utilizzo con motori ad alta efficienza IE3 o IE4. Sono offerti in una varietà di configurazioni dell'uscita ausiliaria, tra cui contatti normalmente aperti (NA) e normalmente chiusi (NC) utili per fornire il riscontro sullo stato del circuito principale (acceso o spento). È possibile utilizzare una retroazione per attivare spie luminose, allarmi o altri dispositivi di controllo. Esempi di contattori 3RT2:

• 3RT20152AP611AA0 - formato S00, classificato a 7 A, 3 kW / 400 V, tripolare, 220 V_c.a. 50 Hz / 240 V_c.a. 60 Hz, contatti ausiliari: 1 NA, con terminali a molla
• 3RT20231AK60 - formato S0, classificato a 9 A, 4 kW / 400 V, tripolare, 110 V_c.a. 50 Hz / 120 V_c.a. 60 Hz, contatti ausiliari: 1 NA + 1 NC, terminali a vite (Figura 1)
• 3RT20281AN20 - formato S0, classificato a 38 A, 18,5 kW / 400 V, tripolare, 220 V_c.a., 50/60 Hz, contatti ausiliari: 1 NA + 1 NC, terminali a vite
• 3RT20371KB40 - formato S2, classificato a 65 A, 30 kW / 400 V, tripolare, 24 V_c.c., con varistore integrato, contatti ausiliari: 1 NA + 1 NC, terminali a vite
• 3RT20371SF30 - formato S2 con ingresso F-PCL-IN, classificato a 65 A, 30 kW / 400 V, tripolare, da 83 V_c.a. a 150 V_c.a./V_c.c., 50/60 Hz, con varistore integrato, contatti ausiliari: 1 NC, terminali a vite

Figura 1: Questo contattore di formato S0 è classificato a 4 kW e presenta un'uscita ausiliaria NC e una NA. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Il tempo di risposta è fondamentale per la sicurezza

Quando si progettano soluzioni di sicurezza industriale, è importante capire l'impatto del tempo di risposta complessivo, composto da diversi parametri. Per la valutazione del rischio, il tempo di risposta è definito come il tempo totale entro il quale qualsiasi movimento pericoloso deve essere fermato per via di un requisito di sicurezza. Alcuni dei fattori che incidono sui tempi di risposta sono:

• Tempo di reazione in ingresso dei sensori dell'unità di monitoraggio della sicurezza
• Tempo di ciclo del programma di sicurezza
• Tempo di ritardo dei protocolli di comunicazione
• Tempo di oltrecorsa dovuto all'inerzia del motore o dell'attuatore
• Tempo di interruzione del contattore

Il tempo di interruzione per i contattori elettromeccanici e gli avviatori dei motori è trattato dalla norma IEC 60947-4-1. La norma definisce i requisiti l'interruzione sicura delle correnti in varie condizioni operative.

Definisce inoltre le categorie di utilizzo che classificano il tipo di carico e le condizioni operative del contattore, come AC-3e per i motori ad alta efficienza. La norma include le procedure per testare il tempo di interruzione e altre caratteristiche prestazionali dei contattori.

Il tempo di interruzione dei contattori è un parametro critico nei sistemi di sicurezza. È definito come il tempo che intercorre tra la rimozione della tensione dalla bobina e l'apertura dei contatti principali, compreso il ritardo di apertura (OD) più la durata dell'arco dei contatti (AT).

Ad esempio, quando si utilizza un contattore con prestazioni di commutazione come quelle illustrate nella Figura 2, il tempo di interruzione, OD + AT, è compreso tra 50 e 75 ms. Quando si calcola il tempo di risposta totale, si devono sempre considerare i valori peggiori, in questo caso 75 ms (Figura 2).

Figura 2: In questo esempio, il tempo di interruzione totale per i contatti principali (OD + AT) sarebbe specificato a 75 ms, il caso peggiore. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Qual è il livello di sicurezza necessario?

I progetti SIL 2 e PL c si concentrano su sistemi in cui i guasti potrebbero causare danni significativi, mentre i progetti SIL 3 e PL e riguardano sistemi in cui i guasti potrebbero avere conseguenze catastrofiche. I sistemi SIL 3 e PL e sono più complessi e richiedono maggior ingegnerizzazione, integrazione e manutenzione. I sistemi SIL 2 e 3 e PL c ed e sono tutti altamente affidabili. Tuttavia, i sistemi SIL 3 e PL e sono progettati per garantire un'affidabilità ancora maggiore, con ridondanza e meccanismi di sicurezza per ridurre le potenziali avarie.

L'uso di contattori di sicurezza è essenziale per soluzioni di sicurezza più semplici e meno costose. Questi contattori sono dotati di un ingresso di sicurezza dedicato (F-PLC-IN) per garantire la commutazione in uno stato sicuro in caso di avaria, come una perdita di alimentazione o un errore del segnale di controllo.

L'ingresso F-PLC-IN consente il collegamento diretto a un controllore a sicurezza intrinseca (F-DQ), permettendo l'implementazione di funzioni di sicurezza come arresti di emergenza o interblocchi. L'utilizzo di un ingresso F-PLC-IN elimina la necessità di diversi componenti esterni, come i relè di accoppiamento e un controller dedicato (DQ) per il contattore.

Con i contattori di sicurezza 3RT2, i sistemi possono essere progettati per soddisfare i requisiti SIL 2 o PL c con un solo contattore e SIL 3 o PL e con due contattori in configurazione ridondante. La semplificazione del sistema che ne deriva può migliorare l'affidabilità e ridurre i costi del sistema di sicurezza (Figura 3).

Figura 3: L'utilizzo dei contattori di sicurezza 3RT2 (in basso) consente di raggiungere livelli di sicurezza superiori con un numero inferiore di componenti rispetto ai contattori non di sicurezza (in alto). (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Safety Evaluation Tool (SET) di Siemens è uno strumento gratuito per le norme IEC 62061 e ISO 13849-1 ed è testato dall'ente tedesco TÜV. SET comprende un ambiente di valutazione e sviluppo del sistema di sicurezza che consente di valutare in modo rapido e semplice le funzioni di sicurezza di una macchina. Con SET è possibile produrre facilmente una relazione in conformità allo standard selezionato, che può essere integrata nella documentazione come prova di sicurezza.

Considerazioni sulla gestione termica

Come per qualsiasi altro dispositivo di gestione della potenza, il progettista deve considerare il calore generato quando utilizza i contattori 3RT2. Poiché si tratta di dispositivi altamente efficienti, il calore non è molto, ma è tuttavia presente. Ad esempio, il modello 3RT20371KB40 è indicato per carichi fino a 30 kW e genera fino a 11 W di perdita di potenza.

Il progetto di base dei contattori 3RT2 è adatto al montaggio affiancato e al funzionamento a temperature ambiente comprese tra -25 °C e +60 °C con raffreddamento a convezione naturale. Alcuni di questi contattori possono essere utilizzati a temperature fino a +80 °C in presenza di specifiche restrizioni operative

Tra +60 °C e +70 °C, questi contattori possono essere utilizzati in modo continuativo con un adeguato declassamento della corrente e della frequenza di commutazione (commutazioni all'ora). Inoltre, può essere necessario uno spazio di 10 mm per garantire una migliore dissipazione del calore con il montaggio affiancato.

I contattori 3RT2 possono essere utilizzati per un massimo di un'ora a una temperatura ambiente compresa tra +70 °C e +80 °C con un'ulteriore riduzione della potenza. Tuttavia, la temperatura ambiente media non deve superare i +60 °C nell'arco di 24 ore.

Queste raccomandazioni sulla temperatura estesa si applicano solo ai contattori che non contengono componenti elettronici. Per garantire la massima durata di funzionamento si raccomanda di utilizzare i contattori con elettronica integrata solo fino a +60 °C.

Se necessario, è possibile utilizzare i contattori S00 e S0 che non includono componenti elettronici a una temperatura ambiente minima di -50 °C, senza condensa, ma la durata meccanica sarà ridotta fino al 50%. Le altre specifiche prestazionali rimarranno invariate. I contattori con elettronica integrata, o quelli utilizzati con accessori elettronici, non devono essere utilizzati a temperature inferiori a -40 °C.

Accessori per personalizzare la soluzione di sicurezza

Sebbene i contattori siano al centro di un sistema, spesso richiedono l'aggiunta di accessori per realizzare una soluzione di sicurezza ottimale. Ad esempio, i contattori 3RT2 di formato S00 offrono numerose possibilità di scelta, come contatti ausiliari, interruttori ausiliari, moduli di collegamento intelligenti, soppressori di sovratensioni, soppressori EMC e altro ancora (Figura 4).

Figura 4: L'ampia varietà di accessori disponibili supporta la personalizzazione delle applicazioni di sicurezza. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Iniziare con il kit di cablaggio 3RA29132AA1 (elementi ⑯, ⑰ e ⑱ nella Figura 4), che offre terminali a vite per il collegamento dei fili e un sistema di interblocco meccanico per prestazioni elettriche e meccaniche robuste.

Se un'applicazione richiede il collegamento in serie di due contattori per raggiungere la sicurezza SIL 3 o PL e, aggiungere il connettore di sicurezza in serie 3RA29261A (⑮). L'aggiunta di un blocco ad auto-tenuta come 3RT29263AB31 (non in figura) consente al contattore di rimanere nello stato eccitato (acceso) anche dopo la rimozione dell'impulso di alimentazione iniziale e può migliorare ulteriormente la sicurezza in alcune applicazioni.

È possibile aggiungere blocchi funzionali per collegare il contattore al sistema di controllo. Il modulo funzionale 3RA27111AA00 (⑧) può abilitare una connessione IO-Link. Il modulo 3RA27122AA00 (⑦) aggiunge un'interfaccia AS in grado di collegarsi a fieldbus di livello superiore, come PROFINET. I moduli funzionali come 3RA28132FW10 (⑥) possono essere utilizzati per attività di controllo come l'avviamento diretto, l'avviamento inverso e l'avviamento stella-triangolo.

È inoltre possibile aggiungere blocchi di interruttori ausiliari con contatti più piccoli per implementare funzioni quali interblocco, sequenziamento e monitoraggio dello stato del contattore principale. I contatti ausiliari sono disponibili in varie configurazioni, come il montaggio laterale o frontale, con contatti NA o NC e in diversi numeri di poli. Ad esempio, 3RH29111DA02 (②) è un modello a due poli montato lateralmente e 3RH29111NF02 (④) è una configurazione a due poli montata frontalmente.

Per migliorare le prestazioni del sistema, aggiungere un modulo soppressore EMC come 3RT29161PA2 (non in figura) che utilizza elementi RC per sopprimere le sovratensioni transitorie, soprattutto quando si spengono carichi induttivi come i motori, contribuendo a prevenire i danni alle bobine e a ridurre le interferenze elettromagnetiche. Un soppressore di sovratensioni come il modello 3RT29261CD00 (⑨) può proteggere la bobina grazie al ricorso a un varistore per assorbire gli elevati picchi di tensione che si verificano quando la bobina è diseccitata.

Conclusione

La serie 3RT2 di Siemens è disponibile nei formati da S00 a S2 e può gestire fino a 37 kW. Questi contattori di sicurezza facilitano lo sviluppo di sistemi di sicurezza con classificazioni da SIL 2 e PL c, fino a SIL 3 e PL e. Sono disponibili con numerosi accessori, come moduli di collegamento intelligenti, contatti ausiliari, interruttori ausiliari, soppressori di sovratensioni, soppressori EMC e altro ancora, per migliorare ulteriormente il progetto e le prestazioni.

Letture consigliate:

1. Migliorare la sicurezza e aumentare la disponibilità nelle fabbriche Impresa 4.0
2. Utilizzo di una piattaforma unificata per la sicurezza informatica per supportare la connettività per l'Impresa 4.0 completa
3. Come connettere i sistemi di automazione di fabbrica legacy all'Impresa 4.0 senza interruzioni
4. Integrare in modo sicuro ed efficiente gli AMR nelle operazioni per l'Impresa 4.0 per ricavare i massimi benefici
5. Supporto alla personalizzazione di massa, all'alta qualità e alle operazioni sostenibili nelle fabbriche dell'Impresa 4.0
6. Ottimizzazione delle architetture di comunicazione per l'Impresa 4.0 con hub e convertitori I/O multiprotocollo
7. Come installare, collegare e integrare rapidamente i VSD a singolo asse in sistemi di automazione per l'Impresa 4.0