了解安全繼電器在工業控制和自動化面板中的作用。本文將以 Schneier Electric XPSBAC14AP 為例進行實際示範。
重點總結
- 本文深入分析了多種實際故障模式。
- 緊急停止按鈕需要一對常閉觸點以實現備援。
- 安全繼電器可配置為預設「關閉」狀態，從而防止設備意外啟動。
- 本文包含 Schneider 安全繼電器的實際示範。
基於 PLC 的機械設計中最難的是什麼？
您是否同意，最棘手的是那些極端情況？例如，建構一個基於 PLC 的機器控制系統相對容易，但設計一台在所有工況下都安全的機器則更具挑戰性。尤其是在考慮使用者與機器的互動方式以及各種故障模式時，這一點更為突出。
當故障時，擁有一個功能完善的緊急停止電路至關重要。對於簡單的機器，緊急停止電路會切斷所有能源。對於更複雜的機器，緊急停止電路會啟動一個受控的停機程序，以保護使用者、環境以及機器本身免受失控的影響。例如，懸掛重物。簡單地切斷電源、氣動或液壓能源可能會導致失控，甚至使情況變得更糟。對於複雜的系統，可能需要獨立且不同的控制裝置和故障安全機制。
本工程師簡報重點介紹 Schneider Electric XPSBAC14AP 安全模組。它描述了該模組的特性，並展示了一個簡單的演示電路，說明了該設備的運作。
圖 1：施耐德電氣 XPSBAC14AP 安全繼電器安裝在 Phase Dock 底座上，並已接線以啟用馬達啟動器。
作者感想（經驗）：許多學校都開設了可編程邏輯控制器 (PLC) 課程。雖然 PLC 是一個值得學習的主題，但往往忽略硬線控制，包括繼電器（尤其是安全繼電器）。
作為一名資深技術人員和教育工作者，我認為我們應該抽出時間來學習與 PLC 相關的課題。安裝在 Phase Dock 訓練器上的安全繼電器是您實驗室的絕佳補充。認識到機器安全通常需要一個獨立於 PLC 的停機機制是至關重要的第一步。
什麼是安全繼電器？
Schneider Electric XPSBAC14AP 的官方名稱是安全模組，但通常也被稱為安全繼電器。其主要特性包括為相關的緊急停止按鈕或連鎖設備防護罩提供安全相關的（備援）控制路徑。它還包含內部安全繼電器，這些繼電器採用串聯觸點，以防止觸點熔焊、腐蝕或機構卡滯等內部故障。因此，它是一款緊湊、可靠、經過認證且具有故障安全功能的裝置，用於監控和回應緊急停止情況。儘管如此，您仍需負責將繼電器依照規格整合到您的電路中。
什麼是故障安全狀態？
「故障安全」一詞在工業控制和自動化領域具有特殊意義。它指的是一種設計，即係統在發生故障時會預設進入安全狀態。這裡的「安全」指的是不會對人員、環境或設備造成任何損害。汽車的巡航控制系統就是一個很好的例子。當回授訊號遺失（偵測到速度為零）時，系統應該安全地釋放油門，而不是試圖透過失控的全油門來恢復所需速度。
安全警告
以下安全警告直接摘自 Schneider Electric XPSBAC14AP 安全繼電器的使用者指南。
只有經過適當訓練、熟悉並瞭解本手冊及所有其他相關產品文件以及機器/製程所有組件和設備文件內容的人員，才有權操作和使用本產品。
合格人員必須是經認證的功能安全專家。
合格人員必須能夠識別因參數化、配置修改、設定和接線以及機械、電氣或電子設備本身可能產生的潛在危險。合格人員必須能夠理解配置、設定和接線的修改可能對機器/製程安全造成的影響。
合格人員必須熟悉並瞭解符合 ISO 12100-1 標準和/或任何其他同等評估標準的風險評估內容，以及與該機器/製程相關的所有風險評估或同等評估文件。
合格人員必須熟悉工業事故預防標準、規定和法規，並在設計、實施和維護機器/流程時遵守這些標準、規定和法規。
合格人員必須全面熟悉用於操作機器/製程的安全相關應用和非安全相關應用。
請注意，ISO 12100 是一項專注於機械設備風險評估和風險降低的標準。與其密切相關的標準是 IEC 61508-1，定義了電氣、電子或可編程電子 (E/E/PE) 系統的安全完整性等級（Safety Integrity Level ，SIL）。在這兩種情況下，都必須評估諸如 Schneider Electric XPSBAC14AP 之類的安全模組是否適用於獨立式和任何整合式設備安裝。務必諮詢經過認證的安全或控制系統工程師。
示範電路
演示電路的接線圖如圖 2 所示。此電路安裝在本文所述的小型繼電器和 PLC 訓練器上。
影片 1 展示了電路的運作。
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電源（+24VDC 和接地）由 Schneider Electric XB4BS8444 緊急停止按鈕的常閉開關模組提供。
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重設按鈕連接在安全模組的 Y1 和 Y3 端子之間。這種配置可防止自動重啟，如影片 1 所示。另一種方法是將 Y1 直接連接到 Y2 以實現自動重新啟動。
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綠色重設按鈕的指示燈由安全繼電器的 13 和 14 常開觸點對供電。
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透過安全繼電器接點 23 和 24 啟用傳統的 3 線啟動停止電路。
技術提示：Y1 至 Y3 重設按鈕採用負緣感應。這可能會讓操作員感到些許不安，因為機器會在鬆開啟動/停止按鈕 100ms 後啟動。這種邊緣偵測靈敏度對於安全繼電器的運作至關重要，因為它能防止設備意外重啟，並能避免本文檔後續部分所述的故障。
圖2：示範電路的接線圖。帶燈按鈕用於重設和啟動。
影片 1：Schneider 安全模組的運行
安全繼電器故障模式分析
本節探討安全模組可能遇到的幾種故障模式。
緊急停止按鈕故障
緊急停止按鈕電路採用備援設計。如圖 2 所示，+24VDC 電源和回流線路分別通過獨立的常閉開關模組。任何一條供電線路出現物理或電氣故障（例如斷線）都會導致安全模組進入斷電（安全）狀態。即使單一開關模組鬆動，保護功能仍然有效。但是，如果緊急停止按鈕的柱塞發生機械損壞，則保護功能失效。
技術提示：緊急停止按鈕屬於安全相關操作。雙重備援設計至關重要。相較之下，重設按鈕沒有這種備援設計，因此不屬於安全相關操作。
緊急停止按鈕的常閉開關模組對於安全至關重要。本文提供有關開關組件的更多資訊。
技術提示：定期檢查緊急停止按鈕對於確保機械組件的完整性至關重要。同時，也要檢查開關模組是否正常運作，因為觸點卡滯會降低備援性，甚至可能導致安全功能完全失效。在惡劣的工業或海洋環境中，維護尤其重要，因為腐蝕可能會損壞內部開關接點。切記，即使開關已運作數十年，也必須保持如新狀態。
重置按鈕失效
存在與重置按鈕相關的三種常見故障模式，包括開啟失敗、關閉失敗和短路。所有三種情況均由模組的負緣檢測電路處理。在所有三種情況下，故障情況將無法進行必要的從高到低的轉換。
技術提示：雖然我們不應該對機器操作員過於嚴厲，但我們認識到，如果技術人員或操作員按下重置按鈕，模組的負緣有效轉換將防止意外重啟。這是我們必須始終警惕的不安全的極端情況之一。我們認識到，我們需要保護昏昏欲睡的凌晨 3 點操作員和維護人員。
內部繼電器故障
Schneider 模組內部配備兩個安全相關的（備援）繼電器。與所有安全繼電器一樣，其觸點串聯連接，以防止單一繼電器發生故障。例如，此模組能夠偵測到卡住的機構或熔焊的觸點。該模組旨在檢測這些內部故障。一旦偵測到故障，模組將進入故障狀態，並在前面板 LED 上顯示錯誤代碼。
技術提示：模組斷電後，故障狀態將被清除。這可能會導致混淆並延誤故障排除。因此，在控制面板上安裝透明視窗非常重要，這樣技術人員在開啟或關閉控制面板之前，就可以查看模組和 PLC 的錯誤訊息。圖 3 顯示了該模組的特寫圖像。
電源故障
安全模組會監控 24VDC 電源的電壓：
- 如果電源中斷，設備將立即進入故障安全關機狀態。這與上電重置無法區分。
- 如果電源電壓降至約 18VDC 以下，設備將進入電源故障狀態。前面板上的紅色電源指示燈將會亮起。必須重新啟動設備（按下緊急停止按鈕）才能清除故障。
圖 3：安全模組前面板的特寫。顯示為運轉狀態。
技術提示：紅色電源電源指示是一個很好的故障排除症狀。如果檢測到此故障，則需要進行適當的故障分析。這種情況再次發生的可能性很高，可能會導致令人厭煩的行程。這種令人討厭的行程可能很危險，因為操作員和技術人員往往會低估其重要性。更糟的是，存在著禁用跳閘電路的誘惑。
在未嚴格遵守美國聯邦、州和地方安全程序的情況下，請勿停用或改裝機器。這需要充分理解其影響、獲得知情的高階主管（高於領班或直接主管）的明確許可，並實施適當的上鎖掛牌（LOTO）以告知所有操作員機器操作缺陷和潛在危險。
要辨識和理解改造機器的影響非常困難。在太多的極端情況下，機器可能會傷害某人或導致代價高昂的失控。為此，我極力建議再次修改。相反，在考慮繞過安全措施之前，先找出根本原因並修復機器。抵制工頭的要求並遵守適當的安全程序。聽那個小聲音說，如果你移動那根電線，可能會出問題。
下游故障
Schneider Electric XB4BS8444 具有 4 個雙備援常閉安全接點和 1 對常開接點。觸點額定電流保守設定為 3 至 5A（取決於電壓和監管機構），為您的安全關鍵系統提供多種選擇。部分選項包括：
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直接控制負載，例如小型三相系統。
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大型斷路器分流跳閘。
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向獨立系統發送控制訊號，該系統隨後啟動有序停機。例如，該訊號可以啟動煞車機構，同時斷開電源並釋放氣動能量。
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如圖 2 所示，為接觸器提供使能訊號。
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提供一個或多個 PLC 輸出模組啟用 (+24VDC) 訊號。
相關系統可能出現多種故障。您有責任對設備進行風險分析並設計故障安全控制系統。此分析必須符合所有適用的國際、聯邦、州和地方法規。正如技術提示中所述，這並非易事。
結語
安全繼電器是現代控制面板的重要組成部分。它使我們能夠將許多原本難以正確設計和實施的關鍵安全功能外包出去。儘管如此，我們仍需保持警惕。下游設備必須正確配置，我們的技術人員也必須定期驗證安全功能的完整性。
作為一項挑戰，我鼓勵您找出安全繼電器中包含的所有功能。設計一個類似的電路需要哪些條件？此外，您如何確保其可靠性，並防止故障發生？
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原文作者: Aaron Dahlen | MSEE | Senior Applications Engineer, DigiKey