作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業(yè)應(yīng)用中需要安全級(jí)接觸器，以確保機(jī)器和系統(tǒng)能夠可靠、可預(yù)測(cè)地切換到安全狀態(tài)，通常是在操作失誤或有安全功能要求的情況下。設(shè)計(jì)工業(yè)安全系統(tǒng)第一步就是確定應(yīng)用是否需要安全完整性等級(jí) (SIL)（按照 IEC 62061 定義，最高為 SIL 2）或 ISO 13849 規(guī)定的 c 級(jí)性能等級(jí) (PL)。某些應(yīng)用需要更高的安全級(jí)別。

考慮 IEC 60947-4-1 和 ISO 13849-1 中的指導(dǎo)原則，前者側(cè)重于設(shè)計(jì)和測(cè)試低壓開關(guān)和控制設(shè)備，后者提供了設(shè)計(jì)和集成控制系統(tǒng)安全相關(guān)部分（包括硬件和軟件）的一般原則。

本文介紹如何使用 Siemens 具有故障安全操作功能的 3RT2 安全級(jí)接觸器來構(gòu)建安全系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工業(yè)安全解決方案。文中還回顧了如何實(shí)現(xiàn)更高的 SIL 和 PL 級(jí)別以及接觸器熱管理等系統(tǒng)集成問題，最后深入探討了如何使用冗余互連、浪涌抑制器、功能模塊等配件定制安全解決方案，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步應(yīng)用和安全優(yōu)化。

3RT2 接觸器提供傳統(tǒng)運(yùn)行方式和固態(tài)運(yùn)行方式選擇，規(guī)格從 S00 至 S2，最大功率可達(dá) 37 kW。對(duì)于采用固態(tài)運(yùn)行機(jī)制的接觸器，應(yīng)指定包含一個(gè)可選的剩余壽命信號(hào)。

這些接觸器符合 IEC 60947-4-1 AC-3e 類別的要求，可與高效 IE3 或 IE4 電機(jī)配合使用。它們有多種輔助輸出配置，包括常開 (NO) 和常閉 (NC) 觸點(diǎn)，可用于反饋主電路是開還是關(guān)。此外還可使用用于觸發(fā)指示燈、警報(bào)或其他控制設(shè)備的反饋。3RT2 接觸器實(shí)例如下：

· 3RT20152AP611AA0 - S00 規(guī)格，額定電流 7 A，3 kW / 400 V，3 極，220 VAC 50 Hz / 240 VAC 60 Hz，輔助觸點(diǎn)：1 個(gè) NO，帶彈簧端子

· 3RT20231AK60 - S0 規(guī)格，額定電流 9 A，4 kW / 400 V，3 極，110 VAC 50 Hz / 120 VAC 60 Hz，輔助觸點(diǎn)：1 個(gè) NO + 1 個(gè) NC，螺紋端子（圖 1）

· 3RT20281AN20 - S0 規(guī)格，額定電流 38 A，18.5 kW / 400 V，3 極，220 VAC，50/60 Hz，輔助觸點(diǎn)：1 NO + 1 NC，螺紋端子

· 3RT20371KB40 - S2 規(guī)格，額定電流 65 A，30 kW / 400 V，3 極，24 VDC，帶集成變阻器，輔助觸點(diǎn)：1 個(gè) NO + 1 個(gè) NC，螺紋端子

· 3RT20371SF30 - S2 規(guī)格，帶 F-PCL-IN 輸入，額定電流 65 A，30 kW / 400 V，3 極，83 VAC 至 150 VAC/VDC，50/60 Hz，帶集成變阻器，輔助觸點(diǎn)：1 個(gè) NC，螺紋端子

圖 1：這種 S0 規(guī)格接觸器的額定功率為 4 kW，有一個(gè) NC 和一個(gè) NO 輔助輸出。（圖片來源：Siemens）

響應(yīng)時(shí)間對(duì)安全至關(guān)重要

在設(shè)計(jì)工業(yè)安全解決方案時(shí)，了解整體響應(yīng)時(shí)間的影響非常重要。它由多個(gè)參數(shù)組成。在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，響應(yīng)時(shí)間被定義為在出現(xiàn)安全要求時(shí)必須停止任何危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間。影響響應(yīng)時(shí)間的因素包括：

• 安全監(jiān)控裝置中傳感器的輸入反應(yīng)時(shí)間
• 安全計(jì)劃的周期時(shí)間
• 通信協(xié)議的延遲時(shí)間
• 電機(jī)或執(zhí)行器慣性產(chǎn)生的超程時(shí)間
• 接觸器的分?jǐn)鄷r(shí)間

IEC 60947-4-1 規(guī)定了機(jī)電接觸器和電機(jī)啟動(dòng)器的分?jǐn)鄷r(shí)間。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在各種工作條件下安全分?jǐn)嚯娏鞯囊蟆?/p>

它還定義了使用類別，對(duì)負(fù)載類型和接觸器運(yùn)行條件進(jìn)行分類，如針對(duì)高效電機(jī)的 AC-3e。該標(biāo)準(zhǔn)包括測(cè)試接觸器分?jǐn)鄷r(shí)間和其他性能特征的程序。

接觸器分?jǐn)鄷r(shí)間是安全系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。它的定義是從去掉線圈電壓到主觸點(diǎn)斷開的時(shí)間，包括斷開延遲時(shí)間 (OD) 和觸點(diǎn)起弧時(shí)間 (AT)。

例如，當(dāng)使用開關(guān)性能如圖 2 所示的接觸器時(shí)，分?jǐn)鄷r(shí)間 OD + AT 介于 50 至 75 ms 之間。在計(jì)算總響應(yīng)時(shí)間時(shí)，必須始終考慮最壞情況下的數(shù)值，在本例中為 75 ms（圖 2）。

圖 2：在此示例中，主觸點(diǎn) (OD + AT) 的總分?jǐn)鄷r(shí)間規(guī)定為 75 ms，這是最糟糕的情況。（圖片來源：Siemens）

需要多高的安全級(jí)別？

SIL 2 和 PL c 設(shè)計(jì)針對(duì)的是發(fā)生故障可能導(dǎo)致重大傷害的系統(tǒng)，而 SIL 3 和 PL e 設(shè)計(jì)針對(duì)的是發(fā)生故障可能造成災(zāi)難性后果的系統(tǒng)。SIL 3 和 PL e 系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要更多的工程設(shè)計(jì)、整合和維護(hù)。SIL 2 和 3 以及 PL c 和 e 系統(tǒng)均具有高度可靠性。不過，SIL 3 和 PL e 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性更高，具有冗余和故障安全機(jī)制，可減輕潛在故障。

使用安全級(jí)接觸器是實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更低成本安全解決方案的關(guān)鍵。這些接觸器有一個(gè)專用的安全輸入端 (F-PLC-IN)，以確保在發(fā)生故障（如斷電或控制信號(hào)錯(cuò)誤）時(shí)切換到安全狀態(tài)。

F-PLC-IN 輸入可直接連接故障安全控制器 (F-DQ)，從而實(shí)現(xiàn)緊急停止或聯(lián)鎖等安全功能。使用 F-PLC-IN 輸入無需使用多個(gè)像耦合繼電器和接觸器專用控制器 (DQ) 這樣的外部元件。

使用 3RT2 安全級(jí)接觸器，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以滿足 SIL 2 或 PL c 的要求，只需使用一個(gè)接觸器，而使用兩個(gè)接觸器的冗余串聯(lián)配置則可滿足 SIL 3 或 PL e 的要求。由此帶來的系統(tǒng)簡(jiǎn)化可提高可靠性并降低安全系統(tǒng)成本（圖 3）。

圖 3：與非安全級(jí)接觸器（上圖）相比，使用 3RT2 安全級(jí)接觸器（下圖）能以更少的組件實(shí)現(xiàn)更高的安全等級(jí)。（圖片來源：Siemens）

Siemens 免費(fèi)提供的 IEC 62061 和 ISO 13849-1 [安全評(píng)估工具] (SET) 已通過 TüV 測(cè)試。SET 包括一個(gè)循序漸進(jìn)的安全系統(tǒng)評(píng)估和開發(fā)環(huán)境，可以快速、簡(jiǎn)單地評(píng)估機(jī)器的安全功能。有了 SET，就可以根據(jù)所選標(biāo)準(zhǔn)輕松制作報(bào)告，并將其納入文件中作為安全證明。

熱管理注意事項(xiàng)

與其他任何電源處理設(shè)備一樣，設(shè)計(jì)人員在使用 3RT2 接觸器時(shí)必須考慮到產(chǎn)生的熱量。這些設(shè)備效率很高，所以發(fā)熱量不大，但也有一些。例如，[3RT20371KB40]( 型號(hào)的額定負(fù)載高達(dá) 30 kW，產(chǎn)生的功率損耗最多 11 W。

3RT2 接觸器的基本設(shè)計(jì)適用于并排安裝，通過自然對(duì)流冷卻，可在 -25°C 至 +60°C 的環(huán)境溫度下運(yùn)行。在特定的操作限制條件下，其中一些接觸器還可在高達(dá) +80°C 的溫度下使用。

在 +60°C 至 +70°C 溫度范圍內(nèi)，只要適當(dāng)降低電流和開關(guān)頻率（每小時(shí)開關(guān)次數(shù)），即可連續(xù)使用這些接觸器。此外，并排安裝可能需要 10 mm 的間隙，以確保更好的散熱。

3RT2 接觸器可在 +70°C 至 +80°C 的環(huán)境溫度下使用長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)，但需額外降額。但是，任何 24 小時(shí)內(nèi)的平均環(huán)境溫度不得超過 +60°C。

這些擴(kuò)展溫度建議僅適用于不含電子元件的接觸器。建議僅在 +60°C 以下使用帶集成電子元件的接觸器，以確保最長(zhǎng)的工作壽命。

必要時(shí)，如果沒有發(fā)生冷凝，則可以在最低環(huán)境溫度為 -50°C 的條件下使用不含電子元件的 S00 和 S0 接觸器，但機(jī)械耐久性會(huì)降低 50%。其他性能指標(biāo)保持不變。帶有集成電子元件或與電子附件一起使用的接觸器不得在低于 -40°C 的溫度下使用。

用于定制安全解決方案的配件

雖然接觸器是系統(tǒng)的核心，但要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的安全解決方案，往往還需要增加配件。例如，S00 規(guī)格的 3RT2 接觸器有多種選擇，如輔助觸點(diǎn)、輔助開關(guān)、智能鏈接模塊、浪涌抑制器、EMC 抑制器等（圖 4）。

圖 4：有多種可用配件支持安全應(yīng)用定制。（圖片來源：Siemens）

從 3RA29132AA1 接線套件開始（圖 4 中的 ?、? 和 ? 號(hào)零件）。它提供用于連接導(dǎo)線的螺紋端子和機(jī)械聯(lián)鎖系統(tǒng)，確保了堅(jiān)固的電氣和機(jī)械性能。

如果應(yīng)用需要串聯(lián)兩個(gè)接觸器以實(shí)現(xiàn) SIL 3 或 PL e 級(jí)安全性，就需要增加 3RA29261A 安全串聯(lián)連接器 (?)。添加一個(gè)像 3RT29263AB31 這樣的閂鎖塊（未顯示），可使接觸器在初始電源脈沖消除后仍保持通電（接通）狀態(tài)，從而進(jìn)一步提高在某些應(yīng)用中的安全性。

此外還可添加功能塊將接觸器與控制系統(tǒng)連接起來。3RA27111AA00 (⑧) 功能模塊可實(shí)現(xiàn) IO-Link 連接。3RA27122AA00 模塊 (⑦) 增加了一個(gè) AS 接口，可連接像 PROFINET 這樣更高級(jí)別的現(xiàn)場(chǎng)總線。像 3RA28132FW10 (⑥) 這樣的功能模塊則可以用于直接在線啟動(dòng)、反向啟動(dòng)和星三角 (Y-Δ) 啟動(dòng)等控制任務(wù)。

此外，還可選擇添加觸點(diǎn)較小的輔助開關(guān)塊，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖、排序和主接觸器狀態(tài)監(jiān)控等功能。輔助觸點(diǎn)有多種配置，如側(cè)面安裝或正面安裝、NO 或 NC 觸點(diǎn)以及不同的極數(shù)。例如，3RH29111DA02 (②) 是兩極側(cè)面安裝型，3RH29111NF02 (④) 是兩極正面安裝型。

為增強(qiáng)系統(tǒng)性能，可添加一個(gè) EMC 抑制器模塊，如 3RT29161PA2（未顯示），該模塊使用 RC 元件抑制電壓浪涌，尤其是在關(guān)閉電感負(fù)載（如電機(jī)）時(shí)，有助于防止線圈損壞并減少電磁干擾。像 3RT29261CD00 (⑨) 這樣的浪涌抑制器可以利用壓敏電阻吸收線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的高壓尖峰，從而保護(hù)線圈。

結(jié)語

Siemens 的 3RT2 系列有 S00 至 S2 多種規(guī)格，最大功率可達(dá) 37 kW。這些安全級(jí)接觸器可用于開發(fā)從 SIL 2 和 PL c 到 SIL 3 和 PL e 等級(jí)的安全系統(tǒng)。此外許多像智能鏈接模塊、輔助觸點(diǎn)、輔助開關(guān)、浪涌抑制器、電磁兼容抑制器這樣的配件，也可用于進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和性能。