作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

功能安全對(duì)當(dāng)今的工業(yè)系統(tǒng)至關(guān)重要，即使在出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障時(shí)，也能保證機(jī)器和流程的安全運(yùn)行。繼電器模塊通過提供可靠的電路調(diào)節(jié)機(jī)制，在確保功能安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文以 [Weidmüller] SAFESERIES 產(chǎn)品系列為重點(diǎn)，探討了繼電器模塊在功能安全方面的重要性，重點(diǎn)介紹了繼電器模塊的基本特性，并提供了最優(yōu)選擇和使用指南。

符合功能安全要求

機(jī)電繼電器通常用于以小功率信號(hào)控制大功率電路。它們起到開關(guān)的作用，根據(jù)輸入信號(hào)的狀態(tài)允許或阻止電流通過。繼電器模塊用于功能安全應(yīng)用，以確保關(guān)鍵安全功能的可靠執(zhí)行，并將潛在危險(xiǎn)降至最低。在功能安全應(yīng)用中，繼電器模塊的幾個(gè)最重要方面如下：

• 冗余：冗余是功能安全的基本原則之一，要求多個(gè)獨(dú)立元器件執(zhí)行相同的安全關(guān)鍵功能。繼電器模塊通常采用冗余配置，以確保即使一個(gè)繼電器發(fā)生故障，系統(tǒng)也能繼續(xù)安全運(yùn)行。
• 故障安全設(shè)計(jì)：繼電器模塊通常設(shè)計(jì)為故障安全狀態(tài)；如果繼電器發(fā)生故障或斷電，它會(huì)默認(rèn)設(shè)置為確保系統(tǒng)安全的狀態(tài)。例如，機(jī)器緊急停止調(diào)控電路中的繼電器發(fā)生故障時(shí)，將導(dǎo)致立即停機(jī)。
• 診斷和監(jiān)控：這些功能集成在先進(jìn)的繼電器模塊中，使系統(tǒng)能夠檢測(cè)繼電器中的缺陷或故障，并啟動(dòng)適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，如故障報(bào)警或切換到冗余繼電器。
• 可靠性和堅(jiān)固性：繼電器模塊以其耐用性和可靠性而聞名。它們可以承受極端的環(huán)境條件、溫度波動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力，因此適合在要求苛刻的工業(yè)環(huán)境中使用。
• 低延遲：在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。在需要快速響應(yīng)時(shí)間以確保人員和設(shè)備安全的應(yīng)用中，繼電器模塊是首選。

在功能安全應(yīng)用中實(shí)施繼電器模塊時(shí)，必須考慮幾個(gè)因素，首先是要符合標(biāo)準(zhǔn)。這可確保功能安全應(yīng)用中使用的繼電器模塊符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證。

針對(duì)基本型機(jī)電繼電器，歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì) (CENELEC) 制定了 EN 61810 系列標(biāo)準(zhǔn)。該系列包括多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，每項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)專為特定的繼電器品種和應(yīng)用量身打造。EN 61810-3 就是這些標(biāo)準(zhǔn)之一，其 A 型具有特別重要的意義。

安全繼電器

EN 61810-3 A 型標(biāo)準(zhǔn)適用于一類基本型繼電器，它們采用特定設(shè)計(jì)和構(gòu)造技術(shù)，以確保常開 (NO) 觸頭不能與常閉 (NC) 觸頭處于同一位置。這些繼電器專門配備了符合標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制導(dǎo)向觸頭，可用于自我監(jiān)控和安全相關(guān)控制系統(tǒng)。

強(qiáng)制導(dǎo)向觸頭采用機(jī)械連鎖，以確保 NC 開放觸頭和 NO 閉合觸頭在出現(xiàn)電弧導(dǎo)致觸頭微熔接（“繼電器粘連”）等情況時(shí)不會(huì)同時(shí)閉合。

這種安全機(jī)制的一個(gè)實(shí)例如圖 1 所示，參考了一款具有 3 個(gè) NO 觸頭和 1 個(gè) NC 觸頭的 Weidmüller 安全繼電器模塊。如圖所示，所有的電極都通過一根橫桿機(jī)械連接在一起，以防獨(dú)立移動(dòng)。

如果 NC 觸頭發(fā)生熔接，則在繼電器通電期間，任何 NO 觸頭都無法閉合。同樣，如果任何一個(gè) NO 觸頭發(fā)生熔接，則在繼電器斷電期間，NC 觸頭就無法閉合。與特殊電路相結(jié)合，可以檢測(cè)到開路中的故障。這是確保人員和機(jī)器最大安全性的最可靠方法。

圖 1：Weidmüller 安全繼電器模塊示意圖。（來源：Weidmüller）

安全繼電器可在機(jī)器和系統(tǒng)上可靠地執(zhí)行安全功能，監(jiān)控緊急停止按鈕信號(hào)、光幕、安全門開關(guān)等。工廠發(fā)生緊急情況時(shí)需要快速反應(yīng)。打開警報(bào)器、警示燈或冷卻系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使用“通電至安全狀態(tài)”(ETS) 方案，而關(guān)閉電機(jī)或緊急停止閥時(shí)，則應(yīng)遵循“斷電至安全狀態(tài)”(DTS) 程序。使用帶冗余觸頭的繼電器，可確保安全相關(guān)應(yīng)用的啟用和停用符合 IEC62061 和 SIL 3 標(biāo)準(zhǔn)。

不符合安全標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)繼電器在多次使用后其金屬觸頭可能會(huì)發(fā)生熔接。即使操作員點(diǎn)擊了緊急停止按鈕，機(jī)器也會(huì)以不安全的模式繼續(xù)運(yùn)行。這對(duì)操作員和機(jī)器都有風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)國家和國際安全要求，未經(jīng)安全認(rèn)證的繼電器不能用于有潛在危險(xiǎn)的機(jī)械或裝置。

由于安全性和可靠性的提高，帶有正向驅(qū)動(dòng)觸頭的繼電器越來越受歡迎。帶有正向驅(qū)動(dòng)觸頭的繼電器模塊采用冗余電路和機(jī)構(gòu)作為其主要技術(shù)。這些冗余功能旨在確保即使控制電路或繼電器本身發(fā)生故障，繼電器仍能保持安全狀態(tài)。這種冗余對(duì)于安全性和可靠性要求較高的應(yīng)用來說至關(guān)重要。

這些繼電器模塊的可靠性和安全性使其適用于各種應(yīng)用，例如：

• 工業(yè)自動(dòng)化
• 醫(yī)療設(shè)備
• 發(fā)電和配電
• 電信設(shè)施
• 運(yùn)輸

在這類繼電器中，主觸頭和輔助觸頭機(jī)械連接，輔助觸頭的位置可用于確定電源電路中主觸頭的位置。因此，即使觸頭線圈已斷電，也可以確定觸頭是否仍處于閉合狀態(tài)（由于觸頭粘連）。如果電源極觸頭發(fā)生熔接，當(dāng)線圈斷電時(shí)，機(jī)械連接會(huì)阻止打開的輔助觸頭閉合。

Weidmüller SAFESERIES 繼電器模塊

在電氣工程領(lǐng)域，安全性和可靠性至關(guān)重要。對(duì)精度和可靠性的執(zhí)著追求造就了 Weidmüller 帶有正向驅(qū)動(dòng)觸頭的可插拔繼電器模塊等先進(jìn)元器件的誕生。這些創(chuàng)新的繼電器模塊代表了技術(shù)上的重大進(jìn)步，在各種應(yīng)用中提供了更高的安全性、能效和靈活性。

這些繼電器模塊的核心采用了確保觸頭正向驅(qū)動(dòng)的技術(shù)，這意味著它們能以受控和可靠的方式在打開和閉合狀態(tài)之間切換。無論繼電器或控制電路是否發(fā)生故障，這一機(jī)制都能排除觸頭意外動(dòng)作的可能性。因此，這樣的繼電器可以在不犧牲性能的前提下優(yōu)先保證安全性。

Weidmüller 的 SAFESERIES 觸頭擴(kuò)展符合 EN 61810-3 A 型標(biāo)準(zhǔn)，包括具有強(qiáng)制導(dǎo)向觸頭的繼電器。正因?yàn)槿绱耍鼈兲貏e適用于在涉及人員和機(jī)器安全的應(yīng)用中進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)。

SAFESERIES 系列由四款獨(dú)立的可插拔繼電器組成，配有匹配的螺紋插口，觸頭型號(hào)如下：

• 2 NO + 2 NC
• 3 NO + 1 NC
• 4 NO + 2 NC
• 3 NO + 3 NC

如果設(shè)計(jì)符合 EN/ISO 13849-1 標(biāo)準(zhǔn)，就有可能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用最高性能級(jí)別 PL“e”級(jí)。該基本元器件還可用于符合 IEC/EN 62061 標(biāo)準(zhǔn)的安全應(yīng)用，實(shí)現(xiàn) SIL 3 級(jí)安全完整性。

圖 2 所示為 Weidmüller [2759070000]安全繼電器模塊，封裝在適合 DIN 導(dǎo)軌應(yīng)用的組件中。這是一款 4 位通用繼電器，帶有 3 個(gè) NO 觸頭和 1 個(gè) NC 觸頭，線圈電壓為 24 VDC ±10%。該器件可通過額定開關(guān)電壓 250 VAC 的 20 mA 額定直流電流線圈和額定連續(xù)電流 6 A 的 AgSnO 鍍金觸頭通電。在負(fù)載側(cè)，最大開關(guān)電壓為 400 VAC 和 250 V DC 。如圖 1 中的示意圖所示，繼電器集成了一個(gè)狀態(tài)指示燈（綠色 LED）和一個(gè)用于保護(hù)的續(xù)流二極管。打開和關(guān)閉的延遲時(shí)間小于 20 ms，器件壽命為 10 x 10^6^ 次開關(guān)循環(huán)。

圖 2：Weidmüller 2759070000 SAFESERIES 繼電器模塊。（來源：DigiKey）

SAFESERIES 的另一款產(chǎn)品 [2759030000]小型工業(yè)繼電器如圖 3 所示。這款帶有強(qiáng)制導(dǎo)向觸頭的繼電器有 3 個(gè) NO 觸頭和 1 個(gè) NC 觸頭，適合通用用途，采用通孔安裝。

圖 3：Weidmüller 2759030000 SAFESERIES 繼電器模塊。（來源：DigiKey）

總結(jié)

繼電器模塊是功能安全系統(tǒng)中的重要元器件，因?yàn)樗鼈兡艽_保可靠的控制并執(zhí)行重要任務(wù)。由于其堅(jiān)固性、故障安全設(shè)計(jì)以及冗余兼容性，它們經(jīng)常被用于最高安全性要求的應(yīng)用中。繼電器模塊只要使用得當(dāng)并符合適用標(biāo)準(zhǔn)，就能為工業(yè)和汽車系統(tǒng)的整體安全性和可靠性做出重大貢獻(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，繼電器模塊不斷發(fā)展壯大，增加了越來越多的復(fù)雜功能，以滿足日益增長的功能安全要求。