Cách sử dụng công tắc an toàn để nhận diện các giải pháp an toàn công nghiệp tối ưu

Điểm đầu khi thiết kế hệ thống an toàn công nghiệp là xác định xem ứng dụng có yêu cầu mức an toàn thống nhất (SIL) lên tới SIL 2 theo định nghĩa trong IEC 62061 và/hoặc mức hiệu suất (PL) theo ISO 13849 hay không. Một số ứng dụng yêu cầu mức độ an toàn cao hơn.

Bài viết này cho thấy cách kiến trúc các hệ thống an toàn bằng các công tắc an toàn 3RT2 của Siemens với chế độ hoạt động an toàn để thực hiện các giải pháp an toàn công nghiệp tối ưu. Nó cũng rà soát cách đạt được mức SIL và PL cao hơn và các vấn đề tích hợp hệ thống như quản lý nhiệt của công tắc, kết thúc bằng một phần thảo luận về cách tùy chỉnh giải pháp an toàn bằng phụ kiện như liên kết dự phòng, bộ triệt xung điện áp, module chức năng và nhiều hơn nữa, để tối ưu hóa thêm ứng dụng an toàn.

Các công tắc 3RT2 có sẵn tùy chọn vận hành thông thường và bán dẫn, kích thước từ S00 đến S2 có thể xử lý lên tới 37 kW. Đối với các công tắc có cơ chế vận hành bán dẫn, hãy ghi rõ việc bao gồm một tín hiệu còn lại thời gian sử dụng (remaining lifetime signal) tùy chọn.

Những công tắc này đáp ứng yêu cầu của IEC 60947-4-1 danh mục AC-3e cho việc sử dụng với động cơ hiệu quả cao IE3 hoặc IE4. Chúng có nhiều cấu hình ngõ ra phụ trợ, bao gồm tiếp điểm Normally Open (NO) và Normally Closed (NC) có thể được dùng để cung cấp phản hồi về việc mạch chính đang bật hay tắt. Phản hồi để kích hoạt đèn báo, báo động hoặc các thiết bị điều khiển khác có thể được sử dụng. Ví dụ về các công tắc 3RT2 bao gồm:

3RT20152AP611AA0 - kích thước S00, công suất định mức 7 A, 3 kW/400 V, 3 cực, 220 VAC 50 Hz/240 VAC 60 Hz, tiếp điểm phụ trợ: 1 NO, vít ghép có nút giữ

3RT20231AK60 - kích thước S0, công suất định mức 9 A, 4 kW/400 V, 3 cực, 110 VAC 50 Hz/120 VAC 60 Hz, tiếp điểm phụ trợ: 1 NO + 1 NC, vít (Hình 1)

3RT20281AN20 - kích thước S0, công suất định mức 38 A, 18.5 kW/400 V, 3 cực, 220 VAC, 50/60 Hz, tiếp điểm phụ trợ: 1 NO + 1 NC, vít

3RT20371KB40 - kích thước S2, công suất định mức 65 A, 30 kW / 400 V, 3 cực, 24 VDC, có varistor tích hợp, tiếp điểm phụ trợ: 1 NO + 1 NC, vít

3RT20371SF30 - kích thước S2 với đầu vào F-PCL-IN, công suất định mức 65 A, 30 kW / 400 V, 3 cực, 83 VAC đến 150 VAC/VDC, 50/60 Hz, có varistor tích hợp, tiếp điểm phụ trợ: 1 NC, vít

Hình 1: Công tắc kích thước S0 này được xếp hạng 4 kW và có một NC và một NO đầu ra phụ. (Nguồn hình: Siemens)

Thời gian đáp ứng có vai trò then chốt trong an toàn

Khi thiết kế các giải pháp an toàn công nghiệp, điều quan trọng là hiểu tác động của thời gian đáp ứng tổng thể, nó bao gồm một số tham số. Khi thực hiện đánh giá rủi ro, thời gian đáp ứng được định nghĩa là tổng thời gian trong đó bất kỳ chuyển động nguy hiểm nào cũng phải bị dừng lại trong trường hợp yêu cầu an toàn. Một số yếu tố ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng gồm:

- Thời gian phản ứng đầu vào của cảm biến trong đơn vị giám sát an toàn

- Thời gian chu trình của chương trình an toàn

- Thời gian trễ từ giao thức truyền thông

- Thời gian vượt quá do quán tính của động cơ hoặc cơ cấu truyền động

- Thời gian gián đoạn của công tắc

Thời gian gián đoạn của công tắc tiếp xúc điện và khởi động động cơ được đề cập trong IEC 60947-4-1. Chuẩn này nêu ra các yêu cầu để ngắt dòng an toàn ở các điều kiện vận hành khác nhau.

Nó cũng xác định các danh mục sử dụng phân loại loại tải và điều kiện vận hành của công tắc, như AC-3e cho động cơ hiệu quả cao. Chuẩn cũng bao gồm các quy trình thử nghiệm thời gian ngắt và các đặc tính hiệu suất khác của công tắc.

Thời gian gián đoạn của công tắc là tham số quan trọng trong hệ thống an toàn. Nó được định nghĩa là thời gian trôi qua từ khi ngắt nguồn cuộn đến khi mở tiếp xúc chính, bao gồm both OD và thời gian hồ quang tiếp xúc (AT).

Ví dụ, khi sử dụng một công tắc có hiệu suất chuyển đổi như minh họa ở Hình 2, thời gian gián đoạn, OD + AT, nằm giữa 50 và 75 ms. Khi tính tổng thời gian đáp ứng, các giá trị xấu nhất luôn phải được xem xét - trong trường hợp này là 75 ms (Hình 2).

Hình 2: Trong ví dụ này, tổng thời gian gián đoạn cho các tiếp xúc chính (OD + AT) sẽ được xác định là 75 ms, khả năng xấu nhất. (Nguồn hình: Siemens)

Mức an toàn cần thiết là gì?

Thiết kế SIL 2 và PL c tập trung vào các hệ thống mà lỗi có thể gây hại đáng kể, trong khi thiết kế SIL 3 và PL e dành cho các hệ thống mà lỗi có thể có hậu quả thảm khốc. Các hệ thống SIL 3 và PL e phức tạp hơn, đòi hỏi nhiều thiết kế và bảo trì hơn. Các hệ thống SIL 2 và 3 và PL c và e đều có độ tin cậy cao. Tuy nhiên, hệ SIL 3 và PL e được thiết kế với độ tin cậy tối đa hơn nữa, có các cơ chế dự phòng và an toàn fail-safe để giảm thiểu các sự cố tiềm ẩn.

Việc sử dụng công tắc được đánh giá an toàn là yếu tố then chốt cho các giải pháp an toàn đơn giản và chi phí thấp hơn. Các công tắc này có đầu vào an toàn riêng (F-PLC-IN) để đảm bảo chúng chuyển sang trạng thái an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố, như mất điện hoặc lỗi tín hiệu điều khiển.

Đầu vào F-PLC-IN cho phép kết nối trực tiếp với bộ điều khiển an toàn (F-DQ), cho phép triển khai các chức năng an toàn như dừng khẩn cấp hoặc khóa liên động. Sử dụng đầu vào F-PLC-IN giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng một số thành phần bên ngoài như rơ-le ghép nối và một bộ điều khiển riêng biệt (DQ) cho công tắc.

Với các công tắc an toàn 3RT2, hệ thống có thể được thiết kế để đáp ứng yêu cầu SIL 2 hoặc PL c chỉ với một công tắc và SIL 3 hoặc PL e với hai công tắc theo cấu hình chuỗi dự phòng. Sự giản lược hệ thống này có thể tăng độ tin cậy và giảm chi phí hệ thống an toàn (Hình 3).

Hình 3: Việc sử dụng các công tắc an toàn 3RT2 ở phía dưới hỗ trợ các cấp độ an toàn cao hơn với ít thành phần hơn so với các công tắc không an toàn (ở phía trên). (Nguồn hình: Siemens)

Công cụ đánh giá an toàn miễn phí của Siemens (SET) cho IEC 62061 và ISO 13849-1 đã được TÜV kiểm tra. SET bao gồm một môi trường đánh giá và phát triển hệ thống an toàn từng bước cho phép người dùng nhanh chóng và đơn giản đánh giá các chức năng an toàn của một máy. Với SET, có thể dễ dàng lập báo cáo tuân thủ tiêu chuẩn đã chọn, và có thể tích hợp vào tài liệu như bằng chứng về an toàn.

Các xem xét quản lý nhiệt

Giống như bất cứ thiết bị xử lý nguồn lực nào khác, người thiết kế phải cân nhắc lượng nhiệt sinh ra khi sử dụng công tắc 3RT2. Đây là các thiết bị có hiệu suất cao, do đó không sinh quá nhiều nhiệt, nhưng vẫn có. Ví dụ, mẫu 3RT20371KB40 có công suất định mức lên tới 30 kW và sinh ra tới 11 W tổn thất công suất.

Thiết kế cơ bản của công tắc 3RT2 phù hợp với lắp ghép cạnh nhau và vận hành ở nhiệt độ môi trường từ -25°C đến +60°C với làm mát bằng đối lưu tự nhiên. Một số công tắc này có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên tới +80°C dưới một số hạn chế vận hành cụ thể

Giữa +60°C và +70°C, các công tắc này có thể được sử dụng liên tục với suy giảm dòng điện và tần số đóng/ngắt phù hợp (số lần đóng/ngắt trên giờ). Thêm vào đó, có thể cần khoảng trống 10 mm để đảm bảo tản nhiệt tốt hơn khi lắp đặt cạnh nhau.

Công tắc 3RT2 có thể được sử dụng lên tới một giờ ở nhiệt độ môi trường từ +70°C đến +80°C với suy giảm thêm. Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường trung bình không được vượt quá +60°C cho bất kỳ khoảng thời gian 24 giờ nào.

Các khuyến cáo nhiệt độ mở rộng này chỉ áp dụng cho các công tắc không chứa thành phần điện tử. Khuyến nghị sử dụng công tắc với điện tử tích hợp chỉ ở mức tối đa +60°C để đảm bảo tuổi thọ hoạt động tối đa.

Nếu cần, có thể dùng các công tắc S00 và S0 không bao gồm điện tử ở nhiệt độ môi trường tối thiểu -50°C, nếu không có ngưng tụ, nhưng độ bền cơ học sẽ giảm lên tới 50%. Các thông số hiệu suất khác sẽ không đổi. Các công tắc có điện tử tích hợp hoặc được sử dụng với phụ kiện điện tử không được dùng ở nhiệt độ dưới -40°C.

Phụ kiện để tùy chỉnh giải pháp an toàn

Dù công tắc là trái tim của hệ thống, chúng thường yêu cầu bổ sung phụ kiện để thực hiện một giải pháp an toàn tối ưu. Ví dụ, công tắc 3RT2 ở kích thước S00 có nhiều lựa chọn như tiếp điểm phụ, công tắc phụ, module liên kết thông minh, bộ giảm quá áp, bộ giảm nhiễm EMC và nhiều hơn nữa (Hình 4).

Hình 4: Sự đa dạng phụ kiện có sẵn hỗ trợ tùy chỉnh các ứng dụng an toàn. (Nguồn hình: Siemens)

Bắt đầu với bộ dây nối 3RA29132AA1 (phần ⑯, ⑰ và ⑱ ở Hình 4). Nó cung cấp vít ghép có ren để kết nối dây và một hệ thống liên kết cơ học, đảm bảo hiệu suất điện và cơ học chắc chắn.

Nếu một ứng dụng yêu cầu nối nối chuỗi hai công tắc để đạt được an toàn SIL 3 hoặc PL e, hãy thêm 3RA29261A, bộ nối nối an toàn (⑮). Thêm một khối gắn khóa như 3RT29263AB31 (không hiển thị) cho phép công tắc hoạt động ở trạng thái đã cấp nguồn (on) ngay sau khi xung nguồn ban đầu bị loại bỏ và có thể tăng cường an toàn ở một số ứng dụng.

Các khối chức năng có thể được thêm để kết nối công tắc với hệ thống điều khiển. Chế độ 3RA27111AA00 (⑧) cho phép kết nối IO-Link. Module 3RA27122AA00 (⑦) bổ sung AS-Interface có thể kết nối với các hệ thống truyền thông trường cấp cao hơn như PROFINET. Các module chức năng như 3RA28132FW10 (⑥) có thể được sử dụng cho các nhiệm vụ điều khiển như khởi động trực tiếp, khởi động đảo chiều và khởi động star-delta (wye -delta).

Cũng có tùy chọn thêm các khối công tắc phụ nhỏ hơn để thực hiện các chức năng như khóa liên động, trình tự và giám sát trạng thái của công tắc chính. Các tiếp điểm phụ trợ có sẵn ở nhiều cấu hình, như lắp ở bên cạnh hoặc ở phía trước, với NO hoặc NC và nhiều số cực. Ví dụ, 3RH29111DA02 (②) là mô hình hai cực lắp bên cạnh, và 3RH29111NF02 (④) là cấu hình hai cực lắp ở phía trước.

Để cải thiện hiệu suất hệ thống, hãy thêm một module giảm EMC như 3RT29161PA2 (không hiển thị) sử dụng các thành phần RC để giảm dư điện áp, đặc biệt khi ngắt tải cảm kháng như động cơ, giúp ngăn hỏng cuộn và giảm nhiễu điện từ. Một bộ triệt xung điện áp như 3RT29261CD00 (⑨) có thể bảo vệ cuộn bằng cách hấp thụ các đỉnh áp cao xảy ra khi cuộn ngừng cấp năng lượng.

Kết luận

Dòng 3RT2 của Siemens có sẵn ở các kích thước từ S00 đến S2 có thể xử lý tới 37 kW. Những công tắc được đánh giá an toàn này cho phép phát triển các hệ thống an toàn với các mức SIL 2 và PL c, tới SIL 3 và PL e. Nhiều phụ kiện, như module liên kết thông minh, tiếp điểm phụ, công tắc phụ, bộ giảm surge, bộ giảm nhiễu EMC và nhiều thứ khác, có sẵn để tinh chỉnh thiết kế và hiệu suất thêm.

Minh Trí (theo Jeff Shepard, digikey.com)