如何使用安全级接触器实现最优工业安全解决方案

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

工业应用中需要安全级接触器，以确保机器和系统能够可靠、可预测地切换到安全状态，通常是在操作失误或有安全功能要求的情况下。设计工业安全系统第一步就是确定应用是否需要安全完整性等级 (SIL)（按照 IEC 62061 定义，最高为 SIL 2）或 ISO 13849 规定的 c 级性能等级 (PL)。某些应用需要更高的安全级别。

考虑 IEC 60947-4-1 和 ISO 13849-1 中的指导原则，前者侧重于设计和测试低压开关和控制设备，后者提供了设计和集成控制系统安全相关部分（包括硬件和软件）的一般原则。

本文介绍如何使用 Siemens 具有故障安全操作功能的 3RT2 安全级接触器来构建安全系统，以实现最优的工业安全解决方案。文中还回顾了如何实现更高的 SIL 和 PL 级别以及接触器热管理等系统集成问题，最后深入探讨了如何使用冗余互连、浪涌抑制器、功能模块等配件定制安全解决方案，以实现进一步应用和安全优化。

3RT2 接触器提供传统运行方式和固态运行方式选择，规格从 S00 至 S2，最大功率可达 37 kW。对于采用固态运行机制的接触器，应指定包含一个可选的剩余寿命信号。

这些接触器符合 IEC 60947-4-1 AC-3e 类别的要求，可与高效 IE3 或 IE4 电机配合使用。它们有多种辅助输出配置，包括常开 (NO) 和常闭 (NC) 触点，可用于反馈主电路是开还是关。此外还可使用用于触发指示灯、警报或其他控制设备的反馈。3RT2 接触器实例如下：

· 3RT20152AP611AA0 - S00 规格，额定电流 7 A，3 kW / 400 V，3 极，220 VAC 50 Hz / 240 VAC 60 Hz，辅助触点：1 个 NO，带弹簧端子

· 3RT20231AK60 - S0 规格，额定电流 9 A，4 kW / 400 V，3 极，110 VAC 50 Hz / 120 VAC 60 Hz，辅助触点：1 个 NO + 1 个 NC，螺纹端子（图 1）

· 3RT20281AN20 - S0 规格，额定电流 38 A，18.5 kW / 400 V，3 极，220 VAC，50/60 Hz，辅助触点：1 NO + 1 NC，螺纹端子

· 3RT20371KB40 - S2 规格，额定电流 65 A，30 kW / 400 V，3 极，24 VDC，带集成变阻器，辅助触点：1 个 NO + 1 个 NC，螺纹端子

· 3RT20371SF30 - S2 规格，带 F-PCL-IN 输入，额定电流 65 A，30 kW / 400 V，3 极，83 VAC 至 150 VAC/VDC，50/60 Hz，带集成变阻器，辅助触点：1 个 NC，螺纹端子

图 1：这种 S0 规格接触器的额定功率为 4 kW，有一个 NC 和一个 NO 辅助输出。（图片来源：Siemens）

响应时间对安全至关重要

在设计工业安全解决方案时，了解整体响应时间的影响非常重要。它由多个参数组成。在进行风险评估时，响应时间被定义为在出现安全要求时必须停止任何危险运动的总时间。影响响应时间的因素包括：

• 安全监控装置中传感器的输入反应时间
• 安全计划的周期时间
• 通信协议的延迟时间
• 电机或执行器惯性产生的超程时间
• 接触器的分断时间

IEC 60947-4-1 规定了机电接触器和电机启动器的分断时间。该标准规定了在各种工作条件下安全分断电流的要求。

它还定义了使用类别，对负载类型和接触器运行条件进行分类，如针对高效电机的 AC-3e。该标准包括测试接触器分断时间和其他性能特征的程序。

接触器分断时间是安全系统中的一个关键参数。它的定义是从去掉线圈电压到主触点断开的时间，包括断开延迟时间 (OD) 和触点起弧时间 (AT)。

例如，当使用开关性能如图 2 所示的接触器时，分断时间 OD + AT 介于 50 至 75 ms 之间。在计算总响应时间时，必须始终考虑最坏情况下的数值，在本例中为 75 ms（图 2）。

图 2：在此示例中，主触点 (OD + AT) 的总分断时间规定为 75 ms，这是最糟糕的情况。（图片来源：Siemens）

需要多高的安全级别？

SIL 2 和 PL c 设计针对的是发生故障可能导致重大伤害的系统，而 SIL 3 和 PL e 设计针对的是发生故障可能造成灾难性后果的系统。SIL 3 和 PL e 系统更为复杂，需要更多的工程设计、整合和维护。SIL 2 和 3 以及 PL c 和 e 系统均具有高度可靠性。不过，SIL 3 和 PL e 系统的设计可靠性更高，具有冗余和故障安全机制，可减轻潜在故障。

使用安全级接触器是实现更简单、更低成本安全解决方案的关键。这些接触器有一个专用的安全输入端 (F-PLC-IN)，以确保在发生故障（如断电或控制信号错误）时切换到安全状态。

F-PLC-IN 输入可直接连接故障安全控制器 (F-DQ)，从而实现紧急停止或联锁等安全功能。使用 F-PLC-IN 输入无需使用多个像耦合继电器和接触器专用控制器 (DQ) 这样的外部元件。

使用 3RT2 安全级接触器，系统的设计可以满足 SIL 2 或 PL c 的要求，只需使用一个接触器，而使用两个接触器的冗余串联配置则可满足 SIL 3 或 PL e 的要求。由此带来的系统简化可提高可靠性并降低安全系统成本（图 3）。

图 3：与非安全级接触器（上图）相比，使用 3RT2 安全级接触器（下图）能以更少的组件实现更高的安全等级。（图片来源：Siemens）

Siemens 免费提供的 IEC 62061 和 ISO 13849-1 [安全评估工具] (SET) 已通过 TÜV 测试。SET 包括一个循序渐进的安全系统评估和开发环境，可以快速、简单地评估机器的安全功能。有了 SET，就可以根据所选标准轻松制作报告，并将其纳入文件中作为安全证明。

热管理注意事项

与其他任何电源处理设备一样，设计人员在使用 3RT2 接触器时必须考虑到产生的热量。这些设备效率很高，所以发热量不大，但也有一些。例如，[3RT20371KB40]( 型号的额定负载高达 30 kW，产生的功率损耗最多 11 W。

3RT2 接触器的基本设计适用于并排安装，通过自然对流冷却，可在 -25°C 至 +60°C 的环境温度下运行。在特定的操作限制条件下，其中一些接触器还可在高达 +80°C 的温度下使用。

在 +60°C 至 +70°C 温度范围内，只要适当降低电流和开关频率（每小时开关次数），即可连续使用这些接触器。此外，并排安装可能需要 10 mm 的间隙，以确保更好的散热。

3RT2 接触器可在 +70°C 至 +80°C 的环境温度下使用长达一小时，但需额外降额。但是，任何 24 小时内的平均环境温度不得超过 +60°C。

这些扩展温度建议仅适用于不含电子元件的接触器。建议仅在 +60°C 以下使用带集成电子元件的接触器，以确保最长的工作寿命。

必要时，如果没有发生冷凝，则可以在最低环境温度为 -50°C 的条件下使用不含电子元件的 S00 和 S0 接触器，但机械耐久性会降低 50%。其他性能指标保持不变。带有集成电子元件或与电子附件一起使用的接触器不得在低于 -40°C 的温度下使用。

用于定制安全解决方案的配件

虽然接触器是系统的核心，但要实现最优的安全解决方案，往往还需要增加配件。例如，S00 规格的 3RT2 接触器有多种选择，如辅助触点、辅助开关、智能链接模块、浪涌抑制器、EMC 抑制器等（图 4）。

图 4：有多种可用配件支持安全应用定制。（图片来源：Siemens）

从 3RA29132AA1 接线套件开始（图 4 中的 ⑯、⑰ 和 ⑱ 号零件）。它提供用于连接导线的螺纹端子和机械联锁系统，确保了坚固的电气和机械性能。

如果应用需要串联两个接触器以实现 SIL 3 或 PL e 级安全性，就需要增加 3RA29261A 安全串联连接器 (⑮)。添加一个像 3RT29263AB31 这样的闩锁块（未显示），可使接触器在初始电源脉冲消除后仍保持通电（接通）状态，从而进一步提高在某些应用中的安全性。

此外还可添加功能块将接触器与控制系统连接起来。3RA27111AA00 (⑧) 功能模块可实现 IO-Link 连接。3RA27122AA00 模块 (⑦) 增加了一个 AS 接口，可连接像 PROFINET 这样更高级别的现场总线。像 3RA28132FW10 (⑥) 这样的功能模块则可以用于直接在线启动、反向启动和星三角 (Y-Δ) 启动等控制任务。

此外，还可选择添加触点较小的辅助开关块，以实现联锁、排序和主接触器状态监控等功能。辅助触点有多种配置，如侧面安装或正面安装、NO 或 NC 触点以及不同的极数。例如，3RH29111DA02 (②) 是两极侧面安装型，3RH29111NF02 (④) 是两极正面安装型。

为增强系统性能，可添加一个 EMC 抑制器模块，如 3RT29161PA2（未显示），该模块使用 RC 元件抑制电压浪涌，尤其是在关闭电感负载（如电机）时，有助于防止线圈损坏并减少电磁干扰。像 3RT29261CD00 (⑨) 这样的浪涌抑制器可以利用压敏电阻吸收线圈断电时产生的高压尖峰，从而保护线圈。

结语

Siemens 的 3RT2 系列有 S00 至 S2 多种规格，最大功率可达 37 kW。这些安全级接触器可用于开发从 SIL 2 和 PL c 到 SIL 3 和 PL e 等级的安全系统。此外许多像智能链接模块、辅助触点、辅助开关、浪涌抑制器、电磁兼容抑制器这样的配件，也可用于进一步改进设计和性能。