رله‌های ایمنی سنگ‌بنای ایمنی عملکردی در اتوماسیون کارخانه‌های مدرن هستند و با جلوگیری از خرابی فاجعه‌بار تجهیزات، از کارکنان کارخانه محافظت می‌کنند. در حالی که رله‌های الکترومکانیکی استاندارد، سوئیچینگ پایه بار را انجام می‌دهند، فاقد تشخیص‌های افزونه موردنیاز برای محیط‌های صنعتی پرخطر هستند. پلتفرم‌های مدرن اتوماسیون صنعتی، از جمله کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) و سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS)، برای پایش تجهیزات میدانی و ایزوله‌کردن فوری خطرات به رله‌های ایمنی تخصصی متکی هستند.

شناخت محدودیت‌های ساختاری رله‌های الکترومکانیکی استاندارد

رله‌های الکترومکانیکی استاندارد، مدارهای کنترل را با استفاده از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی و کنتاکت‌های متحرک از یکدیگر جدا می‌کنند. یک پیکربندی معمولی تک‌پل، دوحالته، جریان را میان ترمینال‌های مشترک، نرمال‌باز و نرمال‌بسته هدایت می‌کند. با این حال، جریان‌های هجومی زیاد یا چرخه‌های سوئیچینگ بیش از حد می‌توانند این کنتاکت‌های فیزیکی را به یکدیگر جوش دهند. در صورت جوش‌خوردن کنتاکت، رله هنگام بی‌برق‌شدن نمی‌تواند سوئیچ کند و در زمان خاموش‌سازی اضطراری، شرایط عملیاتی خطرناکی ایجاد می‌شود.

کاهش خطر خرابی کنتاکت با کنتاکت‌های اجباری هدایت‌شده

رله‌های ایمنی با استفاده از مجموعه‌کنتاکت‌های مکانیکیِ به‌هم‌پیوسته و اجباری هدایت‌شده که در استاندارد IEC 61810-3 تعریف شده‌اند، خطر جوش‌خوردن کنتاکت‌ها را از بین می‌برند. این اتصال مکانیکی مانع بسته‌شدن هم‌زمان کنتاکت‌های نرمال‌باز و نرمال‌بسته می‌شود. در نتیجه، اگر یک کنتاکت نرمال‌باز در حالت بسته جوش بخورد، کنتاکت نرمال‌بسته هنگام بی‌برق‌شدن همچنان باز می‌ماند. مدارهای پایش داخلی این مغایرت موقعیت را تشخیص می‌دهند و برای تضمین عملکرد ایمن در برابر خرابی، فرمان‌های ریست بعدی را مسدود می‌کنند.

پیاده‌سازی تشخیص داخلی برای حفاظت منطبق با SIL

رله‌های ایمنی برای دستیابی به رتبه‌های SIL 3 (IEC 62061) و سطح عملکرد e (ISO 13849-1)، به‌طور پیوسته هر دو کانال ورودی و مسیرهای سوئیچینگ خروجی را خودپایش می‌کنند. ریزپردازنده داخلی، پالس‌های الکتریکی با فرکانس بالا تولید می‌کند تا سیم‌کشی میدانی را به‌طور مداوم آزمایش کند. این پالس‌های کوتاه تشخیصی، خطاهای اتصال متقاطع، اتصال کوتاه و نشت به زمین را بدون قطع کنتاکتورهای عملگر پایین‌دست شناسایی می‌کنند. در نتیجه، سیستم کنترل پیش از وقوع یک خطای خطرناک، فرسودگی سیم‌کشی میدانی را شناسایی می‌کند.

یکپارچه‌سازی تجهیزات ایمنی میدانی در سیستم‌های کنترل صنعتی

معماری‌های ایمنی عملکردی برای پایش اجزای حیاتی حفاظت از ماشین، به ماژول‌های رله اختصاصی نیاز دارند. رله‌های ایمنی سیگنال‌های دکمه‌های توقف اضطراری، پرده‌های نوری، کلیدهای اینترلاک ایمنی و ایستگاه‌های کنترل دو دستی را ارزیابی می‌کنند. افزون بر این، رابط‌های یکپارچه Ethernet و Modbus، داده‌های تله‌متری تشخیصی دقیق را به سیستم‌های کنترل PLC سطح بالاتر منتقل می‌کنند. این رویکرد ترکیبی، بررسی‌های ایمنی عملکردی را از منطق PLC استاندارد جدا می‌کند و در عین حال دید عملیاتی کاملی در اختیار اپراتورها قرار می‌دهد.

انجام ارزیابی‌های ریسک بر اساس دستورالعمل‌های ISO 12100

مهندسان باید پیش از انتخاب اجزای ایمنی، ارزیابی‌های جامع ریسک را مطابق استانداردهای ISO 12100 انجام دهند. PLCهای استاندارد منطق فرایند را به‌خوبی مدیریت می‌کنند، اما بدون سخت‌افزار ایمن در برابر خرابی و دارای گواهی، نمی‌توانند جایگزین رله‌های ایمنی اختصاصی شوند. بر اساس تجربه کاری من در راه‌اندازی خطوط بسته‌بندی خودکار، ترکیب رله‌های ایمنی با PLCهای ایمنی اختصاصی، حلقه‌های حفاظتی افزونه‌ای ایجاد می‌کند که زمان توقف اعلام‌نشده ناشی از خطاهای گذرای میدانی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

سناریوی کاربردی: مدار ایمنی پرس پانچ پرسرعت

در یک خط پانچ فلزی خودرو که با پرس هیدرولیکی 400 تنی کار می‌کرد، مهندسان یک ماژول رله ایمنی دوکاناله را با PLC مدل Siemens S7-1500 یکپارچه کردند:

• پایش دوگانه پرده‌های نوری: یک رله ایمنی PILZ PNOZ پرده‌های نوری فتوالکتریک را در ورودی پرس پایش می‌کرد. قطع‌شدن میدان نوری، سیم‌پیچ رله را ظرف 15 میلی‌ثانیه قطع می‌کرد و مستقیماً شیر ایمنی اصلی هیدرولیک را بی‌برق می‌ساخت.
• تشخیص جوش‌خوردگی کنتاکتورهای اصلی: کنتاکت‌های کمکی کنتاکتورهای اصلی موتور به حلقه ریست رله ایمنی متصل شده بودند. هنگامی که یکی از پل‌های کنتاکتور دچار خوردگی حرارتی می‌شد، رله ریست‌های دستی را مسدود می‌کرد و مانع آغاز کورس پرس با عناصر سوئیچینگ آسیب‌دیده می‌شد.
• بازخورد تشخیصی PLC: رله ایمنی وضعیت داخلی کانال خود را از طریق PROFINET به DCS منتقل می‌کرد. این قابلیت به کارکنان تعمیر و نگهداری اجازه می‌داد سیم قطع‌شده در کانال B را ظرف چند دقیقه شناسایی کنند و از ساعت‌ها عیب‌یابی دستی با مولتی‌متر بی‌نیاز شوند.

درباره نویسنده

چن جینگ مهندس ارشد سیستم‌های ایمنی است و بیش از 15 سال تجربه فنی در طراحی سیستم‌های کنترل دارای گواهی SIL، معماری‌های DCS و حلقه‌های حفاظتی توزیع برق برای صنایع تولید سنگین و تأسیسات فرایندی دارد. او دارای گواهی‌نامه‌های بین‌المللی در مهندسی ایمنی عملکردی است و به‌طور منظم در زمینه انطباق با ایمنی ماشین‌آلات و ارتقای اتوماسیون صنعتی مشاوره می‌دهد.