Les relais de sécurité constituent la pierre angulaire de la sécurité fonctionnelle dans l’automatisation moderne des usines, en prévenant les défaillances catastrophiques des équipements et en protégeant le personnel du site. Alors que les relais électromécaniques standard assurent la commutation élémentaire des charges, ils ne disposent pas des fonctions de diagnostic redondantes requises dans les environnements industriels à haut risque. Les plateformes modernes d’automatisation industrielle, notamment les automates programmables industriels (PLC) et les systèmes de contrôle distribué (DCS), s’appuient sur des relais de sécurité spécialisés pour surveiller les dispositifs de terrain et isoler instantanément les dangers.

Comprendre les limites structurelles des relais électromécaniques standard

Les relais électromécaniques standard séparent les circuits de commande au moyen de bobines magnétiques et de contacts mobiles. Une configuration unipolaire à deux directions classique achemine le courant entre les bornes commune, normalement ouverte et normalement fermée. Cependant, des courants d’appel élevés ou des cycles de commutation excessifs peuvent souder ces contacts physiques entre eux. Lorsqu’un contact se soude, le relais ne commute plus lors de sa mise hors tension, créant des conditions de fonctionnement dangereuses pendant les arrêts d’urgence.

Atténuer les risques de défaillance des contacts grâce aux contacts à guidage forcé

Les relais de sécurité éliminent les risques de soudage des contacts grâce à des jeux de contacts mécaniquement liés et à guidage forcé, définis par la norme IEC 61810-3. Cette liaison mécanique empêche les contacts normalement ouverts et normalement fermés de se fermer simultanément. Par conséquent, si un contact normalement ouvert reste soudé en position fermée, le contact normalement fermé demeure ouvert lorsque le relais est hors tension. Les circuits de surveillance internes détectent cette incohérence de position et bloquent les commandes de réinitialisation ultérieures afin de garantir un fonctionnement à sécurité positive.

Mettre en œuvre des diagnostics internes pour une protection conforme au SIL

Les relais de sécurité effectuent une autosurveillance continue des deux canaux d’entrée et des voies de commutation de sortie afin d’atteindre les niveaux SIL 3 (IEC 62061) et PL e (ISO 13849-1). Le microprocesseur interne émet des impulsions électriques haute fréquence pour tester en continu le câblage de terrain. Ces brèves impulsions de diagnostic détectent les défauts de croisement entre circuits, les courts-circuits et les fuites à la terre sans désactiver les contacteurs d’actionnement en aval. Ainsi, le système de commande identifie la dégradation du câblage de terrain avant qu’un défaut dangereux ne survienne.

Intégrer les dispositifs de sécurité de terrain aux systèmes de commande industriels

Les architectures de sécurité fonctionnelle nécessitent des modules de relais dédiés pour surveiller les composants de terrain essentiels à la protection des machines. Les relais de sécurité évaluent les signaux provenant des boutons d’arrêt d’urgence, des barrières immatérielles, des interrupteurs de verrouillage de sécurité et des commandes bimanuelles. En outre, les interfaces Ethernet et Modbus intégrées transmettent des données de diagnostic détaillées aux systèmes de commande PLC de niveau supérieur. Cette approche hybride décharge la logique standard des PLC des contrôles de sécurité fonctionnelle tout en offrant aux opérateurs une visibilité complète sur le fonctionnement.

Réaliser des évaluations des risques conformément aux directives de l’ISO 12100

Les ingénieurs doivent réaliser des évaluations complètes des risques conformément aux normes ISO 12100 avant de sélectionner les composants de sécurité. Les PLC standard gèrent efficacement la logique de processus, mais ils ne peuvent pas remplacer des relais de sécurité dédiés sans matériel certifié à sécurité intégrée. D’après mon expérience de mise en service de lignes d’emballage automatisées, l’association de relais de sécurité et de PLC de sécurité dédiés crée des boucles de protection redondantes qui réduisent considérablement les arrêts imprévus causés par des erreurs transitoires sur le terrain.

Scénario d’application pratique : circuit de sécurité d’une presse d’emboutissage à grande vitesse

Sur une ligne d’emboutissage de métaux automobile équipée d’une presse hydraulique de 400 tonnes, les ingénieurs ont intégré un module de relais de sécurité à double canal à un PLC Siemens S7-1500 :

• Surveillance de deux barrières immatérielles : Un relais de sécurité PILZ PNOZ surveillait les barrières immatérielles photoélectriques à l’entrée de la presse. L’interruption du faisceau lumineux interrompait la bobine du relais en moins de 15 millisecondes, mettant directement hors tension la vanne hydraulique principale de sécurité.
• Détection du soudage des contacteurs principaux : Les contacts auxiliaires des contacteurs du moteur principal étaient raccordés à la boucle de réinitialisation du relais de sécurité. Lorsqu’un pôle de contacteur présentait une piqûration thermique, le relais bloquait les réinitialisations manuelles, empêchant la presse d’entamer une course avec des éléments de commutation endommagés.
• Retour de diagnostic vers le PLC : Le relais de sécurité communiquait l’état de ses canaux internes au DCS via PROFINET. Le personnel de maintenance pouvait ainsi localiser en quelques minutes la rupture d’un fil de terrain sur le canal B, évitant des heures de dépannage manuel au multimètre.

À propos de l’auteur

Chen Jing est ingénieure principale en systèmes de sécurité et possède plus de 15 ans d’expérience technique dans la conception de systèmes de commande certifiés SIL, d’architectures DCS et de boucles de protection de la distribution électrique pour des installations de fabrication lourde et de production industrielle. Elle détient des certifications internationales en ingénierie de la sécurité fonctionnelle et conseille régulièrement les entreprises sur la conformité à la sécurité des machines et la modernisation de l’automatisation industrielle.