作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

功能安全對當今的工業系統至關重要，即使在出現錯誤或故障時，也能保證機器和流程的安全運行。繼電器模塊通過提供可靠的電路調節機制，在確保功能安全方面發揮著關鍵作用。本文以 [Weidmüller] SAFESERIES 產品系列為重點，探討了繼電器模塊在功能安全方面的重要性，重點介紹了繼電器模塊的基本特性，并提供了最優選擇和使用指南。

符合功能安全要求

機電繼電器通常用于以小功率信號控制大功率電路。它們起到開關的作用，根據輸入信號的狀態允許或阻止電流通過。繼電器模塊用于功能安全應用，以確保關鍵安全功能的可靠執行，并將潛在危險降至最低。在功能安全應用中，繼電器模塊的幾個最重要方面如下：

• 冗余：冗余是功能安全的基本原則之一，要求多個獨立元器件執行相同的安全關鍵功能。繼電器模塊通常采用冗余配置，以確保即使一個繼電器發生故障，系統也能繼續安全運行。
• 故障安全設計：繼電器模塊通常設計為故障安全狀態；如果繼電器發生故障或斷電，它會默認設置為確保系統安全的狀態。例如，機器緊急停止調控電路中的繼電器發生故障時，將導致立即停機。
• 診斷和監控：這些功能集成在先進的繼電器模塊中，使系統能夠檢測繼電器中的缺陷或故障，并啟動適當的響應，如故障報警或切換到冗余繼電器。
• 可靠性和堅固性：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境條件、溫度波動和機械應力，因此適合在要求苛刻的工業環境中使用。
• 低延遲：在安全關鍵型應用中，響應時間至關重要。在需要快速響應時間以確保人員和設備安全的應用中，繼電器模塊是首選。

在功能安全應用中實施繼電器模塊時，必須考慮幾個因素，首先是要符合標準。這可確保功能安全應用中使用的繼電器模塊符合相關安全標準和認證。

針對基本型機電繼電器，歐洲電工標準化委員會 (CENELEC) 制定了 EN 61810 系列標準。該系列包括多項標準，每項標準專為特定的繼電器品種和應用量身打造。EN 61810-3 就是這些標準之一，其 A 型具有特別重要的意義。

安全繼電器

EN 61810-3 A 型標準適用于一類基本型繼電器，它們采用特定設計和構造技術，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準的強制導向觸頭，可用于自我監控和安全相關控制系統。

強制導向觸頭采用機械連鎖，以確保 NC 開放觸頭和 NO 閉合觸頭在出現電弧導致觸頭微熔接（“繼電器粘連”）等情況時不會同時閉合。

這種安全機制的一個實例如圖 1 所示，參考了一款具有 3 個 NO 觸頭和 1 個 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械連接在一起，以防獨立移動。

如果 NC 觸頭發生熔接，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 NO 觸頭發生熔接，則在繼電器斷電期間，NC 觸頭就無法閉合。與特殊電路相結合，可以檢測到開路中的故障。這是確保人員和機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）

安全繼電器可在機器和系統上可靠地執行安全功能，監控緊急停止按鈕信號、光幕、安全門開關等。工廠發生緊急情況時需要快速反應。打開警報器、警示燈或冷卻系統時，應使用“通電至安全狀態”(ETS) 方案，而關閉電機或緊急停止閥時，則應遵循“斷電至安全狀態”(DTS) 程序。使用帶冗余觸頭的繼電器，可確保安全相關應用的啟用和停用符合 IEC62061 和 SIL 3 標準。

不符合安全標準的開關繼電器在多次使用后其金屬觸頭可能會發生熔接。即使操作員點擊了緊急停止按鈕，機器也會以不安全的模式繼續運行。這對操作員和機器都有風險。根據國家和國際安全要求，未經安全認證的繼電器不能用于有潛在危險的機械或裝置。

由于安全性和可靠性的提高，帶有正向驅動觸頭的繼電器越來越受歡迎。帶有正向驅動觸頭的繼電器模塊采用冗余電路和機構作為其主要技術。這些冗余功能旨在確保即使控制電路或繼電器本身發生故障，繼電器仍能保持安全狀態。這種冗余對于安全性和可靠性要求較高的應用來說至關重要。

這些繼電器模塊的可靠性和安全性使其適用于各種應用，例如：

• 工業自動化
• 醫療設備
• 發電和配電
• 電信設施
• 運輸

在這類繼電器中，主觸頭和輔助觸頭機械連接，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（由于觸頭粘連）。如果電源極觸頭發生熔接，當線圈斷電時，機械連接會阻止打開的輔助觸頭閉合。

Weidmüller SAFESERIES 繼電器模塊

在電氣工程領域，安全性和可靠性至關重要。對精度和可靠性的執著追求造就了 Weidmüller 帶有正向驅動觸頭的可插拔繼電器模塊等先進元器件的誕生。這些創新的繼電器模塊代表了技術上的重大進步，在各種應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動的技術，這意味著它們能以受控和可靠的方式在打開和閉合狀態之間切換。無論繼電器或控制電路是否發生故障，這一機制都能排除觸頭意外動作的可能性。因此，這樣的繼電器可以在不犧牲性能的前提下優先保證安全性。

Weidmüller 的 SAFESERIES 觸頭擴展符合 EN 61810-3 A 型標準，包括具有強制導向觸頭的繼電器。正因為如此，它們特別適用于在涉及人員和機器安全的應用中進行信號監測。

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

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

如果設計符合 EN/ISO 13849-1 標準，就有可能實現應用最高性能級別 PL“e”級。該基本元器件還可用于符合 IEC/EN 62061 標準的安全應用，實現 SIL 3 級安全完整性。

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

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

SAFESERIES 的另一款產品 [2759030000]小型工業繼電器如圖 3 所示。這款帶有強制導向觸頭的繼電器有 3 個 NO 觸頭和 1 個 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

繼電器模塊是功能安全系統中的重要元器件，因為它們能確保可靠的控制并執行重要任務。由于其堅固性、故障安全設計以及冗余兼容性，它們經常被用于最高安全性要求的應用中。繼電器模塊只要使用得當并符合適用標準，就能為工業和汽車系統的整體安全性和可靠性做出重大貢獻。隨著技術的進步，繼電器模塊不斷發展壯大，增加了越來越多的復雜功能，以滿足日益增長的功能安全要求。