利用继电器模块提升功能安全

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 欧洲编辑

功能安全对当今的工业系统至关重要，即使在出现错误或故障时，也能保证机器和流程的安全运行。继电器模块通过提供可靠的电路调节机制，在确保功能安全方面发挥着关键作用。本文以 [Weidmüller] SAFESERIES 产品系列为重点，探讨了继电器模块在功能安全方面的重要性，重点介绍了继电器模块的基本特性，并提供了最优选择和使用指南。

符合功能安全要求

机电继电器通常用于以小功率信号控制大功率电路。它们起到开关的作用，根据输入信号的状态允许或阻止电流通过。继电器模块用于功能安全应用，以确保关键安全功能的可靠执行，并将潜在危险降至最低。在功能安全应用中，继电器模块的几个最重要方面如下：

• 冗余：冗余是功能安全的基本原则之一，要求多个独立元器件执行相同的安全关键功能。继电器模块通常采用冗余配置，以确保即使一个继电器发生故障，系统也能继续安全运行。
• 故障安全设计：继电器模块通常设计为故障安全状态；如果继电器发生故障或断电，它会默认设置为确保系统安全的状态。例如，机器紧急停止调控电路中的继电器发生故障时，将导致立即停机。
• 诊断和监控：这些功能集成在先进的继电器模块中，使系统能够检测继电器中的缺陷或故障，并启动适当的响应，如故障报警或切换到冗余继电器。
• 可靠性和坚固性：继电器模块以其耐用性和可靠性而闻名。它们可以承受极端的环境条件、温度波动和机械应力，因此适合在要求苛刻的工业环境中使用。
• 低延迟：在安全关键型应用中，响应时间至关重要。在需要快速响应时间以确保人员和设备安全的应用中，继电器模块是首选。

在功能安全应用中实施继电器模块时，必须考虑几个因素，首先是要符合标准。这可确保功能安全应用中使用的继电器模块符合相关安全标准和认证。

针对基本型机电继电器，欧洲电工标准化委员会 (CENELEC) 制定了 EN 61810 系列标准。该系列包括多项标准，每项标准专为特定的继电器品种和应用量身打造。EN 61810-3 就是这些标准之一，其 A 型具有特别重要的意义。

安全继电器

EN 61810-3 A 型标准适用于一类基本型继电器，它们采用特定设计和构造技术，以确保常开 (NO) 触头不能与常闭 (NC) 触头处于同一位置。这些继电器专门配备了符合标准的强制导向触头，可用于自我监控和安全相关控制系统。

强制导向触头采用机械连锁，以确保 NC 开放触头和 NO 闭合触头在出现电弧导致触头微熔接（“继电器粘连”）等情况时不会同时闭合。

这种安全机制的一个实例如图 1 所示，参考了一款具有 3 个 NO 触头和 1 个 NC 触头的 Weidmüller 安全继电器模块。如图所示，所有的电极都通过一根横杆机械连接在一起，以防独立移动。

如果 NC 触头发生熔接，则在继电器通电期间，任何 NO 触头都无法闭合。同样，如果任何一个 NO 触头发生熔接，则在继电器断电期间，NC 触头就无法闭合。与特殊电路相结合，可以检测到开路中的故障。这是确保人员和机器最大安全性的最可靠方法。

图 1：Weidmüller 安全继电器模块示意图。（来源：Weidmüller）

安全继电器可在机器和系统上可靠地执行安全功能，监控紧急停止按钮信号、光幕、安全门开关等。工厂发生紧急情况时需要快速反应。打开警报器、警示灯或冷却系统时，应使用“通电至安全状态”(ETS) 方案，而关闭电机或紧急停止阀时，则应遵循“断电至安全状态”(DTS) 程序。使用带冗余触头的继电器，可确保安全相关应用的启用和停用符合 IEC62061 和 SIL 3 标准。

不符合安全标准的开关继电器在多次使用后其金属触头可能会发生熔接。即使操作员点击了紧急停止按钮，机器也会以不安全的模式继续运行。这对操作员和机器都有风险。根据国家和国际安全要求，未经安全认证的继电器不能用于有潜在危险的机械或装置。

由于安全性和可靠性的提高，带有正向驱动触头的继电器越来越受欢迎。带有正向驱动触头的继电器模块采用冗余电路和机构作为其主要技术。这些冗余功能旨在确保即使控制电路或继电器本身发生故障，继电器仍能保持安全状态。这种冗余对于安全性和可靠性要求较高的应用来说至关重要。

这些继电器模块的可靠性和安全性使其适用于各种应用，例如：

• 工业自动化
• 医疗设备
• 发电和配电
• 电信设施
• 运输

在这类继电器中，主触头和辅助触头机械连接，辅助触头的位置可用于确定电源电路中主触头的位置。因此，即使触头线圈已断电，也可以确定触头是否仍处于闭合状态（由于触头粘连）。如果电源极触头发生熔接，当线圈断电时，机械连接会阻止打开的辅助触头闭合。

Weidmüller SAFESERIES 继电器模块

在电气工程领域，安全性和可靠性至关重要。对精度和可靠性的执着追求造就了 Weidmüller 带有正向驱动触头的可插拔继电器模块等先进元器件的诞生。这些创新的继电器模块代表了技术上的重大进步，在各种应用中提供了更高的安全性、能效和灵活性。

这些继电器模块的核心采用了确保触头正向驱动的技术，这意味着它们能以受控和可靠的方式在打开和闭合状态之间切换。无论继电器或控制电路是否发生故障，这一机制都能排除触头意外动作的可能性。因此，这样的继电器可以在不牺牲性能的前提下优先保证安全性。

Weidmüller 的 SAFESERIES 触头扩展符合 EN 61810-3 A 型标准，包括具有强制导向触头的继电器。正因为如此，它们特别适用于在涉及人员和机器安全的应用中进行信号监测。

SAFESERIES 系列由四款独立的可插拔继电器组成，配有匹配的螺纹插口，触头型号如下：

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

如果设计符合 EN/ISO 13849-1 标准，就有可能实现应用最高性能级别 PL“e”级。该基本元器件还可用于符合 IEC/EN 62061 标准的安全应用，实现 SIL 3 级安全完整性。

图 2 所示为 Weidmüller [2759070000]安全继电器模块，封装在适合 DIN 导轨应用的组件中。这是一款 4 位通用继电器，带有 3 个 NO 触头和 1 个 NC 触头，线圈电压为 24 VDC ±10%。该器件可通过额定开关电压 250 VAC 的 20 mA 额定直流电流线圈和额定连续电流 6 A 的 AgSnO 镀金触头通电。在负载侧，最大开关电压为 400 VAC 和 250 V DC 。如图 1 中的示意图所示，继电器集成了一个状态指示灯（绿色 LED）和一个用于保护的续流二极管。打开和关闭的延迟时间小于 20 ms，器件寿命为 10 x 10^6^ 次开关循环。

图 2：Weidmüller 2759070000 SAFESERIES 继电器模块。（来源：DigiKey）

SAFESERIES 的另一款产品 [2759030000]小型工业继电器如图 3 所示。这款带有强制导向触头的继电器有 3 个 NO 触头和 1 个 NC 触头，适合通用用途，采用通孔安装。

图 3：Weidmüller 2759030000 SAFESERIES 继电器模块。（来源：DigiKey）

总结

继电器模块是功能安全系统中的重要元器件，因为它们能确保可靠的控制并执行重要任务。由于其坚固性、故障安全设计以及冗余兼容性，它们经常被用于最高安全性要求的应用中。继电器模块只要使用得当并符合适用标准，就能为工业和汽车系统的整体安全性和可靠性做出重大贡献。随着技术的进步，继电器模块不断发展壮大，增加了越来越多的复杂功能，以满足日益增长的功能安全要求。