Wie man mit sicherheitsbewerteten Schützen optimale industrielle Sicherheitslösungen realisiert

Sicherheitsschütze werden in industriellen Anwendungen benötigt, um sicherzustellen, dass Maschinen und Anlagen zuverlässig und vorhersehbar in einen sicheren Zustand geschaltet werden können, häufig im Falle eines Betriebsfehlers oder der Anforderung einer Sicherheitsfunktion. Der Ausgangspunkt bei der Entwicklung industrieller Sicherheitssysteme ist die Feststellung, ob die Anwendung Sicherheitsintegritätsstufen (SIL) bis zu SIL 2 gemäß IEC 62061 und/oder Performance Level (PL) c gemäß ISO 13849 erfordert. Einige Anwendungen erfordern ein höheres Maß an Sicherheit.

Beachten Sie die Richtlinien in IEC 60947-4-1, die sich auf die Entwicklung und Prüfung von Niederspannungsschaltern und -steuergeräten konzentrieren, und ISO 13849-1, die allgemeine Grundsätze für die Entwicklung und Integration von sicherheitsrelevanten Teilen von Steuerungssystemen, einschließlich Hardware und Software, enthält.

Dieser Artikel zeigt, wie Sicherheitssysteme unter Verwendung der Sicherheitsschütze 3RT2 von Siemens mit ausfallsicherem Betrieb konzipiert werden können, um optimale industrielle Sicherheitslösungen zu realisieren. Darüber hinaus werden das Erreichen höherer SIL- und PL-Stufen sowie Fragen der Systemintegration, wie z. B. das Wärmemanagement von Schützen, behandelt. Abschließend wird erläutert, wie eine Sicherheitslösung mit Zubehör wie redundanten Verbindungen, Überspannungsschutz, Funktionsmodulen usw. angepasst werden kann, um die Anwendung und die Sicherheit weiter zu optimieren.

3RT2-Schütze sind mit konventionellen und Halbleiterschaltern in den Größen S00 bis S2 für Leistungen bis zu 37 kW erhältlich. Für Schütze mit einem Halbleitermechanismus ist eine optionale Restlebensdaueranzeige verfügbar.

Diese Schütze erfüllen die Anforderungen der IEC 60947-4-1 Kategorie AC-3e für den Einsatz mit hocheffizienten IE3- oder IE4-Motoren. Sie verfügen über eine Vielzahl von Hilfsausgangskonfigurationen, einschließlich normalerweise offener (NO, Schließer) und normalerweise geschlossener (NC, Öffner) Kontakte, die verwendet werden können, um Feedback darüber zu geben, ob der Hauptstromkreis ein- oder ausgeschaltet ist. Feedback kann zur Auslösung von Kontrollleuchten, Alarmen oder anderen Kontrollgeräten verwendet werden. Beispiele für 3RT2-Schütze sind die folgenden:

• 3RT20152AP611AA0 - Größe S00, ausgelegt für 7 A, 3 kW / 400 V, 3-polig, 220 V_AC 50 Hz / 240 V_AC 60 Hz, Hilfskontakte: 1 Schließer, mit Federkraftklemmen
• 3RT20231AK60 - Größe S0, ausgelegt für 9 A, 4 kW / 400 V, 3-polig, 110 V_AC 50 Hz / 120 V_AC 60 Hz, Hilfskontakte: 1 Schließer + 1 Öffner, Schraubklemmen (Abbildung 1)
• 3RT20281AN20 - Größe S0, ausgelegt für 38 A, 18,5 kW / 400 V, 3-polig, 220 V_AC, 50/60 Hz, Hilfskontakte: 1 Schließer + 1 Öffner, Schraubklemmen
• 3RT20371KB40 - Größe S2, ausgelegt für 65 A, 30 kW / 400 V, 3-polig, 24 V_DC, mit integriertem Varistor, Hilfskontakte: 1 Schließer + 1 Öffner, Schraubklemmen
• 3RT20371SF30 - Größe S2 mit F-PCL-IN-Eingang, ausgelegt für 65 A, 30 kW / 400 V, 3-polig, 83 V_AC bis 150 V_AC/V_DC, 50/60 Hz, mit integriertem Varistor, Hilfskontakte: 1 Öffner, Schraubklemmen

Bild 1: Dieses Schütz der Größe S0 hat eine Leistung von 4 kW und verfügt über einen Öffner- und einen Schließer-Hilfsausgang. (Bildquelle: Siemens)

Reaktionszeit ist entscheidend für die Sicherheit

Bei der Entwicklung von industriellen Sicherheitslösungen ist es wichtig, die Auswirkungen der allgemeinen Reaktionszeit zu verstehen. Sie besteht aus mehreren Parametern. Bei der Durchführung einer Risikobewertung wird die Reaktionszeit als die Gesamtzeit definiert, innerhalb der jede gefährliche Bewegung im Falle einer Sicherheitsanforderung gestoppt werden muss. Einige der Faktoren, die die Reaktionszeit beeinflussen, sind:

• Eingangsreaktionszeit der Sensoren in der Sicherheitsüberwachungseinheit
• Zykluszeit des Sicherheitsprogramms
• Verzögerungszeit aus den Kommunikationsprotokollen
• Nachlaufzeit aufgrund der Trägheit des Motors oder des Stellantriebs
• Ausschaltzeit des Schützes

Die Ausschaltzeit für elektromechanische Schütze und Motorstarter ist in der IEC 60947-4-1 geregelt. In der Norm werden Anforderungen an die sichere Abschaltung von Strömen unter verschiedenen Betriebsbedingungen festgelegt.

Außerdem werden Nutzungskategorien definiert, die die Art der Last und die Betriebsbedingungen des Schützes klassifizieren, wie AC-3e für Motoren mit hohem Wirkungsgrad. Die Norm enthält Verfahren zur Prüfung der Ausschaltzeit und anderer Leistungsmerkmale von Schützen.

Die Ausschaltzeit eines Schützes ist ein kritischer Parameter in Sicherheitssystemen. Sie ist definiert als die Zeit, die vom Abschalten der Spulenspannung bis zum Öffnen der Hauptkontakte vergeht, einschließlich der Öffnungsverzögerung (OD) und der Kontaktüberschlagszeit (AT).

Bei Verwendung eines Schützes mit dem in Abbildung 2 dargestellten Schaltverhalten liegt die Unterbrechungszeit OD + AT beispielsweise zwischen 50 und 75 ms. Bei der Berechnung der Gesamtreaktionszeit müssen immer die ungünstigsten Werte berücksichtigt werden - in diesem Fall 75 ms (Abbildung 2).

Abbildung 2: In diesem Beispiel würde die Gesamtunterbrechungszeit für die Hauptkontakte (OD + AT) mit 75 ms angegeben, was dem ungünstigsten Fall entspricht. (Bildquelle: Siemens)

Welches Sicherheitsniveau ist erforderlich?

SIL-2- und PL-c-Ausführungen konzentrieren sich auf Systeme, bei denen Ausfälle zu erheblichen Schäden führen könnten, während SIL-3- und PL-e-Ausführungen für Systeme gelten, bei denen Ausfälle katastrophale Folgen haben könnten. SIL-3- und PL-e-Systeme sind komplexer und erfordern mehr Know-how, Integration und Wartung. SIL-2- und -3-Systeme sowie PL-c- und -e-Systeme sind alle sehr zuverlässig. SIL-3- und PL-e-Systeme sind jedoch für eine noch höhere Zuverlässigkeit ausgelegt und verfügen über Redundanz- und Ausfallsicherungsmechanismen, um potenzielle Ausfälle abzufedern.

Die Verwendung von Sicherheitsschützen ist der Schlüssel für einfachere und kostengünstigere Sicherheitslösungen. Diese Schütze verfügen über einen speziellen Sicherheitseingang (F-PLC-IN), um sicherzustellen, dass sie im Falle einer Störung, wie z. B. einem Stromausfall oder einem Steuersignalfehler, in einen sicheren Zustand übergehen.

Der F-PLC-IN-Eingang ermöglicht den direkten Anschluss an eine ausfallsichere Steuerung (F-DQ) und damit die Implementierung von Sicherheitsfunktionen wie Not-Aus oder Verriegelungen. Durch die Verwendung des F-PLC-IN-Eingangs werden mehrere externe Komponenten wie Koppelrelais und eine spezielle Steuerung (DQ) für das Schütz überflüssig.

Mit den sicherheitsbewerteten 3RT2-Schützen können Systeme so ausgelegt werden, dass sie die Anforderungen von SIL 2 oder PL c mit nur einem Schütz und SIL 3 oder PL e mit zwei Schützen in einer redundanten Reihenkonfiguration erfüllen. Die daraus resultierende Vereinfachung des Systems kann die Zuverlässigkeit erhöhen und die Kosten des Sicherheitssystems senken (Abbildung 3).

Bild 3: Der Einsatz von 3RT2-Sicherheitsschützen (unten) ermöglicht ein höheres Sicherheitsniveau mit weniger Bauteilen im Vergleich zu nicht-sicherheitsbewerteten Schützen (oben). (Bildquelle: Siemens)

Das kostenlose Sicherheits-Evaluierungstool (SET) von Siemens für IEC 62061 und ISO 13849-1 ist TÜV-geprüft. Das SET beinhaltet eine schrittweise Evaluierung und Entwicklung von Sicherheitssystemen, die eine schnelle und einfache Bewertung der Sicherheitsfunktionen einer Maschine ermöglicht. Mit SET kann auf einfache Weise ein Bericht in Übereinstimmung mit der gewählten Norm erstellt werden, der als Sicherheitsnachweis in die Dokumentation integriert werden kann.

Überlegungen zum Wärmemanagement

Wie bei jedem anderen Stromversorgungsgerät muss der Entwickler beim Einsatz von 3RT2-Schützen die Wärmeentwicklung berücksichtigen. Da es sich um hocheffiziente Geräte handelt, entsteht zwar nicht viel, aber doch etwas Wärme. Das Modell 3RT20371KB40 zum Beispiel ist für Lasten bis zu 30 kW ausgelegt und erzeugt eine Verlustleistung von bis zu 11 W.

Die Grundausführung der 3RT2-Schütze ist für die parallele Montage und den Betrieb bei Umgebungstemperaturen von -25°C bis +60°C mit natürlicher Konvektionskühlung geeignet. Einige dieser Schütze können bei Temperaturen von bis zu +80°C unter bestimmten Betriebsbeschränkungen eingesetzt werden.

Zwischen +60°C und +70°C können diese Schütze bei entsprechender Strom- und Schalthäufigkeitsreduzierung (Schaltzyklen pro Stunde) im Dauerbetrieb eingesetzt werden. Darüber hinaus kann ein Abstand von 10 mm erforderlich sein, um eine bessere Wärmeableitung bei nebeneinanderliegender Montage zu gewährleisten.

3RT2-Schütze können bis zu eine Stunde bei einer Umgebungstemperatur zwischen +70°C und +80°C mit zusätzlicher Leistungsminderung betrieben werden. Die durchschnittliche Umgebungstemperatur darf jedoch in keinem 24-Stunden-Zeitraum +60°C überschreiten.

Diese erweiterten Temperaturempfehlungen gelten nur für Schütze, die keine elektronischen Bauteile enthalten. Es wird empfohlen, Schütze mit integrierter Elektronik nur bis zu +60°C zu verwenden, um eine maximale Lebensdauer zu gewährleisten.

Bei Bedarf können die Schütze S00 und S0 ohne Elektronik bei einer minimalen Umgebungstemperatur von -50°C eingesetzt werden, wenn keine Kondensation auftritt, aber die mechanische Lebensdauer wird um bis zu 50% reduziert. Die übrigen Leistungsmerkmale bleiben unverändert. Schütze mit integrierter Elektronik oder solche, die mit elektronischem Zubehör verwendet werden, dürfen nicht bei Temperaturen unter -40°C eingesetzt werden.

Zubehör für die individuelle Anpassung der Sicherheitslösung

Die Schütze sind zwar das Herzstück des Systems, aber für eine optimale Sicherheitslösung müssen sie oft durch Zubehör ergänzt werden. Für die 3RT2-Schütze der Baugröße S00 gibt es beispielsweise zahlreiche Optionen wie Hilfskontakte, Hilfsschalter, intelligente Verbindungsmodule, Überspannungsschutzkomponenten, EMV-Schutzkomponenten und vieles mehr (Abbildung 4).

Bild 4: Die große Vielfalt an verfügbarem Zubehör unterstützt die individuelle Anpassung von Sicherheitsanwendungen. (Bildquelle: Siemens)

Beginnen Sie mit dem Kabelsatz 3RA29132AA1 (Teile ⑯, ⑰ und ⑱ in Abbildung 4). Es verfügt über Schraubklemmen für den Anschluss von Drähten und ein mechanisches Verriegelungssystem, das eine robuste elektrische und mechanische Performance gewährleistet.

Wenn eine Anwendung eine Reihenschaltung von zwei Schützen erfordert, um SIL 3 oder PL e Sicherheit zu erreichen, fügen Sie den Sicherheitsreihenverbinder (⑮) 3RA29261A hinzu. Durch Hinzufügen eines Verriegelungsblocks wie dem 3RT29263AB31 (nicht abgebildet) kann das Schütz auch nach dem Wegfall des anfänglichen Stromimpulses in seinem erregten (eingeschalteten) Zustand verbleiben, was die Sicherheit in einigen Anwendungen weiter erhöhen kann.

Funktionsblöcke können hinzugefügt werden, um das Schütz mit dem Steuersystem zu verbinden. Das Funktionsmodul 3RA27111AA00 (⑧) kann eine IO-Link-Verbindung ermöglichen. Das Modul 3RA27122AA00 (⑦) fügt ein AS-Interface hinzu, das mit übergeordneten Feldbussen wie PROFINET verbunden werden kann. Funktionsbausteine wie der 3RA28132FW10 (⑥) können für Regelungsaufgaben wie Direktstart, Reversierstart und Stern-Dreieck-Start (Stern-Dreieck) eingesetzt werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, Hilfsschalterblöcke mit kleineren Kontakten hinzuzufügen, um Funktionen wie Verriegelung, Sequenzierung und Überwachung des Status des Hauptauftragnehmers zu realisieren. Die Hilfskontakte sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, wie z.B. seitliche oder frontseitige Montage, mit NO oder NC Kontakten und verschiedenen Polzahlen. Beispielsweise ist der 3RH29111DA02 (②) ein zweipoliges, seitlich montiertes Modell und 3RH29111NF02 (④) eine zweipolige, frontmontierte Konfiguration.

Um die Systemleistung zu verbessern, fügen Sie ein EMV-Entstörmodul wie das 3RT29161PA2 (nicht abgebildet) hinzu, das mit RC-Gliedern Spannungsspitzen unterdrückt, insbesondere beim Abschalten von induktiven Lasten wie Motoren, um Spulenschäden zu vermeiden und elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Ein Überspannungsschutz wie der 3RT29261CD00 (⑨) kann die Spule mit Hilfe eines Varistors schützen, der hohe Spannungsspitzen absorbiert, die auftreten, wenn die Spule stromlos ist.

Fazit

Die 3RT2-Serie von Siemens ist in den Größen S00 bis S2 erhältlich und kann bis zu 37 kW leisten. Diese sicherheitsbewerteten Schütze ermöglichen die Entwicklung von Sicherheitssystemen mit Einstufungen von SIL 2 und PL c bis hin zu SIL 3 und PL e. Zahlreiche Zubehörteile wie intelligente Verbindungsmodule, Hilfskontakte, Hilfsschalter, Überspannungsschutzkomponenten, EMV-Schutzkomponenten und vieles mehr sind für weitere Design- und Performanceverbesserungen erhältlich.

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