Migliorare la sicurezza e aumentare la disponibilità nelle fabbriche Impresa 4.0

Quando si progettano linee di produzione per Impresa 4.0, la sicurezza è fondamentale. Ad esempio, sottosistemi come motori e azionamenti devono spesso soddisfare il livello di integrità della sicurezza (SIL) 2 della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) 62061 e il livello di prestazione (PL) "c" dell'Organizzazione per gli standard internazionali (ISO) 13849-1. Per soddisfare questi requisiti, è generalmente possibile utilizzare i contattori per collegare e scollegare in sicurezza i motori. Per i piccoli motori con potenza nominale inferiore a 55 kW, i contattori standard possono essere un approccio semplice ed economico.

Come molti di noi sanno, soddisfare i requisiti di sicurezza IEC e ISO per i motori a livelli di potenza più elevati diventa complesso e costoso a causa della necessità di dispositivi di accoppiamento tra il motore e i contattori standard. La buona notizia è che sono disponibili contattori potenziati con sicurezza intrinseca integrata collegabili direttamente a motori con potenza nominale compresa tra 55 e 250 kW, riducendo così i costi del sistema e il numero di componenti e migliorando l'affidabilità.

Esaminiamo brevemente un'architettura semplificata che utilizza contattori a sicurezza intrinseca per motori da 55 a 250 kW portando in esempio gli innovativi contattori di sicurezza di Siemens. Per concludere, saranno discusse alcune delle sfide associate all'utilizzo degli standard del Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) e dell'Associazione tedesca per la costruzione di macchine e impianti per la quantificazione delle prestazioni dei contattori classificati per la sicurezza.

Semplificazione con contattori di sicurezza

I contattori per livelli di potenza fino a circa 55 kW possono essere collegati direttamente alle uscite di controller a sicurezza intrinseca e relè di sicurezza per soddisfare i requisiti delle applicazioni di sicurezza. Le uscite di questi controller a sicurezza intrinseca e relè di sicurezza sono generalmente limitate a 5 A o meno a 24 V c.c. Dal momento che non offrono la potenza necessaria per controllare i contattori ad alta potenza, per aumentare la potenza dell'azionamento è necessario un dispositivo di accoppiamento tra il controller o il relè di sicurezza e il contattore standard. Questi dispositivi di accoppiamento aggiungono costi, complessità e spazio.

Per risolvere questo problema, Siemens ha sviluppato un approccio innovativo che utilizza contattori con un ingresso di controllo a sicurezza intrinseca oltre alla bobina di comando standard. L'ingresso di controllo a sicurezza intrinseca è progettato per funzionare con una corrente di attuazione di circa 5 mA a 24 V c.c., rispetto ai 5 A o più a 24 V c.c. necessari per i contattori convenzionali. Ciò significa che è possibile pilotare i contattori direttamente dai relè di sicurezza e dai controller a sicurezza intrinseca.

Anche se il contattore a sicurezza intrinseca è controllato dall'ingresso di controllo a sicurezza intrinseca, la bobina del contattore è collegata in modo permanente alla tensione di alimentazione per garantire un funzionamento affidabile (Figura 1).

Figura 1: I contattori convenzionali (a sinistra) richiedono dispositivi di accoppiamento (le due caselle blu in alto a destra) che non sono necessari quando si utilizzano contattori a sicurezza intrinseca (a destra). (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Funzionamento a sicurezza intrinseca

Siemens offre la gamma di prodotti Sirius, opzioni di controllo modulari innovative, tra cui contattori con c.a./c.c. convenzionale e funzionamento di controllo a sicurezza intrinseca integrato. Il meccanismo di azionamento a sicurezza intrinseca può essere opzionalmente dotato di un segnale di vita utile residua (RLT) che indica lo stato di usura dei contatti. Ciò consente la manutenzione preventiva, migliorando ulteriormente l'affidabilità e la disponibilità del sistema. Il circuito RLT salva le informazioni sull'usura dei contatti per ciascuno dei tre contatti principali. L'usura dei contatti è indicata tramite LED e un'uscita relè aggiuntiva viene generata quando l'RLT del contatto dall'usura maggiore scende al 20%.

Poiché possono essere collegati all'uscita di un controller a sicurezza intrinseca, questi contattori sono indicati come contattori F-PLC-IN e possono essere identificati fisicamente dal terminale giallo o dal coperchio della bobina dell'ingresso di controllo a sicurezza intrinseca (Figura 2).

Figura 2: Contattori F-PLC-IN come 3RT2037-1SF30 (a sinistra) e 3RT1056-6SF36 (a destra) possono essere identificati visivamente dal terminale giallo o dal coperchio della bobina. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

La sicurezza in numeri

La scheda standard VDMA 66413 riconosce quattro tipi di dispositivi utilizzabili per le valutazioni di sicurezza:

• I dispositivi di tipo 1 sono sviluppati per l'uso in funzioni di sicurezza come relè di sicurezza e controller a logica programmabile (PLC) a sicurezza intrinseca e soddisfano specifici requisiti SIL o PL.
• I dispositivi di tipo 2 non sono necessariamente sviluppati per soddisfare specifici requisiti di sicurezza e richiedono dati applicativi per valutare il funzionamento sicuro.
• I dispositivi di tipo 3 includono componenti soggetti a usura come i contattori elettromeccanici. Non sono necessariamente sviluppati per soddisfare specifici requisiti di sicurezza e possono richiedere un'ampia valutazione della sicurezza.
• I dispositivi di tipo 4 sono sviluppati per l'uso in funzioni di sicurezza e non presentano guasti casuali.

I contattori Sirius F-PLC-IN integrano l'elettronica e non sono componenti puramente elettromeccanici, quindi non si qualificano come dispositivi di tipo 3. Sono invece dispositivi di tipo 1, soddisfano specifici requisiti SIL e PLC e sono dotati di specifiche complete in materia di sicurezza. Ciò semplifica l'attività di calcolo dell'integrità della sicurezza rispetto ai contattori standard (Tabella 1).

Tabella 1: I contattori Sirius F-PLC-IN sono dispositivi VDMA di tipo 1 e sono forniti con dati dettagliati relativi alla sicurezza. (Immagine per gentile concessione di Siemens)

Conclusione

I contattori svolgono un ruolo importante nei sistemi di automazione per Impresa 4.0 in cui i progettisti devono soddisfare i requisiti di sicurezza e affidabilità IEC 62021 SIL 2 e ISO 13849-1 PL "c", nell'ottica anche di ridurre i costi. Come descritto, gli innovativi contattori Sirius F-PLC-IN di Siemens aiutano a soddisfare questi requisiti con un numero minore di componenti e con una complessità ridotta.

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