作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業應用中需要安全級接觸器，以確保機器和系統能夠可靠、可預測地切換到安全狀態，通常是在操作失誤或有安全功能要求的情況下。設計工業安全系統第一步就是確定應用是否需要安全完整性等級 (SIL)（按照 IEC 62061 定義，最高為 SIL 2）或 ISO 13849 規定的 c 級性能等級 (PL)。某些應用需要更高的安全級別。

考慮 IEC 60947-4-1 和 ISO 13849-1 中的指導原則，前者側重于設計和測試低壓開關和控制設備，后者提供了設計和集成控制系統安全相關部分（包括硬件和軟件）的一般原則。

本文介紹如何使用 Siemens 具有故障安全操作功能的 3RT2 安全級接觸器來構建安全系統，以實現最優的工業安全解決方案。文中還回顧了如何實現更高的 SIL 和 PL 級別以及接觸器熱管理等系統集成問題，最后深入探討了如何使用冗余互連、浪涌抑制器、功能模塊等配件定制安全解決方案，以實現進一步應用和安全優化。

3RT2 接觸器提供傳統運行方式和固態運行方式選擇，規格從 S00 至 S2，最大功率可達 37 kW。對于采用固態運行機制的接觸器，應指定包含一個可選的剩余壽命信號。

這些接觸器符合 IEC 60947-4-1 AC-3e 類別的要求，可與高效 IE3 或 IE4 電機配合使用。它們有多種輔助輸出配置，包括常開 (NO) 和常閉 (NC) 觸點，可用于反饋主電路是開還是關。此外還可使用用于觸發指示燈、警報或其他控制設備的反饋。3RT2 接觸器實例如下：

· 3RT20152AP611AA0 - S00 規格，額定電流 7 A，3 kW / 400 V，3 極，220 VAC 50 Hz / 240 VAC 60 Hz，輔助觸點：1 個 NO，帶彈簧端子

· 3RT20231AK60 - S0 規格，額定電流 9 A，4 kW / 400 V，3 極，110 VAC 50 Hz / 120 VAC 60 Hz，輔助觸點：1 個 NO + 1 個 NC，螺紋端子（圖 1）

· 3RT20281AN20 - S0 規格，額定電流 38 A，18.5 kW / 400 V，3 極，220 VAC，50/60 Hz，輔助觸點：1 NO + 1 NC，螺紋端子

· 3RT20371KB40 - S2 規格，額定電流 65 A，30 kW / 400 V，3 極，24 VDC，帶集成變阻器，輔助觸點：1 個 NO + 1 個 NC，螺紋端子

· 3RT20371SF30 - S2 規格，帶 F-PCL-IN 輸入，額定電流 65 A，30 kW / 400 V，3 極，83 VAC 至 150 VAC/VDC，50/60 Hz，帶集成變阻器，輔助觸點：1 個 NC，螺紋端子

圖 1：這種 S0 規格接觸器的額定功率為 4 kW，有一個 NC 和一個 NO 輔助輸出。（圖片來源：Siemens）

響應時間對安全至關重要

在設計工業安全解決方案時，了解整體響應時間的影響非常重要。它由多個參數組成。在進行風險評估時，響應時間被定義為在出現安全要求時必須停止任何危險運動的總時間。影響響應時間的因素包括：

• 安全監控裝置中傳感器的輸入反應時間
• 安全計劃的周期時間
• 通信協議的延遲時間
• 電機或執行器慣性產生的超程時間
• 接觸器的分斷時間

IEC 60947-4-1 規定了機電接觸器和電機啟動器的分斷時間。該標準規定了在各種工作條件下安全分斷電流的要求。

它還定義了使用類別，對負載類型和接觸器運行條件進行分類，如針對高效電機的 AC-3e。該標準包括測試接觸器分斷時間和其他性能特征的程序。

接觸器分斷時間是安全系統中的一個關鍵參數。它的定義是從去掉線圈電壓到主觸點斷開的時間，包括斷開延遲時間 (OD) 和觸點起弧時間 (AT)。

例如，當使用開關性能如圖 2 所示的接觸器時，分斷時間 OD + AT 介于 50 至 75 ms 之間。在計算總響應時間時，必須始終考慮最壞情況下的數值，在本例中為 75 ms（圖 2）。

圖 2：在此示例中，主觸點 (OD + AT) 的總分斷時間規定為 75 ms，這是最糟糕的情況。（圖片來源：Siemens）

需要多高的安全級別？

SIL 2 和 PL c 設計針對的是發生故障可能導致重大傷害的系統，而 SIL 3 和 PL e 設計針對的是發生故障可能造成災難性后果的系統。SIL 3 和 PL e 系統更為復雜，需要更多的工程設計、整合和維護。SIL 2 和 3 以及 PL c 和 e 系統均具有高度可靠性。不過，SIL 3 和 PL e 系統的設計可靠性更高，具有冗余和故障安全機制，可減輕潛在故障。

使用安全級接觸器是實現更簡單、更低成本安全解決方案的關鍵。這些接觸器有一個專用的安全輸入端 (F-PLC-IN)，以確保在發生故障（如斷電或控制信號錯誤）時切換到安全狀態。

F-PLC-IN 輸入可直接連接故障安全控制器 (F-DQ)，從而實現緊急停止或聯鎖等安全功能。使用 F-PLC-IN 輸入無需使用多個像耦合繼電器和接觸器專用控制器 (DQ) 這樣的外部元件。

使用 3RT2 安全級接觸器，系統的設計可以滿足 SIL 2 或 PL c 的要求，只需使用一個接觸器，而使用兩個接觸器的冗余串聯配置則可滿足 SIL 3 或 PL e 的要求。由此帶來的系統簡化可提高可靠性并降低安全系統成本（圖 3）。

圖 3：與非安全級接觸器（上圖）相比，使用 3RT2 安全級接觸器（下圖）能以更少的組件實現更高的安全等級。（圖片來源：Siemens）

Siemens 免費提供的 IEC 62061 和 ISO 13849-1 [安全評估工具] (SET) 已通過 TüV 測試。SET 包括一個循序漸進的安全系統評估和開發環境，可以快速、簡單地評估機器的安全功能。有了 SET，就可以根據所選標準輕松制作報告，并將其納入文件中作為安全證明。

熱管理注意事項

與其他任何電源處理設備一樣，設計人員在使用 3RT2 接觸器時必須考慮到產生的熱量。這些設備效率很高，所以發熱量不大，但也有一些。例如，[3RT20371KB40]( 型號的額定負載高達 30 kW，產生的功率損耗最多 11 W。

3RT2 接觸器的基本設計適用于并排安裝，通過自然對流冷卻，可在 -25°C 至 +60°C 的環境溫度下運行。在特定的操作限制條件下，其中一些接觸器還可在高達 +80°C 的溫度下使用。

在 +60°C 至 +70°C 溫度范圍內，只要適當降低電流和開關頻率（每小時開關次數），即可連續使用這些接觸器。此外，并排安裝可能需要 10 mm 的間隙，以確保更好的散熱。

3RT2 接觸器可在 +70°C 至 +80°C 的環境溫度下使用長達一小時，但需額外降額。但是，任何 24 小時內的平均環境溫度不得超過 +60°C。

這些擴展溫度建議僅適用于不含電子元件的接觸器。建議僅在 +60°C 以下使用帶集成電子元件的接觸器，以確保最長的工作壽命。

必要時，如果沒有發生冷凝，則可以在最低環境溫度為 -50°C 的條件下使用不含電子元件的 S00 和 S0 接觸器，但機械耐久性會降低 50%。其他性能指標保持不變。帶有集成電子元件或與電子附件一起使用的接觸器不得在低于 -40°C 的溫度下使用。

用于定制安全解決方案的配件

雖然接觸器是系統的核心，但要實現最優的安全解決方案，往往還需要增加配件。例如，S00 規格的 3RT2 接觸器有多種選擇，如輔助觸點、輔助開關、智能鏈接模塊、浪涌抑制器、EMC 抑制器等（圖 4）。

圖 4：有多種可用配件支持安全應用定制。（圖片來源：Siemens）

從 3RA29132AA1 接線套件開始（圖 4 中的 ?、? 和 ? 號零件）。它提供用于連接導線的螺紋端子和機械聯鎖系統，確保了堅固的電氣和機械性能。

如果應用需要串聯兩個接觸器以實現 SIL 3 或 PL e 級安全性，就需要增加 3RA29261A 安全串聯連接器 (?)。添加一個像 3RT29263AB31 這樣的閂鎖塊（未顯示），可使接觸器在初始電源脈沖消除后仍保持通電（接通）狀態，從而進一步提高在某些應用中的安全性。

此外還可添加功能塊將接觸器與控制系統連接起來。3RA27111AA00 (⑧) 功能模塊可實現 IO-Link 連接。3RA27122AA00 模塊 (⑦) 增加了一個 AS 接口，可連接像 PROFINET 這樣更高級別的現場總線。像 3RA28132FW10 (⑥) 這樣的功能模塊則可以用于直接在線啟動、反向啟動和星三角 (Y-Δ) 啟動等控制任務。

此外，還可選擇添加觸點較小的輔助開關塊，以實現聯鎖、排序和主接觸器狀態監控等功能。輔助觸點有多種配置，如側面安裝或正面安裝、NO 或 NC 觸點以及不同的極數。例如，3RH29111DA02 (②) 是兩極側面安裝型，3RH29111NF02 (④) 是兩極正面安裝型。

為增強系統性能，可添加一個 EMC 抑制器模塊，如 3RT29161PA2（未顯示），該模塊使用 RC 元件抑制電壓浪涌，尤其是在關閉電感負載（如電機）時，有助于防止線圈損壞并減少電磁干擾。像 3RT29261CD00 (⑨) 這樣的浪涌抑制器可以利用壓敏電阻吸收線圈斷電時產生的高壓尖峰，從而保護線圈。

結語

Siemens 的 3RT2 系列有 S00 至 S2 多種規格，最大功率可達 37 kW。這些安全級接觸器可用于開發從 SIL 2 和 PL c 到 SIL 3 和 PL e 等級的安全系統。此外許多像智能鏈接模塊、輔助觸點、輔助開關、浪涌抑制器、電磁兼容抑制器這樣的配件，也可用于進一步改進設計和性能。