安全グレードのコンタクタは、通常は操作エラーや安全機能要件が発生した場合に、機械やシステムが確実かつ予期せぬ安全状態に切り替わることを保証するために、産業用アプリケーションで必要となります。産業用安全システムを設計する最初のステップは、アプリケーションが安全度水準 (SIL) (IEC 62061 で定義されている、SIL 2 まで) または ISO 13849 で指定されている C レベルのパフォーマンス レベル (PL) を必要とするかどうかを判断することです。一部のアプリケーションでは、より高いレベルのセキュリティが必要です。
IEC 60947-4-1 と ISO 13849-1 の基本原則を考えてみましょう。前者は低電圧スイッチと制御装置の設計とテストに焦点を当てており、後者はハードウェアとソフトウェアを含む制御システムの安全関連部分の設計と統合に関する一般原則を提供しています。
この記事では、最適な産業安全ソリューションを実現するために、フェイルセーフ動作機能を備えたシーメンスの 3RT2 安全レベルコンタクタを使用して安全システムを構築する方法を紹介します。この記事では、より高い SIL および PL レベルを達成する方法や、コンタクタの熱管理などのシステム統合の問題についても検討しました。最後に、冗長相互接続、サージ抑制装置、機能モジュール、その他のアクセサリを使用して安全ソリューションをカスタマイズし、アプリケーションと安全性をさらに最適化する方法について詳しく説明しました。
3RT2 コンタクタは、S00 から S2 までの範囲の仕様と最大 37 kW の最大電力で、従来の動作モードとソリッドステート動作モードの間で選択を提供します。ソリッドステート動作メカニズムを使用するコンタクタの場合、オプションの残寿命信号を指定する必要があります。
これらのコンタクタは、IEC 60947-4-1 AC-3e カテゴリの要件に準拠しており、高効率 IE3 または IE4 モータと組み合わせて使用できます。これらには、常開 (NO) 接点および常閉 (NC) 接点を含む複数の補助出力構成があり、主回路がオンかオフかに関するフィードバックを提供するために使用できます。さらに、フィードバックを使用して、インジケーターライト、アラーム、またはその他の制御デバイスをトリガーすることもできます。 3RT2 コンタクタの例は次のとおりです。
3RT20152AP611AA0-S00仕様、定格電流7A、3kW/400V、3極AC220V 50Hz/AC240V 60Hz、補助接点：1NO、スプリング端子付
3RT20231AK60- S0仕様、定格電流9A、4kW/400V、3極、AC110V 50Hz/AC120V 60Hz、補助接点：1NO+1NC、ネジ端子（図1）
3RT20281AN20- S0仕様、定格電流38A、18.5kW/400V、3極、AC220V、50/60Hz、補助接点：1NO+1NC、ネジ端子
3RT20371_S2仕様、定格電流65A、30kW/400V、3極、DC24V、可変抵抗器内蔵、補助接点：1NO+1NC、ネジ端子
3RT20371SF30-S2仕様、F-PCL-IN入力付き、定格電流65A、30kW/400V、3極、AC83～150VAC/DC、50/60Hz、可変抵抗器内蔵、補助接点：1NC、ネジ端子
S0仕様コンタクタ定格電力4kWの写真
図 1: この S0 仕様コンタクタの定格電力は 4 kW、1 つの NC と 1 つの NO 補助出力を備えています。 (画像出典: シーメンス)
安全性にとって応答時間は非常に重要です
産業安全ソリューションを設計する際には、全体的な応答時間の影響を理解することが重要です。複数のパラメータで構成されます。リスク評価を実施する場合、応答時間は、安全要件が発生したときに危険な動作を停止するのにかかる合計時間として定義されます。応答時間に影響を与える要因には次のものがあります。
安全監視装置のセンサーの入力応答時間
セキュリティ計画のサイクルタイム
通信プロトコルの遅延時間
モーターまたはアクチュエーターの慣性によって生じるオーバートラベル時間
コンタクタの遮断時間
IEC 60947-4-1 は、電気機械式コンタクターとモータースターターの遮断時間を規定しています。この規格は、さまざまな動作条件下で電流を安全に遮断するための要件を指定します。
また、高効率モーター用の AC-3e など、負荷の種類とコンタクターの動作条件を分類するための使用カテゴリも定義されています。この規格には、遮断時間やコンタクタのその他の性能特性をテストするための手順が含まれています。
コンタクタの遮断時間は、安全システムの重要なパラメータです。その定義は、コイル電圧を除去してから主接点が切断されるまでの時間であり、切断遅延時間 (OD) と接点アーク時間 (AT) が含まれます。
たとえば、図 2 に示すようなスイッチ性能を持つコンタクタを使用する場合、遮断時間 OD+AT は 50 ～ 75 ms になります。合計応答時間を計算するときは、常に最悪の値を考慮する必要があります。この例では 75 ミリ秒です (図 2)。