Utiliser des contacteurs de sécurité pour des solutions de sécurité industrielle optimales

Les contacteurs de sécurité sont nécessaires dans les applications industrielles pour garantir que les machines et les systèmes peuvent être placés de manière fiable et prévisible dans un état sécurisé, souvent en cas d'erreur de fonctionnement ou de demande de fonction de sécurité. Le point de départ lors de la conception de systèmes de sécurité industrielle consiste à déterminer si l'application requiert des niveaux d'intégrité de sécurité (SIL) jusqu'à SIL 2 tels que définis dans la norme CEI 62061 et/ou le niveau de performance (PL) c de la norme ISO 13849. Certaines applications exigent des niveaux de sécurité plus élevés.

Il convient de prendre en compte les directives de la norme CEI 60947-4-1 qui ciblent la conception et le test des dispositifs de commande et des commutateurs basse tension, et celles de la norme ISO 13849-1 qui fournit des principes généraux pour la conception et l'intégration des parties des systèmes de commande relatives à la sécurité, y compris le matériel et les logiciels.

Cet article montre comment architecturer des systèmes de sécurité à l'aide des contacteurs de sécurité 3RT2 avec fonctionnement à sécurité intégrée de Siemens pour réaliser des solutions de sécurité industrielle optimales. Il présente également comment atteindre des niveaux SIL et PL plus élevés et aborde les problèmes d'intégration système tels que la gestion thermique des contacteurs. Il se conclut par un aperçu de la personnalisation d'une solution de sécurité à l'aide d'accessoires tels que des interconnexions redondantes, des parasurtenseurs, des modules de fonction, et plus, pour une optimisation supplémentaire des applications et de la sécurité.

Les contacteurs 3RT2 sont disponibles avec des options de fonctionnement conventionnelles et statiques, dans des tailles S00 à S2 pouvant gérer jusqu'à 37 kW. Pour les contacteurs dotés d'un mécanisme de fonctionnement statique, il convient de spécifier l'inclusion d'un signal de durée de vie restante en option.

Ces contacteurs répondent aux exigences de la norme CEI 60947-4-1 catégorie AC-3e pour une utilisation avec des moteurs IE3 ou IE4 à haut rendement. Ils sont dotés d'une variété de configurations de sortie auxiliaires, y compris des contacts normalement ouverts (NO) et normalement fermés (NC) qui peuvent être utilisés pour fournir un retour indiquant si le circuit principal est activé ou désactivé. Il est possible d'utiliser un retour pour déclencher des voyants lumineux, des alarmes ou d'autres dispositifs de contrôle. Voici quelques exemples de contacteurs 3RT2 :

• 3RT20152AP611AA0 - Taille S00, répertorié pour 7 A, 3 kW / 400 V, 3 pôles, 220 V_CA 50 Hz / 240 V_CA 60 Hz, contacts auxiliaires : 1 NO, avec bornes à ressort
• 3RT20231AK60 - Taille S0, répertorié pour 9 A, 4 kW / 400 V, 3 pôles, 110 V_CA 50 Hz / 120 V_CA 60 Hz, contacts auxiliaires : 1 NO + 1 NC, bornes à vis (Figure 1)
• 3RT20281AN20 - Taille S0, répertorié pour 38 A, 18,5 kW / 400 V, 3 pôles, 220 V_CA, 50/60 Hz, contacts auxiliaires : 1 NO + 1 NC, bornes à vis
• 3RT20371KB40 - Taille S2, répertorié pour 65 A, 30 kW / 400 V, 3 pôles, 24 V_CC, avec varistance intégrée, contacts auxiliaires : 1 NO + 1 NC, bornes à vis
• 3RT20371SF30 - Taille S2 avec entrée F-PCL-IN, répertorié pour 65 A, 30 kW / 400 V, 3 pôles, 83 V_CA à 150 V_CA/V_CC, 50/60 Hz, avec varistance intégrée, contacts auxiliaires : 1 NC, bornes à vis

Figure 1 : Ce contacteur de taille S0 a une puissance nominale de 4 kW et présente une sortie auxiliaire NC et une sortie auxiliaire NO. (Source de l'image : Siemens)

Le temps de réponse est essentiel à la sécurité

Lors de la conception de solutions de sécurité industrielle, il est important de comprendre l'impact du temps de réponse global. Plusieurs paramètres sont concernés. Lors de l'évaluation des risques, le temps de réponse est défini comme la durée totale durant laquelle tout mouvement dangereux doit être arrêté en cas d'exigence de sécurité. Les facteurs qui ont un impact sur le temps de réponse incluent les suivants :

• Temps de réaction d'entrée des capteurs dans l'unité de surveillance de sécurité
• Durée de cycle du programme de sécurité
• Temps de retard des protocoles de communication
• Temps de surcourse dû à l'inertie du moteur ou de l'actionneur
• Temps de coupure du contacteur

Le temps de coupure des contacteurs électromécaniques et des démarreurs moteurs est couvert par la norme CEI 60947-4-1. La norme énonce les exigences relatives à la coupure sécurisée des courants dans diverses conditions de fonctionnement.

Elle définit également des catégories d'utilisation qui classent le type de charge et les conditions de fonctionnement du contacteur, comme AC-3e pour les moteurs à haut rendement. La norme comprend des procédures pour tester le temps de coupure et d'autres caractéristiques de performance des contacteurs.

Le temps de coupure du contacteur est un paramètre critique dans les systèmes de sécurité. Il est défini comme le temps qui s'écoule entre la suppression de la tension de bobine et l'ouverture des contacts principaux, y compris le délai d'ouverture (OD) plus le délai de formation d'arc du contact (AT).

Par exemple, lors de l'utilisation d'un contacteur avec des performances de commutation telles que celles illustrées à la Figure 2, le temps de coupure, OD + AT, est compris entre 50 ms et 75 ms. Lors du calcul du temps de réponse total, les valeurs les plus défavorables doivent toujours être prises en compte — dans ce cas, 75 ms (Figure 2).

Figure 2 : Dans cet exemple, le temps de coupure total des contacts principaux (OD + AT) serait spécifié à 75 ms, soit le cas le plus défavorable. (Source de l'image : Siemens)

Quel est le niveau de sécurité requis ?

Les conceptions SIL 2 et PL c ciblent les systèmes où les défaillances peuvent entraîner des dommages importants, tandis que les conceptions SIL 3 et PL e s'adressent aux systèmes où les défaillances peuvent avoir des conséquences catastrophiques. Les systèmes SIL 3 et PL e sont plus complexes et requièrent davantage d'ingénierie, d'intégration et de maintenance. Les systèmes SIL 2 et 3 et PL c et e sont tous hautement fiables. Néanmoins, les systèmes SIL 3 et PL e sont conçus pour une fiabilité encore plus grande, avec des mécanismes de redondance et à sécurité intégrée pour limiter les défaillances potentielles.

L'utilisation de contacteurs de sécurité est essentielle pour des solutions de sécurité plus simples et plus économiques. Ces contacteurs sont dotés d'une entrée de sécurité dédiée (F-PLC-IN) pour garantir qu'ils passent dans un état sûr en cas de défaillance, telle qu'une perte de puissance ou une erreur de signal de commande.

L'entrée F-PLC-IN permet la connexion directe à un contrôleur de sécurité (F-DQ), facilitant la mise en œuvre de fonctions de sécurité telles que les arrêts d'urgence ou les verrouillages. L'utilisation de l'entrée F-PLC-IN élimine le recours à plusieurs composants externes tels que des relais de couplage et un contrôleur dédié (DQ) pour le contacteur.

Avec les contacteurs de sécurité 3RT2, les systèmes peuvent être conçus pour répondre aux exigences SIL 2 ou PL c avec un seul contacteur, et SIL 3 ou PL e avec deux contacteurs dans une configuration en série redondante. La simplification du système qui en résulte peut améliorer la fiabilité et réduire les coûts du système de sécurité (Figure 3).

Figure 3 : L'utilisation de contacteurs de sécurité 3RT2 (en bas) permet d'atteindre des niveaux de sécurité plus élevés avec moins de composants par rapport aux contacteurs à sécurité non intégrée (en haut). (Source de l'image : Siemens)

L'outil d'évaluation de sécurité (SET) gratuit de Siemens pour les normes CEI 62061 et ISO 13849-1 est testé par l'organisme de certification TÜV. L'outil SET inclut un environnement d'évaluation et de développement de systèmes de sécurité étape par étape qui permet d'évaluer rapidement et simplement les fonctions de sécurité d'une machine. Avec SET, il est facile de produire un rapport conforme à la norme sélectionnée, qui peut être intégré dans la documentation comme preuve de sécurité.

Considérations relatives à la gestion thermique

Comme avec tout autre dispositif de tenue en puissance, le concepteur doit tenir compte de la chaleur générée lors de l'utilisation des contacteurs 3RT2. Il s'agit de dispositifs hautement efficaces qui ne dégagent que peu de chaleur. Par exemple, le modèle 3RT20371KB40 est répertorié pour des charges jusqu'à 30 kW et génère jusqu'à 11 W de perte de puissance.

La conception de base des contacteurs 3RT2 est adaptée au montage côte-à-côte et au fonctionnement à des températures ambiantes de -25°C à +60°C avec refroidissement par convection naturelle. Certains de ces contacteurs peuvent être utilisés à des températures atteignant +80°C sous certaines restrictions de fonctionnement spécifiques.

Entre +60°C et +70°C, ces contacteurs peuvent être utilisés en continu avec un détarage approprié du courant et de la fréquence de commutation (commutations par heure). De plus, un dégagement de 10 mm peut être requis pour garantir une meilleure dissipation de chaleur lors d'un montage côte-à-côte.

Les contacteurs 3RT2 peuvent être utilisés pendant une heure à une température ambiante comprise entre +70°C et +80°C avec un détarage supplémentaire. Toutefois, la température ambiante moyenne ne doit pas dépasser +60°C sur toute période de 24 heures.

Ces recommandations de températures étendues s'appliquent uniquement aux contacteurs qui ne contiennent pas de composants électroniques. Il est recommandé d'utiliser les contacteurs avec électronique intégrée uniquement jusqu'à +60°C pour garantir une durée de vie maximum.

Si nécessaire, il est possible d'utiliser les contacteurs S00 et S0 sans électronique à une température ambiante minimum de -50°C, s'il n'y a pas de condensation, mais la durabilité mécanique sera réduite jusqu'à 50 %. Les autres spécifications de performances restent inchangées. Les contacteurs avec électronique intégrée, ou ceux utilisés avec des accessoires électroniques, ne doivent pas être utilisés à des températures inférieures à -40°C.

Accessoires pour personnaliser la solution de sécurité

Bien que les contacteurs constituent le cœur du système, ils nécessitent souvent l'ajout d'accessoires pour obtenir une solution de sécurité optimale. Par exemple, les contacteurs 3RT2 de taille S00 offrent de nombreux choix tels que des contacts auxiliaires, des commutateurs auxiliaires, des modules de liaison intelligents, des parasurtenseurs, des suppresseurs d'interférences CEM, et plus (Figure 4).

Figure 4 : La grande variété d'accessoires disponibles permet de personnaliser les applications de sécurité. (Source de l'image : Siemens)

Le 3RA29132AA1 est un kit de câblage (pièces ⑯, ⑰ et ⑱ dans la Figure 4). Il fournit des bornes à vis pour la connexion des fils et un système de verrouillage mécanique, garantissant des performances électriques et mécaniques robustes.

Si une application requiert la connexion en série de deux contacteurs pour atteindre un niveau de sécurité SIL 3 ou PL e, il convient d'ajouter le connecteur série de sécurité 3RA29261A (⑮). L'ajout d'un bloc de verrouillage comme le 3RT29263AB31 (non illustré) permet au contacteur de rester dans son état alimenté (activé) même après la suppression de l'impulsion d'alimentation initiale, ce qui peut renforcer la sécurité dans certaines applications.

Des blocs fonctionnels peuvent être ajoutés pour connecter le contacteur au système de contrôle. Le module de fonction 3RA27111AA00 (⑧) peut permettre une connexion IO-Link. Le module 3RA27122AA00 (⑦) ajoute une interface AS qui peut se connecter à des bus de terrain de niveau supérieur comme PROFINET. Les modules de fonction tels que le 3RA28132FW10 (⑥) peuvent être utilisés pour des tâches de commande telles que le démarrage direct, le démarrage inversé et le démarrage étoile-triangle.

Il existe également une option permettant d'ajouter des blocs de commutation auxiliaires avec des contacts plus petits pour mettre en œuvre des fonctions telles que le verrouillage, le séquencement et la surveillance de l'état du contacteur principal. Les contacts auxiliaires sont disponibles dans diverses configurations, telles que le montage latéral ou avant, avec des contacts NO ou NC et différents nombres de pôles. Par exemple, le 3RH29111DA02 (②) est un modèle à deux pôles monté latéralement tandis que le 3RH29111NF02 (④) présente une configuration à deux pôles à montage avant.

Pour des performances système améliorées, il est possible d'ajouter un module d'antiparasitage CEM comme le 3RT29161PA2 (non illustré) qui utilise des éléments RC pour supprimer les surtensions, en particulier lors de la mise hors tension de charges inductives comme les moteurs, contribuant à prévenir les dommages causés aux bobines et à réduire les interférences électromagnétiques. Un parasurtenseur comme le 3RT29261CD00 (⑨) peut protéger la bobine à l'aide d'une varistance pour absorber les pics haute tension qui se produisent lorsque la bobine n'est pas alimentée.

Conclusion

La série 3RT2 de Siemens est disponible en tailles S00 à S2 et peut supporter jusqu'à 37 kW. Ces contacteurs de sécurité permettent le développement de systèmes de sécurité avec des niveaux s'étendant de SIL 2 et PL c à SIL 3 et PL e. De nombreux accessoires, tels que des modules de liaison intelligents, des contacts auxiliaires, des commutateurs auxiliaires, des parasurtenseurs, des suppresseurs d'interférences CEM, et plus, sont disponibles pour des améliorations de conception et de performances supplémentaires.

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