Mikä on turvarele? Kuinka se toimii, kytkentä ja vianetsintä

Turvarele valvoo koneiden turvallisuuslaitteita, kuten hätäpysäytysnappeja, turvaportteja, valosuojaimia ja kaksikätisiä ohjaimia. Toisin kuin tavallinen rele, turvarelejärjestelmä hyödyntää redundanssia, vianvalvontaa ja turvallisuusluokiteltua kytkentää, jotta havaittu vika voi asettaa tai pitää koneen turvallisessa tilassa. Tämä artikkeli käsittelee turvareleen toimintaa, kaksoiskanavaista kytkentää, nollaustoimintoa ja EDM-piirejä, turvarele vs tavallinen rele, PL- ja SIL-valintaa, yleisiä käyttötarkoituksia, turvarele vs turvaplco ja vianetsintää.

Luettelo

Kuva 1: Turvarele

Mikä on turvarele?

Turvarele on turvallisuusluokiteltu ohjauslaite, jota käytetään koneen turvallisuustoimintojen valvomiseen ja turvallisuuteen liittyvien lähtöjen ohjaamiseen. Se on yleensä liitetty hätäpysäytysnappeihin, turvaportteihin, valosuojaimiin ja muihin suojalaitteisiin. Sen tarkoitus on auttaa asettamaan tai pitämään koneet turvallisessa tilassa tarvittaessa.

Kuinka turvarele toimii?

Kuva 2: Yksinkertaistettu turvareleen toimintasarja

Turvarele vastaanottaa signaaleja liitetyistä turvallisuuslaitteista ja tarkistaa, ovatko vaaditut syöttöolosuhteet oikeat ennen turvallisuuslähtöjen aktivoimista. Normaalin toiminnan aikana lähtö pysyy aktiivisena, kun valvotut turvallisuusolosuhteet ovat voimassa.

Jos hätäpysäytys painetaan, turvaelementti avautuu tai valvottu vika tapahtuu, rele kytkee turvallisuuslähtönsä turvalliseen tilaan. Redundantit piirit ja itsenäinen valvonta auttavat havaitsemaan vikoja ja estävät konetta käynnistymästä uudelleen, kunnes vaaditut turvallisuusolosuhteet on palautettu.

Turvarele vs tavallinen rele: Mikä on ero?

Tavallinen rele kytkee pääasiassa sähköistä piiriä. Turvarele lisää valvonta- ja vianhavaitto-ominaisuuksia, jotka on tarkoitettu turvallisuuteen liittyviin ohjausjärjestelmiin. Omron toteaa, että voimajohdetut kontaktit mahdollistavat turvallisuuskytkentöjen havaitsevän tiettyjä hitsauskontaktitiloja, joita yleiskäyttöinen rele ei voi havaita samalla tavalla.

Vertailutekijä	Turvarele	Tavallinen rele
Pääasiallinen tarkoitus	Turvallisuuteen liittyvä koneen ohjaus	Yleinen sähköinen kytkentä
Sisäinen rakenne	Redundantti tai valvottu turvallisuusarkkitehtuuri	Yleensä yksinkertainen kytkentäarkkitehtuuri
Vikoja valvonta	Suunniteltu havaitsemaan määritellyt sisäiset tai ulkoiset viat	Yleensä rajoitettu
Voimajohdetut kontaktit	Yleisiä elektro-mekaanisissa turvallisuussuunnitelmissa	Yleensä ei tarjota
Kaksoiskanavaiset syötteet	Yleisesti tuettu	Yleensä ei tuettu
Nollaustoiminnan valvonta	Manuaalinen, valvottu tai automaattinen riippuen mallista	Yleensä ei toimiteta
Kontaktori palaute	Tukee usein EDM:ää tai palautesilmukkaa	Yleensä ei toimiteta
Diagnostiikka	LEDit, tilan lähtöarvot tai vianilmaisu riippuen mallista	Yleensä perus
Turvallisuus hyväksyntä	Suunniteltu ja hyväksytty määriteltyihin turvallisuus sovelluksiin	Yleinen sähköinen hyväksyntä
Tyypillinen käyttö	E-stop, suojus, valotuli, turvallisuusohjaus	Lamput, solenoidit, yleiset kuormat, normaalit ohjauselementit
Hinta	Korkeampi	Alhaisempi
Ohjaus monimutkaisuus	Korkeampi	Alhaisempi

Voimajohtoinen rele itsessään ei saa olla täydellinen turvallisuusjärjestelmä. Varmuus, valvonta, kytkennät, lähtölaitteet ja hyväksyntä ovat myös tarpeen turvallisuusarkkitehtuurin mukaisesti.

Kuinka kytkeä turvallisuusrele

Turvallisuusreleen liitinten nimet vaihtelevat valmistajittain, joten seuraa aina kaaviota tarkalleen tietyn releen mallin mukaan.

Vaihe 1: Liitä virtalähde

Liitä tarvittava syöttöjännite turvallisuusreleen virtaliittimiin. Varmista datasheetissa määritetty jännite ja polariteetti.

Vaihe 2: Liitä turvallisuuslaite

Liitä hätäpysäytys, turvallisuusportti, valotuli tai muu turvallisuuslaite turvallisuusliittimiin. Kaksoiskanavallisessa piirissä, liitä kaksi turvalliskontaktia erillisiin tulo kanaviin.

Vaihe 3: Liitä nollauspiiri

Liitä nollauspainike määritettyihin nollausliittimiin, kun manuaalinen nollaus on tarpeen. Automaattista nollausta tulee käyttää vain, kun se on sallittu koneen turvallisuussuunnittelun mukaan. Hätäpysäytyslaitteen nollaaminen tai turvallisuusliitännän palauttaminen ei saa automaattisesti käynnistää vaarallista koneen liikettä. Nollaaminen valmistaa yleensä turvallisuusjärjestelmän uudelleenkäynnistämiseen, kun taas koneen toiminta vaatii erillisen tahdonmukaisen käynnistyskomennon, ellei riskinarviointi ja sovellettava koneen standardi salli muuta järjestelyä.

Vaihe 4: Liitä turvallisuuslähdöt

Liitä turvallisuusreleen lähdöt ulkoisiin kontaktoreihin, turvallisuuskontaktoreihin tai yhteensopiviin kaksoiskanavallisiin STO-tuloihin.

Vaihe 5: Liitä EDM tai kontaktoripalaute

Jos ulkoisen laitteen valvonta on tarpeen, liitä normaalisti suljetut palautekontaktit ulkoisista kontakteista releen EDM- tai palautesilmukkaan.

Vaihe 6: Tarkista kytkennät ja testaa turvallisuustoiminto

Varmista virtalähde, kaikki turvallisuusliitäntäkanavat, nollauskäynnistys, turvallisuuslähdöt ja EDM-piiri. Testaa hätäpysäytys tai turvallisuuslaite ja varmista, että kone siirtyy vaadittuun turvalliseen tilaan eikä käynnisty odottamatta.

Kaksoiskanavallinen E-stop -kytkentä manuaalisella nollauksella ja EDM:llä

Kuvio 3: Kaksoiskanavallinen E-stop -kytkentä manuaalisella nollauksella ja EDM:llä

Kaksoiskanavallinen E-stop käyttää kahta itsenäistä tulo kanavaa, jotta turvallisuusrele voi havaita tiettyjä kontaktiviastuksia tai kytkentävirheitä. Manuaalisen nollauksen painiketta käytetään piirin uudelleenkäynnistämiseen vain E-stopin palauttamisen jälkeen, ja EDM-silmukka käyttää NC palautekontakteja kontakteista K1 ja K2 varmistaakseen, että molemmat kontaktorit ovat palanneet turvalliseen tilaansa ennen kuin turvallisuuslähdöt voivat jälleen energisoitua.

Huom: Liitin nimet vaihtelevat turvallisuusreleen mallin mukaan. Seuraa aina valitun releen virallista kytkentäkaaviota ja turvallisuusohjetta.

Kuinka valita oikea turvallisuusrele

Aloita vaatimuksesta turvallisuustoiminnosta ja riskinarvioinnista, ei releen mallista. ISO 13849-1:2023 tarjoaa metodologian koneen ohjausjärjestelmien turvallisuuteen liittyvien osien suunnitteluun käyttämällä suorituskykytasoja (PL), kun taas IEC 62061:2021+AMD1:2024+AMD2:2026 kattaa turvallisuuteen liittyvien ohjausjärjestelmien toiminnallisen turvallisuuden SIL-pohjaisten menetelmien avulla.

Valintakategoria	Mitä tarkistaa	Miksi se on tärkeää
Turvallisuustoiminto	E-stop, suojus, valotuli, kahden käden ohjaus, nopeus, seisokki tai muu toiminto	Eri toiminnot saattavat vaatia erilaisia releominaisuuksia
Vaadittu PL tai SIL	Vaadittu turvallisuus eheys riskinarvioinnista	Määrittää vaaditun järjestelmäarkkitehtuurin ja luotettavuuden
Tulo tyyppi	Kuivakontaktit, kaksoiskanavaiset kytkimet, OSSD-lähdöt, mattot tai muut anturit	Releen on tuettava todellista turvallisuuslaitetta
Kanavien määrä	Yksi tai kaksi kanavaa	Vaikuttaa vian havaintoon ja arkkitehtuuriin
Nollauksen tyyppi	Automaattinen, manuaalinen tai valvottu manuaalinen nollaus	Ohjaa uudelleenkäynnistystä
EDM	Ulkoisen laitteen valvontavaatimukset	Havaitsee määritellyt viat ulkoisissa kontakteissa tai toimilaitteissa
Turvallisuuslähdöt	Turvallisten lähteiden määrä ja tyyppi	Täytyy vastata vaadittuihin toimilaitteisiin
Lisälähteet	Tilan lähteet PLC:lle tai indikaattoreille	Hyödyllinen diagnostiikassa, mutta ei saa olettaa turvallisiksi lähteiksi
Turvallisuusreleen vasteaika	Maksimiaika turvallisuusvaatimuksesta turvallislähteen virran katkaisuun	Se vaikuttaa kokonaissysteemin vasteaikaan, koneen pysäytysaikaan ja vaadittuun turvallisuusmatkaan
Syöttöjännite	Yleisimmin 24 VDC, mutta tuotekohtainen	Täytyy vastata ohjausjärjestelmää
Diagnostiikka	LEDit, vika koodit, puolijohdelähteet, viestintä	Vähentää vikojen korjausaikaa
Laajennus	Lisätulot tai -lähteet	Hyödyllinen, kun kone kasvaa
Ympäristö	Lämpötila, tärinä, kotelo, saastuminen	Voi vaikuttaa luotettavuuteen ja sertifiointiin
Sertifiointi	Soveltuvat kone- ja toiminnallisen turvallisuuden standardit	Vaaditaan tarkoitetulle koneelle ja markkinalle

Kokonaispysäytysaika sisältää anturin, turvallisuusreleen, tulostelaitteen, moottorin tai kontaktorin sekä mekaaniset pysäytysajat.

Tuotteen mainostaminen PL e:ksi tai SIL 3:ksi ei automaattisesti tee koneen turvallisuustoiminnasta PL e:tä tai SIL 3:ta. Anturi, logiikka, tulostelaitteet, arkkitehtuuri, diagnostiikkakattavuus, luotettavuustiedot, johdotus ja validointi kaikki vaikuttavat lopputulokseen.

ISO 13849-2:2012 käsittelee turvallisuuteen liittyvien ohjausjärjestelmän osien validoimista analyysin ja testauksen avulla. ISO 13850:2015 määrittelee hätäseis-toimintojen vaatimukset ja suunnitteluperiaatteet. IEC 61810-3:2015 määrittelee vaatimukset mekaanisesti ohjatuilla tai mekaanisesti linkitetyillä kontakteilla varustetuille sähkömekaanisille releille.

Pääviitteet

• ISO 13849-1:2023 — Koneiden turvallisuus — Ohjausjärjestelmien turvallisuuteen liittyvät osat — Osa 1: Suunnittelun yleisperiaatteet

• IEC 62061:2021+AMD1:2024+AMD2:2026 CSV — Koneiden turvallisuus — Toiminnallinen turvallisuus turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmille

• ISO 13849-2:2012 — Koneiden turvallisuus — Ohjausjärjestelmien turvallisuuteen liittyvät osat — Osa 2: Validointi

• ISO 13850:2015 — Koneiden turvallisuus — Hätäseis-toiminto — Suunnittelun periaatteet

• IEC 61810-3:2015 — Sähkölaitteet — Osa 3: Releet, joissa on mekaanisesti ohjatut (linkitetyt) kontaktit

• Omron — Turvallisuusreleiden turvallinen käyttö, joissa on mekaanisesti ohjatut kontaktit

• Pilz — PNOZ s2 Käyttöopas

• Rockwell Automation — Guardmaster turvallisuusreleiden käyttöopas

Yleisimmät turvallisuusreleiden sovellukset ja suunnittelutarkistukset

Turvallisuusreleitä käytetään yleisesti hätäseisojen, turvaporttien, valokurttien, paineherkkien laitteiden, kahden käsikytkimen ja muiden koneen turvallisuustoimintojen valvontaan.

Sovellus	Mitä turvallisuusrele valvoo	Pääsuunnittelutarkistukset
Hätäseis	Yksi tai kaksi E-seis kanavaa	Vaadittu PL/SIL, nollausmenetelmä, kontaktorin palautesignaali, pysähtymiskäyttäytyminen
Turvaportti	Suojakytkin tai lukitus	Oven sijainti, uudelleenkäynnistyksen estäminen, voiton vastustus, pysähtymisaika
Valokurt	Turva-anturi tai OSSD-lähteet	Tulo-yhteensopivuus, vasteaika, nollaus, suojattu etäisyys
Turvamatto tai reuna	Paineherkkä suojaava laite	Anturin yhteensopivuus, vian havaitseminen, vasteaika
Kahden käden ohjaus	Kaksi itsenäistä ohjainta	Samanaikaiset käyttövaatimukset ja estäviä toimintoja
Moottorin pysäyttämisen ja yllättävän vääntömomentin estäminen	Redundantit kontaktorit tai yhteensopivat kaksoiskanavaiset STO-tulot	Pysäytyskategoria, STO-yhteensopivuus, pysähtymisaika, EDM, varastoitu energia ja uudelleenkäynnistyksen estäminen
Nopeuden tai paikallaanolon valvonta	Nopeuden tai nollanopeusanturi	Vaadittu kynnys, vasteaika, anturin asettelu
Pienkoneen turvallisuusjärjestelmä	Useita perus turvallisuusinputteja	Toimintojen määrä, lähtölaskenta, diagnostiikka, laajennustarpeet

Varoitus: STO estää ajurin tuottamasta moottorivääntöä, mutta se ei katkaise verkkovirtaa tai tarjoa sähköistä eristystä.

Turvallisuusrele vs Turvallisuus-PLC: Kumpaa pitäisi käyttää?

Turvallisuusrele sopii yleensä hyvin pienelle koneelle, jossa on muutama kiinteä turvallisuustoiminto. Turvallisuus-PLC sopii paremmin suuremmille järjestelmille, jotka vaativat useita inputteja, useita vyöhykkeitä, ohjelmoitavaa turvallisuuslogiikkaa, viestintää tai yksityiskohtaista diagnostiikkaa. Phoenix Contact kuvaa turvallisuusreleitä erityisen sopivaksi, kun tarvitaan vain muutamaa turvallisuustoimintoa ja logiikkatoimintoja, kun taas ohjelmoitavat turvallisuusjärjestelmät tarjoavat suurempaa joustavuutta monimutkaisuuden kasvaessa.

Vertailu tekijä	Turvallisuusrele	Turvallisuus-PLC
Turvallisuustoiminnot	Vähän, yleensä kiinteitä	Paljon ja ohjelmoitavia
Koneen monimutkaisuus	Alhainen tai keskitaso	Keskitaso tai korkea
I/O-määrä	Alhainen	Korkea
Ohjelmointi	Yleensä ei ollenkaan tai yksinkertainen konfiguraatio	Turvallisuusohjelma vaaditaan
Diagnostiikka	Perustasolta kohtalaiseen	Laaja
Useita turvallisuusvyöhykkeitä	Rajoitettu	Hyvin soveltuva
Laajennus	Rajoitettu tai modulaarinen tuotteen mukaan	Korkea
Verkottuminen	Rajoitettu	Yleinen
Alkuperäinen kustannus	Yleensä matalampi	Yleensä korkeampi
Suunnittelu ponnistus	Alempi yksinkertaisille järjestelmille	Korkeampi
Paras soveltuvuus	E-stop, suojus, valoverho, yksinkertainen kone	Monimutkainen kone, solut, useita vyöhykkeitä, koordinoitu turvallisuus

Vakio-PLC ei ole sama kuin turvallisuus-PLC. Turvallisuuteen liittyvän ohjelmoitavan ohjauksen on käytettävä vaadittuun turvallisuustoimintoon sopivia laitteistoja, ohjelmistoja, arkkitehtuureja ja validointia.

Yleiset turvallisuusreleongelmat ja vianetsintä

Ennen vianetsintää, eristä vaarallinen energia koneen hyväksytyn lukitusmenettelyn mukaan. Älä ohita hätäkatkaisinta, suojakytkintä, turvallisuusrele-inputtia tai palaute piiriä vain saadaksesi koneen toimimaan. Elävät mittaukset tulisi suorittaa vain tarvittaessa pätevän henkilöstön toimesta, joka käyttää oikein arvioitua laitteistoa.

Aloita tarkistamalla releen LEDit tai diagnostiikkakoodit, vertaamalla sitten todellista inputtia, nollaus-, EDM- ja lähtötiloja valmistajan kytkentäkaavioon.

Ongelma tai oire	Todennäköinen syy	Mittaus tai tarkastus	Suositeltu toimi
Turvallisuuslähtöjä ei aktivoida	Turvallisuusinputti avoinna, virransyöttö puuttuu, väärä konfiguraatio	Mittaa virransyöttö ja tarkista molemmat turvallisuuskanavat	Tunnista ja korjaa input-piirin tai konfiguraatiovirhe
Rele ei nollaa	Yksi kanava ei palautunut, EDM avoinna, nollauskytkentä väärin	Tarkista molemmat input-kanavat, nollauspiiri ja palaute silmukka	Korjaa virhe ennen nollausta
Kanavan eroavaisuusvirhe	Kaksi kanavaa vaihdettu eri aikoina tai yksi kontakti epäonnistui	Valvo molempia input-kanavia laitteen toiminnan aikana	Tarkista kytkin kontaktit ja johtimet
Rele nollautuu vain virran katkaisun jälkeen	Lukittu diagnostiikkavirhe tai ratkaisematon kanavan yhteensopimattomuus	Tarkista diagnostiikkanäyttö ja tuoteseloste	Etsi input tai johtovirhe sen sijaan, että luottaisit virran katkaisuun
Kontaktori ei aktivoidu	Turvallisuuslähtö avoinna, käämivirhe, matala ohjausjännite	Mittaa turvallisuuslähtö ja kontaktorin käämin jännite	Korjaa lähtöpiiri tai vaihda epäonnistunut osa
Kontaktori pysyy aktivoituna pysäytyksen jälkeen	Hitsautunut kontaktori tai väärä lähtöjohtaminen	Tarkista virran kontaktit ja peili/palaute kontaktit	Vaihda epäonnistunut kontaktori ja varmista EDM
EDM tai palaute virhe	Kontaktori ei palautunut normaaliin tilaan	Tarkista normaalisti suljetut palautekontaktit	Korjaa kontaktori tai johtamisvirhe
Valoverho ei aktivoi turvallisuuslähtöjä	OSSD yhteensopimattomuus, esteetön säde, johtovirhe	Tarkista OSSD lähdöt ja releen input-tila	Korjaa anturin kohdistus, johtaminen tai konfiguraatio
Automaattinen uudelleenkäynnistys tapahtuu odottamatta	Automaattinen nollaus tai väärä käynnistyspiiri	Tarkista nollaus/käynnistyskonfiguraatio	Käytä riskinarvioinnin vaatimaa uudelleenkäynnistysmenetelmää
Satunnaiset turvallisuuskatkokset	Löysät terminaalit, tärinä, vaurioitunut kaapeli, epävakaa sähkönsyöttö	Tarkista syöttöjännitteen ja kanavien tilat	Korjaa johdotus ja kiinnitä terminaalit
Turvarele ylikuormittuu	Liian suuri ulostulokuorma, huono ilmanvaihto, virheellinen syöttö	Tarkista virta, syöttöjännite ja kotelon lämpötila	Vähennä kuormaa tai korjaa asennus
Ulostulo-LED on päällä mutta kone ei toimi	Alavirran kontaktori, ohjauslaite, PLC-logiikka tai muu turvalukitus on auki	Jäljitä piiri turvaulostulon jälkeen	Korjaa alavirran vika

Turvarele, joka toistuvasti ilmoittaa eroista, nollaa tai EDM-viasta, ei pitäisi yksinkertaisesti ohittaa. Nämä viat voivat viitata epäonnistuneeseen turvakytkimeen, hitsautuneeseen kontaktoriin, vaurioituneeseen johtimeen, virheelliseen nollauslogiikkaan tai muuhun tilaan, jonka turvajärjestelmä on erityisesti suunniteltu havaitsemaan.

Johtopäätös

Turvarele tarjoaa valvottua turvallisuuslogiikkaa laitteiden, kuten hätäpysäytyksien, suojien ja valosulkureiden, sekä koneen turvaulostulojen välillä. Luotettava turvallisuus riippuu muustakin kuin itse releestä: kaksikanavainen arkkitehtuuri, nollauskäyttäytyminen, EDM, ulostulolaitteet, pysäytysmenetys, PL- tai SIL-vaatimukset, johdotus ja validointi on kaikki sovitettava yhteen turvallisuustoiminnon kanssa. Turvareleet soveltuvat hyvin matalan tai kohtuullisen monimutkaisuuden koneiden turvallisuusjärjestelmiin, kun taas suuremmat järjestelmät saattavat tulla paremmin palvelluiksi turvallisuuskontrollerilla.