تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد

رعایت ایمنی در سیستم های اتوماسیون یک ضرورت است. جدای از بحث مقدار پیچیدگی سیستم که کم است یا زیاد، ایمنی و محافظت از تجهیزات و کاربران اهمیت بالایی دارد. بالا بردن سطح ایمنی با طراحی ایمن و بهره بردن از تجهیزات ایمن امکانپذیر می شود. اما اضافه کردن تمهیدات ایمنی بیشتر می تواند چالش هایی را نیز با خود به همراه داشته باشد. به همین دلیل در مواردی که سطح ایمنی بالایی نیاز نباشد، استفاده از تجهیزات استاندارد در دستور کار قرار می گیرد. اما تجهیزات ایمن و استاندارد تفاوت هایی با هم دارند که آشنایی با آن ها خالی از لطف نیست.

در این مقاله به بررسی تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد خواهیم پرداخت. در اغلب تابلو های برق صنعتی کنتاکتور وجود دارد. کنتاکتور ممکن است در یک سیستم اتوماسیون ساده (به طور مثال به منظور راه اندازی تنها یک موتور) و یا در یک سیستم پیچیده اتوماسیون به کار رفته باشد. در هر دو صورت کنتاکتور، بخش قدرت مدار را قطع و وصل می کند. کنتاکتور ها در انواع مختلفی تولید می شوند. انتخاب کنتاکتور به ملاحظات و تفاوت های مسئله بستگی دارد. کنتاکتور به روش های مختلفی دسته بندی می شود. اگر از منظر ایمنی به آن نگاه کنیم کنتاکتور به دو دسته استاندارد یا نرمال و ایمنی safe طبقه بندی می شود. برای آشنایی بیشتر با این تفاوت ها همراه ما باشید.

ساختار کنتاکتور

کنتاکتور با استفاده از مکانیزم الکترومغناطیسی مسیر جریان برق را قطع و وصل می کند. کنتاکتور ها می توانند چندین مسیر مجزای جریان قدرت را به وسیله تیغه های اصلی در ولتاژ های خیلی بالا قطع کنند. برخی از نمونه های کنتاکتور دارای چند کنتاکت کمکی نیز هستند که به منظور طراحی مدار فرمان مورد استفاده قرار می گیرد.

کنتاکتورها به طور کلی 4 بخش اصلی دارند:

• بوبین یا سیم پیچ
• تیغه ها
• جرقه گیر
• قاب محافظ

در توضیح عملکرد کنتاکتور استاندارد به صورت اجمالی می توان گفت:

 بوبین یا سیم پیچ الکتریکی به دور بخش ثابتی از یک هسته آهنی دو تکه پیچیده شده است. بخشی از هسته آهنی ثابت، و قسمتی از آن متحرک است. کنتاکت یا تیغه هم از دو بخش ثابت و متحرک تشکیل شده است. قسمت متحرک کنتاکت به بخش متحرک هسته آهنی متصل شده است. با تغذیه بوبین، سیم پیچ به آهن ربای الکتریکی تبدیل می شود. قسمت ثابت هسته آهنی برای حذف فاصله هوایی و کوتاه کردن مسیر عبور شار مغناطیسی، قسمت متحرک هسته آهنی را به خود جذب می کند. در نتیجه این جابجایی تیغه های متحرک تغییر وضعیت می دهد و مدار وصل می شود.

توضیحات بیشتر در مورد عملکرد کنتاکتور را در “مقاله  کنتاکتور چیست” ببینید.

لزوم استفاده از کنتاکتور ایمن

قبل از پرداختن به تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد، به بررسی ضرورت استفاده از این کنتاکتورها خواهیم پرداخت. بوبین کنتاکتور باید قدرت کافی برای تغییر وضعیت تیغه را داشته باشد. در برخی موارد تیغه ها باید جریان های چند صد آمپر را در اختلاف پتانسیل چند هزار ولت عبور دهند. کلید زنی در جریان خیلی بالا، گاهی اوقات سبب خرابی کنتاکتور می شود. مشکلاتی مانند گیر کردن و یا جوش خوردن تیغه ها در این شرایط شایع است. وقوع چنین شرایطی به ویژه در صنایع خاص می تواند چالش های زیادی به ارمغان بیاورد.

کنتاکتور استاندارد نمی تواند در این شرایط رفتار  Fail Safe (ایمن در برابر خطا) داشته باشد. مفهوم Fail Safe در صنعت به این معناست که در صورت بروز خطا در سیستم، امکان بردن مدار به شرایط ایمن وجود داشته باشد. سیستم Fail Safe  از رخ دادن خطر برای افراد و یا تجهیزات جلوگیری می کند. برای طراحی یک سیستم ایمن نیاز مند تجهیزات ویژه ای هستیم . کنتاکتور ایمن یکی از تجهیزات صنعتی مورد استفاده در سیستم Fail Safe است.

کنتاکتورایمن چیست

کنتاکتورهای ایمن به منظور بالا بردن ضریب اطمینان در مدار الکتریکی طراحی شده اند. نقش و عملکرد کنتاکتور ایمن بسیار شبیه به کنتاکتور استاندارد است. با این تفاوت که در این کنتاکتور، بخش متحرک تیغه ها به صورت مکانیکی به هم جوش داده شده اند. به این ترتیب وصل یک فاز به تنهایی، هیچ وقت اتفاق نمی افتد. سیگنال کنترل هر سه تیغه را  با هم وصل می کند و با هم قطع می کند.

چنانچه مشکلی به وقوع بپیوندد که سبب شود یکی از تیغه ها به درستی کار نکند، حتی با تغذیه بوبین هم کنتاکتور عمل نمی کند. رفتار تیغه ها در کنتاکتور ایمن طبق استاندارد  IEC 60947-5-1تعریف شده است. اگر یکی از تیغه ها بر اثر استهلاک جوش بخورد، با قطع تغذیه بوبین هم جدا نمی شود. در این شرایط سایر کنتاکت ها نیز تغییر وضعیت نمی دهند. این قابلیت اصلی ترین تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد است. این وضعیت در تصویر زیر نمایش داده شده است. اگر کنتاکتور در پایه 1 و یا پایه های 3 و 4 جوش خورده باشد، با قطع تغذیه بوبین در A1 و A2 کنتاکت های 21 و 22 و یا 31 و 32 با همان فاصله مکانیکی به صورت باز باقی می مانند. باز بودن این کنتاکت ها به صورت مستقیم و یا با کمک PLC ، غیر عادی بودن وضعیت مدار را به اپراتور هشدار میدهد.

کنتاکتور ایمن از مفهومی به نام تیغه های آیینه ای استفاده می کند. تیغه آینه ای مطابق با استاندارد EN 60947-4-1، ضمیمه F، یک کنتاکت کمکی NC است که به طور همزمان با کنتاکت اصلی NO بسته نمی شود. از این کنتاکت کمکی در کاربرد های کنترلی استفاده می شود.

آشنایی با تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد

در بخش های قبلی به صورت اجمالی با ساختار و عملکرد نمونه های استاندارد و ایمن کنتاکتور آشنا شدیم. اما هدف از نگارش این مقاله، آشنایی با تفاوت های این تجهیزات بوده است. در ادامه به بررسی این تفاوت ها خواهیم پرداخت.

میزان سوئیچینگ مدار

تصمیم گیری در مورد انتخاب کنتاکتور ایمن و یا استاندارد در کاربرد های مختلف دشوار نیست. کنتاکتور های ایمن در شرایطی که عملکرد ایمن اهمیت بالایی دارد به کار می رود. به طور مثال وقتی باید با فشردن یک دکمه قطع اضطراری، شکسته شدن یک پرده نوری و یا باز شدن یک در، از قطع شدن هر سه فاز مدار اطمینان حاصل شود از کنتاکتورهای ایمن استفاده می کنیم. اما نکته مهم دیگری که در زمان انتخاب باید در نظر گرفته شود، شرایط کاری مدار است.

تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد در شرایط سوئسچسنگ باید مورد توجه قرار بگیرد. اگر مدار بعد از وصل شدن عملکرد یکنواخت و مشخصی دارد، می توان به انتخاب کنتاکتور ایمن فکر کرد. اما اگر مدار دائما در حال تغییر وضعیت است، توصیه می شود از کنتاکتور استاندارد استفاده کنید. اتصال یکپارچه تیغه ها در کنتاکتور ایمن در کلید زنی با نرخ بالا محدودیت ایجاد می کند.

تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد در حساسیت

منظور از حساسیت کنتاکتور، سرعت عمل آن در قطع مدار است. حساسیت کنتاکتور ایمن و استاندارد با هم متفاوت است. عموما کنتاکتورهای ایمن در زمانی کمتر از 30 میلی ثانیه به سیگنال کنترل عکس العمل نشان می دهند. به بیان دیگر سرعت عمل کنتاکتور ایمن تقریبا دو برابر کنتاکتور استاندارد است.

تفاوت در وجود شاسی دستی

کنتاکتورهای استاندارد اغلب دارای یک شاسی در جلو هستند که به کمک آن می توان وضعیت کنتاکتور را تغییر داد. در کنترل مدارهای استاندارد گاهی استفاده از این شاسی ضرورت دارد. اما در سناریوهای حیاتی، خطرات ایمنی استفاده از این کلید با  دخالت مستقیم دست یک رفتار غیر ایمن محسوب می شود.

یکی دیگر از موارد تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد در حذف شاسی دستی از کنتاکتور ایمن است. کنتاکتورهای ایمن با عدم امکان کنترل دستی از جلوی دستگاه،  خطر اقدامات تصادفی را که می تواند باعث ایجاد شرایط ناامن شود کاهش می دهند. اینکار از راه اندازی های غیر منتظره سیستم نیز جلوگیری می کند.

تفاوت های ظاهری

یکی دیگر از تفاوت های کنتاکتور ایمن و استاندارد، مربوط به مشخصات ظاهری و قاب محافظ آن است. هر کدام از تولید کنندگان رنگ مشخصی را به تجهیزات ایمنی خود اختصاص داده اند. به طور مثال کنتاکتور ایمن برند Allen-Bradley با رنگ قرمز مشخص می شود. کنتاکتور ایمن Siemens مانند سایر محصولات ایمن زیمنس با رنگ زرد در قسمت جلویی آن مشخص می شود.

معرفی کنتاکتور ایمن زیمنس

کنتاکتور زیمنس از جمله تجهیزات فشار ضعیف پرکاربرد در صنایع مختلف است. تنوع بالای محصولات زیمنس در کنار عملکرد مطمئن و قابلیت های عملیاتی بالا، سبب گسترش استفاده از این تجهیزات شده است. تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد زیمنس، علاوه بر موارد کلی که تا به اینجا گفته شد در  طراحی بوبین نیز مشهود است. بوبین کنتاکتور ایمن زیمنس را می توان به صورت مستقیم به خروجی PLC متصل کرد. یعنی با حذف رله های کوپلینگ واسط، PLC می تواند به صورت مستقیم به بوبین کنتاکتور ایمن فرمان بدهد. در تصویر زیر جایگاه و دسته بندی کنتاکتور های زیمنس با رنگ زرد مشخص شده است.

در کد بندی های کنتاکتور استاندارد زیمنس چند رقم اختصاص به ولتاژ بوبین دارد. به این معنا که کنتاکتور استاندارد ولتاژ بوبین مختلفی می تواند داشته باشد. این ولتاژ از 12 ولت  تا 400 ولت متغیر است.

اما در کنتاکتور های ایمن زیمنس ولتاژ بوبین ثابت است. چون این ولتاژ متناسب با خروجی F-PLC های زیمنس طراحی شده است. لذا در هر سری کد بندی های مربوط به مشخصات بوبین مقادیر ثابت قرار گرفته است. در مقاله “انواع 1200  PLC زیمنس” به بررسی نمونه های ایمن در برابر خطای این پی ال سی پرداخته شده است. برای درک بهتر تفاوت نمونه های استاندارد و ایمن کنتاکتور زیمنس، نیاز به بیان مقدمه ای کوتاه در مورد سطوح ایمنی داریم.

مفهوم Fail-Safe  

منظور از سیستم Fail Safe، سیستمی است که بتواند در برابر خطاهای غیرمنتظره از سیستم محافظت کند. تکنیک های مختلفی برای داشتن یک سیستم ایمن مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از این تکنیک ها عبارتند از:

• redundancy یا تکراری کردن
• diversity یا داشتن تنوع
• interlocks یا محافظت از تجهیزات پیشرفته
• failover یا انتقال به سیستم دیگر در صورت نیاز

مفهوم اینترلاک یا قفل داخلی، در مدارهای چپگرد راستگرد موتور مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش راه اندازی موتور الکتریکی، از دو کنتاکتور برای راه اندازی چپگرد و راه اندازی راستگرد استفاده می شود. وظیفه اینترلاک جلوگیری از بروز حالت ناخواسته چپگرد، راستگرد همزمان موتور است. همچنین در راستای redundancy مفهوم کنتاکتور آینه ای معرفی شده است.

مفهوم سطوح ایمنی SIL

SIL  یکی دیگر از مفاهیم مرتبط با ایمنی مدار است. در واقع  SILمقدار عددی معادل سازی شده برای میزان کاهش ریسک است. مطابق با استاندارد IEC 61508، چهار سطح SIL تعریف شده است که SIL 4 بیانگر بیشترین میزان کاهش ریسک و SIL 1 بیانگر کمترین میزان کاهش ریسک است. میزان ایمنی عملکرد مدار با ارئه استاندارد SIL آن بیان می شود.

کنتاکتور ایمن زیمنس در کاربرد آیینه ای

 فارغ از تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد، می توان از هر دو نمونه به منظور افزایش ایمنی در ساختار آینه ای استفاده کرد. در حقیقت مدار آیینه ای تکنیک تکرار کردن تجهیز برای داشتن سطح بالاتری از ایمنی است.

استفاده از یک کنتاکتور ایمن زیمنس به تنهایی ایمنی را تا سطح SIL 2 تامین می کند. اما اگر بخواهیم با استفاده از کنتاکتور، ایمنی مدار را تا SIL 3 بالا ببریم باید از تکنیک کنتاکتور آیینه ای استفاده می کنیم.

طراحی آیینه ای مدار کنتاکتور به این صورت است که در آن از دو کنتاکتور به صورت سری استفاده میشود. در این شرایط اگر کنتاکتور اول نتواند مدار را قطع کند، کنتاکتور دوم مدار را قطع می کند.  هدف از این کار بالا بردن قطعیت ایمنی مدار است. به این معنا که اگر کنتاکتور اول به هر دلیل عمل نکرد، کنتاکتور دوم حتما مدار را قطع کند. به کنتاکتور دوم در این مدار کنتاکتور آیینه ای گفته می شود.

یک تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد زیمنس در کاربرد آن به صورت آیینه­ای است. در تصویر زیر این تفاوت مشخص شده است. با استفاده از کنتاکتور های ایمن در مدار آیینه ای، سیم بندی ها کم شده و نیاز به رله های کوپلینگ وجود ندارد. در این شرایط در فضا و هزینه به صورت قابل توجهی صرفه جویی می شود. این نکته حایز اهمیت است که با جایگزین کردن تنها یک کنتاکتور FailSafe زیمنس، علاوه بر مدیریت فضا و هزینه به سطح خوبی از ایمنی دست می یابیم.

جمع بندی

کنتاکتور به عنوان یکی از تجهیزات پر کاربرد در اتوماسیون صنعتی شناخته می شود. کنتاکتور استاندارد و کنتاکتور ایمن از انواع کنتاکتور های موجود در بازار است. کنتاکتور استاندارد کاربرد عمومی تری دارد. با کنتاکتور استاندارد منهای داشتن ایمنی بالا تقریبا همه کار می توانیم انجام دهیم.

 کنتاکتور ایمن به لحاظ عملکرد مشابه کنتاکتور استاندارد است با این تفاوت که سطح بالاتری از ایمنی را تامین می کند. در کنتاکتور ایمن تیغه ها به صورت مکانیکی به هم متصل هستند. هر سه خط فاز با هم قطع و یا وصل می شوند. تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد را می توان در موارد زیر خلاصه کرد:

• با استفاده از کنتاکتور ایمن زیمنس به صورت آیینه ای دیگر نیاز به رله های کوپلینگ نداریم.
• کنتاکتور استاندارد در کاربردهایی با نرخ سوئیچ بالا گزینه ی مناسب تری از کنتاکتورهای ایمن است.
• کنتاکتور استاندارد علاوه بر کنترل با سیگنال بوبین، امکان قطع و وصل دستی دارد اما کنتاکتور ایمن تنها با سیگنال کنترلی قطع و وصل می شود.
• سرعت عکس العمل کنتاکتور ایمن بالاتر از کنتاکتور استاندارد است.
• تفاوت کنتاکتور ایمن و استاندارد از روی قاب محافظ مشخص می شود. هر برند تولید کننده رنگ مشخصی را به تجهیزات ایمنی خود اختصاص می دهد.

زیمنس به عنوان یکی از تولید کنندگان کنتاکتور ایمن محصولات خود را با رنگ زرد بر روی قاب مشخص می کند. بوبین کنتاکتور ایمن زیمنس به صورتی طراحی شده است که امکان اتصال مستقیم به خروجی پی ال سی های ایمن زیمنس را دارد. کنتاکتور ایمن زیمنس به تنهایی در ساختار آیینه ای می تواند سطح بالایی از ایمنی را فراهم کند. ضمن اینکه با استفاده از کنتاکتور ایمن زیمنس حجم سیم کشی، فضای مورد نیاز  و هزینه ها به صورت قابل توجهی کاهش می یابد.