機械警備におけるセーフティリレーの仕組み（応用例付き）

OSHA の機械防護基準によると、不適切な安全対策により、米国だけで毎年約 800 人の職場での死亡事故と 18,000 人の切断事故が発生しています -。これらの事故のかなりの部分は、不適切に設計された安全回路や安全回路の欠如に遡ります。あ機械保護における安全リレーの応用安全保護装置（E ストップ、ライト カーテン、連動ガード ドアなど）と機械の危険な動きの間の重要なリンクとして機能します。安全入力を監視し、冗長性を通じて自身の内部接点を検証し、障害や人間の介入が検出されるとミリ秒以内に機械を強制的に安全状態にします。{0}このガイドでは、安全リレーがどのように機能するか、保護回路内のどこに属するか、パフォーマンス レベル (PLr) と安全性整合性レベル (SIL) に基づいて正しく配線して選択する方法、監査の不合格や回避可能な傷害につながる実際の間違いについて詳しく説明します。-

セーフティリレーとは何ですか、また標準リレーとの違いは何ですか

安全リレーは、安全入力デバイス - の緊急停止、ガード ドア インターロック、ライト カーテン - を監視し、保護状態がトリガーされたときに危険な機械の動きから電力を確実に遮断するように設計された専用のスイッチング デバイスです。-単に回路を開閉するだけの汎用制御リレーとは異なり、安全リレーには、冗長接点アーキテクチャ, 強制的な-ガイド付き（ポジティブ主導型）接触、 そして内部自己監視ロジック-危険になる前に障害を検出します。機械保護におけるすべてのセーフティ リレー アプリケーションは、これら 3 つの機能が連携して動作することに依存しています。

なぜ標準リレーを使用できないのですか?標準リレーは予期せず故障するためです。負荷がかかると接点が溶断する可能性があり、リレーにはその故障を検出または報告する方法がありません。 IEC 61810-3 で定義されている強制-ガイド付き接点は、常開接点セットと常開接点セット-を機械的にリンクするため、1 つの接点が溶着した場合でも、両方が同時に閉じることはできません。監視回路は NC フィードバック接点を読み取ります。溶着した NO 接点が次のサイクルで引っかかり、リレーがロックアウトします。

実践的なヒント: フィードバック ループ (通常は端子 Y1 ～ Y2) を必ず安全リレーのリセット回路に配線してください。この手順をスキップすると、自己監視機能が完全に無効になります。{{4}大手インテグレータからの現場レポートに基づくと、初回インストールの約 5 件に 1 件で監査人がミスを報告しています。-

認定は、分離のもう 1 つの厳しい境界線です。安全リレーは、次のような機能安全規格を満たす必要があります。IEC 61508(SIL 評価) およびISO13849(パフォーマンス レベルは PL e まで)。これらの規格では、診断範囲の文書化、危険故障までの平均時間（MTTFd）の計算、および通常は TÜV や BG などの機関による第三者による検証-が求められています。-。標準の制御リレーにはこれらの認定がいずれも付与されていないため、リスク評価で安全機能を主張するために使用することはできません。

冗長性:デュアルチャネル入力モニタリングにより、単一の障害によって安全機能が失われることがないようにします。

強制-誘導連絡:機械的にリンクされた接点セットは、溶接された接点を直ちに露出させます。

自己モニタリング ロジック:-相互故障検出とフィードバック ループにより、内部故障時にリレーがロックアウトされます。{0}}

認定された故障データ:公開されている B10d 値 (たとえば、多くのピルツまたは SICK モジュールの 2,000,000 操作) により、定量的な PL/SIL 計算が可能になります。

これらの区別を理解することは、機械保護 - におけるあらゆる安全リレー アプリケーションの基礎であり、これらの区別がなければ、残りの回路設計は無意味になります。

安全リレーの仕組み - 内部ロジックと動作原理

一般的なセーフティ リレー モジュール -、たとえば Pilz PNOZ s4 や Allen-Bradley 440R - のハウジングを剥がすと、すべての層に冗長性が組み込まれていることがわかります。コアアーキテクチャが依存しているのは、デュアルチャンネル入力モニタリング-つまり、リレーが出力接点を通電する前に、2 つの独立した入力パス (チャンネル 1 とチャンネル 2) が両方とも安全状態を確認する必要があります。いずれかのチャネルが一致しない場合、リレーは SIL 3 / PLe 定格のほとんどのモジュールで 20 ミリ秒以内に安全なシャットダウンを強制します。

信号の流れ: 入力から安全な非通電まで-

すべての安全リレーが従う簡略化されたシーケンスは次のとおりです。

入力取得- 両方のチャネルが安全装置 (緊急停止、ガード スイッチ、ライト カーテン) から信号を受信します。-リレーの内部ロジックは、定義された同期ウィンドウ内 (デバイス タイプに応じて通常 0.5 ～ 4 秒) でこれらの信号を比較します。

相互故障検出-- モジュールは、2 つのチャネルが電気的に独立しているかどうかをチェックします。リレーが各チャネルのテスト信号をずらした間隔でパルスするため、チャネル 1 とチャネル 2 の間の短絡 (「クロス障害」) が検出されます。予期しない電圧のオーバーラップが発生すると、ロックアウトがトリガーされます。

フィードバックループ処理- 外部コンタクタの補助接点は、リレーのフィードバック (FBK) 端子にフィードバックされます。リレーなら

出力をオフに命令しましたが、フィードバックは依然として閉じたままであり、溶着したコンタクタを認識し、試運転中に見落とされがちな重要な詳細を再有効化することを拒否します。{0}{1}

出力切り替え- すべてのチェックに合格した後にのみ、強制ガイド付き (リンクされた) リレー接点が閉じ、機械の制御回路に通電します。{1} EN 50205 に基づく強制-ガイド接点では、常開接点と常閉接点が同時に同じ状態になることができないことが保証されています。-

この多層検証により、機械保護におけるセーフティ リレー アプリケーションが、コンタクタを介して配線された標準的な制御リレーとは根本的に異なります。リレーは電源を切り替えるだけではなく、- 各サイクルの前、中、後に安全ループ全体を継続的に検証します。

プロのヒント: フィードバック ループは必ず配線してください。これをスキップしても直ちに故障が発生するわけではありませんが、コンタクタ ベースの安全回路で最も一般的な故障モードである溶接接触検出 - - が排除されます。

安全リレーが必要な一般的な機械保護シナリオ

すべての警備状況に同じアーキテクチャが必要なわけではありませんが、6 つのシナリオがその大部分を占めています。機械の保護における安全リレーの用途ディスクリート製造全体にわたって。それぞれが個別のリスク プロファイル - に対応しており、そのいずれかでリレーの選択を誤ると、監査人 (および怪我) が発見できるギャップが残る可能性があります。

連動式ガードドア- 最も一般的なシナリオ。磁気または舌-式のインターロック スイッチが安全リレーに電力を供給し、ドアが開くと危険な動作に対する電力が遮断されます。重要な詳細: 機械の惰行停止時間が長い場合は、リレーが速度ゼロを確認するまでドアを閉じたままにするガードロック インターロック (ソレノイド ボルトなど) が必要です。-

非常停止回路- OSHA の機械保護基準では、ほとんどの産業用機器に非常停止機能が必要です。-安全リレーは E-ストップ マッシュルーム- ヘッド ボタンを監視し、ISO 13850 に従ってカテゴリ 0 またはカテゴリ 1 の停止を強制します。

ライトカーテン（AOPD）- プレス ブレーキやロボット セルを保護するタイプ 4 ライト カーテンは、OSSD 出力を介して安全リレーに直接接続されます。ここでの応答時間の予算は厳しいです - 安全な距離の計算を有効に保つために、リレーと組み合わせた一般的な 14 mm 解像度のカーテンは、合計システム応答を 30 ミリ秒未満に達成する必要があります。

安全マット--パレタイザーや巻取機の周囲にある感圧マットは、オペレーターが危険ゾーンに足を踏み入れるとリレーに信号を送ります。マットの故障を検出するにはデュアルチャネル配線が必須です。-

2 つのハンド コントロール ステーション-- 機械プレスやスタンピングマシンで使用され、両方のボタンを 0.5 秒以内に押す必要があります。安全リレーは同期作動を強制し、片手によるバイパスを防ぎます。-

スイッチを有効にする- ロボットの教示モード中にオペレーターが保持する 3 つの位置デバイス。-スイッチを放すか慌てて-スイッチを握ると、リレーが作動して電力が遮断されます。

米国労働統計局による 2022 年の分析によると、製造業における職場での死亡事故全体の約 13% が機械との接触によるものでした-。このことは、機械の保護シナリオにおけるこれらの安全リレーの適用には、後付けのコンプライアンスではなく厳格な設計が必要である理由を浮き彫りにしています。

非常停止、ライト カーテン、安全ゲート用の安全リレーの配線-

毎機械の保護における安全リレーの応用共通のスケルトン - デュアル- チャネル入力、フィードバック ループ、およびリセット回路 - を共有しますが、配線トポロジは、E-} ストップ、ライト カーテン、またはインターロックされたセーフティ ゲートのいずれを接続しているかに応じて変化します。端子の割り当てを間違えることは、完全に優れた安全機能を無効にする最も早い方法です。

デュアル-チャンネル入力配線

E- 停止ボタンは、ほとんどのリレー モジュール (Allen-Bradley 440R、Pilz PNOZ、または Sick UE10) のチャネル S11/S12 および S21/S22 に配線された常閉 (NC) 接点を使用します。両方のチャネルを同時に開く必要があります。不一致時間が約 500 ミリ秒を超えると、障害ロックアウトがトリガーされます。ライトカーテンは異なります。OSSD (出力信号スイッチングデバイス) 出力はソリッドステートであり、パルス状の 24 V DC テスト信号を送信します。-。信号の劣化を避けるために、OSSD1 → S11 および OSSD2 → S21 を配線し、ケーブルの長さを 30 m 未満に保ちます。セーフティ ゲート スイッチ - 磁気式または舌状- タイプ - は E- 停止トポロジを反映していますが、危険な動作が停止した後にのみリレーが通電するソレノイド ロック出力が追加されています。

フィードバック ループとリセット オプション

必ず補助 NC 接点を各外部コンタクタ (K1、K2) からリレーのフィードバック端子 (Y1 ～ Y2) に配線して戻します。これ放電加工(外部デバイスのモニタリング) ループは、溶着したコンタクタ チップ - の推定原因となる故障モードを検出します。23% の安全回路障害-SICK の安全工学データによる。

E ストップと安全ゲートの場合は、次を使用します。{0}監視付き手動リセット- は端子 S33 と S34 - の間に一時的な押しボタンがあり、マシンが無人で再起動できないようにします。対照的に、ライト カーテン回路では、オペレータが検出ゾーンに急速に出入りする場合に、自動再起動 (ジャンパ S33 ～ S34) が許可されることがよくあります。ゲートでの自動再起動をスキップします。 ISO 14119 では、インターロック ガードについてはこれを明示的に禁止しています。

プロのヒント: すべてのデュアル チャネル ワイヤ ペアに、一致するフェルールの色を付けてラベルを付けます。{0}}検証テスト中は、各チャネルを個別にフォールトする必要があります。- カラーコーディングにより、トラブルシューティングの時間が半分に短縮されます。

インターロック式ガードドア用の安全リレー回路のステップバイステップ例

ここでは、具体的で複製可能なリファレンス デザインを示します。機械の保護における安全リレーの応用- 具体的には、ISO 13849-1 に従って PLd / カテゴリ 3 に評価された CNC フライス加工セルのヒンジ付きガード ドアです。

コンポーネントの選択

インターロックスイッチ：Schmersal AZM 161 タング-スタイルのインターロック (NC 安全接点 2 個 + 1 補助なし)、200 万回の動作定格。

セーフティリレーモジュール:Pilz PNOZ 5 - のデュアル チャネル入力、2 つの NO 安全出力、診断用の NC 補助 1 つ。

コンタクタペア:安全リレーのフィードバック ループ (端子 Y1 ～ Y2) にフィードバックされるミラー接点を備えた 2 つの Siemens 3RT2 コンタクタ。

配線順序

インターロックの NC1 接点をリレーのチャンネル 1 (S11 ～ S12) に配線し、NC2 接点をチャンネル 2 (S21 ～ S22) に配線します。単一の連絡先から両方のチャネルをブリッジしないでください- がそうすることは冗長性を無効にし、カテゴリ 3 アーキテクチャに違反します。

PNOZ s5 安全出力 (13 ～ 14、23 ～ 24) を各コンタクタのコイルにそれぞれ接続します。

ミラー接点を両方のコンタクタからリレーのフィードバック入力 (Y1 ～ Y2) に戻します。これにより、リセットを許可する前に、リレーは両方のコンタクタが実際にドロップアウトしたことを確認する必要があります。

手動リセット ボタンを S33 ～ S34 間に配線します。選ぶ監視付き手動リセット- オペレータはボタンを放して押す必要があり、ボタンのバイパスが発生しないようにします。-

試運転チェック

ガード ドアを開けて、両方の接触器の電源が 20 ミリ秒以内に切れることを確認します。{0}次に、1 つのチャネルを切断した場合にリレーがリセットを拒否することを確認します -。これにより、交差故障検出が機能することがわかります。-。ピルツの機械安全ガイドラインによると、おおよそ次のとおりです。ガード-ドアの安全性の欠陥の 37%間違ったフィードバック配線に遡って、このループを 2 回テストしてください。

プロのヒント: すべてのワイヤに端子の指定をラベル付けします前にパワーアップ中。ラベルが間違っているフィードバック ワイヤは、通常の動作中にトリップすることはありません - 失敗するのは、実際に必要な場合のみです。

PLr および SIL 要件に基づいた適切なセーフティ リレーの選択

リスク評価の出力 -、ISO 13849-1 に基づく必須パフォーマンス レベル (PLr) または IEC に基づく安全完全性レベル (SIL) のいずれか 62061 - は、安全リレーを選択する際の最も重要な入力です。これを誤解すると、機械保護における安全リレーの応用全体が、現場で失敗する前に机上で失敗してしまうことになります。

カテゴリのアーキテクチャとパフォーマンス レベルのマッピング

ISO 13849-1 では 5 つのカテゴリ アーキテクチャ (B、1、2、3、4) が​​定義されており、それぞれに冗長性と診断要件が規定されています。よくある誤解: カテゴリだけでは PL は決まりません。こちらも必要です危険な障害が発生するまでの平均時間 (MTTFd)そして診断範囲 (DC)。たとえば、「高い」MTTFd (チャネルごとに 30 ～ 100 年) と DC が 90% 以上のカテゴリ 3 リレーは、PL d - に達する可能性がありますが、DC が 60% を下回ると、PL c で止まってしまいます。

実践的なヒント: -ピルツ、SICK、または Allen-Bradley のほとんどのデュアルチャネル安全リレーは、すでに達成可能な PL と SIL をデータシートに直接公開しています。 -他のものを評価する前に、リレーの記載値を PLr と照合してください。-これにより、SISTEMA の計算にかかる時間を節約できます。

SIL と PL の同等性

ピルツの標準参照ライブラリによって編集されたデータによると、産業機械の保護アプリケーションの約 78% が PLr d / SIL 2 に該当します。つまり、強制ガイド付き接点と 90% 以上の診断カバレッジを備えたカテゴリ 3 リレーは、Cat. 4 ハードウェアのコストを支払うことなく、機械保護 - の安全リレー アプリケーションの大部分を処理できます。

データシートで確認すべきこと

PL / SIL クレームの記載- には証明書参照 (TÜV レポート番号など) を含める必要があります。

B10d値電気機械接点の場合、- は、MTTFd がスイッチング周波数に応じてどのようにスケールされるかを決定します。

応答時間- は、停止距離がリレー遅延（通常 15 ～ 25 ミリ秒）に依存するライト カーテン用途で重要です。-

安全出力数- Cat. 3/4 には、少なくとも 2 つの独立したシャットダウン パスが必要です。

認定された PL または SIL 評価のないカテゴリ番号のみが記載されているリレーはスキップしてください。カテゴリはアーキテクチャの説明であり、安全性に関する主張ではありません -。区別監査人がすぐに把握します。

安全リレーと安全コントローラ - それぞれを使用する場合

スタンドアロンの安全リレーは、1 つまたは 2 つの安全機能を見事に処理します。-ここでは E ストップ回路、ここではガード- インターロック。しかし、マシンに 6、8、または 12 個の個別の安全機能が必要になると、個々のリレー モジュールの配線は相互接続のネズミの巣となり、トラブルシューティングは推測に変わります。-これは、プログラマブル セーフティ コントローラがコスト プレミアムを獲得する分岐点です。

決定要因の概要

実用的なクロスオーバーポイント

実際のプロジェクトで有効な経験則は次のとおりです。単一のマシンまたはセルが 4 ～ 5 つの独立した安全機能を超えると、配線作業、パネル スペース、診断の制限を含む個々の安全リレー モジュールの総コスト - - は、通常、Pilz PNOZmulti 2 や Allen- Bradley GuardLogix などのコンパクトな安全コントローラへの投資を上回ります。ピルツ独自のエンジニアリング ガイドラインによると、8 つのスタンドアロン リレーを 1 つの構成可能なコントローラーに統合することで、配線の労力を最大 40% 削減できます。

習慣からより大きなソリューションをデフォルトにしないでください。機械の保護における単純な安全リレー アプリケーションの場合-、たとえば、1 つの E{2}} ストップと 1 つのインターロックされたガード - の場合、専用のリレー モジュールの方が安価で、試運転が速く、メンテナンス技術者にとって特殊なソフトウェアを使用しない方が理解しやすいです。複雑さはツールを正当化するものであり、その逆ではありません。

プロのヒント: リスク評価でさまざまなパフォーマンス レベルの機能 (ガード ドアの PLd、ライト カーテンの PLe など) が特定された場合、セーフティ コントローラを使用すると、ソフトウェア - の各チャネルに個別の安全完全性を割り当てることができます。これには、個別のリレー モジュールと、ハードワイヤード アプローチでの慎重な回路分離が必要です。

セーフティリレーを保護回路に組み込む際のよくある間違い

経験豊富な制御エンジニアでも、機械の保護におけるセーフティ リレー アプリケーションの機能を静かに低下させるエラーを犯します。機械保護に関する引用に関する OSHA 分析では、一貫して不適切な安全装置の統合が違反の上位にランクされています - があり、安全回路内の配線ミスが根本原因として繰り返されています。

フィードバック ループ (EDM) のバイパス

外部デバイス監視 (EDM) 入力を永続的な High 信号にジャンプすることは、最も危険な近道です。 EDM がなければ、溶接された出力コンタクタは検出されず、リレーは停止できなくなった機械に喜んで再通電します。-すべての出力コンタクタの補助 NC 接点を常に EDM 端子に配線し直します。

安全出力での標準コンタクタの使用

非-強制-ガイド付き接触器は、NO 接点と NC 接点の両方を同時に溶接することができ、フィードバック ロジックを完全に無効にします。 IEC 61810-3 に準拠した強制ガイド付き (「ミラー接点」とも呼ばれる) コンタクタは機械的リンケージを保証します。NO 接点が溶着すると、NC 接点は物理的に閉じることができません。コスト削減をスキップします。定格コンタクタを使用してください。

間違ったデュアル-チャンネル配線

両方のチャネルを同じケーブル トレイまたは電線管を通して配線すると、共通の原因となる障害パスが作成されます。{0}導体間の 1 つの短絡により、チャネル 1 がチャネル 2 にブリッジされ、リレーが 2 つの正常な入力を認識するように騙される可能性があります。独立した配線 -、または少なくとも独立したヒューズを備えたシールド導体 - を使用すると、このリスクが排除されます。

定期的な証明テストの怠り

ISO 13849-1 の計算では、定義されたプルーフ テスト間隔 (PLe アプリケーションの場合は通常 12 か月ごと) を前提としています。この間隔を欠くと、実際の PFH が低下します。_d認定値を超えると、書類上および実際の性能レベルの主張が無効になります。

リセットモードの誤解

監視付き手動リセットを自動再起動として設定すると、ガード ドアが閉じた後に予期しないマシンの動作が発生します。リセット モードはリスク評価と一致する必要があります。-自動再起動は、危険ゾーンが解除される前に再突入が物理的に不可能な場合にのみ許容されます。-

機械警備におけるセーフティリレーアプリケーションに関するよくある質問

セーフティリレーはPLCなしでも動作しますか?

絶対に。配線された安全リレーは、プログラマブル コントローラから独立して動作します。リレーの内部ロジック - 強制-ガイド付き接点、交差故障検出、リセット監視 - は自己完結型の安全ループとして機能します -。多くの小型マシンは、PLC の関与なしで安全リレーのみで動作します。これにより、検証するソフトウェアがないため、実際に検証が簡素化されます。

セーフティリレーはどれくらいの頻度で実証試験を受ける必要がありますか?

ISO 13849-1 では、達成されたパフォーマンス レベルに直接影響する実証テストの間隔を想定しています。ほとんどの PLd および PLe アプリケーションについて、ピルツやシュマーザールなどのメーカーは、少なくとも機能証明テストを推奨しています。年に1回。一部の-需要の高い環境では、-スタンピングプレス、ロボットセル-が四半期ごとにテストされます。証明テストをスキップすると、診断カバレッジ (DC) が ISO 13849-1 の計算で想定される値よりも低下し、実際の安全性が静かに低下する可能性があります。

1 つの安全リレーで複数のガード ドアを監視できますか?

技術的には可能です - 2 つのインターロック スイッチを 1 つのデュアル チャネル リレーに直列に配線できます。-しかしそうすることは開くことを意味しますどちらかドアが同じ出力への通電を遮断すると、個々のドアの故障診断が失われます。- PLr d 以上の場合は、ガード ドアごとに 1 つのリレーを使用します。得られる診断の明確さに比べれば、コストの差はわずかです。

安全リレーが故障を検出するとどうなりますか?

リレーは安全出力を開いた（通電されていない）状態にロックし、障害が解消されるまでリセットを拒否します。- 1 つの接触チャネルの交差溶接、地絡、またはデュアル チャネル間のタイミングの不一致はすべて、このロックアウトを引き起こします。補助監視接点 (通常は 13-14 というラベルが付いています) が切り替わり、診断のために PLC または HMI に障害を信号で知らせます。

安全リレーが正しく機能していることをどのように確認しますか?

各入力デバイスをトリガーして - ガードを開き、E- ストップ - を押して、必要な応答時間内にマシンが実際に停止することを確認します。次に補助接点の状態をマルチメーターで確認します。インジケーター LED だけを信頼しないでください。実際の接触状態を測定します。すべてのテストを日付、テスター名、測定された応答時間とともに文書化します。

すべてをまとめる - マシン保護プロジェクトの実用的な要点

機械保護における安全リレーの適用を成功させるには、正確に指定する、防御的に配線する、徹底的に検証するという 3 つのフェーズが必要です。どれかをスキップすると、大まかなグループに参加する危険があります機械-関連の怪我の 18%OSHAは、安全対策が不十分または回避されたことを原因としています。

試運転前のチェックリスト-

まずリスク評価を完了してください。ISO 12100 を使用して危険を特定し、ISO 13849-1 に基づいて必要なパフォーマンス レベル (PLr) または IEC 62061 に基づいて SIL を導き出します。

リレーを PLr/SIL に合わせます。リレーが「すべてをカバーしている」とは決して考えないでください。- SISTEMA または PAScal の計算に対して B10d 値と診断カバレッジを確認してください。

相互障害監視を備えたデュアル チャネル配線を使用します。-一般的なショート原因を防ぐために、チャンネル A とチャンネル B を別々のケーブル トレイまたは導管に配線します。{0}}

補助接点を介してフィードバック ループ (EDM) を配線します。すべてのコンタクタで安全出力が駆動されます。 EDM がないということは、コンタクタの溶接検出がないことを意味します。-

すべての端子にラベルを付け、すべての接続を文書化します。配線図をキャビネットに保管しておいても役に立ちません。- CMMS にリンクされたデジタル コピーを保管してください。

負荷をかけた状態で機能テストを実行する最初の生産実行前: 各入力デバイスをトリップし、計算された停止時間内に機械が実際に停止することを確認します。

定期的な実証テストをスケジュールします。カテゴリ 4 / PL e アーキテクチャでも、通常は 12 か月ごと、またはメーカーのガイダンスに従って、検証間隔 - が必要です。

推奨される次のステップ

初めて安全リレーを指定する場合は、単一の非常停止回路から始めて、端から端まで検証してから、ガード ドアやライト カーテンまで拡張してください。--リレー メーカーのアプリケーション ノートを参照してください。- Pilz、SICK、Allen-Bradley はいずれも、各保護シナリオに特化した無料の配線例を公開しています。この実践的な反復により、データシートだけでは得られない自信が生まれます。-