Cómo utilizar contactores de seguridad para obtener soluciones óptimas de seguridad industrial

Los contactores de seguridad son necesarios en las aplicaciones industriales para garantizar que las máquinas y los sistemas puedan conmutarse a un estado seguro de forma fiable y predecible, a menudo en caso de error de funcionamiento o solicitud de una función de seguridad. El punto de partida para diseñar sistemas de seguridad industrial es determinar si la aplicación requiere niveles de integridad de la seguridad (SIL) de hasta SIL 2, tal como se define en la norma IEC 62061, o el nivel de prestaciones (PL) c de la norma ISO 13849. Algunas aplicaciones requieren mayores niveles de seguridad.

Considere las directrices de la norma IEC 60947-4-1, que se centran en el diseño y las pruebas de interruptores y dispositivos de control de baja tensión, y la norma ISO 13849-1, que proporciona principios generales para el diseño y la integración de partes de los sistemas de control relacionadas con la seguridad, incluidos el hardware y el software.

Este artículo muestra cómo diseñar sistemas de seguridad utilizando contactores de seguridad 3RT2 de Siemens con funcionamiento a prueba de fallos para realizar soluciones de seguridad industrial óptimas. También revisa la consecución de niveles SIL y PL más altos y cuestiones de integración de sistemas como la gestión térmica de contactores y concluye con una inmersión en cómo personalizar una solución de seguridad utilizando accesorios como interconexiones redundantes, supresores de sobretensiones, módulos de función, etc., para una optimización adicional de la aplicación y la seguridad.

Los contactores 3RT2 están disponibles con opciones de funcionamiento convencional y de estado sólido, tamaños S00 a S2 que pueden manejar hasta 37 kW. Para los contactores con un mecanismo de funcionamiento de estado sólido, especifique la inclusión de una señal opcional de vida útil restante.

Estos contactores cumplen los requisitos de la norma IEC 60947-4-1 categoría AC-3e para su uso con motores de alta eficiencia IE3 o IE4. Disponen de diversas configuraciones de salida auxiliar, incluidos contactos normalmente abiertos (NO) y normalmente cerrados (NC) que pueden utilizarse para proporcionar información sobre si el circuito principal está encendido o apagado. Puede utilizarse retroalimentación para activar luces indicadoras, alarmas u otros dispositivos de control. Algunos ejemplos de contactores 3RT2 son los siguientes:

• 3RT20152AP611AA0: tamaño S00, para 7 A, 3 kW / 400 V, tripolar, 220 V_CA 50 Hz / 240 V_CA a 60 Hz, contactos auxiliares: 1 NO, con terminales de resorte
• 3RT20231AK60: tamaño S0, nominal para 9 A, 4 kW / 400 V, tripolar, 110 V_CA 50 Hz / 120 V_CA a 60 Hz, contactos auxiliares: 1 NO + 1 NC, terminales roscados (figura 1)
• 3RT20281AN20: tamaño S0, capacidad 38 A, 18.5 kW / 400 V, tripolar, 220 V_CA, 50/60 Hz, contactos auxiliares: 1 NO + 1 NC, terminales roscados
• 3RT20371KB40: tamaño S2, para 65 A, 30 kW / 400 V, tripolar, 24 V_CC, con varistor integrado, contactos auxiliares: 1 NO + 1 NC, terminales roscados
• 3RT20371SF30: tamaño S2 con entrada F-PCL-IN, capacidad 65 A, 30 kW / 400 V, tripolar, 83 V_CA a 150 V_CA/V_CC, 50/60 Hz, con varistor integrado, contactos auxiliares: 1 NC, terminales roscados

Figura 1: Este contactor de tamaño S0 tiene una potencia nominal de 4 kW y una salida auxiliar NC y otra NO. (Fuente de la imagen: Siemens)

El tiempo de respuesta es crucial para la seguridad

A la hora de diseñar soluciones de seguridad industrial, es importante comprender el impacto del tiempo de respuesta global. Consta de varios parámetros. Al realizar una evaluación de riesgos, el tiempo de respuesta se define como el tiempo total en el que debe detenerse cualquier movimiento peligroso en caso de requerimiento de seguridad. Algunos de los factores que influyen en el tiempo de respuesta son:

• Tiempo de reacción de entrada de los sensores de la unidad de control de seguridad
• Duración del ciclo del programa de seguridad
• Tiempo de retardo de los protocolos de comunicación
• Tiempo de sobrerrecorrido por la inercia del motor o actuador
• Tiempo de interrupción del contactor

El tiempo de interrupción para contactores electromecánicos y arrancadores de motor está cubierto por la norma IEC 60947-4-1. La norma establece los requisitos para cortar corrientes de forma segura en distintas condiciones de funcionamiento.

También define categorías de utilización que clasifican el tipo de carga y las condiciones de funcionamiento del contactor, como AC-3e para motores de alta eficiencia. La norma incluye procedimientos para probar el tiempo de ruptura y otras características de rendimiento de los contactores.

El tiempo de interrupción del contactor es un parámetro crítico en los sistemas de seguridad. Se define como el tiempo que transcurre desde la eliminación de la tensión de la bobina hasta la apertura de los contactos principales, incluyendo el retardo de apertura (OD) más el tiempo de cebado de los contactos (AT).

Por ejemplo, cuando se utiliza un contactor con un rendimiento de conmutación como el ilustrado en la Figura 2, el tiempo de interrupción, OD + AT, se sitúa entre 50 y 75 ms. Al calcular el tiempo de respuesta total, siempre hay que tener en cuenta los valores más desfavorables: en este caso, 75 ms (Figura 2).

Figura 2: En este ejemplo, el tiempo de ruptura total de los contactos principales (OD + AT) se especificaría en 75 ms, la peor posibilidad. (Fuente de la imagen: Siemens)

¿Qué nivel de seguridad se necesita?

Los diseños SIL 2 y PL c se centran en sistemas en los que los fallos podrían provocar daños importantes, mientras que los diseños SIL 3 y PL e son para sistemas en los que los fallos podrían tener consecuencias catastróficas. Los sistemas SIL 3 y PL e son más complejos y requieren más ingeniería, integración y mantenimiento. Los sistemas SIL 2 y 3 y PL c y e son altamente fiables. Aun así, los sistemas SIL 3 y PL e están diseñados para ofrecer una fiabilidad aún mayor, con redundancia y mecanismos a prueba de fallos para mitigar posibles fallos.

El uso de contactores de seguridad es clave para conseguir soluciones de seguridad más sencillas y económicas. Estos contactores disponen de una entrada de seguridad específica (F-PLC-IN) para garantizar que pasan a un estado seguro en caso de fallo, como una pérdida de alimentación o un error de la señal de control.

La entrada F-PLC-IN permite la conexión directa a un controlador a prueba de fallos (F-DQ), lo que posibilita la implementación de funciones de seguridad como paradas de emergencia o enclavamientos. El uso de la entrada F-PLC-IN elimina la necesidad de varios componentes externos, como relés de acoplamiento y un controlador dedicado (DQ) para el contactor.

Con los contactores de seguridad 3RT2, los sistemas pueden diseñarse para cumplir los requisitos SIL 2 o PL c con un solo contactor y SIL 3 o PL e con dos contactores en una configuración redundante en serie. La simplificación del sistema resultante puede aumentar la fiabilidad y reducir los costes del sistema de seguridad (Figura 3).

Figura 3: El uso de contactores con clasificación de seguridad 3RT2 (abajo) admite mayores niveles de seguridad con menos componentes en comparación con los contactores sin clasificación de seguridad (arriba). (Fuente de la imagen: Siemens)

La herramienta de evaluación de la seguridad (SET) gratuita de Siemens para IEC 62061 e ISO 13849-1 ha sido probada por TÜV. SET incluye un entorno de evaluación y desarrollo de sistemas de seguridad paso a paso que permite evaluar de forma rápida y sencilla las funciones de seguridad de una máquina. Con SET, se puede elaborar fácilmente un informe conforme a la norma seleccionada, que puede integrarse en la documentación como prueba de seguridad.

Consideraciones térmicas y EMI (interferencia electromagnética)

Como cualquier otro dispositivo de gestión de potencia, el diseñador debe tener en cuenta el calor generado al utilizar contactores 3RT2. Son aparatos muy eficientes, así que no se calientan mucho, pero algo sí. Por ejemplo, el modelo 3RT20371KB40 está preparado para cargas de hasta 30 kW y genera hasta 11 W de pérdida de potencia.

El diseño básico de los contactores 3RT2 es adecuado para montaje adosado y funcionamiento a temperaturas ambiente de -25 °C a +60 °C con refrigeración por convección natural. Algunos de estos contratistas pueden utilizarse a temperaturas de hasta +80 °C con restricciones de funcionamiento específicas

Entre +60 °C y +70 °C, estos contactores pueden usarse de forma continua con una reducción adecuada de la corriente y la frecuencia de conmutación (conmutaciones por hora). Además, puede ser necesaria una holgura de 10 mm para garantizar una mejor disipación del calor con el montaje lado a lado.

Los contactores 3RT2 pueden utilizarse durante un máximo de una hora a una temperatura ambiente de entre +70 °C y +80 °C con una disminución de potencia adicional. No obstante, la temperatura ambiente media no debe superar los +60 °C durante un periodo de 24 horas.

Estas recomendaciones de temperatura ampliadas sólo se aplican a los contactores que no contienen componentes electrónicos. Se recomienda utilizar los contactores con electrónica integrada solo hasta +60 °C para garantizar una vida útil máxima.

En caso necesario, se pueden utilizar los contactores S00 y S0 que no incluyen electrónica a una temperatura ambiente mínima de -50 °C, si no hay condensación, pero la durabilidad mecánica se reducirá hasta en un 50%. Las demás especificaciones de rendimiento no cambiarán. Los contactores con electrónica integrada, o los utilizados con accesorios electrónicos, no deben utilizarse a temperaturas inferiores a -40 °C.

Accesorios para personalizar la solución de seguridad

Aunque los contactores son el corazón del sistema, a menudo es necesario añadirles accesorios para conseguir una solución de seguridad óptima. Por ejemplo, los contactores 3RT2 de tamaño S00 tienen numerosas opciones, como contactos auxiliares, interruptores auxiliares, módulos de enlace inteligente, supresores de sobretensión, supresores EMC, etc. (Figura 4).

Figura 4: La gran variedad de accesorios disponibles permite personalizar las aplicaciones de seguridad. (Fuente de la imagen: Siemens)

Comience con el kit de cableado 3RA29132AA1 (piezas ⑯, ⑰ y ⑱ de la figura 4). Dispone de terminales de tornillo para conectar los cables y de un sistema de enclavamiento mecánico que garantiza un sólido rendimiento eléctrico y mecánico.

Si una aplicación requiere una conexión en serie de dos contactores para alcanzar la seguridad SIL 3 o PL e, añada el conector en serie de seguridad 3RA29261A(⑮). La adición de un bloque de enclavamiento como el 3RT29263AB31 (no mostrado) permite que el contactor permanezca en su estado activado (on) incluso después de que se elimine el impulso de alimentación inicial y puede mejorar aún más la seguridad en algunas aplicaciones.

Se pueden añadir bloques funcionales para conectar el contactor al sistema de control. El módulo de funciones 3RA27111AA00 (⑧) puede habilitar una conexión IO-Link. El módulo 3RA27122AA00 (⑦) agrega una AS-Interface que puede conectarse con buses de campo de nivel superior como PROFINET. Los módulos de funciones como el 3RA28132FW10 (⑥) pueden utilizarse para tareas de control como el arranque directo en línea, el arranque inverso y el arranque estrella-triángulo (estrella-triángulo).

También existe la opción de añadir bloques de interruptores auxiliares con contactos más pequeños para implementar funciones como el enclavamiento, la secuenciación y la supervisión del estado del contratista principal. Los contactos auxiliares están disponibles en varias configuraciones, como montaje lateral o frontal, con contactos NO o NC y varios números de polos. Por ejemplo, 3RH29111DA02 (②) es un modelo bipolar de montaje lateral, y 3RH29111NF02 (④) es una configuración bipolar de montaje frontal.

Para mejorar el rendimiento del sistema, agrega un módulo supresor EMC como el 3RT29161PA2 (no mostrado) que utiliza elementos RC para suprimir las sobretensiones, especialmente al desconectar cargas inductivas como motores, ayudando a prevenir daños en las bobinas y reduciendo las interferencias electromagnéticas. Un supresor de sobretensiones como el 3RT29261CD00 (⑨) puede proteger la bobina utilizando un varistor para absorber los picos de alta tensión que se producen cuando la bobina está desenergizada.

Conclusión

La serie 3RT2 de Siemens está disponible en los tamaños S00 a S2, que pueden gestionar hasta 37 kW. Estos contactores con clasificación de seguridad permiten desarrollar sistemas de seguridad con clasificaciones desde SIL 2 y PL c, hasta SIL 3 y PL e. Hay disponibles muchos accesorios, como módulos de enlace inteligentes, contactos auxiliares, interruptores auxiliares, supresores de sobretensiones, supresores CEM, etc., para mejorar aún más el diseño y el rendimiento.

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