안전 등급 접촉기를 사용하여 최적의 산업 안전 솔루션을 실현하는 방법

작성자: Jeff Shepard

DigiKey 북미 편집자 제공

2025-05-21

안전 등급 접촉기는 산업 응용 분야에서 대개 작동 오류가 발생하거나 안전 기능이 요청될 경우 기계 및 시스템을 안전 상태로 예측 가능하게 안정적으로 전환하는 데 필요합니다. 산업 안전 시스템을 설계할 때의 시작점은 해당 응용 제품이 IEC 62061에서 정의된 최대 SIL 2(안전 무결성 등급)의 SIL 등급 또는 ISO 13849의 PL c(성능 레벨 c)가 요구되는지 판단하는 것입니다. 응용 제품에 따라 더 높은 수준의 안전 레벨이 요구될 수 있습니다.

저전압 스위치 및 제어 장치를 설계하고 테스트하는 데 중점을 둔 IEC 60947-4-1의 지침과, 하드웨어 및 소프트웨어를 비롯한 제어 시스템의 안전 관련 부품을 설계 및 통합하는 일반 원칙을 제공하는 ISO 13849-1을 고려해 보겠습니다.

이 기사에서는 고장 시 안전 작동 기능을 갖춘 Siemens의 3RT2 안전 등급 접촉기를 사용하여 안전 시스템을 설계하는 방법을 소개합니다. 또한 더 높은 SIL 및 PL 레벨 달성과 접촉기 열 관리와 같은 시스템 통합 문제를 검토하고, 끝으로 추가적인 응용 제품 및 안전 최적화를 위해 이중화 상호 연결, 서지 억제기, 기능 모듈 등의 부속품을 사용하여 안전 솔루션을 사용자 지정하는 방법을 자세히 살펴봅니다.

3RT2는 일반 및 무접점 작동 옵션으로 제공되며, 최대 37kW를 처리할 수 있는 S00 ~ S2 크기를 지원합니다. 무접점 작동 메커니즘을 가진 접촉기의 경우, 선택적으로 잔여 수명 신호 포함을 지정할 수 있습니다.

이러한 접촉기는 고효율 IE3 또는 IE4 모터에 사용할 수 있도록 IEC 60947-4-1 카테고리 AC-3e 요구 사항을 충족합니다. 이 장치는 주 회로의 on 상태 또는 off 상태에 대한 피드백을 제공하는 데 사용할 수 있는 NO(상시 개방) 및 NC(상시 폐쇄) 접점을 비롯한 다양한 보조 출력 구성을 가집니다. 표시등, 알람 또는 기타 제어 장치 트리거를 위한 피드백을 사용할 수 있습니다. 3RT2 접촉기 예에는 다음이 포함됩니다.

3RT20152AP611AA0 - S00 크기, 7A, 3kW/400V, 3극, 220V_AC 50Hz/240V_AC 60Hz, 보조 접점: 1 NO, 스프링 장착 단자 포함
3RT20231AK60 - S0 크기, 9A, 4kW/400V, 3극, 110V_AC 50Hz/120V_AC 60Hz, 보조 접점: 1 NO + 1 NC, 나사 단자(그림 1)
3RT20281AN20 - S0 크기, 38A, 18.5kW/400V, 3극, 220V_AC, 50/60Hz, 보조 접점: 1 NO + 1 NC, 나사 단자
3RT20371KB40 - S2 크기, 65A, 30kW/400V, 3극, 24V_DC, 통합 배리스터 사용, 보조 접점: 1 NO + 1 NC, 나사 단자
3RT20371SF30 - S2 크기(F-PCL-IN 입력 사용), 65A, 30kW/400V, 3극, 83V_AC ~ 150V_AC/V_DC, 50/60Hz, 통합 배리스터 사용, 보조 접점: 1 NC, 나사 단자

정격 4kW의 S0 크기 접촉기 이미지 그림 1: 이 S0 크기 접촉기는 정격 4kW이며 1개 NC 및 1개 NO 보조 출력을 가집니다(이미지 출처: Siemens).

안전의 핵심인 응답 시간

산업 안전 솔루션을 설계할 때는 전체 응답 시간의 영향을 이해하는 것이 중요합니다. 응답 시간은 여러 파라미터로 구성됩니다. 위험 평가 수행 시, 응답 시간은 안전 요구 사항 발생할 경우 위험한 모든 움직임이 중지되어야 하는 총 시간으로 정의됩니다. 응답 시간에 영향을 주는 요인에는 다음이 포함됩니다.

안전 모니터링 장치에서 센서의 입력 반응 시간
안전 프로그램의 주기 시간
통신 프로토콜의 지연 시간
모터 또는 액추에이터의 관성으로 인한 초과 이동 시간
접촉기의 차단 시간

전기 기계 접촉기 및 모터 시동기의 차단 시간은 IEC 60947-4-1에 의해 규정되어 있습니다. 이 표준은 다양한 작동 조건에서 전류를 안전하게 차단하기 위한 요구 사항을 명시합니다.

또한 부하의 유형을 분류하는 활용 카테고리와 접촉기 작동 조건(고효율 모터의 경우 AC-3e)을 정의합니다. 이 표준에는 접촉기의 차단 시간 및 기타 성능 특성을 테스트하기 위한 절차가 포함되어 있습니다.

접촉기 차단 시간은 안전 시스템에 중요한 파라미터로, 코일 전압을 제거한 후 주 접점이 개방될 때까지의 경과 시간으로 정의되며, OD(개방 지연) 및 접점 AT(아크 시간)를 포함합니다.

예를 들어, 그림 2에 표시된 것처럼 스위칭 성능을 갖춘 접촉기를 사용할 경우, 차단 시간 OD + AT는 50ms ~ 75ms입니다. 총 응답 시간을 계산할 때는 항상 최악의 경우를 고려한 값을 고려해야 합니다. 이 경우에는 75ms입니다(그림 2).

그림 2: 이 예제에서 주 접점의 총 차단 시간(OD + AT)은 최악의 경우의 값인 75ms로 지정할 수 있습니다(이미지 출처: Siemens).

요구되는 안전 레벨

SIL 2 및 PL c 설계는 고장이 큰 피해로 이어질 수 있는 시스템에 중점을 두는 반면, SIL 3 및 PL e 설계는 고장이 치명적인 결과를 낳을 수 있는 시스템을 위한 것입니다. SIL 3 및 PL e 시스템은 더 복잡하며 추가적인 엔지니어링, 통합, 유지 보수를 필요로 합니다. SIL 2 및 3과 PL c 및 e 시스템은 모두 신뢰성이 뛰어납니다. 하지만, SIL 3 및 PL e 시스템은 잠재적 고장을 완화할 수 있는 이중화 및 고장 시 안전 메커니즘을 통해 더욱 향상된 신뢰성을 갖도록 설계되었습니다.

안전 등급 접촉기의 사용은 보다 간단하고 저렴한 안전 솔루션의 핵심입니다. 이러한 접촉기는 전용 안전 입력(F-PLC-IN)을 사용하여 고장이 발생할 경우(예: 전력 손실 또는 제어 신호 오류) 안전 상태로 전환되도록 합니다.

F-PLC-IN 입력은 고장 시 안전 컨트롤러(F-DQ)에 직접 연결할 수 있도록 하므로 비상 정지 또는 인터로크와 같은 안전 기능을 구현할 수 있습니다. F-PLC-IN 입력을 사용하면 결합 계전기, 접촉기를 위한 DQ(전용 컨트롤러)와 같은 여러 외부 부품을 사용할 필요가 없어집니다.

3RT2 안전 등급 접촉기를 사용하는 시스템은 단일 접촉기만으로 SIL 2 또는 PL c의 요구 사항을 충족하고, 이중 직렬 구성의 2개 접촉기를 통해 SIL 3 또는 PL e의 요구 사항을 충족하도록 설계할 수 있습니다. 이러한 시스템 간소화를 통해 신뢰성을 개선하고 안전 시스템 비용을 줄일 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 3RT2 안전 등급 접촉기(하단)는 비안전 등급 접촉기(상단)에 비해 더 적은 부품으로 더 높은 안전 레벨을 지원합니다(이미지 출처: Siemens).

무료로 제공되는 Siemens의 SET(안전 평가 도구)는 IEC 62061 및 ISO 13849-1에 대해 TÜV 테스트를 거쳤습니다. SET에는 단계별 안전 시스템 평가 및 개발 환경이 포함되어 있어 기계의 안전 기능을 빠르고 간단하게 평가할 수 있습니다. SET를 사용하면 선택한 표준에 따라 보고서를 손쉽게 생성할 수 있으며 안전 증빙 자료로 문서에 통합할 수 있습니다.

열 관리 고려 사항

다른 전력 처리 장치처럼 설계자는 3RT2 접촉기를 사용할 때 발생하는 열을 고려해야 합니다. 이는 고도로 효율적인 장치이므로 열이 많이 발생하지는 않지만 약간은 발생합니다. 예를 들어, 모델 3RT20371KB40은 최대 30kW 부하에 대해 정격화되었으며 최대 11W의 전력 손실을 발생시킵니다.

3RT2 접촉기의 기본 설계는 -25°C ~ +60°C의 주변 온도에서(자연 대류 냉각 사용)의 병렬 실장 및 작동에 적합합니다. 이러한 접촉기 중 일부는 특정 작동 제약 조건에서 최대 +80°C의 온도에서 사용할 수 있습니다.

+60°C ~ +70°C에서는 적절한 전류 및 스위칭 주파수(시간당 스위치 수) 정격 제한을 통해 연속적으로 사용할 수 있습니다. 또한, 병렬 실장 시 향상된 열 방출을 보장하기 위해 10mm의 공간거리가 필요할 수 있습니다.

3RT2 접촉기는 추가적인 정격 제한을 통해 +70°C ~ +80°C의 주변 온도에서 최대 1시간 동안 사용할 수 있습니다. 그러나, 평균 주변 온도는 24시간 주기에 대해 +60°C를 초과해서는 안 됩니다.

이러한 확장된 온도 권장 사항은 전자 부품이 포함되어 있지 않은 접촉기에만 적용됩니다. 최대 작동 수명을 보장하기 위해 전자 부품이 통합된 접촉기는 최대 +60°C에서 사용하는 것이 좋습니다.

필요한 경우, 전자 부품이 포함되지 않은 S00 및 S0 접촉기를 -50°C의 최소 주변 온도에서 사용할 수 있지만, 기계적 내구성이 최대 50%까지 감소할 수 있습니다(응결이 없는 경우). 다른 성능 사양은 그대로 유지됩니다. 전자 부품이 통합되어 있거나 전자 부속품과 함께 사용되는 접촉기는 -40°C 미만의 온도에서 사용되면 안 됩니다.

안전 솔루션의 맞춤화를 위한 부속품

접촉기는 시스템의 핵심이지만, 최적의 안전 솔루션을 실현하려면 부속품을 추가해야 하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 3RT2 접촉기 S00 크기는 보조 스위치, 지능형 링크 모듈, 서지 억제기, EMC 억제기 등과 같은 여러 옵션을 가집니다(그림 4).

그림 4: 사용 가능한 다양한 부속품은 안전 응용 제품의 맞춤화를 지원합니다(이미지 출처: Siemens).

3RA29132AA1 배선 키트(그림 4의 부품 ⑯, ⑰, ⑱)로 시작해 보겠습니다. 이 키트는 전선과 기계 상호 잠금 시스템을 연결하기 위한 나사 단자가 포함되어 있어 견고한 전기적 및 기계적 성능을 보장합니다.

SIL 3 또는 PL e 안전을 달성하기 위해 응용 제품에 두 접촉기를 직렬로 연결해야 하는 경우, 3RA29261A, 안전 직렬 커넥터(⑮)를 추가하십시오. 3RT29263AB31(이미지에 표시되지 않음)과 같은 래칭 블록을 추가하면 초기 전력 펄스가 제거된 후에도 커넥터를 활성화(on) 상태로 유지할 수 있으며 일부 응용 제품에서 안전성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

접촉기를 제어 시스템에 연결하기 위해 기능 블록을 추가할 수 있습니다. 3RA27111AA00(⑧) 기능 블록은 IO-Link 연결을 활성화할 수 있습니다. 3RA27122AA00 모듈(⑦)은 PROFINET 같은 더 높은 수준의 필드 버스에 연결할 수 있는 AS-Interface를 추가합니다. 3RA28132FW10(⑥) 같은 기능 모듈을 사용하여 직입 시동, 리버스 시동, 스타-델타(와이-델타) 시동과 같은 제어 작업을 수행할 수 있습니다.

시퀀싱, 인터로킹, 주 접촉기의 상태 모니터링 등의 기능을 구현하기 위해 더 작은 접점을 가진 보조 스위치 블록을 추가할 수도 있습니다. 보조 접점은 측면 또는 전면 실장 방식, NO 또는 NC 접점, 다양한 극 수 등 여러 가지 구성으로 제공됩니다. 예를 들어, 3RH29111DA02(②)는 2극 측면 실장 모델이고 3RH29111NF02(④)는 2극 전면 실장 구성입니다.

시스템 성능 향상을 위해, 3RT29161PA2(이미지에 표시되지 않음)와 같은 EMC 억제기 모듈을 추가하십시오. 이 모듈은 RC 소자를 사용하여 특히 모터와 같은 유도성 부하 차단 시 발생하는 서지 전압을 억제함으로써 코일 손상을 방지하고 전자기 간섭)을 줄이는 데 도움이 됩니다. 3RT29261CD00(⑨)과 같은 서지 억제기는 코일의 전력이 해제될 때 발생하는 고전압 스파이크를 흡수하기 위해 배리스터를 사용하여 코일을 보호할 수 있습니다.

결론

Siemens의 3RT2 계열은 크기 S00 ~ S2로 제공되며 최대 37kW를 처리할 수 있습니다. 이러한 안전 등급 접촉기를 사용하면 SIL 2 및 PL c부터 최고 SIL 3 및 PL e 정격의 안전 시스템을 개발할 수 있습니다. 지능형 링크 모듈, 보조 접점, 보조 스위치, 서지 억제기, EMC 억제기 등과 같은 여러 부속품을 사용하여 추가적인 설계 및 성능 개선을 구현할 수 있습니다.