皮爾磁：這些元器件真的會失效
http://www.debgrams.com 2022-12-01 16:16 來源：皮爾磁
有的用戶在設計安全回路時，在安全鏈中混用安全和普通元件，覺得不會有什么大問題，但其實卻埋下了“事故的隱患”，比如：將安全繼電器的輸出接到普通PLC的輸入端，由普通PLC切斷安全相關輸出；亦或是在高性能等級（PLr)要求的前提下，選用了不恰當的元件，等等......
讓人不禁要問：“普通元器件就真的容易失效嗎？安全元器件就能確保不會失效嗎？”今天來聊聊關于元器件失效的話題。
普通PLC的失效模式
以普通PLC為例，普通PLC的輸出端口通常分為晶體管型和繼電器型，當輸出端發生過載或浪涌沖擊時，就可能會導致晶體管故障或繼電器觸點粘連的情況。由此導致的具體故障現象可能是輸出導通為ON，指示燈點亮，但并無輸出；更為可怕的是輸出切斷至OFF，指示燈熄滅，但輸出實際仍然存在，也就是說，PLC對設備發出了停止指令，但設備卻“不聽號令”，這將可能導致危險事件的發生。
過熱導致集成電路失效
在安全有關部件（SRP/CS）鏈路中，將普通PLC作為其中一個環節，會使安全功能存有較大的失效概率。因為普通PLC缺失MTTFd數據，根據ISO 13849-1，可以使用MTTFd=10年的默認值，進行計算后發現，普通PLC作為SRP/CS中一個環節，其性能等級只能達到PL=a（Cat.B）。
接觸器與繼電器的失效模式
接觸器和繼電器是控制柜中必不可少的元器件。在一些安全回路中，我們常用它們作為執行元件來切斷危險能量源。這類元器件最常見的故障就是觸點粘連、熔焊。
熔焊的觸點導致危險動作無法被有效切斷
發生故障的原因常見于通過觸點的電流過大、觸點通斷切換過于頻繁導致觸點過熱。在觸點溫度過高時，觸點表面金屬可能處于熔融狀態，最終引起粘連無法斷開。
安全元器件就不會失效嗎？
其實安全元器件也會有失效概率。我們講的性能等級PL，其本質上就是在評判控制回路的危險失效概率。安全元件的手冊中通常會標注它的每小時危險失效概率（PFHd）及其滿足的性能等級要求。
相較于單個普通元件而言，安全元件的失效概率要遠低于普通原件，通常要低幾個數量級，并且在架構上，安全元件往往采用冗余設計，“雙保險”的理念進一步確保了非常低的失效概率。
PILZ可編程安全模塊的失效概率數據（包含單/雙通道應用）
普通元件就用不得嗎？
其實也不然。經過合理的設計，選用適當的普通元件并組成冗余架構，也可將失效概率控制在極低的區間。比如選用強制導向觸點的繼電器，在MTTFd值較高的前提下，輔以冗余設計和反饋檢測（需要通過安全控制器實現），甚至可以實現最高PL=e的結果。
非安全元器件的選用要點
單個普通元件有明確的失效模式，可能導致設備危險源無法停止的可怕后果，因此選用合適的元件就顯得尤為重要。
到底哪些普通元件適用于安全回路呢？
在ISO 13849-1，《GB/T 16855.1 機械安全 控制系統安全相關部件 第1部分：設計通則》中規定，自類別1（category1）開始，就應當選擇經驗證的安全元件（well-tried components）和/或經驗證的安全原則（well-tried safety principles）。
不同類別對于經過驗證的元器件與經過驗證的安全原則要求
所以，當我們所設計的回路架構需滿足Cat1及以上要求時，就需要考慮元器件是否“經驗證”了。
根據性能等級（PL）與類別（category）的對應關系圖表，cat.1滿足PLr≥c的最低架構，因此，當回路性能等級要求PLr=c或更高時，我們都應選用符合經驗證安全原則的元器件。
在ISO 13849-2，《GB/T 16855.2機械安全 控制系統安全相關部件 第2部分：確認》中，對經驗證的安全原則和經驗證的元器件作了明確定義，感興趣的朋友可以閱讀標準原文。
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