Relè con contatti a carica positiva, come l’H-480 di Hengstler, disinseriscono i sistemi in tutta sicurezza in caso di guasto. Foto: Hengstler
Quando la prima scelta ricade sui relè di sicurezza e quando è meglio la combinazione di relè con contatti ad azionamento positivo e a semiconduttore? La risposta dipende in parte dai carichi che devono essere commutati.
di Giuseppe Costa
Il vasto know-how dello specialista dell’automazione Hengstler in materia di relè di sicurezza risale al 1983 con l’acquisizione della E. Haller GmbH. Sette anni prima l’Ing. Ralf-Eberhard Kirsch, parte del team di gestione tecnica dell’azienda, aveva sviluppato un nuovo tipo di dispositivo elettromeccanico di commutazione. L’aspetto rivoluzionario del dispositivo erano i contatti ad azionamento positivo: Kirsch e i suoi colleghi li collegavano l’uno all’altro in modo tale che i contatti normalmente chiusi e quelli normalmente aperti non potevano mai essere chiusi contemporaneamente. Ciò significava che, se un contatto normalmente aperto non funzionava per un lungo periodo, perché bloccato o fuso, il corrispondente contatto normalmente chiuso rimaneva comunque aperto. Un secondo relè ridondante spegneva poi il sistema in modo sicuro.
Il principio costruttivo dei relè di sicurezza Hengstler è stato adottato nelle norme EN 50205 e IEC/EN 61810-3 ed è ora utilizzato da tutti i produttori di questi componenti. Esternamente i relè si distinguono solo per i dettagli come le dimensioni, la capacità della bobina e la massima capacità di commutazione, a seconda del marchio. Internamente, tuttavia, si rilevano differenze significative dovute al know-how specifico dell’azienda che modella il processo di costruzione. Ad esempio, la scelta dei materiali dei contatti e il trattamento delle relative superfici svolgono un ruolo importante. Le ottimizzazioni tecniche di progettazione, effettuate sulla base di un’esperienza pluridecennale, si riflettono, tra l’altro, nella stabilità e nell’affidabilità a lungo termine dei relè. Un particolare punto di forza di Hengstler è anche la rapida adattabilità dei suoi relè alle specifiche esigenze dei clienti.
COME FUNZIONANO I RELÈ DI SICUREZZA?
I contatti dei relè possono fondersi assieme a causa del calore degli archi elettrici che si formano con le operazioni di commutazione. Ciò significa che una macchina potrebbe continuare a funzionare anche se l’interruttore di emergenza è stato attivato, causando una situazione davvero pericolosa. Per evitare questa eventualità, vengono utilizzati controlli di sicurezza con almeno due relè con contatti ad azionamento positivo. I contatti di uscita dei relè sono collegati in serie. Se uno dei relè si guasta, ad esempio, a causa di un contatto normalmente aperto saldato, i contatti normalmente aperti degli altri relè provvedono comunque a spegnere la macchina e quindi a garantire un arresto sicuro. In caso di guasto, il controllo di priorità mantiene aperto il contatto normalmente chiuso in un relè difettoso con un’apertura minima di 0,5 mm, in conformità alla norma pertinente. Il guasto che si è verificato viene riconosciuto da questo contatto aperto normalmente chiuso e impedisce la riaccensione della macchina. I sistemi non possono pertanto continuare a funzionare in modo incontrollato in presenza di un difetto nel relè.
Hengstler offre una gamma completa di relè con contatti a carica positiva che possono essere adattati alle esigenze dei singoli clienti. Foto: Hengstler
FUNZIONAMENTO SENZA USURA PER I RELÈ A SEMICONDUTTORE
I relè a semiconduttore non sono in realtà dei veri e propri relè. Non sono costituiti da parti mobili, come i relè, ma da componenti di semiconduttori, transistor, MOSFET, tiristori, diac e triac, tutti utilizzati per svolgere una funzione di relè. L’elemento di commutazione in un relè a stato solido è un transistor, triac o MOSFET di commutazione, controllato da una cella fotoconduttiva o da un transistor fotoconduttivo (optoaccoppiatore). I relè a semiconduttore sono molto compatti e sono particolarmente indicati per applicazioni in cui devono essere attivati e disattivati frequentemente carichi ohmici elevati.
RELÈ DI SICUREZZA: ROBUSTI E SEMPLICI
Rispetto ai relè a semiconduttore, i relè di sicurezza presentano alcuni vantaggi, ma anche alcuni svantaggi. I relè con contatti ad azionamento positivo generano, ad esempio, perdite di potenza (auto-riscaldamento) notevolmente inferiori rispetto ai relè a semiconduttore e pertanto, a differenza di questi ultimi, non devono essere dotati di dissipatori di calore. È irrilevante se i relè trasportano corrente continua o alternata. I relè con contatti ad azionamento positivo sono inoltre estremamente resistenti ai picchi di tensione e di corrente eccessivi riducendo così la possibilità di danni ai contatti o alla bobina. I relè a semiconduttore, invece, sono relativamente sensibili alla sovracorrente: il circuito integrato di smorzamento C/R non è sufficiente a sopprimere i picchi. Ciò significa che il picco massimo a breve termine del relè a semiconduttore viene superato, causando danni da sovratensione. Un altro vantaggio dei relè di sicurezza è la struttura semplice: questa permette all’utente di valutare i guasti e i relativi impatti molto meglio di quanto è possibile con i relè a semiconduttore.
I relè di sicurezza garantiscono che gli ascensori aprano le porte solo in un’area ben definita. Foto: Shutterstock/Vectorpocket
RELÈ A SEMICONDUTTORE: DUREVOLI E VELOCI
I relè a semiconduttore, a loro volta, presentano diversi vantaggi rispetto ai relè di sicurezza. Ad esempio, a differenza dei relè elettromagnetici, non sono dotati di parti in movimento e quindi non sono soggetti a usura. I relè elettronici sono inoltre più compatti dei relè elettromeccanici e hanno una durata media di vita elettrica più lunga. I relè a semiconduttore presentano anche tempi di commutazione molto più brevi. Tuttavia, questa qualità è veramente significativa solo per le barriere fotoelettriche, che si attivano ogni secondo. Nel complesso, nel confronto diretto con i relè di sicurezza, i relè a semiconduttore si caratterizzano per la lunghissima vita utile.
NON UN AUT AUT MA UNA SINERGIA
I relè di sicurezza e i relè a semiconduttore si completano a vicenda perfettamente grazie alle loro diverse tecnologie di commutazione. La somma di queste fornisce un controllo di sicurezza altamente efficace, specialmente per applicazioni in cui vengono commutati carichi elevati ad intervalli frequenti. “I relè di sicurezza a semiconduttori e i relè di sicurezza elettromagnetici formano in questo caso una simbiosi perfetta”, afferma Stefan Ade, Consulente applicativo per l’assistenza tecnica Hengstler. I relè a semiconduttore resistono ai carichi elevati molto meglio dei relè di sicurezza. A loro volta, questi trattengono il semiconduttore se mai dovesse legarsi e diventare inutilizzabile. I relè di sicurezza funzionano “in folle” per la maggior parte del tempo e spengono il sistema in modo affidabile in caso di guasto.
I principali campi di applicazione dei relè a semiconduttore sono il controllo dei movimenti e del calore, ad esempio nell’industria alimentare, nell’industria delle materie plastiche (estrusori), negli impianti di condizionamento dell’aria o negli impianti di saldatura. Tuttavia, i relè privi di saldature sono spesso installati anche nei controlli di illuminazione e di pompe.
PRIMA SCELTA TECNOLOGIA FERROVIARIA E ASCENSORI
Oltre alle applicazioni con entrambi i tipi di relè, sono molte le applicazioni in cui sono installati solo relè di sicurezza. Si tratta in genere di applicazioni con requisiti di sicurezza molto elevati, come, ad esempio, nella tecnologia ferroviaria e degli ascensori. Molti circuiti elettrici in questi campi devono soddisfare i requisiti Safety Integrity Level (SIL) 3 e 4. Il Safety Integrity Level fa riferimento all’affidabilità delle funzioni di sicurezza; i requisiti dei singoli SIL sono definiti dalla norma EN 61508. Quanto più alto è il pericolo che può essere causato da un sistema, tanto più elevati sono i requisiti per la relativa sicurezza funzionale e tanto più elevato è il Safety Integrity Level.
Nelle scale mobili i relè con contatti a carica positiva azionano il freno di stazionamento e il freno di emergenza. Foto: Shutterstock/Vectorpocket
STRUTTURAZIONE EFFICIENTE DEGLI INTERRUTTORI A SICUREZZA FUNZIONALE
Basati su relè con contatti ad azionamento positivo, questi interruttori possono essere implementati per applicazioni SIL3 e SIL4 con un costo molto inferiore rispetto ai relè a semiconduttore, a condizione che l’interruttore sia stato progettato correttamente. Il risparmio sui costi deriva, tra l’altro, dai minori costi unitari dei relè e dalle minori spese di installazione, in quanto in questo caso non sono necessari dissipatori di calore. Allo stesso tempo, i relè di sicurezza offrono un livello di protezione molto elevato rispetto ai movimenti indesiderati delle parti del sistema in caso di guasto.
I relè di sicurezza Hengstler trovano impiego in molte applicazioni nel campo della tecnologia ferroviaria. Non vengono utilizzati solamente nei comandi delle porte e negli impianti frenanti dei veicoli ferroviari, ma anche per il monitoraggio dei passaggi a livello o nei cosiddetti dispositivi “uomo morto”: il locomotore o il macchinista deve attivarli regolarmente. Se ciò non avviene, il treno si ferma automaticamente.
I relè di sicurezza vengono regolarmente utilizzati da Hengstler anche per i cosiddetti segnali di linea, ovvero quei segnali che indicano al macchinista se il tratto di binario è percorribile o vi è ancora in transito un altro convoglio. Il segnale di linea è controllato e monitorato dalla relativa cabina di segnalazione e viene attivato mediante diversi relè di sicurezza. Se un treno passa attraverso un segnale rosso, una bobina magnetica sul segnale invia queste informazioni alla corrispondente bobina magnetica sul locomotore. La bobina magnetica sul locomotore attiva immediatamente i freni causandone l’arresto.
USCITA SICURA GARANTITA
Negli ascensori i relè di sicurezza sono utilizzati principalmente per il controllo delle porte. Garantiscono che i passeggeri possano uscire dall’ascensore solo dopo che la cabina ha raggiunto la posizione di finecorsa sicura. Negli ascensori con commutazione comfort, è anche possibile uscire dall’ascensore prima che si fermi: i relè con contatti ad azionamento positivo garantiscono che, in tali scenari, le porte possano essere aperte solo in una determinata zona e a una determinata velocità.
ESSENZIALE PER LA VITA QUOTIDIANA
I relè di sicurezza rappresentano pertanto un’aggiunta ragionevole ai relè a semiconduttore in molte applicazioni. I relè con contatti ad azionamento positivo consentono anche una strutturazione efficiente della commutazione di sicurezza, soprattutto nel campo della tecnologia ferroviaria e degli ascensori. Ogni giorno forniscono un contributo vitale alla nostra mobilità in tutto il mondo. ©TECNeLaB
Nei sistemi ferroviari i relè di sicurezza sono utilizzati in diverse applicazioni, come, ad esempio, nei comandi delle porte e nei segnali di arresto o nei dispositivi “uomo morto”. Foto: Shutterstock/Vectorpocket.
