(安全生产)安全继电器工作原理
安全继电器是由数个继电器与电路组合而成，为的是要能互补彼此的异常缺陷，达到正确且低误动作的继电器完整功能，使其失误和失效值愈低，安全因素则愈高，因此需设计出多种安全继电器以保护不同等级机械，主要目标在保护暴露於不同等级之危险性的机械操作人员。
安全继电器与一般继电器的主要差别在哪里?
所谓“安全继电器”并不是“没有故障的继电器”，而是发生故障时做出有规则的动作，它具有强制导向接点结构，万一发生接点熔结现象时也能确保安全，这一点同一般继电器完全不同。
安全继电器用在何处呢?
用在带有确认机器安全的输入，确认安全后，给接触器等的输入进行控制的安全电路的设计上。
Q:对安全电路的要求
1、在紧急停止解除时，机器不能出现突然再启动
2、万一机器安全电路发生故障时，可以停止机器动力电源
3、安全电路发生故障时，机器不能再启动
像安全开关、光幕等确认安全的输入，无法做到上述功能，那么，怎样才能做到安全电路呢？时候双重电路就可以了？
A:单靠双重化是不行的。
双重化是必要的，但是除此之外，比备如下几个条件，双重化电路的互相检查，确认所有安全电路已经断开一次，必要时由作业者操作便可以启动等条件。还有从另一个角度来说，输入的开关接线短路或电线外皮破损而引起的接地的可能性时，必须预防因此而引起的机器突然启动。
实际上，为了方便安全电路的构成，将安全继电器和其他组件组合配套，把基本的紧急停止电路、安全电路组成电路模块的产品称为安全继电器模块。
皮尔兹安全继电器PNOZX124VDC工作原理
安全继电器顾名思义要安全，它是一个安全回路中所必须的控制部分（安全回路包括安全输入，控制器，安全输出），安全继电器接受了安全输入（比方说安全光幕、安全门锁）通过内部回路的判断，确定性的输出开关信号到设备的控制回路里。它的输入输出一般都是冗余的，并且触点都是强制导向的开关。
其实安全继电器说白了就是把2-4个继电器混在了一起，各自的触点很多是互锁的，这样就可以有效地监控外部回路的触点是否熔接，或者有没有短路等现象。
其安全继电器单元如下：
而PILZ安全继电器可以监控功率、电流、电压、接地故障、相位序列；同时也可以用来控制急停、安全门、光栅、安全地毯、双手控制等，而且PILZ安全继电器操作简便、产品部件符合国际标准与规范（如EN954-1）而且通过最少一家以上的机构测试，并予以认证。带有插入终端的单元，可确保更快的试运行，有最小的空间，有最高的安全等级，极好的性价比，通用电源的低存储成本。可用于所有安全功能，如监控紧急停止，安全门，光栅等。
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皮尔磁安全继电器
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安全继电器是由数个继电器与电路组合而成，为的是要能互补彼此的异常缺陷，达到正确且低误动作的继电器完整功能，使其失误和失效值愈低，安全因素则愈高，因此需设计出多种安全继电器以保护不同等级机械，主要目标在保护暴露于不同等级之危险性的机械操作人员。
所谓“安全继电器”并不是“没有故障的继电器”，而是发生故障时做出有规则的动作，它具有强制导向接点结构，万一发生接点熔结现象时也能确保安全，这一点同一般继安全继电器的原理完全不同。
1、电磁继电器的工作原理和特性
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
2、热敏干簧继电器的工作原理和特性
热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。
3、固态继电器（SSR）的工作原理和特性
固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。
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4 PNOZX 10急停继电器
概述
PNOZX 10急停继电器用于紧急停止，PNOZX 10急停继电器装在P93的外壳中，共计有10种不同的型号适用于交流电，1种适用于直流电。
特点：
?继电器输出：6个安全触点（常开），4个辅助触点（常闭）。
?可连接急停按钮，安全门按钮和启动按钮。
?电源电压显示
?继电器状态显示。
?反馈回路用于检测外部保护回路状态。
此继电器符合下列安全要求：
?采用冗余的接线方式，并具有自身诊断功能。
?当有部分元件损坏时，仍然具有保护作用。
?在每次开-关设备时都会自动检测，继电器是否能正常工作。
?用于直流和交流的继电器都有电器保险。
功能描述：
PNOZX 10急停继电器用于确保紧急情况下安全回路的断开。
当接通电源后，短接Y1-Y2、S12-S34并接通输入回路，K3处于工作状态。
输入回路接通（如：未按下急停按钮），继电器K1、K2通过触点K3.1、K3.2接通，并通过K1.1、K2.1自锁保持，状态指示LED亮。当断开K1.2、K2.2后，K3在经过90ms的延时后断开。安全触点（13-14/23-24/33-34/43-44/53-54/63-64）闭合，辅助触点
（71-72/81-82/91-92/01-02）打开。
输入回路断开（如：按下急停按钮），继电器K1、K2断开，安全触点13-14/23-24/33-34 /43-44/53-54/63-64）重复断开，辅助触点（71-72/81-82/91-92/01-02）闭合。
练习1
特点描述：
24V+
K2 Y3 K2.1
S22
K3.2 K1 K3.1 S21
S12 K1.1
K3
K2.2 K1.2 S34 S37 Y2
Y1 S11
S33
K3 24V-
24V+
K2 Y3 K2.1
S22
K3.2 K1 K3.1 S21
S12 K1.1
K3
K2.2 K1.2 S34 S37 Y2
Y1 S11
S33
K3 24V-
练习2
特点描述：
练习3
特点描述：
练习4
24V+
K2 Y3 K2.1
S22
K3.2 K1 K3.1 S21
S12 K1.1
K3
K2.2 K1.2 S34 S37 Y2
Y1 S11
S33
K3 24V-
24V+
K2 Y3 K2.1
S22
K3.2 K1 K3.1 S21
S12 K1.1
K3
K2.2 K1.2 S34 S37 Y2
Y1 S11
S33
K3 24V-
特点描述：
A1，A2接电源；PE接地；
T11，T12，T21，T22接2ch输入，一般用于接安全限位，安全门开关和急停按钮等产品；
T31，T32为复位输入；A，B在使用自动复位的时候需要短接；
T23在使用1ch输入的时候，与T23短接，输入接在T11，T12上，或者在连接PNP输出的光幕时候使
用，光幕输出接T12，T23；
其余的均为输出。
如果一个NO 接点熔敷，线圈没通电时所有NC 接点会保持最小0.5mm 的距离。同样如果一个NO 接点熔敷，线圈通电时所有NC 接点会保持最小0.5mm 的距离。
参考下图。
EN 50205（参考FAQ No. 02371）要求安全继电器有强制导轨接点装置。
A级安全继电器（即所有接点都是强制导轨接点）在铭牌上有标记。
强制导轨接点装置（G7SA安全继电器）
强制导轨接点
逆输入是一种在两个输入电路通道（一个输入正电位一个输入负电位）间创造电位差的输入。如果接线损坏，两通道间出现短路，可以保障切断电源，安全功能动作。
自动复位就是在反馈电路里没有复位开关，并且设备在输入变为ON时自动启动。
手动复位就是在反馈电路里有复位开关，并且设备在输入变为ON 时不会启动，直到复位开关按下。电路
示例请参考FAQ No. 02326
手动复位用在人们可以进入的机器上，还可以用来紧急停止电路。自动复位用在人们不能进入的机器上。复位必须在所有危险都被清除后发生，通常手动复位更安全。自动复位可以用在人们无法进入的保护通道上。在人们可以进入并紧急停止的保护通道上，只使用手动复位。
警告！
G9S-2001/2002安全继电器单元
G9SB-2002-A安全继电器单元
G9SB-200-B安全继电器单元
G9SB-3012-A安全继电器单元
G9SB-301-B安全继电器单元
手动复位不能用在以上型号上。永远不要在这些型号上使用手动复位，因为如果使用了手动复位，有时候
无法会避免危险。
这同样适用于在自动复位模式下的G9SA安全继电器单元上使用手动复位。永远不要用手动模式安全继电器和一般用途继电器之间的区别是什么？
问题编号：FAQ02435
G9SA的复位方式是通过A，B端子连线来切换。当A，B端子开路时，G9SA为自动复位方式， T31，T32端子可以直接短接使用；当A，B端子短路时，G9SA为手动复位方式，在T31，T32端子上要接入复位开关。
为什么安全电路里需要安全继电器？
问题编号：FAQ02301
安全继电器有强制导轨接点来防止NO和NC接点在接点熔敷时同时工作，这使得安全继电器自身就能检测接点熔敷。（有关强制导轨接点的信息请参考FAQ No. 02481。）这可以用于组建安全电路。
一般用途继电器没有强制导轨接点。（安全继电器和一般用途继电器之间的区别请参考FAQ No. 02435。）
然而，即便使用安全继电器，取决于电路的构造，有些电路仍然存在危险，必须给予足够的重视。例如下
面图1里的电路就是危险的，因为电源无法切断。
利用电路里的强制导轨接点提供的熔敷检测功能来建立冗长性和自我监控功能，如图2所示（冗长性的信
息请参考FAQ No. 02367）。
图1
图2 部分G9S-301安全继电器单元电路（摘要）K1、K2 和K3: 安全继电器建成了G9S-301
例如，反馈电路被用来检测驱动电机的接触器里NO接点的熔敷。
这在一定程度上能保障安全，因为即使接触器里的NO接点发生熔敷，这个反馈电路也能防止安全继电器单元重新启动。但是，接触器数量需要加倍。双倍接触器的连接示例（电路示例）请参考FAQ No. 02326。
什么是正极普通输入（欧姆龙安全继电器单元/安全继电器的术语表）？
问题编号：FAQ02416
这是一种输入模式，有两个输入，并且这两个都连接到电源的正极。两个输入会有相同的电压，所以如果
两个终端之间有短路将无法被检测出来。
安全继电器介绍
根据当前技术的国际水准，机器的控制电路可以划分为两大部分。一部分是负责机器运行功能的控制电路，另一部分是实现安全保护功能的控制电路。上述的控制电路划分在国际性标准中已经成为标准要求(1)，而且有关“工作保护” 的条目，在许多国家法律规定中也可以找到。
不同的思考方法
带有安全功能的控制电路-以下也称为“与机器安全相关的控制部分”或“安全电路”，通过采取本质上和/或结构的措施区别于控制机器运行的控制电路，从而使在工作范围内由机器对工作人员产生的危险性动作和其它机械危险得到的专门的处理保护，而且在出故障的情况下，工作人员也能得到保护。这里要研究的一个是机器停止命令，另一个是对机器或机器部件意外起动的保护。
控制机器正常运转的电路结构的可支配性(即可靠性)成为研究的重点。也就是研究：在确定的时间里对可预见任务的作用。实现安全功能控制电路的结构关系到在部件失效和出现故障行为的情况下，对工作人员无法避免的伤害后果进行保护。也就是说，在对与安全性有关的机器控制部件进行设计的过程中，一定要确保安全。即使在出现故障时，也不允许使人员受到生命或健康的损害。与此相关的问题是下述列举的情况发生时，仅在对人员保护方面，机器控制将会怎样？
断电
电缆受到损坏
结构性元件(相同种类)失灵，即在对机器给出功能指令时不能打开或不能关闭机械性折断、卡死等。
这里只给出几个例子。在标准IEC13849-2(2)附录中对所研究的故障或故障可能性有较全面的介绍。设计过程的目的应当是：通过适当的措施，实现有安全功能的控制电路，使得引起危险的故障或干扰的可能性减低到最小(3)。这种可能性取决于危险程度的大小。
机器控制与安全有关部分的类别
为了确定根据风险大小采取的附加措施，从经济、安全技术角度，对实现安全功能控制电路的技术要求分为不同的“类别”，例如，在标准ISO13849-1(4)中，被称为控制类别。
可以说，它涉及5种不同的安全、技术、质量等级。下面再次对此作简要的叙述(5)：
控制类别B：
控制中涉及安全的部分和/或保护装置及零部件必须按照有关标准进行构造、制造、选择、
组装和组合，以能承受预料的影响。
解释：应根据一般有效标准的推荐，使用带有功能和安全技术特征和特点的部件，例如IEC-和ISO-标准。
控制类别1：
B类别中的要求必须得以满足，而且必须用成熟可靠的部件和安全原理。
解释：可靠部件是指经得住长年使用的(使用中得到验证的)，例如：机电开关，而微处理器却不属于可靠部件。可靠安全原理，例如像安全电路中的稳流原理，开关的强制断开式触点或强制操动的继电器触点，保护触点等。
控制类别2
必须满足B类别中的要求和可靠安全原理的应用。安全功能须在适当的时间间隔内通过机器控制得到检验。
解释：这里要求的是对规定功能的定期检验。例如:每班开始工作起动机器前，保护罩应首先被打开再关上以后，才可进行生产，这应形成有意识的行为。对于检验周期的长短，在专家们间存在不同的观点。
对类别B、1 、2的共同解释：这些控制类别一般为单通道结构。也就是说，机器运转时出现干扰或故障的情况下，人员可能受损伤。
控制类别3
必须满足B类别中的要求和可靠安全原理的应用，任何部件上出现一个故障时不会导致安全功能的损坏。如果可能，应采取适当的方式使故障得以识别。
解释：这里关系到对已经讲过的单故障安全的要求。也就是说，从控制类别3开始，安全电路一般来讲是冗余结构，即双通道。如果两通道中其中一个通道出现干扰或故障，第二个通道将承担安全功能，或者由于两通道间出现矛盾时则会断路。原则上，控制类别3 涉及到故障安全的逻辑比较。对于隐蔽的故障，应最晚在机器下次起动前被识别，并锁住机器防止再运转。
控制类别4
必须满足B类别中的要求和可靠安全原理的应用。任何一个部件上出现一个故障时，不会导致安全功能的失效，并且在安全功能被实施或在下一次安全功能被实施之前故障应被识别。如果这样不能做到的话，故障的积累不会导致安全功能的损坏。
解释：单故障安全的要求在这里一样适用，但所有可能隐蔽的故障必须能够被识别。也就是说，控制类别4 中故障识别的措施要严格得多，以至于多到故障的积累。另外，有规律的且频繁的对安全电路检验是很有效的措施。
图1：机器控制的基本结构
根据ISO13849-1 风险评估
控制类别的选择和使用取决于风险评定。对风险评定，一个可利用的辅助工具提供了叫做风险图的参考(6)。就像在ISO13849-1附录中出版的那样须根据下列风险参数评估：
受伤害程度.......................................(S)
经常性和/或危险位置........................(F)
避免危险的可能性.............................(P)
下面插图指出，根据对参数S,F,P的认识和评估，将它们进行相互组合，实现对风险等级划分，并归类在到控制类别B到4中。风险的等级越高，就应该选择越高的保护措施以控住危险。
图2: ISO13849-1风险图
S 伤害程度
S1轻度（一般可恢复）伤害
S2严重（一般不可恢复）伤害，包括死亡
F 危险发生的经常性和/或持续性
F1很少到经常和/或短暂发生
F2经常到持续和/或持久地发生
P 避免危险的可能性
P1在一定条件下可能
P2不太可能
类型B、1到4，控制部分用于安全相关的元件，上述对于风险评定的研究总是与安全电路相关的，并且由信号变送器、安全传感器、控制逻辑和执行元件组成。
图3: 安全电路结构
安全-继电器-组件
鉴于控制类别2,3,4 之间在成本上无显著区别，另外尤其是在计划和数据逻辑方面尽可能要简单化，现今，安全电路的逻辑部分一般都采取安全-继电器-组件。
图4: Schmersal集团生产的安全-继电器-组件实例
安全-继电器-组件是安全传感器技术层与机器控制有关安全的执行元件层之间的连接环节，此逻辑联接使输入端与输出端的安全技术得以实现。按照安全技术要求，这些器件的制作达到了故障安全。即有限的线路故障技术，壳体可打开并可直接安装，满足ISO13849-1类别4的要求。
安全-继电器-组件可直接安装的构造形式，可简便地、节约空间地装在机器柜中。使用中节省了很多布线时间，避免安全电路设计阶段出现错误，布线出错以及找错，排错花费的时间。此外这些继电器在销售时，提供有著名检验机构对样品的检验证书，使消费者感到放心。
根据与输入和输出端相连的外部线路的不同，可以实现所有类别的安全电路，只是“线路中最薄弱的环节“决定安全标准的高低。也就是说，一个单通道输入线路和符合控制类别4的安全-继电器-组件的组合一般只能达到类别2，甚至可能是类别1，而不是类别4，但在输入和输出端加上“故障排除“是允许的。也就是说，根据应用，选择超出类别需要的部件或采取附加措施，以排除故障或干扰是可以的。
线路技术
安全-继电器-组件线路是按照任务的不同，通过所谓的2个或3个继电器技术实现的。
3-继电器技术意味着此线路带有自己的起始继电器(K1)，继电器独自通过起始电路工作并带动通道继电器K2和K3；2-继电器-技术线路所不同的是，线路的起始不通过自己的起始继电器。更确切地说，在两个配电继电器自保功能激活过程中进入配电过程。
虽然这两种线路在安全技术方面并无区别，在功能方面却有不同。例如控制类别2和4中所要求的起动检测或在起动过程中反馈信号的处理，当然只有3个继电器线路可实现。应用中所有线路的安全继电器带有强制动作触点。根据结构，大部分的继电器以旋转电枢原理工作，一部分以枢轴衔铁原理工作。
图5：分等级保护措施的实现实例，控制类别3
分等级保护措施的实现实例，控制类别3结构
1.两个接点，最少其中之一是肯定断开式的。
2.接触器/继电器的防护等级IP54。
3.引线用通用的带护套电线。
4.接触器/继电器的线圈与控制电路的线圈共地。
图6：分等级保护措施的实现实例，控制类别4
分等级保护措施的实现实例，控制类别4结构
1.如上所述的控制类别3。
2.开关信号的接线，护套导线要分开布线或在线路中带有短路、交叉识别或“特殊的屏蔽电缆”。
3.上电检测。
注解：
(1) 特别参考见ISO 12100-1/-2：机器的安全-基本概念/一般性结构原理。
(2) IEC 13849-2：机器控制中安全相关部件- 部分2：验证。
(3) 比较IEC 60204-1：1997，章节9.4.1：故障中的控制功能/一般要求。
(4) IEC 13849-1: 机器控制中安全相关部件- 部分1：一般性结构原理。这是当前有效文本，被称为执行层面的标准中的要求正在起草过程中。其它相似的安全标准，如IEC 61508：与安全功能相关的电气/电子/可编程系统。
(5) 在标准ISO13849的两个部分及其它一些文献中有相关的详细信息，所有生产机器安全部件的著名生产商也提供有相关信息。
(6) 对于复杂的机器和加工系统，可能会出现是否安装带有安全功能的可编程系统的问题。
安全继电器及PLC在制造行业的应用
国内外的各制造行业厂商历来重视制造过程中的安全与保护。随着产能的不断提升，厂商对设备自动化的要求越来越高，机器和设备也越来越复杂、速度也越来越快。因此，厂商对这些机器的安全要求也越来越高。我们既要能够保证安全、可靠性，又要保证灵活、易维护性。这就对安全元器件的正确和合理的设计和选择提出了一定的要求。
安全功能在工业设备上的使用在发达国家已十分普及，例如，在欧洲有强制的安全标准，达不到相应安全等级的设备不能投产；在美国则依靠高额的事故赔偿来强制设备的安全性。通常，我们可以参照以下欧洲标准进行设备的设计：
EN 1050-1996 机械安全风险评价
EN 292－1：1991 机器安全基本概念与设计通则
EN 954-1 机械安全控制系统有关安全部件第1部分设计通则
EN/IEC 60204 机械安全机械电气设备
EN/ISO 13894 机械的安全控制系统有关的安全部件
EN/IEC 61508 主要涵盖了电气/电子/可编程电子系统的功能安全
EN 418 紧急制动设备
EN 1088 与保护装置有关的连锁装置设计和选择原则
EN 12415 机床安全小型数控车床和车削中心
EN 12417 机床安全加工中心
EN 12478 机床安全大型数控车床和车削中心
EN 692：1996 机械压力机安全
EN 693：2000 机床安全液压机
EN 1550：1997 机床安全工件夹紧用卡盘设计和制造的安全要求
在这方面我国还处于起步阶段，很多有一定危险性的设备没有任何安全保护措施，这也是工厂事故频发的一个重要原因。随着国家对此重视程度的提高和以人为本理念的逐渐深入人心，设备的安全性正得到越来越多的重视。
设备的安全性能由机械安全防护和电气安全控制两方面组成。机械安全防护在本文不做过多介绍，下面详细介绍电气安全控制的原理及应用。
安全控制系统必须提供一种高度可靠的安全保护手段，最大限度地避免机器的不安全状态、保护生产装置和人身安全，防止恶性事故的发生、减少损失。该系统在开车、停车、出现工艺扰动以及正常维护操作期间对机器设备提供安全保护。一旦当机器设备本身出现危险，或由于人为原因而导致危险时，系统立即做出反应并输出正确信号，使机器安全停车，以阻止危险的发生或事故的扩散。
一套安全控制系统，由安全输入信号（即安全功能，如紧急停止信号、安全门信号等）、安全控制模块（如安全继电器、安全PLC）、和被控输出元件（如主接触器、阀等）三部分组成。
要使设备达到相应的安全等级就离不开必要的安全元件和安全线路，常见的安全元件有急停按钮、双手按钮、安全门开关、安全光栅等。这些元件通过线路（一般是双回路）连接到安全控制的核心，此核心不是普通的PLC，因为它不具备安全功能。