Novità sulla sicurezza

I comuni relè e i relè di sicurezza sono due dispositivi differenti, con caratteristiche ben distinte ed ideati appositamente per scopi diversi.

Questo significa che svolgono funzioni divergenti in sistemi elettrici e industriali. Fare una breve comparazione tra questi due apparecchi non è un compito semplice, dato che i punti da tenere in considerazione sono molteplici e necessitano di considerazioni adeguate. In poche parole, le differenze tra un relè standard e uno di sicurezza sono strettamente legate all'applicazione in cui sono coinvolti direttamente. Da una parte, c'è il relè di sicurezza che è principalmente utilizzato in applicazioni di sicurezza, dove la sua presenza è fondamentale per poter compiere azioni in grado di pilotare il sistema verso uno stato sicuro. Dall'altra parte, un relè convenzionale non può essere usato nelle circostanze che abbiamo appena indicato dato che le sue caratteristiche non lo permettono.

Funzione

La funzione di un relè di sicurezza o quella di uno standard è la prima differenza che possiamo delineare. I relè sono comunemente utilizzati su larga scala per applicazioni elettriche/elettroniche di diverso tipo, dove vanno a commutare circuiti di controllo. Un relè di sicurezza viene chiamato in causa nel momento in cui la salvaguardia dell’applicazione stessa è un aspetto critico, mirando a diminuire drasticamente le probabilità di eventi pericolosi o fatali, sia per le persone che per i beni materiali e l'ambiente. Un relè standard è un dispositivo elettromeccanico utilizzato per controllare circuiti, aprendo o chiudendo i suoi contatti quando richiesto. In generale, viene tipicamente impiegato per controllare o commutare apparecchiature come motori, illuminazione, o nei processi di automazione. Il relè di sicurezza è progettato appositamente per svolgere funzioni di sicurezza nell'ambiente industriale. Viene impiegato per monitorare dispositivi direttamente collegati alla sicurezza e integrato nelle funzioni di sicurezza. È quindi fondamentale per garantire la sicurezza del personale e di tutte le apparecchiature correlate alle applicazioni critiche.

Caratteristiche di Sicurezza

Quello che possiamo considerare come un normale relè può essere usato in una qualsivoglia circuito di automazione, tanto in ambito industriale quanto in ambito civile. Un relè standard non avendo particolari caratteristiche correlate alla sicurezza non può essere implementato in installazioni “critiche” perché non sono appositamente pensati per essere parte di una funzione di sicurezza e mancano di circuiterie interne che li rendono altamente affidabili. Non hanno ridondanza interna dei contatti o particolari diagnostiche che invece sono d’obbligo in alcune circostanze. I relè di sicurezza sono appositamente ideati con particolari caratteristiche come, ad esempio, la ridondanza dei contatti, auto-diagnostica, monitoraggio di linea. Sono in grado di garantire altissima affidabilità e soddisfare gli standard di sicurezza per assicurare l’integrità di un’applicazione.

Operazioni Fail-Safe

Una operazione “fail-safe” è l’abilità di un dispositivo di prevenire condizioni pericolose delle normali operazioni di una installazione, o strumentazione di controllo in caso di guasto. Questo non significa che il dispositivo in questione non può guastarsi, bensì che, nel caso di un malfunzionamento interno, il risultato è comunque quello di fissarsi ad uno stato che può essere definito sicuro o quantomeno rimanere nella condizione in cui era prima dell’incidente. I relè standard non sono ideati per operare in questo modo, nel caso si guastassero, il risultato di tale evento porta una condizione dei contatti indefinita. I relè di sicurezza sono progettati per operazioni fail-safe. Ad esempio, nel caso di perdita di potenza garantisce che lo stato dei suoi contatti commuti ad una condizione prestabilita. Questa condizione serve per fare in modo che il carico venga comunque energizzato, o de-energizzato, a seconda della funzione di sicurezza a cui è associato.

Standard e Certificati

Larga parte dei produttori di apparecchiature di questo tipo, ad oggi, ha il compito fondamentale di garantire che i prodotti che vengono messi sul mercato siano certificati e rispettino i requisiti delineati da determinati regolamenti. Ogni settore ha le proprie regolamentazioni e standard di riferimento e l’industria elettronica non ne fa eccezione. A seconda poi del ramo specifico e dell’utilizzo che se ne andrà a fare, ogni prodotto è soggetto a standard mirati e deve essere progettato in modo da soddisfare quanto da essi richiesto. Enti terzi di certificazione sono quindi direttamente responsabili di verificare e avvalorare che le apparecchiature siano effettivamente consone rilasciando certificazioni. I relè standard non hanno, in linea generale, particolari certificati correlati alla sicurezza funzionale, ma sono comunque soggetti a tutte le altre regolamentazioni che vigono e vigilano sul mercato. I relè di sicurezza sono certificati e soddisfano i requisiti di sicurezza, come ad esempio quelli dettati dalla IEC 61508 che definisce le linee guida per la progettazione di apparecchiature coinvolte nella sicurezza funzionale. Oltretutto, i relè di sicurezza sono sottoposti a test e verifiche rigorosissime atte a valutare ed assicurare la loro affidabilità.

Applicazioni

Le applicazioni che coinvolgono un relè standard sono innumerevoli, mentre quelle in cui i relè di sicurezza sono coinvolti sono limitate e circoscritte ad ambienti più specifici. I relè tradizionali sono utilizzati in una quantità di installazioni indefinita e forse indefinibile. Sono presenti nella nostra vita e nelle nostre attività quotidiane e, in molti casi, non notiamo nemmeno la loro presenza. Ogniqualvolta è necessario un circuito di comando, controllo, protezione o pilotaggio di apparecchiature o circuiterie, viene utilizzato un relè. Ad ogni modo, un relè standard può essere usato in svariate circostanze dove la sicurezza non è il problema fondamentale. I relè di sicurezza sono utilizzati in quel tipo di applicazioni in cui la salvaguardia dell’impianto, del personale, dei macchinari e della strumentazione sono di fondamentale importanza. Sono comunemente utilizzati in casi di emergenza e sono chiamati ad intervenire attivamente per azionare, o fermare, determinati processi, sensori, attuatori e apparati simili. Un relè standard invece è utilizzato per sistemi di controllo generici e commutare stati di applicazioni più o meno comuni. I relè di sicurezza, d’altro canto, sono dispositivi specializzati con caratteristiche di sicurezza integrate e ridondanza dei contatti interna. Questo porta chiaramente ad assicurare l’affidabilità in situazioni che sono a dir poco delicate. Quando la sicurezza è una priorità non trascurabile, in un qualsiasi processo industriale, i relè di sicurezza sono la scelta più appropriata (spesso obbligatoria) per implementare funzioni di sicurezza ed assicurare la tutela di persone, beni materiali ed ambiente.

Codice colori

C’è una differenza visiva tra un relè standard e un relè di sicurezza che può essere notata semplicemente guardando il dispositivo ed è non altro che il colore. I relè standard presenti sul mercato sono di svariati colori, non esiste una linea guida che richiede che siano di un colore specifico. È un aspetto a completa discrezione del produttore. I relè di sicurezza sono tipicamente di colore giallo, o quantomeno un tag di questo colore nella parte frontale. Questa codifica è atta a fare in modo che l’operatore sia in grado di riconoscere immediatamente questo dispositivo, anche se posto nel mezzo di decine e decine di altri. In alcune aree geografiche, al posto del colore giallo, si usa il colore rosso.

Dimensioni

In linea generale l’ingombro, nonché le dimensioni di un relè di sicurezza sono maggiori di quelle di un relè standard sebbene possa dipendere dalle circostanze. I relè standard non hanno specifiche dimensioni o non sono chiamati a rispettare determinati requisiti. L’ingombro dell’apparecchiatura è a totale discrezione del produttore in accordo con le necessità del caso che possono essere funzionali o di mercato. A parità di utilizzo, esclusi ovviamente i requisiti di sicurezza, un relè standard è più piccolo di un relè di sicurezza. In molte circostanze, un relè di sicurezza contiene al suo interno differenti contatti che in pratica si traducono in diversi relè standard. Inoltre, troveremo complesse circuiterie elettroniche per gestire la diagnostica, o circuiti che gestiscono la temporizzazione dell’intervento. Circuiti di protezione interna sono anche spesso integrati nei relè di sicurezza per proteggere da picchi di tensione al coil. Tutti questi tratti distintivi sono necessari a fare di un relè di sicurezza ciò che è e sono la spiegazione pratica del perché questo tipo di apparecchiature sono solitamente di maggiori dimensioni rispetto a quelle standard.

Costi

Il costo di un relè di sicurezza è più alto rispetto a quello di uno standard. Il fattore principale che giustifica tale differenza sta innanzitutto nei costi di ricerca e sviluppo, così come in quelli di produzione che hanno sui relè di sicurezza un peso non trascurabile. Dobbiamo tenere in considerazione che un relè di sicurezza necessita dei tempi di progettazione perché prevede una svariata serie di circuiterie interne che spesso i comuni relè non hanno. Naturalmente, il fatto che un relè di sicurezza abbia una diagnostica, circuiti di protezione, contatti ridondati, ecc. porta ad avere un maggior numero di componenti elettronici che incide su costi di produzione, test e verifiche funzionali. Coloro che producono relè di sicurezza hanno anche elevati costi di certificazione e sono responsabili di sostenere tale processo nella sua totalità. Un altro aspetto che non può essere tralasciato riguarda il fatto che i relè standard sono utilizzati in un numero smisurato di circostanze, mentre i relè di sicurezza sono utilizzati in meno circostanze e circoscritti a nicchie più definite.

Funzione di monitoraggio

La funzione di monitoraggio è strettamente correlata ai relè di sicurezza ed è una delle principali differenze tra relè di sicurezza e standard. La funzione di monitoraggio di carico e di linea in un relè di sicurezza è spesso fondamentale nell’industria di processo, o in qualsiasi altro ramo di industria in cui l’integrità del carico e dei suoi collegamenti deve essere costantemente verificata e adeguatamente sorvegliata perché di importanza critica per la funzione di sicurezza. I relè di uso comune solitamente non hanno una funzione di monitoraggio di linea o di carico. Alcuni relè di sicurezza sono in grado di monitorare tanto il carico quanto la linea di collegamento ad esso o, addirittura, il proprio stato di salute. Non tutti i relè di sicurezza sono in grado di effettuare tali operazioni ma solo quelli più sofisticati e progettati con tecnologie più avanzate. Il vigilare sullo stato di salute dell’applicazione è una operazione che può essere portata a termine grazie alla circuiteria integrata nei relè di sicurezza che la prevedono. Tale circuiteria, dunque, lavora costantemente per ispezionare le operazioni interne e/o esterne tanto di sé stesso quanto dei loop a cui esso si interfaccia. Vale menzionare a titolo esplicativo le cosiddette applicazioni “fire and gas” dove il monitoraggio di linea è indispensabile. Questo è dato dal fatto che il carico collegato al relè di sicurezza è tipicamente dormiente e il suo intervento è richiesto solo ed unicamente in circostanze gravi e di imminente emergenza. Tale metodo è definito come predittivo, ed è atto a salvaguardare lo stato del loop, ossia dei collegamenti verso il campo, ma anche quello del carico che è, in condizioni normali, in uno stato de-energizzato.

Pulse Test

Quello a cui stiamo facendo riferimento in questa sezione è la metodologia che il PLC verifica la qualità, nonché lo stato della linea che connette le card di uscita digitale con il carico. Nel caso in cui un relè di sicurezza è posto tra i due elementi appena citati, ad esempio nel caso in cui la card non è in grado di pilotare direttamente il carico di sicurezza per motivi di requisiti di potenza, dalla prospettiva del PLC il relè diventa un carico. Questa funzionalità è usata dalla maggior parte dei sistemi di sicurezza, se quello che viene definito come front end del relè non è compatibile con tale funzione possono esserci malfunzionamenti o addirittura guasti al relè. La chiusura costante dei contatti causata dagli impulsi del test potrebbe anche portare ad una riduzione dell’aspettativa di vita del relè nel caso in cui esso non fosse compatibile con tale funzionalità. Questa caratteristica è molto importante e va tenuta in considerazione nel momento in cui si sta scegliendo un relè di sicurezza dato che ci permette di evitare danneggiamenti ai contatti interni del relè causati dal chattering. Il risultato potrebbe essere anche quello di spegnimenti o attivazioni spurie del carico. Vale la pena ricordare che il pulse test viene performato dalle card con uscita digitale sia in condizione di spento che in quella di acceso. Un’altra considerazione da fare è quella che qui stiamo parlando di funzioni di sicurezza strumentata (Safety Instrumented Function) quindi se il relè di sicurezza non è compatibile con il pulse test si può incappare in situazioni pericolose e potenzialmente dannose per l’applicazione, causando il malfunzionamento del relè stesso o richiamando e facendo partire erroneamente procedure di sicurezza.

Fault mirroring

In qualche occasione, potrebbe essere necessario che il relè di sicurezza lavori con card di uscita digitale di un PLC supervisionato. Anche in questo caso, il relè deve essere compatibile con tale funzionalità e lavorare come se fosse una sorta di estensione. Fondamentalmente, nel caso in cui si incorre in una condizione di guasto all’interno del loop, ai terminal del coil del relè di sicurezza, i quali sono direttamente collegati con la card DO, sarà possibile rilevare una variazione di impedenza. Tale impedenza sarà letta e interpretata dal PLC come condizione di fault. Questo è dunque il motivo per cui tale peculiarità viene denominata “mirroring”. Tale parola è traducibile come “ribaltamento” perché il relè di sicurezza, nel momento in cui va a rilevare una condizione di guasto, lo rispecchia ai terminali della sua bobina, facendolo notare al sistema. La funzionalità di mirroring incide anche sui costi di installazione e questo non va sottovalutato, in quanto vanno notevolmente a decrescere dato che una card di acquisizione di fault (tipicamente una digitale di ingresso) e i suoi relativi costi di installazione e cablaggio non sono più necessari. I relè standard non hanno la funzione di ribaltamento delle condizioni di guasto.

Protocolli di comunicazione

I relè di sicurezza che compatibili con i protocolli di comunicazione sono quelli di più recente produzione e spesso vengono classificati come “smart”. Questo perché necessitano di impostazioni particolari di vario tipo, soprattutto quando si parla dei settaggi dei range di acquisizione di fault e monitoraggio di linea e carico. Tutti moduli relè che supportano un protocollo di comunicazione Modbus RS-485 - uno dei maggiormente utilizzati in ambito industriale - possono essere anche utilizzati per creare un network che supporta fino a 127 dispositivi. Le apparecchiature possono essere utilizzate con un’architettura meglio conosciuto come multi-drop e in grado di configurare, o monitorare, ognuno di questi elementi singolarmente con il solo ausilio di una unità master. Ogni relè che in questo genere di network può essere visto come uno “slave” contiene una serie di parametri che sono identificati in maniera univoca attraverso un indirizzo e, nel momento in cui è necessario, rende disponibile la locazione di memoria per lettura e scrittura. Tra i benefici legati al fatto di avere un protocollo di comunicazione flessibile quale il protocollo Modbus abbiamo:

• 1 interfaccia Modbus per tutti i relè connessi
• Connessione Multi-drop, con comunicazione fino a 1200 metri di distanza
• Fino a 127 relè nello stesso network
• Non è necessario l’uso di card digitali di sistema per l’acquisizione degli allarmi
• Informazioni relative alla tipologia di fault o guasto

Condizioni di funzionamento

In qualsivoglia circostanza si stia parlando di relè di sicurezza, una delle caratteristiche che viene spesso sottostimata è il range di temperatura di funzionamento. Per questa ragione molti utilizzatori trascurano di fare adeguate valutazioni che riguardano la temperatura del quadro, o comunque dell’installazione in generale, e fare una comparazione con i range specificati entro i quali il relè di sicurezza è in grado di funzionare adeguatamente. Il range di temperatura di funzionamento che ogni produttore di relè dichiara nella propria documentazione è spesso un dato analizzato e valutato da enti terzi che poi, nel caso di confermata adeguatezza, rilasciano certificati. Larga parte dei relè di sicurezza attualmente presenti sul mercato hanno range di funzionamento estesi e permettono la loro installazione in ambienti ostili. Naturalmente questo potrebbe non essere sufficiente e in molti casi prevedere un sistema di raffreddamento adeguato e proporzionato potrebbe migliorare le condizioni di funzionamento sia del relè che degli altri apparati con cui esso andrebbe a coesistere. La combinazione di questi due elementi appena citati assicura il corretto funzionamento e mantiene alta l’aspettativa di vita del relè di sicurezza. Facendo il contrario, si andrebbero a stressare i componenti interni del dispositivo, aumentando la probabilità di guasto.

Conclusioni

Ciò che abbiamo visto fino a questo punto è una lista estesa delle differenze tra un relè di sicurezza ed uno standard. Le differenze sono molteplici ed alcune andrebbero analizzate con cura, a seconda della specifica circostanza. Ad ogni modo, la distinzione tra queste due apparecchiature è chiara e ben delineata. In tutte quelle applicazioni in cui un relè gioca un ruolo essenziale nella prevenzione di eventi pericolosi, l’utilizzo di un relè di sicurezza è fondamentale.