Les relais de sécurité expliqués : Guide de fonctionnement
octobre 1, 2024 dans Blogue sur la sécurité des machines parEstimated reading time: 9 minutes
Mis à jour le 30 avril 2025 – Corrections apportées suite aux commentaires. Merci à Frank d’Automated Machine Technologies pour sa contribution.
Table des matières
Introduction
Un relais de sécurité est un dispositif électromécanique ou électronique conçu pour réduire les risques et mettre en œuvre des fonctions de sécurité, en particulier dans les environnements industriels. Son objectif principal est de couper l’alimentation et d’éliminer les risques de manière sûre et fiable. Il réduit le risque de danger et diminue la probabilité de dommages, de blessures ou de décès.
Il est important de noter qu’un relais de sécurité n’est pas un dispositif autonome. Cependant, nous l’installons dans le cadre d’un circuit de commande et de sécurité plus vaste à l’intérieur d’une machine. Il sert d’interface entre les dispositifs de sécurité et les composants de la machine.
Contrairement aux relais ordinaires, nous construisons des relais de sécurité pour répondre à des normes de sécurité strictes, en intégrant des principes de sécurité intégrée qui garantissent la sécurité opérationnelle dans des conditions critiques. Un relais de sécurité permet de vérifier les pertes dans les fonctions de sécurité et de détecter les défaillances internes, y compris les défauts de ses entrées et sorties.
Les relais de sécurité sont essentiels pour protéger les travailleurs contre les machines dangereuses et pour prévenir les défaillances du système dans les systèmes automatisés. Bien que l’installation d’un relais de sécurité ne soit pas obligatoire, elle simplifie la conception du circuit de sécurité, augmente le niveau de sécurité de la machine et aide à détecter les défauts.
Histoire du relais de sécurité
Le fabricant allemand d’automatismes Pilz a développé le premier relais de sécurité et a breveté le relais d’arrêt d’urgence de la marque PNOZ en 1987.
Divers fabricants produisent désormais des relais de sécurité avec une gamme de fonctions et de caractéristiques différentes. Par exemple, un relais de sécurité à deux mains est un exemple de relais de sécurité spécifique à une fonction.
Évaluations des risques
Vous devez baser le relais de sécurité et le système de sécurité global que vous choisissez sur les résultats d’une évaluation des risques pour la machine.
Même si je n’entrerai pas dans les détails ici, il est essentiel de comprendre les niveaux de performance (PL), les catégories de sécurité et le niveau d’intégrité de sécurité (SIL) lors de la sélection du système de sécurité approprié. Supposons que vous connectiez un composant à faible niveau de performance à un composant à niveau de performance élevé. Dans ce cas, l’ensemble du système sera rétrogradé au niveau de performance le plus bas.
Construction de base d’un relais de sécurité
Un relais de sécurité possède généralement plusieurs entrées et sorties de sécurité, selon son type. Il s’agit de bornes où vous pouvez connecter vos fils ou vos câbles.
Ainsi, si nous commençons par le côté entrée, nous connecterons un dispositif de sécurité au relais de sécurité. Un exemple de dispositif qui se connecte à l’entrée d’un relais de sécurité est un interrupteur de verrouillage de sécurité, un bouton d’arrêt d’urgence ou un rideau lumineux. Vous pouvez même connecter les sorties d’un relais de sécurité aux entrées d’un autre relais de sécurité. (C’est une façon de connecter des modules de relais de sécurité en « chaîne »).
Un aspect essentiel des entrées de sécurité de nombreux relais de sécurité est qu’elles sont dotées d’une redondance à double canal.
Double canal et redondance
La redondance du signal garantit qu’un seul défaut sur une ligne ne compromettra pas la fonction de sécurité. Nous en discuterons plus en détail plus tard, mais il est essentiel de câbler correctement le relais de sécurité pour maintenir la redondance avec ces dispositifs. Vous aurez toujours deux fils pour chaque entrée de sécurité sur un relais de sécurité.
Or, ce n’est pas le cas pour tous les circuits de sécurité. Selon l’évaluation des risques, un dispositif à un seul canal pourrait également être connecté à un relais de sécurité spécifique qui accepte les entrées à un seul canal. Cependant, un relais de sécurité à un seul canal ne serait pas en mesure de détecter tous les défauts qu’un relais de sécurité à deux canaux pourrait détecter.
De même, pour la sortie d’un relais de sécurité, ces bornes se connecteront à un autre relais de sécurité ou à un dispositif tel qu’un contacteur. Comme pour les entrées, les sorties sont également redondantes et sont contrôlées périodiquement pour vérifier l’état des signaux.
Habituellement, une unité compacte montée sur rail DIN contient toutes ces bornes d’entrée et de sortie. Nous installons ces unités à l’intérieur de l’armoire de commande ou électrique d’une machine. Le relais de sécurité doit également avoir quelques voyants lumineux sur sa face avant pour indiquer son état de sortie. Parfois, vous pouvez diagnostiquer un défaut en voyant quel voyant d’une entrée de sécurité ne se réinitialise pas.
Enfin, le « cerveau » ou les composants internes du relais de sécurité sont un microcontrôleur spécifique à une fonction ou un autre circuit. Il vérifie et contrôle en permanence ses fonctions de sécurité. Par conséquent, le relais de sécurité est doté de circuits redondants avec des capacités d’autosurveillance intégrées. Si un composant à l’intérieur du relais de sécurité tombe en panne, il restera opérationnel.
Exemple de schéma de câblage d’un relais de sécurité
Voici un exemple fondamental d’un schéma de câblage typique d’un relais de sécurité. Notez que le câblage du relais de sécurité varie considérablement, alors assurez-vous de lire attentivement le manuel d’instructions de votre relais de sécurité.
Plusieurs points clés méritent d’être notés concernant le schéma électrique ci-dessus.
- Alimentation—Le relais de sécurité et les contacteurs sont alimentés par une alimentation 24 VCC connectée directement aux bornes A1 et A2.
- Le bouton d’arrêt d’urgence (E-Stop)—Notez que le bouton d’arrêt d’urgence a deux contacts normalement fermés qui sont connectés mécaniquement. Cela fait partie de la nature de la redondance des systèmes de sécurité. Un signal pulsé de la borne S11 passe à travers les deux contacts d’arrêt d’urgence avant d’atteindre les bornes S12 et S14. Lorsque l’arrêt d’urgence est enfoncé, les deux contacts sont forcés de s’ouvrir, ce qui coupe le signal vers les bornes S12 et S14.
- Sorties de sécurité—Les bornes 14 et 24 sont le côté entrée de la section des sorties de sécurité du relais de sécurité. Ces deux bornes sont connectées directement à l’alimentation. Lorsque toutes les conditions de sécurité sont remplies, le relais ferme un ensemble de relais à guidage forcé* et redondants. Cela enverra de l’énergie aux bornes 13 et 23, qui alimenteront les deux contacteurs.
- Contacteurs– Lessorties de sécurité fournissent un signal redondant à deux canaux, connecté à deux contacteurs. Ces contacteurs seront ensuite connectés en série pour commander un moteur.
- Boucle de rétroaction – La boucle de rétroaction surveille les contacteurs. Dans leur état normal, un contact normalement fermé à guidage forcé* informera le relais des défauts à l’intérieur du contacteur, tels que des contacts soudés ou collés. L’entrée pour ces contacts est fournie par le relais de sécurité sous forme de signal pulsé. Les deux contacts sont câblés en série et renvoyés au relais de sécurité sur la borne S21.
- Bouton de réinitialisation—Si le relais de sécurité est déclenché, ce bouton réinitialise le relais à son fonctionnement normal une fois que toutes les conditions de sécurité sont remplies. Dans ce cas, le signal passe par la boucle de rétroaction des contacteurs.
*Guidage forcé : Ces types de contacts sont conçus pour être connectés mécaniquement et se déplacer ensemble comme une seule unité. Si un contact est collé ou soudé, tous les autres contacts resteront dans leur position.
Quels types de défauts les relais de sécurité peuvent-ils détecter ?
Comment fonctionne un relais de sécurité ?
Un relais de sécurité surveille une fonction de sécurité spécifique ou un dispositif de sécurité, tel qu’un rideau lumineux. Le relais de sécurité évalue électroniquement les entrées et contrôle ses sorties en fonction de ces évaluations.
Terme : OSSD
OSSD signifie Output Signal Switching Device (dispositif de commutation de signal de sortie). Un circuit électronique envoie une impulsion unique, reconnue comme un signal de sécurité. Les signaux OSSD empêchent le contournement accidentel ou intentionnel des dispositifs de sécurité. Le signal OSSD n’est pas un courant continu de 24 V stable, mais plutôt un signal codé transmis sur une paire de fils qui sont déphasés l’un par rapport à l’autre.
Fonctions du relais de sécurité
Au niveau de base, le relais de sécurité a une ou plusieurs des fonctions suivantes :
- Un relais de sécurité continuera de fonctionner si un défaut interne est détecté, permettant au système de s’arrêter ou de s’éteindre en raison de sa redondance intégrée et de ses capacités d’autosurveillance.
- Le relais de sécurité surveillera les défauts d’entrée, y compris les courts-circuits entre les conducteurs, les contacts collés et les courts-circuits à la terre.
- Il possède au moins deux entrées qui reçoivent des signaux d’un OSSD ou de contacts secs, tels que ceux que l’on trouve dans un bouton d’arrêt d’urgence.
- Un relais de sécurité envoie des impulsions de test le long de ses entrées et sorties pour détecter les défauts dans les fils, tels que les courts-circuits.
- Un relais de sécurité détecte si les entrées à double canal changent d’état simultanément. Ceci afin de détecter les contacts potentiellement défectueux sur un dispositif de sécurité externe. Parfois, un interverrouillage magnétique codé qui se ferme trop lentement peut amener le relais de sécurité à indiquer un défaut parce que les deux canaux ne se ferment pas simultanément.
- Il possède au moins deux sorties de sécurité, et de nombreux relais de sécurité en ont plus de deux. Ces sorties de sécurité utilisent des contacts à guidage positif pour garantir que les jeux de contacts se déplacent comme une seule unité.
- Il permet la surveillance des dispositifs de sortie tels que les contacteurs. Ceci est connu sous le nom d’EDM, ou External Device Monitoring (surveillance des dispositifs externes).
- Pour remettre un relais de sécurité en état de fonctionnement normal après un défaut, il faut le mettre sous tension ou le réinitialiser.
- Un relais de sécurité peut avoir un délai intégré ou d’autres fonctions telles que la surveillance de la vitesse ou de la fréquence.
- Il assure l’isolation électrique entre les dispositifs de sécurité et le circuit de contrôle de l’alimentation.
Il est important que le câblage soit correct !
Une considération cruciale est que pour qu’un relais de sécurité fonctionne comme prévu et réduise les risques, il doit être câblé correctement. J’ai vu des interrupteurs de verrouillage câblés aux bornes d’entrée d’alimentation A1/A2 d’un relais de sécurité, ce qui a pour effet de supprimer et de désactiver l’alimentation du dispositif. Non seulement c’est la mauvaise façon de connecter un relais de sécurité, mais cela contourne également efficacement le relais de sécurité, le rendant inutile dans le circuit.
Une utilisation typique d’un relais de sécurité est d’interconnecter un interrupteur de verrouillage de sécurité monté sur un protecteur avec les contacteurs qui alimentent un moteur.
Le relais de sécurité vérifie et met en marche les contacteurs du moteur lorsque toutes les conditions de sécurité sont remplies.
Relais à usage général
Ce relais de sécurité à usage général peut être utilisé avec nos barrières immatérielles EOS4, nos boutons d’arrêt d’urgence ou nos interrupteurs de verrouillage.
Applications typiques et exemples d’utilisation
Nous trouvons couramment des relais de sécurité dans les environnements industriels sur des machines telles que les lignes de production, les robots et autres dispositifs où un niveau de sécurité plus élevé et une réduction des risques sont requis.
Voici des exemples de dispositifs de sécurité standard que l’on peut connecter aux bornes d’entrée d’un relais de sécurité :
- Rideaux lumineux
- Tapis de sécurité
- Commande par bouton à deux mains
- Interverrouillage de sécurité
- Boutons d’arrêt d’urgence
Du côté de la sortie d’un relais de sécurité, une connexion standard est établie avec les contacteurs, qui, à leur tour, se reconnectent aux entrées du relais de sécurité pour surveiller les contacts électriques du contacteur. En plus des contacteurs, nous pouvons connecter un deuxième relais de sécurité, ou nous pouvons nous connecter à des entrées OSSD spéciales de VFD ou d’entraînements.
Exemples de machines et d’équipements qui utilisent des relais de sécurité :
- Ascenseurs
- Grues
- Robots
- Presses d’estampage
- Machines de découpe
- Machines d’impression
- Machines de production
Normes pertinentes
CNESST 1910.211(d)(62) – Système de sécurité désigne l’ensemble du système intégré, y compris les éléments pertinents de la presse, les commandes, la protection et toute protection supplémentaire requise, ainsi que leurs interfaces avec l’opérateur et l’environnement, conçus, construits et disposés pour fonctionner ensemble en tant qu’unité, de sorte qu’une défaillance unique ou une erreur de fonctionnement unique ne cause pas de blessure au personnel en raison des risques liés au point d’opération.
CSA B11.19 & CSA B11.20 – Fiabilité des contrôles
Lectures complémentaires
https://www.ferndalesafety.com/connecting-safety-interlock-switches-in-series/
https://www.ferndalesafety.com/two-hand-control-for-machine-safeguarding/
Sécurité pratique des machines par David Macdonald
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