用稳健的继电器设计向工业安全冲刺

根据美国劳工统计局的数据，每年有超过280万起工伤和死亡事件发生。其中，工业事故占了这一统计数据的很大一部分。¹在工业环境中，更先进的机器和自动化技术的普及可能会造成极其危险的工作条件。降低风险是保护人民和减少代价高昂的事故或设备更换的可能性的首要任务。机器必须每次都工作，不受功能安全的限制。

Phoenix Contact是全球领先的工业自动化组件和系统制造商，总部位于德国布隆伯格，该公司正在使用Ansys仿真软件来构建其安全继电器开关，以支持更强大的安全设计。万博PSRmini专门针对机械制造和过程工业进行了优化，提供了急需的节省空间的工业环境，需要管理生产过程中使用的信号、功率和数据输入的急剧增加。

无论何种应用，维持安全的工业操作都需要高度降低风险。当涉及到车间的重型机械时，你可以有一个很好的安全设计，但是当你将人为错误引入工业工作流程时，事故必然会发生。为了抵消偶尔的机器操作失误或设备故障，需要在系统设计中采用故障安全方法。许多机器和机器人依靠安装在电柜中的独立安全电路来中断其运行以应对紧急事件。这些电路通常是大型安全系统的一部分，当操作员靠近时，这些电路可能会干扰机器或机器人的操作，以防止车间人员受伤。

安全继电器是工业安全系统中常见的安全电路中高度专业化的基本元件。一旦发生危险，安全继电器将有助于将风险降低到可接受的水平。每个安全继电器都专门用于监测安全电路中的特定功能。将它们连接在一起可以实现对机器、车辆或工厂的全面监控。从本质上讲，它们监控安全电路本身，检查导致与断线、接触器故障、安全执行器和定时故障相关的系统故障的安全功能损失，并且是满足安全标准的简单、有效的资产，从而确保设备安全运行。

“安全继电器在工业领域随处可见，尤其是在机器制造和加工工业中，”Phoenix Contact的功能安全主管Kay Willerich说。“它们的应用范围很广——基本上在任何你需要建立机器安全状态的地方，包括那些与能源基础设施有关的机器，比如风车。在发生机器故障或人为错误的情况下，它们通过调节或切断电机的电源来充当止动措施，以避免灾难性的安全事件。”

在不牺牲性能的情况下缩小70%

为了满足客户对可负担性和可扩展性的需求，机器制造商的任务是在不影响整体系统安全设计完整性的情况下节省控制柜空间。万博Ansys仿真软件使Phoenix Contact能够模拟和构建PSRmini安全继电器，他们声称这是世界上最窄的安全继电器。该继电器采用更薄、更紧凑的6毫米设计，具有大型安全继电器的全部性能，与传统继电器设计相比，可节省高达70%的空间。

客户对节省空间技术的要求很高;然而，由于紧凑型继电器设计的子元件在市场上无法以更小的尺寸提供，因此将其小型化将是一个挑战。安全继电器中的关键核心部件-初级继电器-在一定的体积和尺寸要求下不存在，因此凤凰接触决定根据这些要求开发自己的，更小的初级继电器。在这种情况下，典型的尺寸设计方法将是无效的，因此团队转向模拟技术来解决他们的设计挑战。

用降阶模型预测更安全的系统结果

菲尼克斯接触工程师采用跨行业创新的方法，应用从汽车市场吸取的经验教训，设计出更紧凑的安全继电器组件。该团队呼吁稳健的设计优化特性万博Ansys optiSLang,再加上万博Ansys Twin Builder和多物理场功能，以实现其设计目标。该软件对于理解所涉及的各种复杂系统是不可或缺的，考虑到与继电器的机电、结构和热性能相关的所有现实世界的相互作用。

Twin Builder支持减少订单建模(ROM)，帮助Phoenix Contact工程师获得完整的数字孪生，并帮助他们了解安全系统的动态。

“我们使用Ans万博ys Twin Builder作为集成平台，将不同的物理特性(如机电、结构和热)与Twin Builder的降阶建模(ROM)技术结合在一起，”Phoenix Contact机电开发高级专家Christian Muller说。“目标是在系统模型的帮助下快速检查系统的动态响应。这可以早期发现继电器中的问题，如弹跳模式，是识别整个系统灵敏度并获得整体系统模型的绝佳方法。”

有时，当Phoenix Contact工程团队的目标相互矛盾时，opti俚语被用来帮助团队改变方向，并发现另一种设计方法。通过利用optiSlang稳健的设计优化，工程师可以考虑其更紧凑的继电器设计的标称值以及制造参数的分布。同时，他们能够识别影响生产的材料、制造工艺、能力和其他环境因素。基本上，Ansys仿真万博使Phoenix Contact工程师能够考虑所有这些参数，同时实现他们的尺寸目标。

消除物理原型以获得更快的结果

如果Phoenix Contact是市场上唯一一家能够提供如此小的安全继电器的公司，那么根据Phoenix Contact工程团队的说法，这在很大程度上归功于模拟的使用。

Muller说:“这个项目非常依赖技术，尽管在生产独特的继电器设计时存在固有的挑战，但我们的工程团队能够在极短的时间内开发出理想的组件。”“如果没有模拟，整个设计项目根本不可能实现。”

模拟是解决与系统硬件相关的问题的特别有用的解决方法。通过使用模拟和某些最先进的行业指南，该团队能够证明较小的继电器不会机械故障-仅通过实际硬件测试无法实现。根据Muller的说法，模拟的好处在于，它使Phoenix Contact的工程团队能够将多个最坏情况参数应用于数字环境中的安全设计，并观察会发生什么。

穆勒说:“实际上，在最坏的情况下，你永远无法生产出足够多的原型。”“通过模拟，我们能够证明，在某些情况下，在保持FKM指南中定义的通用机器部件计算强度验证的安全范围内，不可能破坏系统的任何弹簧。如果没有这种方法，我们就不可能在不涉及大量硬件的情况下创造出如此小的最终继电器。”

由于Ansys仿真，万博该团队可以快速创建许多不同的设计迭代，以取代数百万个物理原型，这些原型需要彻底检查应力力学。在模拟中，他们可以很容易地立即改变任何参数，比如弹簧的厚度从百分之一毫米到百分之二毫米，以观察对组件应力的直接影响。或者，要创建一个物理原型，需要从供应商那里获得特定的弹簧材料，然后进行物理测试，总共需要5-10年的工作，以达到最佳解决方案。使用Ansy万博s软件，团队可以运行尽可能多的模拟，以立即查看测试结果的各个方面-不仅仅是特定结果是否符合设计要求，还包括它如何满足这些要求。

用Ansys仿真进行耐久性测试万博

在继电器设计过程中，Phoenix Contact广泛受益于Ansys的仿真能力，以评估电磁和结构系统，并计划在不久的将来将其工作扩展到耐久性测试。万博

“耐久性测试非常复杂，成本高昂;然而，模拟这些将使我们能够进一步加快这一过程，”穆勒说。“模拟将使我们能够获得精确的值，从而减少工程时间。下一步是利用Twin Builder来创建一个功能演示器，感谢数字双胞胎，以获得客户的有效反馈。”

1.经济日报:美国劳工统计局(bls.gov): 2019年私营企业发生了280万起非致命工伤和疾病2020年11月6日。