用坚固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280万的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更先进的机器和自动化技术在工业环境中的普及可能导致极其危险的工作条件。降低风险是保护人员和减少昂贵事故或设备更换可能性的首要任务。机器必须时刻工作，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，正在使用Ansys仿真软件构建他们的安全继电器开关，以支持更强大的安全设计。万博PSRmini专门针对机械制造和流程工业进行了优化，提供了急需的空间节省工业环境，以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，保持工业操作的安全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，但当你在工业工作流程中引入人为错误时，事故就一定会发生。为了抵消机器操作员偶尔的错误或设备故障，需要故障安全方法来进行系统设计。许多机器和机器人依靠安装在电气箱中的独立安全电路来中断运行，以应对紧急事件。这些电路通常是大型安全系统的一部分，当操作员靠近机器或机器人以防止在车间受伤时，这些电路可能会干扰机器或机器人的操作。

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。在发生危险时，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控安全电路中的特定功能。将它们连接在一起可以对一台机器、一辆汽车或一个工厂进行全面监控。从本质上讲，他们监测安全电路本身，检查安全功能的损失，从而导致与断线、故障接触器、故障安全执行器和定时相关的系统故障，并且是满足安全标准的简单、有效的资产，从而实现设备的安全运行。

“安全继电器在工业领域随处可见，尤其是在机械制造和加工行业，”Phoenix Contact的功能安全总监凯·威勒里奇(Kay Willerich)说。“它们的应用范围很广——基本上在任何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地方，比如风车。在机器故障或人为错误的情况下，它们可以调节或切断电机电源，以避免灾难性的安全事件。”

在没有性能权衡的情况下缩减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能够模拟和建造PSRmini安全继电器，他们声称这是世界上最窄的。该继电器在更薄、更紧凑的6毫米设计中提供了大型安全继电器的全部性能，与更传统的继电器设计相比，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没有更小的尺寸，使其小型化将是一个挑战。安全继电器中的关键核心部件-基本继电器-在一定的体积和尺寸要求下不存在，因此凤凰接触公司决定根据这些要求开发自己的更小的基本继电器。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

凤凰接触工程师采取了跨行业，创新的方法，应用经验教训从汽车市场设计一个更紧凑的安全继电器组件。该团队呼吁稳健的设计优化属性万博Ansys optiSLang,再加上万博Ansys Twin Builder和多物理场能力来实现他们的设计目标。该软件对于理解所涉及的各种复杂系统是不可或缺的，并考虑了与继电器的机电、结构和热性能相关的所有现实世界的相互作用。

Twin Builder支持低阶建模(ROM)，帮助Phoenix Contact工程师实现完整的数字孪生模型，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(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表示。“目标是在系统模型的帮助下快速检查系统的动态响应。这能够早期发现继电器中的问题，如反弹模式，是识别整个系统灵敏度并获得整体系统模型的绝佳方法。”

当Phoenix Contact的工程团队的目标相互矛盾时，optiSLang被用于帮助团队转换档位，并发现另一种设计方法。通过利用optiSlang的稳健设计优化，工程师可以考虑标称值以及更紧凑的继电器设计的制造参数的分布。与此同时，他们能够识别影响生产的材料、制造过程、能力和其他环境因素。基本上，Ansys模拟万博使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

凤凰接触公司的工程团队表示，如果凤凰接触公司是市场上唯一一家能够提供如此小的安全继电器的公司，这在很大程度上要归功于模拟的使用。

Muller说:“这个项目是非常技术驱动的，尽管生产独特的继电器设计存在固有的挑战，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——这是仅通过实际硬件测试无法实现的。Muller表示，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。

Muller说:“在现实中，你永远无法用最坏的参数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，不可能破坏系统的任何弹簧，同时保持在FKM指南中定义的安全范围内，以验证一般机器部件的计算强度。如果没有这种方法，我们不可能在不涉及大量硬件的情况下创建如此小的最终中继。”

得益于Ansys仿真万博，该团队可以快速创建许多不同的设计迭代，以取代彻底检查应力力学所需要的数百万个物理原型。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，以查看对组件应力的直接影响。或者，为了创建一个物理原型，需要供应商提供特定的弹簧材料，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——不仅是特定结果是否通过或未能满足设计要求，还包括它如何满足这些要求。

用Ansys仿真测试耐久性万博

在继电器设计过程中，Phoenix Contact广泛受益于Ansys的模拟能力，以评估电磁和结构系统，并计划在不久的将来将其努力扩展到耐久性测试。万博

“耐久性测试是非常复杂和昂贵的;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数值，从而减少工程时间。下一步是利用Twin Builder创建一个功能演示器，这要感谢数字双胞胎，以获得客户的有效反馈。”

1.2019年，私营企业发生了280万起非致命工伤和疾病:经济日报:美国劳工统计局(bls.gov)2020年11月6日。