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Sicherheitsrelais sind in der Welt von Industrie 4.0 angekommen

Autor / Redakteur: Volker Schwidden * / Kristin Rinortner

Nicht mehr zeitgemäß, monieren Anwender und führen Schlagwörter wie Digitalisierung, Industrie 4.0 und IIoT an. Schneider Electric hat die klassischen Sicherheitsrelais in die Gegenwart überführt.

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Sicherheitsrelais im Zeitalter von Industrie 4.0: Gängige Sicherheitsrelais beschränken ihre Kommunikation auf die schlichte Auskunft „Sicherheitsfunktion An“, „Sicherheitsfunktion Aus“. Schneider Electric hat die klassischen Sicherheitsrelais in die Gegenwart überführt.
Sicherheitsrelais im Zeitalter von Industrie 4.0: Gängige Sicherheitsrelais beschränken ihre Kommunikation auf die schlichte Auskunft „Sicherheitsfunktion An“, „Sicherheitsfunktion Aus“. Schneider Electric hat die klassischen Sicherheitsrelais in die Gegenwart überführt.
(Bild: Schneider Electric)

Sollen Sicherheitsfunktionen überwacht und realisiert werden, stehen je nach Anforderung Sicherheitsrelais, Sicherheitscontroller oder Sicherheitssteuerungen zur Verfügung. Dabei sind Sicherheitsrelais vor allem in Anwendungen mit begrenzter Anzahl von Sicherheitsfunktionen zu finden. Aus gutem Grund: Sie erfüllen die notwendigen Normen, sind kompakt, zuverlässig und deutlich kostengünstiger als Sicherheitscontroller oder Sicherheitssteuerungen. Auch sind Sicherheitsrelais längst nicht mehr auf die Überwachung einfacher Sicherheitseinrichtungen wie Not-Halt-Taster beschränkt, sondern eignen sich gleichermaßen für spezielle Funktionen wie die Stillstanderkennung.

Sicherheitsrelais und Industrie 4.0 – das ist kompliziert

Diese Vorzüge können aber nicht über die Schwachstellen hinwegtäuschen. Die eingeschränkte Kommunikationsfähigkeit sei hier an erster Stelle genannt. Denn im Grunde beschränkt sich die Kommunikation mit der Steuerung auf die simple Feststellung: Das Sicherheitsrelais ist eingeschaltet beziehungsweise abgeschaltet, die Sicherheitsfunktion ist aktiv oder eben nicht. Warum das Sicherheitsrelais abgeschaltet worden ist, ob beispielsweise der Not-Halt betätigt oder vielleicht eine Leitung durchgeschnitten wurde, bleibt offen.

Diesen Knoten müssen die Anwender selbst lösen und vor Ort aufwändig nach dem Fehler suchen. Doch die Zeiten ändern sich und mit ihnen ändert sich der Anspruch an die Sicherheitstechnik und an Sicherheitsrelais. Schlagwörter wie Industrie 4.0, IIoT oder Predictive Maintenance klopfen an die Tür. Und sie verlangen mit deutlichem Nachdruck Einlass. Oder doch zumindest nach qualifizierten und umfangreicheren Diagnose- und Statusinformationen – auch für einfache Maschinen.

Bustechnologie: Ein potenzieller Türöffner?

Eine Möglichkeit, diese Informationen doch noch zu bekommen, bietet die Bustechnologie. Bei diesem Ansatz wird die Sicherheitsauswertung über eine Busschnittstelle an die Steuerung übertragen. Dadurch können zahlreiche Informationen zu Diagnosezwecken gesammelt, übertragen und ausgewertet werden. Ein naheliegender Lösungsansatz mit Haken. Sicherheitsrelais werden bevorzugt in Maschinen mit einfacher Steuerungsarchitektur eingesetzt.

Diese Maschinen haben in aller Regel und ganz bewusst kein Bussystem an Bord, denn mit einer entsprechendes Busanschaltung wäre die Maschine ganz einfach zu teuer. Aus ökonomischen Gründen macht es also keinen Sinn, für vergleichsweise einfache und eben kostengünstige Sicherheitsrelais extra eine aufwändige und komplexe Busstruktur zu implementieren. Und es klopft ja nicht allein die Industrie 4.0 an die Tür, auch die Rezession macht sich bemerkbar. Und die mahnt zur Vorsicht und zu Kosteneinsparungen, nicht zu Mehrausgaben.

Mehr Informationen ohne höhere Kosten

Gefragt ist also ein Ansatz, der das Potenzial der Industrie 4.0 ausschöpft, die geforderten Informationen liefert, ohne aber das Kostenniveau zu erhöhen. Ein Ding der Unmöglichkeit? Nicht unbedingt. Bestes Beispiel sind die Sicherheitsrelais der XPSU-Reihe von Schneider Electric. Die neu entwickelten Sicherheitsrelais können mehr als 40 verschiedene Meldungen an die Maschinensteuerung weiterleiten – ohne Busanschaltung, ohne zusätzlichen Installationsaufwand und ohne finanzielle Mehrausgaben.

Wo bislang lediglich die Meldung einging, dass ein Fehlerfall aufgetreten ist, also das Sicherheitsrelais abgeschaltet wurde, stehen dem Anwender nun präzise Informationen über die Ursache zur Verfügung. Das kann dann beispielsweise ein Drahtbruch in Leitung X sein, ein Kurzschluss an Eingang Y oder das Warten auf die Quittierung für die Startbedingung. Mithilfe dieser Diagnose-Informationen lassen sich über das HMI-Display Störungen unmittelbar anzeigen sowie angemessene Maßnahmen einleiten.

Bild 1:
Die universellen Sicherheitsrelais des Typs XPSU in der Übersicht.
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Die universellen Sicherheitsrelais des Typs XPSU in der Übersicht.
(Bild: Schneider Electric)

Möglich wird diese Vielfalt an Diagnose-Informationen durch den speziellen Aufbau des Diagnose-Ausgangs der Sicherheits­relais, die nicht mehr nur noch ein- und abschalten, sondern modulierte Signale erzeugen. Diese Signale werden – ähnlich einem Morsetelegram – über eine festverdrahtete Verbindung an einen digitalen Standardeingang der SPS weitergeleitet. Dort werden die Signale schließlich dekodiert und als Meldung ausgegeben. Hierzu muss vorab lediglich ein Funktionsbaustein in die Steuerung integriert werden. Eine kostenlose Bibliothek mit Funktionsbausteinen für alle gängigen Steuerungs- und Programmiersysteme erleichtert diesen Prozess.

Proaktive Wartung – Stillstand vermeiden

Die ausgegebenen Meldungen beschränken sich aber nicht allein auf Diagnosedaten, sondern übermitteln ebenso Statusinformationen, die parallel zu den Diagnosedaten über einen Funktionsbaustein erhoben werden. Was auf den ersten Blick wie eine Banalität klingt, ist bei genauer Betrachtung ein wichtiger Schritt in Richtung proaktiver Wartung. Denn bislang wurde die Lebensdauer eines Sicherheitsrelais mithilfe einer mathematischen Formel berechnet.

Bild 2: 
Preventa XPS Universal kombiniert die einfache Anwendung von festverdrahteten Sicherheitsrelais / Sicherheitsschaltgeräten mit der Vielfalt von Diagnosemeldungen, die in der Vergangenheit eine komplexere und teurere Feldbustechnologie erforderlich gemacht hat.
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Preventa XPS Universal kombiniert die einfache Anwendung von festverdrahteten Sicherheitsrelais / Sicherheitsschaltgeräten mit der Vielfalt von Diagnosemeldungen, die in der Vergangenheit eine komplexere und teurere Feldbustechnologie erforderlich gemacht hat.
(Bild: Schneider Electric)

Anhand der Ergebnisse wurden dann die entsprechenden Prüf- und Wartungsintervalle bestimmt. Einziges Problem: Die Werte, die der Berechnung zugrunde liegen, beispielsweise die Schalthäufigkeit, sind Schätzungen. Es kann also sein, dass der Anwender weitaus häufiger in den Lichtvorhang greift oder weitaus seltener die Schutztür öffnet als ursprünglich angenommen. Die Wartungsarbeiten kommen dann entweder zu spät oder zu früh.

Hier kommt der Funktionsbaustein für die Statusinformationen ins Spiel. Denn wo Informationen übertragen werden können, kann auch gezählt werden, und zwar wie oft das Sicherheitsrelais geschaltet wird. Dadurch kann die Anzahl der Schaltvorgänge exakt nachverfolgt und bestimmt werden. Sobald ein vordefinierter Schwellwert erreicht worden ist, gibt die Steuerung automatisch eine Warnmeldung raus. Betreiber haben also genügend Zeit, Ersatzteile zu bestellen und die Geräte auszutauschen – ohne sich dabei auf Schätzungen verlassen zu müssen und lange bevor irreparable Schäden an der Anlage auftreten.

Licht im Dunkel der unzähligen Sicherheitsrelais

Sicherheitstechnik unterliegt bisweilen sehr strengen Regularien. Dadurch war die von Anwendern gewünschte Flexibilität oft aber nur eingeschränkt gegeben und es war praktisch unmöglich, verschiedene Signalformen in einem Gerät abzuarbeiten. Die Folge: Eine Fülle an verschiedenen Sicherheitsrelais, die auf je eine Sicherheitsfunktion beschränkt waren. Doch auch hier haben sich die Zeiten geändert.

Bild 3: 
Jedes Sicherheitsmodul lässt sich auf die benötigte Sicherheitsfunktion einstellen. Die Auswahl der Sicherheitsfunktion erfolgt mit einem Schraubendreher oder mit Fingern über die Drehschalter an der Vorderseite.
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Jedes Sicherheitsmodul lässt sich auf die benötigte Sicherheitsfunktion einstellen. Die Auswahl der Sicherheitsfunktion erfolgt mit einem Schraubendreher oder mit Fingern über die Drehschalter an der Vorderseite.
(Bild: Schneider Electric)

So ist es mit den XPSU-Sicherheitsrelais jetzt auch möglich, aus bis zu zehn angebotenen Sicherheitsfunktionen die gewünschte Funktion auszuwählen. Diese kann dann bequem und je nach Bedarf, ebenso wie die Startfunktionen, über einen Drehschalter am Relais ausgewählt werden. Unter dem Strich nimmt das Funktionsangebot der einzelnen Geräte also deutlich zu, wohingegen die Variantenvielfalt massiv abnimmt – und damit endlich Licht ins Dickicht der unzähligen Sicherheitsrelais kommt. Die Vorteile liegen auf der Hand: reduzierte Typenanzahl, vereinfachte Produktauswahl, effiziente Beschaffungs- und Ersatzteillogistik sowie Kostensenkungen bei Lagerhaltung, Projektierung und Montage.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Fazit: Lange haben die Innovationen der Industrie 4.0 einen Bogen um einfache Maschinen gemacht. Das scheint nun der Vergangenheit anzugehören. Das Thema Sicherheitsrelais ist nur eines von vielen Beispielen. Dieses Beispiel zeigt aber deutlich, dass Kosteneffizienz nicht im Widerspruch zu qualifizierten Informationen, Predictive-Maintenance und Multifunktionalität stehen muss. Vor ihren großen Geschwistern, dem Sicherheitscontroller und der Sicherheits-SPS, muss sich das Sicherheitsrelais jedenfalls nicht mehr verstecken.

* Volker Schwidden ist Produktmanager Sicherheitstechnik bei Schneider Electric in Ratingen.

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