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Wie Sie die Kontakte bei sicherheitsrelevanten Relais erweitern

| Autor / Redakteur: Jürgen Steinhäuser * / Kristin Rinortner

Funktionale Sicherheit: Die dreipolige DIN-Rail-Fassung SRD-SIS3 für Relais mit zwangsgeführten Kontakten erleichtert die Kontakterweiterung von sicherheitsrelevanten Steuerungen im Schaltschrank.

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Funktionale Sicherheit: Die Kontakterweiterungen bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten unterliegen strengen Regeln. Die Applikation ist unter Umständen noch einmal der Approbationsstelle vorzustellen.
Funktionale Sicherheit: Die Kontakterweiterungen bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten unterliegen strengen Regeln. Die Applikation ist unter Umständen noch einmal der Approbationsstelle vorzustellen.
(Bild: Elesta)

Sicherheitsschaltgeräte und sichere SPS sind universelle Helfer, wenn es darum geht, Sicherheitslösungen im Maschinen- und Anlagenbau zu realisieren. Die einfache Integration und eine hohe Individualisierung machen dies möglich. Doch von Zeit zu Zeit werden zusätzliche Kontakte benötigt. Ein neues Schaltgerät ist jedoch oftmals überdimensioniert, benötigt mehr Platz und treibt die Kosten nach oben. Relais mit zwangsgeführten Kontakten, die in eine Relaisfassung integriert sind, können hier in die Bresche springen, wenn einige Aspekte beachtet werden.

Kontakterweiterungen unterliegen in den genannten Anwendungen strengen Regeln. Wurden diese bei der Gerätekonzeption nicht berücksichtigt, ist die Applikation neu zu bewerten, neu zu dokumentieren und unter Umständen der Approbationsstelle vorzustellen. Zuvor approbierte Sicherheitsstandards nach IEC 62061 wie SIL (Safety Integration Level) oder PL (Performancelevel) mit der jeweiligen Kategorie nach ISO 13849-1 müssen in der Regel beibehalten werden.

Mechanische und elektrische Vorgaben

Neben der Bewertung der Aspekte der funktionalen Sicherheit muss die elektrische und mechanische Eignung gewährleistet sein. Relais mit zwangsgeführten Kontakten nach IEC 61810-3 sind zumeist für die Lötmontage in Platinen konstruiert. Werden Relais mit Print-Anschlüssen in Fassung verwendet, ist dies eine zusätzliche Anforderung.

Temperaturwechsel, Schock und Vibration haben einen weitaus größeren Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Relais als beim eingelöteten Relais. Die Kontaktstellen zwischen den Relais-Pins und den federnden Kontakten der Relaisfassung sind besonders zu berücksichtigen. Durch Temperaturwechsel und Vibration kann Reibkorrosion entstehen.

Dabei handelt es sich um eine Mikro-Reibbewegung, oft ausgelöst durch Temperaturdifferenzen oder Vibration. Es bilden sich Zinndioxid und andere Korrosionsprodukte, die in der Kontaktstelle die Übergangswiderstände erhöhen können. Das führt bis zur Isolation bzw. thermischen Überlastung der Kontaktstelle. Begünstigt werden solche Effekte durch aggressive Schadgase, hohe Luftfeuchte, Aerosole oder Stäube am Einsatzort.

Zunehmend steht auch die Manipulationssicherheit im Fokus. Diese Betrachtung beginnt beim möglichen Austausch der Relais, reicht über die Verkabelung und endet bei den Zugangsmöglichkeiten zum Schaltschrank. An der Relaisfassung können die Schraubanschlüsse mit Sicherungslack „verplombt“ werden. Viele dieser Sicherungsmaßnahmen sind nicht neu und erscheinen übertrieben. Sie sollten jedoch bedenken, dass die Relais mit Fassung in Sicherheitsschaltkreise eingebunden sind und allein durch Fahrlässigkeit mehr als nur ein Maschinenstillstand verursacht werden kann.

In der Anwendung wird die funktionale Sicherheit als gegeben vorausgesetzt. So ist die eigentliche Fragestellung die der Zuverlässigkeit im täglichen Betrieb. Aufgrund der oben beschriebenen Einflussfaktoren auf das System Relais-Fassung ist diese Bewertung durchzuführen. Hinzu kommen noch die Schaltlastbedingungen. Besonders wichtig ist, dass sowohl die Schaltlasten der Ausgangskreise als auch die der Rückmeldekreise beachtet werden.

Kontakterweiterung in der Praxis: Die Herausforderungen

Die Mehrzahl der Kontakterweiterungen wird mit den bekannten Zwei-Wechsler-Relais (2 CO) durchgeführt. Nachteilig ist hierbei, dass in Schaltkreisen der funktionalen Sicherheit immer nur ein Kontakt eines Wechslers genutzt werden kann. Dies wird damit begründet, dass ein Kontaktfederbruch nicht ausgeschlossen werden darf (siehe IEC 61810-3).

Deshalb muss von einem Kontaktsatz der Öffner und vom anderen der Schließer verwendet werden. Der jeweils freie Kontakt – der Wechsler – ist nicht nutzbar. Es handelt sich um einen Kontaktsatz vom Typ B, bei dem nicht alle Kontakte miteinander zwangsgeführt sind. Das ist ausreichend, sofern nur ein Arbeitskontakt (AK) und ein Ruhekontakt (RK) benötigt werden, und unkritische Lasten zu schalten sind.

Funktionale Sicherheit durch eine Relaisfassung

Bild 1: Die dreipolige Fassung SRD-SIS3 für Relais mit zwangsgeführten Kontakten macht eine 
Kontakterweiterung einfach.
Bild 1: Die dreipolige Fassung SRD-SIS3 für Relais mit zwangsgeführten Kontakten macht eine 
Kontakterweiterung einfach.
(Bild: Elesta)

Oftmals sind zwei Schließer und ein Öffner hilfreich. Ein zweiter Schaltkreis ist einfach einzubinden, die Schaltzuverlässigkeit wird durch die Parallelschaltung der Arbeitskontakte erhöht, oder kritische Lasten sind durch Lastaufteilung bzw. Reihenschaltung der Arbeitskontakte einfacher zu beherrschen. Für die Realisierung bietet Elesta mit der Relaisfassung SRD-SIS3 und der Relaisbaureihe SIS 212 (2AK / 1RK) eine Lösung an (Bild 1). Tabelle 1 zeigt die Spezifikationen der Varianten in einer Übersicht.

Tabelle 1: Relaisgrundvarianten und Module für DIN-Schienenfassung SRD-SIS2.
Tabelle 1: Relaisgrundvarianten und Module für DIN-Schienenfassung SRD-SIS2.
(Bild: Elesta)

Die Relaisfassung mit einer Baubreite von 20 mm kann mit typischen Einsteckmodulen bestückt werden. Sowohl eine Schutzbeschaltung (Bild 2) als auch die Funktionsanzeige mittels Leuchtdioden sind problemlos möglich.

Die Relaisfassung wurde für hohe Kontaktkräfte zwischen Relais und Fassung ausgelegt. Ein Aushebemechanismus unterstützt bei der Montage und Demontage der Relais. Mithilfe von vorher angebrachtem Sicherungslack können Manipulationen an den Schraubanschlüssen aufgedeckt werden.

Bild 2: 
Für die Relaisfassung SRD-SIS3 wurden die Relais mit 3,8 mm langen Anschlusspins ausgestattet.
Bild 2: 
Für die Relaisfassung SRD-SIS3 wurden die Relais mit 3,8 mm langen Anschlusspins ausgestattet.
(Bild: Elesta)

Speziell für diese Fassung wurden die Relais der Serie SIS 212 und SIS 112 mit 3,8 mm langen Anschluss-Pins (Variante L38) ausgestattet. Neben einer klassischen Einbindung von bis zu drei Schaltkreisen kann die oben beschriebene Lastaufteilung durchgeführt werden. Dabei darf die maximale Strombelastung der Fassung und des Relais pro Kontakt nicht überschritten werden.

Bis zu 50 Prozent weniger Lichtbogenbrenndauer

Durch Reihenschaltung der beiden Arbeitskontakte verdoppelt sich die Öffnungsweite des Kontakts und die Lichtbogenbrenndauer verkürzt sich je nach Lastfall um mehr als 50%. Das ist ein probates Mittel, um bei hohen Schaltlasten mit starker Lichtbogenbildung die elektrische Lebensdauer zu erhöhen. Bei kleinen Lasten oder Anwendungen, bei denen während der Lebensdauer nur sehr wenige Schaltzyklen zu erwarten sind (Low Demand), wird durch die Parallelschaltung der Arbeitskontakte die Kontaktzuverlässigkeit in Verbindung mit den verwendeten Zackenkronenkontakten stark verbessert. Dies macht das Relais für Anwendungen in der Prozessindustrie und Medizintechnik interessant.

Wie bei den Standardrelais der Serie SIS3 ist die die Spulenverlustleistung beim SIS 212 sehr gering. Im Gegensatz zum typischen 2-Wechsler-Relais mit zwangsgeführten Kontakten, bei denen die Spulenverlustleistung zwischen 700 mW und 1 W liegt, beträgt diese in der Standardvariante des SIS 212 600 mW und in der sensitiven Ausführung 400 mW. Die geringe Eigenerwärmung und der geringe Energiebedarf machen dieses Relais auch für batteriebetriebene Anwendungen interessant.

Fazit: Die Relaisfassung SRD-SIS3 in Verbindung mit der Relaisbaureihe SIS 212 … L38 stellt eine Alternative für die Kontakterweiterung in höherwertigen Anwendungen der funktionalen Sicherheit dar.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 8/2020 (Download PDF)

* Jürgen Steinhäuser ist Vertriebsleiter bei Elesta in Bad Ragaz / Schweiz.

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