Erhöhte funktionale Sicherheit mit Relaismodulen

Die funktionale Sicherheit ist für die heutigen industriellen Systeme von entscheidender Bedeutung, da sie den sicheren Betrieb von Maschinen und Prozessen auch im Falle von Fehlern oder Fehlfunktionen gewährleistet. Relaismodule spielen eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung der funktionalen Sicherheit, da sie einen zuverlässigen Mechanismus zur Regelung von Stromkreisen bieten. Dieser Artikel, der sich auf die SAFESERIES-Produktfamilie von Weidmüller konzentriert, beleuchtet die Bedeutung von Relaismodulen im Kontext der funktionalen Sicherheit, hebt ihre wesentlichen Eigenschaften hervor und gibt Leitlinien für die optimale Auswahl und Nutzung.

Erfüllung der Anforderungen an die funktionale Sicherheit

Elektromechanische Relais werden in der Regel zur Steuerung von Stromkreisen mit hoher Leistung durch Signale mit geringer Leistung verwendet. Sie fungieren als Schalter, die je nach dem Status eines Eingangssignals den Stromdurchgang zulassen oder verhindern. Relaismodule werden in Anwendungen der funktionalen Sicherheit eingesetzt, um sicherzustellen, dass kritische Sicherheitsfunktionen zuverlässig ausgeführt und potenzielle Gefahren minimiert werden. Einige der wichtigsten Aspekte von Relaismodulen in der funktionalen Sicherheit sind die folgenden:

• Redundanz: Redundanz ist eines der Grundprinzipien der funktionalen Sicherheit und erfordert mehrere unabhängige Komponenten, die dieselbe sicherheitskritische Funktion erfüllen. Relaismodule werden häufig redundant konfiguriert, um sicherzustellen, dass ein System auch bei Ausfall eines Relais sicher weiterarbeiten kann.
• Ausfallsichere Konstruktion: Relaismodule sind in der Regel so konstruiert, dass sie in einem sicheren Zustand ausfallen; wenn ein Relais ausfällt oder die Stromversorgung verliert, geht es in einen Zustand über, der die Sicherheit des Systems gewährleistet. So sollte beispielsweise ein ausgefallenes Relais in einem Stromkreis, der den Notstopp einer Maschine regelt, zu einem sofortigen Stillstand führen.
• Diagnostik und Überwachung: Diese in moderne Relaismodule integrierten Funktionen ermöglichen es dem System, Defekte oder Fehlfunktionen im Relais zu erkennen und die entsprechenden Reaktionen einzuleiten, wie z. B. Fehlermeldungen oder das Umschalten auf ein redundantes Relais.
• Verlässlichkeit und Robustheit: Relaismodule sind bekannt für ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit. Sie halten extremen Umweltbedingungen, Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen stand und eignen sich daher für den Einsatz in anspruchsvollen industriellen Umgebungen.
• Geringe Latenzzeit: Bei sicherheitskritischen Anwendungen ist die Reaktionszeit von größter Bedeutung. In Anwendungen, in denen schnelle Reaktionszeiten erforderlich sind, um die Sicherheit von Personal und Ausrüstung zu gewährleisten, werden Relaismodule bevorzugt.

Bei der Implementierung von Relaismodulen in Anwendungen der funktionalen Sicherheit müssen mehrere Überlegungen angestellt werden, angefangen bei der Einhaltung von Normen. Damit wird sichergestellt, dass die in Anwendungen der funktionalen Sicherheit eingesetzten Relaismodule den einschlägigen Sicherheitsnormen und -zertifizierungen entsprechen.

Das Europäische Komitee für elektrotechnische Normung (CENELEC) hat die Reihe EN 61810 entwickelt, die sich auf elementare elektromechanische Relais konzentriert. Die Serie umfasst mehrere Normen, die jeweils auf bestimmte Relaisarten und Anwendungen zugeschnitten sind. Die EN 61810-3 ist eine dieser Normen, und ihre Variante Typ A ist von besonderer Bedeutung.

Sicherheitsrelais

Die Norm EN 61810-3 Typ A gilt für elementare Relais, die durch spezielle Konstruktions- und Fertigungstechniken sicherstellen, dass die Schließerkontakte (NO) nicht die gleiche Stellung wie die Öffnerkontakte (NC) einnehmen können. Diese Relais, die speziell mit zwangsgeführten Kontakten gebaut wurden, um der Norm zu entsprechen, besitzen die Fähigkeit, in selbstüberwachenden, sicherheitsrelevanten Steuerungssystemen eingesetzt zu werden.

Die zwangsgeführten Kontakte sind mechanisch miteinander verbunden, um sicherzustellen, dass die Öffnerkontakte und die Schließerkontakte niemals gleichzeitig schließen, wenn z. B. eine Mikroverschweißung der Kontakte durch einen Lichtbogen verursacht wird („Relais klebt“).

Ein praktisches Beispiel für diesen Sicherheitsmechanismus zeigt Abbildung 1 am Beispiel eines Sicherheitsrelaisbausteins von Weidmüller mit drei Schließern (NO-Kontakte) und einem Öffner (NC-Kontakt). Wie auf dem Bild zu sehen ist, sind alle Pole mechanisch durch eine Stange verbunden, was eine unabhängige Bewegung verhindert.

Wenn der Öffnerkontakt verschweißt ist, kann keiner der Schließerkontakte während der Erregung des Relais schließen. In ähnlicher Weise kann der Öffnerkontakt beim Abschalten des Relais nicht schließen, wenn einer der Schließerkontakte verschweißt ist. In Kombination mit einer speziellen Schaltung werden Störungen beim Öffnen erkannt. Dies ist der zuverlässigste Weg, um die maximale Sicherheit von Mensch und Maschine zu gewährleisten.

Abbildung 1: Schema eines Sicherheitsrelaismoduls von Weidmüller. (Quelle: Weidmüller)

Sicherheitsrelais ermöglichen die zuverlässige Umsetzung von Sicherheitsfunktionen an Maschinen und Anlagen zur Überwachung von Not-Aus-Signalen, Lichtvorhängen, Sicherheitstürschaltern und mehr. Im Falle eines Notfalls in einer Anlage ist eine schnelle Reaktion erforderlich. Zum Einschalten von Sirenen, Warnleuchten oder Kühlsystemen sollte das ETS-Protokoll (Energized to Safe, in deutsch etwa „erregt bis sicher“) verwendet werden, während zum Abschalten von Motoren oder Not-Aus-Ventilen das DTS-Protokoll (De-energized to Safe, in deutsch etwa „energielos bis sicher“) verwendet werden sollte. Die IEC62061- und SIL-3-konforme Aktivierung und Deaktivierung von sicherheitsrelevanten Anwendungen wird durch Relais mit redundanten Kontakten gewährleistet.

Nach wiederholtem Gebrauch können die Metallkontakte in einem Schaltrelais, das nicht den Sicherheitsnormen entspricht, verschweißen. Selbst wenn der Bediener die Not-Aus-Taste betätigt, arbeitet die Maschine in einem unsicheren Modus weiter. Es besteht eine Gefahr sowohl für den Bediener als auch für die Maschine. Relais, die nicht als sicher zertifiziert sind, können nicht an potenziell gefährlichen Maschinen oder Anlagen eingesetzt werden, wie es die nationalen und internationalen Sicherheitsvorschriften vorschreiben.

Relais mit zwangsgeführten Kontakten erfreuen sich aufgrund ihrer erhöhten Sicherheit und Zuverlässigkeit zunehmender Beliebtheit. Relaismodule mit zwangsgeführten Kontakten verwenden redundante Schaltungen und Mechanismen als Haupttechnologie. Diese redundanten Funktionen sollen sicherstellen, dass das Relais auch dann in einem sicheren Zustand bleibt, wenn der Steuerkreis oder das Relais selbst ausfällt. Diese Redundanz ist für Anwendungen, bei denen Sicherheit und Zuverlässigkeit wichtig sind, unerlässlich.

Die Zuverlässigkeit und die Sicherheitsmerkmale dieser Relaismodule machen sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, z. B. für

• Industrieautomatisierung
• Medizinische Geräte
• Stromerzeugung und -verteilung
• Telekommunikation
• Transport

Bei diesen Relaistypen, bei denen Haupt- und Hilfskontakte mechanisch miteinander verbunden sind, kann die Stellung der Hilfskontakte zur Bestimmung der Stellung der Hauptkontakte im Stromkreis verwendet werden. So kann festgestellt werden, ob das Schütz trotz deaktivierter Spule geschlossen geblieben ist (aufgrund eines verschweißten Kontakts). Wird ein Kontakt eines Leistungspols verschweißt, verhindert die mechanische Verbindung das Schließen des offenen Hilfskontakts, wenn die Spule stromlos ist.

SAFESERIES-Relaismodule von Weidmüller

Im Bereich der Elektrotechnik sind Sicherheit und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung. Dieses Engagement für Präzision und Zuverlässigkeit hat zur Entwicklung fortschrittlicher Komponenten wie den steckbaren Relaismodulen von Weidmüller geführt, die über zwangsgeführte Kontakte verfügen. Diese innovativen Relaismodule stellen einen bedeutenden technologischen Fortschritt dar und bieten mehr Sicherheit, Effizienz und Flexibilität für eine Vielzahl von Anwendungen.

Das Herzstück dieser Relaismodule ist eine zwangsgesteuerte Technologie, die garantiert, dass die Kontakte kontrolliert und zuverlässig zwischen den Zuständen offen und geschlossen wechseln. Dieser Mechanismus schließt die Möglichkeit einer unbeabsichtigten Kontaktbetätigung aus, unabhängig von Relais- oder Steuerkreisfehlern. Das Ergebnis ist ein Relais, das die Sicherheit in den Vordergrund stellt, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Die SAFESERIES-Kontakterweiterung von Weidmüller entspricht der Norm EN 61810-3 Typ A und besteht aus Relais mit zwangsgeführten Kontakten. Daher eignen sie sich besonders gut für die Signalüberwachung in Anwendungen, bei denen es um die Sicherheit von Menschen und Maschinen geht.

Die SAFESERIES besteht aus vier separaten steckbaren Relais mit passenden Schraubfassungen in den folgenden Kontaktausführungen:

• 2 Schließer + 2 Öffner
• 3 Schließer + 1 Öffner
• 4 Schließer + 2 Öffner
• 3 Schließer + 3 Öffner

Die höchste Leistungsstufe PL „e“ für eine Anwendung kann erreicht werden, wenn sie gemäß der Norm EN/ISO 13849-1 entwickelt wurde. Die Basiskomponente kann auch für Sicherheitsanwendungen gemäß IEC/EN 62061 eingesetzt werden, wodurch die Sicherheitsstufe SIL 3 erreicht werden kann.

Abbildung 2 zeigt das Sicherheitsrelaismodul 2759070000 von Weidmüller in einer für Hutschienenanwendungen geeigneten Baugruppe. Es handelt sich um ein 4-poliges Universalrelais mit drei Schließern und einem Öffner mit einer Spule für 24 V_DC ±10%. Die Komponente kann durch Anlegen eines Spulen-Gleichstroms von 20 mA mit einer Nenn-Schaltspannung von 250 V_AC über vergoldete AgSnO-Kontakte, die für einen Dauerstrom von 6 A ausgelegt sind, erregt werden. Auf der Lastseite beträgt die maximale Schaltspannung 400 V_AC und 250 V_DC. Wie in Abbildung 1 dargestellt, verfügt das Relais über eine Statusanzeige (grüne LED) und eine Freilaufdiode zum Schutz. Die Ein- und Ausschaltverzögerung beträgt weniger als 20 ms, die Lebensdauer der Komponente liegt bei 10 x 10⁶ Schaltzyklen.

Abbildung 2: SAFESERIES-Relaismodul 2759070000 von Weidmüller. (Quelle: DigiKey)

Ein weiteres Produkt der SAFESERIES, das Miniatur-Industrierelais 2759030000, ist in Abbildung 3 dargestellt. Dieses durchkontaktierbare Relais mit zwangsgeführten Kontakten ist mit drei Schließern und einem Öffner ausgestattet und eignet sich für allgemeine Anwendungen.

Abbildung 3: SAFESERIES-Relaismodul 2759030000 von Weidmüller. (Quelle: DigiKey)

Fazit

Relaismodule sind unverzichtbare Komponenten in funktionalen Sicherheitssystemen, da sie eine zuverlässige Steuerung gewährleisten und wesentliche Aufgaben erfüllen. Aufgrund ihrer Robustheit, ihrer Ausfallsicherheit und ihrer Kompatibilität mit Redundanz werden sie häufig für Anwendungen ausgewählt, bei denen ein Höchstmaß an Sicherheit erforderlich ist. Relaismodule leisten einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtsicherheit und Zuverlässigkeit von Industrie- und Kraftfahrzeugsystemen, wenn sie angemessen und in Übereinstimmung mit den geltenden Normen eingesetzt werden. Relaismodule entwickeln sich ständig weiter und wachsen mit dem technologischen Fortschritt, indem sie immer komplexere Funktionen aufnehmen, um die ständig steigenden Anforderungen der funktionalen Sicherheit zu erfüllen.