Das Sicherheitsmodul Minos basiert auf Halbleitertechnik anstelle von Relais: Der große Vorteil davon ist das schnelle und vor allem verschleißfreie Schalten. Zander

Das Sicherheitsmodul Minos basiert auf Halbleiter-Bauelementen anstelle von Relais: Der große Vorteil davon ist das schnelle und vor allem das verschleissfreie Schalten. (Bild: Zander)

… und so wird es in naher Zukunft sicher eine Koexistenz beider Techniken geben. Dabei kommt es auf die Anwendung an, wo welche Technik die bessere Wahl ist.

Die Relaistechnik wird wegen des potenzialfreien Schaltens und der relativ hohen Ausgangsströme in vielen Anwendungen als Standard eingesetzt, beispielsweise in der Prozessindustrie als Koppelrelais. Das wird sich so schnell nicht ändern. Das Vertrauen in diese Technik für Sicherheitsrelais wird auch dadurch bestätigt, dass die Anzahl der eingesetzten Geräte nach wie vor auf hohem Niveau ist.

Die Halbleitertechnik wird vor allem aufgrund ihrer kompakten Bauweise, ihrer Stabilität und ihrer Verschleißfreiheit in den nächsten Jahren einen großen Zuwachs erfahren. Am Beispiel der Halbleiter-basierten Sicherheitsschaltgeräteserie ‚Minos SL‘ von Zander wird gezeigt, dass hochkompakte Bauformen möglich sind, die die höchsten Normen und Standards erfüllen – sowohl für den Maschinenbau als auch für die Prozessindustrie.

Eckdaten

Sicherheitsmodule auf Basis von Halbleiter-Bauelementen können die klassische Relais-Technik in vielen, aber nicht allen Anwendungen ersetzen.

Wesentliche Vorteile der Safety-Module mit Halbleiter-Technik sind: kein Verschleiß, sehr kompakt, schnell schaltend und unempfindlich gegen Stoß und Vibration.

Die auf Halbleiter-Bauelementen beruhenden Safety-Module der Minos-Baureihe eignen sich beispielsweise zur Überwachung von Not-Halt-Tastern, Sicherheitsschaltern, Zuhaltungen, Lichtschranken bis hin zur Kontaktverstärkung von sicheren SPS-Ausgängen.

Auch der kombinierte Einsatz beider Techniken wird in Zukunft weiter wachsen. Hier bietet Zander im Bereich der sicheren Kleinsteuerungen beispielsweise die sichere Zeit-Mini-Steuerung SCB oder die vorkonfigurierte Safety-Steuerung Talos an (Bild 3).

Die klassische Sicherheitsrelais-Technik

Wie sehen klassische Not-Halt-Relais aus? Die Verschaltung wird auf Basis kontaktbehafteter Relaistechnik realisiert. Eingesetzt werden zwangsgeführte Relais, welche als sichere Schaltkontakte dienen. Gefährliche Fehler, wie zum Beispiel ein verschweißter Kontakt, werden so frühzeitig erkannt, woraufhin der sichere Zustand verriegelt hergestellt wird.

Die Funktion klassischer Sicherheitsschaltgeräte ist immer ähnlich. Sobald der Sicherheitskreis geschlossen und der Start-Taster betätigt wird, werden die zwangsgeführten Relaiskontakte K1 und K2 über die interne Logik geschlossen (siehe Bild 1). Durch Öffnen des Sicherheitsschalters werden die Sicherheitskontakte geöffnet und schalten die Maschine sicher ab. Zwangsgeführte Relais gewährleisten, dass ein einzelner Fehler nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion führt und jeder Fehler durch zyklische Selbstüberwa­chung spätestens beim nächsten Aus- und Wie­der­einschalten erkannt wird. Neben dem Erkennen von Fehlern im Eingangskreis, etwa von Kontaktproblemen bei der Sensorik, werden auch die angeschlossenen Aktoren oder Erweiterungsmodule durch die Integration in einen Rückführkreis des Not-Halt-Relais überwacht. Somit erfüllt ein Not-Halt-Relais nicht nur die Funktion des sicheren Abschaltens, sondern zusätzlich auch die Überwachung der gesamten Sicherheitseinrichtung und ist somit das zentrale Element einer Sicherheitsfunktion.

785iee1017_Bild 1_Zander_Sicherheitsrelais klassisch mit Schaltplan

Bild 1: Klassisches Sicherheitsschaltgerät Zander SR3C (Relais) und exemplarischer Schaltplan. Zander

Neben der Auswertung und Überwachung von Not-Halt Tastern, Schutztürschaltern (zum Beispiel  Zander ZCode) oder Lichtgittern, gibt es auch spezielle Schaltgeräte für besondere Sicherheitsanforderungen, zum Beispiel: Relais zur sicheren Zweihandsteuerung, die bei Pressenarbeitsplätzen eingesetzt werden (etwa das Relais S2HC von Zander) oder Sicherheitsschaltgeräte mit Zeitfunktion (SCB oder SR4C von Zander), welche für nachlaufende Maschinen eingesetzt werden.

Bewertung von klassischen Sicherheitsrelais

Die klassischen Sicherheitsrelais zeichnen sich durch die potenzialfreie Trennung  hoher Lasten aus. Die Leiterplattenrelais können zudem aus Sicht des Entwicklers relativ unkompliziert und problemlos in elektronische Schaltungen integriert werden. Bei Strom- oder Spannungsspitzen zeichnen sie sich durch eine verhältnismäßig gute Verträglichkeit beziehungsweise Festigkeit aus. Ferner lassen sich relativ große Ströme und Spannungen bis 250 V AC schalten. Der Schaltzustand ist beim Leiterplattenrelais zumeist häufig mit bloßem Auge erkennbar und ist akustisch durch das charakteristische Klacken deutlich wahrnehmbar.

Auf der anderen Seite sind diese Relais aufgrund ihres mechanischen Aufbaus immer noch größenbestimmende Bauteile bei Sicherheitsschaltgeräten. Zudem sind sie aufgrund ihres mechanischen Teilwirkmechanismus einem Verschleiß ausgesetzt und reagieren sensitiv auf Erschütterungen und Stoßbelastungen. Wegen der vergleichsweise hohen Ansprech- und Abfallzeiten schalten klassische Relais im Bereich von mehreren Millisekunden und gelten somit als vergleichsweise langsame Schaltelemente.

Auf Seite 2 geht es mit Sicherheitslogiken mit Halbleiter-Logikschaltungen weiter.

785iee1017_Tabelle_Zander_Vorteile Relais- versus Halbleiter-Technik

Tabelle: Die wichtigsten Vorzüge von Schaltgeräten mit klassischer Relais-Technik und von Halbleiter-basierten Geräten. Zander

Sicherheitslogiken mit Halbleiter-Logikschaltungen

Sicherheitsmodule auf Basis von Halbleiter-Bauelementen verwenden häufig eine Logikschaltung aus Transistoren, MOSFETs oder auch Thyristoren, die die Relais-Funktion nachbildet. Die größte Herausforderung ist hier die Überwachung der Schaltfähigkeit dieser Bauteile während des Betriebes – ähnlich der Zwangsführung beim Sicherheitsrelais. Integrierte Schaltungsteile, welche die Überwachung der eingesetzten Ausgangstreiber übernehmen, realisieren dies durch eine zyklische Triggerung der Ausgangstreiber sowie mittels einer Plausibilitätsprüfung vor jedem Neustart. Halbleiter-basierte Sicherheitsschaltgeräte werden in sicherheitsgerichteten Steuerungen eingesetzt; dort können zwangsgeführte Relais (Sicherheitsschaltgeräte) aufgrund des erhöhten Platzbedarfs nicht eingesetzt werden. Doch warum wird diese Technik nicht auch in einem superkompakten „Not-Halt-Modul“ eingesetzt?

785iee1017_Bild 2_Zander_Sicherheitsrelais und Sicherheitsmodul Halbleiter-Technik

Bild 2: Baugröße eines klassischen Sicherheitsschaltgeräts (Baureihe SR3C, links) mit 22,5 mm Einbaubreite und gegenüber den Minos SL-Safety-Modulen mit nur 6,2 mm. Zander

Bewertung von Halbleiter-Sicherheitsschaltungen

Der große Vorteil von Safety-Logiken auf Basis von Halbleiter-Bauelementen ist das verschleissfreie, schnelle Schalten ohne mechanischen Verschleiß. So ermöglicht diese Technik eine Sicherheitsfunktion, deren Sicherheitsparameter (PL, SILCL; vgl. EN ISO 13849-1 und IEC 62061) unabhängig von der Anzahl an Schaltzyklen ist. Anwendungen mit einer hohen Anforderungsrate, wie zum Beispiel sich häufig öffnende Schutztüren können so am besten abgesichert werden. Zudem bewegt sich die Schaltzeit bei Halbleiter-Sicherheitsschaltungen im Bereich von einigen wenigen Mikrosekunden und ist somit schneller als bei der klassischen Relaisschaltung. Nicht zuletzt sind diese Schaltungen ohne mechanische Bauteile um ein Vielfaches weniger schock- und stoßempfindlich. Und sie lassen sich in einem vergleichsweise kompaktem Design realisieren. Diese hohe „Packungsdichte“ verlangt allerdings die besondere Aufmerksamkeit der Entwickler von Halbleiter-Logikschaltungen hinsichtlich des Wärmemanagements.

Bei sicheren Halbleiter-Logiken sind  zudem die vergleichsweise geringeren Ausgangsströme zu berücksichtigen. Außerdem sind nur Gleichspannungen schaltbar. Gegenüber den klassischen Sicherheitsrelais weisen Sicherheitsmodule mit Halbleiter-Ausgängen vergleichsweise geringere Ausgangsströme auf. Jedoch können geringe Lasten wie zum Beispiel SPS-Eingänge problemlos geschaltet werden, weil keine minimale Last für ein zuverlässiges Schalten erforderlich ist.

Anwendungen für sichere Halbleiter-Safety-Module

Bei den neuen Safety-Modulen der Minos-Reihe hat Zander die beschriebene Halbleiter-Technik umgesetzt. Demnach weisen diese Module auch die typischen vorteilhaften Eigenschaften auf, die sie von den „klassischen Sicherheitsrelais“ unterscheiden:

  • Nahezu unbegrenzte Anlagenverfügbarkeit, weil kein mechanischer Verschleiß auftreten kann. Zudem ermöglichen vier Status- und eine Error-LED eine gute Gerätediagnose, welche die Verfügbarkeit weiter erhöht.
  • Hohe mechanische Stabilität (Vibrationsfestigkeit) – dies erhöht die Verfügbarkeit weiter.
  • Besonders kompakte Bauweise mit 6,2 mm Einbaubreite (siehe Bild 2) benötigen weniger als ein Drittel des Einbauvolumens der Safety-Relais mit einer Breite von 22,5 mm.

Diese Produkteigenschaften bieten den Anwendern in vielen der klassischen, sicherheitstechnischen Anwendungen die genannten Vorteile. So können mit Hilfe der Minos-Sicherheitsschaltgeräte die Überwachung von Not-Halt-Tastern über den Anschluss aller handelsüblicher Sicherheitsschalter und Zuhaltungen sowie die Überwachung von Lichtschranken bis zur Kontaktverstärkung von sicheren SPS-Ausgängen realisiert werden. Das bedeutet mehr Platz im Schaltschrank und eine maximal freie, modulare Gestaltung der Sicherheitsfunktion.

785iee1017_Bild 3_Zander_Sichere Kompaktsteuerungen SCB Talos Relais- und Halbleiter-Technik

Zander

Die Safety-Module der Minos-Baureihe gibt es in verschiedenen Varianten. Neben der Eingangsbeschaltung unterscheiden sich die einzelnen Typen auch bezüglich der Anschlussmöglichkeiten (Schraub- oder Zugfederklemmen) sowie durch den maximal erreichbaren Performance Level. Speziell für die Auswertung sensitiver Aktorik stehen  PL d-Varianten zur Verfügung, welche ganz ohne Testpulse auskommen und auch preislich günstiger sind. Die unterschiedlichen Varianten haben den weiteren Vorteil, dass sie den hohen Verdrahtungsaufwand vermindern, weil die Produkte intern elektrisch vorkonfiguriert sind.

Alle Minos-Varianten sind durch den TÜV Rheinland zertifiziert gemäß EN ISO 13849-1 und EN 62061 bis PL e/SILCL 3 sowie für den Einsatz in der Prozessindustrie nach EN 746-2, IEC 61511-1 und EN 50156-1, bis zum SIL3 Einsatz für Feuerungsanlagen im Dauerbetrieb.

SPS IPC DRIVES 2017: Halle 7, Stand 191

Dr.-Ing. Marco Zander

Technische Vertriebsleitung / Qualitätssicherung bei Zander Aachen

Dipl.-Ing. Stefan Ruland

Produktmanager Safety bei Zander Aachen

(dw)

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