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)
Häufig gestellte Fragen zu Sicherheitsschaltgeräten - Relais-Technik vs. Halbleiter-Technik
Frage 1: Welche Vorteile bietet die Halbleiter-Technik bei Sicherheitsschaltgeräten im Vergleich zur Relais-Technik?
Antwort 1: Die Halbleiter-Technik ermöglicht ein schnelles und verschleißfreies Schalten. Sie bietet kompakte Bauweise, Stabilität und ist unempfindlich gegen Stoß und Vibration.
Frage 2: In welchen Anwendungen wird die Relais-Technik aufgrund des potenzialfreien Schaltens und hoher Ausgangsströme bevorzugt eingesetzt?
Antwort 2: Die Relais-Technik wird in vielen Anwendungen, wie beispielsweise in der Prozessindustrie als Koppelrelais, als Standard eingesetzt.
Frage 3: Welche Vorteile bieten Sicherheitsmodule mit Halbleiter-Technik?
Antwort 3: Sicherheitsmodule mit Halbleiter-Technik bieten verschleißfreies Schalten, Kompaktheit, schnelle Schaltzeiten und sind unempfindlich gegen Stoß und Vibration. Sie eignen sich zur Überwachung von Not-Halt-Tastern, Sicherheitsschaltern, Zuhaltungen, Lichtschranken und zur Kontaktverstärkung von sicheren SPS-Ausgängen.
Frage 4: Ist eine Kombination beider Techniken möglich?
Antwort 4: Ja, der kombinierte Einsatz von Relais-Technik und Halbleiter-Technik wird in Zukunft weiter zunehmen. Es werden sichere Kleinsteuerungen angeboten, die beide Techniken integrieren.
Frage 5: Welche Bewertungskriterien sind bei klassischen Sicherheitsrelais und Halbleiter-Sicherheitsschaltungen zu beachten?
Antwort 5: Klassische Sicherheitsrelais zeichnen sich durch potenzialfreie Trennung, hohe Ausgangsströme und gute Verträglichkeit aus. Halbleiter-Sicherheitsschaltungen bieten verschleißfreies und schnelles Schalten, geringe Größe, Stoßfestigkeit und sind ideal für Anwendungen mit hoher Anforderungsrate. Jedoch weisen sie geringere Ausgangsströme auf und können nur Gleichspannungen schalten.
Koexistenz beider Techniken wird erwartet
Aufgrund dieser Unterschiede 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 zum Unterschied von Schaltrelais auf Relais-Technik im Vergleich zur Halbleiter-Technik
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).
Was ist 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.
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.
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?
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.
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.
In Kürze
- Die Entscheidung zwischen klassischen Relais und Halbleitertechnik bei Sicherheitsschaltgeräten hängt von verschiedenen Faktoren ab.
- Klassische Relais bieten eine hohe Robustheit und sind für den Einsatz unter extremen Bedingungen geeignet. Sie haben eine lange Lebensdauer und können hohe Ströme schalten. Allerdings sind sie groß, schwer und benötigen viel Platz.
- Halbleiterschalter hingegen sind klein, leicht, platzsparend, und bieten Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Überwachungsfunktionen und Diagnosemöglichkeiten. Sie haben jedoch begrenzte Schaltleistungen und sind empfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen.
- Die Wahl des geeigneten Schalters hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung und den Sicherheitsstandards ab. Ein Kompromiss zwischen Relais und Halbleiterschaltern ist die Verwendung von Hybridmodulen, die die Vorteile beider Technologien kombinieren.
Dr.-Ing. Marco Zander
Dipl.-Ing. Stefan Ruland
(dw)
