Sicherheitsrelais für Anlagen und Schaltungen

Bei Relais handelt es sich um elektromechanische Schalter, die über eine Steuerleitung eine Lastleitung schalten können. In ihnen arbeitet eine elektromagnetische Spule, die je nach Ansteuerung den Arbeitskontakt schließt oder öffnet. Diese Magnetschalter bilden das Kernprinzip eines Relais. Sie ermöglichen das Kontrollieren größerer Lasten aus der Entfernung mittels relativ kleinem Steuerstrom. Ihre Kontakte können dabei entweder als Öffner oder Schließer ausgeführt sein.

Die Bezeichnung leitet sich aus der Schalterstellung in Ruhe her: Ist der Kontakt bei stromloser Spule offen und schließt sich durch das Anlegen einer Spannung, so handelt es sich um einen Schließer. Der Öffner dagegen benötigt den Steuerstrom, um den Kontakt zu öffnen und damit zu trennen. Dabei bewegt sich jeweils ein kleines Metallbauteil, weil es von der Spule angezogen oder abgestoßen wird. Diese Bewegung verursacht das charakteristische Klacken des Relais.

Ihre robuste Ausführung und die direkte Einwirkung auf die Stromkreise für Steuerung oder Last macht sie ideal, um Maschinen oder Teile davon zu stoppen. Das macht Sie vor allem aus Sicherheitsaspekten so wichtig.

Die Notwendigkeit von Sicherheitsrelais ergibt sich aus der Tatsache, dass die Magnetschaltung vor allem bei höheren Lasten nicht verschleißfrei funktioniert. Bei jedem Schaltvorgang besteht das Risiko, dass die Kontakte verschweißen. Falls bei der Annäherung der Kontakt bereits ein Stromschluss stattfindet, kann sich je nach Leistung und Spannung ein Lichtbogen bilden, der das Material des Schalters strapaziert. Im Extremfall ist der Kontakt nach einem solchen Lichtbogen – oder dem gegenteiligen Effekt, einem Abrissfunken – nicht mehr in der Lage sauber zu schalten. Solche defekten Kontakte zu erkennen ist eine Hauptfunktion der Sicherheitssysteme. Durch einen Rückführkreis kann mit einem Hilfskontakt überprüft werden, ob Soll- und Istzustände übereinstimmen.

Wie bei jeder elektrischen Installation sind das bei der Auswahl eines Sicherheitsrelais die Spannung und Stromstärke für Steuerung und Last. Auch Eigenschaften wie Schaltgeschwindigkeiten und Rückkehr zum Normalzustand können eine Rolle spielen. Grundsätzlich funktionieren Magnetschalter mit Gleichstrom. Mit einem Gleichrichter (auch als integrierter DC 230 V Relais/Magnetschalter erhältlich) oder in speziellen Bauformen lassen sich die Relais jedoch auch mit Wechselstrom betreiben. Haushaltsnah kommen vor allem Reed-Schalter in Frage, die in der Sensorik von Alarmanlagen benutzt werden. Diese spezielle Bauform wird durch einen stationären Magneten aktiviert, zum Beispiel wenn sich eine Tür schließt, um dieses Signal zu melden und bei unautorisierter Öffnung einen Alarm auszulösen.

Im Schaltplan werden Relais als Schalter dargestellt, beschrieben werden sie mit Buchstaben, die das Funktionsprinzip anhand der folgenden Parameter der Schaltfunktion festhalten:

• Zahl der Polstellen (Single, Double, Triple)
• Mögliche Schaltstellen oder Positionen (engl. Throws): Ein/aus oder Wechselschalter, zum Teil auch mit Nullstellung (Single, Double, Change)
• Ruhestellung (Normally Open, Normally closed)

Ein einfacher Öffner mit einem Arbeitskontakt wäre demnach „Single Pole, Single Throw, normally closed“ – als Abkürzung ergäbe das SPST NC. Schütze sind bei einem Pole in der Regel als Double Throw, also SPDT ausgeführt. Eine Besonderheit sind gepolte Relais, bei denen die Polarität der anzulegenden Spannung vorgeschrieben ist.

Die Möglichkeiten von Sicherheitsrelais sind extrem vielfältig. Neben den bereits erwähnten Not-Aus-Schaltern und Positionsschaltern sind weitere Automatisierungsfunktionen vorstellbar. Gerade bei komplexen Messvorrichtungen, das gilt auch für Endschalter, sind die Sicherheitsrelais auch mehr als eine reine nachgelagerte oder schützende Einheit. Sie können durch die Überwachung von Sensoren erweitert werden und somit eine gleichbleibende Qualität von Produktionsstücken erreichen:

• Lichtschranken
• Durchflusssensoren
• Drucksensoren
• Tritt-, oder drucksensitive Matten
• Positionsschaltern in produktiven Maschinen
• Drehzahlsensoren

Mit einer fest eingebauten (oder programmierten) Sicherheitsschaltung ist es möglich sicherzustellen, dass Fertigungstoleranzen eingehalten werden und Produkteigenschaften zuverlässig reproduziert werden. Zum Beispiel kann ein Positionsschalter bei einer Bohrung in einem Werkstück dafür sorgen, dass der Bohrer die exakte Tiefe einhält, die im Plan vorgesehen ist.

Ein anderer wichtiger Anwendungsgrund für komplexere Schaltungen liegt darin, dass es oft nicht ausreicht die Maschine abzuschalten. Zum Beispiel bei einem Kran, dessen Schließmechanismus gehalten werden muss oder auch einen Fahrstuhl, in dem verschiedene Sicherheitssysteme – mechanisch wie elektrisch – miteinander kombiniert sind. Andere Maschinen gehen eventuell bei einer unkontrollierten Abschaltung kaputt oder verursachen sogar Folgeschäden.

Bei der Automatisierung führt der Trend der Digitalisierung zunehmend dazu, dass Funktionen, die früher ein elektrisches Bauteil übernommen hat, von programmierbaren Komponenten abgebildet werden. Was in der verbindungsprogrammierten Schaltung (VPS) also noch als ein fest verdrahtetes System von einzelnen Komponenten existierte, wird mehr und mehr zu Funktionen von Prozessoren, die über Bus-Systeme mit Sensoren und Aktoren verbunden sind. Die Prinzipien der Absicherung bleiben jedoch die gleichen. So fordern die Normen vergleichbar abgesicherte und doppelt überprüfte Prozesse, vor allem an den Stellen, wo es um die Sicherheit von Menschen geht.

Auch in Zeiten von speicherprogrammierbaren Systemen (SPS) bleiben Sicherheitsrelais ein wichtiger Baustein zur Absicherung. Zum einen erlauben sie direktes Feedback über ihren physischen Schaltzustand. Zum anderen handelt es sich um ausgesprochen robuste Bauteile im Vergleich zu ihren digitalen Nachfolgern. Sie können mit sehr hohen Lastströmen besser umgehen und überhitzen nicht so schnell. In einer integrierten Anlage kommen sie daher an den entsprechenden Knotenpunkten weiterhin zum Einsatz. Nicht zuletzt werden sie als letzte Möglichkeit eingesetzt, um bei einem Absturz der programmierten Schalter als Rettungsanker zu fungieren. Programmierbare Systeme sind also zwar theoretisch gesehen überlegen, eine vergleichbar effiziente Schutzwirkung ist jedoch nur in aufwendigen Abnahmen einzeln nachweisbar.

Was sind Spiegelkontakte und zwangsgeführte Kontakte?

Ein Spiegelkontakt überwacht den Zustand eines Hauptkontakts und kann nicht geschlossen sein, solange der überwachte Schließer-Hauptkontakt einen Stromfluss hat. Sie können also nicht gleichzeitig geschlossen sein. Auf diese Art und Weise ist der Spiegelkontakt ein wichtiges Hilfsmittel, wenn lediglich ein Hauptkontakt abgegriffen werden muss. Sein Ruhezustand („normally closed“) wird den Stromfluss verhindern, wenn der Hauptkontakt zum Beispiel durch Überlast verschweißt ist.

Zwangsgeführte Kontakte sind dagegen als Gruppen von Öffnern und Schließen definiert, die jeweils gegenseitig nicht geschlossen sein dürfen, wenn die andere Gruppe sich im geschlossenen Zustand befindet. Dieser Aufbau findet sich auch im Innern von Sicherheitsrelais, beziehungsweise Sicherheitsschaltern. Sie sorgen dafür, dass ein Fehler in der Eingangsschaltung ebenso zu einem Aus führt wie ein Fehler im Schaltkreis, der den Lastausgang handhabt.

Die beiden Typen von Schaltungen ähneln sich damit, sind aber nicht gleich. Das ist vor allem bei der Abnahme einer Anlage bedeutsam, wenn nachgewiesen werden muss, dass die entsprechenden Sicherheitsanlagen zum Beispiel als Not-Aus-Schalter normgerecht umgesetzt wurden.

Was ist eine Querschlusskennung?

Bei einem Querschluss sind zwei redundante Stromkreise miteinander verbunden, die eigentlich nicht zusammengeschlossen sein sollen. Durch den Abgleich des Istzustands mit den erwarteten Taktsignalen auf zwei Eingängen wird diese Fehlschaltung erkannt. Wenn das geschieht, kann die Anlage zum Beispiel mit einem direkten Notaus-Schaltgerät in einer Sicherheitssteuerung reagieren.