Einschränkungen herkömmlicher Relais bei Schutzeinrichtungen für Maschinen

Herkömmliche elektromechanische Relais bieten eine grundlegende elektrische Trennung zwischen Niederspannungs-Steuerkreisen und Hochleistungslasten am Ausgang. Ein traditionelles Schaltrelais verfügt über eine Magnetspule, die mechanische Kontakte für Common (COM), Normally Open (NO) und Normally Closed (NC) betätigt. Der Einsatz herkömmlicher Relais in kritischen Sicherheitsverriegelungskreisen birgt jedoch erhebliche funktionale Risiken. Hohe Einschaltströme oder mechanischer Verschleiß können die Kontakte dauerhaft verschweißen. Wenn Kontakte in einem Not-Aus-Stromkreis verschweißen, kann das Drücken der Taste gefährliche Maschinenbewegungen nicht stoppen. Daher verbieten internationale Normen zur funktionalen Sicherheit den Einsatz herkömmlicher Relais für kritische Maschinenschutzfunktionen.

Funktionsweise zwangsgeführter Kontakte und selbstüberwachender Sicherheitsrelais

Sicherheitsrelais verhindern einzelne mechanische Ausfälle mithilfe zwangsgeführter Kontakte, auch mechanisch gekoppelte Kontakte genannt. Interne mechanische Verbindungen koppeln die Schließer- und Öffnerkontaktsätze physisch miteinander. Verschweißt sich daher ein Schließerkontakt infolge einer elektrischen Überlast, kann sich der zugehörige Öffnerkontakt beim Abfallen der Spule nicht schließen. Eine integrierte interne Diagnoselogik überprüft bei jedem Einschaltzyklus kontinuierlich die Kontaktausrichtung. Erkennt das Relais eine Anomalie durch verschweißte Kontakte, sperrt es sofort die Ausgangsleistungsschienen und gewährleistet so einen ausfallsicheren Schutz des gesamten Automatisierungskreises.

Erweiterte Diagnosefunktionen zur Integration von Feldgeräten

Moderne Sicherheitsmodule bieten eine ausgefeilte Leitungsdiagnose, die über die einfache Kontaktüberwachung hinausgeht. Sicherheitsrelais senden niederfrequente Testimpulse durch die Eingangsverdrahtung, um Kurzschlüsse, Querschlüsse und Leitungsunterbrechungen im Feld zu erkennen. Steuerungsingenieure integrieren diese Spezialgeräte in kritische Not-Aus-Taster, Sicherheitslichtvorhänge, verriegelte Schutzeinrichtungen und Zweihandbedienpulte. Moderne Sicherheitseinheiten verfügen zudem über manuelle Rücksetzmodi, die einen automatischen Neustart der Maschine nach der Behebung eines Fehlers verhindern. Darüber hinaus ermöglichen integrierte Feldbus-Kommunikationsprotokolle wie Industrial Ethernet und Modbus den Austausch von Diagnosedaten in Echtzeit mit anlagenweiten DCS- und SPS-Plattformen.

Normen zur funktionalen Sicherheit und Rahmen für die Risikobeurteilung

Der Einsatz von Sicherheitsrelais erfordert die strikte Einhaltung internationaler Rahmenwerke zur Risikobeurteilung, insbesondere ISO 12100, ISO 13849-1 und IEC 62061. Steuerungssystementwickler bewerten die erforderlichen Sicherheitsintegritätslevel (SIL 1 bis SIL 3) und Performance Level (PL a bis PL e), bevor sie Hardware auswählen. Standard-SPS steuern routinemäßige Maschinenabläufe, verfügen jedoch nicht über eine zertifizierte Architektur für funktionale Sicherheit. Daher kombinieren Automatisierungsingenieure Standard-SPS mit speziellen Sicherheitsrelais oder setzen Sicherheits-SPS ein, um die gesetzlichen Anforderungen auf europäischen und nordamerikanischen Märkten zu erfüllen.

Praktisches Anwendungsszenario: Hochgeschwindigkeits-Roboterstanzzelle

In einer Hochgeschwindigkeitsanlage zum Stanzen von Karosserieblechen integrierten Sicherheitsingenieure Sicherheitsrelais, um Bediener rund um eine Roboter-Beladungszelle zu schützen. Das Entwicklungsteam verband zweikanalige Lichtvorhänge und verriegelte Zugangstüren direkt mit einem dedizierten SIL-3-Sicherheitsrelais. Wenn ein Bediener während des Betriebs den Lichtvorhang durchbricht, trennt das Sicherheitsrelais innerhalb von 15 Millisekunden die Servomotor-Schütze von der Stromversorgung. Gleichzeitig überträgt das Sicherheitsrelais über Ethernet ein Diagnosewarnsignal an das zentrale DCS der Anlage. Dieses zweikanalige Design verhinderte schwere Verletzungen von Bedienern und eliminierte zugleich Fehlauslösungen der Diagnose während des täglichen Werkzeugwechsels.

Über den Autor

Sun Guowei ist Senior-Spezialist für funktionale Sicherheit und Berater für industrielle Automatisierung mit 15 Jahren weltweiter Praxiserfahrung in den Bereichen SPS-Architektur, DCS-Sicherheitskreise, TSI-Maschinenüberwachung und Entwicklung von Notabschaltsystemen. Er veröffentlicht regelmäßig Fachartikel in führenden B2B-Fachzeitschriften für Ingenieurwesen und berät Fertigungsunternehmen zu gesetzlichen Anforderungen und zur Gestaltung der Maschinensicherheit.