In der industriellen Automatisierung und elektrischen Steuerungssystemen spielen Relais eine entscheidende Rolle beim Schalten von Stromkreisen, dem Schutz von Geräten und der Gewährleistung der Betriebssicherheit. Ob es sich um ein kompaktes SPS-Bedienfeld oder ein Hochleistungs-Motorsteuerzentrum handelt, Relais bilden das Rückgrat elektrischer Automatisierungssysteme.

Dieser Artikel erläutert, was ein Relais ist, wie es funktioniert und die Haupttypen industrieller Relais, die in der Fabrikautomatisierung und Steuerungssystemen verwendet werden.

Was ist ein Relais in der elektrischen und industriellen Automatisierung?

Ein Relais ist ein elektromechanisches oder elektronisches Bauteil, das einen Stromkreis durch ein Steuersignal öffnet oder schließt. Es ermöglicht, dass ein Stromkreis einen anderen steuert, oft mit unterschiedlicher Spannung oder Stromstärke. Praktisch gesehen wirken Relais als elektrische Schalter, die den Stromfluss in Automatisierungstafeln, Stromkreisen und Sicherheitssystemen automatisch steuern. Wenn die Eingangsspule Spannung erhält, ändert das Relais seine Kontaktstellung und schließt oder unterbricht so den Stromkreis.

Moderne Relais sind dafür ausgelegt, alles von der Schaltung schwacher Signale bis hin zu Hochstromanwendungen bei Motoren in SPS-, DCS- und Fabrikautomatisierungssystemen zu bewältigen.

Grundprinzip der Relaisfunktion

Ein typisches Relais besitzt fünf Anschlüsse – positive Versorgung, negative Versorgung, gemeinsamen Ausgang, normalerweise offen (NO) und normalerweise geschlossen (NC). Wenn die Relaisspule nicht mit Strom versorgt wird, sind die gemeinsamen und NC-Anschlüsse verbunden. Sobald Strom anliegt, wird die Spule erregt und der gemeinsame Anschluss verbindet sich mit dem NO-Kontakt. Dieser Schaltvorgang erfolgt automatisch und innerhalb von Millisekunden.

Dieser Mechanismus ermöglicht eine sichere elektrische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreisen und schützt empfindliche Geräte vor Hochspannungsspitzen.

Haupttypen industrieller Relais

In der industriellen Automatisierung werden je nach Steuerlogik, Sicherheitsanforderungen und Betriebsbedingungen verschiedene Relaisarten eingesetzt. Die gebräuchlichsten Typen sind:

• Elektromechanisches Relais

• Überlastrelais

• Zeitrelais

• Halbleiterrelais

• Halte-Relais

• Sicherheitsrelais

• Fehlerstromrelais

Sehen wir uns jeden Typ im Detail an.

Elektromechanisches Relais (EMR)

Elektromechanische Relais sind traditionelle Relais, die auf magnetischer Induktion beruhen. Wenn Strom durch die Spule fließt, zieht ein Magnetfeld den Anker an und ändert die Kontaktstellung. Sie sind kostengünstig und weit verbreitet in industriellen Steuerungstafeln, Motorstartern und Beleuchtungssystemen. Häufiges Schalten kann jedoch Funkenbildung und Verschleiß an den Kontakten verursachen, was die Lebensdauer des Relais verringert. Daher eignen sich EMRs am besten für niedrige bis mittlere Schaltfrequenzen.

Überlastrelais

Überlastrelais schützen Motoren und elektrische Geräte vor anhaltenden Überstromzuständen. Im Gegensatz zu Standardrelais, die auf Spannungssignale reagieren, sprechen Überlastrelais auf die durch zu hohen Strom erzeugte Wärme an. Wenn die Temperatur einen voreingestellten Grenzwert überschreitet, öffnet das Relais den Stromkreis, um Geräteschäden zu verhindern. Bediener können das Relais manuell zurücksetzen, sobald das System abgekühlt ist. Diese Relais sind unverzichtbar in Motorsteuerkreisen, MCC-Tafeln und schweren Maschinen.

Zeitrelais

Ein Zeitrelais integriert eine Zeitverzögerungsfunktion, die das Schalten des Stromkreises entweder beim Einschalten (Einschaltverzögerung) oder Ausschalten (Ausschaltverzögerung) verzögert. Zeitrelais sind häufig in Ablaufsteuerungen, Förderanlagen und Start-Synchronisation zu finden. Sie helfen, Maschinenabläufe in einer vorgegebenen Reihenfolge zu steuern und verbessern so die Automatisierungsgenauigkeit. Zudem können Zeitrelais mechanisch oder digital sein und bieten flexible Steuerungsmöglichkeiten für zeitabhängige Automatisierungsaufgaben.

Halbleiterrelais (SSR)

Halbleiterrelais ersetzen mechanische Kontakte durch Halbleiterschalter. Dadurch arbeiten sie geräuschlos und schalten viel schneller als EMRs. SSRs sind ideal für Anwendungen, die schnelles Schalten und geringen Wartungsaufwand erfordern, wie Temperaturregler oder Verpackungsmaschinen. Allerdings erzeugen sie mehr Wärme und benötigen eine geeignete Wärmeabfuhr, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Richtig ausgelegt bieten SSRs hervorragende Zuverlässigkeit in modernen industriellen Steuerungssystemen.

Halte-Relais

Ein Halte-Relais behält seinen Zustand auch bei Stromausfall bei. Es funktioniert ähnlich wie eine Setz-/Rücksetzspule in der SPS-Logik – einmal erregt, bleibt es eingerastet, bis ein Gegensignal es entriegelt. Dieser Typ reduziert den Stromverbrauch und ist nützlich in energieeffizienten oder speicherabhängigen Systemen, wie Alarmkreisen oder Notbeleuchtungssteuerungen.

Sicherheitsrelais

Sicherheitsrelais sind wichtige Bauteile in Maschinensicherheits- und Not-Aus-Systemen. Sie überwachen kontinuierlich Eingänge und erkennen Fehler wie Kontaktversagen, Kurzschlüsse oder Leitungsunterbrechungen. Bei Fehlererkennung unterbrechen Sicherheitsrelais sofort den Stromkreis, um Gefahren zu vermeiden. Ingenieure verwenden Normen wie ISO 12100 und IEC 62061, um Risiken zu bewerten und das passende Sicherheitsrelais auszuwählen. Typische Einsatzbereiche sind Roboterzellen, Pressen und Sicherheitsbereiche von Förderanlagen.

Fehlerstromrelais

Ein Fehlerstromrelais erkennt Fehlerströme zwischen elektrischen Leitern und Erde. Bei ungewöhnlichen Leckströmen löst das Relais aus und unterbricht den Stromkreis, um Geräteschäden zu verhindern und Personen vor Stromschlägen zu schützen. Fehlerstromrelais werden häufig in Stromverteilung, Prozessindustrie und Umspannwerken eingesetzt, um elektrische Sicherheit und die Einhaltung industrieller Normen zu gewährleisten.

Fachlicher Rat: Das richtige Relais für Ihre Anwendung wählen

Die Wahl des passenden Relais hängt von der Systemspannung, der Art der Last, der Schaltfrequenz und den Sicherheitsanforderungen ab.

• Verwenden Sie EMRs für allgemeine Steuerungen und niedrige Schaltfrequenzen.

• Wählen Sie SSRs für schnelles, geräuschloses Schalten.

• Setzen Sie Sicherheitsrelais für Anwendungen mit SIL-(Sicherheitsintegritätslevel-)Anforderungen ein.

• Nutzen Sie Überlastrelais in Motorkreisen, um Überhitzung zu verhindern.

Darüber hinaus verbessert die Kombination von Relaislogik mit SPS-basierter Steuerung die Flexibilität, Diagnosemöglichkeiten und Fernüberwachung – im Einklang mit Industrie 4.0-Praktiken.

Praktische Anwendungsszenarien

Szenario 1 – Motorschutzsystem: Eine Fabrik verwendet Überlast- und Sicherheitsrelais, um Drehstrom-Asynchronmotoren vor Überhitzung und Kurzschlüssen zu schützen.
Szenario 2 – Förderbandsystemautomatisierung: Zeitrelais steuern die Ablaufverzögerungen zwischen Förderbändern und sorgen für einen reibungslosen Materialfluss.
Szenario 3 – Temperaturgeregelte Öfen: Halbleiterrelais steuern Heizungen mit präziser Temperaturregelung und minimalem Verschleiß.

Fazit

Relais bleiben unverzichtbar in industrieller Automatisierung und elektrischen Steuerungssystemen. Von einfachen elektromechanischen Schaltern bis hin zu fortschrittlichen Sicherheitsrelais erfüllt jeder Typ eine bestimmte Aufgabe zur Steigerung von Zuverlässigkeit, Sicherheit und Automatisierungseffizienz. Das Verständnis der Arten industrieller Relais hilft Ingenieuren, robuste Systeme zu entwerfen, die Sicherheitsnormen und Betriebsanforderungen in modernen Fabriken erfüllen.