Fachartikel

Sicherheitsrelais

Kleiner Transformationsschritt – großer Effizienz- und Sicherheitseffekt

Kleiner Transformationsschritt – großer Effizienz- und Sicherheitseffekt

Mit den Harmony XPSU Sicherheitsrelais von Schneider Electric, die Anwendungen bis zu Sicherheitsniveau PL e oder SIL 3 unterstützen, lassen sich mehr als 40 verschiedene Zustandsinformationen übertragen. 

 

Die digitale Transformation der Industrie ist Herausforderung und Chance zugleich. Die Vernetzung von Maschinen, Anlagen und Menschen erschließt neue Geschäftsmodelle, ermöglicht bislang ungeahnte Produktivitätssteigerungen und erhöht nicht zuletzt die Qualität der produzierten Güter. Die Realisierung dieses digitalen Wandels erfordert indessen nicht zwangsläufig hochkomplexe Architekturen. In nicht wenigen Fällen entfalten schon relativ einfache digitale Lösungen eine hohe Wirkung und verdeutlichen dadurch auch im Kleinen, welchen essenziellen Stellenwert die digitale Transformation im industriellen Umfeld besitzt. Ein sehr schönes Beispiel dafür sind klassische Sicherheitsrelais, die durch neuartige Diagnosefunktionen weiterentwickelt werden und Maschinen- und Anlagensicherheit mit optimierungs- und wartungsorientierter Datenerhebung auf einfache und zuverlässige Weise verknüpfen. 

Wie funktionieren Sicherheitsrelais? 

Im industriellen Umfeld haben Sicherheitsrelais schon seit langem ihren festen Platz. Sie eignen sich grundsätzlich vor allem für Anwendungen mit einer überschaubaren Anzahl von Sicherheitsfunktionen und einer vergleichsweise einfachen Sicherheitsarchitektur. Ihre klassische Kernaufgabe besteht darin, Maschinen und Anlagen schnellstmöglich abzuschalten, kontrolliert herunterzufahren oder in definierte Sicherungspositionen zu bringen, sobald ein Stopp-Befehl erfolgt oder eine Störung erfasst wird. Jedes Sicherheitsrelais verfügt über einen oder mehrere Eingänge zum Anschluss von Schutzeinrichtungen wie z.B. Not-Halt-Tastern, Lichtvorhängen oder Türschaltern sowie einen oder mehrere Ausgänge zum Anschluss von Maschinen oder Anlagen.  

Wird eine Schutzeinrichtung ausgelöst oder eine Störung registriert, wertet das Relais diese in Sekundenbruchteilen aus und schaltet seine sicherheitsgerichteten Ausgänge entsprechend ab. Es wird also beispielsweise der Stromkreis einer Maschine unterbrochen oder eine andere sicherheitsrelevante Aktion ausgelöst. Die Relais nehmen somit eine Schlüsselposition innerhalb der Sicherheitsarchitektur ein und müssen hochverfügbar und uneingeschränkt zuverlässig sein. Die Details zur Anwendung sind in Normen wie EN ISO 13849-1 und EN 62061 festgelegt. 

Entscheidende Vorteile 

Obwohl Sicherheitsrelais in der Industrie längst etabliert sind und sich in der Anwendung schon vielfach bewährt haben, besitzen sie in herkömmlicher Ausführung jedoch eine Schwachstelle – nämlich ihre stark eingeschränkte Kommunikationsfähigkeit. Der übergeordneten SPS einer Maschine oder Anlage teilen sie üblicherweise nur ihren Schaltzustand mit. Informationen über das Zustandekommen dieses Zustands werden ebenso wenig übermittelt wie Informationen, die für betriebliche Optimierungen oder vorausschauende Wartungen genutzt werden könnten, wie zum Beispiel Auskünfte über die Anzahl der Schaltzyklen oder den Verschleißgrad mechanischer Komponenten. Das erschwert Fehlerdiagnosen, verlängert Stillstandszeiten und hat obendrein den Nachteil, dass Potenziale zur Effizienzoptimierung oft unentdeckt bleiben. 

Um diese Potenziale zu erschließen und darüber hinaus Verbesserungen in Monitoring, Fehlerdiagnose und Wartung zu erreichen, ist eine Kommunikation zur SPS zwingend notwendig. Dieser Aufgabe hat sich Schneider Electric gestellt und Sicherheitsrelais mit Diagnosefunktion entwickelt. Dabei übermittelt das Relais ein Telegramm an den digitalen Standardeingang einer beliebigen Steuerung. So kommen auch Maschinen ohne Feldbus-Architekturen an die Vorteile der Diagnose. Der Einsatz solcher intelligenten Relaislösungen rentiert sich umso mehr, je differenzierter die übermittelten Informationen ausfallen.  

Mit den Harmony XPSU Sicherheitsrelais von Schneider Electric, die Anwendungen bis zu Sicherheitsniveau PL e (nach EN ISO 13849-1) oder SIL 3 (nach EN IEC 62061) unterstützen, lassen sich beispielsweise mehr als 40 verschiedene Zustandsinformationen übertragen. Ob nun ein Fehler im Rückführkreis durch das Verschweißen von Schützen erkannt wird oder der Anwender noch die Start-Funktion betätigen muss – der SPS ist der Zustand bekannt und kann die Anwender entsprechend zielgerichtet informieren. Die Kommunikation mit der SPS erfolgt dabei ohne Bussystem über eine einfache Drahtverbindung. Die Harmony XPSU Sicherheitsrelais sind mit allen gängigen Programmiersystemen kompatibel und bieten fertige Funktionsbausteine zur einfachen und schnellen Integration der Diagnosefunktion in bestehende Software- und Programmierumgebungen. 

Weitere Pluspunkte für den Anwender 

Bisher musste aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Gerätetypen das jeweils passende Produkt für die Sicherheitsfunktion herausgesucht werden. Die Anzahl der benötigten Geräte hängt vom Sicherheitskonzept des Anwenders ab, dank der Digitalisierung lassen sich die Gerätevarianten jedoch reduzieren. Das vereinfacht die Planungsphase von Maschinen sowie die Beschaffung und reduziert die Lagerhaltung. Und im Falle eines Serviceeinsatzes hat man das richtige Gerät immer dabei. 

Ganz einfach können Anwender via frontseitigen Drehschalter aus bis zu zehn benötigten Sicherheitsfunktionen wie beispielsweise Not-Aus/Halt-Tastern, Trittmatten, Lichtvorhängen oder Magnet-Sicherheitsschaltern wählen. Die gewählte Eingangsfunktion steht je Gerätetyp ein-, zwei- oder sechskreisig in redundanter Ausführung zur Verfügung. Zusätzlich können über einen zweiten Drehschalter acht Startfunktionen wie manueller/überwachter oder automatischer Start sowie Anlauftest eingestellt werden. Ob klassischer Starttaster oder Signalausgang von einem Display – das Sicherheitsrelais ist für entsprechende Startbefehle bereit. Somit lassen sich mit einer einzigen Harmony XPSU Referenz bis zu 80 Funktionseigenschaften konfigurieren, was die Planung erleichtert, die Lagerhaltung reduziert, die Dokumentation vereinfacht und die Realisierung geplanter Projekte beschleunigt. Je nach Gerätetyp stehen unterschiedliche Schließer- und Öffnerkontakte sowie der Diagnoseausgang für die Kommunikation zur Verfügung. Werden mehr Relaisausgänge benötigt, lässt sich über einen integrierten Steckverbinder ein XPSUEP Erweiterungsmodul seitlich anschließen – eine Querverdrahtung ist nicht erforderlich. Die Versorgungsspannung beträgt 24 VAC/DC oder 48-240 VAC/DC. Der Anschluss erfolgt über abziehbare Schraub- oder Federzugklemmen. 

Weitreichende Wirkung 

Intelligente Sicherheitsrelais wie das Schneider Electric Harmony XPSU zeigen exemplarisch, wie sich schon mit vergleichsweise einfachen digitalen Lösungen, die zudem mit überschaubarem finanziellem Aufwand – im vorliegenden Fall sogar kostenneutral – realisiert werden können, entscheidende Fortschritte erzielen lassen. Denn die differenzierte Diagnosefunktion liefert zum einen umfassende Zustandsinformationen, die Monitoring, Fehlerdiagnose, Bedienungsführung und Wartung signifikant erleichtern. Kritische Maschinen- oder Materialzustände werden mit ihrer Hilfe frühzeitig detektiert und präzise lokalisiert und können vor dem Eintritt größerer Schadensfälle behoben werden. Die intelligente Diagnosefunktion integriert zudem sicherheitsarchitektonisch wichtige Relais in umfassende IIoT-Umgebungen und erschließt durch kontinuierliche Datenübermittlung ungeahnte Optimierungspotenziale. Beispielsweise können so ineffiziente oder instabile Schaltzyklen erkannt und beseitigt werden. Der Einsatz intelligenter Sicherheitsrelais ist damit ein weiterer Schritt zur flächendeckenden Realisierung von Industrie 4.0 und unterstreicht den Stellenwert der digitalen Transformation. Das Beispiel zeigt, wie schon kleine und relativ einfache Effizienzoptimierungen in der Summe große Wirkung entfalten und maßgeblich dazu beitragen, die Funktionalität und Sicherheit von Maschinen und Anlagen sowie letzten Endes ganzen Produktionsumgebungen zu verbessern. 

Diese Normen definieren funktionale Sicherheit und Sicherheitsstufen 

Sicherheitsrelais müssen im Hinblick auf ihre funktionale Sicherheit eine ganze Reihe von Normen und Richtlinien erfüllen. Als funktionale Sicherheit wird die Fähigkeit eines Systems oder einer Komponente bezeichnet, gefährliche Situationen zu vermeiden oder zu beherrschen. Die diesbezüglich wichtigsten Normen sind die EN ISO 13849-1 und die EN IEC 62061. Sie definieren Anforderungen an Design, Auswahl, Betrieb und Wartung sicherheitsbezogener Teile von Steuerungen (SRP/CS = Safety-Related Parts of Control System) – das umfasst auch Sicherheitsrelais. Zudem definieren diese Normen verschiedene Sicherheitsstufen, die sich am Risikofaktor der Anwendung orientieren. Diese Sicherheitsstufen werden als Performance Level (PL) nach EN ISO 13849-1 oder als Safety Integrity Level (SIL) nach EN IEC 62061 bezeichnet. Die PL reichen von a (niedrigstes Risiko) bis e (höchstes Risiko), die SIL von 1 (niedrigstes Risiko) bis 4 (höchstes Risiko). Sicherheitsrelais müssen entsprechend ihrer jeweiligen PL oder SIL zertifiziert sein. 

Autor: Volker Schwidden, Senior Produkt Manager Sicherheitstechnik DACH von Schneider Electric 

Teilen