Spezialrelais für Industriesteuerungen Konform zur neuen SPS-Norm

Wer in Zukunft mit seinen SPS im Geschäft bleiben will, muss ab April 2016 die Regularien der neuen IEC 61010-2-201 erfüllen. Dieser neue SPS-Sicherheitsstandard stellt eine Verknüpfung der IEC und UL dar. Dadurch ergeben sich u.a. für die Ausgangsrelais einer SPS strengere Forderungen.

Eine SPS hat unterschiedlichste Aufgaben in Industriefabriken zu erledigen: An den Eingängen der SPS ermitteln Sensoren das Geschehen in der Maschine oder in der Anlage. Das können die unterschiedlichsten Arten von Sensoren sein, zum Beispiel Lichtschranken, Endschalter, Füllstandssensoren, Temperaturfühler usw. An den Ausgängen der SPS schalten Aktoren (Relais) zum Beispiel Elektromotoren oder Ventile für Druckluft und Hydraulik. Die Sensoren oder Aktoren stellen also eine Anbindung der Maschine bzw. Anlage an die SPS dar und steuern oder regeln einen definierten Vorgang und Ablauf. Durch Schaltrelais oder Optokoppler in der SPS ist weiterhin eine galvanische Trennung von der Steuerung und der Peripherie, also Sensoren und Aktoren, gegeben.

Die neue IEC 61010-2-201

Welche neuen Anforderungen stellt nun die neue IEC61010-2-201-Norm an die Ausgangsrelais einer SPS? Genau genommen recht wenig – es wird lediglich eine höhere Isolation zwischen der Spule und dem Kontakt vom Relais gefordert. Das klingt zunächst einmal nicht sonderlich schwierig, aber bei genauerer Betrachtung ist dies doch nicht einfach zu realisieren: Hinzu kommen grundsätzliche Forderungen an das Ausgangsrelais von Seiten der Hersteller von Steuerungen: Eine lautet, dass das bestehende Pinning und die Abmessungen (ca. 20 × 5 × 12,5 mm³) der bisher eingesetzten Ausgangsrelais der unterschiedlichen Relaislieferanten unverändert bleiben sollen. Eine weitere Forderung an das monostabile Relais ist ein Schließerkontakt, der zuverlässig Lasten der unterschiedlichsten Art von wenigen mA bis hin zu 250 V(AC)/5 A sicher schalten kann. Da in einer SPS in der Regel viele Relais eng nebeneinander platziert sind, Sind sowohl die Größe (also schmale Bauform) als auch die Spulenverlustleistung (maximal 110 mW) wichtige Aspekte. Weiterhin gewünscht wird, dass der Temperaturbereich der Relais auf +90 °C erweitert wird. Manche SPS-Hersteller wünschen sich außerdem, dass die Relais dem Explosions-Standard ANSI/ISA 12.12.2013 entsprechen.

Von den Forderungen zum neuen Relais

Panasonic produziert schon seit vielen Jahren Relais für SPS-Ausgänge, und zwar das PA- bzw. PAD-Relais. Da dieses – in die Jahre gekommene – Relais vor allem die neuen Isolationsanforderungen von 3 kV zwischen Kontakt und Spule und eine Kriechstrecke von mindestens 5,35 mm bei verstärkter Isolation nicht erfüllen kann, wurde es gründlich überarbeitet und wird ab Februar 2016 in Serie produziert. Das neue Relais heißt PAN.

Die normativen Forderungen gemäß des „IEC 61010-2-201 PLC I/O Interface“ lauten:

  • Stoßspannungsfestigkeit zwischen Kontakt und Spule: 6 kV
  • Spannungsfestigkeit zwischen Kontakt und Spule: 3 kV
  • Spannungsfestigkeit über den offenen Kontakt: 1 kV
  • Luftstecke zwischen Kontakt und Spule: min. 3 mm
  • Kriechstrecke zwischen Kontakt und Spule: 5,35 mm

Die geforderten Luft- und Kriechstrecken ergeben sich aus den Kriterien der Anwendungsnorm: Überspannungskategorie II, Verschmutzungsgrad 2 und Materialgruppe IIIa. Für eine verstärkte Isolation werden somit bei 300 V mindestens 6 mm Kriechstrecke gefordert. Durch Interpolation einer Netzspannung von 240 V (+10 %) bleiben dann noch 5,35 mm als Anforderung. Beim PAN-Relais wurden diese Forderungen durch eine komplette Kunststoffisolation der Spule und des Kontaktsatzes realisiert. In Bild 1 ist dazu eine optische Gegenüberstellung des geöffneten neuen PAN- und des geöffneten alten PAD-Relais zu sehen.

Besonderheiten des PAN-Relais

Eine Besonderheit des neuen Relais betrifft die benötigten Minimallasten, damit ein dauerhafter, gleichbleibend niedriger Kontaktwiderstand gewährleistet werden kann. Beim PAN-Relais, wie auch schon beim alten PA(D)-Relais, wird dies durch sogenannte „Twin Contacts“ – also Doppelkontakte mit einer mindestens 3 µm dicken Hartvergoldung auf dem AgNi-Kontakt – realisiert. Dadurch ist es möglich, kleine Lasten von nur 10 V/5 mA oder 24 V/1 mA zuverlässig und sicher zu schalten. In Bild 2 ist dieser Twin-Kontakt gut zu sehen. Umfangreiche Messreihen ergaben bei einer Last von 5 V/1 mA sogar einen äußerst konstanten Kontaktwiderstand von ca. 10 mΩ bis zu 10 Mio. Schalt­spiele. Eine ganz andere Herausforderung an das Relais stellen kapazitive Lasten dar, welche zum Beispiel bei Lampen oder beim Schalten von Kondensatoren auftreten, sowie bei induktiven Lasten, welche zum Beispiel mit Motoren oder Ventilen vorliegen. Tests haben ergeben, dass das neue PAN-Relais Einschaltströme bis zu 30 A für 23 µs sicher beherrscht. Ein Lebensdauertest mit einer induktiven Last von 24 V(DC)/1 A bei L/R = 24,6 ms ergab mit dem neuen PAN-Relais eine Lebensdauer-Kennzahl von über 300.000 Schaltspielen.

Explosions-Standard nach ANSI/ISA 12.12.2013

Der besagte Explosionsschutz-Standard muss von Bauteilen erfüllt werden, wenn die Maschine oder das Gerät zum Beispiel in der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie, der Öl- oder Gasindustrie oder in der pharmazeutischen Industrie in Betrieb ist. Vereinfacht ausgedrückt darf dabei im Relais kein kritischer Lichtbogen bestehen bleiben und auch nicht nach außen dringen. Eine Grundvoraussetzung dafür ist, dass das Relais dicht nach RTIII ist. Vom PAN-Relais wird das erfüllt, es ist waschdicht nach RTIII und erfüllt ANSI/ISA 12.12.2013 (Class I and II Division 2, Group A, B, C, D, Class III, Division 1 and 2).