Beim Einsatz von SPS- oder IPC-Steuerungen im Maschinen- und Anlagenbau empfiehlt es sich, eine Koppel- und Schaltebene aufzubauen. Über diese koppeln beispielsweise Maschinen potenzialfreie „Handshake“-Signale an externe Geräte, um In­formationen im Produktionsablauf auszutauschen. Auch hält die Koppelebene Eingabefehler oder Störimpulse von der Steuerungsebene fern. Außerdem lassen sich so – mit den Steuerbefehlen von SPS- oder IPC-Steuerungen – Aktoren wie etwa Magnetventile, Schütze, Hilfsschütze und Relaiskoppler direkt ansteuern.

Definierte Schnittstellen – realisiert mit Relais- und Solid-State-Relais – bieten weitere Vorteile, denn ungewollte Impulse auf der Eingangsseite einer Steuerung können zu Fehlauslösungen und bei größerem Energiegehalt sogar zu ernsthaften Störungen an den Geräten führen. Auf der Ausgangsseite schließlich sind elektronische Steuerungen gegen Kurzschlüsse und Rückwirkungen durch induktive Betriebsmittel zu schützen. Nicht zuletzt gewährleistet die sichere Signaltrennung eine bezugspotenzialfreie Übertragung von Signalen zwischen verschiedenen Anlagenteilen und Systemen und vermeidet so das Fließen von Ausgleichsströmen bei unterschiedlichem Potenzialniveau. Kurzum: Eine Koppelebene trägt maßgeblich zur Anlagenverfügbarkeit bei.

Die Alternative zum elektromechanischen Relais

Koppelklemmen wie die Module der neuen „Termopto“-Familie stellen für die Trennung und Anpassung von Signalen eine platzsparende elektronische Alternative zum konventionellen elektromechanischen Relais dar. Die wartungsfreien Reihenklemmen mit integrierter Potenzialtrennung sind lediglich 6 mm breit und nicht größer als eine Doppelstock-Reihenklemme. Dies reduziert den Platzbedarf im Schaltschrank beziehungsweise in den Verteilerschränken und Unterverteilern um über 80 %. Die Module besitzen ein geschlossenes Gehäuse (IP20) und trennen zuverlässig die Eingangs- und Ausgangsseite. Galvanisch getrennte, verschleißfreie Halbleiterschalter (Optokoppler) mit umfangreicher Schutzbeschaltung sorgen für eine hohe Betriebssicherheit der Koppelklemmenfamilie mit ihren 60 Varianten. Die Module verfügen über zehn ver­schiedene Eingangssignale und sind wahlweise mit AC- oder DC-Ausgang verfügbar und im Temperaturbereich von –20 °C bis +60 °C einsetzbar. Zu Diagnosezwecken sind die Optokoppler mit einer grünen LED-Statusanzeige versehen; weiterhin bieten sie Platz für Standardmarkierungen mit WS12/6 Multicard.

Diese kompakte Koppelklemme „baut“ nicht größer als eine Doppelstock-Reihenklemme. Sie reduziert den Platz­bedarf im Schaltschrank um über 80 %.

© Weidmüller

Der Anwender hat bei Termopto die Wahl zwischen Push-In- oder Zugbügel-(Schraub-)Anschlusstechnik. Erstere reduziert die Verdrahtungszeit um bis zu 75 %. Der abisolierte massive oder feindrahtige Leiter mit aufgecrimpter Aderendhülse wird dabei einfach bis zum Anschlag in die Klemmstelle gesteckt. Ein Werkzeug zum Anschließen ist nicht erforderlich. Sowohl der Push In- wie auch der Zugbügel-Anschluss halten, in Abhängigkeit vom Leiterquerschnitt, Leiterauszugskräfte größer 30 N. Ob Push-In- oder Zugbügel-Variante: Anwender redu­zieren mit den steckbaren Standard-Querverbindungen die Anschlusszeiten für Masse und Versorgungsspannung um über 50 % im Vergleich zur herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung. Sind induktive Lasten bis 10 A anzusteuern – etwa Magnetventile oder Schütze – bietet sich der Einsatz von Solid-State-Relais der „Microopto“-Familie an, die mit einer Baubreite von 6 mm ebenfalls sehr kompakt ausgeführt sind. Der Ventilschalter eignet sich ideal als Schaltverstärker hinter Standardausgängen (0,1 bis 0,5 A) von SPS- oder IPC-Steuerungen. Der Modulausgang wird über einen Stromsensor auf Fehler wie beispielsweise Kurzschluss und Überlast überwacht. Über einen potenzialfreien Meldekontakt erfolgt eine Rückmeldung an die Steuerung – die Maschine oder Anlage kann in einen sicheren Zustand fahren und der Fehler behoben werden.

Im Vergleich zum elektromechanischen Relais zeichnen sich Solid-State-Relais durch mehrere Vorteile aus: Sie schalten über eine lange Lebensdauer zuverlässig, das heißt sie haben einen MTBF-Wert (Mean Time Between Failures) von mehr als 400 Jahren, sind kompakt dimensioniert und verfügen über geringe Ansteuerleistungen unter 400 mW sowie Ansprechzeiten kleiner 1 ms. Zudem verursachen sie keine Schaltgeräusche, schalten Lasten prellfrei und sind unempfindlich gegenüber Schock und Vibrationen. Außerdem werden benachbarte Baugruppen während des Schaltvorgangs nicht durch elektromagnetische Abstrahlungen oder Schaltfunken gestört.

Bei der Microopto-Baureihe ist die Elektronik in einem berührungssicheren, geschlossenen Gehäuse integriert. Daneben verfügen die Module über die Eigenschaften einer Reihenklemme: steckbare Querverbindungen (Standard ZQV 4N), standardisierte Markierungs­lösungen (WS12/6 Multicard) und geringe Baubreite. Die Geräte haben einen Zugbügel-(Schraub-)Anschluss für Leiteranschlussquerschnitte bis 4 mm².

Ebenfalls zur Gattung der Relais­koppler und Solid-State-Relais gehört die „Termseries“-Familie von Weidmüller. Mit einer Baubreite von 6,4 beziehungsweise 12,8 mm benötigen die beliebig kombinierbaren Module nur wenig Platz auf der Tragschiene. Aus­gelegt sind sie für das Schalten von Lasten bis 250 V bei 8 A. Je nach Anforderung kann der Anwender bei den Geräten wählen zwischen Festspannungseingängen oder einem Multispannungseingang sowie zwischen Schraub- oder Zugfe­deranschlusstechnik. Die Querverbindungen sind so ausgeführt, dass sie fühlbar einrasten. Über den Auswerfer lassen sich die Relais beziehungsweise Solid-State-Module einfach entnehmen; beim erneuten Einstecken erleichtert ein gut hörbarer „Klick“ das Einrasten. Anwender profitieren von diesem Kon­struktionsdetail bei Wartung und Service, denn sie können das Relais einfach austauschen und ersetzen – ohne zeitaufwendige Demontage der Verdrahtung.

Ein weiteres Beispiel für die praxisgerechte Umsetzung von Anwenderanforderungen ist die Statusanzeige über die großflächige Illumination des Auswerfers. Der Signalstatus lässt sich so problemlos identifizieren – selbst bei schwer einsehbaren Einbauverhältnissen wie sie in der Praxis häufig vorkommen.

Der Multispannungseingang

Insbesondere der Multispannungseingang von Relaiskopplern und Solid-State-Relais stellt eine große Vereinfachung in der industriellen Koppelebene dar. Zum Beispiel dann, wenn Sensoren aus dem Feld entkoppelt, also isoliert werden sollen. In diesem Fall liegen in der Regel unterschiedliche Signale mit verschiedenen Spannungen vor. Das gleiche gilt beim Retrofit im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Prozessindustrie – hier kommen unterschiedliche Signale aus dem Feld, die es zu trennen gilt.

Die Solid-State-Relais Microopto dienen als Schaltverstärker zur Ansteuerung von induktiven Lasten – etwa Magnetventile oder Schütze – bis 24 V(DC)/ 10 A.

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Zumeist gelangen Relaiskoppler bis dato aus der Werkstatt in einem geprüften Schaltschrank ins Feld. Vorgesehen ist hier lediglich eine Spannung, was den zeit- und kostenträchtigen Umbau auf der Baustelle erfordert. Bislang sind dafür mehrere Relaiskoppler notwendig. Nicht so bei den neuen Geräten mit Multispannungseingang – hier genügt ein einziger Relaiskopplers.

Im Maschinenbau werden unterschiedliche Signale im „Handshake“-Verfahren zwischen Maschine und Handlingsystem weitergereicht – auch hier reicht ein Relaiskoppler mit Multispannungseingang aus. Mit ihm lassen sich Signale von 24 bis 230 V(AC/DC) mit nur einer Modulvariante verarbeiten. Neben den aufgezeigten technischen Vorteilen reduzieren diese Relaiskoppler den Lageraufwand deutlich.

Durch die Kombination von Relaiskoppler und Solid-State-Relais kann der Anwender die „Schaltelemente“ ideal an seine Applikation anpassen. Denn je nach Applikation und Anforderung setzt er zum Schalten oder Entkoppeln von Aktorik und Sensorik elektromechanische Relais oder elektronische, verschleißfreie Solid-State-Relais ein. Bei der Termseries kommt für beide Relais-Arten der gleiche Sockel, mit identischer Gehäuse-Geometrie zum Einsatz. Neben dem optischen Erscheinungsbild hat diese Vorgehensweise technische Vorteile: So kann der Anwender selbst bei verdrahteten Schalt- beziehungsweise Koppelebenen das mechanische gegen das elektronische, verschleißfreie Solid-State-Relais sekundenschnell austauschen. Dazu muss er nur den „Auswerfer“ betätigen und das neue Relais einsetzen. Ein Lösen der Verdrahtung ist nicht notwendig – es entstehen keine Fehler.

Die Konturgleichheit aller Relaiskoppler und Solid-State-Relais ist zudem ein entscheidender Vorteil beim Querverbinden der Module. So lassen sich die universell ausgelegten Querverbindungen auch über Trennwände hinweg problemlos einstecken. Dies gilt selbst für Schraub- und Zugfedervarianten.

Rückwirkungsfrei abschalten

Forderungen aus der Praxis konsequent umgesetzt: Eine deutliche Status­anzeige erfolgt über die LED, die groß­flächig den kom­pletten Auswerfer illuminiert (1). Die Querverbinder kennzeichnen eine einfache Handhabung, gute Sichtbarkeit und universelle Verschaltungsmöglichkeit – auch über Trenn­wände hinweg (2).

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In Maschinen sowie großflächig ausgeführten Anlagen kann es schließlich durch parallel verlegte Netzleitungen zu induktiven oder kapazitiven Einkopplungen auf die Steuerleitung kommen, die zum Relais führt. Die Folge: Das Relais fällt nicht zuverlässig ab, wenn sich die Leistung der Störsignale oberhalb der Abschaltleistung des Relais befindet. Ein weiteres Beispiel: In Schutzschaltungen von SPS-AC-Ausgangskarten können Leckströme im abgeschalteten Zustand auftreten. Auch hier fällt das Relais nicht sicher ab, wenn der Leckstrom als Haltestrom ausreicht.

Um diese Problemantik zu lösen, hat Weidmüller in den Varianten mit 120/230-V(AC) im Eingangskreis einen RC-Filter standardmäßig integriert. Dieser sorgt durch seine zusätzliche Stromaufnahme dafür, dass Störspannungen oder Leckströme kompensiert werden und die Relais der Termseries sowie der Termopto-Familie jederzeit sicher und zuverlässig abschalten.

Autor: Frank Polley ist Produktmanager bei Weidmüller.