Auswahl von Zwischenrelais für SPS-Schränke in der industriellen Automatisierung

Die industrielle Automatisierung basiert auf der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) als Gehirn. Die SPS sendet präzise, ​​energiearme digitale Befehle, die komplexe Prozesse steuern.

Aber diese Ergebnisse sind heikel. Sie können Hochstrommotoren, Magnetspulen und Schütze, die die schwere Arbeit übernehmen, nicht direkt mit Strom versorgen.

Hier kommen Zwischenrelais als unverzichtbare Schutzvorrichtungen für Ihr Steuerungssystem ins Spiel. Sie bilden eine starke Schnittstelle, die für wichtige Isolierung und Leistungsumschaltung sorgt.

Die Wahl des richtigen Zwischenrelais ist nicht nur wichtig-sondern entscheidend für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer Ihres gesamten Automatisierungssystems. Die Auswahl von Zwischenrelais für SPS-Schränke in der industriellen Automatisierung hängt von vier Schlüsselfaktoren ab, die wir untersuchen werden:

Spulenspannung

Kontaktbewertung

Formfaktor (Platzersparnis)

Eingebauter-Schutz

Warum Relais unerlässlich sind

Wenn man versteht, was ein SPS-Ausgangsrelais bewirkt, zeigt sich, warum eine sorgfältige Auswahl bei der Konstruktion solider Schalttafeln wichtig ist. Diese Komponente kann weit mehr als nur Lasten ein- und ausschalten.

Es ist ein Mehrzweckgerät-. Es schützt teure Geräte, ermöglicht Systemflexibilität und sorgt dafür, dass alles reibungslos läuft.

Das Isolationsprinzip

Ein Relais sorgt für eine galvanische Trennung. Im Inneren besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Steuerstromkreis (der Spule) und dem Laststromkreis (den Kontakten).

Stellen Sie es sich als Zugbrücke vor. Das sensible SPS-„Schloss“ mit seiner feinen Logik bleibt vollständig von der leistungsstarken „Außenwelt“ der Motoren und Heizungen getrennt.

Wenn die SPS ein kleines Signal an die Relaisspule sendet, ist das so, als würde die Zugbrücke nur dann abgesenkt, wenn es nötig ist. Dieser physische Luftspalt verhindert, dass gefährliche Hochspannungsspitzen oder elektrische Fehler auf der Lastseite zurückwandern und die empfindlichen Ausgangstransistoren der SPS zerstören.

Allein dieser Schutz macht den Einsatz von Zwischenrelais lohnenswert.

Spannungs- und Stromverstärkung

Ein standardmäßiger SPS-Digitalausgang liefert ein 24-V-Gleichstromsignal mit sehr geringem Strom-oft nur wenige Milliampere (mA). Dadurch wird die Spule eines Relais mit Strom versorgt, eine Industrielast kann jedoch nicht mit Strom versorgt werden.

Das Relais funktioniert wie ein Verstärker. Das 24-VDC-Signal mit geringer-Leistung aktiviert die Spule, die Kontakte schließt, die für viel höhere Spannungen und Ströme ausgelegt sind.

Dadurch kann ein winziges 24-V-Gleichstrom- und 15-mA-Signal von der SPS einen 230-V-Wechselstrom-Motorschütz, der mehrere Ampere verbraucht, oder ein 10-A-Gleichstrom-Magnetventil sicher steuern.

Verschiedene Signale verbinden

Automatisierungssysteme verwenden selten nur einen Signaltyp. Es ist üblich, dass ein DC-basiertes Steuerungssystem (wie eine SPS) AC-betriebene Geräte steuert.

Ein Zwischenrelais überbrückt diese Lücke problemlos.

Der 24-V-DC-SPS-Ausgang versorgt die DC-Spule des Relais mit Strom. Die isolierten Kontakte des Relais können dann problemlos Stromkreise mit 120 VAC, 230 VAC oder sogar 480 VAC schalten, sofern die Kontaktleistung passt. Diese Flexibilität ist der Schlüssel zum anpassungsfähigen und skalierbaren Systemdesign.

Teile eines modernen Relais

Um das richtige Relais auszuwählen, müssen wir seine Teile verstehen. Ein modernes Industrierelais ist mehr als nur eine Spule und Kontakte-es ist ein modulares System, das auf Effizienz und einfache Wartung in Schalttafeln ausgelegt ist.

Lassen Sie uns ein typisches 24-VDC-Relaismodul aufschlüsseln, um Schlüsselbegriffe zu definieren.

Die Spule: Die „Eingangs“-Seite

Die Spule ist der Steuereingang des Relais. Es handelt sich um einen Elektromagneten, der ein Magnetfeld erzeugt, wenn er über den SPS-Ausgang mit Strom versorgt wird.

Dieses Magnetfeld bewegt den internen Schaltmechanismus physikalisch.

Die Spule wird durch ihre Nennspannung definiert. Diese Vorgabe, die Spulenspannung, muss mit der Spannung vom SPS-Ausgang übereinstimmen.

Die Kontakte: Die „Ausgabe“-Seite

Die Kontakte sind der Schaltteil des Relais und steuern den Lastkreis. Sie sind elektrisch von der Spule getrennt.

Anschlüsse sind normalerweise als „Normalerweise offen“ (NO), „Normalerweise geschlossen“ (NC) und „Gemeinsam“ (C) gekennzeichnet.

Ein Schließerkontakt ist geöffnet, wenn die Spule ausgeschaltet ist, und schließt, wenn die Spule eingeschaltet ist. Ein normalerweise geschlossener Kontakt funktioniert umgekehrt. Der gemeinsame Anschluss ist der gemeinsame Verbindungspunkt für Schließer- und Öffnerkontakte.

Staffeln werden durch ihre Stangen- und Wurfanordnung beschrieben. SPDT (Single Pole, Double Throw), auch Form C genannt, bietet einen gemeinsamen, einen Schließer- und einen Öffnerkontakt. Dies funktioniert gut für verschiedene Logikanwendungen.

Die Basis oder der Sockel

Die meisten modernen Industrierelais sind vom Typ „Plug{0}}. Das Relais wird in einen auf einer DIN-Schiene montierbaren Sockel oder Sockel gesteckt.

Dieses Design kommt der Verkabelung und Wartung industrieller Schalttafeln erheblich zugute. Die gesamte permanente Verkabelung wird an die Schraub- oder Federklemmenklemmen des Sockels angeschlossen.

Wenn ein Relais ausfällt, kann ein Techniker in Sekundenschnelle einfach das alte Relais ausstecken und ein neues einstecken. Zum Abklemmen des Stromkreises sind keine Werkzeuge erforderlich. Dadurch werden Maschinenstillstandszeiten drastisch verkürzt.

Integrierte-Funktionen

Heutige Relaismodule verfügen häufig über hilfreiche Funktionen, die in die Basis oder das Modul integriert sind.

Ein gutes Beispiel ist eine Statusanzeige-LED. Dieses Licht schaltet sich ein, wenn die Spule mit Strom versorgt wird, und gibt sofortiges visuelles Feedback zur Fehlerbehebung. Es zeigt auf einen Blick, ob die SPS das Relais zum Einschalten auffordert.

Viele Module verfügen außerdem über einen integrierten-Überspannungsschutz. Diese kritische Funktion, oft eine Freilaufdiode oder ein Varistor, ist für den Schutz der SPS unerlässlich. Warum das wichtig ist, erfahren Sie bald.

Schließlich ermöglicht ein spezieller Beschriftungsbereich auf dem Modul eine eindeutige Identifizierung der Schaltkreise. Dies ist in einem überfüllten Bedienfeld von unschätzbarem Wert.

Die wichtigsten Auswahlkriterien

Mit einem fundierten Verständnis der Relaisfunktionen und -teile können wir uns nun eingehend mit den vier wesentlichen Kriterien für die Auswahl der richtigen Komponente für Ihre Anwendung befassen.

Die richtigen Spezifikationen machen den Unterschied zwischen einem zuverlässigen System und einem System mit ständigen Ausfällen aus.

Kriterium 1: Passende Spulenspannung

Dies ist die einfachste, aber wohl wichtigste Prüfung. Die Nennspannung der Relaisspule muss mit der Ausgangsspannung der SPS übereinstimmen.

In den meisten industriellen Automatisierungsanwendungen beträgt die Standardsteuerspannung 24 VDC. Daher wählen Sie normalerweise ein Relais mit einer 24-VDC-Spule.

Nichtübereinstimmungen verursachen unmittelbare Probleme. Wenn Sie eine 120-VAC-Spule mit einem 24-VDC-Ausgang verwenden, erzeugt die Spannung kein ausreichend starkes Magnetfeld und das Relais funktioniert nicht.

Auf der anderen Seite führt das Anlegen von 120 VAC an eine 24 VDC-Spule dazu, dass diese sofort durchbrennt, wodurch ein offener Stromkreis entsteht und möglicherweise die Stromversorgung beschädigt wird. Überprüfen Sie immer die Ausgangsspezifikation der SPS und passen Sie die Relaisspule entsprechend an.

Kriterium 2: Kontaktbewertung

Dies ist der kritischste Schritt bei der Relaisauswahl und verursacht viele Feldausfälle. Die Relaiskontakte müssen die Spannung, den Strom und die Art der Last, die sie schalten, verarbeiten.

Ein häufiger Fehler besteht darin, nur den Dauerstrom der Last zu berücksichtigen. Das ist nicht genug.

Wir müssen den Unterschied zwischen ohmscher und induktiver Last erkennen. Eine ohmsche Last, wie ein Heizelement, hat eine konstante Stromaufnahme. Eine induktive Last wie ein Motor, ein Magnet oder eine Schützspule verhält sich ganz anders.

Wenn eine induktive Last zum ersten Mal eingeschaltet wird, kann sie einen enormen Einschaltstrom haben, der {{0}um ein Vielfaches ihrer Nennleistung im stationären Zustand liegt.- Noch wichtiger ist, dass beim Ausschalten eine starke Spannungsspitze entsteht.

Diese elektrische Belastung ist für Relaiskontakte viel stärker als eine einfache ohmsche Last. Datenblätter zeigen dies durch unterschiedliche Bewertungen. Beispielsweise könnte ein Relais für „10 A bei 250 V Wechselstrom (ohmsch)“ ausgelegt sein, aber nur für „5 A bei 30 V Gleichstrom (induktiv)“.

Wir haben einmal ein System gesehen, bei dem ein Motorschütz zeitweilige Fehler verursachte. Das SPS-Ausgangsrelais, das es steuert, war für 6 A ausgelegt, und der Dauerstrom der Schützspule betrug nur 0,5 A. Auf dem Papier sah es gut aus. Allerdings war das Relais nicht für die hohe Induktivität der Schützspule geeignet. Im Laufe der Zeit wurden die Relaiskontakte durch Lichtbögen beim Schalten der induktiven Last verschweißt. Der Motor lief ununterbrochen, was zu erheblichen Ausfallzeiten und einer beschädigten Produktcharge führte. Durch Ersetzen des Relais durch ein Relais mit der richtigen Nennleistung für die induktive Last wurde das Problem dauerhaft behoben.

Kriterium 3: Die Back--EMF-Bedrohung

Wenn die SPS eine Relaisspule ausschaltet, bricht das von ihr erzeugte Magnetfeld zusammen. Dieses kollabierende Feld erzeugt eine Spannungsspitze mit umgekehrter Polarität an der Spule, die als elektromotorische Gegenkraft oder Gegen-EMF bezeichnet wird.

Diese Spannungsspitze kann unglaublich hoch sein. Oftmals erreicht es für einen kurzen Moment Hunderte oder sogar Tausende Volt.

Diese Gegen-EMF-Spitze wandert über die Leitungen zurück zum Ausgang der SPS. Der Ausgang der SPS ist typischerweise ein Transistor-ein empfindliches Halbleiterbauelement. Diese hohe-Spannungsspitze kann leicht die Durchbruchspannung des Transistors überschreiten und ihn dauerhaft zerstören. Ein einzelnes ungeschütztes Relais kann eine teure SPS-Ausgangskarte zerstören.

Die Lösung ist Überspannungsschutz. Bei einem 24-V-DC-Relaismodul ist dies fast immer eine Freilaufdiode (auch Flyback-Diode genannt), die parallel zur Spule geschaltet ist. Diese Diode bietet einen sicheren Weg für die Zirkulation der Gegen-EMF-Energie und deren harmlose Wärmeableitung im Relaiskreis, ohne dass sie die SPS erreicht.

Bei Wechselstromspulen oder Wechselstromlasten erzielt eine Varistor- oder RC-Überspannungsschutzschaltung die gleiche Schutzwirkung. Die Wahl eines Relaismoduls mit integriertem Schutz ist eine wesentliche Best Practice für moderne Steuerungssysteme.

Kriterium 4: Formfaktor

Die physische Größe des Relais ist ein wichtiger Aspekt im modernen Schaltschrankbau. Platz auf der DIN-Schiene in einem Schaltschrank ist wertvoller Platz.

Das schlanke Schnittstellenrelais ist für viele SPS-E/A-Anwendungen zur ersten Wahl geworden. Diese Relais können bis zu 6 mm schmal sein und ermöglichen so eine E/A-Verkabelung mit extrem hoher -Dichte. Dies spart erheblich Platz und kann zu kleineren, kostengünstigeren Gehäusen führen.

Im Gegensatz dazu sind herkömmliche „Eiswürfel“- oder Allzweck-Relais größer. Obwohl sie mehr Platz auf der DIN-Schiene beanspruchen, bieten sie häufig höhere Kontaktströme (10 A, 16 A oder mehr) und sind in mehrpoligen Konfigurationen wie DPDT (Double Pole, Double Throw) oder 4PDT erhältlich. Diese können für komplexere Schaltlogiken nützlich sein.

Die Wahl hängt von den Anforderungen Ihrer Anwendung ab. Priorisieren Sie Dichte und Platzersparnis mit einem schlanken Schnittstellenrelais oder priorisieren Sie eine höhere Stromkapazität und mehrere Pole mit einem Allzweckrelais.

Die 5-Schritte-AuswahlRahmen

Durch die Umsetzung dieses technischen Wissens in einen wiederholbaren Prozess werden Rätselraten überflüssig und kostspielige Fehler vermieden. Befolgen Sie dieses Fünf-{1}Schritte-Framework für jedes von Ihnen angegebene Relay.

Schritt 1: Charakterisieren Sie Ihre Ladung

Zunächst müssen Sie das Gerät, das Sie wechseln möchten, vollständig verstehen. Stellen Sie diese Fragen:

Was ist das Gerät? (z. B. Motorschütz, Magnetventil, Kontrollleuchte, Heizung)

Wie hoch ist seine Betriebsspannung? (z. B. 230 VAC, 120 VAC, 24 VDC)

Wie hoch ist der Betriebsstrom im stationären-Zustand? (z. B. 0,5 A, 2 A)

Und vor allem: Ist die Last ohmsch oder induktiv?

Diese Informationen sind die Grundlage für alle folgenden Schritte.

Schritt 2: Bestätigen Sie Ihre SPS-Spezifikationen

Schauen Sie sich als Nächstes die Steuerquelle an. Obwohl fast immer 24 VDC, ist dies ein entscheidender Überprüfungsschritt.

Wie hoch ist die spezifizierte Ausgangsspannung der SPS? (Bestätigen Sie, dass es 24 VDC ist)

Was ist die maximale Stromlieferfähigkeit des SPS-Ausgangs? (z. B. 500 mA)

Sie müssen sicherstellen, dass dieser Ausgangsstrom die Spule des Relais mit Strom versorgen kann. Eine typische schlanke Relaisspule eines 24-VDC-Relaismoduls kann 10–20 mA verbrauchen, was deutlich innerhalb der Kapazität jedes Standard-SPS-Ausgangs liegt.

Schritt 3: Berechnen Sie die Kontaktbewertung

Wählen Sie nun die entsprechende Kontaktbelastbarkeit mit Sicherheitsmarge aus. Wählen Sie niemals ein Relais mit einer Kontaktbelastbarkeit, die nur dem Dauerstrom der Last entspricht.

Beginnen Sie mit dem Dauerstrom der Last aus Schritt 1.

Wenden Sie einen Sicherheitsfaktor an. Für ohmsche Lasten ist es in der Industrie üblich, ein Relais mit einer Kontaktbelastbarkeit von mindestens 150 % (1,5x) der stationären Last auszuwählen.

Bei induktiven Lasten muss der Sicherheitsfaktor viel größer sein, um Einschaltströme und Schaltlichtbögen zu berücksichtigen. Ein Faktor von 5x bis 10x ist keine Seltenheit, insbesondere bei Motoren und Magnetspulen. Überprüfen Sie immer das Datenblatt des Relais auf seinen spezifischen induktiven Lastwert. Überdimensionieren Sie im Zweifelsfall die Kontaktbewertung.

Schritt 4: Wählen Sie den Formfaktor

Berücksichtigen Sie die physischen Einschränkungen und Anforderungen Ihres Bedienfelds.

Wenn Sie ein Panel mit einer hohen E/A-Anzahl aufbauen und der Platz begrenzt ist, ist ein schlankes Schnittstellenrelais die Standardwahl.

If your load needs very high current (e.g., >10A) oder Sie mehrere Sätze isolierter Kontakte (DPDT, 4PDT) benötigen, die von einem einzigen Eingang gesteuert werden, ist ein größeres Allzweck-„Eiswürfel“-Relais auf einem DIN-Schienensockel besser geeignet.

Schritt 5: Überprüfen Sie den integrierten Schutz

Dies ist die letzte, kritische Go/No{0}}Go-Prüfung.

Sehen Sie sich das Datenblatt für das von Ihnen ausgewählte 24-VDC-Relaismodul an. Achten Sie auf die explizite Erwähnung von „integrierter Freilaufdiode“, „Flyback-Diode“, „Verpolungsschutz“ oder auf einen Schaltplan, der das Diodensymbol an den Spulenanschlüssen (A1 und A2) zeigt.

Wenn diese Funktion nicht eindeutig als im Lieferumfang enthalten aufgeführt ist, sollten Sie das Relais nicht kaufen. Das Risiko, Ihren SPS-Ausgang zu beschädigen, ist zu groß. Wählen Sie ein Modell, das diese wichtige Schutzfunktion ausdrücklich beinhaltet.

RelaistypenVerglichen

Der Begriff „Zwischenrelais“ umfasst mehrere unterschiedliche Technologien. Die Wahl zwischen ihnen erfordert einen Kompromiss zwischen Größe, Kosten und Leistungsmerkmalen.

Kurze Einführung

Schlanke Schnittstellenrelais: Der moderne Standard für SPS-E/A mit hoher -Dichte, optimiert für Platzeinsparungen.

„Ice Cube“-Relais: Größere, steckbare-allgemeine-Relais (GP), bekannt für ihre Vielseitigkeit und höhere Leistungsfähigkeit-.

Solid-State-Relais (SSRs): Halbleiterbasierte-Geräte ohne bewegliche Teile, die einzigartige Leistungsvorteile bieten.

Vergleichende Analysetabelle

Die folgende Tabelle bietet einen direkten Vergleich der wichtigsten Leistungskennzahlen.

Dieser Vergleich zeigt, dass es kein einzelnes „bestes“ Relais gibt. Die optimale Wahl hängt von Ihrer Anwendung ab. Für die allgemeine SPS-Ausgangspufferung bietet das schlanke Schnittstellenrelais die beste Funktionsbalance. Für hohe-Leistungslasten ist das Eiswürfelrelais eine robuste Wahl. Für Anwendungen, die Millionen von Zyklen oder sehr schnelles Schalten erfordern, wie z. B. die PWM-Steuerung, ist das SSR trotz seiner höheren Kosten und Anforderungen an das Wärmemanagement überlegen.

Best Practices für die Installation

Die richtige Auswahl ist nur die halbe Miete. Eine korrekte Installation und Verkabelung ist für die Gewährleistung der Systemzuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit von entscheidender Bedeutung.

Kabeldimensionierung und -terminierung

Verwenden Sie immer den richtigen Drahtquerschnitt für den von den Kontakten geschalteten Laststrom. Unterdimensionierte Drähte können überhitzen und eine Brandgefahr darstellen.

Verwenden Sie für alle Anschlüsse an den Schraub- oder Federklemmenanschlüssen des Relaissockels Aderendhülsen. Aderendhülsen enthalten die feinen Drahtlitzen und sorgen so für eine sichere, gasdichte Verbindung, die sich mit der Zeit aufgrund von Vibrationen nicht löst.

Trennung der Verkabelung

Halten Sie in der Schalttafel eine physische Trennung zwischen der Niederspannungs-DC-Steuerverkabelung (die Spulenseite, verbunden mit der SPS) und der AC- oder DC-Lastverkabelung mit höherer-Leistung (der Kontaktseite) ein.

Verlegen Sie diese Kabelgruppen in separaten Kabelkanälen. Durch diese Vorgehensweise wird das Risiko minimiert, dass elektrisches Rauschen von der Stromverkabelung die empfindliche Steuerverkabelung beeinträchtigt, was zu fehlerhaftem Systemverhalten führen kann.

Die Bedeutung der Kennzeichnung

Jedes Relais und die zugehörigen Drähte müssen deutlich gekennzeichnet sein und den Bezeichnungen im Schaltplan entsprechen.

Dieser einfache Schritt ist bei der Inbetriebnahme und zukünftigen Fehlerbehebung von unschätzbarem Wert. Ein gut-beschriftetes Bedienfeld ermöglicht es einem Techniker, einen fehlerhaften Stromkreis schnell zu identifizieren und zu diagnostizieren, wodurch Ausfallzeiten drastisch reduziert werden.

Häufige Fallstricke, die es zu vermeiden gilt

Viele moderne Relaismodule mit integrierten Freilaufdioden sind polaritätsempfindlich. Die Diode ist in einer bestimmten Ausrichtung an die Spulenanschlüsse (A1 und A2) angeschlossen.

Wenn Sie die Polarität umkehren-und +24VDC an den für 0 V vorgesehenen Anschluss anschließen und umgekehrt-, führt die Freilaufdiode praktisch zu einem Kurzschluss in Ihrer Stromversorgung, sobald der SPS-Ausgang eingeschaltet wird.

Dadurch wird normalerweise der Überstromschutz des Netzteils ausgelöst oder eine Sicherung durchbrennt, wodurch der gesamte 24-V-Gleichstrom-Steuerkreis abgeschaltet wird. Überprüfen Sie immer die Markierungen auf dem Relaissockel, um die richtige Polarität der Spulenanschlüsse sicherzustellen.

Ihre Investition in Zuverlässigkeit

Der Weg vom Verständnis des Zwecks eines Relais bis zur methodischen Auswahl des richtigen Relais ist eine grundlegende Fähigkeit für jeden Automatisierungsprofi.

Wir haben gesehen, warum Relais für die Isolierung und Verstärkung unerlässlich sind. Wir haben die Komponenten aufgeschlüsselt und die kritischen Auswahlkriterien Spulenspannung, Kontaktbelastbarkeit, Gegen-EMF-Schutz und Formfaktor untersucht.

Durch die Anwendung des 5-Schritte-Frameworks verwandeln Sie dieses Wissen in einen zuverlässigen, Fehler-reduzierenden Prozess. Ein sorgfältig ausgewähltes Zwischenrelais ist nicht nur eine Komponente-es ist eine strategische Investition in die langfristige Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wartungsfreundlichkeit Ihres gesamten industriellen Automatisierungssystems.

Der Auswahlprozess für die Relaiskontakt-Nennleistung stellt in Kombination mit den richtigen Verkabelungspraktiken für Industrieschalttafeln sicher, dass Ihr System auch in den kommenden Jahren zuverlässig funktioniert. 

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