Sicherheitsschaltgeräte sicher machen 1

Sicherheitsschaltgeräte sichern Maschinen im Falle eines technischen Fehlers ab. Hier sollten die Vorsichtsmaßnahmen aber nicht enden. Denn eben diese Geräte bedürfen ebenfalls einer Absicherung.

Egal um welche DC-24-Volt-Anwendung es in der Automatisierung geht: Sicherheitsschaltgeräte sind dabei fast immer an Bord. Das hängt zusammen mit den vielfältigen Bewegungen, die diese Anlagen ausführen. Wenn eine Anlage Bewegungen durchführt, birgen diese Positionsänderungen immer ein gefahrbringendes Potenzial. Dies muss für den Fall, dass es zu technischen Fehlern kommt, zwingend abgesichert werden – möglich wird das durch Sicherheitsschaltgeräte. Von vielen Anwendern wird jedoch übersehen, dass auch diese Geräte einer Absicherung bedürfen: Schließlich können sie sowohl durch kapazitive Lasten als auch durch Kurzschlüsse beschädigt werden. Kapazitive Lasten auch als solche zu identifizieren, ist eine vergleichsweise komplexe Aufgabe, und Produzenten der Sicherheitsschaltgeräte untersagen ihren Anwendern konkret, kapazitive Lasten im Zusammenhang mit den Geräten zu betreiben. Leider geht dies im Alltag häufig unter. Das bedeutet, der Anwender ist gefordert, hierbei selbstständig für die Einschaltstrombegrenzung zu sorgen. Den wenigsten Anwendern ist dies klar.

E-T-A Absicherung von Sicherheitsschaltgeräten

Bei Automatisierungsanwendungen führen die Anlagen häufig Bewegungen aus, die durch Sicherheitsschaltgeräte abgesichert werden müssen.

Sicher ist nur, wer Sicherheitsschaltgeräte absichert

In der Praxis bedeutet das, dass in vielen Anwendungsgebieten die Sicherheitsschaltgeräte durch den fehlenden Schutz regelmäßig überlastet werden. Dadurch verkürzt sich natürlich die Lebensdauer dieser Geräte spürbar. Zudem stellen Kurzschlüsse eine konkrete Gefahr für die Sicherheitsschaltgeräte dar. Ein Kurzschluss kann ein solches Produkt sehr schnell zerstören.
Dabei gibt es eine erprobte technische Lösung für dieses Problem. Elektronische Schutzschalter mit aktiver linearer Strombegrenzung sind in der Lage, die Sicherheitsschaltgeräte konstant und zuverlässig vor Beschädigungen durch kapazitive Lasten und Kurzschlüsse zu schützen. Für den Anwender bedeutet das zunächst, dass sich die Maschinenlaufzeit erhöht – schließlich sorgt ein Anlagenausfall im Normalfall auch für den Komplettausfall der Anlage. Handelt es sich um eine weit entfernt betriebene Anlage, so fallen Anlagenausfälle weitaus stärker ins Gewicht. Reparatur und Wartung werden schnell aufwendig und teuer, und somit vorbeugende Planung zur Pflicht. Auch die Lebensdauer der relativ investitionsintensiven Sicherheitsschaltgeräte wird verlängert. Weiter ist zu beachten, dass sich eine Reihe von Normen so leichter erfüllen lässt, wodurch die Chancen steigen, die Maschinen auch in Auslandsmärkten absetzen zu können.

Normen für die Risikominimierung

Häufig regeln Normen, wie Risiken eingedämmt werden sollten. Auch an dieser Stelle kommen mehrere Verordnungen zum Tragen, um Risiko für Mensch, Maschine und Umwelt so gering wie möglich zu halten. Zu diesen risikomindernden Schutzmaßnahmen äußern sich vor allem EN ISO 13849-1:2006 „Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“ und EN 60204-1 „Elektrische Ausrüstung von Maschinen“. Die größte Relevanz an dieser Stelle hat erstere Norm. Die Autoren beschreiben darin unter anderem den genauen Weg zur CE-Kennzeichnung sowie den Nachweis einer „sicheren Maschine“, wozu auch die steuerungstechnische Umsetzung, etwa durch den Einsatz von Sicherheitsschaltgeräten, gehört.
Wer den beschriebenen Prozess komplett mit seiner Anlage durchläuft und Sicherheitsschaltgeräte einsetzt, ist zur Absicherung dieser Elemente verpflichtet. Nur so lassen sich die Herstellerangaben, Normen und der Nachweis realisieren.

Leitungsschutz und Schmelzsicherung sind überfordert

Bei kapazitiven Lasten und Kurzschluss kann der Strom unter Umständen auf Maximalstrom ansteigen und die Relais belasten. Mit Leitungsschutzschaltern oder Schmelzsicherungen lässt sich solch eine Absicherung nicht umsetzen. Dies liegt daran, weil die Auslösezeit, bis diese Schutzelemente ansprechen, zu lang ist, um einen wirkungsvollen Schutz der Relais in den Sicherheitsschaltgeräten zu gewährleisten. Gleichzeitig ist der in diesem Moment dann auf das Sicherheitsschaltgerät wirkende Strom zu hoch. Diese beiden Effekte können zu einer sofortigen Zerstörung des Sicherheitsschaltgerätes führen.

REF 16-S von E-T-A

Der elektronische Sicherungsautomat REF16 von E-T-A.

Technik im Detail

Der elektronische Sicherungsautomat REF16

  • Werksseitig verfügt der REF16 über folgende Features: Nennstrom in festen Stromstärken von 0,5 A bis 10 A
  • Einschaltkapazität: mindestens 20.000 µF
  • steckbar auf Sockel 80plus (PT-Klemmen) und Sockel 81plus (Schraubklemmen)
  • Baubreite von lediglich 12,5 mm
  • aktive Strombegrenzung auf 1,25-fache des Nennstroms
  • Absicherung von Lasten, die von DC-24V-Schaltnetzteilen gespeist werden.

Einerseits ist die Auswahl an elektronischen Absicherungsprodukten mittlerweile sehr groß. Doch davon sollte sich der Anwender bei dieser Problemstellung nicht täuschen lassen. Für diese Art von Absicherung sind nur sehr wenige Produkte geeignet. Elektronischer Überstromschutz reicht an dieser Stelle nicht aus. Das Gerät muss auch über eine aktive Strombegrenzung verfügen. Vor diesem Hintergrund wird der elektronische Sicherungsautomat vom Typ REF16 aus dem Hause E-T-A zu einer dauerhaft sicheren Plug-and-Play-Lösung. Er sichert bei einer Baubreite von nur 12,5 Millimetern alle DC-24-Volt-Lastkreise selektiv ab. Dies wird durch eine Kombination aus aktiver elektronischer Strombegrenzung im Kurzschlussfall und einer Überlastabschaltung erreicht.

Theoretischer Hintergrund

Den theoretischen Hintergrund für die richtige Absicherung bildet die Voraussetzung, dass der I2.t-Wert, den das Sicherheitsschaltgerät verkraften würde, durch die maximale Durchlassenergie I2.t-Wert, der durch das vorgeschaltete Schutzelement zugelassen wird, deutlich überschritten wird. Dabei gilt folgende Formel zur Auslegung des Schutzelementes:

Max I2.tRelais > I2.tSchutzelement.

Mit dem elektronischen Sicherungsautomat REF16 aus dem Hause E-T-A als Schutzelement lässt sich anhand der genannten Formel sehr schnell die Wirksamkeit überprüfen. Dabei muss lediglich der I2.tRelais abgeglichen werden mit dem sehr leicht zu ermittelnden I2.t-Wert des REF16.
Der I2.t-Wert des REF16 lässt sich leicht ermitteln, da sowohl Auslösezeit als auch der maximale Strom (aktive Strombegrenzung) offensichtlich sind. Im Fall eines sechs-Ampere-Gerätes lautet die Beispielrechnung:

7,5 A2 x 130 ms = 7,31 A2s

Der Wert 7,5 A ergibt sich dabei aus dem 1,25-fachen des Nennstroms, auf den das Gerät durch die aktive Strombegrenzung limitiert ist. Ein vergleichbarer C6-Automat hätte dabei einen maximalen I2.t-Wert von circa 2100 A2s! Ein typischer I2.t-Wert für ein durchschnittliches Sicherheitsschaltgerät beträgt maximal 100 A2s. (Typ Wieland SNO 4083KM-A DC 24V).

Autor: Tobias Prem, E-T-A