Maschinensicherheit Risikominimierung durch MTTF-Betrachtung von Relais und Optokopplern

Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Nach der neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG müssen Maschinen- und Anlagenbauer eine Risikominimierung in der Steuerungs- und Antriebstechnik vornehmen, da von dort die größten Gefährdungen ausgehen. Bei den Relais und Optokopplern unterstützt Weidmüller durch die Bereitstellung und Offenlegung sämtlicher Werte, die für die Konformitätsbewertung erforderlich sind.

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Die Relais und Optokoppler von Weidmüller zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit aus – auch bei Schock und Vibration.
Die Relais und Optokoppler von Weidmüller zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit aus – auch bei Schock und Vibration.
( Archiv: Vogel Business Media )

Seit der Anwendungspflicht der neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG mit Wirkung zum 29. Dezember 2010 müssen Automatisierungstechnikanbieter und Maschinenbauer eine Konformitätsuntersuchung zur Bewertung der Maschinensicherheit durchführen. Um verbindliche Aussagen zur Ausfallwahrscheinlichkeit von Anlagen und einzelnen Signalsträngen treffen zu können, werden sogenannte MTTF-Werte benötigt. Die statistische Kenngröße MTTF steht für „Mean Time To Failure“ und bezeichnet die mittlere Betriebsdauer bis zu einem Ausfall.

Werte über die Verfügbarkeit aktiver Komponenten

Basierend auf der Parts-Count-Methode, nach der die Ausfallrate eines Systems unter der Annahme der Serienschaltung berechnet wird, ermittelt Weidmüller für seine aktiven Komponenten die Werte über ihre Verfügbarkeit. „Unsere Relais und Optokoppler zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit aus – auch bei Schock und Vibration“, erklärt Frank Polley, Produktmanager bei Weidmüller. „So haben wir zum Beispiel für einen Optokoppler aus der Termopto-Familie einen MTTF-Wert von 2500 Jahren ermittelt.“

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Anwender profitieren davon, dass Relais und Optokoppler klein dimensioniert sind, eine geringe Ansteuerleistung benötigen und kurze Ansprechzeiten haben. Trotz dieser Eigenschaften und der hohen MTTF-Werte ist jedoch in bestimmten Anwendungen der Einsatz von herkömmlichen elektromechanischen Relais erforderlich. Gegenüber Optokopplern weisen sie geringere Verluste im Laststrompfad auf und sind universell einsetzbar, weil sie einen Wechsel- und Gleichstrombetrieb im Laststromkreis zulassen. Da der Verschleiß von Relais nicht von der Qualität der Bauteile, sondern vielmehr von der konkreten Nutzung abhängt, erfolgt die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit mithilfe eines speziellen Werts.

B10-Werte für verschiedene Anwendungssituationen

„Für mechanisch sehr beanspruchte Module, wie Relais, wird zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit der B10-Wert herangezogen“, erklärt Produktmanager Joachim Janik. „Einfach gesagt, ist dieser Wert die Anzahl an Schaltspielen, die das Relais voraussichtlich leistet, bis 10 Prozent der Relais in einer bestimmten Anwendung ausgefallen sind. Dabei spielen Parameter, wie Schaltstrom, Schaltspannung und Lastart, eine wesentliche Rolle.“

Der B10-Wert kann demnach nicht allgemein für einen Relaistyp angegeben werden, sondern immer nur im Zusammenhang mit der jeweiligen Anwendung. „Wir können unseren Kunden eine große Anzahl von B10-Werten auf Anforderung zur Verfügung stellen. Die Sammlung wird kontinuierlich erweitert, um alle Anfragen bedienen zu können“, so Joachim Janik.

Die mittlere Betriebsdauer bis zum Ausfall der Relais lässt sich mithilfe des B10-Werts mit folgender Formel berechnen:

MTTF = B10 ÷ (0,1 × n)

Der Wert „n“ ist die Anzahl der jährlichen Schaltspiele in der Anwendung. Diesen muss der Anwender zusammen mit dem passenden B10-Wert in die Formel eintragen, um so die Ausfallwahrscheinlichkeit der in seiner Anwendung eingesetzten Relais zu berechnen.

Beispielrechnung

Der B10-Wert eines RSS-Relais der Kategorie DC-13 (24 V/2 A) beträgt 60.000. Die Anzahl der jährlichen Schaltspiele wird mit n = 150.000 angegeben. Dabei errechnet sich „n“ wie folgt: 1 Schaltung/min × 60 min × 10 h × 250 Tage/Jahr). Der MTTF-Wert leitet sich mit der angegebenen Formel ab:

MTTF = 60.000 ÷ (0,1 × 150.000)

MTTF = 4 Jahre.

Im Vergleich dazu liegt der MTTF-Wert des Optokopplers Microopto Actor bei:

MTTF = 847 Jahre.

(Archiv: Vogel Business Media)

Termopto und Microopto im Detail

Der Optokoppler Termopto ist für industrielle Anwendungen geeignet, bei denen eine Potentialtrennung und Signalanpassung ohne Schaltverstärkung ausreichend ist. Die kompakte Bauform im Reihenklemmen-Format spart Platz auf der Tragschiene und bietet die Option einer steckbaren Querverbindung.

Aus der Wahlmöglichkeit zwischen zehn Eingangs- und drei Ausgangsspannungen sowie zwischen Schraub- oder „Push In“-Anschluss ergeben sich 60 Varianten für den vielfältigen Einsatz. Außerdem reduziert sich durch die schraublose „Push In“-Anschlusstechnik die Verdrahtungszeit. Die integrierte Schutzbeschaltung stellt einen ausreichenden Schutz bei Anwendungen mit ohmscher sowie leicht induktiver und kapazitiver Last sicher. Bei rein induktiven, kapazitiven oder vergleichbaren Lasten mit hohen Ein- und Ausschaltspitzen, wie Magnetventilen oder Glühlampen, ist auf eine ausreichende Dimensionierung des Bausteins oder eine zusätzliche Schutzvorrichtung zu achten.

Als zusätzliche Schutzvorrichtungen können beispielsweise Solid-State Relais (SSR) Microopto Actor zum Einsatz kommen. Sie dienen als Schaltverstärker für Aktoren bis DC 24 V/2 A und lassen sich speziell für induktive Lasten, wie Magnetventile und Schütze, sicher schalten. Sie sind als intelligenter Power Mosfet (DC) ausgeführt. Solid-State Relais (SSR) sind Bausteine, die neben einem Optokoppler zur galvanischen Trennung über eine zusätzliche Schaltverstärkung verfügen. Zum Schalten höherer Ströme gilt es, zwischen den unterschiedlichen Leistungsniveaus von Phototransistor und Laststromkreis eine Leistungsanpassung, also Schaltverstärkung, vorzunehmen. Die Solid-State Relais können im Bereich von DC 8 V bis DC 30 V Lastströme von 2 A schalten. im Vergleich zu elektromagnetischen Relais zeichnen sie sich durch mehrere Vorteile aus: Sie Schalten über eine lange Lebensdauer hoch zuverlässig, sind klein dimensioniert (6,1 mm Baubreite) und verfügen über geringe Ansteuerleistungen sowie kurze Ansprechzeiten.

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