Nicht jedes Signal zwischen Steuerung und Feldgerät eignet sich für den direkten Anschluss. Ein Messsignal muss möglicherweise umgewandelt oder galvanisch getrennt, ein Digitalausgang verstärkt, eine Last zuverlässig geschaltet oder die Drehrichtung und der Schutz eines Motors gesteuert werden. Phoenix Contact bietet mit seiner Interfacetechnik und seinen Schaltgeräten separate Produktfamilien für diese Aufgaben: Signalaufbereiter, elektromechanische Relais und Halbleiterrelais, Überwachungs- und Zeitrelais, Logik- und Kommunikationsmodule sowie CONTACTRON-Lösungen zum Schalten von Motoren.
Die richtige Auswahl lässt sich nicht allein anhand der Eingangsspannung oder des Kontaktstroms treffen. Ob das Signal analog oder digital ist, welche galvanische Trennung erforderlich ist, wie häufig geschaltet wird, welcher Lasttyp vorliegt und wie hoch der Anlaufstrom ist, muss ebenso berücksichtigt werden wie das Verhalten im Fehlerfall, das Ziel der funktionalen Sicherheit und die Umgebungsbedingungen im Schaltschrank. Dieser Katalogleitfaden erläutert, für welche Aufgaben die Produktfamilien sinnvoll sind. Die angegebenen Zahlenwerte gelten ausschließlich im Kontext des jeweils genannten Phoenix Contact-Produkts oder der offiziellen Produktfamilie. Der endgültige Bestellcode ist anhand des aktuellen Datenblatts, der Konformitätsunterlagen und der Risikobeurteilung der Anwendung zu überprüfen.
Welche Aufgabe hat die Schnittstellenebene?
In einem Automatisierungsschaltschrank sorgt die Schnittstellenebene dafür, dass das Feldsignal in einer für das Steuerungssystem geeigneten Form ankommt und der Steuerungsbefehl auf der Lastseite sicher umgesetzt wird. Im analogen Messkreis geht es häufig darum, unterschiedliche Signalpegel anzupassen, die Auswirkungen unterschiedlicher Erdpotenziale zu verringern und die Nutzbarkeit der Messung in störungsbehafteten Umgebungen zu erhalten. Auf der digitalen Ausgangsseite stehen dagegen das Schalten von Lasten, die ein PLC-Kanal nicht direkt ansteuern kann, die Potenzialtrennung oder eine bei der Wartung austauschbare Relaisschnittstelle im Vordergrund.
Diese Aufgaben unter dem allgemeinen Begriff „Relais“ zusammenzufassen, kann zu Konstruktionsfehlern führen. Ein analoger Messumformer, ein elektromechanischer Kontakt, ein Halbleiterausgang und ein Motorstarter haben unterschiedliche Funktionsprinzipien und Fehlerverhalten. Details wie Kontaktverschleiß, Leckstrom, Mindestlast, Ansprechzeit, Schaltfrequenz, Kurzschlussschutz und thermische Belastung unterscheiden sich je nach Produkttyp. Deshalb sollten bei der Erstellung der Signalliste nicht nur die Kanalanzahl, sondern auch die elektrischen Eigenschaften und die funktionale Aufgabe jedes Kanals dokumentiert werden.
MINI Analog Pro und MACX Analog für Analogsignale
Phoenix Contact positioniert Signalaufbereiter und Messumformer als Schnittstellen zwischen Feld und Steuerung, die Signale isolieren, umwandeln, filtern und verstärken. Die Familie MINI Analog Pro kommt für beengte Platzverhältnisse im Schaltschrank sowie verschiedene Standard-, Ex- und Sicherheitsanwendungen infrage. Die Familie MACX Analog eignet sich zur Bewertung für Standard- oder Prozessanwendungen, die umfangreiche Funktions- und Zulassungsoptionen erfordern. Eine Ex- oder SIL-Angabe auf Familienebene bedeutet nicht, dass jeder Bestellcode dieselbe Zulassung besitzt. Bei Projekten in explosionsgefährdeten Bereichen, in Sicherheitskreisen oder im Schiffbau muss das Zertifikat des konkret ausgewählten Produkts gesondert geprüft werden.
Bei der Auswahl einer analogen Schnittstelle werden zunächst die Eingangs- und Ausgangsbereiche festgelegt. Beispielsweise lässt sich ein aus dem Feld kommendes Stromsignal von 4–20 mA an den von der Steuerungskarte akzeptierten Bereich anpassen. Ein bipolares Spannungssignal kann in einen anderen Spannungs- oder Strombereich umgewandelt werden. Anschließend werden die erforderliche Zwei- oder Drei-Wege-Trennung, ein aktiver oder passiver Ausgang, die Versorgungsart, die gewünschte Übertragungsgenauigkeit, die Ansprechzeit und die Umgebungstemperatur betrachtet. Eine gemeinsame Versorgung über einen Tragschienen-Busverbinder kann bei Schaltschränken mit vielen Kanälen die Anzahl separater Versorgungsbrücken reduzieren. Die Anzahl anschließbarer Module muss jedoch anhand ihrer Stromaufnahme berechnet werden.
Konkretes Produktbeispiel: MACX MCR-UI-UI-NC
Der MACX MCR-UI-UI-NC mit der Artikelnummer 2811446 ist ein einkanaliger Drei-Wege-Trennverstärker, der über DIP-Schalter konfiguriert wird. Laut Phoenix Contact-Produktseite lassen sich mehr als 1.600 Signalumwandlungen einstellen. Die Standardeinstellung wandelt einen Eingang von 0–10 V in einen Ausgang von 0–20 mA um; zwischen Eingang und Ausgang besteht eine galvanische Trennung. Die Nennversorgungsspannung des Geräts ist mit 12–24 V DC angegeben, der zulässige Versorgungsspannungsbereich beträgt 9,6–30 V DC. Diese Angaben gelten nicht für alle MACX-Produkte, sondern ausschließlich für diesen konkreten Bestellcode.
Beim selben Produkt lässt sich die Grenzfrequenz von 10 kHz auf 30 Hz umschalten. Der Hersteller gibt eine typische Sprungantwortzeit von 35 µs bei 10 kHz und 11 ms bei 30 Hz an. Veröffentlicht sind außerdem ein maximaler Übertragungsfehler von 0,1 Prozent bezogen auf den Endwert, eine Gesamtbreite von 12,5 mm und eine Betriebstemperatur von −20 bis +70 °C für den Einsatz bis zu einer Höhe von 2.000 Metern. Die Produktseite enthält auch eine Angabe zu SIL 2 nach IEC 61508. Die SIL-Eignung eines einzelnen Geräts ergibt jedoch noch keine vollständige Sicherheitsfunktion. Die Architektur des Sicherheitskreises, der Diagnosedeckungsgrad, die Ausfallraten und die Einsatzbedingungen müssen in der Systemberechnung gesondert berücksichtigt werden.
Relaisschnittstelle zwischen Steuerung und Feld mit PLC-INTERFACE
PLC-INTERFACE ist ein kompaktes Relaissystem zum Schalten, Trennen und Verstärken von Signalen zwischen der Steuerung und den System-I/O beziehungsweise Feldlasten. Phoenix Contact bietet in dieser Familie elektromechanische und Halbleiterrelaismodule, Ein- und Ausgangsfunktionen, spezielle Kontaktanordnungen sowie Zubehör an. Das modulare Remote-Relaissystem kann PLC-INTERFACE-Klemmen zudem an Netzwerke wie PROFINET, EtherNet/IP und Modbus/TCP anbinden. Auf der offiziellen Produktseite werden für den maximalen Ausbau 56 I/O-Kanäle angegeben. Diese Kapazität ist eine Grenze der jeweiligen Gateway- und Erweiterungsarchitektur und kann nicht jedem einzelnen PLC-INTERFACE-Modul zugeschrieben werden.
Bei der Relaisschnittstelle wird die Spulen- oder Eingangsspannung auf den PLC-Ausgang und die Kontaktseite auf die tatsächliche Last abgestimmt. Der für ohmsche Lasten angegebene Maximalwert lässt sich nicht direkt auf induktive Ventile, Schützspulen oder kapazitive Eingänge übertragen. Bei DC-Spulen ist die Schutzbeschaltung zu prüfen, bei AC- und DC-Lasten die jeweilige Gebrauchskategorie, bei häufigem Schalten die elektrische Lebensdauer sowie die thermische Beeinflussung benachbarter Module. Ein steckbarer Aufbau kann die Wartung erleichtern. Beim Austausch müssen jedoch dasselbe Kontaktmaterial und dieselbe Spulenausführung verwendet werden.
Konkretes Produktbeispiel: PLC-RSC-24DC/1/MS/ACT
PLC-RSC-24DC/1/MS/ACT mit der Artikelnummer 2909661 ist ein PLC-INTERFACE-Modul mit 24 V DC Eingangsspannung, Schraubanschluss und einem steckbaren Miniaturrelais mit Handbetätigung. Auf der vollständigen Produktseite sind ein Schließer, ein Grenzdauerstrom von 6 A, eine Breite von 6,2 mm und eine Betriebstemperatur von −40 bis +60 °C angegeben. Der Hersteller veröffentlicht außerdem einen Eingangsspannungsbereich von 18,5–33,6 V DC bei 20 °C, eine typische Ansprechzeit von 5 ms und eine Rückfallzeit von 8 ms. Diese Werte dürfen nicht auf andere Spulen-, Kontakt- oder Anschlussausführungen innerhalb der PLC-RSC-Familie übertragen werden.
Für das Produkt ist zwar eine maximale Schaltspannung von 250 V AC/DC aufgeführt, die Produktseite erläutert jedoch, dass unter bestimmten Spannungsbedingungen eine Trennplatte zwischen benachbarten Modulen erforderlich ist. Auch die für ohmsche Lasten angegebenen Leistungswerte und die Gebrauchskategorien AC-15/DC-13 unterscheiden sich voneinander. Dieses Beispiel zeigt, warum die bloße Angabe „6 A Relais“ in einer Auswahltabelle nicht ausreicht: Lastspannung, Stromart, Gebrauchskategorie, Anlaufstrom, Schalthäufigkeit, Sicherung und Anordnung benachbarter Kanäle müssen gemeinsam überprüft werden.
Elektromechanisches Relais oder Halbleiterrelais?
Ein elektromechanisches Relais schaltet über einen mechanischen Kontakt und gewährleistet bei geöffnetem Kontakt eine galvanische Trennung. Aufgrund unterschiedlicher Kontaktanordnungen und Optionen für AC/DC-Lasten ist es bei universellen Anwendungen flexibel einsetzbar. Die elektrische Lebensdauer der Kontakte hängt jedoch von der tatsächlichen Last und der Schalthäufigkeit ab. Da ein Halbleiterrelais keine beweglichen Kontakte verwendet, eignet es sich besonders für schnelle Schaltvorgänge mit hoher Frequenz. Eigenschaften wie der Spannungsabfall im leitenden Zustand, der Leckstrom im gesperrten Zustand, die thermische Verlustleistung sowie Einschränkungen auf bestimmte Stromrichtungen oder Lastarten müssen jedoch produktspezifisch geprüft werden.
Allgemeine Aussagen wie „wartungsfrei“ oder „langlebig“ reichen für die Auswahl nicht aus. Ventilspulen, Signalleuchten, Heizwiderstände, Schützspulen und elektronische Eingänge weisen jeweils ein anderes Lastverhalten auf. Der Leckstrom eines Halbleiterausgangs kann dazu führen, dass ein empfindlicher Eingang in einem falschen Zustand verbleibt. Bei einem elektromechanischen Kontakt kann ein zu geringer Strom dagegen die zuverlässige Kontaktgabe beeinträchtigen. Die Entscheidung darf nicht allein anhand des Nennstroms getroffen werden, ohne die Herstellerkennlinien, den Einschaltstrom der Last und das Entstörelement zu bewerten.
Wann werden Überwachungs- und Zeitrelais eingesetzt?
EMD-Überwachungsrelais sind zur unabhängigen Überwachung von Parametern wie Über- oder Unterspannung, Über- oder Unterstrom, Phasenausfall, Phasenfolge, Phasenasymmetrie, Leistungsfaktor, Wirkleistung, Motorwicklungstemperatur und Füllstand ausgelegt. Diese Geräte kommen infrage, wenn eine einfache Bedingung unabhängig von der PLC-Software überwacht, ein Fehlersignal über einen potenzialfreien Kontakt an das Steuerungssystem übermittelt oder ein bestimmter Anlagenteil abgeschaltet werden soll. Welche Parameter in einem Gerät verfügbar sind und in welchem Bereich sich die Grenzwerte einstellen lassen, hängt vom Bestellcode ab.
Beispielsweise ist der EMD-BL-PTC mit der Artikelnummer 2906252 zur Überwachung der Motorwicklungstemperatur mit bis zu sechs PTC nach DIN 44081 und DIN 44082 sowie zur Kurzschlussüberwachung im Thermistorkreis vorgesehen. Dieses Beispiel ist kein allgemeiner Temperaturregler. Der Anschluss der PTC-Kette und die Sensoranordnung des Motorherstellers müssen überprüft werden. Zeitrelais können dagegen einfache Zeitfunktionen wie Ansprechverzögerung, Rückfallverzögerung, Impuls- oder Taktfunktionen ausführen. Phoenix Contact nennt für sein Sortiment Zeitsteuerungsanwendungen von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Tagen. Der tatsächliche Zeitbereich und die Funktion sind dem Datenblatt des ausgewählten Zeitrelais zu entnehmen.
Motoren schalten und schützen mit CONTACTRON
Die Produktgruppe CONTACTRON umfasst separate Lösungen für den Direkt- oder Wendebetrieb von Drehstrommotoren, das Schalten und Umpolen von DC-Motoren, unterschiedliche Drehzahl- und Rampenaufgaben sowie den Schutz von Lasten in modernen DC-Netzen. Hybrid-Motorstarter kombinieren Halbleiter- und elektromechanische Schaltprinzipien. Die offizielle Familienseite positioniert eigenständige Hybrid-Motorstarter zum Schalten und Reversieren von Asynchronmotoren von 50 W bis 3 kW. Als Optionen der Produktfamilie nennt sie eine Breite von 22,5 mm, einen einstellbaren Motorschutz bis 9 A und bei bestimmten Ausführungen sicheres Abschalten nach SIL 3/PL.
Nicht für jede Leistung innerhalb dieses Bereichs wird derselbe Produktcode verwendet. Maßgeblich für die Auswahl sind der Motornennstrom laut Typenschild, die Netzspannung, der Bedarf an Drehrichtungsumkehr, die Anlaufzeit, der Schaltzyklus, die Koordinationsart, der Kurzschlussschutz und die Sicherheitsfunktion. Bei vernetzbaren Optionen kann eine Übertragung von Parametern und Diagnosedaten über IFS oder IO-Link möglich sein. Welcher Kommunikationsweg unterstützt wird, muss anhand der ausgewählten Variante und des Gateways geprüft werden. Auch die Not-Halt-Funktion wird nicht allein durch das Vorhandensein des Geräts nachgewiesen, sondern anhand der Risikobeurteilung der Maschine und der gesamten Sicherheitskette.
Produktfamilien anhand der Aufgabe vergleichen
| Anwendungsaufgabe | Zu prüfende Phoenix Contact-Produktfamilie | Entscheidungsrelevante Angaben |
|---|---|---|
| Analoge Messsignale isolieren oder umwandeln | MINI Analog Pro oder MACX Analog | Eingangs-/Ausgangsbereich, Isolation, Genauigkeit, Ansprechzeit, Ex/SIL und Versorgung |
| PLC-Ausgang von der Last trennen | PLC-INTERFACE oder RIFLINE complete | Spulenspannung, Kontaktanordnung, Lastkategorie, Strom, Austauschbarkeit |
| Mit hoher Frequenz schalten | Geeignetes Halbleiterrelaismodul | AC/DC-Stromrichtung, Leckstrom, Spannungsabfall, thermische Verlustleistung und Frequenz |
| Netz- oder Motorzustand überwachen | EMD-Überwachungsrelais | Messparameter, Grenzwert, Verzögerung, Ausgangskontakt und Versorgung |
| Einfachen Zeitablauf realisieren | Geeignetes Zeitrelais | Funktion, Zeitbereich, Einstellgenauigkeit und Kontaktbelastung |
| Motor starten, reversieren und schützen | CONTACTRON Motorstarter | Motortyp, Leistung und Strom, Drehrichtung, Anlauf, Schutz, Kommunikation und Sicherheit |
Wichtige Details bei der Schaltschrankplanung
Bei der Reihenmontage von Interface-Geräten auf der DIN-Tragschiene darf nicht nur die Gesamtbreite berücksichtigt werden. Der Abstand zum Verdrahtungskanal, der Platz für den Austausch von Steckverbindern oder Relais, Trennplatten, die Temperaturreduzierung bei angereihter Montage und die Luftzirkulation sind unter Berücksichtigung der Herstellervorgaben zu bewerten. Gemeinsame Brücken können die Montage beschleunigen; es muss jedoch ein Standard für Farbkennzeichnung, Trennung und Beschriftung festgelegt werden, der ein versehentliches Brücken unterschiedlicher Potenziale verhindert. Kanalnummer, PLC-Adresse, Feldkennzeichnung und Produktfunktion müssen innerhalb desselben Projekts rückverfolgbar sein.
Bei einem Projekt mit funktionaler Sicherheit oder Explosionsschutz ist die Beschreibung einer Produktfamilie kein Auslegungsnachweis. Das Zertifikat für den vollständigen Bestellcode, das Sicherheitshandbuch, die Einsatzbeschränkungen und der aktuelle Revisionsstand müssen in die technische Dokumentation aufgenommen werden. Ein SIL- oder PL-Wert bedeutet nicht, dass das Gerät allein der Maschine dieses Sicherheitsniveau verleiht. Ebenso kann eine Ex-Zulassung nicht als gültig betrachtet werden, wenn die Anforderungen an Anschlussart, Zone, Gasgruppe, Temperaturklasse und Gehäusebedingungen nicht erfüllt sind.
Erforderliche Angaben für Angebot und Projektierung
- Quellsignal, Zielsignal, Nennwert und zulässige Fehlertoleranz für jeden Kanal
- Bei Analogkanälen: Ein-/Ausgangsbereich, aktive oder passive Ausführung, galvanische Trennung und Anforderungen an das Ansprechverhalten
- Bei Digitalkanälen: PLC-Spannung, Lastspannung, AC/DC-Ausführung und tatsächliche Lastcharakteristik
- Kontaktkonfiguration, minimale und maximale Last, Einschaltstrom und Schaltspiele pro Stunde
- Begründung der Wahl zwischen elektromechanischer und Halbleiterausführung hinsichtlich Wartung, Geschwindigkeit, Leckstrom und Wärmeentwicklung
- Zu überwachende Spannungs-, Strom-, Phasen-, Temperatur- oder Zeitbedingung sowie Schwellen- und Verzögerungswert
- Motortypenschild, Leistung, Strom, Netzspannung, Drehrichtungsumkehr und Anlaufprofil
- Erforderliche SIL-, PL- oder Ex-Zielvorgabe und Risikobeurteilung der Anwendung
- Schaltschranktemperatur, Aufstellungshöhe, Vibration, Verschmutzungsgrad und Anforderungen an Zertifikate
- Anschlusstechnik, gemeinsame Versorgung, Brückung, Kennzeichnung und Ersatzteilstandard
Eine anhand dieser Angaben erstellte Schnittstellenliste macht die Produktauswahl von einer Katalogrecherche zu einer systemtechnischen Entscheidung. Oskon kann die gesamte Kette vom Feldsignal bis zum PLC-Kanal und vom Steuerausgang bis zur tatsächlichen Last untersuchen und so die passende Phoenix Contact-Produktfamilie sowie den vollständigen Bestellcode bestimmen. Vor der Inbetriebnahme müssen Anschlussplan, Schutzelemente, Anzugsdrehmomente, Funktionsprüfung und gegebenenfalls die Sicherheitsvalidierung dokumentiert werden.
